Виды упрочнения. Современные методы упрочнения металлов

УДК 621.924.093

Анализ методов упрочнения деталей машин

и режущих инструментов

Увеличение срока эксплуатации и износостойкости деталей машин и инструмента путем упрочнения является важной задачей, решение которой способствует значительному увеличению их долговечности и обеспечивает экономию дорогих и дефицитных материалов, энергии, трудовых ресурсов . В машиностроении широко применяют разнообразные методы упрочнения, выбор которых зависит от свойств режущего и обрабатываемого материала, условий эксплуатации и экономической эффективности использования метода упрочнения.

композиционные упрочняющие покрытия, лазерное упрочнение и легирование , электроискровое легирование, эпиломирование, магнитно-импульсная обработка

ВВЕДЕНИЕ

Одно из наиболее перспективных направлений повышения надежности и долговечности изнашивающихся деталей машин и инструмента - упрочнение или модифицирование рабочих поверхностей за счет создания поверхностных слоев с более высокими механическими и триботехническими показателями.

Анализ научных источников показал, что упрочнение поверхности может осуществляться с помощью покрытий, термической обработкой или с использованием различных видов энергии. При этом, опыт лабораторных исследований и практики эксплуатации показывает, что трудно выбрать универсальный способ обработки, так как каждый из них раскрывает свои потенциальные возможности в определенном случае, часто в весьма узком диапазоне параметров эксплуатации.

МЕТОДЫ ПОВЕРХНОСТНОГО УПРОЧНЕНИЯ изнашивающихся

деталей ДЛЯ “ТЯЖЕЛЫХ” режимОВ трения

Узлы изделий, работающих в “тяжелых” режимах трения, широко используют методы поверхностного упрочнения. На износостойкость пары трения влияет комплекс физико-механических характеристик: прочностные, пластические и твердость. На износостойкость особое влияние оказывает поверхностный слой, так как он воспринимает нагрузки и осуществляет контакт с внешней средой.

С другой стороны, поверхностные слои имеют и больше дефектов (поры, микротрещины, включения неординарного кристаллического строения и др.), чем весь объем детали.

В процессе изнашивания контактирующие поверхности должны успешно сопротивляться пластическим деформациям, срезу – сколу микрообъемов материала, внедрению твердых частиц (абразивные частицы из внешней среды, отделившиеся частицы или наросты при адгезии), а также воздействию агрессивных сред и температур.

Основное воздействие воспринимается тонким поверхностным слоем, а остальное сечение материала воспринимает лишь незначительную долю, вследствие инерционности материалов. Поэтому необходимо дифференцировать физико-механические свойства поверхностных слоев и остального сечения, что достигается различными методами поверхностного упрочнения.

Рассмотрим наиболее применяемые методы, при этом за критерий оценки упрочняемых слоев принимаем твердость – единственную характеристику материала, получаемую методами неразрушающего контроля (таблица).

Таблица. Применяемость методов поверхностного упрочнения деталей в зависимости от твердости упрочненных поверхностей

Tablе. The use of surface strengthening methods depending hardness of strengthened surface

	Методы упрочнения	Твердость, МПа
	Поверхностное пластическое деформирование (ППД)
	Термическая обработка (ТО)
	Химико-термическая обработка (ХТО)
	Борирование
	Фрикционно-диффузионное упрочнение	11000 …. 13000
	Электроискровое упрочнение (ЭЛ)
	Наплавляемые покрытия
	Напыляемые покрытия
	Лазерное упрочнение (ЛУ)
	Детонационное покрытие	10000 …. 14500
	Композиционные покрытия

Из таблицы видно, что твердость покрытий упрочняемых слоев выше более чем в два раза. Однако только по твердости поверхности нельзя полностью судить о достоинствах метода. Необходимо учитывать положительные и отрицательные составляющие других методов, сравнивая механические свойства, необходимые для области применения.

ППД – повышает твердость, снижает пластичность, имеет низкую абразивную износостойкость.

ТО – “рабочим” порогом режима изнашивания является температура в зоне трения, которая составляет С.

ХТО – увеличивает износостойкость, которая определяется температуростойкостью химических соединений. Так, азотирование выдерживает температуру до 600-650, а борирование до 9000С и выше.

Наплавленные и напыленные покрытия отличаются высокой износостойкостью, которая зависит от химического состава наносимого покрытия, но требует усложненной технологии, включая подготовительные операции и операции для снятия внутренних напряжений. Для напыления требуется также вводить операцию по увеличению прочности сцепления покрытия с основой (термодеформированное расслаивание).

Лазерное упрочнение позволяет получать тонкие слои, отличные от структуры ТО, вследствие высоких скоростей нагрева слоев. Недостаток этого способа упрочнения – низкий температурный порог, который составляет температуру около 2000 С.

Детонационная обработка позволяет получить более качественное по сравнению с напыленным покрытие, не требует деформационного рассасывания. К недостаткам метода можно отнести сложность реализации технологического процесса и трудность установки детали в технологическом оборудовании.

Композиционные покрытия в настоящее время получили наибольшее применение. Основные достоинства: возможность получения достаточно толстых слоев (до 4 мм); использование износостойких композиций порошков из твердого сплава, релита, боридов и специальных сплавов; создание покрытий с твердой смазкой, где в качестве наполнителей используются графит, дисульфид молибдена, сульфиды, селениды и др.

Несмотря на существенные преимущества, методы не получили широкого применения из-за ряда существенных недостатков: сложность технологии нанесения покрытия, включая операции специальной подготовки для герметизации зоны упрочнения; применение высоких температур (до 12000); наблюдаются температурные деформации и напряжения, так как вся система упрочнения подвергается нагреву; применение дорогостоящих материалов как в качестве матрицы (серебро, никель, кобальт, медь), так и в качестве наполнителей (бориды, карбиды, твердый сплав); необходимость включения операций по снятию внутренних напряжений.

Анализируя методы поверхностного упрочнения, следует отметить, что, увеличивая твердость, снижаем пластичность, которая приводит к уменьшению опасности схватывания сопряженных поверхностей, с одной стороны. С другой стороны, снижение пластичности повышает чувствительность к местным высоким давлениям, которые могут привести даже к местному разрушению поверхности.

Итак, в упрочненном поверхностном слое необходимо обеспечить достаточную пластичность, высокую твердость и прочность. Эти требования можно реализовать только в композиционном покрытии, организуя упрочненный слой, состоящий из пластичной основы (матрицы) с твердыми включениями.

МЕТОДЫ ПОВЕРХНОСТНОГО УПРОЧНЕНИЯ металлорежущего

инструмента

Работоспособность металлорежущего инструмента может быть обеспечена только в том случае, если его рабочая часть выполнена из материала, обладающего достаточной твердостью, прочностью, износостойкостью, температуростойкостью и теплопроводностью. Покрытие, наносимое на рабочие поверхности инструмента, является достаточно универсальным и надежным средством, с помощью которого можно по-новому подойти к проблемам совершенствования свойств материала инструмента, повышения его работоспособности и управления процессом резания.

Инструментальный материал с износостойким покрытием является новым материалом композиционного типа, в котором оптимально сочетаются свойства поверхностного слоя (высокие значения твердости, теплостойкости, пассивности по отношению к обрабатываемому материалу и т. д.) и свойства, проявляющиеся в объеме тела инструмента (прочность, ударная вязкость, трещиностойкость и т. д.). Инструмент из твердого сплава с композиционным покрытием имеет высокую сопротивляемость адгезионно-усталостному и диффузионному изнашиванию при температуре С. Покрытие повышает сопротивляемость инструмента из быстрорежущей стали абразивному и адгезионно-усталостному изнашиванию, значительно повышает устойчивость к коррозионно-окислительному изнашиванию .

Получение инструмента с покрытием с помощью химического и физического осаждения металла имеет недостатки: сложность технологии нанесения покрытия, включая операции специальной подготовки для герметизации зоны упрочнения и использование высоких температур; температурные деформации и напряжения как следствие нагрева; применение дорогостоящих материалов.

Для нивелирования указанных отрицательных сторон процесса предлагается схема нанесения композиционного многослойного покрытия для твердосплавного инструмента. Покрытие содержит несколько промежуточных слоев, каждый из которых имеет собственное функциональное назначение: обеспечение прочной связи многослойного покрытия с рабочими поверхностями инструмента; осуществление адгезионной связи между функциональными слоями; выполнение барьерных функций, например, увеличение термодинамической устойчивости покрытия при повышенных скоростях резания и др. Все соединения, широко применяемые в качестве покрытий, характеризуются увеличением микротвердости до 2,5 ГПа, но являются достаточно хрупкими, что заметно сужает область их применения. Поэтому особый интерес вызывают покрытия из наноматериалов. Поверхностные покрытия в виде тонкой пленки имеют характеристики, значительно отличающиеся от объемного (монолитного) материала, причем, чем тоньше пленка, тем она прочнее .

Совершенствование твердого сплава с покрытием всегда направлено на борьбу с хрупкостью его поверхностного слоя. В последнее время используются покрытия, получившие название «Low stress coating», технологический процесс заключается в нанесении многослойного покрытия на твердосплавную подложку по стандартной технологии. После этого передняя поверхность пластин полируется по передней поверхности, в результате чего полностью снимается слой нитридов титана и верхний слой оксида алюминия толщиной всего 2..3 мкм от общей толщины покрытия, что дает возможность снизить уровень внутренних растягивающих напряжений в 2 раза и убрать большую часть зародышей трещин .

Упрочнение режущего инструмента из быстрорежущей и легированной стали методом карбонитрации в газообразных продуктах, карбоазотировании в безводородной плазме тлеющего разряда (ХТО) повышает твердость, износостойкость и теплостойкость инструмента. После азотирования инструмент выдерживает температуру до 600-650, а при его борировании – до 9000С и выше. Полученные после карбонитрации диффузионные слои толщиной от нескольких микронов (для мелкоразмерного инструмента) до 0,01-0,02 мм обеспечивают повышение стойкости инструмента в 1,5-2 раза. Испытания отрезных резцов, сверл, метчиков, разверток, упрочненных карбоазотированием, показали, что по стойкости они в 2-2,5 раза превосходят неупрочненный инструмент .

Использование для поверхностной закалки концентрированной плазменной струи мощностью 30 кВт, генерируемой плазмотроном косвенного действия с секционированной межэлектродной вставкой , обеспечивает закалку на значительную глубину (3,0-3,5 мм). В этой связи представляет практический интерес упрочнение малогабаритного инструмента (резцов, сверл, штампов и т. п.) из низколегированной инструментальной стали 9ХФ и быстрорежущей стали Р6М5 при закалке мощной плазменной струей. Но процесс упрочнения требует усложненной технологии, включая подготовительные операции и операции для снятия внутренних напряжений.

