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 106 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 рисунке 2.
Рисунок 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°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[2].
Газопламенная закалка
Нагрев осуществляется ацетиленокислородным, газокислородным или керосинокислородным пламенем с температурой 3000...3200°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 (Мк) ниже 0°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. Мк (- 80°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.
Местная упрочняющая обработка деталей
Местной упрочняющей обработке пластической деформации подвергаются детали различных форм, размеров и назначений, изготовленные из различных конструкционных материалов — сталей, чугунов, алюминиевых и титановых сплавов и т. п.
Особую группу составляют так называемые, «маложесткие детали » — панели, профили, дуги, которые требуют повышенного внимания в процессе упрочнения. Такие детали упрочняют на вибрационных, барабанных или дробеструйных установках с последующим доупрочнением отдельных, особо ответственных или неупрочненных участков средствами местного упрочнения.
Силовые детали — цилиндры, балки, коленчатые валы, стойки, рычаги и т. п. — обычно упрочняются поверхностным наклепом как по всем поверхностям, так и по отдельным, заранее определенным участкам. Наиболее часто местному поверхностному упрочнению подвергаются зоны концентрации напряжений (отверстия, шлицы, резьбы, галтели, пазы); а также участки, недоступные при упрочнении в вибрационных, ударно-барабанных, дробеструйных и других подобных установках, а также места деталей, которые после упрочнения поверхности подвергаются последующей механической обработке, приводящей к частичной потере упрочненного слоя.
В настоящее время достаточно широкое распространение получила классификация поверхностей по группам сложности, подвергаемых местному поверхностному упрочнению:
· 1 группа — плоскости (сплошные, с вырезами, с выступами).
· 2 группа — отверстия (прямолинейные и криволинейные, цилиндрические, конусные и фасонные); отверстия круглого и произвольного сечения.
· 3 группа — сложные поверхности (поверхности двойной кривизны, несквозные глубокие отверстия, окантовки и ребра жесткости, резьбовые и шлицевые поверхности).
· 4 группа — сопряженные поверхности, пересечения плоских, сложных или цилиндрических поверхностей, пересечения плоской и цилиндрической поверхностей, фаски и скосы.
Как видно из приведенной классификации, поверхности подвергаемые упрочнению, достаточно разнообразны, и поэтому в качестве параметра, определяющего способ и технологию поверхностного упрочнения, принято принимать именно форму изделия и тип упрочняемой поверхности. Еще одним фактором, влияющим на выбор способа упрочняющей обработки, являются требования по шероховатости обработанной поверхности. В зависимости от способа упрочнения шероховатость после упрочнения может или уменьшаться (например, раскатка отверстий), или увеличиваться (например, дробеструйная обработка).