Механическое упрочнение поверхности

Упрочнение металла под действием холодной пластиче­ской деформации называется наклепом или нагартовкой. При этом изменяется строение металла: искажается кристал­лическая решетка и деформируются зерна, т. е. из равноос­ных они превращаются в неравноосные (в виде лепешки, блина, рис. 1). Это сопровождается увеличением твердости и проч­ности в 1,5 – 3 раза. Возникающие в наклепанном слое на­пряжения сжатия повышают сопротивление усталости. Уп­рочнение поверхности пластическим деформированием повы­шает надежность работы деталей, снижает чувствительность к концентраторам напряжений, повышает сопротивление изнашиванию и коррозионную стойкость, устраняет следы пре­дыдущей обработки.

а б

Рис. 1. Влияние пластической деформации на микроструктуру металла:

а – до деформации; б – после деформации

Большинство операций упрочнения могут выполняться на универсальных металлорежущих станках (токарных, стро­гальных, сверлильных) с использованием простых по конст­рукции приспособлений. Эти операции упрочнения наиболее эффективны для металлов с твердостью до НВ250 – 280.

Накатка роликами и шариками – операция, при которой стальной закаленный ролик (шарик), обкатывая упрочняемую поверхность при заданной нагрузке (нажатии), деформирует, т. е. сминает поверхностный слой металла на определенную глубину (рис. 2). Происходит упрочнение – наклеп. Глубина упрочненного слоя – 0,5 – 2,0 мм. Этим методом в основном упрочняются детали типа тел вращения (валы, оси, гильзы) или имеющие значительные по размерам плоские поверхности.

Дробеструйная обработка – операция, при которой частицы твердого металла (дробь), вылетая из дробемета с большой скоростью (90 – 150 м/с), ударяют по уп­рочняемой поверхности, и происходит ее наклеп. Прочность, твердость и предел усталости повышаются. Толщина упроч­ненного слоя составляет 0,2 – 0,4 мм. Дробеструйному накле­пу подвергают пружины, рессоры, зубчатые колеса, валы торсионные и т. п. Например, рессорные листы после термо­обработки перед сборкой в пакет подвергают дробеструйному наклепу, что значительно увеличивает срок службы рессоры (в три – пять раз).

Дробеструйная обработка является конечной технологи­ческой операцией для деталей после механической и терми­ческой обработки. Оборудованием являются дробеметы. Наиболее распространены механические дробеметы, имеющие большую производительность. Дробь – частицы шарообраз­ной формы из твердой стали или белого чугуна. Дробеструйная обра­ботка нормализованной стали марки 20 увеличивает твердость на 40 %, а стали марки 45 – на 20 %; остаточное напряжение сжатия в поверхности – до 80 МПа.

Рис. 2. Схемы обкатывания (а, б) и раскатывания (в, г) поверхностей

Дробеструйную обработку применяют как эффективный метод повышения выносливости изделий из кованой и литой стали, для упрочнения высокопрочных чугунов.

Эти методы упрочнения наиболее распространены в ма­шиностроении. Кроме них используются вибронакатывание (рис. 3), калибровка отверстий (рис. 4), алмазное выгла­живание и др.

Рис. 4. Схемы калибровки отверстий: а – шариком; б, в – дорном

3.2. Термическое упрочнение – поверхностная закалка

Сущность поверхностной закалки состоит в том, что верхние слои детали быстро нагреваются выше температуры критических точек и создается резкий перепад температуры по сечению от поверхности к сердцевине. Если нагрев пре­рвать и деталь быстро охладить, то закалку получит только ее поверхность, а сердцевина останется незакаленной.

Закалка с индукционным нагревом то­ком высокой частоты (закалка ТВЧ) – операция, при которой деталь для нагрева помещают в индуктор (со­леноид), представляющий собой один или несколько витков медной трубки, охлаждаемой проточной водой. Переменный ток высокой частоты, протекая по индуктору, создает пере­менное магнитное поле (рис. 5 и 6). В результате в поверхно­стном слое детали возникают вихревые токи и выделяется джоулево тепло. Происходит быстрый нагрев поверхности до температуры за

калки. Время нагрева – 20 – 50 с.

Рис. 5. Схема нагрева детали ТВЧ: 1 – генератор тока

высокой частоты; 2 – конденсатор; 3 – индуктор; 4 – деталь

Установка для закалки с нагревом ТВЧ состоит из гене­ратора тока высокой частоты, конденсаторной батареи, индуктора, приспо­собления для охлаждения (спрейера). Контроль за темпера­турой нагрева осуществляется автоматически. Основные па­раметры процесса: температура, скорость, глубина нагрева.

