Технології електроерозійного легування та обробки для компресорного та насосного обладнання
Electronic Erosion Doping and Processing Technology for Compressor and Pump Equipment The company TRIZ розробляє і здійснює нову систему процесів bronze inserts for sliding bearings. Матеріал дає змогу збільшити опис три-стадії утискування процесів, які встановлюють в електричній ерозії coating, що складається з точних областей з максимальним розміром 30 µm, що є регулярним surface microrelief, що має максимальний рівень 8/kg mm 2 .
В.С. Марцинківський, к.т.н., доцент, ТОВ «ТРВЗ»,В.Б. Тарельник, д.т.н., проф., СНАУ
«Надійність обладнання, тобто безперебійна робота вузла чи агрегату в поточних умовах до наступного ремонту, дозволить знизити експлуатаційні витрати нафтогазової компанії. Дослідження показують, що з підвищенні надійності устаткування 5% прибутковість компанії збільшується більш як 34%» [З. Горєленков]. На долар, вкладений у підвищення надійності обладнання, компанія отримує $6 прибутків. Просте запитання: як вкласти?
Одним з напрямків діяльності фірми «ТРВЗ», що забезпечують надійність роботи високоефективних вузлів ТРІЗ ® для динамічного обладнання, є розробка та застосування технологій ТРИЗ ® , що гарантують якість виготовлення вузлів, що поставляються. Технології електроерозійної обробки при виготовленні муфт, лабіринтних та імпульсних ущільнень і технології електроерозійного легування з використанням поверхнево пластичної деформації (ППД) обкаткою кулькою (ЗШ) або безабразивної ультразвукової фінішної обробки (БУФО), розроблені фірмою для пар треній. сьогодні відповідають необхідному експлуатаційному рівню, що забезпечує 2–4-річну безперервнуексплуатацію динамічного устаткування.
Для виготовлення вкладишів підшипників (ВП) використовують різні антифрикційні сплави. Зміна типу і марок сплавів відбувається під впливом умов роботи підшипникових вузлів. Зазвичай підшипникові сплави на основі міді мають більш високі механічні характеристики порівняно з бабітами, а також сплавами на основі цинку та алюмінію [І.В. Крагельський, Н.М. Міхін, Н.А. Буше].
При використанні сплавів на основі міді ушкоджуваність підшипників проявляється у вигляді підвищеного зносу, утрудненої прироблюваності та великої ймовірності утворення задира [А.В. Чичінадзе, Е.М. Берлінер, Е.Д. Браун]. У зв'язку з цим виникає необхідність формування на бронзових ВП спеціальних покриттів, що покращують умови опрацювання.
Нами розроблено та використовується спосіб обробки бронзових вкладишів підшипників ковзання (ПС) [В.Б. Тарельник, В.С. Марцинківський, Б. Антошевський].
Спочатку на робочі поверхні бронзових вкладишів (мікротвердість яких становить 110-115 кгс/мм 2 ) методом електроерозійного легування (ЕЕЛ) наносять покриття зі срібла при енергії розряду 0,1-0,3 Дж. Мікротвердість сформованого поверхневого шару при цьому знижується -80 кгс/мм 2 .
Після цього на покриття зі срібла цим же методом і при такій енергії розряду (0,1-0,3 Дж) наносять покриття з міді. Мікротвердість покриття після нанесення міді трохи збільшується і становить 85-90 кгс/мм 2 .
Третім шаром наносять електроерозійне покриття з олов'яного бабіту при енергіях імпульсу 0,01-0,04 Дж. При цьому мідь, що входить до складу покриття, утворює з оловом, яке є основним компонентом бабітів, твердий розчин заміщеннягарантований металевий зв'язок.
Нанесення олов'яного бабіту сприяє отриманню механічної суміші по евтектичній реакції на основі срібла, яке складається зe фази та Sn з температурою плавлення близько 220°С. Мікротвердість структури після нанесення електроерозійного покриття з олов'яного бабіту становить 35-38 кгс/мм2. Свинець, який міститься у бронзі, практично не розчиняється у сріблі та перебуває у вільному стані.
Таким чином одержують комбіноване електроерозійне покриття (КЕП) у вигляді дискретних зон з максимальною товщиною 30 мкм, тобто формується регулярний мікрорельєф поверхні, вершини якого мають мікротвердість 35-38 кгс/мм 2 .
На рис. 2 показані бронзові вкладиші підшипників ковзання без покриття (верхній ряд) та з КЕП (нижній ряд).
На рис. 3 показана топографія ділянки поверхні бронзових зразків з КЕП, на якій вибрано 3 характерні точки (1 - гладка поверхня, 2 - шорстка поверхня, 3 - пора).
