Методи зміцнення поверхні деталей. Поверхневе зміцнення деталей Методи зміцнення металів
МЕТОДИ Зміцнення трубних сталей
Філіпенко Єлизавети Володимирівни
студент гр. 3 курсу, ДБОУ СПО СО «Первоуральський металургійний коледж» м. Первоуральськ
E- mail: cher - ev @ mail . ru
Щербініна Є.В.
викладач спец. дисциплін ВКК, керівник м. Первоуральськ
Металургійна промисловість- одна з найбільших галузей народного господарства та знаходиться на другому місці після нафтогазового комплексу за обсягом експортної виручки.
В останні роки рівень розвитку чорної металургії Росії значно збільшився. Це пов'язано, перш за все, зі значними обсягами фінансових інвестицій, які спрямовуються на модернізацію виробництва найбільшими підприємствами галузі.
Однією з основних галузей металургійного комплексу трубне виробництво.
Труби виготовляються промисловим способом, з металів та сплавів, органічних матеріалів (пластмас, смол), бетону, кераміки, скла, деревини та їх композицій.
Труби використовуються для транспортування різних середовищ, ізоляції або угруповання інших проводів. Металева труба широко застосовується у будівництві, як конструкційний профіль, у механізмах – як вал для передачі обертання тощо.
Труби класифікуються за способом виробництва (прокатно-безшовні, пресовані, зварні сталеві та литі).
Широке застосування у промисловості знайшли труби, виготовлені із різних марок сталей.
Існує кілька способів зміцнення трубної сталі, які мають широке застосування у виробництві:
1. Термомеханічна обробкаполягає в пластичному деформуванні аустеніту з наступним загартуванням на мартенсит і низькою відпусткою.
2. Поверхневе загартуванняполягає у нагріванні поверхневого шару сталі вище точки Ас 3 з подальшим охолодженням для отримання високої твердості та міцності в поверхневому шарі деталі у поєднанні з в'язким серцевиною. Нагрів під загартування виробляють струмами високої частоти, полум'ям газових або киснево-ацетиленових пальників, а також лазерним випромінюванням.
3. Обробка холодомпроводиться для підвищення твердості сталі шляхом переведення залишкового аустеніту загартованої сталі в мартенсит. Це виконується при охолодженні до температури нижньої мартенситної точки.
4. Зміцнення поверхні методом пластичного деформування -відбувається наклеп поверхні деталі в результаті холодної деформації, що дозволяє підвищити її втомну міцність.
5. Хіміко-термічна обробка -теплова обробка металів у різних хімічно активних середовищах з метою зміни хімічного складу та структури поверхневого шару металу, що підвищують його властивості. До цієї обробки належать цементація,нітроцементація азотування, ціанування -мета: твердості, зносостійкості та межі витривалості на поверхні деталі; дифузійна металізація (алітування, силікування, хромування і т. д.) - мета: підвищення корозійної стійкості поверхні при роботі в різних корозійних середовищах.
Інноваційні методи для зміцнення трубної сталі.
Контрольована прокатка.
Це різновид процесу високотемпературної термомеханічної обробки сталей та сплавів, що характеризується регламентованим, залежно від хімічного складу, умовами нагріву металу, температурними та деформаційними параметрами процесу та заданими режимами охолодження металу на різній стадії пластичної обробки.
В результаті: ця технологія дозволяє отримувати оптимальні поєднання міцності та в'язких властивостей готового прокату без використання термічної обробки і при нижчій витраті дефіцитних легуючих добавок.
Основний принцип контрольованої прокатки полягає у подрібненні аустенітного, а, отже, і феритного зерна, що призводить до одночасного підвищення міцності та в'язкості сталі.
Контрольована прокатка має 3 стадії отримання трубної сталі: деформація в зоні рекристалізації аустеніту, деформація аустеніту, що не кристалізується, і деформація в двофазній аустенітно-феритної області. Дослідження показали, що в процесі прокатки в чистовій кліті при температурі нижче Аr 3 на механічні властивості впливає дислокаційне, субструктурне та текстурне зміцнення. Основні відмінності між звичайною та контрольованою прокаткою полягає в тому, що при контрольованій прокатці деформаційні смуги розділяють аустенітні зерна на кілька блоків. Кордон кожного блоку є джерелом зародження феритних зерен. В результаті з аустенітного зерна однакової величини при контрольованій прокатці утворюються дрібніші феритні зерна, ніж при звичайній гарячій прокатці, коли зародження феритних зерен здійснюється на аустенітних межах. Крім того, збільшення числа активних центрів зародження фериту прискорює процес - перетворення, внаслідок чого знижується ймовірність виділення бейнітної структури, що надає низьку в'язкість сталі .
У практиці прокатного виробництва здійснюються заходи, що підвищують точність розмірів деталі:
1) застосування жорстких клітей, що забезпечують мінімальні пружні деформації прокатноїклітини;
2) поліпшення конструкції нагрівальних печей та якості нагріву, що дозволяють підтримувати рівномірну температуру по перерізу заготовки та різних заготівель;
3) застосування оптимального охолодження смуг, що компенсує підвищення температури валків під дією тепла нагрітих смуг та тепла, що виділяється при пластичній деформації;
4) збільшення твердості робочої поверхні валка;
5) рівномірна деформація металу в калібрах і зменшення тиску при прокатці застосуванням оптимальних калібрування прокатних валків, використанням в прокатних клітях сучасних підшипників кочення і рідинного тертя, оснащенням станів безперервної прокатки постійно діючими пристроями для контролю міжклітинного натягу прокату і т.д.
