СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ИЗНОШЕННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ
METHOD OF RESTORATION OF WORN SURFACES OF METAL PARTS

Изобретение относится к области электрофизической и электрохимической обработки, в частности, к электроэрозионному легированию, и может быть использовано для ремонта деталей машин.
Важнейшими задачами ремонтно-обслуживающего производства являются поддержание работоспособности, восстановление ресурса машин и оборудования, обеспечение их высокой надежности и возможности эффективного использования. Для решения этих задач предусматривается улучшение качества ремонта за счет внедрения современных методов его организации и оптимальных технологических процессов упрочнения и восстановления деталей. Ресурс восстановленных деталей, как правило, значительно выше, благодаря использованию эффективных способов восстановления и улучшенным свойствам упрочненных поверхностей.
Современная упрочняющая технология располагает многочисленными методами улучшения структуры и свойств поверхностного слоя деталей, каждый из которых имеет оптимальные области применения, достоинства и недостатки.
Известен способ электроэрозионного легирования (ЭЭЛ), все более широко применяющийся в промышленности для повышения износостойкости и твердости поверхностей деталей машин, в том числе и работающих в условиях повышенных температур и агрессивных сред, для повышения жаро - и коррозионной стойкости, а также для восстановления изношенных поверхностей деталей машин при ремонте и др.
ЭЭЛ поверхности это процесс перенесения материала на обрабатываемую поверхность искровым электрическим разрядом. Метод имеет ряд специфических особенностей:
- материал анода (легирующий материал) может образовывать на поверхности катода (легируемая поверхность) чрезвычайно прочно сцепленный с поверхностью слой покрытия. В этом случае не только отсутствует граница раздела между нанесенным материалом и металлом основы, но происходит даже диффузия элементов анода в катод;
- легирование можно осуществлять в строго указанных местах (радиусом от долей миллиметра и более), не защищая при этом остальную поверхность детали;
- технология электроэрозионного легирования металлических поверхностей очень проста, а необходимая аппаратура малогабаритна и транспортабельна [Лазаренко Н.И. Электроискровое легирование металлических поверхностей.- М.: Машиностроение, 1976. - С. 3, 4, 13, 19].
Несмотря на то, что ЭЭЛ положительно влияет на износостойкость поверхностного слоя, его недостатки нередко ограничивают внедрение данной технологии для широкого круга деталей машин. К таким недостаткам относятся увеличение шероховатости поверхности изделий после ЭЭЛ, неравномерность поверхностного упрочнения, отрицательное влияние эрозионного разряда на усталостные свойства изделий и др.
Известен также способ восстановления поверхностей металлических деталей, включающий нанесение на изношенную поверхность детали покрытия электроэрозионным легированием (ЭЭЛ) металлическим электродом, при котором покрытие ЭЭЛ наносят на режимах, обеспечивающих заданную шероховатость поверхности покрытия, на полученную поверхность наносят, по крайней мере, один слой металлополимерного материала (МПМ), обеспечивают полимеризацию, по крайней мере, одного нанесенного слоя МПМ, после чего завершающий полимерный слой МПМ подвергают финишной обработке  зношених поверхонь металевих деталей  Патент Украины №104664, МПК: В23Н 5/00 /Марцинковський B.C., Тарельник В.Б., Павлов О.Г.,  Опубл. 25.02.2014, Бюл. №4. - 3 с] (прототип).
Недостатками данного способа являются:
- низкая твердость металлополимерных материалов;
- основное применение способа - восстановление деталей в неразъемных соединениях (посадочных мест под подшипники, полумуфты и др.);
- металлополимерные материалы хорошо работают на сжатие и значительно хуже на сдвиг, что отрицательно влияет на их применение для восстановления у деталей поверхностей трения;
- изменением свойств при увеличении температуры на поверхностях трения и др.
Следовательно, в настоящее время техническая задача усовершенствования способов восстановления поверхностей изношенных металлических деталей машин не потеряла своей актуальности.
