Electric Erosion Doping and Processing Technologies for Compressor and Pump Equipment
The company TRIZ has developed and is implementing a new way of processing bronze inserts for sliding bearings. The article gives a detailed description of the three-stage doping process which results in a combined electric erosion coating consisting of discrete zones with maximum thickness of 30 µm, that is a regular surface microrelief whose tops have the micro hardness of 35 to 38 kgf/mm2.
В.С. Марцинковский, к.т.н., доцент, ООО «ТРИЗ»,
В.Б. Тарельник, д.т.н., проф., СНАУ
«Надежность оборудования, т. е. бесперебойная работа узла или агрегата в текущих условиях до следующего ремонта, позволит снизить эксплуатационные затраты нефтегазовой компании. Исследования показывают, что при повышении надежности оборудования на 5% прибыльность компании увеличивается более чем на 34%» [С. Гореленков]. На доллар, вложенный в повышение надежности оборудования, компания получает $6 прибыли. Простой вопрос: как вложить?
Одним из направлений деятельности фирмы «ТРИЗ», обеспечивающих надежность работы высокоэффективных узлов ТРИЗ® для динамического оборудования, является разработка и применение технологий ТРИЗ®, гарантирующих качество изготовления поставляемых узлов. Технологии электроэрозионной обработки при изготовлении муфт, лабиринтных и импульсных уплотнений и технологии электроэрозионного легирования с использованием поверхностно пластической деформации (ППД) обкаткой шариком (ОШ) или безабразивной ультразвуковой финишной обработки (БУФО), разработанные фирмой для пар трения подшипников скольжения, плавающих и щелевых уплотнений на сегодняшний день соответствуют требуемому эксплуатационному уровню, обеспечивающему 2–4-летнюю непрерывную эксплуатацию динамического оборудования.
Для изготовления вкладышей подшипников (ВП) используются различные антифрикционные сплавы. Изменение типа и марок сплавов происходит под влиянием ужесточающихся условий работы подшипниковых узлов. Обычно подшипниковые сплавы на основе меди обладают более высокими механическими характеристиками по сравнению с баббитами, а также сплавами на основе цинка и алюминия [И.В. Крагельский, Н.М. Михин, Н.А. Буше].
При использовании сплавов на основе меди повреждаемость подшипников проявляется в виде повышенного износа, затрудненной прирабатываемости и большой вероятности образования задира [А.В. Чичинадзе, Э.М. Берлинер, Э.Д. Браун]. В связи с этим возникает необходимость формирования на бронзовых ВП специальных покрытий, улучшающих условия приработки.
Нами разработан и используется способ обработки бронзовых вкладышей подшипников скольжения (ПС) [В.Б. Тарельник, В.С. Марцинковский, Б. Антошевский].
Сначала на рабочие поверхности бронзовых вкладышей (микротвердость которых составляет 110–115 кгс/мм2) методом электроэрозионного легирования (ЭЭЛ) наносят покрытие из серебра при энергии разряда 0,1–0,3 Дж. Микротвердость сформированного поверхностного слоя при этом снижается и составляет 75–80 кгс/мм2.
После этого на покрытие из серебра этим же методом и при такой же энергии разряда (0,1–0,3 Дж) наносят покрытие из меди. Микротвердость покрытия после нанесения меди незначительно увеличивается и составляет 85–90 кгс/мм2.
Третьим слоем наносят электроэрозионное покрытие из оловянного баббита при энергиях импульса 0,01–0,04 Дж. При этом медь, входящая в состав покрытия, образовывает с оловом, которое является основным компонентом баббитов, твердый раствор замещения, обеспечивая гарантированную металлическую связь.
Нанесение оловянного баббита способствует получению механической смеси по эвтектической реакции на основе серебра, которое состоит из e фазы и Sn с температурой плавления около 220°С. Микротвердость структуры после нанесения электроэрозионного покрытия из оловянного баббита составляет 35–38 кгс/мм2. Свинец, который содержится в бронзе, практически не растворяется в серебре и находится в свободном состоянии.
Таким образом получают комбинированное электроэрозионное покрытие (КЭП) в виде дискретных зон с максимальной толщиной 30 мкм, то есть формируется регулярный микрорельеф поверхности, вершины которого имеют микротвердость 35–38 кгс/мм2.
На рис. 2 показаны бронзовые вкладыши подшипников скольжения без покрытия (верхний ряд) и с КЭП (нижний ряд).
На рис. 3 показана топография участка поверхности бронзовых образцов с КЭП, на которой выбраны 3 характерные точки (1 — гладкая поверхность, 2 — шероховатая поверхность, 3 — пора).