Лазерное упрочнение (ЛУ) режущего инструмента из быстрорежущих и легированных сталей производится импульсным облучением рабочих кромок инструмента на лазерной технологической установке . При этом стойкость инструмента может быть повышена в 1,5-3 раза. Под воздействием лазерного излучения происходит скоростной нагрев металла в области аустенитного состояния и последующее охлаждение металла. Упрочненный слой имеет особо дисперсную аустенитно-мартенситную структуру. В результате на поверхности образуется слой толщиной 60-80 мкм микротвердостью Н/мм2. Но процесс ЛУ не способствует сохранению необходимого для инструмента уровня пластичности. Недостатком является также нарушение геометрии инструмента из-за оплавления без увеличения глубины проплавления.

Лазерное поверхностное легирование является перспективным технологическим методом обеспечения и повышения надежности различного инструмента (штампы, пресс-формы, режущие инструменты), рабочие поверхности которых подвергались импульсному лазерному легированию с использованием пастообразных составов. После экспериментов в производство был внедрен процесс с использованием пасты, содержащей мелкодисперсные порошки бора и твердого сплава с добавками фторидных активаторов, размешанные в глицерине до густого состояния. Окисная пленка приводит к сокращению времени достижения фиксированной величины износа на участке приработки по передней поверхности инструмента в 2-3 раза по сравнению с неупрочненным инструментом, к существенному расширению диапазона режимов резания, и при этом ожидаемое снижение температуры резания составляет 100-120°С.

Перспективным способом повышения долговечности инструментов из углеродистых и легированных сталей является магнитно-импульсная обработка их полем малой напряженности при комнатной температуре. Но и этот метод имеет ряд недостатков: ограничения в применении по толщине и габаритам; зависимость качества обработки от магнитной проницаемости материала. Это объясняется тем, что режимы магнитно-импульсного воздействия не обеспечивают требуемой структуры.

Процесс электроакустического напыления, основанный на совместном использовании энергии электроискрового разряда и ультразвука, увеличивает долговечность работы быстрорежущего инструмента. Механические продольно-крутильные ультразвуковые колебания, сообщаемые электроду, образуют при контактировании с обрабатываемой поверхностью межэлектродный зазор.

Электроискровое легирование (ЭЛ) сверл, фрез и другого режущего инструмента, изготовленного из быстрорежущей стали, увеличивает его стойкость в 1,5-2 раза . Вместе с тем ЭЛ отличается рядом недостатков, главным из которых является формирование во многих случаях недопустимого уровня остаточных напряжений растяжения и неприемлемой шероховатостью обработанных поверхностей.

Повышение стойкости режущего инструмента может быть получено нанесением эпилама на поверхность инструмента – упрочнение режущего инструмента методом эпиламирования. Эпиламы представляют собой композиции, состоящие из растворителя или смеси растворителей, которые содержат поверхностно-активное вещество (фтор). Из раствора поверхностно-активное вещество адсорбируется на твердой поверхности в виде мономолекулярного слоя, снимая микротвердость, а следовательно, поверхностную энергию. При нанесении эпилама на поверхность режущего инструмента износостойкость его повышается в 2-5 раз. Чрезвычайно высокая химическая активность фтора является существенным недостатком эпиломирования.

В настоящее время высокоэнергетические методы поверхностного упрочнения рабочего профиля режущих кромок инструмента, такие как лазерное и плазменное упрочнение, магнитно-импульсная обработка, используются ограниченно (в основном из-за высокой стоимости оборудования, сложности технологических процессов). Основными методами упрочнения лезвийного инструмента пока остаются объемная закалка и закалка с нагревом ТВЧ, которые сопряжены с короблением рабочего профиля инструмента, возникновением термических напряжений и другими недостатками.

Многочисленные результаты исследований показывают убедительные преимущества инструмента и деталей машин с новыми покрытиями и подтверждают перспективность новых разработок. К перспективным технологиям ближайшего будущего можно отнести и совмещение имплантации с нанесением покрытий, а также работы в области совмещения термической обработки изделий с нанесением покрытий.

Вышеизложенное позволяет сделать вывод: рассматриваемые методы упрочнения имеют определенные недостатки; их применение для деталей и инструмента требует усовершенствования конкретных технологических процессов и дальнейших исследований; одновременно необходимо проводить поиск новых методов.

Список используемЫХ литературных источников

1. Верещака режущего инструмента с износостойкими покрытиями. – М.: Машиностроение, 1993. – 336 с.

2. Маслов высокие технологии: справочник // Инженерный журнал. –2008. – № 1. – С.10-24.

3. , О классификации методов нанесения покрытий (терминологический аспект) // Вестник машиностроение. – 1988. – № 9. С.54-57.

4. , Матюшенко аспекты технического наводороживания металлов и его влияние на износостойкость // Долговечность трущихся деталей машин. – 1986. – № 1. – С. 191-195.

5. , Кравец надежности инструмента лазерным легированием // Вестник машиностроения. – 1987. – № 1. – С. 44-46.

6. , Сидоренко электроискровой упрочняющей обработки на износ разделительных штампов // Вестник машиностроения. – 1987. – № 2. – С.53-55.

THE ANALYSIS of METHODS for strengthening MACHINE PARTS And CUTTING TOOLS

I. T. Syechjov, I. A. Sokolova

Threading the service life and wear resistance machine parts and tools by their strengthening is an important task the solution of which secures economy of expensive and deficit materials, energy, labor resource. Mechanical engineering uses various strengthening methods, choosing of which depends on the properties of cutting material and material to be cut, performance and economical effectiveness and strengthening method.

с omposite strengthening plating, laser strengthening and alloying, electro-spark alloying, apyloming, magnet –impulse treatment

Кандидат технических

наук, доцент кафедры технологии обработки материалов

Кандидат педагогических наук, доцент кафедры технологии обработки материалов

ФГОУ ВПО «Калининградский государственный технический университет», Россия, г. Калининград, Советский пр., 1,

e-mail: *****@***ru

Dr. I. T. Syechjov, PLD, ass. prof. Mechanical Engineering department The Kaliningrad State Technical University

Russia, Kaliningrad, Soviet pr., 1, tel.: + 7

Dr. I. A. Sokolova, PLD, ass. prof. Mechanical Engineering department The Kaliningrad State Technical University

Russia, Kaliningrad, Soviet pr.,

Термомеханическая обработка стали. Одним из технологических процессов упрочняющей обработки является термомеханическая обработка (ТМО). Термомеханическая обработка относится к комбинированным способам изменения строения и свойств материалов. При термомеханической обработке совмещаются пластическая деформация и термическая обработка (закалка предварительно деформированной стали в аустенитном состоянии). Преимуществом термомеханической обработки является то, что при существенном увеличении прочности характеристики пластичности снижаются незначительно, а ударная вязкость выше в 1,5…2 раза по сравнению с ударной вязкостью для той же стали после закалки с низким отпуском. В зависимости от температуры, при которой проводят деформацию, различают высокотемпературную термомеханическую обработку (ВТМО) и низкотемпературную термомеханическую обработку (НТМО). Сущность высокотемпературной термомеханической обработки заключается в нагреве стали до температуры аустенитного состояния (выше А 3). При этой температуре осуществляют деформацию стали, что ведет к наклепу аустенита. Сталь с таким состоянием аустенита подвергают закалке (рис. 16.1 а). Высокотемпературная термомеханическая обработка практически устраняет развитие отпускной хрупкости в опасном интервале температур, ослабляет необратимую отпускную хрупкость и резко повышает ударную вязкость при комнатной температуре. Понижается температурный порог хладоломкости. Высокотемпературная термомеханическая обработка повышает сопротивление хрупкому разрушению, уменьшает чувствительность к трещинообразованию при термической обработке. Рис. 16.1. Схема режимов термомеханической обработки стали: а – высокотемпературная термомеханическая обработка (ВТМО); б – низкотемпературная термомеханическая обработка (НТМО). Высокотемпературную термомеханическую обработку эффективно использовать для углеродистых, легированных, конструкционных, пружинных и инструментальных сталей. Последующий отпуск при температуре 100…200 o С проводится для сохранения высоких значений прочности. Низкотемпературная термомеханическая обработка (аусформинг). Сталь нагревают до аустенитного состояния. Затем выдерживают при высокой температуре, производят охлаждение до температуры, выше температуры начала мартенситного превращения (400…600 o С), но ниже температуры рекристаллизации, и при этой температуре осуществляют обработку давлением и закалку (рис. 16.1 б). Низкотемпературная термомеханическая обработка, хотя и дает более высокое упрочнение, но не снижает склонности стали к отпускной хрупкости. Кроме того, она требует высоких степеней деформации (75…95 %), поэтому требуется мощное оборудование. Низкотемпературную термомеханическую обработку применяют к среднеуглеродистым легированным сталям, закаливаемым на мартенсит, которые имеют вторичную стабильность аустенита. Повышение прочности при термомеханической обработке объясняют тем, что в результате деформации аустенита происходит дробление его зерен (блоков). Размеры блоков уменьшаются в два – четыре раза по сравнению с обычной закалкой. Также увеличивается плотность дислокаций. При последующей закалке такого аустенита образуются более мелкие пластинки мартенсита, снижаются напряжения. Механические свойства после разных видов ТМО для машиностроительных сталей в среднем имеют следующие характеристики (см. табл. 16.1): Таблица 16.1. Механические свойства сталей после ТМО

Термомеханическую обработку применяют и для других сплавов.

Поверхностное упрочнение стальных деталей.

Конструкционная прочность часто зависит от состояния материала в поверхностных слоях детали. Одним из способов поверхностного упрочнения стальных деталей является поверхностная закалка.

В результате поверхностной закалки увеличивается твердость поверхностных слоев изделия с одновременным повышением сопротивления истиранию и предела выносливости.

Общим для всех видов поверхностной закалки является нагрев поверхностного слоя детали до температуры закалки с последующим быстрым охлаждением. Эти способы различаются методами нагрева деталей. Толщина закаленного слоя при поверхностной закалке определяется глубиной нагрева.

Наибольшее распространение имеют электротермическая закалка с нагревом изделий токами высокой частоты (ТВЧ) и газопламенная закалка с нагревом газово-кислородным или кислородно-керосиновым пламенем.

Закалка токами высокой частоты.

Метод разработан советским ученым Вологдиным В.П.

Основан на том, что если в переменное магнитное поле, создаваемое проводником-индуктором, поместить металлическую деталь, то в ней будут индуцироваться вихревые токи, вызывающие нагрев металла. Чем больше частота тока, тем тоньше получается закаленный слой.