Спектр поверхні та поелементний склад, як у характерних точках, так і з усієї досліджуваної поверхні, показаний відповідно у табл. 1 та на рис. 1. Як очевидно з табл. 1 та рис. 1 у всіх характерних точках присутні елементи, що входять до складу КЕП.
Розподіл елементів з поглиблення поверхневого шару з кроком сканування 5 мкм представлено в табл. 2.
Як очевидно з табл. 1 і 2, поверхневий шар, сформований ЕЕЛ, складається з елементів легуючих електродів та підкладки. Товщина покриття покриття складає 30 мкм.
Успішний досвід застосування підшипників з антифрикційним покриттям приробітку (рис. 1) отриманий на корпусі КВД (n = 12 600 об/хв) повітряного компресора С102.
Однак застосування ВП, обробленихпропонованим способом, вимагає високої точності співвісності підшипникових вузлів через малу товщину покриття. У разі неточності установки перевищуючої товщини покриття при підробітку може статися задир робочої поверхні ВП.
Реальний ресурс роботи машини залежить від несучої здатності поверхонь деталей, яка визначається якістю їх поверхневого шару. На працездатність валів роторів, крім діючих змінних сил і моментів, значний вплив мають сили тертя, що виникають у підшипниках ковзання (ПС). Тертя між поверхнями підшипникових шийок (ПШ) валу та вкладишів підшипників (ВП) викликає їх знос. Величина цього зносу залежить від умов тертя, що визначаються рядом факторів: фізико-механічними властивостями матеріалів валу і ВП, формою і розмірами деталей, шорсткістю поверхонь тертя, швидкістю, навантажувальним і тепловим режимами роботи пари, що труться, способом підведення, кількістю і якістю мастила.
Зміцнення та ремонт ПШ роторів
Для підвищення несучої здатності валів застосовуються різні методи їх зміцнення: загартування ПШ вала струмами високої частоти, нанесення гальванічних покриттів, азотування, зміцнення методами поверхневого пластичного деформування (ППД), електроерозійного легування (ЕЕЛ) і т. д. Однак найбільш перспективним, на наш погляд , є комбінована технологія, що взаємодоповнюють ЕЕЛ і ППД.
Для встановлення основних закономірностей між якістю сформованих поверхневих шарів та технологічними параметрами ЕЕЛ та ППД проводилися необхідні дослідження.
З метою розробки технології нанесення комбінованих електроерозійних покриттів (КЕП) були виконані експериментальні дослідження з ЕЕЛ сталевих підкладок електродами із твердихзносостійких та м'яких антифрикційних матеріалів.
З метою підвищення якості поверхневих шарів деталей досліджувався вплив ППД на ЕЕЛ шари різної твердості та складу.
На підставі аналізу напружено-деформованого стану ЕЕЛ шару нами запропоновано методику, що дозволяє визначати геометричні та деформаційні параметри для шарів зі складною структурою, що отримується в результаті ЕЕЛ.
Встановлено, що у разі ЗОШ КЕП шорсткість поверхні знижується з Rа = 0,48...0,52 мкм до Rа = 0,1 мкм. Поверхневі шари, що мають високу мікротвердість, зі збільшенням питомого зусилля ЗОШ не зміцнюються, а вминаються в шари нижче, зміцнюючи при цьому останні. Мікротвердість у перехідному шарі для всіх покриттів, нанесених методом ЕЕЛ, зростає різною мірою. Причому що нижча мікротвердість перехідної зони, то більше вписувалося резерви на її підвищення.
В результаті дослідження зношування зразків, зміцнених ЕЕЛ + ППД, і зразків без зміцнення отримані такі дані (табл. 3).
Встановлено, що нанесення на сталь 45 електроерозійних покриттів обумовлює наявність у поверхневому шарі несприятливих напруг, що розтягують. Наступне ППД формує в поверхневому шарі сприятливі стискаючі напруги, які повністю нейтралізують розтягуючі, утворені ЕЕЛ.
При випробуванні натурних моделей валів з КЕП (Cu + Cr) встановлено, що в результаті ЕЕЛ втомна міцність знизилася в порівнянні з валами без покриття в 1,5 рази, зате вона в 1,5 рази вище, ніж у валів, легованих тільки хромом . ЗО зразків збільшує їх втомну міцність на 16–20 % порівняно зі зразками без покриття. Оскільки місце їх руйнування переміщалося межі покриття, можна дійти невтішного висновку, що межа витривалості ще вище.