Для решения сформулированной выше задачи предложен способ восстановления поверхностей изношенных металлических деталей, который, как и известные, включает нанесение на изношенную поверхность детали покрытия электроэрозионным легированием (ЭЭЛ) металлическим электродом на режимах, обеспечивающих заданную шероховатость поверхности покрытия от 1 до 200 мкм и более и определяемых энергией разряда 0,036-6,8 Дж, затем на полученную поверхность наносят, по крайней мере, один слой металлополимерного материала (МПМ), обеспечивают полимеризацию, по крайней мере, одного нанесенного слоя МПМ, после чего завершающий слой МПМ подвергают финишной обработке, при котором, в соответствии с настоящим изобретением, нанесенный слой МПМ, перед полимеризацией армируют, по крайней мере, одним слоем, проволоки, при этом обеспечивают такую толщину нанесенного МПМ, при которой уровень погружения армирующей проволоки, по крайней мере, в один слой МПМ соответствует, по крайней мере, половине диаметра проволоки, формирующей, по крайней мере, один армирующий слой, затем, не дожидаясь застывания МПМ, нанесенного до погружения в него армирующей проволоки, продолжают наносить, по крайней мере, один слой МПМ до тех пор, пока полностью не покроют, по крайней мере, один слой армирующей проволоки.
При восстановлении мягкой антифрикционной изношенной поверхности деталей типа тел вращения нанесенный слой МПМ перед полимеризацией армируют путем навивки на него проволоки, изготовленной из мягкого пластичного материала, например, меди, олова, баббита, серебра, оловянной бронзы. Проволоку навивают с шагом не менее 1,0-1,5 мм.
При восстановлении твердой износостойкой изношенной поверхности детали типа тела вращения нанесенный слой МПМ, перед полимеризацией армируют путем размещения на нем с натягом пружины, выполненной из проволоки, изготовленной из твердого износостойкого материала, например, стали 65Г, 9ХВ2С, бериллиевой бронзы БрБ2, и прошедшей термообработку. Причем, применяют пружину с шагом навивки не менее 1,0-1,5 мм.
При восстановлении мягкой антифрикционной изношенной плоской и/или криволинейной поверхности нанесенный слой МПМ перед полимеризацией армируют путем размещения на нем сетки, выполненной из проволоки, изготовленной из мягкого пластичного материала, например, меди, олова, баббита, серебра, оловянной бронзы.
При восстановлении твердой износостойкой изношенной плоской и/или криволинейной поверхности нанесенный слой МПМ перед полимеризацией армируют путем размещения на нем сетки, выполненной из проволоки, изготовленной из твердого износостойкого материала, например, стали 65Г, 9ХВ2С, бериллиевой бронзы БрБ2, и прошедшей термообработку.
Кроме того, сетку с размерами ячейки не менее 1,0-1,5×1,0-1,5 мм прикрепляют за пределами восстанавливаемой поверхности, например, приваривают контактной сваркой. При этом перед нанесением повторного слоя МПМ предыдущий слой МПМ после полимеризации зачищают и обезжиривают.
Кроме того, финишную обработку нанесенного слоя МПМ могут осуществлять механическим методом, например, шлифованием или лезвийной обработкой, на необходимую глубину.
Сформулированная выше техническая задача в настоящем изобретении решена за счет применения интегрированной технологии, включающей в себя метод электроэрозионного легирования с последующим нанесением МПМ армированного проволокой. При использовании интегрированной технологии возможны различные варианты формирования структуры восстановленного поверхностного слоя.