Обычно используются машинные генераторы с частотой 50…15000 Гц и ламповые генераторы с частотой больше 10 6 Гц. Глубина закаленного слоя – до 2 мм.

Индукторы изготавливаются из медных трубок, внутри которых циркулирует вода, благодаря чему они не нагреваются. Форма индуктора соответствует внешней форме изделия, при этом необходимо постоянство зазора между индуктором и поверхностью изделия.

Схема технологического процесса закалки ТВЧ представлена на рис. 16.2.

Рис. 16.2. Схема технологического процесса закалки ТВЧ

После нагрева в течение 3…5 с индуктора 2 деталь 1 быстро перемещается в специальное охлаждающее устройство – спрейер 3, через отверстия которого на нагретую поверхность разбрызгивается закалочная жидкость.

Высокая скорость нагрева смещает фазовые превращения в область более высоких температур. Температура закалки при нагреве токами высокой частоты должна быть выше, чем при обычном нагреве.

При правильных режимах нагрева после охлаждения получается структура мелкоигольчатого мартенсита. Твердость повышается на 2…4 HRC по сравнению с обычной закалкой, возрастает износостойкость и предел выносливости.

Перед закалкой ТВЧ изделие подвергают нормализации, а после закалки низкому отпуску при температуре 150…200 o С (самоотпуск).

Наиболее целесообразно использовать этот метод для изделий из сталей с содержанием углерода более 0,4 %.

Преимущества метода:

• большая экономичность, нет необходимости нагревать все изделие;
• более высокие механические свойства;
• отсутствие обезуглероживания и окисления поверхности детали;
• снижение брака по короблению и образованию закалочных трещин;
• возможность автоматизации процесса;
• использование закалки ТВЧ позволяет заменить легированные стали на более дешевые углеродистые;
• позволяет проводить закалку отдельных участков детали.

Основной недостаток метода – высокая стоимость индукционных установок и индукторов.

Целесообразно использовать в серийном и массовом производстве.

Газопламенная закалка.

Нагрев осуществляется ацетиленокислородным, газокислородным или керосинокислородным пламенем с температурой 3000…3200 o С.

Структура поверхностного слоя после закалки состоит из мартенсита, мартенсита и феррита. Толщина закаленного слоя 2…4 мм, твердость 50…56 HRC.

Метод применяется для закалки крупных изделий, имеющих сложную поверхность (косозубые шестерни, червяки), для закалки стальных и чугунных прокатных валков. Используется в массовом и индивидуальном производстве, а также при ремонтных работах.

При нагреве крупных изделий горелки и охлаждающие устройства перемещаются вдоль изделия, или – наоборот.

Недостатки метода:

• невысокая производительность;
• сложность регулирования глубины закаленного слоя и температуры нагрева (возможность перегрева).

Старение.

Отпуск применяется к сплавам, которые подвергнуты закалке с полиморфным превращением.

К материалам, подвергнутым закалке без полиморфного превращения, применяется старение.

Закалка без полиморфного превращения – термическая обработка, фиксирующая при более низкой температуре состояние, свойственное сплаву при более высоких температурах (пересыщенный твердый раствор).

Старение – термическая обработка, при которой главным процессом является распад пересыщенного твердого раствора.

В результате старения происходит изменение свойств закаленных сплавов.

В отличие от отпуска, после старения увеличиваются прочность и твердость, и уменьшается пластичность.

Старение сплавов связано с переменной растворимостью избыточной фазы, а упрочнение при старении происходит в результате дисперсионных выделений при распаде пересыщенного твердого раствора и возникающих при этом внутренних напряжений.

В стареющих сплавах выделения из твердых растворов встречаются в следующих основных формах:

• тонкопластинчатой (дискообразной);
• равноосной (сферической или кубической);
• игольчатой.

Форма выделений определяется конкурирующими факторами: поверхностной энергией и энергией упругой деформации, стремящимися к минимуму.

Поверхностная энергия минимальна для равноосных выделений. Энергия упругих искажений минимальна для выделений в виде тонких пластин.

Основное назначение старения – повышение прочности и стабилизация свойств.

Различают старение естественное, искусственное и после пластической деформации.

Естественным старением называется самопроизвольное повышение прочности и уменьшение пластичности закаленного сплава, происходящее в процессе его выдержки при нормальной температуре.

Нагрев сплава увеличивает подвижность атомов, что ускоряет процесс.

Повышение прочности в процессе выдержки при повышенных температурах называется искусственным старением.

Предел прочности, предел текучести и твердость сплава с увеличением продолжительности старения возрастают, достигают максимума и затем снижаются (явление перестаривания)

При естественном старении перестаривания не происходит. С повышением температуры стадия перестаривания достигается раньше.

Если закаленный сплав, имеющий структуру пересыщенного твердого раствора, подвергнуть пластической деформации, то также ускоряются процессы, протекающие при старении – это деформационное старение.

Старение охватывает все процессы, происходящие в пересыщенном твердом растворе: процессы, подготавливающие выделение, и сами процессы выделения.

Для практики большое значение имеет инкубационный период – время, в течение которого в закаленном сплаве совершаются подготовительные процессы, когда сохраняется высокая пластичность. Это позволяет проводить холодную деформацию после закалки.

Если при старении происходят только процессы выделения, то явление называется дисперсионным твердением.

После старения повышается прочность и снижается пластичность низкоуглеродистых сталей в результате дисперсных выделений в феррите цементита третичного и нитридов.

Старение является основным способом упрочнения алюминиевых и медных сплавов, а также многих жаропрочных сплавов.

Обработка стали холодом.

Высокоуглеродистые и многие легированные стали имеют температуру конца мартенситного превращения (М к) ниже 0 o С. Поэтому в структуре стали после закалки наблюдается значительное количество остаточного аустенита, который снижает твердость изделия, а также ухудшает магнитные характеристики. Для устранения аустенита остаточного проводят дополнительное охлаждение детали в области отрицательных температур, до температуры ниже т. М к (- 80 o С). Обычно для этого используют сухой лед.

Такая обработка называется обработкой стали холодом.

Обработку холодом необходимо проводить сразу после закалки, чтобы не допустить стабилизации аустенита. Увеличение твердости после обработки холодом обычно составляет 1…4 HRC.

После обработки холодом сталь подвергают низкому отпуску, так как обработка холодом не снижает внутренних напряжений.

Обработке холодом подвергают детали шарикоподшипников, точных механизмов, измерительные инструменты.

Упрочнение методом пластической деформации.

Основное назначение методов механического упрочнения поверхности – повышение усталостной прочности.

Методы механического упрочнения – наклепывание поверхностного слоя на глубину 0,2…0,4 мм.

Разновидностями являются дробеструйная обработка и обработка роликами.

Дробеструйная обработка – обработка дробью поверхности готовых деталей.

Осуществляется с помощью специальных дробеструйных установок, выбрасывающих стальную или чугунную дробь на поверхность обрабатываемых деталей. Диаметр дроби – 0,2…4 мм. Удары дроби вызывают пластическую деформацию на глубину 0,2…0,4 мм.

Применяют для упрочнения деталей в канавках, на выступах. Подвергают изделия типа пружин, рессор, звенья цепей, гусениц, гильзы, поршни, зубчатые колеса.

При обработке роликами деформация осуществляется давлением ролика из твердого металла на поверхность обрабатываемого изделия.

При усилиях на ролик, превышающих предел текучести обрабатываемого материала, происходит наклеп на нужную глубину. Обработка улучшает микрогеометрию. Создание остаточных напряжений сжатия повышает предел усталости и долговечность изделия.

Обкатка роликами применяется при обработке шеек валов, проволоки, при калибровке труб, прутков.

Не требуется специальное оборудование, можно использовать токарные или строгальные станки.

Дата публикования: 2015-03-26 ; Прочитано: 1735 | Нарушение авторского права страницы | Заказать написание работы

сайт - Студопедия.Орг - 2014-2020 год. Студопедия не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования (0.006 с) ...

Отключите adBlock!
очень нужно

Термомеханическая обработка стали

Одним из технологических процессов упрочняющей обработки является термомеханическая обработка (ТМО).

Термомеханическая обработка относится к комбинированным способам изменения строения и свойств материалов.

При термомеханической обработке совмещаются пластическая деформация и термическая обработка (закалка предварительно деформированной стали в аустенитном состоянии).

Преимуществом термомеханической обработки является то, что при существенном увеличении прочности характеристики пластичности снижаются незначительно, а ударная вязкость выше в 1,5…2 раза по сравнению с ударной вязкостью для той же стали после закалки с низким отпуском.

В зависимости от температуры, при которой проводят деформацию, различают высокотемпературную термомеханическую обработку (ВТМО) и низкотемпературную термомеханическую обработку (НТМО).

Сущность высокотемпературной термомеханической обработки заключается в нагреве стали до температуры аустенитного состояния (выше А 3 ). При этой температуре осуществляют деформацию стали, что ведет к наклепу аустенита. Сталь с таким состоянием аустенита подвергают закалке (рис. 16.1 а).

Высокотемпературная термомеханическая обработка практически устраняет развитие отпускной хрупкости в опасном интервале температур, ослабляет необратимую отпускную хрупкость и резко повышает ударную вязкость при комнатной температуре. Понижается температурный порог хладоломкости. Высокотемпературная термомеханическая обработка повышает сопротивление хрупкому разрушению, уменьшает чувствительность к трещинообразованию при термической обработке.

Рис. 16.1. Схема режимов термомеханической обработки стали: а – высокотемпературная термомеханическая обработка (ВТМО); б – низкотемпературная термомеханическая обработка (НТМО).

Высокотемпературную термомеханическую обработку эффективно использовать для углеродистых, легированных, конструкционных, пружинных и инструментальных сталей.

Последующий отпуск при температуре 100…200 o С проводится для сохранения высоких значений прочности.

Низкотемпературная термомеханическая обработка (аусформинг).

Сталь нагревают до аустенитного состояния. Затем выдерживают при высокой температуре, производят охлаждение до температуры, выше температуры начала мартенситного превращения (400…600 o С), но ниже температуры рекристаллизации, и при этой температуре осуществляют обработку давлением и закалку (рис. 16.1 б).

Низкотемпературная термомеханическая обработка, хотя и дает более высокое упрочнение, но не снижает склонности стали к отпускной хрупкости. Кроме того, она требует высоких степеней деформации (75…95 %), поэтому требуется мощное оборудование.

Низкотемпературную термомеханическую обработку применяют к среднеуглеродистым легированным сталям, закаливаемым на мартенсит, которые имеют вторичную стабильность аустенита.

