Какой метод упрочнения самый эффективный. Современные методы поверхностного упрочнения инструментов. Методы изменения структуры

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.

Доброго времени суток, уважаемый читатель! В последний раз мы говорили о Методах и способах восстановления деталей судовых технических средств, сегодня поговорим о способах упрочнения деталей.

Термический (тепловой) — к этому способу обработки деталей относят: отжиг, нормализацию, закалку и отпуск. Этот способ обеспечивает общее упрочнение деталей.

Отжиг — температура отжига детали составляет 770-900 С. Деталь нагревают в печи от 1 до 4 ч., а затем охлаждают вместе с печью. Чем больше в стали углерода, тем ниже должна быть температура отжига. При отжиге детали крупнозернистая структура металла становится мелкозернистой. Отжиг проводят для снятия внутренних напряжений, образующихся обычно после отливки, поковки, штамповки, прокатки, наплавки и правки.

Нормализация — деталь нагревают до температуры отжига и выдерживают при этой температуре в течение 1-2 ч, а затем охлаждают на воздухе до температуры окружающей среды. Нормализацию применяют для улучшения структуры металла с целью повышения механических свойств.

Закалка — температура закалки составляет 750-900 С. Закалку применяют для стали с содержанием углерода не ниже 0,5%, так как при меньшем содержании твёрдость при закалке увеличивается незначительно. Закалка придаёт металлу высокую твёрдость и прочность.

Отпуск — закаленную деталь нагревают до температуры 150- 600 С и выдерживают при этой температуре от 5-10 минут до 1-15 ч., а затем охлаждают. Отпуск снижает закалочные напряжения и изменяет структуру стали, повышает вязкость.

К поверхностным методам упрочнения относят закалку деталей токами высокой частоты (ТВЧ), закалку в электролитах и обработку холодом.

Закалка ТВЧ — деталь нагревают в индукторе, форма которого согласуется с формой поверхности детали, подвергаемой закалке. Индуктор, при пропускании через него переменного тока высокой частоты (2500-5000 Гц), создаёт переменное магнитное поле. Время нагрева поверхности детали составляет 2-10 с. При достижении температуры закалки 750-900 С ток выключается, и подаётся вода для охлаждения. Глубина закалённого слоя шейки коленчатого вала составляет 4-7 мм.

Закалка в электролитах (в растворах солей) — осуществляется пропусканием постоянного тока напряжением 220 В через деталь (катод), погружённую в электролит (раствор Na2C03). Деталь нагревают до температуры 250-450 С.

Применение такой закалки даёт возможность увеличить износостойкость деталей в 2-5 раз и более.

Обработка холодом — детали охлаждают до температуры -80 С и ниже с последующим нагреванием до температуры окружающего воздуха. При таком охлаждении в металле происходят дополнительные превращения остаточного аустенита в мартенсит, в связи с чем повышается твёрдость и износостойкость деталей. Для уменьшения внутренних напряжений после обработки холодом детали подвергают отпуску. Детали обрабатывают холодом сразу после закалки. В качестве хладона применяют жидкий азот.

Термомеханический — этот способ объединяет две операции: обработку деталей давлением с термической обработкой.

Термохимический — к этому способу относят: цементацию (науглероживание); цианирование (насыщением углеродом и азотом); азотирование (насыщение азотом); алитирование (насыщение алюминием); силицирование (насыщение кремнием); борирование (насыщение бором); оксидирование (воронение) и др.

Цементация — искусственное повышение содержания углерода в поверхностном слое детали из малоуглеродистой стали с содержанием углерода 0,1-0,3%. При цементации повышается содержание углерода на поверхности металла глубиной 1-3 мм, середина же детали остаётся малоуглеродистой. Науглероженную деталь до 0,7-1,1% подвергают закалке.

Цианирование — способ заключается в насыщении поверхностного слоя одновременно углеродом и азотом при температуре 820-870 С. Это достигается выдержкой детали в горячих расплавленных солях, содержащих цианистые соединения. Глубина насыщения составляет около 0,25 мм. Твёрдость цианированного слоя достигает 640-780 Нв(ед. Бринелля).

Азотирование — насыщение стали азотом при температуре 480- 650 С.

Алитирование — насыщение стали алюминием.

Силицирование — насыщение стали кремнием при температуре 1100—1200°С для повышения её антикоррозийных свойств.

Борирование — насыщение стали бором для повышения твёрдости и износостойкости.