наМал. 5 показано ЕЕЛ та ЗШ підшипникових шийок ротора турбокомпресора ГТТ-3. Робота проводилась у Новомосковську на ЗАТ «МХК «ЄвроХім» представниками ТОВ «ТРВЗ». Обмір шийок ротора після ЗОШ показав, що їхній розмір збільшився на 0,02 мм.
Сучасна зміцнююча технологія ЕЕЛ, що застосовується ТОВ «ТРВЗ», має у своєму розпорядженні численні методи поліпшення структури та властивостей поверхневого шару, кожен з яких має оптимальні області застосування. Однією із специфічних особливостей ЕЕЛ є те, що процес легування може відбуватися без перенесення матеріалу анода (легуючого електрода) на поверхню катода (деталі) і не утворювати приріст матеріалу, тобто відбувається дифузійне насичення поверхні деталі складовими елементами (елементом) анода, наприклад, при ЕЕЛ графітовим електродом.
Метод ЕЕЛ графітовим електродом заснований на процесі дифузії (насичення поверхневого шару деталі вуглецем) і має певну схожість з різновидом хіміко-термічної обробки - цементацією.
Порівняно з цементацією ЕЕЛ графітовим електродом (електроерозійна цементація, ЕЦ) [Пат. 2337796, Марцинковський В.С., Тарельник В.Б., Білоус А.В.] не тільки має всі переваги порівнюваного методу, але має й ряд переваг (відсутність повідців і короблення деталі, можливість ведення процесу в локальному місці, значно менша витрата електроенергії, простота та ін.). Продуктивність процесу становить 2–5 см 2 /хв.
ЕЦ - окремий технологічний напрямок ЕЕЛ, що дозволяє формувати на деталях машин поверхневі шари підвищеної зносостійкості та твердості без зміни вихідного розміру деталі.
ЕЦ має низку специфічних особливостей:
- незначна зміна шорсткості поверхні;
- досягнення 100% суцільності зміцнення поверхневого шару;
- підвищення твердості поверхневого шару деталі за рахунок дифузійно-загартувальних процесів;
- простота застосування технології;
- гнучка прив'язка до наявного обладнання;
- процес зміцнення не потребує спеціальної підготовки та високої кваліфікації робітника.
Спеціалістами кафедри технічного сервісу (СНАУ) за завданням фірми «ТРВЗ» проведено дослідження впливу технологічних параметрів обладнання (енергія розряду, тривалість легування) на якісні параметри (структуру, шорсткість, суцільність, мікротвердість, глибину шару, залишкові напруги, фазовий склад) поверхневих шарів із різних матеріалів при ЕЦ. На підставі проведених досліджень розроблено гаму технологічних процесів зміцнення деталей для динамічних машин. Як фінішну операцію після ЕЦ використовуються: шліфування, притирання, поверхнева пластична деформація (алмазне вигладжування, обкатка кулькою або роликом) або методом безабразивної ультразвукової фінішної обробки (БУФО).
Нижче наведено деякі приклади застосування методу ЕЦ із подальшою фінішною обробкою різними методами.
ТОРЦЕВА ЩІЛЬНА ПОВЕРХНІСТЬ ПЛАВАЮЧОГО ЩІЛЕННЯ
У плаваючому ущільненні торцеві контактуючі поверхні повинні мати високу твердість і зносостійкість, а також низьку шорсткість.
p align="justify"> Процес зміцнення торцевих поверхонь кілець плаваючих ущільнень (рис. 6) проводиться вручну на установці «Елітрон 22А» методом ЕЦ при енергії розряду 0,5 Дж. Глибина зміцненого шару склала 30-50 мкм, мікротвердість 900-1100V. після чого з метою зниження шорсткості та тертя проводиться легування сріблом при енергії розряду 0,05 Дж.Фінішна обробка - притирання.
Зміцнення деталей типу «вал» на прикладі підшипникових шийок валів
При виготовленні роторів турбін виникають проблеми зі зміцненням несучих поверхонь підшипників. На рис. 7 представлений стан не зміцнених підшипникових поверхонь після 2-річного пробігу. При проведенні ремонту роторів та шліфування опорних підшипникових шийок знімається зміцнений шар.
Стандартна технологія зміцнення поверхонь валів може бути реалізована різними методами: ТВЧ, азотуванням, цементацією. ТОВ «ТРВЗ» у цих випадках рекомендує комбіновані технології КЕП+ЗШ, або ЕЦ+БУФО (рис. 8).
Запропонована комбінована технологія (рис. 8), що полягає в ЕЦ з подальшою обробкою БУФО, дозволяє отримати якісну зміцнену поверхню, параметри якої досягаються вказаними вище методами, але за менших (у 5–10 разів) витрат.