Повышение прочности при термомеханической обработке объясняют тем, что в результате деформации аустенита происходит дробление его зерен (блоков). Размеры блоков уменьшаются в два – четыре раза по сравнению с обычной закалкой. Также увеличивается плотность дислокаций. При последующей закалке такого аустенита образуются более мелкие пластинки мартенсита, снижаются напряжения.

Механические свойства после разных видов ТМО для машиностроительных сталей в среднем имеют следующие характеристики (см. табл. 16.1):

Таблица 16.1. Механические свойства сталей после ТМО

Термомеханическую обработку применяют и для других сплавов.

Поверхностное упрочнение стальных деталей

Конструкционная прочность часто зависит от состояния материала в поверхностных слоях детали. Одним из способов поверхностного упрочнения стальных деталей является поверхностная закалка .

В результате поверхностной закалки увеличивается твердость поверхностных слоев изделия с одновременным повышением сопротивления истиранию и предела выносливости.

Общим для всех видов поверхностной закалки является нагрев поверхностного слоя детали до температуры закалки с последующим быстрым охлаждением. Эти способы различаются методами нагрева деталей. Толщина закаленного слоя при поверхностной закалке определяется глубиной нагрева.

Наибольшее распространение имеют электротермическая закалка с нагревом изделий токами высокой частоты (ТВЧ) и газопламенная закалка с нагревом газово-кислородным или кислородно-керосиновым пламенем.

Закалка токами высокой частоты.

Метод разработан советским ученым Вологдиным В.П.

Основан на том, что если в переменное магнитное поле, создаваемое проводником-индуктором, поместить металлическую деталь, то в ней будут индуцироваться вихревые токи, вызывающие нагрев металла. Чем больше частота тока, тем тоньше получается закаленный слой.

Обычно используются машинные генераторы с частотой 50…15000 Гц и ламповые генераторы с частотой больше 10 6 Гц. Глубина закаленного слоя – до 2 мм.

Индукторы изготавливаются из медных трубок, внутри которых циркулирует вода, благодаря чему они не нагреваются. Форма индуктора соответствует внешней форме изделия, при этом необходимо постоянство зазора между индуктором и поверхностью изделия.

Схема технологического процесса закалки ТВЧ представлена на рис. 16.2.

Рис. 16.2. Схема технологического процесса закалки ТВЧ

После нагрева в течение 3…5 с индуктора 2 деталь 1 быстро перемещается в специальное охлаждающее устройство – спрейер 3, через отверстия которого на нагретую поверхность разбрызгивается закалочная жидкость.

Высокая скорость нагрева смещает фазовые превращения в область более высоких температур. Температура закалки при нагреве токами высокой частоты должна быть выше, чем при обычном нагреве.

При правильных режимах нагрева после охлаждения получается структура мелкоигольчатого мартенсита. Твердость повышается на 2…4 HRC по сравнению с обычной закалкой, возрастает износостойкость и предел выносливости.

Перед закалкой ТВЧ изделие подвергают нормализации, а после закалки низкому отпуску при температуре 150…200 o С (самоотпуск).

Наиболее целесообразно использовать этот метод для изделий из сталей с содержанием углерода более 0,4 %.

Преимущества метода:

· большая экономичность, нет необходимости нагревать все изделие;

· более высокие механические свойства;

· отсутствие обезуглероживания и окисления поверхности детали;

· снижение брака по короблению и образованию закалочных трещин;

· возможность автоматизации процесса;

· использование закалки ТВЧ позволяет заменить легированные стали на более дешевые углеродистые;

· позволяет проводить закалку отдельных участков детали.

Основной недостаток метода – высокая стоимость индукционных установок и индукторов.

Целесообразно использовать в серийном и массовом производстве.

Газопламенная закалка.

Нагрев осуществляется ацетиленокислородным, газокислородным или керосинокислородным пламенем с температурой 3000…3200 o С.

Структура поверхностного слоя после закалки состоит из мартенсита, мартенсита и феррита. Толщина закаленного слоя 2…4 мм, твердость 50…56 HRC.

Метод применяется для закалки крупных изделий, имеющих сложную поверхность (косозубые шестерни, червяки), для закалки стальных и чугунных прокатных валков. Используется в массовом и индивидуальном производстве, а также при ремонтных работах.

При нагреве крупных изделий горелки и охлаждающие устройства перемещаются вдоль изделия, или – наоборот.

Недостатки метода:

· невысокая производительность;

· сложность регулирования глубины закаленного слоя и температуры нагрева (возможность перегрева).

Старение

Отпуск применяется к сплавам, которые подвергнуты закалке с полиморфным превращением.

К материалам, подвергнутым закалке без полиморфного превращения, применяется старение.

Закалка без полиморфного превращения – термическая обработка, фиксирующая при более низкой температуре состояние, свойственное сплаву при более высоких температурах (пересыщенный твердый раствор).

Старение – термическая обработка, при которой главным процессом является распад пересыщенного твердого раствора.

В результате старения происходит изменение свойств закаленных сплавов.

В отличие от отпуска, после старения увеличиваются прочность и твердость, и уменьшается пластичность.

Старение сплавов связано с переменной растворимостью избыточной фазы, а упрочнение при старении происходит в результате дисперсионных выделений при распаде пересыщенного твердого раствора и возникающих при этом внутренних напряжений.

В стареющих сплавах выделения из твердых растворов встречаются в следующих основных формах:

· тонкопластинчатой (дискообразной);

· равноосной (сферической или кубической);

· игольчатой.

Форма выделений определяется конкурирующими факторами: поверхностной энергией и энергией упругой деформации, стремящимися к минимуму.

Поверхностная энергия минимальна для равноосных выделений. Энергия упругих искажений минимальна для выделений в виде тонких пластин.

Основное назначение старения – повышение прочности и стабилизация свойств.

Различают старение естественное, искусственное и после пластической деформации.

Естественным старением называется самопроизвольное повышение прочности и уменьшение пластичности закаленного сплава, происходящее в процессе его выдержки при нормальной температуре.

Нагрев сплава увеличивает подвижность атомов, что ускоряет процесс.

Повышение прочности в процессе выдержки при повышенных температурах называется искусственным старением .

Предел прочности, предел текучести и твердость сплава с увеличением продолжительности старения возрастают, достигают максимума и затем снижаются (явление перестаривания)

При естественном старении перестаривания не происходит. С повышением температуры стадия перестаривания достигается раньше.

Если закаленный сплав, имеющий структуру пересыщенного твердого раствора, подвергнуть пластической деформации, то также ускоряются процессы, протекающие при старении – это деформационное старение .

Старение охватывает все процессы, происходящие в пересыщенном твердом растворе: процессы, подготавливающие выделение, и сами процессы выделения.

Для практики большое значение имеет инкубационный период – время, в течение которого в закаленном сплаве совершаются подготовительные процессы, когда сохраняется высокая пластичность. Это позволяет проводить холодную деформацию после закалки.

Если при старении происходят только процессы выделения, то явление называется дисперсионным твердением.

После старения повышается прочность и снижается пластичность низкоуглеродистых сталей в результате дисперсных выделений в феррите цементита третичного и нитридов.

Старение является основным способом упрочнения алюминиевых и медных сплавов, а также многих жаропрочных сплавов.

Обработка стали холодом

Высокоуглеродистые и многие легированные стали имеют температуру конца мартенситного превращения (М к ) ниже 0 o С. Поэтому в структуре стали после закалки наблюдается значительное количество остаточного аустенита, который снижает твердость изделия, а также ухудшает магнитные характеристики. Для устранения аустенита остаточного проводят дополнительное охлаждение детали в области отрицательных температур, до температуры ниже т. М к (- 80 o С). Обычно для этого используют сухой лед.

Такая обработка называется обработкой стали холодом .

Обработку холодом необходимо проводить сразу после закалки, чтобы не допустить стабилизации аустенита. Увеличение твердости после обработки холодом обычно составляет 1…4 HRC.

После обработки холодом сталь подвергают низкому отпуску, так как обработка холодом не снижает внутренних напряжений.

Обработке холодом подвергают детали шарикоподшипников, точных механизмов, измерительные инструменты.

Упрочнение методом пластической деформации

Основное назначение методов механического упрочнения поверхности – повышение усталостной прочности.

Методы механического упрочнения – наклепывание поверхностного слоя на глубину 0,2…0,4 мм.

Разновидностями являются дробеструйная обработка и обработка роликами.

Дробеструйная обработка – обработка дробью поверхности готовых деталей.

Осуществляется с помощью специальных дробеструйных установок, выбрасывающих стальную или чугунную дробь на поверхность обрабатываемых деталей. Диаметр дроби – 0,2…4 мм. Удары дроби вызывают пластическую деформацию на глубину 0,2…0,4 мм.

Применяют для упрочнения деталей в канавках, на выступах. Подвергают изделия типа пружин, рессор, звенья цепей, гусениц, гильзы, поршни, зубчатые колеса.

При обработке роликами деформация осуществляется давлением ролика из твердого металла на поверхность обрабатываемого изделия.

При усилиях на ролик, превышающих предел текучести обрабатываемого материала, происходит наклеп на нужную глубину. Обработка улучшает микрогеометрию. Создание остаточных напряжений сжатия повышает предел усталости и долговечность изделия.

Обкатка роликами применяется при обработке шеек валов, проволоки, при калибровке труб, прутков.

Не требуется специальное оборудование, можно использовать токарные или строгальные станки.

К основным способам упрочнения металлов и сплавов относятся: легирование с образованием твердых растворов; пластическое деформирование; создание дисперсных выделений; упрочнение термическими методами; упрочнение химико-термическими методами.

Упрочнение легированием

Формирование благоприятной структуры и надежность работы деталей обеспечивает рациональное легирование, измельчение зерна и повышение качества металла.

Упрочнение при легировании увеличивается пропорционально концентрации легирующего элемента в твердом растворе. При этом надо помнить, что различные легирующие элементы имеют ограниченную растворимость в основных фазах сплава и это зависит от относительной разницы атомных радиусов компонентов. Образование твердых растворов разных типов (замещения, внедрения, упорядоченных, не упорядоченных и др.) создают комбинации различных дислокационных образований с многообразными характеристиками прочности.

