Совершенствование существующих методов повышения износостойкости деталей машин

Износ и поломка деталей машин является серьезной проблемой в машиностроении. Со временем износ деталей машин может привести к снижению функциональности, увеличению затрат на техническое обслуживание и даже к критическим отказам. Износ может быть вызван множеством факторов, например, такими как механический износ, коррозия и термическое воздействие. Поэтому повышение износостойкости деталей машин является важным направлением исследований и разработок в машиностроении для повышения надежности и долговечности машин и улучшения эффективности производства.

Целью данной статьи является анализ и предложение инновационных подходов к совершенствованию существующих методов повышения износостойкости деталей машин. Критически анализируя существующие методы и устраняя их ограничения, мы стремимся предоставить новые идеи и практические решения этой постоянной инженерной проблемы. Наши исследования направлены на оптимизацию производительности и долговечности деталей машин, обеспечивая более эффективную и надежную работу в различных промышленных приложениях.

Поверхности любых твердых тел имеют неровности и шероховатости, будь то грубая металлическая поверхность металла или любая металлическая поверхность, независимо от способа обработки и квалитета. Качество поверхности влияет на процессы изнашивания и трения. Детали машин должны соответствовать требованиям надежности. Надежность является комплексным свойством и включает в себя следующие аспекты: долговечность, ремонтопригодность, готовность, безотказность и сохраняемость, в зависимости от условий эксплуатации объекта и его назначения [1-4].

Детали в машинах и механизмах достигают своего предельного состояния в результате износа их рабочих поверхностей. Исходя из этого долговечность деталей машин определяется износостойкостью узлов трения. В ходе эксплуатации активный поверхностный слой детали подвергается разрушению раньше всего. Очевидно, что для повышения их надежности и долговечности свойства поверхности имеют определяющее значение. Поэтому поиск новых методов повышения износостойкости поверхности детали является актуальной задачей на сегодняшний день. Наиболее действенный путь решения этой задачи — это снижение трения в узлах и повышение износостойкости путем упрочнения поверхности детали [4].

Существует множество способов повышения износостойкости деталей машин, и некоторые из них могут быть эффективны только в определенных условиях эксплуатации. Однако можно выделить три основные группы методов: конструкционные или конструктивные, технологические и эксплуатационные. Хотя существующие методы показали довольно неплохие результаты, все еще есть возможности для дальнейших улучшений и совершенствований. Ниже более подробно рассмотрим каждый из методов.

Конструкционные, или конструктивные методы повышения износостойкости деталей машин являются одними из наиболее эффективных способов уменьшения износа. Эти методы включают в себя изменение конструкции механизмов, что позволяет снизить воздействие нагрузок, трения и других факторов, приводящих к износу. Эта группа методов реализуется на стадии изготовления и восстановления узла трения [5].

Одним из способов повышения износостойкости является улучшение геометрии деталей. Это может быть достигнуто путем изменения формы, размера или расположения деталей, что позволяет снизить нагрузки на них. Например, заострение углов может привести к повышенному износу, поэтому округление этих углов может снизить износ. Другим способом является улучшение качества поверхности деталей. Более гладкая поверхность снижает трение и износ. Это может быть достигнуто путем шлифовки, полировки или применения покрытий, таких как хром или никель. Покрытия наряду с преимуществами: имеется защита от коррозии и химической деградации, возможность адаптации свойств покрытия к конкретным требованиям, совместимость с широким спектром основных материалов, а также относительно экономичный по сравнению с другими методами, имеют и некоторые недостатки: могут создавать остаточное напряжение, которое может повлиять на целостность детали, ограничения по толщине покрытия могут ограничивать применение к изделиям со сложной геометрией, для покрытий могут потребоваться дополнительные этапы обработки или специальное оборудование. Также, можно изменять материалы деталей. Выбор материалов для изготовления деталей является сложной задачей, так как нужно учесть множество факторов.

Наибольший эффект долговечности узла трения при низких нагрузках и температуре достигается с помощью пары материалов, состоящих из твердого и мягкого металла, например, бронза и медь [5].

Конструктивные методы не могут быть универсальными в силу того, что изменения, вносимые с помощью этих методов, могут быть эффективны только в определенных условиях эксплуатации или при определенных типах износа. Это ограничивает их применимость. Помимо этого, внесение конструктивных изменений может быть сложным процессом, особенно в случае с уже функционирующими системами или установками.