Оксидирование (воронение) — насыщение стали кислородом термическим или химическим путём для защиты деталей от коррозии. Оксидирование производят в ваннах, наполненных смесью растворов едкого натра, натриевой селитры и нитрита натрия при температуре 130-145 С в течение 1-2 ч. На поверхности образуется слой окислов Fe304 чёрного цвета толщиной 1-2,5 мкм.

Термодиффузионное — при этом способе упрочнения применяют энерговыделяющие пасты, которые намазывают на деталь и поджигаю!. При горении пасты деталь разогревается до температуры 600- 800 С, а легирующие элементы, содержащиеся в пасте диффундируют (проникают) в верхние слои детали. Через 2-3 минуты обгоревшую деталь погружают в воду для охлаждения. В качестве энерговыделяющих компонентов в пасте используют смеси кислородосодержащих веществ с порошками алюминия, магния, кальция и других металлов.

Механическое упрочнение — это преднамеренное искажение кристаллической решётки металла в результате механического воздействия на него.

Физическая сущность механического упрочнения состоит в том, что под давлением твёрдого металлического инструмента выступающие микронеровности обрабатываемой поверхности пластически деформируются, шероховатость поверхности уменьшается, поверхностный слой металла упрочняется. К механическим способам упрочнения относят:

Обкатку шариком или роликом;

Протяжку;

Дробеструйную обработку;

Алмазное упрочнение.

Обкатку шариком или роликом цилиндрических поверхностей производят на токарных станках, а плоских поверхностей — на строгальных. Ролики и шарики изготавливают из инструментальных сталей.

Обкатка шариком или роликом поверхности детали повышает её твёрдость на 40-50%, а усталостную прочность на 80-100%.

Протяжку (дорнование) применяют для упрочнения и повышения точности и чистоты обработки внутренних поверхностей деталей. Суть процесса заключается в протягивании специальной оправки (дорна) или шарика через отверстие в детали.

Дробеструйная обработка — применяется для упрочнения деталей при помощи дроби. Применение стальной дроби даёт лучшие результаты, чем чугунной. При дробеструйном наклёпе получают упрочнённый слой глубиной до 1,5 мм. Твёрдость повышается на 20-60%, а усталостная прочность — на 40-90%.

Алмазное упрочнение — инструментом служит кристалл алмаза, имеющий сферическую рабочую часть. Деталь обрабатывается алмазом в оправке, прижатым тарированной пружиной к поверхности детали, которая и упрочняется.

Электроискровой способ — основан на ударном воздействии направленного искрового электрического разряда. Между электродом из твёрдого сплава (например, стеллита) и упрочняемой поверхностью под действием пульсирующего электрического тока возникает искровой разряд, в результате чего металл с электрода (анод) переносится на деталь (катод) и обрабатываемая поверхность детали упрочняется.

Электромеханический способ —применяют для поверхностного упрочнения на глубину до 0,2-0,3 мм. При этом износостойкость повышается до 11 раз, усталостная прочность в 2-6 раз. Суть заключается в следующем. В зону контакта детали и инструмента подводят ток силой 350-1300 А, напряжением 2-6 В. Инструмент от станка изолируют. В связи с тем, что площадь контакта инструмента и детали маленькая, возникает большое сопротивление, что приводит к увеличению тепловой энергии, которая мгновенно нагревает зону контакта до высокой температуры (температуры закалки). Поверхностный слой быстро охлаждается за счёт отвода тепла внутрь детали. В итоге получается эффект поверхностной закалки на глубину 0,2-0,3 мм с одновременным поверхностным наклёпом, значительно повышающий износостойкость и усталостную прочность детали.

Лазерное упрочнение — для лазерного упрочнения деталей используют лазеры (оптические квантовые генераторы) с мощностью излучения электромагнитных волн на выходе 0,8-5 кВт. При фокусировке такого излучения на обрабатываемой поверхности концентрируется высокий уровень энергии.

Лазерный луч при воздействии на обрабатываемую поверхность детали частично отражается, а остальной поток излучения проникает на глубину 10 6-10 7 м. Высокая плотность мощности лазерного излучения позволяет практически мгновенно достигать на обрабатываемой поверхности высоких температур, а это приводит к локальной закалке тонкого приповерхностного слоя, что обеспечивает высокую твёрдость обработанных участков.

Упрочнение деталей

Срок службы деталей строительных машин можно увеличить, упрочняя поверхностный слой пластическим деформированием (упрочнение давлением), термомеханической, термической и химико-термической обработкой.

