Способи зміцнення робочих поверхонь деталей машин

Поверхневому зміцненню піддаються, головним чином, сталеві деталі: колінчасті вали, зубчасті колеса, поршневі пальці, торсіонні вали, пальці траків, гільзи циліндрів та інші.

Поверхневе пластичне деформування являє собою обробку тиском, при якій деформується тільки поверхневий шар. Зміцнююча обробка пластичним деформуванням супроводжується наклепом, тобто зміцненням металу під дією пластичної деформації.

Процес зміцнення здійснюється шляхом переміщення дислокацій, що при своєму русі утворюють десятки й сотні нових дислокацій. Збільшення їхньої щільності призводить до збільшення межі міцності і твердості. При цьому змінюється кристалічна структура металу, що характеризується перекручуванням кристалічних решіток і визначеною орієнтацією зерен — текстурою. Зерна з рівновісних перетворюються в нерівновісні. Всередині кристалів відбувається дроблення блоків мозаїчної структури і збільшується ступінь їхньої розорієнтації. На поверхні металу виникають напруження стиску. Зміцнення поверхневим пластичним деформуванням застосовується, головним чином, для підвищення границі витривалості деталей, що працюють при динамічних і знакозмінних навантаженнях (колінчасті вали, пальці траків, торсіонні вали, пружини, ресори й ін.).

Процес поверхневого пластичного деформування може здійснюватися обробкою дробом, накочуванням роликами.

Обробка дробом — це процес зміцнення деталей потоком чавунного чи сталевого дробу діаметром 0,3-2,0 мм, що рухається із значною швидкістю та вдаряючись в поверхню, створює наклеп глибиною до 5 мм. Такому зміцненню піддаються ресори, пружини, зубчасті колеса, різні вали, втулки.

В результаті обробки дробом знищуються напруги розтягання, що виникають на поверхні після шліфування, зменшуються напруги в зонах концентраторів напруг (канавок, отворів, різких переходів і т.п.), підвищується опір втомі. Наприклад, термін служби ресор, оброблених дробом, збільшується в 2,5-3 рази, а шестерні зі сталі 20Х2Н4А — у 5 разів.

Зміцнююче накочування представляє собою процес поверхневого накочування інструментом по поверхні деформованого матеріалу. В якості інструменту найчастіше використовується спеціальна оправка з роликом, виконаним із загартованої швидкорізальної сталі (рис. 4.6). Утворення наклепу відбувається при стисканні інструменту з зусиллям від 5000 до 30000 Н. Цей метод зміцнення широко використовується для обробки торсіонних валів, ободів сталевих опорних ковзанок, пальців траків та ін.

Зміцнююче накочування, в порівнянні з обробкою дробом, значно ефективніше підвищує опір втомі. В залежності від тиску ролика глибина шару, що зміцнюється, може досягати 25 мм, а границя витривалості збільшується в 2 рази. При цьому збільшується твердість, міцність і зносостійкість поверхневого шару, а в цілому збільшується ресурс роботи деталі.

Поверхневе гартування сталі — застосовується з метою отримання підвищеної твердості в поверхневому шарі із збереженням в'язкої серцевини, що забезпечує деталі зносостійкість і високу динамічну міцність. Це досягається за рахунок того, що поверхневий шар набуває структури мартенситу, а в серцевині залишається перлітно-феритна або сорбітна структура.

Процес поверхневого гартування полягає в порівняно швидкому нагріванні поверхневих шарів вище критичної точки Ас₃ (рис. 4.7) з подальшим охолодженням із швидкістю вище критичної. Шар металу, нагрітий вище Ас₃, одержить повне гартування, а нижче Асі — гартування не відбудеться і збережеться перлітно-феритна або сорбітна структура.

В результаті поверхневого гартування в металі виникають напруження стиснення, які сприяють підвищенню втомної міцності деталей.

Хороші результати дає зміцнення поверхневим гартуванням деталей, виготовлених з вуглецевих і легованих сталей із вмістом вуглецю 0,35-0,55%. З них виготовляються зубчасті колеса, металеві опорні катки, вали, втулки.

Залежно від способу нагріву розрізняють наступні види поверхневого гартування: полумяневе, електроконтактне, електролітичне та індукційне.

