МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ ПРИАЗОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ КАФЕДРА МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ ДАН Л.А. КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ по дисциплине «ВОССТАНОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ И ПОВТОРНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МАТЕРИАЛОВ» (для студентов специальности 7.090101 — «Прикладное материаловедение» дневной, заочной и дистанционной формы обучения) Мариуполь 2004 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ ПРИАЗОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ КАФЕДРА МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ ДАН Л.А. КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ по дисциплине «ВОССТАНОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ И ПОВТОРНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МАТЕРИАЛОВ» (для студентов специальности 7.090101 — «Прикладное материаловедение» дневной, заочной и дистанционной формы обучения) Утвержден: на заседании кафедры Протокол № 5 от 11.112004 г.
Методическим Советом факультета Мариуполь 2004 УДК 620.22 (072) Конспект лекций по дисциплине «Восстановление деталей и повторное использование материалов» для студентов специальности 7.090101 «Прикладное материаловедение» дневной, заочной и дистанционной формы обучения. Настоящий конспект лекций предназначен для более полного усвоения студентами лекционного курса, а также для самостоятельного изучения дисциплины.
Составитель, доц., к.т.н. Дан Л.А. Отв. за выпуск зав.
каф., проф., д.т.н. Малинов Л.С.
ЛЕКЦИЯ 1 Введение. Цель и задачи курса. Причины выхода машин из строя. Введение Улучшение конечных показателей народного хозяйства в последнее время приходится достигать без увеличения прироста материальных и трудовых ресурсов. Поэтому ресурсосбережение является важнейшим источником удовлетворения возрастающих потребностей народного хозяйства в сырье, топливе.
Вовлечение в оборот вторичных ресурсов называется ресурсосбережением.
Ресурсосбережение предусматривает два пути: — восстановление изношенных деталей: — повторное использование материалов и отходов производства. Долговечность значительной части машин и механизмов находится на уровне, не соответствующем настоящему уровню науки и техники. При этом машины и механизмы зачастую выходят из строя из-за поломки отдельных деталей. Для восстановления их работоспособности необходимо большое количество запасных частей. Например, на предприятиях угольного машиностроения от 30 до 50 % мощностей используется для выпуска запасных частей, на предприятиях сельскохозяйственного машиностроения расход металла при производстве запасных частей в два раза превышает расход металла на изготовление новых машин, а их стоимость примерно в 15 раз превышает стоимость вновь выпускаемых машин. Ежегодно в различных отраслях промышленности и в сельском хозяйстве изымается из эксплуатации большое количество металла, пластмасс, древесины и т.д.
из-за физического, морального износа машин, механизмов. При соответствующей переработке они могут быть повторно использованы. Ресурсосбережение также связано с понятием безотходного производства. Безотходное производство подразумевает использование как продукции выпускаемой тем или иным предприятием, так и отходов, образующихся на различных стадиях производства. Например, основная продукция МК им. Ильича — металлопрокат и изделия из него, продукция из отходов — материал для отсыпки дорог и изготовления стройматериалов, получаемый из металлургического шлака, товарный графит, получаемый из железографитовой пыли. Изучаемый курс называется «Восстановление деталей и повторное использование материалов». Задачи изучения курса: 1) изучить причины выхода из строя различных деталей, 2) научиться устанавливать экономическую и техническую целесообразность проведения восстановительных работ и повторного использования материалов, 3) научиться правильно выбирать технологию восстановления деталей и переработки материалов, 4) освоить методики определения экономической и технической эффективности проведенных операций. Причины выхода машин из строя Классификация причин разрушения деталей машин. Наблюдения за износом и повреждениями деталей машин при эксплуатации позволили выделить пять основных видов разрушения деталей. 1. Деформация и изломы (хрупкий, вязкий, усталостный изломы, остаточная деформация, контактные усталостные повреждения). 2. Механический износ (истирание металлических пар, абразивный износ, питтингование). 3. Эрозионно-кавитационные повреждения (жидкостная эрозия, кавитация, газовая эрозия). 4.
Коррозионные повреждения (атмосферная коррозия, коррозия в электролитах, газовая коррозия) 5. Коррозионно-механические повреждения (коррозионная усталость, коррозионное растрескивание, коррозия при трении). Рассмотрим некоторые примеры характерных разрушений деталей машин.