Спектр поверхности и поэлементный состав, как в характерных точках, так и со всей исследуемой поверхности, показан соответственно в табл. 1 и на рис. 1. Как видно из табл. 1 и рис. 1, во всех характерных точках присутствуют элементы, входящие в состав КЭП.
Распределение элементов по мере углубления поверхностного слоя с шагом сканирования 5 мкм представлено в табл. 2.
Как видно из табл. 1 и 2, поверхностный слой, сформированный ЭЭЛ, состоит из элементов легирующих электродов и подложки. Толщина приработочного покрытия составляет 30 мкм.
Успешный опыт применения подшипников с антифрикционным приработочным покрытием (рис. 1) получен на корпусе КВД (n = 12 600 об/мин) воздушного компрессора С102.
Однако применение ВП, обработанных предлагаемым способом, требует высокой точности соосности подшипниковых узлов из-за малой толщины покрытия. В случае неточности установки превышающей толщины покрытия при приработке может произойти задир рабочей поверхности ВП.
Реальный ресурс работы машины напрямую зависит от несущей способности поверхностей деталей, которая определяется качеством их поверхностного слоя. На работоспособность валов роторов, кроме действующих переменных сил и моментов, значительное влияние оказывают силы трения, возникающие в подшипниках скольжения (ПС). Трение между поверхностями подшипниковых шеек (ПШ) вала и вкладышей подшипников (ВП) вызывает их износ. Величина этого износа зависит от условий трения, определяющихся рядом факторов: физико-механическими свойствами материалов вала и ВП, формой и размерами деталей, шероховатостью поверхностей трения, скоростью, нагрузочным и тепловым режимами работы трущейся пары, способом подвода, количеством и качеством смазки.
УПРОЧНЕНИЕ И РЕМОНТ ПШ РОТОРОВ
Для повышения несущей способности валов применяются различные методы их упрочнения: закалка ПШ вала токами высокой частоты, нанесение гальванических покрытий, азотирование, упрочнение методами поверхностного пластического деформирования (ППД), электроэрозионного легирования (ЭЭЛ) и т. д. Однако наиболее перспективной, на наш взгляд, является комбинированная технология взаимодополняющими ЭЭЛ и ППД.
Для установления основных закономерностей между качеством сформированных поверхностных слоев и технологическими параметрами ЭЭЛ и ППД проводились необходимые исследования.
С целью разработки технологии нанесения комбинированных электроэрозионных покрытий (КЭП) были выполнены экспериментальные исследования по ЭЭЛ стальных подложек электродами из твердых износостойких и мягких антифрикционных материалов.
С целью повышения качества поверхностных слоев деталей исследовалось влияние ППД на ЭЭЛ слои различной твердости и состава.
На основании анализа напряженно-деформированного состояния ЭЭЛ слоя нами предложена методика, позволяющая определять геометрические и деформационные параметры для слоев со сложной структурой, получаемой в результате ЭЭЛ.
Установлено, что в случае ОШ КЭП шероховатость поверхности снижается с Rа = 0,48 …0,52 мкм до Rа = 0,1 мкм. Поверхностные слои, имеющие высокую микротвердость, с увеличением удельного усилия ОШ не упрочняются, а вминаются в нижележащие слои, упрочняя при этом последние. Микротвердость в переходном слое для всех покрытий, нанесенных методом ЭЭЛ, возрастает в различной степени. Причем чем ниже микротвердость переходной зоны, тем больше резервы для ее повышения.
В результате исследования износа образцов, упрочненных ЭЭЛ + ППД, и образцов без упрочнения получены следующие данные (табл. 3).
Установлено, что нанесение на сталь 45 электроэрозионных покрытий обусловливает наличие в поверхностном слое неблагоприятных растягивающих напряжений. Последующее ППД формирует в поверхностном слое благоприятные сжимающие напряжения, которые полностью нейтрализуют растягивающие, образованные ЭЭЛ.
При испытании натурных моделей валов с КЭП (Cu + Cr) установлено, что в результате ЭЭЛ усталостная прочность снизилась по сравнению с валами без покрытия в 1,5 раза, но зато она в 1,5 раза выше, чем у валов, легированных только хромом. ОШ образцов увеличивает их усталостную прочность на 16–20 % по сравнению с образцами без покрытия. Так как место их разрушения перемещалось за пределы покрытия, можно сделать вывод, что предел выносливости еще выше.
На рис. 5 показано ЭЭЛ и ОШ подшипниковых шеек ротора турбокомпрессора ГТТ-3. Работа проводилась в Новомосковске на ЗАО «МХК «ЕвроХим» представителями ООО «ТРИЗ». Обмер шеек ротора после ОШ показал, что их размер увеличился на 0,02 мм.