Рисунок 1 Схема впливу температури деформації при контрольованій прокатці на морфологію аустенітного зерна та феритно-перлітну структуру в маловуглецевих мікролегованих сталях.
Маловуглецеві сталі з комплексним зміцненням та гетерофазною структурою, що містить продукти низькотемпературного розпаду аустеніту.
Стали зі структурою, що містить полігональний ферит, бейніт та дрібні острівці мартенситу (залишкового аустеніту), мають безперервну діаграму розтягування без майданчика плинності. На противагу сталям з феритно-перлітною структурою це може забезпечувати помітне деформаційне зміцнення в процесі виробництва, виявляючи збільшення міцності металу труби в порівнянні з заготівлею, що розширює перспективи застосування сталей даного класу. Зменшити майданчик плинності та посилити тенденцію до утворення плавної діаграми розтягування можна в результаті заміни перліту бейнітом за наявності мартенситно-уастенітної складової. Слід зазначити, що значною мірою зниження переділу пов'язане з дією залишкової напруги на макрорівні. У зв'язку з цим вплив мікроструктури проявляється складніше, що потребує окремого розгляду. У листах товщиною до 12-15 мм майданчик плинності можна усунути за умови виконання співвідношення:
32,5 Mo + 10 (Mn + Cr) +2.5 Ni > 23
На жаль, російські металурги поки що не повністю готові до промислового виробництва листа та рулону зі сталей даного класу, тоді як у світову практику будівництва трубопроводів вже входить застосування труб класу точності Х100 та Х120.
Очевидно, що маловуглецеві сталі нового покоління, міцність яких забезпечується за рахунок формування низькотемпературних продуктів перетворення, відрізняються унікальним комплексом властивостей порівняно з ферито-перлітними з дисперсійними та субструктурними зміцненнями. Рівень властивостей феритно-перлітних (малоперлітних) сталей значною мірою визначається ступенем зміцнення фериту внаслідок створення субструктури та виділення в ньому карбідонітридів, головним чином ванадію.
Висновок.
Останнім часом у Росії спостерігається стабільне зростання виробництва сталевих труб. У споживанні окремих видів сталевих труб зберігаються тенденції попередніх років: зниження споживання зварних труб малого та середнього діаметра та збільшення споживання зварних труб великого діаметру та безшовних труб нафтового сортаменту, що використовуються для видобутку та транспортування газу та нафти; продовжуватиметься витіснення безшовних труб звареними, виробництво яких вже сьогодні досягло 64% загального обсягу виробництва труб.
У найближчі роки російські виробники активно модернізуватимуть обладнання, вводитимуть в експлуатацію нові потужності з виробництва якісної заготівлі та випуску труб, що відповідають світовим стандартам.
Майбутнє світової російської промисловості - за зовнішнім та внутрішнім ринками. На зовнішньому ринку рівень вже досягає до 25% труб, що виробляються в країні; на ринку теж добрі перспективи з урахуванням лідируючих позицій Росії у сфері запасів нафти й газу, високих відстаней їх транспортування й низки великих трубопровідних проектів.
Необхідність підвищення конструктивної міцності сталей визначає перехід до високоточних, наукомістких металургійних технологій. Для труб високих класів міцності очевидна перспектива маловуглецевих сталей з комплексним зміцненням і гетерофазною структурою, що містить продукти низькотемпературного розпаду аустеніту і застосування технології контрольованої прокатки, яка дозволяє отримувати оптимальні поєднання міцнісних і в'язких властивостей готового прокату без використання термічної обробки і при більш низькій витраті. .
Освоєння виробництва такої продукції потребує якісної зміни основних потужностей вітчизняних металургійних підприємств на основі використання сучасних технологій, що набули широкого застосування у світовій практиці.
Список літератури:
1. Агентство економічної інформації «Прайм»
2.Аналітичний портал «Моніторинг цін»
3.Бронфін Б.М., Ємельянов А.А., Швейкін В.П. Двофазні ферито-мартенситні сталі, зміцнені карбідами ванадію / Хімія, технологія та застосування ванадієвих сполук: Тези доповідей IV Всесоюзної наради. Нижній Тагіл, 1982. С. 106.
4.Бронфін Б.М., Ємельянов А.А., Швейкін В.П. Субструктурне зміцнення двофазних ферито-мартенситних сталей // Субструктурне зміцнення металів та дифракційні методи дослідження. Київ: Наукова Думка. 1985. С. 133-135.
5.Грачов С.В., Бараз В.Р., Богатов А.А., Швейкін В.П. Фізичне металознавство. Підручник для вишів. Єкатеринбург. Вид. 2, дод. І випр. Вид-во УГТУ-УПІ, 2001, с. 534.
Багато деталей машин працюють в умовах тертя і піддаються дії ударного та згинального навантаження, тому вони повинні мати тверду, зносостійку поверхню, міцну та одночасно в'язку та пластичну серцевину. Це досягається поверхневим зміцненням.
Призначення поверхневого зміцнення – підвищення міцності, твердості, зносостійкості поверхневих шарів деталей при збереженні в'язкого, пластичного серцевини для сприйняття ударного навантаження.
У деталей машин, що працюють при динамічних і циклічних навантаженнях, тріщини втоми виникають у поверхневих шарах під впливом напруг, що розтягують. Якщо на поверхні створити залишкові напруги стиснення, то напруги, що розтягують, від навантажень в експлуатації будуть менше і збільшиться межа витривалості (втоми). Створення поверхневих шарах деталей напруг стиснення – друге призначення поверхневого зміцнення.
Технічними умовами виготовлення деталі задаються твердість і глибина зміцненого шару, і навіть міцність і в'язкість серцевини.