Остаточная деформация. Этому виду разрушения подвержены бандажи и крановые колеса, рельсы, напряженные болты, подшипники качения. Характер повреждения — изменение геометрической формы (удлинение, изгиб, вмятины) Причины разрушения — длительное действие переменных контактных, растягивающих или сжимающих напряжений, повышение температуры металла.
Вязкий излом.
Подвержены связи и анкерные болты, несущие элементы ферм, напряженные болты. Разрушение сопровождается значительной деформацией Поверхность излома матовая, волокнистая.
Причина разрушения значительные перегрузки из-за нарушения нормальных условий эксплуатации Хрупкий излом. Таким образом разрушаются сварные соединения, фасонные детали, болты, пальцы, втулки с повышенной твердостью Разрушение происходит при незначительной деформации. Поверхность излома имеет кристаллическое строение Причины разрушения — наличие ударных нагрузок, дефекты термообработки, повышенное содержание фосфора в стали, наличие концентраторов, трещин. Усталостный излом.
Подвержены рамы, оси, шатуны, болты, сварные соединения, подвергающиеся воздействию длительных знакопеременных, нагрузок. Характер повреждений — образование трещин. Причина разрушения — понижение прочности металла, действие знакопеременных нагрузок, циклические, термические напряжения, наличие концентраторов напряжений. Абразивный износ. Характерен для деталей ходовой части тракторов, исполнительных механизмов формовочных машин, пескометов, открытых передач и т.д.
Характер повреждения — постепенное изменение размеров. На поверхности наблюдаются риски параллельные направлению трения. Причины разрушения — взаимодействие трущихся поверхностей с абразивными частицами.
Истирание металлических пар. Подвержены подшипники скольжения, валы, оси, направляющие, цепные передачи, втулки и т.д.
Характер повреждений — постепенное изменение геометрических размеров деталей. Причина разрушения — длительное трение сопряженных деталей.
Заедание. Присуще для шестерен зубчатых передач, подшипников качения и т.д.
Характер повреждения — адгезия, вырывание частиц металла из контактных поверхностей. Причина разрушения — нарушение жидкостного трения при высоких скоростях. Далее следует рассмотреть условия эксплуатации и способы повышения долговечности некоторых деталей машин. Болты и шпильки резьбовых соединений в процессе эксплуатации подвергаются действию статических (при предварительной затяжке) и переменных напряжений. Их изготавливают из сталей: 10, 15, 20, 35, 40, 35Х, 40Х и др. При эксплуатации основные виды повреждений: усталостные изломы и деформация.
Для повышения долговечности: необходимо повысить предел прочности стали, уменьшить концентрацию напряжений, произвести обкатку резьбы роликом. Колеса зубчатых передач в процессе эксплуатации подвержены изгибу зубьев, контактному сжатию, трению и ударам при изменении частоты вращения. Они изготавливаются из сталей: 35, 40, 45, 35Х. 40Х, 40ХН. 38ХГН, 12ХНЗА, 40ХНМА, пластмасс, капролона. Основные виды повреждений: излом зуба (при перегрузке), выкрашивание и изнашивание зубьев. Для повышения долговечности следует выполнить: коррегирование зуба, поверхностную закалку, цементацию, азотирование поверхности зубьев. Червяки и колеса червячных передач подвержены в процессе эксплуатации трению витков червяка о рабочую поверхность зубьев колеса, изгибу зубьев колеса. Изготавливают, червяки — из конструкционной стали, колеса — из бронзы Бр.010Ф1 или Бр.А9Ж4, чугуна СЧ20 или СЧ25. Основные виды повреждений — пластическая деформация, излом зубьев колеса.
Для повышения долговечности следует выполнить: коррегирование зуба колеса, закалку или цементацию рабочей поверхности витков червяка.
Валы и оси в процессе эксплуатации подвергаются изгибу, кручению, трению скольжения между цапфой и опорой. Изготавливают из сталей: 40, 45, 40Х, 45Х, 38ХГН, 37ХНЗА.
Основные виды повреждений: усталостные поломки, изнашивание и задиры цапф.