Технологические методы повышения износостойкости деталей машин являются важной составляющей в обеспечении надежности и долговечности механизмов, они направлены на улучшение структуры поверхностного слоя изнашиваемого тела. Один из основных технологических методов повышения износостойкости деталей машин - это термическая обработка. Термическая обработка хорошо зарекомендовала себя в промышленности. Так, например, закалка и отпуск позволяют изменить микроструктуру и улучшить механические свойства материала, такие как прочность и твердость, что в свою очередь повышает их износостойкость. Термическая обработка имеет следующие преимущества: повышенная устойчивость к деформации и износу в условиях высоких нагрузок, возможность адаптировать свойства материала с помощью различных процессов термообработки, совместимость с различными типами и размерами материалов. А также недостатки: потенциальная деформация или изменение размеров во время термической обработки, ограниченный контроль над свойствами материала в определенных случаях, ограниченная применимость к деталям со сложной геометрией, растрескивание или коробление, вызванное термическим напряжением.

Некоторые технологические методы могут обеспечивать временное улучшение износостойкости, но с течением времени и в условиях длительной эксплуатации эффективность таких методов может снижаться. Такая ситуация приводит к необходимости регулярного повторения процесса. Внедрение технологических методов повышения износостойкости может иметь негативное влияние на другие свойства материалов или деталей. Помимо негативного влияния на свойства деталей, некоторые технологические методы негативно влияют на окружающую среду, так как могут включать использование вредных или опасных материалов или процессов.

Долговечность деталей машин зависит в большей степени от условий их эксплуатации, своевременной замены вышедших из строя деталей, а также систематического проведения контроля. Следовательно, регулярное техническое обслуживание машин и механизмов, использование правильных материалов, применение смазки, использование защитных покрытия, диагностика и ремонт являются эксплуатационными методами повышения износостойкости. Наиболее эффективным является использование смазочных материалов. В процессе эксплуатации машин и механизмов происходит утечка и старение смазочных материалов, они теряют свои смазочные свойства, насыщаясь продуктами износа и деструктируя [5]. Преимущества смазочных материалов: снижение трения и износа за счет образования защитной пленки, способность компенсировать дефекты и неровности поверхности, совместимость с существующими системами. Недостатки следующие: требование к постоянной смазке и техническому обслуживанию, возможность загрязнения или разрушения смазочных материалов, ограниченная эффективность при экстремальных температурах или высоких нагрузках, сложность системы смазки и связанные с этим затраты, экологические соображения и утилизация использованных смазочных материалов.

Эксплуатационные методы требуют постоянного мониторинга и регулирования параметров эксплуатации, что в свою очередь требует дополнительных ресурсов и времени. Более того эти методы зависят от определенных условий и параметров эксплуатации, что снижает эффективность данных методов.

В статье [6] автором проводилось исследование эффективности гибридных композитов использовавшихся для изготовления износостойких покрытий. В качестве материала образцов использовались стали 12Х2Н4А и 38ХМЮА по ГОСТ 4543-71. В результате исследования покрытия системы TiAlN не дают увеличения износостойкости, однако имеется при этом более лучший уровень механических свойств. В свою очередь покрытия состава CrAlSiN обеспечивает более высокую износостойкость, при этом коэффициент трения покрытия остается высоким по сравнению с образцами, не имеющими покрытия. Опираясь на опыт авторов статьи [7], в которой рассматривается метод определения средней концентрации частиц износа в смазочном масле – можно сделать вывод, что состояние работающих масел в узлах должно поддерживаться на должном уровне, сокращая аварийные ситуации и поддерживая износостойкость деталей.

Исходя из анализа исследований различных методов обеспечения долговечности машин и механизмов следует вывод о недостаточной эффективности применения того или иного метода. Поэтому представляет интерес поиск системы комбинированных методов, которые позволят добиться максимального эффекта износостойкости. В частности, предлагается применение комбинированного метода повышения износостойкости деталей машин с помощью упрочнения поверхности работающей детали, включающий в себя нанесение покрытия, где будет присутствовать бор, азот и хром, с последующим гидрополированием для достижения поверхности с одинаковой микрогеометрией во всех направлениях и добавлением мягкого металла – медь, с помощью масла и фреона в место контакта поверхностей.