Упрочнение поверхностных слоев металла пластическим деформированием производят дробеструйной обработкой и раскаткой роликами или шариками, чеканкой, дорнированием (упрочнение калиброванием), обработкой резанием специальными резцами.

Пластическое поверхностное деформирование увеличивает предел выносливости детали и повышает чистоту ее поверхности, что позволяет в некоторых случаях отказаться от применения отделочных операций.

Дробеструйная обработка производится на специальных установках стальной или чугунной дробью диаметром 0,4…2 мм. В этих установках дробь с большой скоростью (50…70 м/с) направляется на обрабатываемую поверхность, вызывая в ней напряжения сжатия, достигающие нескольких десятков килограммов на 1 мм2. Такую обработку чаще всего применяют для повышения усталостной прочности и упрочнения термически обработанных стальных деталей, работающих при переменных нагрузках. К числу указанных деталей относятся рессоры, спиральные пружины, зубчатые колеса, шатуны, молотки, щеки камнедробилок и др. После дробеструйной обработки срок службы листовых рессор возрастает в 4…6 раз, а мелкомодульных зубьев шестерен в 2,5…3 раза.

Глубина наклепанного слоя, обычно не превышающая 1 мм, зависит для данной детали от продолжительности обработки (колеблется от 5…10 с до 2…3 мин), силы удара, размера и угла падения дроби (наибольший наклеп наблюдается при угле 75…90 °С).

Накатка поверхности закаленными роликами является эффективным средством упрочнения крупных деталей, имеющих форму тел вращения. Накаткой улучшается микрогеометрия поверхности и создается упрочненный наклепанный слой, что приводит к повышению предела усталости и износостойкости деталей.

Накатка производится свободно вращающимися роликами, приводимыми в соприкосновение с вращающейся деталью, установленной в токарном станке. Ролик на оправке закрепляется в суппорте станка или специальном приспособлении.

Упрочнение чеканкой применяют для значительного местного наклепа участков поверхностей деталей с высокой концентрацией напряжений (галтели, места выхода отверстий, шлицы, сварные швы и т.д.). Чеканка проводится специальными бойками, роликами, шариками путем ударного воздействия на упрочняемую поверхность.

Хорошие результаты в отношении упрочнения поверхности и получения наплавленного слоя без пор и раковин дает термомеханическая обработка. При этом совмещаются наплавка и упрочнение поверхности. Наплавленный слой непосредственно за сварочной ванной подвергается накатыванию роликом или ударом бойка.

Строительные машины имеют много деталей, поверхностные слои которых должны обладать высокой износостойкостью, а сердцевина-достаточной прочностью и вязкостью. Изменение свойств только поверхностного слоя деталей достигается насыщением поверхности углеродом (цементация), азотом (азотирование), углеродом и азотом (цианирование) и поверхностной закалкой.

Цементации подвергают детали, работающие при высоких удельных давлениях и трении, а также испытывающие в процессе эксплуатации ударные нагрузки (зубья шестерен, поршневые пальцы, распределительные валы и т.д.). Цементации подвергаются детали, изготовленные из стали, содержащей не более 0,25 % углерода, - это малоуглеродистые стали марок 0, 8, 10, 15, 20, легированные стали марок 15Х, 20Х и др.

Цементацию проводят в науглероживающей среде (карбюризаторе) при температурах 900…950°С без доступа воздуха. Применяемые для этой цели карбюризаторы могут быть твердыми, жидкими или газообразными. После науглероживания деталей их подвергают нормализации, закалке и отпуску.
Наибольшее распространение получила цементация в твердом карбюризаторе (мелкий древесный уголь в смеси с углекислыми солями бария).

Средняя скорость науглероживания составляет 0,8..0,1 мм/ч, поэтому для получения цементированного слоя глубиной 0.5…2 мм требуется 12…15 ч, что является существенным недостатком.

Цементацию в жидком карбюризаторе применяют для получения неглубокого науглероженного слоя в небольших и тонкостенных деталях. Этот вид цементации производят, погружая детали в ванну, содержащую смесь поваренной соли, углекислого натрия, цианистого натрия и хлористого бария. Процесс ведется при температуре 840…860°G в течение 0,5…2,5 ч. За это время удается получить цементированный слой глубиной 0,2.. 0,6 мм, который после соответствующей упрочняющей термической обработки достигает твердости 40…60 HRC .

Газовую цементацию широко применяют на заводах серийного и массового производства. Она позволяет значительно уменьшить продолжительность цементации и снизить ее стоимость. Газовую цементацию производят в шахтных и муфельных печах, в которые подается газ, содержащий углерод (природный, светильный и др.). За 6…7 ч при температуре 900…950°С этим путем получают науглероженный слой глубиной до 1 мм.