Основні методи поверхневого зміцнення можна поділити на три групи:
механічні - пластичне деформування поверхневих шарів, створення наклепу (нагартування);
термічні – поверхневе загартування;
хіміко-термічна обробка (цементація, азотування, хромування та інші).
3.1. Механічне зміцнення поверхні
Зміцнення металу під впливом холодної пластичної деформації називається наклепом або нагартовкою. При цьому змінюється будова металу: спотворюється кристалічна решітка і деформуються зерна, тобто з рівноосних вони перетворюються на нерівновісні (у вигляді коржика, млинця, рис. 1). Це супроводжується збільшенням твердості та міцності в 1,5 – 3 рази. Виникають у наклепаному шарі напруги стискування підвищують опір втоми. Зміцнення поверхні пластичним деформуванням підвищує надійність роботи деталей, знижує чутливість до концентраторів напруги, підвищує опір зношування та корозійну стійкість, усуває сліди попередньої обробки.
Мал. 1. Вплив пластичної деформації на мікроструктуру металу:
а – до деформації; б – після деформації
Більшість операцій зміцнення можуть виконуватися на універсальних металорізальних верстатах (токарних, стругальних, свердлильних) з використанням простих за конструкцією пристроїв. Ці операції зміцнення найефективніші для металів із твердістю до НВ250 – 280.
Накатка роликами та кульками- операція, при якій сталевий загартований ролик (кулька), обкатуючи поверхню, що зміцнюється при заданому навантаженні (натисканні), деформує, тобто змінює поверхневий шар металу на певну глибину (рис. 2). Відбувається зміцнення – наклеп. Глибина зміцненого шару – 0,5 – 2,0 мм. Цим методом в основному зміцнюються деталі типу тіл обертання (вали, осі, гільзи) або плоскі поверхні, що мають значні за розмірами.
Дробеструминна обробка– операція, при якій частинки твердого металу (дроб), вилітаючи з дробомета з великою швидкістю (90 – 150 м/с), ударяють по поверхні, що зміцнюється, і відбувається її наклеп. Міцність, твердість та межа втоми підвищуються. Товщина зміцненого шару становить 02-04 мм. Дробеструминному наклеп піддають пружини, ресори, зубчасті колеса, вали торсіонні і т. п. Наприклад, ресорні листи після термообробки перед складанням в пакет піддають дробоструминному наклеп, що значно збільшує термін служби ресори (в три - п'ять разів).
Д 
Робеструминна обробка є кінцевою технологічною операцією для деталей після механічної та термічної обробки. Обладнанням є дробомети. Найбільш поширені механічні дробомети, що мають більшу продуктивність. Дроб – частинки кулястої форми з твердої сталі або білого чавуну. Дробеструминна обробка нормалізованої сталі марки 20 збільшує твердість на 40%, а сталі марки 45 - на 20%; залишкова напруга стиснення на поверхні – до 80 МПа.
Мал. 2. Схеми обкатування (а, б) та розкочування (в, г) поверхонь
Д 
Робеструминну обробку застосовують як ефективний метод підвищення витривалості виробів з кованої та литої сталі, для зміцнення високоміцних чавунів.
Ці методи зміцнення найпоширеніші у машинобудуванні. Крім них використовуються вібронокативання (рис. 3), калібрування отворів (рис. 4), алмазне вигладжування та ін.
Мал. 4. Схеми калібрування отворів: а – кулькою; б, в – дорном
Термомеханічна обробка сталі
Одним із технологічних процесів зміцнюючої обробки є термомеханічне оброблення (ТМО).
Термомеханічна обробка відноситься до комбінованих способів зміни будови та властивостей матеріалів.
При термомеханічній обробці поєднуються пластична деформація та термічна обробка (загартування попередньо деформованої сталі в аустенітному стані).
Перевагою термомеханічної обробки є те, що при суттєвому збільшенні міцності характеристики пластичності знижуються незначно, а ударна в'язкість вища в 1,5...2 рази в порівнянні з ударною в'язкістю для тієї ж сталі після гарту з низькою відпусткою.
Залежно від температури, за якої проводять деформацію, розрізняють високотемпературну термомеханічну обробку (ВТМО) і низькотемпературну термомеханічну обробку (НТМО).
Сутність високотемпературної термомеханічної обробки полягає у нагріванні сталі до температури аустенітного стану (вище А 3). При цій температурі здійснюють деформацію сталі, що веде до наклеп аустеніту. Сталь з таким станом аустеніту піддають загартування (рис. 16.1 а).
Високотемпературна термомеханічна обробка практично усуває розвиток відпускної крихкості в небезпечному інтервалі температур, послаблює незворотну крихкість відпуску і різко підвищує ударну в'язкість при кімнатній температурі. Знижується температурний поріг охолодження. Високотемпературна термомеханічна обробка підвищує опір крихкому руйнуванню, зменшує чутливість до тріщиноутворення при термічній обробці.
Мал. 16.1. Схема режимів термомеханічної обробки сталі: а – високотемпературне термомеханічне оброблення (ВТМО); б - низькотемпературна термомеханічна обробка (НТМО).
Високотемпературну термомеханічну обробку ефективно використовувати для вуглецевих, легованих, конструкційних, пружинних та інструментальних сталей.
Подальша відпустка при температурі 100…200 o З проводиться задля збереження високих значень міцності.
Низькотемпературне термомеханічне оброблення (аусформінг).
Сталь нагрівають до аустенітного стану. Потім витримують при високій температурі, охолоджують до температури, вище температури початку мартенситного перетворення (400...600 o С), але нижче температури рекристалізації, і при цій температурі здійснюють обробку тиском і загартування (рис. 16.1 б).