Далее приведены конкретные примеры осуществления способа со ссылками на схематические изображения, где:
На фиг. 1 представлены фотографии, демонстрирующие разрушение баббитового слоя опорных пальцев зубчатых колес в результате его некачественной заливки;
На фиг. 2 дано схематическое изображение слоев покрытия, нанесенного на изношенную поверхность восстанавливаемой детали типа тела вращения;
На фиг. 3 дано схематическое изображение операции погружения армирующей проволоки в слой МПМ, нанесенный после ЭЭЛ изношенной поверхности детали на фиг. 2;
На фиг. 4 дано схематическое изображение завершенного покрытия восстанавливаемой детали типа тела вращения, включающего в себя слой МПМ, армированный слоем проволоки;
На фиг. 5 изображен вал ротора насоса ЦНС-180 с изношенными подшипниковыми и посадочными шейками;
На фиг. 6 изображены изношенные поверхности упорных подшипников скольжения;
На фиг. 7 изображены изношенные поверхности опорных подшипников скольжения;
На фиг. 8 дано схематическое изображение армирования слоя МПМ базовым и повторным слоями сетки при восстановлении крайне изношенных плоских поверхностей;
На фиг. 9 дано схематическое изображение армирования слоя МПМ базовым и повторным слоями сетки при восстановлении крайне изношенных криволинейных поверхностей;
На фиг. 10 показана нижняя часть корпуса центробежного компрессора после долгих лет эксплуатации.
Пример 1
Восстановление изношенных поверхностей деталей типа тел вращения из мягких антифрикционных металлов.
Как известно, основной причиной выхода из строя деталей машин является не поломка, а износ их поверхностного слоя. Иногда в процессе работы возникает необходимость восстановления наружных поверхностей из мягких антифрикционных металлов деталей тел вращения, например, опорных пальцев зубчатых колес после разрушения баббитового слоя.
На изношенную поверхность детали 1 (фиг. 2), методом ЭЭЛ наносится слой 3 покрытия из любого мягкого антифрикционного металла (медь, олово, серебро, оловянная бронза и др.). При этом между нанесенным металлом и деталью образуется переходной слой 2, представляющий собой взаимное диффузионное проникновение элементов анода и катода. Покрытия можно наносить, варьируя энергию разряда в диапазоне 0,036-6,8 Дж. С ростом энергии разряда увеличивается толщина наносимого покрытия и шероховатость поверхности. При этом толщина слоя может изменяться, в зависимости от характера взаимодействия анода и катода (установки с ручным вибратором, типа «Элитрон 52-А» и механизированные установки с многоэлектродными головками, типа «Элитрон-347» или «ЭИЛ-9»), в первом случае от 0,01 до 0,25 мм и во втором случае от 0,05 до 2,0 мм, а высота микронеровностей (Rz) при этом изменяется, соответственно, от 8,5 до 155,8 мкм и от 20 до 200 мкм. После этого на ЭЭЛ поверхность наносится металлополимерный материал 4.
Нанесение материала является одной из операций, определяющих как качество образованных адгезионных связей, так и долговечность восстановленной детали. Слой металлополимера тщательно втирается лопаткой или шпателем в поверхность восстанавливаемой детали. Попадание при таком втирании полимерного материала во впадины и микронеровности восстанавливаемой детали с одной стороны обеспечивает улучшение адгезии, а с другой - исключает вероятность образования очагов коррозии в этих впадинах, не заполненных полимерным материалом. Формируемый слой МПМ должен быть такой толщины, чтобы наматываемая впоследствии на покрытую им поверхность детали проволока 5 погружалась хотя бы до половины ее диаметра (фиг. 3).
Руководствуясь основной концепцией применения МПМ, заключающейся в том, что рабочий его слой не должен быть меньше 1-1,5 мм шаг навивки проволоки (t) на вал будет составлять:
t=d+1-1,5 мм,
где d - диаметр проволоки [А.А. Ищенко. Технологические основы восстановления промышленного оборудования современными полимерными материалами.- Мариуполь: ПГТУ, 2007.- с. 93].
После навивки проволоки необходимо продолжить нанесение МПМ до тех пор, пока наносимый слой не покроет полностью намотанную проволоку (фиг. 4).