Азотированием удается получить твердость поверхностного слоя стальных деталей, в 1,5…2 раза большую, чем цементированием и закалкой. Причем твердость, полученная без применения термической обработки, сохраняется при нагреве деталей до 500…600 °С. Кроме того, при азотировании резко повышаются коррозионная стойкость, износостойкость и усталостная прочность стальных деталей.

Азотированию подвергают в основном легированные детали, к которым предъявляются особые требования в отношении износостойкости и усталостной прочности, например гильзы цилиндров и шейки коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания, зубчатые колеса, измерительные инструменты и другие детали.

Азотирование состоит в насыщении поверхностных слоев стальных деталей азотом путем длительного нагрева их при температуре 480,..650°С в атмосфере аммиака. Перед азотированием детали подвергают термической обработке (закалке и^ отпуску), затем’ механической обработке (включая шлифование) и после этого промывке бензином. Для этого их помещают в специальную печь, туда же подают аммиак, который при высоких температурах разлагается с выделением атомарного азота и водорода. Азот, диффундируя в поверхностный слой стальных деталей, образует с легирующими элементами (хромом, молибденом) химические соединения - нитриды.

Общая глубина азотированного слоя обычно не превышает 0,5 мм. Скорость диффузии при температуре 500 °С составляет примерно 0,1 мм за каждые 10 ч.
Цианирование применяется для малоуглеродистых сталей вместо цементации и имеет перед ней значительные преимущества (повышается износостойкость и стойкость против ударных нагрузок, большая скорость процесса). Процесс заключается в нагреве деталей до 820 ° С в расплавленных цианистых солях натрия, калия или кальция, содержащих активные углерод и азот, выдержке деталей при этой температуре в течение определенного времени (от 20 мин до 2 ч) и в последующем медленном охлаждении их. По окончании цианирования детали подвергают закалке и отпуску. Толщина цианированного слоя 0,15…0,3 мм, остальная толщина детали остается вязкой.

Существенным недостатком, сдерживающим применение цианирования, является токсичность цианистых ванн, что вызывает необходимость специальных мер предосторожности.

Поверхностной закалкой упрочняют детали из углеродистой стали марок 40, 45, 50, малолегированной хромистой и марганцовистой стали. Детали из этих сталей при обычных способах имеют пониженную пластичность и вязкость, так как прокаливаются по всему сечению.

Чтобы придать твердость только поверхностному слою и в то же время сохранить вязкую сердцевину, необходимо нагревать деталь так, чтобы до температур закалки нагревался только поверхностный слой толщиной 1…6 мм. Тогда в процессе охлаждения сердцевина детали не закалится и сохранит свойства, присущие незакаленному металлу.

Нагрев поверхности детали под закалку производят кислородно-ацетиленовым пламенем (пламенная закалка) и токами высокой частоты (закалка ТВЧ). При пламенной закалке для нагрева могут быть использованы стандартные сварочные горелки, у которых мундштуки заменяют специальными многопламенными закалочными наконечниками. Размеры и профиль таких наконечников зависят от формы закаливаемых деталей.

Рис. 1. Схемы профилей и наконечников

Плоские наконечники (рис. 1, а) применяют для закалки поверхности разных размеров тел вращения (катков, колес и др.). Кольцевые (рис. 1,б) и полукольцевые наконечники предназначены для закалки шеек валов и других цилиндрических деталей. Контурные многопламенные наконечники (рис. 1, в) применяют для закалки зубьев шестерен.

Движение горелки должно быть равномерным. Расстояние между наконечником горелки и закаливаемой поверхностью выдерживают в пределах 10…15 мм. Поверхности нагревают до светло-красного цвета, а охлаждают водой, которая подводится к закалочным наконечникам и, вытекая через специальные отверстия, создает водяной душ, отстоящий на 10…20 мм от пламени горелки.

В зависимости от конструктивных особенностей деталей применяют следующие два способа пламенной поверхностной закалки: циклический и непрерывно-последовательный.

При циклическом способе вначале производят нагрев поверхности под закалку, а затем ее охлаждение. При нагреве деталь может оставаться неподвижной (стационарный способ) или вращаться со скоростью 10… 12 м/мин (вращательно-циклический способ). Циклическим способом производят поверхностную закалку деталей небольшого размера: роликов, мелкомодульных шестерен, шеек валов диаметром до 100 мм и т. п.