Низькотемпературна термомеханічна обробка, хоч і дає більш високе зміцнення, але не знижує схильності сталі до крихкості відпуску. Крім того, вона вимагає високих ступенів деформації (75…95 %), тому потрібне потужне обладнання.
Низькотемпературну термомеханічну обробку застосовують до середньовуглецевих легованих сталей, загартовуваних на мартенсит, які мають вторинну стабільність аустеніту.
Підвищення міцності при термомеханічній обробці пояснюють тим, що в результаті деформації аустеніту відбувається дроблення зерен (блоків). Розміри блоків зменшуються в два – чотири рази порівняно із звичайним загартуванням. Також збільшується щільність дислокацій. При подальшому загартуванні такого аустеніту утворюються дрібніші пластинки мартенситу, знижуються напруги.
Механічні властивості після різних видів ТМО для машинобудівних сталей загалом мають такі характеристики (див. табл. 16.1):
Таблиця 16.1. Механічні властивості сталей після ТМО
Термомеханічну обробку застосовують для інших сплавів.
Поверхневе зміцнення сталевих деталей
Конструкційна міцність часто залежить стану матеріалу в поверхневих шарах деталі. Одним із способів поверхневого зміцнення сталевих деталей є поверхневе загартування.
В результаті поверхневого гарту збільшується твердість поверхневих шарів виробу з одночасним підвищенням опору стирання та межі витривалості.
Загальним для всіх видів поверхневого гарту є нагрівання поверхневого шару деталі до температури гарту з наступним швидким охолодженням. Ці методи відрізняються способами нагрівання деталей. Товщина загартованого шару при поверхневому загартуванні визначається глибиною нагрівання.
Найбільшого поширення мають електротермічна загартування з нагріванням виробів струмами високої частоти (ТВЧ) і газополум'яне загартування з нагріванням газово-кисневим або киснево-гасовим полум'ям.
Загартування струмами високої частоти.
Метод розроблений радянським ученим Вологдіним В.П.
Заснований на тому, що якщо в змінне магнітне поле, створюване провідником-індуктором, помістити металеву деталь, то в ній індукуватимуть вихрові струми, що викликають нагрівання металу. Чим більша частота струму, тим тонше виходить загартований шар.
Зазвичай використовуються машинні генератори із частотою 50…15000 Гц і лампові генератори із частотою більше 10 6 Гц. Глибина загартованого шару – до 2 мм.
Індуктори виготовляються із мідних трубок, усередині яких циркулює вода, завдяки чому вони не нагріваються. Форма індуктора відповідає зовнішній формі виробу, при цьому необхідно сталість зазору між індуктором та поверхнею виробу.
Схема технологічного процесу загартування ТВЧ представлена на рис. 16.2.
Мал. 16.2. Схема технологічного процесу загартування ТВЧ
Після нагрівання протягом 3...5 з індуктора 2 деталь 1 швидко переміщається в спеціальний охолодний пристрій - спрейер 3, через отвори якого на нагріту поверхню розбризкується загартована рідина.
Висока швидкість нагрівання зміщує фазові перетворення на область більш високих температур. Температура гарту при нагріванні струмами високої частоти повинна бути вищою, ніж при звичайному нагріванні.
При правильних режимах нагрівання після охолодження виходить структура дрібноголчастого мартенситу. Твердість підвищується на 2…4 HRC у порівнянні зі звичайним загартуванням, зростає зносостійкість і межа витривалості.
Перед гартуванням ТВЧ виріб піддають нормалізації, а після гарту низької відпустки при температурі 150...200 o С (самовідпустка).
Найбільш доцільно використовувати цей метод для виробів із сталей із вмістом вуглецю понад 0,4 %.
Переваги методу:
· велика економічність, немає необхідності нагрівати весь виріб;
· Вищі механічні властивості;
· Відсутність обезуглерожування та окислення поверхні деталі;
· Зниження шлюбу по коробленню та утворенню гартових тріщин;
· Можливість автоматизації процесу;
· Використання гарту ТВЧ дозволяє замінити леговані сталі на більш дешеві вуглецеві;
· дозволяє проводити загартування окремих ділянок деталі.
Основний недолік методу- Висока вартість індукційних установок та індукторів.
Доцільно використовувати у серійному та масовому виробництві.
Газополум'яне загартування.
Нагрів здійснюється ацетиленокисневим, газокисневим або гасово-кисневим полум'ям з температурою 3000 ... 3200 o С.
Структура поверхневого шару після загартування складається з мартенситу, мартенситу та фериту. Товщина загартованого шару 2...4 мм, твердість 50...56 HRC.
Метод застосовується для загартування великих виробів, що мають складну поверхню (косозубі шестірні, черв'яки), для загартування сталевих та чавунних прокатних валків. Використовується в масовому та індивідуальному виробництві, а також під час ремонтних робіт.
При нагріванні великих виробів пальники та охолоджувальні пристрої переміщаються вздовж виробу, або навпаки.
Недоліки методу:
· Невисока продуктивність;
· Складність регулювання глибини загартованого шару і температури нагріву (можливість перегріву).
Старіння
Відпустка застосовується до сплавів, які піддані загартування з поліморфним перетворенням.
До матеріалів, підданих гартуванню без поліморфного перетворення, застосовується старіння.
Загартування без поліморфного перетворення – термічна обробка, що фіксує при більш низькій температурі стан, властивий сплаву при більш високих температурах (пересичений твердий розчин).
Старіння- Термічна обробка, при якій головним процесом є розпад пересиченого твердого розчину.
Внаслідок старіння відбувається зміна властивостей загартованих сплавів.