Измельчение зерна осуществляется легированием и термической обработкой. Наиболее эффективное измельчение структуры достигается при высокотемпературной термомеханической обработке. Она предусматривает пластическую деформацию аустенита с последующим превращением в мартенсит. В результате высокотемпературной термомеханической обработки обеспечивается наиболее благоприятное сочетание высокой прочности с повышенной пластичностью, вязкостью и сопротивлением разрушению. Упрочнение растет по мере увеличения концентрации растворенного легирующего элемента и различия в атомных радиусах железа и этого элемента. Наиболее сильно повышают твердость медленно охлажденного феррита (рис. 10.1.) Si , Mn , Ni ,.т.е те элементы, имеющие отличную от Fe α кристаллическую решетку. Слабее влияют Mo , V и Cr , решетки которых изоморфны Fe α . Повышение чистоты сплава достигается металлургическими приемами путем удаления вредных примесей серы, фосфора, газообразных элементов – кислорода, водорода, азота.

При введении в сталь легирующих элементов, растворимость которых в решетке железа может изменяться в зависимости от температуры, наблюдается эффект, называемый дисперсионным твердением . Для этого необходимо получить пересыщенный твердый раствор с повышенной концентрацией растворенного элемента. Такой твердый раствор является неравновесным и стремиться к распаду. Процесс распада пересыщенного твердого раствора при комнатной температуре называется естественным старением . При некотором нагреве – искусственным старением .

При старении избыточный элемент выделяется из кристаллической решетки металла-растворителя в виде мельчайших частиц, которые называют дисперсной фазой .

Дисперсная фаза, будучи равномерно распределена в твердом растворе, искажает кристаллическую решетку последнего и изменяет механические свойства сплава. Повышение твердости, прочности наблюдается только в том случае, когда сохраняется когерентность (непрерывность) атомно-кристаллических решеток дисперсной фазы и твердого раствора.

Дисперсионное твердение связано с диффузионными процессами и поэтому продолжительность старения оказывает существенное влияние на эффект дисперсионного твердения. Дисперсионное твердение в сложнолегированной стали с несколькими легирующими элементами часто проявляется совершенно иначе, чем в стали с одним легирующим элементом. Дополнительные легирующие элементы могут увеличивать или уменьшать растворимость основного элемента, вызывающего дисперсионное твердение и тем самым увеличивать или уменьшать эффект упрочнения материала. Дисперсионное твердение сопутствует обычному процессу термической обработки стали и оказывает существенное влияние на ее свойства. Упрочняющими фазами в сталях могут быть карбиды, нитриды, интерметаллиды, химические соединения и др.

Упрочнение пластическим деформированием

В результате холодной пластической деформации изменяются свойства металла: повышается прочность, электросопротивление, снижается пластичность, плотность, коррозионная стойкость. Это явление называется наклепом и может быть использовано для изменения свойств металлических материалов. Свойства наклепанного металла изменяются тем сильнее, чем больше степень деформации. Металлы наклепываются в начальной стадии деформирования более интенсивно, а при возрастании деформации механические свойства изменяются незначительно (рис. 1). С увеличением степени деформаций предел текучести растет быстрее временного сопротивления. У сильно наклепанных металлов обе характеристики сравниваются, а удлинение становится равным нулю. Такое состояние наклепанного металла называется предельным; при попытке продолжить деформирование может произойти разрушение металла. В результате наклепа удается повысить твердость и временное сопротивление в 1,5 – 3 раза, а предел текучести в 3 -7 раз. Металлы с ГЦК решеткой упрочняются сильнее, чем металлы с ОЦК решеткой. Среди сплавов с ГЦК решеткой сильнее упрочняются те, у которых энергия дефектов упаковки минимальна (интенсивно наклепываются аустенитная сталь и никель, а алюминий упрочняется незначительно)

Рис. 1. Зависимость механических свойств от степени деформации

Наклеп понижает плотность металла вследствие нарушений порядка в размещении атомов, при увеличении плотности дефектов и образовании микропор. Уменьшение плотности используют для увеличения долговечности деталей, которые в процессе эксплуатации подвержены переменным нагрузкам. Наиболее распространенным способом холодного пластического поверхностного деформирования является дробеструйная обработка. Она заключается в воздействии на обрабатываемую поверхность частиц дроби, ускоренных в дробеструйных центробежных или пневматических аппаратах. Для этого используется стальная или чугунная дробь величиной 0,5 – 2,0 мм. Время обработки поверхности детали не превышает 2 – 3 мин., а толщина поверхностного слоя находится в пределах 0,2 – 0,4 мм.

В поверхностном наклепанном слое увеличивается плотность дефектов кристаллической решетки, может изменяться форма и ориентация зерен. В поверхностных слоях создаются сжимающие напряжения, тормозящие зарождение и развитие трещин. Дробеструйная обработка может быть эффективна для сталей различного состава и после различной термической обработки (отжиг, нормализация, закалка, улучшение, цементация и др.).

Основное назначение дробеструйной обработки – повышение усталостной прочности. Такой обработке подвергаются пружины, рессоры, шестерни, различные валы и т.д. Особенно эффективна дробеструйная обработка деталей, имеющих галтели, выточки, следы грубой механической обработки и другие концентраторы напряжений. Для сравнения в таблице 7.1 приведены примеры повышения сопротивления усталостному разрушению некоторых деталей машин.

Таблица 1.

п/п	Название детали	σ -1, МПа
		До обработки	После обработки
	Шестерня после закалки из стали 45
	Пружины автомобиля передней подвески из стали 65Г
	Клапанные пружины двигателя из стали 50ХФА

Если изменение структуры и свойств в результате пластической деформации нежелательно, оно может быть устранено последующей термической обработкой – рекристаллизационным отжигом.

Упрочнение термическими методами

Температурное воздействие на различные материалы с целью изменения их структуры и свойств является самым распространенным способом упрочнения в современной технике. Это воздействие может осуществляться чаще при плюсовых температурах, реже – при отрицательных температурах и сочетаться с химическим, деформационным, магнитным, электрическим и др. процессами.

Следуя классификации А.А. Бочвара, в основу которой положены типы фазовых и структурных превращений в металле, различают следующие виды термообработки:

Собственно термическая обработка;

Термомеханическая обработка;

Химико-термическая обработка

Собственно термическая обработка предусматривает только температурные воздействия на металл или сплав. Управляемые структурно-фазовые процессы в стали, которые обеспечивают получение требуемой фазовой и дислокационной структуры, происходят вследствие наличия аллотропии.

Термомеханическая обработка (ТМО) – сочетание термического воздействия и пластической деформации. ТМО позволяет получить более высокие прочностные и вызкостно-пластические свойства у стали, чем после обычной закалки и низкого отпуска. Положительный дополнительный эффект при ТМО объясняется предварительным наклепом аустенита во время пластической деформации. Последствия этого наклепа передаются мартенситу в виде дополнительных, возникающих при наклепе дислокаций, которые, складываются с дислокациями, возникающими при последующем мартенситном превращении, создают более плотную дислокационную структуру. Такая высокая плотность дислокаций (до 10 13 см -2 ) не порождает возникновение трещин при закалке. Существуют две разновидности термомеханической обработки – высокотемпературная (ВТМО) и низкотемпературная (НТМО). При ВТМО аустенит деформируется при температуре выше линии А С3 до степени деформации 20-30%. При НТМО производится деформация переохлажденного до 400 – 600 0 С аустенита, степень деформации составляет 75-90%.

Химико-термическая обработка (ХТО) – сочетание химического и термического воздействия с целью изменения состава, структуры и свойств поверхностного слоя детали в необходимом направлении. При этом происходит поверхностное насыщение металлического материала соответствующим элементом (C , N , B , Al , Cr , Si , Ti и др.) путем его диффузии в атомарном состоянии из внешней среды (твердой, газовой, паровой, жидкой) при высокой температуре.

Процесс химико-термической обработки состоит из трех элементарных стадий:

Выделение диффундирующего элемента в атомарном состоянии благодаря реакциям, протекающим во внешней среде;

Контактирование атомов диффундирующего элемента с поверхностью стального изделия и проникновение (растворение) их в решетку железа (адсорбция);

Диффузия атомов насыщающего элемента вглубь металла.

Поверхностное упрочнение

Среди методов поверхностного упрочнения наибольшее распространение получили поверхностная закалка, обработка лазером и электроискровое легирование.

При поверхностной закалке на некоторую заданную глубину закаливается только верхний слой, тогда как сердцевина изделия остается незакаленной.

Основное назначение поверхностной закалки: повышение твердости, износостойкости и предела выносливости обрабатываемого изделия. Сердцевина изделия остается вязкой и воспринимает ударные нагрузки. Поверхностную закалку осуществляют несколькими методами: нагревом токами высокой частоты; нагревом

Поверхностную закалку осуществляют несколькими методами: нагревом токами высокой частоты (ТВЧ); нагревом газовым пламенем.

Закалка ТВЧ впервые предложена В. П. Вологдиным. При закалке по этому методу стальное изделие размещают внутри индуктора в форме спирали или петли (рис. 2). Ток высокой частоты подводится от генератора к индуктору. Во время прохождения тока через индуктор в поверхностных слоях изделия за счет индукции возникает ток противоположного направления, нагревающий сталь.

В связи с тем, что скорость нагрева ТВЧ значительно выше скорости нагрева в печи, фазовые превращения в стали происходят при более высоких температурах и температуры нагрева под закалку повышаются. Например, при нагреве ТВЧ со скоростью 400 °С/с температура закалки стали 40 с 840…860 °С повышается до 930…980 °С. После прогрева ТВЧ стали до температуры закалки изделие охлаждают водой. При закалке ТВЧ получается высокодисперсная структура кристаллов мартенсита, обеспечивающая более высокую твердость и прочность стали, чем при печном нагреве.

Рис. 2. Схема нагрева токами высокой частоты: 1 – деталь; 2 – индуктор; 3 – магнитное поле; I – направление тока в индукторе; II – направление тока в детали

Существуют следующие способы закалки индукционного нагрева:

Одновременный нагрев и охлаждение всей поверхности; этот метод применяют для изделий, имеющих небольшую поверхность (пальцы, валики, осевые инструменты);

Последовательный нагрев и охлаждение отдельных участков: используют при закалке шеек коленчатых валов (последовательный нагрев и закалка одной шейки за другой), зубчатых колес с модулем более 6 (закалка «зуб за зубом»), кулачков распределительных валов и т.д.

Непрерывно последовательный нагрев и охлаждение. Метод применяют для закалки длинных валов, осей и т.д. При этом методе изделие перемещается относительно неподвижных индуктора и охлаждающего устройства (спрейера) или наоборот. По сравнению с первым методом не требуется большой установочной мощности генератора.

При закалке с нагревом пламенем газокислородной горелки , имеющей температуру 2000…3000 °С, получается очень быстрый нагрев некоторого участка поверхности до температуры закалки, после чего из специального охладителя на этот участок направляется струя воды. Перемещая горелку относительно поверхности и одновременно вслед за горелкой охладитель, можно закалить большую поверхность крупногабаритных изделий.