Полумяневе поверхневе гартування здійснюється шляхом нагріву поверхні деталі полум'ям газового пальника з подальшим охолодженням водою. При цьому способі гартування має місце перегрів, нестабільність результатів, низька продуктивність. Це гартування застосовується в одиночному виробництві.

Електроконтактне поверхневе гартування здійснюється нагрівом струмами високої частоти, що підводяться через мідні водоохолоджуючі ролики. Його недолік — наявність відпущених проміжків на зміцненій поверхні.

Електролітичне поверхневе гартування є нагрівом поверхні деталі за рахунок електрохімічної енергії, що виділяється поблизу катода при проходженні через електроліт постійного струму. Після відключення струму, охолодження здійснюється в тому ж електроліті.

Індукційнегартування здійснюється шляхом нагріву деталі струмами високої частоти з подальшим охолодженням у воді. Цей вид поверхневого гартування був вперше здійснений професором В.П.Вологдіним в 1923-1924 рр. і знайшов широке застосування в промисловості.

Суть процесу нагріву струмами високої частоти полягає у тому, що змінний магнітний потік, створюваний змінним струмом високої частоти, проходячи вздовж провідника (індуктора), індуктує в металі деталі, яка розміщується всередині індуктора, вихрові струми. Струм, проходячи вздовж провідника (деталі), зустрічає опір, внаслідок чого деталь нагрівається. Схема установки показана на рис. 4.8. Змінюючи силу струму, індукованого в деталі, можна одержати необхідну кількість тепла для її нагріву до певної температури.

Струм високої частоти (більше 50 Гц) одержують від спеціальних машинних генераторів (500-15 000 Гц) або від лампових генераторів (15000-10 000 000 Гц).

Розподіл змінного струму по перетину деталі нерівномірний. Густина струму на поверхні більше, ніж в серцевині, тому і спостерігається більший нагрів поверхневих шарів.

Процес нагріву металу струмами високої частоти відбувається дуже швидко і навіть при значному перегріві не спостерігається зростання зерна. В результаті гартування в поверхневому шарі утворюється структура дрібного-льчастого мартенситу, який відрізняється підвищеною в'язкістю, а в серцевині залишається перлітно-феритна або сорбітна структура.

Основними перевагами індукційного гартуванння є висока продуктивність, відсутність вигоряння вуглецю з поверхні деталі, можливість регулювання глибини загартованого шару.

Оскільки для здійснення процесу гартування необхідно для кожної конфігурації деталей мати свій індуктор і дороге устаткування, то індукційне гартування знайшлло широке застосування тільки в серійному і масовому виробництві.

19. Хіміко-термічна обробка сталі. Цементація в твердому карбюризаторі

Хіміко-термічною обробкою (ХТО) називається процес дифузійного насичення поверхні сталевих деталей одним або декількома елементами (вуглецем, азотом, алюмінієм, хромом і ін.) шляхом нагріву деталей до заданої температури в твердому, газовому або рідкому середовищі з подальшою витримкою при цій температурі і охолодженням.

Цей процес на відміну від термічної обробки змінює не тільки структуру сталі, але і її хімічний склад в поверхневому шарі. В результаті ХТО забезпечується збільшення зносостійкості, корозійної стійкості, втомної міцності.

Процес хіміко-термічної обробки складається з наступних основних стадій: дисоціації, абсорбції, дифузії.

Дисоціація є процесом розпаду молекул на активні атоми дифундуючого елементу, наприклад:

Абсорбція — є процесом поглинання поверхнею активних атомів. Цей процес відбувається за умови розчинення атомів зміцнюючих елементів в основному металі.

Дифузія — проникнення атомів насичуючого елементу в глибину металу. Основною величиною, що визначає швидкість дифузії, є коефіцієнт Д під яким розуміють кількість речовини, дифундуючого елементу через одиницю площі в одиницю часу. Він залежить від температури і концентрації, збільшення яких підвищує дифузію.

Хіміко-термічна обробка є суміщеною зміцнюючою обробкою і в порівнянні з поверхневим гартуванням ХТО має наступні переваги: не залежить від конфігурації деталей, забезпечує більшу відмінність властивостей в поверхневому шарі і серцевині. Магніто-термохімічна обробка це така ж технологія, як ХТО тільки проводиться в зовнішньому магнітному полі.