На відміну від відпустки, після старіння збільшуються міцність та твердість, і зменшується пластичність.
Старіння сплавів пов'язане зі змінною розчинністю надмірної фази, а зміцнення при старінні відбувається в результаті дисперсійних виділень при розпаді пересиченого твердого розчину і виникаючих при цьому внутрішніх напруг.
У сплавах, що старіють, виділення з твердих розчинів зустрічаються в наступних основних формах:
· тонкопластинчастої (дископодібної);
· рівноосної (сферичної або кубічної);
· голчастою.
Форма виділень визначається конкуруючими факторами: поверхневою енергією та енергією пружної деформації, що прагнуть до мінімуму.
Поверхнева енергія є мінімальною для рівноосних виділень. Енергія пружних спотворень мінімальна виділень як тонких пластин.
Основне призначення старіння - підвищення міцності та стабілізація властивостей.
Розрізняють старіння природне, штучне та після пластичної деформації.
Природним старіннямназивається мимовільне підвищення міцності та зменшення пластичності загартованого сплаву, що відбувається в процесі його витримки за нормальної температури.
Нагрів сплаву збільшує рухливість атомів, що прискорює процес.
Підвищення міцності в процесі витримки при підвищених температурах називається штучним старінням.
Межа міцності, межа плинності та твердість сплаву зі збільшенням тривалості старіння зростають, досягають максимуму і потім знижуються (явище перестарювання)
При природному старінні перестарювання немає. З підвищенням температури стадія перестарювання досягається раніше.
Якщо загартований сплав, що має структуру пересиченого твердого розчину, піддати пластичній деформації, то також прискорюються процеси, що протікають при старінні – це деформаційне старіння.
Старіння охоплює всі процеси, що відбуваються в пересиченому твердому розчині: процеси, які готують виділення, і процеси виділення.
Для практики велике значення має інкубаційний період - час, протягом якого в загартованому сплаві відбуваються підготовчі процеси, коли зберігається висока пластичність. Це дозволяє проводити холодну деформацію після загартування.
Якщо при старінні відбуваються лише процеси виділення, то явище називається дисперсійним твердінням.
Після старіння підвищується міцність та знижується пластичність низьковуглецевих сталей у результаті дисперсних виділень у фериті цементиту третинного та нітридів.
Старіння є основним способом зміцнення алюмінієвих та мідних сплавів, а також багатьох жароміцних сплавів.
Обробка сталі холодом
Високовуглецеві та багато леговані сталі мають температуру кінця мартенситного перетворення (М до) нижче 0 o С. Тому в структурі сталі після гарту спостерігається значна кількість залишкового аустеніту, який знижує твердість виробу, а також погіршує магнітні характеристики. Для усунення залишкового аустеніту проводять додаткове охолодження деталі в області негативних температур, до температури нижче т.п. М до(- 80 o С). Зазвичай для цього використовують сухий лід.
Така обробка називається обробкою стали холодом.
Обробку холодом необхідно проводити відразу після гарту, щоб не допустити стабілізації аустеніту. Збільшення твердості після обробки холодом зазвичай становить 1...4 HRC.
Після обробки холодом сталь піддають низькому відпустці, так як обробка холодом не знижує внутрішніх напруг.
Обробці холодом піддають деталі шарикопідшипників, точних механізмів, вимірювальні інструменти.
Зміцнення методом пластичної деформації
Основне призначення методів механічного зміцнення поверхні - підвищення міцності втоми.
Методи механічного зміцнення – наклепування поверхневого шару на глибину 0,2…0,4 мм.
Різновидами є дробоструминна обробка та обробка роликами.
Дробеструминна обробка –обробка дробом поверхні готових деталей.
Здійснюється за допомогою спеціальних дробоструминних установок, що викидають сталевий або чавунний дріб на поверхню оброблюваних деталей. Діаметр дробу – 0,2…4 мм. Удари дробу спричиняють пластичну деформацію на глибину 0,2…0,4 мм.
Застосовують для зміцнення деталей у канавках, на виступах. Піддають вироби типу пружин, ресор, ланки ланцюгів, гусениць, гільзи, поршні, зубчасті колеса.
При обробці роликамидеформація здійснюється тиском ролика з твердого металу на поверхню виробу, що обробляється.
При зусиллях на ролик, що перевищують межу текучості матеріалу, що обробляється, відбувається наклеп на потрібну глибину. Обробка покращує мікрогеометрію. Створення залишкових напруг стиснення підвищує межу втоми та довговічність виробу.
Обкатка роликами застосовується при обробці шийок валів, дроту, калібрування труб, прутків.
Не потрібне спеціальне обладнання, можна використовувати токарні чи стругальні верстати.
Таблиця 1.3.5.1
|
Зміцнення фізичними та фізико-хімічними методами
Для підвищення зносостійкості та твердості поверхні деталей машин, що працюють в умовах підвищених температур в інертних газах, жаростійкості та корозійної стійкості поверхні застосовують зміцнення методами електроіскрової обробки. Цей метод полягає у легуванні поверхневого шару металу виробу (катода) матеріалом електрода (анода) при іскровому розряді повітряного середовища. В результаті хімічних реакцій легуючого металу з азотом, вуглецем і металом деталі в поверхневих шарах утворюються загартовані структури і складні хімічні сполуки, виникає зміцнений дифузійний зносостійкий шар, що має високу твердість. Для нанесення багатошарових покриттів використовують методи іонно-плазмової обробки.
Зміцнення методами пластичного деформування
Зміцнення виконується з метою підвищення опору втоми та твердості поверхневого шару металу та формування в ньому спрямованих внутрішніх напруг, переважно напруг стиснення, а також регламентованого рельєфу мікронерівностей на поверхні.