Вследствие подвода значительного количества тепла поверхность изделия быстро нагревается до температуры закалки, тогда как сердцевина детали не успевает нагреваться. Последующее быстрое охлаждение обеспечивает закалку поверхностного слоя. В качестве горючего применяют ацетилен, светильный и природный газы, а также керосин. Для нагрева используют щелевые горелки (имеющие одно отверстие в форме щели) и многопламенные.

Толщина закаленного слоя обычно составляет 2 – 4 мм, а его твердость 50 – 56 HRC . В тонком поверхностном слое образуется мартенсит, а в нижележащих слоях троосто-мартенсит. Пламенная закалка вызывает меньшие деформации, чем объемная, и из-за большой скорости нагрева сохраняет более чистую поверхность.

Процесс газопламенной закалки можно легко автоматизировать и включать в общий поток механической обработки. Для крупных деталей этот способ закалки часто более рентабелен, чем закалка индукционного нагрева.

Сущность лазерного упрочнения состоит в мощном импульсном (или непрерывном) воздействии светового пучка чрезвычайно большой плотности энергии, что вызывает мгновенный нагрев поверхности до высоких температур, превышающие температуры структурно-фазовых превращений металла и температуру плавления. С учетом чрезвычайно высоких скоростей охлаждения, которые в 10 – 100 раз превышают скорости охлаждения при закалке, в поверхности материала формируются особомелкозернистая или даже псевдоаморфная структура, имеющая повышенную твердость (20 -30%).

Технологические процессы лазерной обработки имеют ряд неоспоримых достоинств по сравнению с другими способами поверхностного упрочнения:

Простота транспортировки лазерного луча при отсутствии механического контакта упрочняемой поверхности с источником энергетического воздействия;

Возможность дозированного энергетического воздействия;

Возможность реализации процесса упрочнения в вакууме, газовой и жидкостной средах;

Широкий спектр энергетических и комбинированных физико-химических воздействий на упрочняемою поверхность.

Лазеры – оптические квантовые генераторы (ОКГ), позволяющие получать электромагнитные излучения высокой концентрации энергии.

Применение лазеров для термической обработки основано в преобразовании световой энергии в тепловую. Высокая концентрация энергии в световом потоке оптического квантового генератора позволяет нагреть поверхность до температуры термообработки за очень короткое время.

Рис 3 . Схема композиционной структуры при лазерной термической обработке

Технологические процессы лазерной обработки определяются взаимодействием лазерного облучения с материалом и зависят от теплофизических и оптических свойств обрабатываемых материалов. Основные стадии взаимодействия лазерного излучения с материалом сводятся к следующим процессам: поглощение светового потока электронами и передача энергии кристаллической решетке твердого тела, нагрев вещества без его разрушения, разрушение вещества в зоне воздействия светового потока, разлет продуктов разрушения и остывание после окончания действия светового импульса. Параллельно с этими процессами в обрабатываемом материале происходят активные диффузионные и химические реакции, а также фазовые превращения, существенно меняющие исходную структуру и оказывающие влияние на само взаимодействие лазерного излучения с материалом.

Упрочненная поверхность представляет собой композиционную структуру (рис. 3):
1 - слой зона расплавленного и быстро закристаллизовавшегося металла, 2 - зона термического влияния, в которой все структурные изменения происходят в твердом состоянии. Затем наблюдается переходный слой 3 и 4 - материал основы.

Лазерная термическая обработка позволяет повысить твердость и износостойкость упрочняемых материалов. Твердость зависит от концентрации углерода и легирующих элементов в стили. Хорошо упрочняются средне- и высоколегированные углеродистые и инструментальные стали. Стали с низким содержанием углерода и высокопрочные низколегированные стали при лазерной обработке, упрочняются плохо. Лазерная термическая обработка не влияет на предел прочности и предел текучести сталей.

Электроискровое легирование (ЭИЛ) относится к технологиям упрочнения, основывающимся на взаимодействии материалов с высококонцентрированными потоками энергии и вещества. Образование упрочненного слоя происходит в результате сложных плазмохимических, теплофизических и механотермических процессов, реализуемых на микролокальных участках взаимодействия материала с единичным искровым разрядом.

Процесс ЭИЛ включает следующие этапы (рис. 4):

1. Оплавление. При сближении на определенное расстояние электрода-инструмента с упрочняемой металлической поверхностью происходит импульсный электрический разряд длительностью 10 -6 …10 -3 с. В результате на поверхностях анода (легирующий электрод) и катода (упрочняемая деталь) образуются локальные очаги электроэрозионного разрушения.

2. Электрическая эрозия. Она представляет комплексный процесс разрушения, включающий в себя оплавление, испарение, термохрупкое разрушение и другие механизмы. Эродированная масса легирующего электрода имеет избыточный положительный разряд, попадая в межэлектродное пространство, она устремляется к поверхности катода-детали, ускоряясь и нагреваясь за счет электрического поля анода и катода.

Рис 4. Схема физических процессов в межэлектродном промежутке при электроискровом легировании: а) – этап оплавления; б) – электрическая эрозия; в) - физико-химическое взаимодействие

Рис 5. Схема композиционной структуры материала после электроискрового легирования: 1 – зона тонкопленочных или сплошных формирований; 2 – зона смеси материалов анода и катода; 3 – зона сформированная за счет диффузии элементов легирующего электрода в упрочняемой матрице катода-детали; 4 – зона термического воздействия плавно переходящая в структуру основного материала -5.

3. Физико-химическое взаимодействие. При движении анодная эродированная масса вступает в физико-химическое взаимодействие с межэлектродной средой и летучими продуктами эрозии катода-детали. К моменту осаждения фрагменты эродированной массы несут в себе электрическую, кинетическую и тепловую энергии, которые при взаимодействии с упрочняемой поверхностью выделяются в виде теплового импульса большой мощности. Вслед за осаждением эродированной массы упрочняемая поверхность подвергается контактно-деформационному воздействию вибрационного характера. Энергетическое воздействие высокой концентрации стимулирует протекание сопутствующих ЭИЛ микрометаллургических конвекционно-дифузионных процессов энергомассопереноса.

Упрочненная поверхность представляет собой композиционную структуру (рис. 5.).

Самый верхний слой состоит тонкопленочных «островковых» или сплошных формирований, состоящих из материала анода, и межэлектродной среды. Сплошность этого слоя зависит от режимов и условий упрочнения. Под верхним слоем располагается зона, представляющая смесь материалов анода и катода, образованную в результате конденсации ионно-плазменной и капельной фаз на упрочняемой поверхности. Далее следует слой, сформированный за счет диффузии элементов легирующего электрода в упрочняемой матрице катода-детали. Под ним располагается зона термического воздействия, представляющая трансформированную структуру исходного материала с измененной плотностью дефектов кристаллического строения по причине импульсного теплового воздействия. С перемещением в глубь структура зоны термического воздействия плавно переходит в структуру основного материала. В зависимости от режимов электроискрового легирования величина и степень упрочнения каждого слоя могут варьироваться в широком диапазоне, но наибольшую толщину всегда имеет зона термического воздействия, которая в большинстве случаев и определяет эксплуатационные свойства поверхности.

Основной энергетической характеристикой процесса ЭИЛ является энергия единичного искрового разряда, которая определяется:

= , (1)

где t и - длительность единичного искрового разряда; U (t ) и I (t ) – напряжение и сила тока в импульсе.

Наличие тесной связи между плотностью дефектов кристаллического строения, диффузионно-адгезионной активностью модифицированной структуры и коэффициентом переноса является основой для разработки оригинальных технологий повышения качества упрочнения при ЭИЛ. К таковым, в частности, можно отнести последовательную комбинацию поверхностно-пластического деформирования с электроискровым легированием, позволяющую повысить толщину легированного покрытия до нескольких десятых долей миллиметра, снизить уровень остаточных напряжений и стабилизировать структуру за счет уменьшения пористости.

Цементация стали

Цементацией называется процесс насыщения поверхностного слоя стали углеродом. Различают два основных вида цементации: твердую углеродосодержащую смесь (карбюризаторы) и газовую. Целью цементации является получение твердой износостойкой поверхности, что достигается обогащением поверхностного слоя углеродом до концентрации 0,8 – 1,2 % и последующей закалкой с низким отпуском. Цементация и последующая термическая обработка одновременно повышают предел выносливости.

Для цементации обычно используют низкоуглеродистые стали 0,1 – 0,18 %. Для крупногабаритных деталей применяют стали с более высоким содержанием углерода (0,2 – 0,3 %). Выбор таких сталей необходим для того, чтобы сердцевина изделия, не насыщающаяся углеродом при цементации, сохраняла высокую вязкость после закалки.

При цементации в твердом карбюризаторе изделия укладывают в ящики, засыпают древесным углем. При нагреве углерод древесного угля, соединяясь с кислородом воздуха, образует оксид углерода, который, в свою очередь, взаимодействуя с железом, дает атомарный углерод. Этот активный углерод поглощается аустенитом и диффундирует в глубь изделия. Для ускорения процесса цементации к древесному углю (коксу) добавляют активизаторы: углекислый барий (ВаСО 3 ) и кальцинированную соду (Na 2 CO 3 ) в количестве 10 – 40 % от массы угля.

Для газовой цементации в качестве карбюризатора используют природный газ, жидкие углеводороды (керосин, бензин и т.д.) или контролируемые атмосферы. При нагреве образуется атомарный углерод:

2 CO CO 2 + C атом

или

CH 4 2 H 2 + C атом ; C атом Fe (аустенит).

Газовая цементация – основной процесс при массовом производстве, а цементацию в твердом карбюризаторе используют в мелкосерийном производстве.

Глубина цементации в зависимости от назначения изделия и состава стали обычно находится в пределах 0,5-2,00 мм.

Цементацию проводят при 910 – 930 , или для ускорения процесса при 1000-1050. С повышением температуры уменьшается время достижения заданной глубины цементации. Так при газовой цементации науглероженный слой толщиной 1,0 – 1,3 мм получают при 920 за 15 ч., а при 1000 – за 8 ч. Чтобы предотвратить сильный рост аустенитного зерна высокотемпературной цементации подвергают наследственно мелкозернистые стали.

Концентрация углерода в поверхностном слое изделия обычно составляет 0,8—1,0% и не достигает предела растворимости при температуре цементации. Следовательно, сетка Fe 3 С при температуре цементации не образуется, и поверхностный слой, как и сердцевина, находится в аустенитном состоянии. После медленного охлаждения цементованный слой с переменной концентрацией углерода состоит из феррита и цементита и характеризуется гаммой структур, типичных для заэвтектоидной, эвтектоидной и доэвтектоидной стали (рис. 6).

