11.6 Упрочняющая обработка

При восстановлении ремонтируемых деталей или изготовлении новых, заменяющих выбракованные, стремятся не только сохранить их основные эксплуатационные свойства, предусмотренные технической документацией и заложенные в процессе изготовления на заводе-изготовителе, но и по возможности повысить их. Это относится, в первую очередь, к качеству четного слоя, которое оказывает значительное влияние на характеристики трения и изнашивания, развитие усталостных трещин, коррозию, КПД машин и другие эксплуатационные показатели оборудования.

Упрочнение поверхностей деталей может достигаться самыми различными по физической и методами, в частности, поверхностная закалка, химико-термическая обработка, электроискровая обработка, лазерное воздействие и др. Увеличения ресурса восстанавливаемых деталей можно добиться также, применяя методы пластического деформирования. Такая обработка может дополнять обработку деталей резанием применяться вместо резания. Пластическое деформирование позволяет в значительной мере ликвидировать дефекты поверхностного слоя, особенно образующиеся при шлифовании, упрочнить его и тем самым повысить долговечность деталей. Упрочняюще-чистовая обработка характеризуется; толщиной наклепанного слоя и степенью наклепа, шероховатостью поверхности, величиной очных напряжений сжатия.

Пластическому деформированию подвергаются наружные и внутренние цилиндрические, конические, плоские, винтовые и другие поверхности. Толщина наклепа может изменяться в очень жом диапазоне (от 0,005 до 40 мм), шероховатость от Rz 40 до Ra 0,16 мкм, усталостную прочность можно повысить в 1,5-2,5 раза.

Применяются следующие способы пластической упрочняющей обработки: дробеструйная, обкатывание шарами или роликами, дорнование, чеканка, алмазное выглаживание и др.

Дробеструйная обработка обеспечивает сравнительно малую глубину (до 0.7 мм) пластической деформации, практически не уменьшает шероховатость поверхности, незначительно увеличивает микротвердость (на 30%). Способ эффективен для фасонных деталей, работающих в условиях переменных нагрузок, т.к. увеличивает сопротивление в 1,5 раза и более. Обдувка дробью производиться дробеметом с помощью дроби из стали или белого чугуна диаметром 0,2-1,5 мм, вылетающей с большой скоростью и вызывающей наклеп поверхности. Процесс осуществляется после механической обработки детали.

Обкатывание поверхностей роликами и шариками — широко применяемый высокопроизводительный метод отделочной обработки, при котором снижается шероховатость поверхности, повышается ее твердость и износостойкость, возрастает усталостная прочность изделий, увеличивается срок службы неподвижных соединений деталей. Конусность и эллиптичность поверхностей деталей в результате обкатывания не изменяются. Обычно обкатывание производится на токарных станках использованием различных приспособлений. Сущность метода заключается в том, что в результате давления свободно вращающегося ролика или шарика на заготовку поверхностный слой ее деформируется и сглаживается, одновременно упрочняясь. Обкатывание производят после чистового обтачивания детали и оно может заменить шлифование. Шероховатость поверхности (Ra) перед обкатыванием должна быть примерно на 0,8-1,5 мкм больше по сравнению с желаемой после обкатывания.

Дорнованием обрабатываются внутренние цилиндрические поверхности. С помощью инструмента-дорна создается наклеп незначительной толщины (до 1 мм), твердость поверхностного слоя возрастает на 25-30%, шероховатость снижается с Rz 40 до Ra 0,08 мкм.

Алмазное выглаживание является наиболее простым и эффективным методом упрочняющей обработки деталей поверхностным пластическим деформированием. Обработка производится с помощью алмазных наконечников из синтетических алмазов со сферической или цилиндрической поверхностью, вмонтированных в оправку. Процесс, как правило, выполняется на обычных токарно-винторезных станках. Выглаживающий инструмент поджимается к обрабатываемой детали пружиной. Под давлением алмаза микронеровности поверхности деформируются и степень шероховатости уменьшается, а поверхностный слой упрочняется.

Электромеханическая обработка металлов (ЭМО) сочетает термическое и силовое воздействие на поверхностный слой детали. Обработка деталей ведется на токарном станке с помощью подпружиненной державки, в которою вплавлена твердосплавная пластина. Одновременно в зону контакта детали и инструмента подается ток силой от 320 до 2000 А и напряжением 4-9 В. Поверхность детали, подвергаясь высокотемпературному нагреву и давлению инструмента, высаживается или сглаживается, что зависит от профиля инструмента. Данный метод упрочнения был отработан на многих деталях нефтяного оборудования: осях кронблоков, пальцах крюков, валах редукторов станков-качалок, штоках цилиндров управления пневматическими клиньями и др.

Эффективным методом поверхностного упрочнения деталей нефтяного оборудования является наплавка материалов с высокими эксплуатационными свойствами. К группе таких материалов относятся сплавы на основе железа, обладающие высокой твердостью и износостойкостью. Для наплавки часто применяют твердые сплавы сормайт 1 (ЦС-1), сормайт 2 (ЦС-2), сталинит и др.

Сормайт 1 (25-31% Сr и 3-5% Ni) рекомендуется для упрочнения деталей, работающих при J безударных нагрузках в условиях абразивного изнашивания. Твердость наплавки составляет HRC1 48-54.

Сормайт 2 (13-17.5% Сr и 1.3-2.2% Ni) обладает большей вязкостью и поэтому применяется для упрочнения деталей, работающих при ударных нагрузках. Твердость наплавленной поверхности HRC 39-45, а в случае дополнительной закалки может быть поднята до HRC 56-60.

Сталинит (16-20% Сr, 13-17% Мп, 8-10% С) представляет собой механическую смесь металла Я с углеродом, создает высокую твердость наплавленного слоя (HRC 52-62) и используется для наплавки деталей, не требующих последующей механической обработки.

Наплавку сормайтом осуществляют электродуговым способом прутковыми электродами диаметром 5-7 мм или порошковой проволокой, а также газовой наплавкой. Наплавку сталинитом производят ручным электродуговым способом, для чего поверхность детали покрывают тонким слоем прокаленной буры и слоем шихты сплава; для наплавки можно применять порошковую проволоку.

Для упрочнения деталей, работающих в условиях ударных нагрузок, больших давлений, высоких температур и коррозии применяют сплавы на основе вольфрама, кобальта и никеля. К этой группе сплавов относятся релит, вокар, стеллит.

Релит ТЗ — литой карбит вольфрама, содержащий 95.5-96% вольфрама, 3.8-4.2% связанного углерода и не более 0.2% примесей; выпускается в виде зерен, наплавляемых на поверхность детали газовой горелкой; применяется в виде электрода-трубки диаметром 3.5-6.5 мм из малоуглеродистой стали, заполненной сплавом. Релит широко используется при армировании зубьев буровых долот.

Вокар-гранулированный с размером гранул 1-3 мм твердый сплав вольфрама и железа (9-10% С, 85-87% W, до 3% Si, до 2% Fe). Наплавляется сплав электролдуговым способом. Вокаром упрочняются поверхности лопастных буровых долот, поверхности винтов шнеков и др.

Стеллиты В2К и ВЗК — литые сплавы на основе кобальта (Со, Сr, Ni, Fe, 80;выпускаются в виде прутиков диаметром 5-7 мм; наносятся на поверхность электродуговой или газовой сваркой; применяются для упрочнения деталей, работающих в условиях интенсивного истирания при высокой температуре.