Зміцнюючу обробку поверхневим пластичним деформуванням ефективно застосовують на фінішних операціях технологічного процесу виготовлення деталей машин замість операцій остаточної обробки різанням лезовими або абразивними інструментами.
Поверхневе пластичне деформування, яке виконується без використання зовнішнього тепла і забезпечує створення зазначеного комплексу властивостей поверхневого шару, називають наклепом.
Шар металу, у якому проявляються ці властивості, відповідно називають наклепаним.
В результаті клепи підвищуються всі характеристики опору металу деформації, знижується його пластичність та збільшується твердість.
Інтенсивність наклепу тим вища, чим м'якша сталь; на незагартованих сталях в результаті поверхневого деформування можна отримувати збільшення твердості більше 1000%, а у загартованих лише на 10-15%. Приріст твердості визначається структурою сталі, що деформується.
Наклеп поверхні виконують бомбардуванням її струменем сталевого або чавунного дробу, кульок або суспензії, що містить абразивні частинки; обкатування роликами, кулями або ротаційним інструментом, карбуванням.
Дробеструменева наклеп забезпечує неглибоку пластичну деформацію до 0,5-0,7 мм. Застосовують для поверхонь невеликих складних деталей форм, а також деталей малої жорсткості типу пружин, ресор і ін.
Застосовують переважно сталевий дріб діаметром 0,8-2 мм. Глибина наклепу при дробоструминній обробці не перевищує 0,8 мм.
Поверхня деталі набуває деякої шорсткості і подальшої обробки не піддається.
Режим обробки визначається швидкістю подачі дробу, витратою дробу в одиницю часу та експозицією – часом, протягом якого оброблювана поверхня знаходиться під ударами дробу. Поверхня деталі повинна бути повністю покрита слідами-вм'ятинами.
Поверхнева твердість оброблюваного матеріалу та глибина пластичної деформації залежать від режимів зміцнення, фізико-механічних властивостей, структури та хімічного складу матеріалу. Найбільший вплив на поверхневу твердість надає питомий тиск деформуючого елемента в контакті з оброблюваною деталлю і кратність застосування цього тиску. Перевищення гранично допустимого тиску або числа циклів навантаження супроводжується зупинкою зростання твердості і її зниження у зв'язку з перенаклепом, тобто руйнуванням поверхневого шару металу, що виникає в результаті межі пластичного деформування його кристалічної решітки.
Для зміцнення виробів із твердістю до HRC65 застосовують метод алмазного вигладжування. Він може замінити операції остаточного шліфування, полірування поверхонь. Метод широко універсальний. Раціональний для обробки сталевих загартованих і термічно не зміцнених деталей, з поверхневими покриттями і без них, а також деталей з кольорових металів і сплавів.
Наклеп поверхневого шару струменем суспензії (рідина + абразивні частинки) застосовують для випадків, коли потрібна найбільша глибина зміцненого шару.
Зміцненням енергією вибуху можна підвищити зносостійкість при стиранні, твердість поверхневого шару, межі міцності та плинності, статичну міцність (зварних з'єднань в результаті наскрізного наклепу зварного шва та зони термічного впливу), циклічну міцність, покращити якість поверхневого.
Зміцнення при імпульсних навантаженнях вибухом суттєво відрізняється від зміцнення у звичайних умовах.
При ударі з більшою швидкістю, властивим вибухом, ефект зміцнення зростає зі збільшенням швидкості удару. У металі можуть виникнути високі локальні температури, що викликають фазові перетворення локальних ділянках. Одночасно діють процеси, властиві зміцненню при звичайних швидкостях деформування, такі як двійникування, зрушення, фрагментація.
Поверхні лопаток піддаються зміцненню після остаточної механічної та термічної обробки.
Зміцнення деталі мікрокульками дозволяє:
а) створити тонку наклеп на деталях, що мають гострі кромки або малі радіуси западин галтелей, канавок;
б) ліквідувати в поверхневому шарі можливі після механічної обробки залишкові розтягувальні напруги і створити стискаючі залишкові напруги;
в) підвищити жорсткість поверхні;
г) підвищити та стабілізувати межу витривалості;
д) підвищити чистоту поверхні на один – два класи до 0,63 …0,32
У ряді зміцнювальних технологій особливе місце посідає ультразвукове зміцнення. Зміцнення металу ультразвуковою обробкою має ряд особливостей – експресність, високу ефективність, можливість обробки виробів, що не піддаються зміцненню іншими способами. Крім того, поєднання ультразвукової з якоюсь іншою зміцнюючою обробкою часто може посилити ефективність останньої. До переваг ультразвукового зміцнення слід також віднести можливість створення для певного класу деталей поверхневого та об'ємного наклепу, а також їх комбінацій. При цьому досягається вигідне розподілення внутрішніх напруг у металі і такий структурний стан, при якому вдається збільшити в 2-3 рази запаси міцності деталей, що працюють при змінних навантаженнях, збільшити термін їхньої служби в десятки разів.
Ультразвукову зміцнюючу обробку можна здійснити або рідини, в якій поширюються ультразвукові коливання, або за допомогою деформуючих тіл, що коливаються з ультразвуковою частотою.
Ультразвуковий хвильовий процес у рідині супроводжується виникненням більшого числа розривів, у вигляді дрібних бульбашок у напівперіод розтягування, та захлопування їх у напівперіод стиснення – кавітацією. У момент захлопування бульбашок розвиваються місцеві миттєві тиски, що досягають сотень атмосфер. Кавітаційні бульбашки зароджуються переважно на поверхні поміщених у рідину виробів. При захлопуванні бульбашок відбувається наклеп поверхні деталі. Глибина наклепу, твердість, а отже зносостійкість наклепаного шару.