Непрерывно-последовательный способ применяют для поверхностной закалки плоских деталей (направляющие станин металлорежущих станков) и деталей большого диаметра (ходовых колес, кранов, бегунов и т.д.).

Рис. 2. Поверхностная закалка непрерывно-последовательным способом
1- сварочная горелка;

При этом способе закалки нагрев поверхности и ее охлаждение протекают непрерывно за счет постоянного перемещения деталей относительно горелки и охлаждающего источника (рис. 2). Скорость перемещения детали относительно горелки выбирают в пределах 60…300 мм/мин.

Детали, прошедшие поверхностную закалку, подвергаются низкому отпуску при температуре 180…200°С в масляных ваннах с электрическим подогревом. Время выдержки деталей при этих температурах определяют из расчета 1 ч на 1 см радиуса детали. Окончательная обработка деталей (шлифование и доводка) производится после термообработки, обеспечивающей требуемую твердость и структуру металла.

Поверхностная закалка деталей при нагреве токами высойЪй частоты (до 106 Гц) применяется в серийном и массовом производстве для упрочнения деталей автомобилей и строительных машин. Нагрев ТВЧ с одинаковым успехом может использоваться для закалки как наружных, так и внутренних поверхностей диаметром более 11 мм.

Сущность поверхностного нагрева токами высокой частоты состоит в следующем. В детали, помещенной в переменное магнитное поле, создаваемое индуктором, возбуждаются вихревые токи. Эти токи под действием магнитного поля оттесняются к поверхности изделия. С увеличением частоты тока эффект оттеснения токов к поверхностным слоям, а следовательно, и плотность тока в них возрастают. В результате теплового действия вихревых токов за 3…5 с поверхностные слои нагреваются до температуры закалки, после чего детали охлаждаются в воде, масле или эмульсии.

Индукторы изготавливают из медных трубок диаметром 4…20 мм с толщиной стенок 0.5…2 мм, в которых циркулирует вода, предупреждающая их нагрев. Для повышения КПД индуктора круглые трубки профилируют, придавая сечению квадратную или прямоугольную форму.

Отдельные участки у крупных деталей (шеек коленчатых валов, зубьев шестерен) нагревают и закаляют частями, чередуя нагрев и охлаждение. При закалке деталей средних размеров применяют непрерывно-последовательный нагрев и охлаждение. После закалки ТВЧ детали обрабатывают так же, как и после пламенной поверхностной закалки.

Высокочастотная закалка обеспечивает высокую производительность, малые деформации закаливаемых деталей, отсутствие окалины на поверхности детали после закалки и значительное улучшение санитарно-гигиенических условий труда рабочих.

К атегория: - Ремонтирование строительных машин

Закалка токами высокой частоты.

Метод разработан советским ученым Вологдиным В.П.

Схема технологического процесса закалки ТВЧ представлена на рис. 16.2.

Рис. 16.2. Схема технологического процесса закалки ТВЧ

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.

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.

В результате старения происходит изменение свойств закаленных сплавов.

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

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

· тонкопластинчатой (дискообразной);

· равноосной (сферической или кубической);

· игольчатой.

Основное назначение старения – повышение прочности и стабилизация свойств.

Различают старение естественное, искусственное и после пластической деформации.

Нагрев сплава увеличивает подвижность атомов, что ускоряет процесс.

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

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

На мировом рынке технологий по упрочнению поверхности инструмента всегда наиболее широко были представлены два метода: метод химического осаждения (Chemical Vapour Deposition - CVD) и метод физического осаждения покрытий (Physical Vapour Deposition - PVD). В нашей стране более широкое промышленное применение получили PVD способы нанесения защитных покрытий. Дело в том, что технологии CVD подразумевают использование дорогостоящих высокочистых химических реагентов (TiCl4, NH3 и т.д.) и прецизионных дозаторов химических прекурсоров, точный контроль продуктов химических реакций в рабочей камере и т.п. А нанесение PVD покрытий при помощи дугового или тлеющего разряда (магнетронa) обладает большей производительностью и не столь чувствительно к незначительным отклонениям технологических параметров.