Для повышения долговечности уменьшают количество концентраторов, шлифуют цапфы, производят поверхностную закалку, наклеп галтелей. Опоры скольжения подвергаются трению скольжения между опорой и цапфой. Изготавливают из антифрикционных материалов, баббитов, чугунов, металлокерамики. Основные виды повреждений при эксплуатации: изнашивание, заедание, усталостное разрушение поверхностей трения. Для повышения долговечности улучшают условия жидкостного трения, повышают жесткость опор и точность изготовления. В подшипниках качения имеет место трение тел качения о наружные и внутренние кольца. Тела качения и кольца изготавливают из сталей: ШХ15, ШХ9, ШХ15СГ, 9X18, 15Х, 18ХГТ, 20Х2Н4А; сепараторы из низкоуглеродистой стали, бронзы, латуни. Основные виды повреждений при эксплуатации: излом колец, разрушение тел качения, изнашивание тел качения и колец, усталостное выкрашивание, заедание. Для повышения долговечности предлагается обеспечивать податливость корпуса в нагруженной части подшипника. ЛЕКЦИЯ 2 Изнашивание деталей машин Процесс изнашивания деталей машин характеризуется тремя периодами во времени (Рис 1): 1) начальным (приработкой); 2) периодом установившегося изнашивания, 3) усиленного (аварийного) износа. t Рис.1 Интенсивность изнашивания (И) в первом периоде велика, во втором — мала, в третьем — вновь велика. Износостойкость деталей определяется совокупностью внутренних и внешних факторов: 1 )физико-химическими и механическими свойствами трущихся поверхностей; 2)родом и характером трения; 3)величиной удельного усилия; 4)характером приложения нагрузки; 5)скоростью взаимного перемещения трущихся поверхностей; 6)способом подвода и качеством смазки; 7)температурой в месте контакта; 8)коррозионным воздействием среды. Следует признать, что основное влияние на износостойкость оказывает структура металлов и сплавов. Многочисленными исследованиями установлено, что более всего распространен абразивный износ — разрушение поверхностей деталей при трении скольжения, обусловленное наличием в зоне трения абразивной среды. На рис.2 показана диаграмма М.М.Тененбаума, отражающая связь между относительной износостойкостью (?) и структурой железоуглеродистых сплавов. Несмотря на то, что диаграмма не отражает всех структурных факторов, влияющих на износостойкость, она позволяет проводить качественный анализ влияния на износостойкость содержания углерода и структурного состояния сталей. Рис. 2 На отрезке 1 -2 рис. 2 находятся значения относительной износостойкости отожженных доэвтектоидных сталей, на отрезке 2-3 — заэвтектоидных сталей, на отрезке 3-4 — белых чугунов Точки 1,2,4 характеризуют относительную износостойкость феррита, перлита и цементита, сооответственно.
Линия 2-6 отражает относительную износостойкость эвтектоидных сталей в зависимости от дисперсности частиц цементита Легирование является эффективным способом повышения износостойкости. На рис 3 показано влияние небольших добавок наиболее распространенных легирующих элементов на износ доэвтектоидной стали содержание легирующих элементов, % мас. Рис.3 На рис. 3 линия 1 — содержание никеля, 2 — марганца, 3 — кремния, 4 — хрома совместно с никелем (1:3), 5 — содержание фосфора, 6 — хрома В зависимости от условий взаимодействия детали с абразивными частицами разрушение металла может происходить в результате микрорезания, многократного пластического деформирования поверхности трения и коррозионно-механического изнашивания. Установлено, что механизм абразивного изнашивания определяется главным образом соотношением значений твердости материала, Нм, и твердости абразивных частиц, На, (КТ=НМ/На). Схемы разрушения поверхностей трения представлены на рис. 4. Рис.
4 Микрорезание и интенсивное пластическое деформирование поверхности трения могут наблюдаться при Нм < < На (рис.4,а) При более высокой твердости сплава процесс разрушения протекает в основном за счет коррозионно-механического изнашивания или хрупкого выкрашивания (рис.4, в)
При значениях Кт При движении абразивной массы по поверхности изделия происходит непрерывное деформирование основы сплава вместе с мелкими карбидами, рассеянными по всему объему. Эти деформационные процессы определяют интенсивность изнашивания изделия при условии, что твердость металла Нм < 0,8 На . При этом, чем выше твердость и ниже пластичность матрицы, тем больше сопротивление сплава истиранию в абразивной среде. При взаимодействии твердых структурных составляющих с «мягким» абразивным материалом процесс изнашивания может протекать вследствие истирания окисной пленки, непрерывно восстанавливающейся в атмосферных условиях, или вследствие выкрашивания структурных элементов сплава при наличии динамических нагрузок. Методы измерения износа Существует несколько методов измерения износа, нашедшие большее или меньшее применение в науке и технике. 1. По потере веса детали или образца. Определяется величина абсолютного износа: т1 — т2 , где m1 и m2: — масса образца или детали до начала изнашивания и после, соответственно; либо величина относительного износа: 100 (т1 — т2)/т1 %. Этот метод недостаточно точный, так как происходит взвешивание всего образца или детали, в то время как изнашиванию подвергается лишь его отдельная часть. 2. Метод определения линейного износа. Сущность метода заключается в измерении размеров трущихся тел до и после определенного периода эксплуатации (эксперимента). Определяется величина абсолютного и относительного износа. Этот метод, несмотря на недостаток присущий предыдущему методу, нашел на практике наибольшее распространение. Для осуществления метода применяют универсальные измерительные инструменты: микрометры, микрометрические нутромеры, индикаторные приборы. 3. Метод искусственных баз. Сущность метода — в изменении размеров суживающегося углубления, сделанного на изнашиваемой поверхности, профиль которого известен. Может быть нанесен отпечаток в виде пирамиды, конуса или высверлено коническое углубление, вышлифована лунка. Включает в себя: — метод отпечатков. Искусственная база создается при вдавливании алмазной пирамидки с углом при вершине 136 о. Величина износа, ?h), определяется по формуле: , Рис.5 где d1, и d2 — размер диагонали отпечатка (рис.5) до начала изнашивания и после его завершения, соответственно. Метод хорошо зарекомендовал себя при измерении износа плоских поверхностей. — метод накерненных отпечатков. На поверхность, на которой определяется износ, ударом молотка с помощью керна с конической рабочей частью (угол при вершине, ?, — 120 — 140 °) делают отпечаток. Величина износа определяется по формуле: ?h = с (d1 — d2) , где с = 0,5tg(90 — ?/2). — метод вырезанных лунок. Отличается от предыдущих методов тем, что на исследуемую поверхность наносится искусственная база с помощью резца имеющего рабочую поверхность в форме трехгранной пирамиды. 4. По количеству изношенного металла в масле. Метод применяют для определения износа деталей работающих в условиях жидкостного трения. После определенного периода эксплуатации из резервуара сливают масло и весовым методом определяют количество попавшего в него металла. 5. Метод радиоактивных изотопов. Позволяет осуществлять непрерывный контроль за ходом изнашивания в процессе эксплуатации. До начала измерений необходимо активизировать металл исследуемой детали одним из следующих способов: 1) введением радиоактивного изотопа при плавке; 2) нанесением радиоактивного электролитического покрытия; 3) диффузионным насыщением; 4) установкой радиоактивных вставок; 5) облучением нейтронами. При эксплуатации детали с продуктами износа, пропорционально им, в масло попадают атомы радиоактивного индикатора. По интенсивности излучения в пробе масла судят о количестве металла попавшего в масло за исследуемый период времени. ЛЕКЦИЯ 3 Техническая и экономическая целесообразность восстановления деталей и повторного использования материалов. Классификация способов восстановления деталей. Техническая и экономическая целесообразность восстановления деталей и повторного использования материалов Поскольку, как восстановление деталей, так и повторное использование различных материалов связано с определенными материальными и трудовыми затратами, то перед началом проведения работ по восстановлению или переработке материалов необходимо оценить насколько целесообразно с технической и экономической точек зрения их осуществление. Техническая целесообразность восстановления учитывает: 1) уникальность подлежащей восстановлению детали; 2) серийность восстановительных работ для рядовых деталей; 3) степень износа деталей; 4) наличие условий для сбора, подготовки и восстановления деталей; 5) наличие материалов; 6) ресурс восстановленной детали. Экономическая целесообразность определяется путем укрупненных расчетов себестоимости восстановления: Св = ()Дп + 0,1Цн , где d- число восстанавливаемых поверхностей детали; Суд- удельная себестоимость восстановления единицы площади (длины) i-ой поверхности принятым способом, грн/дм2 или грн/дм; Si- площадь (длина) i-ой поверхности; Кпд,- коэффициент повторяемости дефекта i-ой поверхности; Дп- коэффициент, учитывающий затраты на подготовительные работы (при восстановлении для собственных нужд Дп=1,03; при централизованном восстановлении Дп= 1,1); Цн- первоначальная цена восстанавливаемой детали.
Для решения вопроса об экономической целесообразности восстановления необходимо сравнить себестоимость восстановления (Св) с ценой новой детали (Цнов). Восстановление имеет экономическую целесообразность в случае, когда соблюдается условие; Св