Современная упрочняющая технология ЭЭЛ, применяемая ООО «ТРИЗ», располагает многочисленными методами улучшения структуры и свойств поверхностного слоя, каждый из которых имеет оптимальные области применения. Одной из специфических особенностей ЭЭЛ является то, что процесс легирования может происходить без переноса материала анода (легирующего электрода) на поверхность катода (детали) и не образовывать прирост материала, то есть происходит диффузионное насыщение поверхности детали составными элементами (элементом) анода, например, при ЭЭЛ графитовым электродом.
Метод ЭЭЛ графитовым электродом основан на процессе диффузии (насыщении поверхностного слоя детали углеродом) и имеет определенное сходство с разновидностью химико-термической обработки — цементацией.
По сравнению с цементацией ЭЭЛ графитовым электродом (электроэрозионная цементация, ЭЦ) [Пат. 2337796, Марцинковский В.С., Тарельник В.Б., Белоус А.В.] не только обладает всеми достоинствами сравниваемого метода, но имеет и ряд преимуществ (отсутствие поводок и короблений детали, возможность ведения процесса в локальном месте, значительно меньший расход электроэнергии, простота и др.). Производительность процесса при этом составляет 2–5 см2/мин.
ЭЦ — отдельное технологическое направление ЭЭЛ, позволяющее формировать на деталях машин поверхностные слои повышенной износостойкости и твердости без изменения исходного размера детали.
ЭЦ имеет ряд специфических особенностей:
Специалистами кафедры технического сервиса (СНАУ) по заданию фирмы «ТРИЗ» проведены исследования влияния технологических параметров оборудования (энергия разряда, длительность легирования) на качественные параметры (структуру, шероховатость, сплошность, микротвердость, глубину слоя, остаточные напряжения, фазовый состав) поверхностных слоев деталей из различных материалов при ЭЦ. На основании проведенных исследований разработана гамма технологических процессов упрочнения деталей для динамических машин. В качестве финишной операции после ЭЦ используются: шлифование, притирка, поверхностная пластическая деформация (алмазное выглаживание, обкатка шариком или роликом) или методом безабразивной ультразвуковой финишной обработки (БУФО).
Ниже приведены некоторые примеры применения метода ЭЦ с последующей финишной обработкой различными методами.
ТОРЦЕВАЯ УПЛОТНЯЮЩАЯ ПОВЕРХНОСТЬ ПЛАВАЮЩЕГО УПЛОТНЕНИЯ
В плавающем уплотнении торцевые контактирующие поверхности должны обладать высокой твердостью и износостойкостью, а также низкой шероховатостью.
Процесс упрочнения торцевых поверхностей колец плавающих уплотнений (рис. 6) производится вручную на установке «Элитрон 22А» методом ЭЦ при энергии разряда 0,5 Дж. Глубина упрочненного слоя составила 30–50 мкм, микротвердость 900–1100 HV. осле чего с целью снижения шероховатости и трения производится легирование серебром при энергии разряда 0,05 Дж. Финишная обработка — притирка.
УПРОЧНЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ ТИПА «ВАЛ» НА ПРИМЕРЕ ПОДШИПНИКОВЫХ ШЕЕК ВАЛОВ
При изготовлении роторов турбин возникают проблемы с упрочнением несущих поверхностей подшипников. На рис. 7 представлено состояние не упрочненных подшипниковых поверхностей после 2-летнего пробега. При проведении ремонта роторов и шлифовки опорных подшипниковых шеек снимается упрочненный слой.
Стандартная технология упрочнения поверхностей валов может быть реализована различными методами: ТВЧ, азотированием, цементацией. ООО «ТРИЗ» в этих случаях рекомендует комбинированные технологии КЭП+ОШ, или ЭЦ+БУФО (рис. 8).
Предлагаемая комбинированная технология (рис. 8), заключающаяся в ЭЦ с последующей обработкой БУФО, позволяет получить качественную упрочненную поверхность, параметры которой достигаются указанными выше методами, но при меньших (в 5–10 раз) затратах.
ПРОДОЛЖЕНИЕ СЛЕДУЕТ
Товарищество Реализации Инженерных Задач «ТРИЗ» ЛТД ООО
40020 г. Сумы, Украина, а/я 1421, ул. Машиностроителей, 1,
Тел.: +380 (542) 700–076 Тел./факс: +380 (542) 786–801
e mail: triz@triz.sumy. ua www. triz.sumy.ua