Ультразвукове зміцнення деталей за допомогою деформуючих тіл може здійснюватися за двома технологічними схемами:
а) впливом на оброблювану поверхню безпосередньо інструментом;
б) впливом на оброблювану поверхню робочим середовищем (сталевими кульками).
Багато деталей працюють за умов підвищеного зносу поверхні. Тому є необхідність цю поверхню якось захистити. Це досягається методами поверхневого зміцнення.
Зміцнити поверхню означає підвищити властивості поверхні: твердість, зносостійкість, корозійну стійкість. Якщо треба змінити властивості, це означає, що має змінитися структура поверхневого шару. Для зміни структури можна використовувати деформацію, термічну обробку з нагріванням у різний спосіб, зміну хімічного складу поверхні, нанесення захисних шарів.
В основному методи зміцнення поверхоньможна розбити на дві основні групи:
1) зміцнення виробу без зміни хімічного складу поверхні, але із зміною структури. Зміцнення досягається поверхневим загартуванням, поверхневим пластичним деформуванням та іншими методами.
2) зміцнення виробу із зміною хімічного складу поверхневого шару та його структури. Зміцнення здійснюється різними методами хіміко-термічної обробки та нанесенням захисних шарів.
Методи зміни структури
З методів зміцнення без зміни хімічного складу поверхні, але зі зміною її структури найбільш поширені способи поверхневого загартування і різні види поверхневого пластичного деформування (ППД).
По суті, деформація поверхні - це найбільш простий спосіб, при якому характеристики міцності поверхні зростають. Тут використано наступний принцип. Якщо згадати криву деформаційного зміцнення, то виявиться, що більше розтягуємо метал, тим більше метал опирається, тим більше сила розтягування Р max (до певної межі, звичайно). Зміцнюється метал і під час кручення, і при стисканні. У технологіях ППД поверхневий шар металу деформують (наклепують) різними способами.
Основне призначення ППД - підвищення міцності втоми шляхом наклепу поверхні на глибину 0,2-0,4 мм. Різновидами ППД є дробоструминна обробка, обробка роликами, голкофрезерування, накочування рельєфу та ін.
Дробеструминна обробка- Обробка дробом поверхні готових деталей. Застосовується для зміцнення деталей, видалення окалини. Дробеструминну обробку піддають вироби типу пружин, ресор, ланки ланцюгів, гусениць, гільзи, поршні, зубчасті колеса.
При обробці роликами деформація здійснюється тиском ролика з твердого металу на поверхню виробу, що обробляється. При зусиллях на ролик, що перевищують межу текучості матеріалу, що обробляється, відбувається наклеп на потрібну глибину.
Обробка роликамипокращує мікрогеометрію виробу. Створення залишкових напруг стиснення підвищує межу втоми та довговічність виробу. Обкатка роликами застосовується для обробки валів, калібрування труб, прутків. На рис. 1 показаний зміцнений поверхневий шар зразка сталевої осі залізничного вагона зі сталі 45. Мікроструктура шару є деформованими зерна фериту і перліту. Накатка роликом подрібнила структуру, в поверхневому шарі окремі зерна невиразні (рис.1, а). Там, де деформація була меншою, можна розрізнити структуру, яка має спрямованість, характерну для деформації (рис.1, б). Глибину зміцнення контролюють зміни мікротвердості (рис.2).
 |
|
| а | б |
Малюнок 1. Мікроструктура поверхневого шару стали 45 після накатки роликом
Малюнок 2. Зміна мікротвердості за глибиною поперечного перерізу валів різного діаметра.
Голкорфрезерування за допомогою фрез, на поверхні яких знаходиться від 200 тисяч до 40 мільйонів щільно розташованих голок із високоміцного сталевого дроту діаметром 0,2-0,8 мм, також дозволяє проводити зміцнення поверхні деталей. Голкорфрезерування застосовуютьдля обробки плоских та циліндричних поверхонь, а також для очищення деталей від окалини. При иглофрезеровании також утворюється зміцнений поверхневий шар (рис. 3). В даному випадку зміцнений шар складається з деформованих зерен фериту та перліту (рис.3, а). На поверхні, що оброблялася, видно сліди фрези (рис.3,б).
Малюнок 3. Мікроструктура зміцненого шару сталі 20ХНР(а), вихідний стан-нормалізація; поверхню після голкорфрезерування (б).
Сутність поверхневого гарту полягає в тому, що поверхневі шари сталевої деталі швидко нагрівають вище температури гарту, а потім охолоджують зі швидкістю вище критичної. Основне призначення поверхневого загартування:підвищення твердості, зносостійкості та межі витривалості поверхні при збереженні в'язкої серцевини. Нагрів, в принципі, може бути здійснений у різний спосіб. У промисловості найпоширенішим способом поверхневого зміцнення є індукційне загартування з нагріванням струмами високої частоти. Як правило, зміцнений шар видно вже за макроструктурного аналізу (рис. 4). Зліва - нетрівлена ділянка зразка. Він сильніше відбиває світло під час зйомки, тому виглядає темним. Праворуч – ділянка після травлення. Загартований шар добре видно.
4. Фрагмент автомобільної деталі; макроструктура
І при макроструктурному, і при мікроструктурному (рис.5, а) аналізі видно, що зміцнена зона складається з 2 шарів: світлий біля поверхні і далі темніший. Верхній світлий шар має структуру мартенситу загартування (рис.5, б). Мартенсит утворився при швидкому охолодженні поверхні. Темніший шар - мартенсит відпустки (рис.5, в). Це той мартенсит, який також утворився при прискореному охолодженні, але довше перебував при підвищеній температурі, чого вистачило для того, щоб відбулася відпустка. У серцевині деталі на різній глибині можуть бути сорбіт або троостит (рис.5, г).