В данном случае, для восстановления изношенных поверхностей можно использовать проволоку из: меди, олова, баббита, серебра, оловянной бронзы и др.
Пример 2
Восстановление изношенных поверхностей деталей типа тел вращения из твердых износостойких металлов
На фиг. 5 изображен вал ротора насоса ЦНС-180 с изношенными подшипниковыми и посадочными шейками, которые имеют твердость порядка 35-40 единиц HRC и нуждаются в ремонте. В данном случае, после нанесения на проточенную изношенную поверхность методом ЭЭЛ покрытия из твердого износостойкого металла и нанесения слоя из МПМ, по технологии описанной выше (см. пример 1, фиг. 2), на сформированный слой, с натягом, надевают термообработанную пружину. При этом толщина нанесенного МПМ 4 должна обеспечивать покрытие проволоки 5, по крайней мере, до половины ее диаметра (фиг. 3).
После того как пружина будет надета, необходимо продолжить нанесение МПМ до тех пор, пока его шар 4 полностью не покроет витки пружины (фиг. 4). Следует отметить, что шаг при навивке пружины, как и в примере 1 должен быть не менее 1,0-1,5 мм. Материалом пружины может служить сталь 65Г, 9ХВ2С, бериллиевая бронза БрБ2 и др.
Затвердевший металлополимерный материал можно обрабатывать любым из известных способов, включая шлифование и обработку лезвийным инструментом [А.А. Ищенко. Технологические основы восстановления промышленного оборудования современными полимерными материалами.- Мариуполь: ПГТУ, 2007.- с. 55, 56].
Пример 3.
Восстановление изношенных плоских и криволинейных поверхностей деталей из мягких антифрикционных металлов.
Нередко возникает необходимость восстановления плоских и криволинейных изношенных поверхностей из мягких антифрикционных металлов, например, опорных и упорных подшипников скольжения (фиг. 6, 7).
В данном случае, после нанесения на проточенную изношенную поверхность методом ЭЭЛ покрытия из мягкого антифрикционного металла и нанесения слоя из МПМ, по технологии описанной выше (см. Пример 1, фиг. 2), на сформированный слой накладывают сетку 5, фиг. 8, 9, из мягкого антифрикционного металла с размерами ячейки не менее 1,0-1,5×1,0-1,5 мм. При этом первоначально толщина слоя 4 покрытия, нанесенного МПМ, должна обеспечивать погружение в него проволочек сетки 5, по крайней мере, до половины их диаметра (фиг. 3). Сетка 5, 6 может прикрепляться за пределами восстанавливаемой поверхности любым известным способом, например, привариванием контактной сваркой.
После установки сетки 5 необходимо продолжить нанесение слоя 4 покрытия МПМ до тех пор, пока сетка полностью в него не погрузится (фиг. 4, 8, 9).
В случае значительного износа накладывание сетки 6 можно повторять необходимое число раз (фиг. 8, 9). Затвердевший металлополимерный материал можно обрабатывать любым из известных способов, включая шлифование или обработку лезвийным инструментом [А.А. Ищенко. Технологические основы восстановления промышленного оборудования современными полимерными материалами.- Мариуполь: ПГТУ, 2007.- с. 55, 56].
Пример 4.
Восстановление изношенных плоских и криволинейных поверхностей деталей из твердых износостойких металлов
На фиг. 10 изображена нижняя часть корпуса центробежного компрессора с изношенными плоскими и криволинейными поверхностями после долгих лет эксплуатации.
В данном случае, изношенные плоские и криволинейные поверхности изделий, восстанавливают согласно технологии, описанной в примере 3, за исключением того что используемая сетка изготовляется из термообработанной твердой проволоки.
Для всех примеров осуществления справедливо условие, в соответствии с которым перед нанесением повторного слоя МПМ предыдущий слой МПМ 4 (фиг. 4, 8, 9), после полимеризации зачищают и обезжиривают.