Помимо нанесения износостойких покрытий на поверхности инструментов существуют еще четыре группы технологий поверхностного упрочнения режущих инструментов:

1. Методы механического упрочнения: вибрационный, дробеструйный, взрывом и т.д. Наиболее часто используют для упрочнения инструментов из быстрорежущей стали и твердых сплавов. Поверхностное пластическое деформирование (ППД) – наклеп поверхностного слоя на глубину 0.2-0.8 мм с целью создания в нем остаточного напряжения сжатия. При наклепе поверхностный слой расплющивается. Удлинению поверхностного слоя препятствует сила сцепления с нижележащими слоями металла. Вследствие этого в наклепанном слое возникают двухосные напряжения сжатия, а в толще основного металла незначительные реактивные напряжения растяжения. Складываясь с рабочими напряжениями растяжения, остаточные напряжения сжатия уменьшают, а при достаточно больших значениях компенсируют первые. Возникающие при наклепе множественные искажения структуры (деформация зерна, местные пластические сдвиги) эффективно тормозят развитие усталостных повреждений и расширяют область существования нераспостроняющихся трещин, увеличение которых обуславливает существование разрушающих напряжений. Эффективен наклеп в напряженном состоянии, представляющий собой сочетание упрочнения перегрузкой с наклепом. При этом способе деталь нагружают нагрузкой того же напряжения, что и рабочая, вызывая в материале упругие или упругопластические деформации. После снятия нагрузки в поверхностном слое возникают остаточные напряжения сжатия. Наклепанный слой чувствителен к нагреву. При температурах 400-500 о С действие наклепа полностью исчезает, из-за наступающего при этих температурах процесса рекристаллизации, устраняющего кристалло-структурные изменения, внесенные наклепом. Основные разновидности упрочнение поверхности пластической деформацией: дробеструйная обработка, обкатывание, чеканка, алмазное выглаживание.

Дробеструйная обработка заключается в наклепе поверхностного слоя потоком закаленных шариков (диаметр 0.5-1.5 мм), создаваемым центробежными дробеметками. Качество поверхности при данном процессе немного снижается. Плоские поверхности упрочняют обкатыванием шариками, установленными во вращающемся патроне. Заготовке придают движение продольной и поперечной подачи, при правильно выбранном режиме обкатывания, остаточные напряжения сжатия в поверхностном слое составляют 600-1000 МПа. Глубина уплотнения слоя 0.2-0.5 мм. Данный процесс улучшает качество поверхности детали. Поверхность вращения упрочняют обкатыванием стальными закаленными роликами. Силу прижатия ролика выбирают с таким ращетом, чтобы создать в поверхностном слое напряжения, превышающие предел текучести материала в условиях всестороннего сжатия (для стали 5000-6000 МПа). Чеканку производят бойками со сферической рабочей поверхностью, приводимыми в колебания пневматическими устройствами. Частота колебаний и скорость вращения заготовки должны быть согласованы таким образом, чтобы наклепанные участки перекрывали друг друга.

Алмазное выглаживание заключается в обработке предварительно шлифованной и полированной поверхности закругленными алмазными резцами (радиус 2-3 мм). Поверхностный слой уплотняется до глубины 0.3-0.5 мм.

2. Методы химико-термической обработки (ХТО) инструментальных сталей: азотирование, цементация, карбонитрация, оксидирование, борирование в газовых и жидких средах, тлеющем газовом электрическом разряде (ионное азотирование). Высокую поверхностную прочность обеспечивает изотермическая закалка, а также термомеханическая обработка поверхности детали. При поверхностной закалке (газопламенная закалка) и химико-термической обработке (цементование) упрочнение обусловлено главным образом возникновением в поверхностном слое остаточных сжимающих напряжений вследствие образования структур большего удельного объема (нитриды и карбонитриды при нитроцементации и азотировании), чем структуры основного металла. Расширение поверхностного слоя тормозит сердцевина, сохраняющая исходную перлитную структуру, вследствие чего в поверхностном слое возникают двухслойные напряжения сжатия. В нижних слоях развиваются реактивные растягивающие напряжения, имеющие малое значение, из-за незначительности сечения термически обработанного слоя сравнительно с сечением сердцевины. Создание предварительных напряжений сжатия снижает среднее напряжение в области сжатия, тем самым повышается предел выносливости. Газовая закалка повышает предел выносливости по сравнению с исходной конструкцией из необработанной стали в 1.85 раза. Наиболее эффективным способом обработки является азотирование, которое практически полностью устраняет внешних концентраторов напряжений. Азотирование не вызывает изменения формы и размеров детали. Азотированный слой обладает повышенной коррозие - и термостойкостью. Твердость и упрочняющий эффект сохраняются вплоть до температур 500-600 о С. Оптимальные толщины слоя уплотнения при цементации 0.4-0.8 мм, цементовании и азотировании 0.3-0.5 мм, закалке с нагревом и газовой закалке 2-4 мм. Качество поверхности значительно улучшается.