Відомі наступні види хіміко-термічної обробки: цементація; азотування; ціанування; дифузійне насичення сталей хромом, алюмінієм, кремнієм і бором.

Цементація — процес насичення поверхні сталевих деталей вуглецем при нагріві їх в вуглецевому середовищі — карбюризаторі.

Цементація і подальша термічна обробка (гартування та низький відпуск) призначені для отримання в поверхневому шарі високої твердості і зносостійкості з підвищенням межі контактної витривалості і межі витривалості при вигині та крученні. Цементація широко застосовується при виготовленні зубчастих коліс та інших деталей.

Цементації піддають низьковуглецеві сталі 15, 20, 15Х, 18ХГТ, 18ХНМА, 12ХНЗА, 18Х2Н4ВА з метою збереження у деталей в'язкої серцевини. Леговані сталі застосовуються для відповідальних і важко навантажених деталей. Вони забезпечують створення в'язкої і досить міцної серцевини, що виключає продавлювання поверхневого шару при значних контактних навантаженнях.

Існують два основні способи: цементація в твердому карбюризаторі і газова цементація.

Цементація в твердому карбюризатори . У металевий ящик укладаютьсядеталі з подальшою засипкою-карбюризатором (рис. 4.10). Карбюризатор готують у вигляді гранульованих зерен розміром 3-10 мм. В якості твердого карбюризатора використовуються різні суміші (табл. 4.3), основним компонентом яких є деревне вугілля, а також вуглекислі солі барію і кальцію.

Ящик, закритий кришкою, яка герметизується вогнетривкою глиною, нагрівають і витримують в печах при температурі вище Ас₃ (930-950°С).

Кисень повітря, що є в ящику, з'єднуючись з вуглецем, утворює окис вуглецю по реакції:

Окис вуглецю при контакті з сталевими деталями розкладається за реакцією.

Атомарний вуглець дифундує в поверхневі шари деталі. Вуглекислі солі, що входять до складу карбюризатора, є хорошими активаторами процесу і самі розкладаючись, забезпечують отримання додаткового атомарного вуглецю за реакціями:

Процес цементації в твердому карбюризаторі досить тривалий, оскільки середня швидкість цементації при температурах 930-950°С приблизно рівна 0,1 мм/год.

Цементація в твердому карбюризаторі, не дивлячись на низьку ефективність процесу, широко застосовується в серійному, дрібносерійному і одиничному виробництві, а також при ремонті.

Газова цементація вперше запропонована і практично застосована П.П.Аносовим в тридцятих роках IX століття. Вона знайшла широке застосування в серійному масовому виробництві і в порівнянні з цементацією в твердому карбюризаторі має наступні переваги: значно прискорюється процес насичення, збільшується продуктивність праці, створюється можливість автоматизації процессу та гартування безпосередньо з нагріву цементації.

Газова цементація здійснюється в стаціонарних або методичних конвеєрних печах. Газ для цементації готують окремо і подають в реторту цементації. Газами для цементації є окиси вуглецю і газоподібні вуглеводні. Атомарний вуглець утворюється за наступними реакціями:

— з окису вуглецю:

— з неграничнихвуглеводів метилену СН₂, етилену СгН»: С„Н_2п -> пС + пН₂. *

Найбільше застосування знаходять граничні вуглеводні: метан, етан, пропан, а з них метан у вигляді природного газу (77-97% СНД У той же час природний газ не можна вважати оптимальним цементуючим середовищем, оскільки при його використовуванні важко забезпечити певну концентрацію вуглецю в цементованому шарі. Тому в даний час широко упроваджують ендотермічну атмосферу (ендогаз), одержувану неповним спалюванням вуглеводневих газів. Застосування ендотермічної атмосфери дає можливість автоматично регулювати ступінь насичення вуглецем, а також механізувати і автоматизувати процеси цементації і подальшої термічної обробки деталі.

Остаточні властивості цементована деталь набуває після проведення термічної обробки. В результаті на поверхні виходить твердий шар високо вуглецевого мартенситу з карбідами, а в серцевині зберігається низька твердість і висока в'язкість, які забезпечуються феритом і перлітом для низьковуглецевої сталі і маловуглецевим мартенситом з феритом для легованих сталей.