Цементация является промежуточной операцией, цель которой — обогащение поверхностного слоя углеродом. Требуемое упрочнение поверхностного слоя изделия достигается закалкой после цементации. Закалка должна не только упрочнить поверхностный слой, но и исправить структуру перегрева, возникающую из-за многочасовой выдержки стали при температуре цементации.

Рис. 6. Изменение концентрации углерода по глубине цементированного слоя (а) и схема микроструктуры незакаленного науглероженного слоя (б): 1 – заэвтектоидная; 2 – эвтектоидная;
3 – доэвтектоидная зоны

После цементации в твердом карбюризаторе ответственные изделия подвергают двойной закалке, так как содержание углерода в сердцевине и на поверхности изделия разное, а оптимальная температура нагрева под закалку зависит от содержания углерода в стали

Первую закалку проводят с нагревом до 850—900°С (выше точки Аз сердцевины изделия), чтобы произошла полная перекристаллизация с измельчением аустенитного зерна в доэвтектоидной стали. В углеродистой стали из-за малой глубины прокаливаемости сердцевина изделия после первой закалки состоит из феррита и перлита. Вместо первой закалки к углеродистой стали можно применять нормализацию. В прокаливающейся насквозь легированной стали сердцевина изделия состоит из низкоуглеродистого мартенсита. Такая структура обеспечивает повышенную прочность и достаточную вязкость сердцевины.

После первой закалки цементованный слой оказывается перегретым и содержащим повышенное количество остаточного аустенита. Поэтому применяют вторую закалку с температуры 700—780°С, оптимальной для заэвтектоидных сталей. После второй закалки поверхностный слой состоит из мелкоигольчатого высокоуглеродистого мартенсита и глобулярных включений вторичного карбида.

При газовой цементации чаще всего применяют одну закалку с цементационного нагрева после подстуживания изделия до 840—860 °С. Заключительной операцией термической обработки цементируемых изделий во всех случаях является низкий отпуск при 160 – 180 0 С и переводящий мартенсит закалки в поверхностном слое в отпущенный мартенсит, снимающий напряжения.

Цементацию широко применяют в машиностроении для повышения твердости и износостойкости изделий с сохранением высокой вязкости их сердцевины. Удельный объем закаленного науглероженного слоя больше, чем сердцевины, и поэтому в нем возникают значительные сжимающие напряжения. Остаточные напряжения сжатия в поверхностном слое, достигающие 400—500 МПа, повышают предел выносливости изделия.

Низкое содержание углерода (0,08—0,25%) обеспечивает высокую вязкость сердцевины. Цементации подвергают качественные стали 08, 10, 15 и 20 и легированные стали 12ХНЗА, 18ХГТ и др.

Твердость поверхностного слоя для углеродистой стали составляет 60 – 64 HRC , а для легированной – 58 – 61 HRC ; снижение твердости объясняется образованием повышенного количества остаточного аустенита.

Азотирование стали

Азотированием называют процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали азотом при нагреве ее в аммиаке. Азотирование очень сильно повышает твердость поверхностного слоя, его износостойкость, предел выносливости и сопротивления коррозии в таких средах, как атмосфера, вода, пар и т.д. Твердость азотированного слоя заметно выше, чем цементируемой стали и сохраняется при нагреве до высоких температур (500 – 550 0 С), тогда как твердость цементируемого слоя, имеющего мартенситную структуру, сохраняется только до 200 – 225 0 С.

До азотирования детали подвергают закалке, высокому отпуску (улучшению) и чистовой обработке. После азотирования детали шлифуют или полируют. Азотирование стальных изделий проводят интервале температур 500-620 0 С в аммиаке, который при нагреве диссоциирует, поставляя активный атомарный азот:

N Н 3 → N + 3Н.

В системе F е—N при температурах азотирования могут образовываться следующие фазы: α-раствор азота в железе (азотистый феррит), γ-раствор азота в железе (азотистый аустенит), промежуточная γ"-фаза переменного состава с г. ц. к. решеткой и промежуточная ε-фаза с г. п. решеткой и широкой областью гомогенности (от 8,1 до 11,1 % N при комнатной температуре). В общем случае формирование структуры диффузионного слоя азотируемой стали зависит от состава стали, температуры и длительности нагрева, а также и скорости охлаждения после азотирования. При азотировании стали при 590 ºС диффузионный слой состоит из трех фаз: ε, γ" (Fe 4 N ), и α.

Высокая твердость и износостойкость азотируемых конструкционных сталей обеспечиваются нитридами легирующих элементов, которые существенно влияют на глубину азотированного слоя и поверхностную твердость. Наиболее высокая поверхностная твердость и износостойкость при азотировании достигается в хромомолибденовых сталях, дополнительно легированных алюминием, типичным представителем которых является сталь 38Х2МЮА.

Азотирование повышает предел усталости конструкционных сталей за счет образования в поверхностном слое остаточных напряжений.

Тонкий слой ε-фазы (0,01 — 0,03 мм) хорошо защищает простые углеродистые стали с содержанием углерода от 0,1- до 1,0 % от коррозии во влажной атмосфере и других средах.

Нитроцементация

Процесс одновременного насыщения стали углеродом и азотом в газовой среде называется нитроцементацией . Нитроцементацию проводят при более низких температурах (850 – 870 0 С) по сравнению с цементацией. Это обусловлено тем, что азот проникая в сталь одновременно с углеродом, понижает температуру существования твердого раствора на основе γ-железа и тем самым способствует науглероживанию стали при более низких температурах. Понижение температуры насыщения без увеличения длительности процесса позволяет снизить деформацию обрабатываемых деталей, уменьшить нагрев печного оборудования. Для газовой цементации и нитроцементации применяют практически одинаковое оборудование.

Для нитроцементации рекомендуется использовать контролируемую эндотермическую атмосферу, к которой добавляют 3 – 15 % неотработанного природного газа и 2 – 10 % N Н 3 или в случае шахтной печи – жидкий карбюризатор – триэтаноламин (С 2 Н 5 О) 3 N , который в виде капель вводят в рабочее пространство.

Нитроцементации обычно подвергают легированные стали с содержанием до 0,25% С . Продолжительность процесса 4-10 ч. Толщина нитроцементованного слоя составляет 0,2–0,8 мм. После нитроцементации следует закалка, либо непосредственно из печи с подстуживанием до 800 – 825 0 С, либо после повторного нагрева; применяют и ступенчатую закалку. После закалки проводят отпуск при 160 – 180 0 С.

При оптимальных условиях насыщения структура нитроцентируемого слоя должна состоять из мелкокристаллического мартенсита, небольшого количества мелких равномерно распределенных карбонитридов и 25 – 30 % остаточного аустенита.

Твердость слоя после закалки и низкого отпуска составляет 58 – 64 HRC (5700 – 6900 HV ). Высокое содержание остаточного аустенита обеспечивает хорошую прирабатываемость например, не шлифуемых автомобильных шестерен, что обеспечивает их бесшумность. Максимальные показатели прочности достигаются только при оптимальном для данной стали содержании на поверхности нитроцементируемого слоя углерода и азота.

В последние годы получил применение процесс низкотемпературной нитроцементации.

Низкотемпературную нитроцементацию проводят при 570 0 С в течение 0,5 – 3,0 час в атмосфере, содержащей 50 % эндогаза (экзогаза) и 50 % аммиака или 50 % пропана (метана) и 50 % аммиака. В результате такой обработки на поверхности стали образуется тонкий карбонитридный слой Fe 3 (N , C ) , обладающий высокой износостойкостью. Твердость такого слоя на легированных сталях составляет 5000 – 10000 HV . Низкотемпературная нитроцементация повышает предел выносливости изделий. Процесс рекомендован для замены жидкого азотирования в расплавленных цианистых солях.

Все эти виды упрочняющей термической обработки имеют свою специфику и особенности и, как правило, используются в различных технологических операциях при термической обработке сталей и сплавов.

Для повышения твердости поверхностных слоев, предела выносливости и сопротивляемости истиранию многие детали машин подвергают поверхностному уп­рочнению.

Существует три основных метода поверхностного упрочнения: поверхностная закалка, химико-термическая обработка и упрочнение пластическим дефор­мированием.

7.1. Поверхностная закалка стали

Основное назначение поверхностной закалки: повы­шение твердости, износостойкости и предела выносли­вости деталей (зубьев шестерен, шеек валов, направляю­щих станин металлорежущих станков и др.). Сердцевина детали остается вязкой и хорошо воспринимает ударные и другие нагрузки.

В промышленности при­меняют следующие способы поверхностной закалки: закалку с индукционным нагревом токами высокой частоты (т. в. ч.); закалку с электроконтактным нагревом; газоплазменную закалку; закалку в электролите.

Рис. 7.1. Способы нагрева при поверхностной за­калке стали:

а - токами высокой частоты; б - ацетилено - кислородным пламенем

(1 – деталь; 2 - индуктор; 1 - нагрев; 11 - охлаждение; 111 - закаленный слой; IV - незакаленная сердце­вина)

Общим для всех способов поверхностной закалки является нагрев поверхностного слоя детали до температуры выше критической точки Ac s с последующим быстрым охлаждением для получения структуры мартенсита. В настоящее время наибольшее распространение полу­чила поверхностная закалка с индукционным нагревом т. в. ч. Реже, главным образом для крупных деталей, применяют закалку с нагревом газовым пламенем.

Сущность процесса закалки при нагреве токами высокой частоты заключается в том, что на специальной установке производят нагрев детали 1(рис. 7.1, а) с помощью выполненного по форме закаливаемой детали медного индуктора 2, через который пропускают пере­менный ток высокой частоты. В течение нескольких секунд поверхность детали прогревается на необходимую глубину, затем ток выключают, деталь быстро охлаждают. Индуктор в процессе работы не нагревается благодаря интенсивному охлаждению циркулирующей внутри него водой.

Закалка с газопламенным нагревом заключается в том, что поверхность стальной детали нагревают пла­менем ацетиленокислородной горелки до температуры закалки и быстро охлаждают струей холодной воды (рис. 7.1 , б). Газовая горелка движется над поверхно­стью детали с определенной скоростью, а за нею с той же скоростью перемещается закалочная трубка, через которую подается вода. Этот способ закалки основан на том, что ацетиленокислородное пламя имеет темпе­ратуру 2500-3200° С и нагревает поверхность изделия до температуры закалки за очень короткий промежуток времени, в течение которого нижележащие слои стали не успевают прогреться до критической точки и потому не закаливаются. Толщина закаленного слоя колеб­нется в пределах 2 - 4 мм, а его твердость составляет HRC 50-56. Газопламенная закалка вызывает меньшие деформации, чем объемная закалка, и не загрязняет поверхность. Для крупных деталей этот способ закалки часто более рентабелен, чем закалка с индукционным нагревом (т. в. ч.).

