Износ деталей пожарной и аварийно-спасательной техники приводит ухудшению технических характеристик механизмов, входящих в состав техники. Повысить долговечность и эксплуатационную надежность пожарных машин можно различными способами, одним из которых является методом алмазного выглаживания.
Выглаживание заключается в пластическом деформировании обрабатываемой поверхности скользящим по ней инструментом — выглаживателем. При этом неровности поверхности, оставшиеся от предшествующей обработки, сглаживаются частично или полностью, поверхность приобретает зеркальный блеск, повышается твердость поверхностного слоя, в нем образуются сжимающие остаточные напряжения, изменяется микроструктура и создается направленная структура (текстура). После выглаживания поверхность остается чистой, не шаржированной осколками абразивных зерен, что обычно происходит при процессах абразивной обработки. Такое сочетание свойств выглаженной поверхности предопределяет ее высокие эксплуатационные качества — износостойкость, сопротивление усталости и т.д.
При небольшой деформации на поверхности предварительно отполированного образца в пределах отдельных зёрен кристаллической структуры под микроскопом можно наблюдать следы деформации — линии (полосы) скольжения. При дальнейшей деформации число зёрен, в которых обнаруживаются следы деформации, увеличивается. При росте степени пластической деформации, по мере её развития в каждом зерне микроструктура значительно изменяется — зёрна вытягиваются в направлении действия усилия P, в направлении пластического течения (см. рис. 1, б).
Стойкость природных и синтетических кристаллов алмаза примерно одинакова. Формирование поверхностного слоя при алмазном выглаживании происходит вследствие пластической деформации обрабатываемой поверхности. Под действием радиальной силы, действующей на поверхность контакта алмаза с деталью, возникают контактные давления.
Если их величина превышает предел текучести, возникает пластическая деформация тонких поверхностных слоев. При пластической деформации поверхностный слой приобретает волокнистое специфическое строение (текстуру), исходная кристаллическая решетка искажается.
Эффективность алмазного выглаживания различных материалов в значительной мере определяется их структурным исходным состоянием. При выглаживании деталей из стали 45 установлено, что наиболее интенсивно возникает деформация в феррите, менее интенсивно — в перлите за счет ее блокирования хрупкими цементитными пластинами. Характерно, что насыщение поверхностного слоя дислокациями происходит при выглаживании деталей с определенной силой Pу= 200 Н (для стали 45). При алмазном выглаживании происходят структурные и фазовые превращения. Так, выглаживание деталей из низкоуглеродистой стали, приводит к увеличению концентрации на поверхности атомов углерода в 1,5–2 раза по сравнению со шлифованием. Высокая эффективность упрочнения мартенситной структуры и увеличение предела выносливости по сравнению с сорбитной при поверхностной пластической деформации объясняется более высокой плотностью дефектов, образующихся при деформировании стали с большим содержанием углерода в твердом растворе, а также дополнительным упрочняющим влиянием взаимодействия дислокаций с атомами углерода в мартенсите. Эксплуатационные характеристики деталей пожарной и аварийно-спасательной техники определяются качеством поверхностного слоя. В тонком поверхностном слое возникают усталостные трещины, происходят процессы коррозии и начинается изнашивание. На процессы изнашивания при контактном взаимодействии будут оказывать влияние как геометрические характеристики поверхностного слоя (макро-отклонения, волнистость, шероховатость), так и физико-механические свойства (твердость и остаточные напряжения, глубина и степень деформационного упрочнения, структурное состояние металла). Шероховатость (высота, форма неровностей и их направление) в значительной степени влияет на износостойкость деталей. Результаты исследований показали, что 70–80% всей вариации показателей износостойкости связаны с параметрами шероховатости.
В начале работы узла трения контакт поверхностей деталей происходит по вершинам микронеровностей, фактическая площадь контакта мала, а удельные нагрузки большие, часто превышающие предел текучести. Как следствие, происходит разрушение микронеровностей за счет их пластического деформирования или среза, между соприкасающимися поверхностями появляется зазор. Высота неровностей в этот период уменьшается на 65–75%, что должно привести к увеличению фактической площади контакта, а следовательно, к снижению давления. Однако появление зазоров вызывает увеличение динамической составляющей нагрузки, что затягивает период приработки, а в особо тяжелых условиях контактного нагружения может привести к катастрофическому изнашиванию, минуя фазу установившегося износа.
При работе в легких и средних условиях в период приработки шероховатость приобретает оптимальную высоту и направление, почти не зависящие от первоначальной геометрии. Поэтому важно в процессе механической обработки создавать поверхности, шероховатость которых по возможности будет соответствовать приработанным поверхностям трения для конкретных условий изнашивания. В общем случае изнашивание в зависимости от высоты неровностей имеет характер с явно выраженным оптимумом. Возрастание износа с увеличением высоты неровностей обусловлено механическим зацеплением, срезом и их смятием, а при уменьшении высоты неровностей по сравнению с оптимальной поверхностью, износ увеличивается за счет возникновения молекулярного сцепления и заедания плотно соприкасающихся поверхностей.
Как указывалось выше, гальваническое нанесение хрома в машиностроении весьма эффективно, но не лишено недостатков. Так, покрытие деталей пожарной техники по мере износа может отслаиваться от поверхности детали под действием абразивных включений, попадающих в трущиеся поверхности. Поэтому требуется дополнительная обработка методом пластического деформирования с целью ликвидации рисок и задиров на поверхности покрытия.
Металлизированные покрытия, также нашедшие широкое применение в машиностроении, имеют недостатки, т.к. металлизированном покрытии имеется большое количество пор. Поры хорошо удерживают масло при работе деталей в узлах трения с применением смазки. Однако, при работе поверхностей трения в условиях контакта с жидкой средой такие покрытия разрушаются из-за расклинивающего эффекта жидкости в порах. Поры необходимо закрыть, и это возможно только при помощи дополнительной обработки методом пластического деформирования.
Таким образом, применение метода алмазного выглаживания позволяет уменьшить износ деталей пожарной и аварийно-спасательной техники.