Перше гартування (або нормалізація) подрібнює структуру серцевини і усуває цементитну сітку, друге гартування забезпечує появу в поверхневому шарі структури дрібноголчастого мартенситу із зернами надмірного цементиту, що і визначає високу твердість вуглецевого шару. Відпуск при 150— 200°С знімає внутрішні напруги. Цей спосіб термічної обробки є складним і застосовується для відповідальних деталей.

Найпоширенішою термічною обробкою після цементації є одинарне гартування з температури 780-850°С і низький відпуск при 150-200°С. При цьому відбувається повна перекристалізація в поверхневому шарі і часткова — в серцевині деталі.

20. Вплив легуючих елементів на структуру та фізико-механічні властивості сталей.

Легуючі елементи в сталі можуть знаходитись в твердому розчині в залізі (фериті і аустеніті) та в карбідній фазі.

Елементи, які не утворюють карбідів в сталі (ні, сі, Со), знаходяться в ній в твердому розчині — фериті або аустеніті. Карбідоутворюючі елементи (Мп, Сг, XV, V, Мо, Ті) теж здатні частково розчинятись в аустеніті та фериті. При розчиненні у фериті проходить заміщення атомів заліза атомами легуючого елемента.

Легуючі елементи по-різному впливають на механічні властивості фериту. Мп та Сі, значно підвищують твердість, одночасно понижують в'язкість фериту. XV та Мо незначною мірою підвищують твердість, але знижують в'язкість фериту. Сг зменшує в'язкість значно слабше перелічених елементів, а Кі не знижує в'язкості фериту. Важливе значення має вплив елементів на поріг холодноломкості, що характеризує схильність сталі до крихкого руйнування. Присутність хрому в залізі сприяє деякому підвищенню порога холодноломкості, тоді як нікель інтенсивно знижує поріг холодноломкості, і тим самим зменшує схильність заліза до крихких руйнувань.

Таким чином, з перерахованих найбільш розповсюджених легуючих елементів особливо цінним являється нікель. Надаючи достатньої міцності фериту, нікель не знижує його в'язкості і понижає поріг холодноломкості, тоді як інші елементи хоч і не знижають в'язкості, та надають малої міцності фериту (Сг), або сильно зміцнюють ферит, різко знижають його в'язкість (Мп,8і).

По ефективності карбідоутворення елементи можна розташувати таким чином: титан, ванадій, вольфрам, молібден, хром, марганець, залізо.

В процесі утворення карбіду, вуглець віддає свої валентні електрони на заповнення сі-електронної оболонки метала. Це обумовлює міцний металічний зв'язок та металічні властивості карбідів.

При наявності в сталі деяких легуючих елементів вуглець утворює карбіди в першу чергу з елементами, які мають менш добудовану сі-електронну оболонку.

При невеликому вмісті карбідоутворюючі елементи розчиняються в цементиті з утворенням легованого цементиту по загальній формулі (Ре, Ме)₃С, де Ме — легуючий елемент. Наприклад, якщо в цементиті розчинений Мп, утворюється карбід (Ре, Мп)₃С, якщо розчинений Сг, то утворюється карбід (Ре, Сг)₃С.

При збільшенні вмісту карбідоутворюючого елементу з'являються самостійні карбіди даного елементу з вуглецем, спеціальні карбіди, наприклад Сг₇С₃, Мо₂С, ЩС, УС, ТіС.

Карбіди всіх легуючих елементів містять в розчині залізо, а при наявності кількох карбідоутворюючих елементів містять в розчині ці елементи і тоді їх називають складними карбідами, наприклад, (Сг, Ре)₇С₃, (Сг, Ре)₂₃С₆, (Сг, Мп, Ре)₂₃С₆

Вольфрам і молібден при кількості, яка перевищує межу насичення цементиту, утворюють подвійні карбіди Ре₃\¥₃С(Ре₂\¥₂С) та Ре₃Мо₃С(Ре₂Мо₂С).

Карбіди легуючих елементів мають більш високу твердість, ніж карбід заліза Ре₃С. Так, твердість \УС біля НВ 1800кгс/мм², для ТіС НВ 3000кгс/мм², температури плавлення їх відповідно 3500 та 3200 °С.