Электроискровое, магнитное, ультразвуковое упрочнение. Данные метода редко применяются для обработки режущих инструментов.

Физическое упрочнение: лазерная обработка, ионная имплантация. Технология ионной имплантации является на сегодня одной из наиболее перспективной с точки зрения создания композиционных материалов с оптимальным набором поверхностных и объемных свойств.

Ионная имплантация – это процесс, в котором практически любой элемент может быть внедрен в приповерхностную область любого твердого тела – мишени (подложки), помещенной в вакуумную камеру, посредством типа высокоскоростных ионов, имеющих энергию в несколько мегаэлектроновольт.

Ионы внедряются в материал мишени (подложки) на глубину от 0,01мкм до 1мкм, теряя энергию в процессе столкновений с атомами основы.

Профиль (распределение) концентрации примеси по глубине для большинства комбинаций – внедряемый атом – мишень (подложка) может быть вычислен. Для малой дозы ионов (малого числа ионов на единицу площади) профиль распределения концентрации примеси по глубине обычно хорошо описывается гауссовым распределением с центром в середине области распространения. В результате ионной имплантации образуется поверхностный слой сплава с изменяющимся составом, который не обладает выраженной поверхностью раздела, характерной для осажденного покрытия.

Преимуществом ионной имплантации, как метода модифицирования поверхности по сравнению с другими методами упрочнения поверхности, являются:

Увеличение растворимости в твердом состоянии;

Независимость образования сплавов от констант диффузии;

Возможность быстрого изменения состава сплава;

Независимость от процессов протекаемых в объеме материала;

Возможность процесса при низких температурах;

Весьма незначительное изменение размеров обрабатываемой детали;

Отсутствие проблемы аугезии, так как не существует ярко выраженной поверхности раздела;

Контролируемая глубина распределения концентрации;

Вакуумная чистота;

Высокая контролируемость и воспроизводимость.

Основным недостатком ионной имплантации является обработка только той части поверхности инструмента, которая находится непосредственно в области действия пучка ионов.

38. Охарактеризуйте перспективы развития инструментального производства.

«Как называется наш предмет?! Перспективы развития инструментального производства, а какие тут перспективы? Перспектив - нет» © Кряжев Ю.А.

Состояние отечественного инструментального производства, начиная с конца прошлого века, характеризуется как упадочное, выражающееся в виде морального и физического износа большинства основных производственных фондов, ухудшения качества, увеличенного времени обработки и изготовления, роста уровня брака. В результате сокращения производства инструментальной продукции, ухудшения ее качества, увеличилась доля зарубежных поставщиков на внутреннем рынке, что привело к резкому сокращению объемов заказов у отечественных производителей.

Для снижения зависимости от импорта и наращивания объемов экспортируемой продукции необходимы мероприятия по комплексной реконструкции инструментального производства, с применением инновационных инструментальных технологий, позволяющих сократить себестоимость продукции и получить конкурентные преимущества перед изделиями зарубежных поставщиков в виде экономии времени и ресурсов на производство единицы продукции .

На данный момент ёмкость российского рынка технологической оснастки составляет более 357 млн долл. При этом концентрация производителей и потребителей инструментальной оснастки крайне неравномерна, так наибольшая концентрация инструментальных заводов наблюдается в Центральном, Поволжском и Уральском регионах. Помимо этого, по мнению экспертов, на сегодняшний день рынок инструментальной оснастки является растущим, что обусловлено в первую очередь ростом спроса на технологическую оснастку среди машиностроительных предприятий, ВПК и увеличением количества предприятий, занимающихся производством и перепродажей технологической оснастки. Однако существующие производители инструментальной оснастки не располагают мощностями, способными удовлетворить растущий спрос. Для выхода из сложившейся ситуации возможны несколько вариантов, среди которых :

Стимулирование создания новых предприятий, осуществляющих производство и реализацию инструментальной оснастки с применением традиционных технологий металлообработки: обработка давлением; токарные, фрезерные, шлифовальные и строгальные методы обработки;

Обновление основных средств инструментальных предприятий, в том числе приобретение оборудования для аддитивных технологий.