Охлаждение нагретой для закалки детали производится либо в баке (с водой, эмульсией или маслом), либо душевым устройством – спрейером. Глубина закаленного слоя, в за­висимости от условий работы детали, – 1,5 – 4,0 мм. После закалки ТВЧ деталь подвергают низкому отпуску, или само­отпуску. Поверхностную индукционную закалку чаще приме­няют для углеродистых сталей (0,4 – 0,5 % углерода) и значительно реже – для легированных.

После закалки ТВЧ твердость поверхности на две – три еди­ницы HRC выше, чем после обычной закалки, и более мелкое действительное зерно (10-й – 12-й балл). Сопротивление уста­лостному разрушению повышается в 1,5 – 2 раза.

Получила распространение поверхностная закалка при глубинном нагреве. При этом используют специально разработанные стали пониженной и регламентированной прокаливаемости (РП). Так, например, для изготовления ведущей шестерни колесно-моторного блока локомотива применяют сталь ШХ4 вместо применяемой ранее цементованной стали 20ХН3А, для изготовления пружин из прутка диаметром до 30 мм – сталь 55С вместо стали 55С2, а для внутренних колец роликовых подшипников – сталь ШХ4 вместо стали ШХ15ГС.

При поверхностной закалке, в том числе с глубинным нагревом, повышается сопротивление усталостному разрушению.

Индукционный нагрев позволяет сократить длительность термической обработки и повысить производительность труда, получить поверхность без окалины, уменьшить деформацию и коробление деталей при закалке.

Закалка ТВЧ создает условия для полной механизации и автоматизации, обеспечивает термообработку в поточной линии без разрыва технологического процесса. Особенно эффективен этот метод для серийного и массового производства. Он экономически нерентабелен для закалки единичных деталей, так как для каждой требуется изготавливать индуктор и подбирать ре­жимы тока.

Преимущества высокочастотной закалки:

- высокая производительность;

- повышение износостойкости и циклической прочности;

- отсутствие обезуглероживания поверхности;

- незначительное окисление поверхности;

- малое коробление детали (деформация);

- точная регулировка глубины закаленного слоя;

- возможность автоматизации и организа­ции поточных линий;

- возможность замены легированных сталей углероди­стыми;

- при высокочастотном нагреве теплота генерируется в самом металле детали и не зависит от внешнего источника тепла, что обеспечивает очень быстрый нагрев.

Закалка с индукционным нагревом широко применяется во всех отраслях промышленности для упрочнения коленча­тых и шлицевых валов, распределительных валиков, зубьев крупных шестерен, тормозных шкивов, шпинделей, борштанг и других деталей.

Закалка с газопламенным нагревом при­меняется в основном для крупных деталей, толщина закален­ного слоя – не менее 20 – 40 мм при минимальной твердости HRC55 – 58.

Поверхность детали нагревают газовым пламенем, имею­щим температуру 2400 – 3150°С. Для нагрева используют одно- и многопламенные горелки. Вследствие подвода боль­шого количества тепла поверхность детали быстро нагрева­ется до температуры выше фазовых превращений. Последую­щее спрейерное охлаждение обеспечивает закалку поверхно­стного слоя.

Наибольшее распространение получил нагрев ацетилено-кислородным пламенем (3150°С) и более дешевым и безо­пасным керосино-кислородным пламенем (2400°С). Горючий газ и кис­лород могут поступать из баллонов, генераторов, газгольде­ров; в горелках газы смешиваются, и при их горении происходит быстрый на­грев поверхности.

Этот способ (как и закалка ТВЧ) обеспечивает меньшее коробление деталей по сравнению с объемной закалкой, более чистую поверхность (без окалины). Процесс легко механизи­ровать и автоматизировать, включать в технологический по­ток; не требуется сложное, дорогостоящее оборудование. Наи­более целесообразно использовать этот способ при индивиду­альном производстве и ремонте, когда закалка ТВЧ нерентабельна, при нагреве поверхностей большой площади; для деталей сложной формы, для которых невоз­можно изготовить индуктор.

Недостатки закалки с газопламенным нагревом:

опасность перегрева, металла вплоть до оплавления поверхностного слоя;

отсутствие возможности точно регулировать темпера­туру и толщину закаленного слоя;

использование газа требует дополнительных мероприя­тий по охране труда и технике безопасности.

Несмотря на эти недостатки газопламенная закалка с успехом применяется в некоторых областях техники. Напри­мер, газопламенная закалка стальных и чугунных прокатных валков увеличивает срок их службы в 2 – 3,5 раза и повышает производительность прокатных станов на 20 – 25 %.

Кроме индукционного и газопламенного нагрева для по­верхностной закалки стальных деталей используют установки электро­контактного нагрева и лазерного излучения.

Лазерная закалка – перспективный метод упроч­нения сложных стальных и чугунных деталей, долговечность которых лимитируется износостойкостью и усталостной проч­ностью, когда их упрочнение другими методами затруднено. Износостойкость чугунных деталей повышается в несколько раз, а предел выносливости стальных – на 70 – 80 %.