Рисунок 5. Мікроструктура шару (на рис.4), отриманого загартуванням ТВЧ: а - шари мартенситу гарту та відпустки, б - мартенсит гарту, в - мартенсит відпустки, г - троостит і мартенсит у серцевині.
Методи зміни структури та складу
До методів зміцнення із зміною хімічного складу та структури поверхні відноситься хіміко-термічна обробка (ХТО). Вона полягає в насиченні поверхневого шару стали різними елементами за високої температури. Залежно від насичуючого елемента існують такі різновиди хіміко-термічної обробки: цементація, азотування, нітроцементація (ціанування), борування, дифузійна металізація(алітування, хромування, силікування тощо). Спільним всім видів поверхневого зміцнення є підвищення твердості поверхневого шару. Вибір методу поверхневого зміцнення деталі залежить від умов її експлуатації, форми, розмірів, марки обраної сталі та інших факторів.
Найбільш широко використовується цементація – насичення поверхні сталі вуглецем.Цементація надає поверхні сталі високу твердість та зносостійкість при збереженні в'язкої та пластичної серцевини. Остаточні властивості цементовані вироби набувають після гарту та низької відпустки. Цементації зазвичай піддаються деталі, виготовлені зі сталей із вмістом вуглецю до 0,25%, що працюють в умовах контактного зношування та застосування знакозмінних навантажень: середньорозмірні зубчасті колеса, втулки, поршневі пальці, кулачки, вали коробок передач автомобілів, окремі деталі рульового управління і т.д. буд.
Цементований шар має змінну концентрацію вуглецю по товщині, що зменшується від поверхні до серцевини сталевої деталі. Тому структура, яка формується при цементації в поверхневому шарі, матиме різне співвідношення перліту, фериту та цементиту. Розрізняють чотири основні зони сталевого виробу після цементації (рис.6):
Мал. 6. Мікроструктура вуглецевої доевтектоїдної сталі 10 після цементації.
1 - заевтектоїдна зона, що складається з перліту та цементитної сітки (рис.7а);
2 - евтектоїдна зона, що являє собою перліт (рис.7б);
3 -доевтектоїдна зона, в якій у міру наближення до серцевини зменшується кількість вуглецю, перліту, а кількість фериту зростає (рис.7в);
4 – вихідна, без зміни після цементації, структура сталевого виробу.
За глибину цементованого шару "h" приймають суму заевтектоїдної, евтектоїдної та половину доевтектоїдної зони, де кількість фериту та перліту становить по 50%.
Малюнок 7. Структура зон цементованої деталі: а - заевтектоїдна зона (цементит + перліт), б - зона евтектоїду (перліт), в - доевтектоїдна зона (перліт + ферит).
Рисунок 8. Зміна твердості у поверхневому шарі після цементації та термічної обробки
Азотуванняявляє собою процес насичення поверхневого шару сталі азотом і найчастіше проводиться при температурах 500-600 про С. Азотування, як і цементація, підвищує твердість і зносостійкість поверхні сталі. На рис.9 показано серію відбитків при вимірі мікротвердості на поперечному шліфі азотованого зразка. Вгорі – зміцнений шар (темна смуга). Діаметр відбитків знижується при наближенні до поверхні. Там твердість вища.
Малюнок 9. «Доріжка» відбитків мікротвердості; сталева деталь після азотування
Азотований шар зазвичай має білий колір. Сам шар при металографічному травленні не змінюється, а під ним сталь має структуру, що відповідає термічній обробці (рис.10). На рис.11 показана автомобільна деталь та зміна мікротвердості по різних "зуб'ях".
Малюнок 10. Азотований шар на сталі 40ХГНМ
 |
 |
| а | б |
Малюнок 11. Автомобільна деталь (а) та зміна мікротвердості (б) її поверхневого шару після азотування
В даний час широко застосовується плазмове та іонно-плазмове азотування. Структура поверхневого шару після такої обробки є дрібнодисперсний мартенсит (1), під яким знаходиться перехідна зона (2); глибше розташовується структура, що не змінилася (3) (рис. 12).
12. Структура поверхневого шару після обробки плазмою азоту; сталь У8А
Борірування - процес хіміко-термічної обробки, дифузійного насичення поверхні металів і сплавів бором при нагріванні. Борірування призводить до суттєвого підвищення твердості поверхні. Борірування проводять у порошкових сумішах, електролізом. Є також рідинне безелектролізне борування, іонне борування та борування з обмазок (паст). Борірування найчастіше проводять при електролізі розплавленої бури (Na 2 B 4 O 7). Виріб служить катодом. Температура насичення 930-950 ° C, витримка 2 - 6 годин.
На поверхні зразка після борування формується білий щільний шар боридів (рис.13). Білий шар складається з стовпчастих кристалів складу FeB і Fe 2 B, що переплітаються. На будову боридного шару впливає склад сталі. У сталі 25ХГТ (рис. 13, а) і сталі 45 (рис. 13, б) між кристалами боридів є зона твердого розчину. У сталі 40Х (рис. 13, в) шар становлять лише протяжні голки боридів. Між борованим шаром і серцевиною формується зигзагоподібна межа розділу.
 |
 |
 |
| а | б | в |
Малюнок 13. Структура борованих шарів у сталях 25ХГТ(а), 45(б), 40Х(в)