Поверхностная закалка с применением электрокон­тактного нагрева выполняется следующим образом. Деталь нагревают до температуры закалки теплом, которое выделяется в месте контакта ее с электродом (медным роликом), специального приспособления. Ох­лаждение закаливаемой поверхности детали производят при помощи душа, который перемещается вслед за подвижным электродом.

Поверхностную закалку при нагреве в электролите выполняют в 10%- ном растворе поваренной соли, поташа или кальцинированной соды. Детали, подлежащие закалке, погружают в ванну, и они являются катодом, а корпус ванны - анодом. При пропускании постоянного электрического тока через электролит вокруг катода (детали) образуется газовая оболочка, которая нарушает электрический контакт катода с электролитом, и деталь интенсивно нагревается до температуры закалки. После этого ток выключают; деталь закаливается в электролите, который омывает ее со всех сторон.

Кроме описанных применяют ряд других способов поверхностной закалки, в частности нагрев деталей под закалку в расплавленных металлах или солях. В них закаливают мелкие детали простой геометрической формы, изготовляемые в небольших количествах.

Отпуск после выполнения поверхностной закалки производят с целью снятия напряжений, возникших в зоне закалки. Это уменьшает хрупкость и повышает прочность деталей. Твердость повышается на 2-3 ед. по сравнению с обычной закалкой; улучшается износо­стойкость; предел выносливости возрастает в 1,5-2 раза.

7.2. Химико–термическая обработка

Химико-термической обработкой называют процесс, заключающийся в сочетании термического и химиче­ского воздействия для изменения состава, структуры и свойств поверхностного слоя стали.

Химико-термическая обработка основана на диф­фузии (проникновении) в атомно-кристаллическую ре­шетку железа атомов различных химических элементов при нагреве стальных деталей в среде, богатой этими элементами.

Наибольшее распространение получили следующие виды химико-термической обработки.

Цементация - процесс, состоящий в диффузион­ном насыщении поверхностного слоя стали углеродом до оптимальной концентрации 0,8-1,1% и получении после закалки высокой твердости поверхности (HV700 - 800) при сохранении вязкой сердцевины. Цементации подвергаются детали, изготовленные из низкоуглероди­стых сталей или из легированных низко­углеродистых сталей. При цементации используют естественные и искусственные газы или жидкий карбю­ризатор (бензол, пиробензол, керосин и др.), который подается непосредственно в рабочее пространство печи. При нагреве происходит разложение метана. Атомарный углерод поглощается по­верхностью стали и проникает в глубину детали. Газо­вая цементация деталей производится при температуре 930-950° С.

Азотирование заключается в диффузионном насыще­нии поверхностного слоя азотом. Азотирование повышает твердость поверхностного слоя, его износостой­кость, предел выносливости и сопротивление коррозии в среде атмосферного воздуха, воды, пара и т. д. Азоти­рование проводят обычно при 500-600° С (для повыше­ния износостойкости и прочности) или при 600-800° С (для повышения коррозионной стойкости) в среде ам­миака, который при указанных температурах диссо­циирует с образованием атомарного азота. Атомарный азот диффундирует в же­лезо.

Нитроцементация и цианирование - поверхност­ное насыщение деталей одновременно углеродом и азо­том. Процесс выполняют либо в газовой среде, либо в расплавленной ванне из цианистых солей. В первом случае процесс называют нитроцементацией, во вто­ром - цианированием. Газовая нитроцементация поз­воляет повысить износостойкость обрабатываемых дета­лей и сделать процесс более рентабельным. При низких температурах поверхностный слой стали насыщается преимущественно азотом, а при высоких - углеродом.

Газовое цианирование (нитроцементацию) разделяют навысокотемпературное (при 800-950° С) и низкотемпературное (при 550-600° С). Высокотемпературное цианирование применяют для получения высокой твердости и износостойкости поверхностей деталей из конструкционных сталей с получением слоя глубиной 0,2-1,0 мм. После нитроцементации детали закаливают и затем подвергают низкому отпуску. Низкотемпературное цианирование выполняют в течение 5-10 ч в среде эндогаза или газа, полученного из синтина (смесь углеводородов) с добавлением 12-20% аммиака, или путем использования триэтаноламина. В результате такой обработки на поверхности стали образуется тонкий карбонитридный слой (толщиной 0,15- 0,20 мм), обладающий высокой износостойкостью. Перед низкотемпературным цианированием производится полная меха­ническая и термическая обработка деталей.

К числу новых методов химико-термической обра­ботки относят насыщение поверхности стали бором. Борирование повышает твердость, сопротив­ление абразивному износу, коррозионную стойкость, теплостойкость и жаростойкость, однако борированные слои обладают высокой хрупкостью. При сульфидировании производят насыще­ние поверхности стали серой, азотом и углеродом на глубину 0,2-0,3 мм для повышения износостойкости, прирабатываемости деталей при трении и устойчивости их против задиров.

Диффузионная металлизация - процесс насыщения поверхности стали алюминием (алитирование), хромом (хромирование), кремнием (силицирование). Металли­зация кремнием повышает кислотоупорность, хромом или алюминием - жаростойкость, хромом, азотом иуглеродом - износостойкость и т. д. Металлы образуют с железом твердые растворы замещения, поэтому диф­фузия их осуществляется значительно труднее, чем диффузия углерода или азота. В связи с этим процессы диффузионной металлизации выполняют при высоких температурах: алитирование - при 900-1000°С, си­лицирование - при 950-1050°С.

Применение диффузионной металлизации во многих случаях не только вполне оправдано, но и является экономически выгодным. Так, детали жаростойкие при температуре до 1000-1100° С, изготовляют из простых углеродистых сталей, а с поверхности насыщают алюми­нием, хромом или кремнием, что значительно выгоднее, чем применение специальных легированных жаростой­ких сталей.

7.3. Поверхностное упрочнение стальных изделий

пластическим деформированием

Поверхностное упрочнение методом пластического деформирования - прогрессивный технологический процесс, приводящий к изменению свойств поверхности металлического изделия. При этом методе пластически деформируют только поверхность. Деформирование осу­ществляют либо обкаткой роликами, либо обдувкой дробью.

Чаще применяют обдувку дробью, при которой поверхность подвергается ударам быстролетящих круг­лых дробинок размером 0,2-1,5 мм, изготовленных из стали или белого чугуна. Обработку выполняют в спе­циальных дробеметах. Удары дробинок приводят к пла­стической деформации и наклепу в микрообъемах по­верхностного слоя. В результате дробеструйной обра­ботки образуется наклепанный слой глубиной 0,2-0,4 мм. Кроме того, за счет увеличения объема накле­панного слоя на поверхности изделия появляются остаточные напряжения сжатия, что сильно повышает усталостную прочность. Например, срок службы витых пружин автомобиля, работающих в условиях, вызываю­щих усталость, повышается в 50-60 раз, коленчатых валов - в 25-30 раз.

Дробеструйная обработка, так же как и обкатка роликами, является конечной технологической опера­цией, перед которой изделия проходят механическую и термическую обработку.

8. СБОРКА ИЗДЕЛИЙ

Сборка является заключительным этапом при изготовлении машин. Объем работ при сборке в автомобилестроении составляет до 20% от об­щей трудоемкости изготовления автомобиля.

Технологический процесс сборки - это совокупность операций по со­единению деталей в определенной последовательности с целью получить изделие, отвечающее заданным эксплуатационным требованиям.

Изделие состоит из основных частей, роль которых могут выполнять детали, сборочные единицы, комплексы, комплекты.

Сборочная единица - часть изделия, составные части которой подле­жат соединению между собой на сборочных операциях на предприятии-изготовителе. Её характерной особенностью является возможность сборки обособленно от других элементов изделия. Сборочная единица изделия в зависимости от конструкции может собираться либо из отдельных деталей, либо из сборочных единиц высших порядков и деталей. Различают сбороч­ные единицы первого, второго и более высоких порядков. Сборочная еди­ница первого порядка входит непосредственно в изделие. Она состоит либо из отдельных деталей, либо из одной или нескольких сборочных единиц второго порядка и деталей и т.д. Сборочную единицу наивысшего порядка расчленяют только на детали. Сборочные единицы называют на практике узлами или группами.

Сборочная операция - это технологическая операция установки и об­разования соединений сборочных единиц изделия. Сборку начинают с ус­тановки и закрепления базовой детали. Поэтому в каждой сборочной еди­нице должна быть найдена базовая деталь - это деталь, с которой начинают сборку изделия, присоединяя к ней детали и другие сборочные единицы.

По последовательности выполнения различают:

Промежуточную сборку - это сборка мелких элементов на механических участках или сборка 2-х деталей перед окончательной обработкой;

Узловую сборку - это сборка сборочных единиц изделия;

Общую сборку - это сборка изделия в целом.

По наличию перемещений собираемых изделий различают:

Стационарную сборку - это сборка изделия или основной его части на од­ном рабочем месте;

Подвижную сборку - собираемое изделие перемещается по конвейеру.

По организации производства различают:

Поточную сборку, - которая предусматривает разделение технологического процесса на отдельные технологические операции, продолжительность ко­торых не превышает такта выпуска изделия;

Групповую сборку, - которая предусматривает возможность сборки раз­личных однотипных изделий на одном рабочем месте.

По степени подвижности различают подвижные и неподвижные со­единения.

Подвижные соединения обладают возможностью относительного пе­ремещения в рабочем состоянии в соответствии с кинематической схемой механизма. При этом используются посадки с зазором. Для сборки не тре­буется значительных усилий.

Неподвижные соединения не позволяют перемещаться друг относи­тельно друга соединяемым деталям. В неподвижных соединениях используются переходные посадки или посадки с натягом.

По характеру разбираемости соединения подразделяют на разъемные и неразъемные.

Разъемные соединения могут быть полностью разобраны без повре­ждения соединяемых деталей.

Неразъемные соединения собираются при помощи прессовых поса­док, сварки, пайки, склеивания и т.д. Без повреждения собираемых деталей их разобрать невозможно.

Методы сборки - определяются конструктором изделия путем про­становки допусков сопрягаемых деталей.

При сборке всегда происходит материализация заложенных конст­руктором размерных цепей.

Метод полной взаимозаменяемости - позволяет проводить сборку из­делия без какого-либо подбора или дополнительной обработки деталей. Метод наименее трудоемок, но необходимо увеличить затраты на механи­ческую обработку.