Тенденции развития металлообрабатывающей отрасли характеризуются переходом к автоматизации всего цикла производства изделий с предварительным проектированием объемных моделей изделий в CAD-, CAM-системах. Применение САПР в сочетании с CAD-системами позволяет осуществить разработку объемной модели продукции, ее быструю правку и доработку. В сочетании с оборудованием, позволяющим воплощать полученные модели в металле, пластике или другом материале, существенно сокращаются затраты времени на технологический процесс производства изделий. Среди оборудования, подразумевающего производство продукции на основе компьютерной модели, можно выделить следующее :

Фрезерные станки с ЧПУ: перемещение фрезы осуществляется вдоль трех осей (X, Y – горизонтальная плоскость, Z – вертикальная) на основании траектории, полученной по объемной модели изделия в CAD-, CAM-системе. В некоторых фрезерных установках добавляется поворотный стол, что позволяет исключить движение вдоль одной из горизонтальных координат и ускорить процесс обработки;

5-ти координатные обрабатывающие центры: существенным отличием данного оборудования от фрезерных станков с ЧПУ является наличие двух дополнительных степеней свободы, позволяющих осуществлять вращательное движение шпинделя или рабочего стола вокруг двух осей, что существенно расширяет возможности оборудования по обработке криволинейных поверхностей;

Станки гидроабразивной резки: предназначены для раскроя листового материала струей жидкости с частицами абразива с давлением до 6000 атм., при этом толщина обрабатываемого металла может достигать 300 мм и более;

Оборудование для электроэрозионной резки: процесс обработки основывается на явлении электрической эрозии – изменение размеров формы и свойств металла под действием электрических разрядом, создаваемых генератором электрических импульсов, с температурой от 8000 до 12000 0 С.

3D-принтеры на базе технологий FDM, LENS, DMD, SLS: осуществляют производство объемных изделий из пластиковых (FDM) и металлических материалов (LENS, DMD, SLS) методом послойного наплавления материала на подложку или заготовку изделия.

Промышленное оборудование на основе аддитивных технологий в сочетании с ЧПУ, как правило, характеризуется более высокой стоимостью, по сравнению с традиционными фрезерными, шлифовальными и прочими системами. Однако более высокая стоимость оправдывается рядом преимуществ и быстрыми сроками окупаемости за счет дополнительных денежных потоков из-за существенного сокращения сроков выполнения заказов .

Преимущества такого подхода:

Сокращение времени производства готовой продукции: применение 5-ти координатного обрабатывающего центра и фрезерного станка ЧПУ приводит к сокращению времени обработки в 1,5–2 раза, повышению производительность в 2–3 раза и сокращению потерь материала на 5–10%;

Повышение прочностных и износостойких свойств изделий за счет нанесения защитного покрытия с возможностью сочетания материалов (LENS, DMDтехнологии);

Возможность быстрого изготовления или моделирования литейных форм со сложными каналами прокачки жидкости, повышающих теплообмен и прочностные характеристики изделия;

Быстрая переналадка оборудования для мелкосерийного и штучного производства;

Возможность быстрого прототипирования, и ряд других положительных сторон.

Таким образом, организация производственного процесса на предприятиях по выпуску инструментальной оснастки на основе аддитивных технологий в сочетание с ЧПУ позволит получить конкурентные преимущества в виде повышения производительности труда , сокращения затрат на цикл тестирования и производства готовой продукции .

Свойства аддитивных технологий позволяют их использовать в различных сферах (рисунок 1).

Рис. 1. Применение продукции на основе аддитивных технологий

Широкое применение аддитивных технологий в сфере инструментального производства позволит упростить процесс производства отдельных видов продукции, отказавшись от некоторых видов оборудования.

Большинство предприятий, изготавливающих технологическую оснастку, ориентируется на изготовление серийной продукции, ограничивая ассортимент выпускаемых изделий, что обусловлено требованием к снижению затрат на организацию технологического процесса серийного и массового производства. В то же время, применение оборудования на основе аддитивных технологий позволяет эффективно осуществлять работы по созданию опытных образцов, а также работы для выпуска небольших партий и единичных изделий.

Таким образом, предприятие, внедрившее в производство новые методы в технологиях металлообработки, имеет преимущество, т. к. практика показывает, что большая часть ассортимента, планируемого к производству на новом оборудовании, будет выпускаться под часто меняющиеся заказы клиентов. Это требует обеспечить определенную гибкость, возможность быстрой переориентации на производство нового продукта, адаптации к изменяющимся рыночным условиям .

Таким образом, дальнейшее развитие, на наш взгляд, в первую очередь связано с переходом (по мере внедрения в промышленность и устойчивой коммерциализации нововведений) на новейшие разработки в области формообразования, таких как: современные 3D-принтеры, новые технологии и оборудование водоструйной резки, лазерно-плазменного раскроя и др.

Возможно, будет полезно почитать: