RZECZPOSPOLITA PO LSKA Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (12) OPIS PATENTOWY (2 1) Numer zgłoszenia: 315647 (22) Data zgłoszenia: 09.08.1996 (19) PL (11) 180461 (13) B1 (51 ) IntCl7 B23P 17/00 C23C 4/04 (54) Sposób obróbki powierzchniowej obrotowych części maszyn i urządzeń (43) Zgłoszenie ogłoszono: 16.02.1998 BUP 04/98 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 28.02.2001 WUP 02/01 (73) Uprawniony z patentu: OPTIMUM Sp. z o.o., Szczecin, PL (72) Twórcy wynalazku: Ryszard Suwalski, Poznań, PL Stanisław Nosal, Poznań, PL Marek Radlmacher, Szczecin, PL Wiesław Gumny, Kozie Góry, PL (74) Pełnomocnik: Wiśniewski Zbigniew PL 180461 B1 (57) 1. Sposób obróbki powierzchniowej obrotowych części maszyn i urządzeń, zwłaszcza wałów i osi, w szczególności stosowanych w kolejnictwie, przeznaczonych do pracy w warunkach sprzyjających powstawaniu uszkodzeń trybologicznych będących wynikiem trybokorozji i/lub frettingu, znamienny tym, że na powierzchnię elementu obrotowego maszyny lub urządzenia, uprzednio zszorstkowaną i następnie podgrzaną, nanosi się w podwyższonej temperaturze najkorzystniej w zakresie temperatur od 350 do 425 K, stosując metalizację natryskową warstwę powierzchniową molibdenu o grubości od 0,10 do 1,00 mm.
Sposób obróbki powierzchniowej obrotowych części maszyn i urządzeń Zastrzeżenia patentowe 1. Sposób obróbki powierzchniowej obrotowych części maszyn i urządzeń, zwłaszcza wałów i osi, w szczególności stosowanych w kolejnictwie, przeznaczonych do pracy w warunkach sprzyjających powstawaniu uszkodzeń trybologicznych będących wynikiem trybokorozji i/lub frettingu, znamienny tym, że na powierzchnię elementu obrotowego maszyny lub urządzenia, uprzednio zszorstkowaną i następnie podgrzaną nanosi się w podwyższonej temperaturze najkorzystniej w zakresie temperatur od 350 do 425 K, stosując metalizację natryskową warstwę powierzchniową molibdenu o grubości od 0,10 do 1,00 mm. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że element obrotowy podgrzewa się do temperatury powyżej 350 K. 3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że nieprzekraczalność podwyższonej do 425 K temperatury utrzymuje się stosując chłodzenie strumieniem powietrza. 4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że zszorstkowanie powierzchni elementu obrotowego dokonuje się stosując obróbkę strumieniowo - ścierną elektrokorundem na głębokość od 0,10 do 1,00 mm. 5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że element obrotowy po naniesieniu warstwy mobilenu poddaje się szlifowaniu na żądany wymiar, stosując intensywne chłodzenie podczas obróbki szlifierskiej. 6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, ze stosuje się molibden o czystości nie niższej od 99,00%. * * * Przedmiotem wynalazku jest sposób obróbki powierzchniowej obrotowych części maszyn i urządzeń, zwłaszcza wałów i osi, w szczególności stosowanych w kolejnictwie, przeznaczonych do pracy w warunkach sprzyjających powstawaniu uszkodzeń trybologicznych będących następstwem trybokorozji i/lub frettingu. Zużycie elementów maszyn i urządzeń następuje głównie w wyniku nakładania się skutków różnego rodzaju oddziaływania w warstwach wierzchnich. Wzajemne oddziaływanie powierzchni będących względem siebie w ruchu powoduje, że warstwy wierzchnie metali stosowanych na pary cierne, głównie stal i stopy łożyskowe muszą spełniać odpowiednie warunki fizyko - chemiczne i wytrzymałościowe. Przypowierzchniowa warstwa stali nie jest jednorodna, ma właściwości odmienne od właściwości materiału wewnątrz. W procesach zużycia trybologicznego następuje zmiana masy oraz struktury i własności fizycznych warstw wierzchnich obszarów styku. Intensywność zużywania jest funkcją różnego rodzaju oddziaływań oraz odporności obszarów tarcia warstw wierzchnich. Odmienność budowy warstwy wierzchniej od budowy pozostałych warstw przejawia się tym, że występuje rozdrobnienie kryształów, odkształcenie plastyczne oraz ukierunkowanie struktury. Pod wpływem temperatury i naprężeń mogą również powstać przemiany fazowe kształtujące odporność powierzchni na defekty. Zewnętrzna warstwa elementu obrotowego jest utworzona z warstwy Beilby'ego, będącej wynikiem stopnienia i płynięcia materiału dokonującego się w trakcie obróbki. Warstwa ta jest twarda na skutek zahartowania przez szybkie ochłodzenie, zawiera zwykle związki chemiczne i zaabsorbowane gazy. Pod warstwą Beilby'ego leżą kryształy rozkruszone w wyniku obróbki mechanicznej. Poszczególne składowe warstwy wierzchniej mają różne grubości, co ma swój związek z rodzajem stosowanej obróbki, właściwościami materiału oraz parametrami obróbki. Głównym czynnikiem warunkującym proces zużycia trybologicznego jest kształt geometryczny powierzchni, który z kolei zależny jest od sposobu obróbki mechanicznej. Nawet najbardziej staranne polerowanie nie usuwa chropowatości powierzchni. Technicznie
180 461 3 gładkie powierzchnie spełniające wymóg normy PN-89/ M01146 posiadają nierówności powierzchni wynoszące 0,20-3,20 μ, a stopień skomplikowania topografii powierzchni metalu jest tak duży, że do jego opisania konieczne są dwuwymiarowe mapy warstwowe. Zjawiska tarcia i zużycia oraz deformacji zależą od natury rzeczywistego poła kontaktu dwóch powierzchni znajdujących się względem siebie w ruchu, oddziaływanie nierówności powierzchni i luźnego ścierniwa jest najczęściej przyczyną występowania frettingu, który występuje w kilku różnych postaciach. Niszczenie warstw wierzchnich stykających się elementów wykonujących względem siebie oscylacyjne mikroprzesunięcia wywołane jest dwoma podstawowymi procesami: sczepieniem i odrywaniem fragmentów rzeczywistej powierzchni styku oraz jej utlenianiem i odrywaniem cząstek tlenków. Wskutek małych przemieszczeń cząstki oderwane pozostają w strefie styku i działają jak luźne ścierniwo. Utlenianiu metalu towarzyszy zwiększanie objętości, co powoduje miejscowe zwiększenie nacisków i intensyfikację zużywania. Ścierne oddziaływanie cząstek zależą od ich twardości i od przyczepności do podłoża. Twardość tlenków jest z reguły większa od twardości metalu rodzimego, natomiast ich przyczepność do podłoża bywa rożna. Ta ostatnia właściwość może odgrywać znaczącą rolę zużycia podczas frettingu. Tlenki łatwo wykruszające się z warstwy powierzchniowej intensywnie oddziaływają ścierająco, natomiast tlenki wykazujące dużą przyczepność do podłoża, nie tylko, że nie odrywają się, lecz tworzą trwałą warstewkę powierzchniową, ochraniającą metal rodzimy. Znane są sposoby uszlachetniania powierzchniowego stali, zwiększające odporność na zużywanie. Najstarszym znanym sposobem uszlachetniania jest hartowanie powierzchniowe, które można zrealizować metodą płomieniową indukcyjną bądź laserową i w ten sposób można uzyskać warstwy wierzchnie o twardościach 58-68 HRC. Zwiększona twardość uodparnia warstwę powierzchniową przede wszystkim na zużywanie ścierne. Nie uzyskuje się jednak wyraźnego polepszenia właściwości przeciwzatarciowych. Znaczne zwiększenie twardości warstwy powierzchniowej można uzyskać stosując obróbkę cieplno - chemiczną, jak na przykład nawęglanie, azotowanie, węgloazotowanie, cyjanonasiarczanie kąpielowe i azotonasiarczanie gazowe. Niedogodnością stosowania wymienionych sposobów utwardzania warstwy powierzchniowej jest nieznaczna grubość warstewki utwardzonej nie gwarantujące długookresowej pracy w warunkach intensywnego ścierania. Znaczne podwyższenie twardości warstwy powierzchniowej uzyskuje się stosując tytanowanie lub chromowanie dyfuzyjne. Warstewki dyfuzyjne są jednak bardzo cienkie i dlatego nie nadają się do pracy przy ścieraniu. Specjalnym sposobem wytwarzania warstw odpornych na ścieranie jest nanoszenie na powierzchnie metalowe pokryć i powłok, które mogą być nanoszone metodami chemicznymi, chemiczno - cieplnymi i cieplnymi. Wadą pokryć metalowych jest dość słabe wiązanie z podłożem wskutek obecności tlenków na jego powierzchni. Może to zmniejszyć odporność na zmęczenie przy dużych obciążeniach zmiennych. Dobrą odpornością na zużywanie adhezyjne odznaczają się warstwy metalizowane, które można wykonywać o różnej grubości. Celem niniejszego wynalazku jest opracowanie sposobu obróbki powierzchniowej obrotowych części maszyn i urządzeń, zwłaszcza wałów i osi w szczególności do stosowania w kolejnictwie, odznaczających się wysoką odpornością na ścieranie i powstawanie uszkodzeń trybologicznych, w szczególności będących następstwem frettingu i trybokorozji. Zgodnie z wynalazkiem cel ten osiągnięto sposobem według wynalazku polegającym na tym, że na powierzchnie elementu obrotowego maszyny lub urządzenia, którą uprzednio zszorstkowano i następnie podgrzano, nanosi się w podwyższonej temperaturze najkorzystniej w zakresie temperatur od 350 do 425 K, stosując metalizację natryskową warstwę powierzchniową molibdenu o grubości od 01,0 do 1,00 mm. Element obrotowy, na który nanosi się warstwę molibdenu podgrzewa się wstępnie do temperatury powyżej 350 K. Nieprzekraczalność podwyższonej do 425 K temperatury utrzymuje się stosując chłodzenie strumieniem powietrza. Zszorstkowania powierzchni elementu obrotowego dokonuje się stosując obróbkę strumieniowo - ścierną elektrokorundem na głębokość od 0,10 do 1,00 mm.
4 180 461 Element obrotowy po naniesieniu warstwy molibdenu poddaje się szlifowaniu na żądany wymiar ściernicą stosując intensywne chłodzenie podczas obróbki szlifierskiej. Do metalizacji natryskowej stosuje się molibden o czystości nie niższej od 99,0%. Fretting jest procesem zachodzącym w styku nominalnie spoczynkowym przy mikroprzesunięciach stykających się elementów wywołanych drganiami. Jego wyeliminowanie jest możliwe tylko w przypadku rozdzielenia się stykających się powierzchni albo, przez wykluczenie możliwości wzajemnych mikroprzesunięć stykających się elementów. Przez zastosowanie odpowiedniej powłoki z molibdenu, jak to ma miejsce w niniejszym wynalazku, osiągnięto rozdzielenie stykających się warstw. Utwardzona warstwa molibdenu cechuje się większą odpornością na fretting niż stal, z której wykonywane są obrotowe części maszyn i urządzeń. Powstające w procesie trybokorozji i/lub frettingu tlenki molibdenu wykazują dużą przyczepność do warstwy wierzchniej, nie odrywają się od podłoża i tym samym nie intensyfikują ściernego zużycia. Pokrycie molibdenowe jest niskociernym, zmniejszającym mikroprzesunięcia, przez co eliminuje zjawiska związane z trybokorozją i/lub frettingiem nie następuje mechaniczne niszczenie produktami zużycia. Niżej podane przykłady bliżej objaśniają sposób obróbki powierzchniowej obrotowych części maszyn i urządzeń zgodnie z wynalazkiem: Przykład 1. Oś wagonu kolejowego o kształcie jak to pokazano na rys. przygotowano do metalizacji natryskowej wykonując wstępnie niżej podane operacje: 1. Zaniżono wymiar osi w miejscu oznaczonym na rysunku jako pozycja 2 o około 1 mm na średnicy poprzez nacięcie gwintu szarpanego o skoku 0,70 i głębokości 0,50 mm. 2. Powierzchnie z naciętym gwintem, zszorstkowano poprzez obróbkę strumieniowościerną elektrokorundem 95 A nr ziarna 20. 3. Wymyto i odtłuszczono zszorstkowane powierzchnie czterochloroetylenem. 4. Zabezpieczono powierzchnie nienatryskiwane w miejscach bezpośrednio przylegających do powierzchni przeznaczonej do natrysku. Podgrzano oś do temperatury 370 K. Po wykonaniu wyżej zestawionych operacji wstępnych przystąpiono do nanoszenia na oś stalową (1) molibdenu stosując metalizację natryskową aż do uzyskania naddatku około 0,50 mm na stronę. Do natrysku użyto drut molibdenowy o średnicy 2,50 mm, zawierający 99,95% molibdenu. Podczas natrysku utrzymywano temperaturę osi na poziomie nie przekraczającym 400 K. Oś chłodzono strumieniem powietrza, tym samym, którego używano do zasilania pistoletu natryskowego. Oś po metalizacji została oczyszczona w miejscach zabezpieczonych i następnie poddana obróbce szlifierskiej na żądany wymiar utrzymując parametry szlifowania szybkość szlifowania 25-30 m / sek posuw 5-15 mm / obr głębokość skrawania 0,01-0,03 mm szybkość obwodowa osi 10-40 m / min Podczas szlifowania stosowano intensywne chłodzenie wodą. W wyniku metalizacji natryskowej uzyskano utwardzenie powierzchni osi 800 HV (0,30) i zwiększono żywotność eksploatacyjną osi wagonu kolejowego 50 krotnie. Przykład 2. W warunkach, jak to podano w przykładzie 1 po wykonaniu operacji wstępnych metalizowano przygotowane powierzchnie drutem molibdenowym o średnicy 1,60 mm i o czystości 99,95% aż do uzyskania warstwy o grubości 0,50 mm na stronę utrzymując podczas natrysku temperaturę nieprzekraczajacą 425 K. Oś chłodzono strumieniem powietrza tym samym którego używano do zasilania pistoletu natryskowego. Po metalizacji oś oczyszczono w miejscach zabezpieczonych i poddano obróbce szlifierskiej na żądany wymiar utrzymując parametry szlifowania jak w przykładzie 1. Uzyskano utwardzenie powierzchni osi 800 HV (0,30) i zwiększono żywotność eksploatacyjną 55 krotnie.
180 461 Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 60 egz. Cena 2,00 zł.