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). 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.

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. Происходит упрочнение – наклеп. Глубина упрочненного слоя – 0,5 – 2,0 мм.

Дробеструйная обработка – операция, при которой частицы твердого металла (дробь), вылетая из дробемета с большой скоростью (90 – 150 м/с), ударяют по уп­рочняемой поверхности, 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 5 – 6 раз). Дробеструйная обработка является конечной технологи­ческой операцией для деталей после механической и термической обработки. Оборудованием являются дробеметы.

Эти методы упрочнения наиболее распространены в ма­шиностроении. Кроме них используются алмазное выгла­живание, вибронакатывание, калибровка отверстий и т. п.

3.1.2. 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. В результате индукции в поверхно­стном слое детали возникают вихревые токи, и выделяется джоулево тепло. Происходит быстрый нагрев поверхности до температуры закалки. Время нагрева – 20 – 50 с.

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 составляет 1,5 – 4,0 мм, твердость – 63 – 65 HRC. После закалки ТВЧ деталь подвергают низкому отпуску или самоотпуску. Поверхностную индукционную закалку чаще приме­няют для углеродистых сталей (0,4 – 0,5 % С) и значительно реже – для легированных.

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

Закалка с индукционным нагревом широко применяется во всех отраслях промышленности для упрочнения коленча­тых и шлицевых валов, распределительных валиков, зубьев 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 твердости 55 – 58 HRC.

Поверхность детали нагревают газовым пламенем, имею­щим температуру 2400 – 3150^оС. 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.

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

3.1.3. Химико-термическая обработка (ХТО)

Химико-термической обработкой называют поверхностное насыщение стали каким-либо химическим элементом (угле­родом, азотом, бором и т. п.) путем его диффузии из внеш­ней среды. Изделие помещают в среду, богатую элементом, и нагревают. Происходит его диффузия вглубь изделия.

При химико-термической обработке в стали протекают фазовые превращения, связанные с нагревом и охлаждением, и изменяется химический состав поверхностных слоев, что в широких пределах изменяет их структуру и свойства.

Цементация стали – операция диффузионного на­сыщения поверхностного слоя низкоуглеродистой стали угле­родом при нагревании в соответствующей среде – карбюри­заторе.

При науглероживании, а затем при закалке поверхностный слой приобретает высокую твердость, износостойкость, в нем образуются остаточные напряжения сжатия. Сердцевина из­делия (углерода менее 0,3 %) закалку не воспримет (оста­нется мягкой, пластичной).

Цементации подвергают конструкционные углеродистые и легированные стали. Этот процесс широко применяется при изготовлении деталей используемых в автотракторостроении, станкостроении, инструментальном производстве и т. п.

Цементованные стали после закалки обязательно под­вергают низкому отпуску при температуре 160 – 180^оС. Структура поверхностного слоя – мартенсит с небольшим количеством вторичных карбидов, твердость до 63 HRC.

Азотирование – операция диффузного насыщения поверхностного слоя стали азотом, которая повышает твердость до 70 HRC и износостойкость поверхностного слоя, предел выносливости и сопротивление коррозии.

Твердость азотированного слоя выше, чем цементованного, и сохраняется при нагреве до температуры 450 – 500^оС, тогда как твердость цементованного слоя, имеющего мартенситную структуру, сохраняется только до 200 – 225^оС.

Износостойкость и предел выносливости азотированной стали выше, чем цементованной и закаленной. После азоти­рования проводят шлифование и доводку деталей.

Нитроцементация – операция диффузионного насыщения поверхностного слоя стали углеродом и азотом в газовой среде, состоящей из науглероживающего газа и аммиака.

После нитроцементации следует закалка с низким отпуском. Твердость слоя после закалки и отпуска – 58 – 64 HRC.

Нитроцементацию проводят для деталей сложной формы, склонных к короблению, и по сравнению с газовой цементацией она имеет преимущество: более низкую температуру процесса и меньшее коробление изделий. У деталей, подвергнутых нитроцементации, выше сопротивление износу и коррозии. Например, на Волжском автомобильном заводе 95 % деталей, проходящих ХТО, подвергают нитроцементации.

Борирование – операция насыщения поверхностно­го слоя стали бором. Она обеспечивает высокую твердость (70 – 72 HRC), износостойкость и устойчивость против коррозии в различных средах.

Хромирование – операция насыщения поверхност­ного слоя стали хромом для повышения коррозионной стой­кости, жаростойкости, а у средне- и высокоуглеродистых сталей при этом значительно повышаются твердость и изно­состойкость. Твердость среднеуглеродистых сталей – до 70 – 72 HRC.

Кроме перечисленных операций к химико-термической обработке относятся алетирование, силицирование и др.

Порядок выполнения работы

1) Два цилиндрических образца из сталей марок 20 и 45 накатать роликом на токарно-винторезном станке. Определить степень деформации по разности диаметров образцов до и после накатки. Сравнить твердость накатанной и неупрочненной поверхностей образцов в единицах HRC.

2) Три образца из стали марки 45 нагреть на установке ТВЧ до температуры закалки и охладить на воздухе, в масле и в воде. Измерить твердость в единицах HRC. Обсудить результаты исследований.

3) Исследовать под микроскопом структуру цементованной и хромированной стали.

Содержание отчета

1) Цели поверхностного упрочнения деталей.

2) Описание возможных способов упрочнения холодной пластической деформацией.

3) Сравнительная характеристика двух способов поверхностной закалки деталей (ТВЧ и газопламенной).

4) Описание двух операций ХТО (по указанию преподавателя)

Вопросы для самоконтроля

1) Каково назначение поверхностного упрочнения деталей? Какие детали целесообразно подвергать поверхностному упрочнению?

2) Какие способы поверхностного упрочнения основаны на использовании холодной пластической деформации?

3) Какие способы поверхностной закалки получили наибольшее распространение?

4) Охарактеризуйте операции химико-термической обработки: цементацию, азотирование, нитроцементацию, борирование, хромирование.

Библиографический список

1. Л а х т и н Ю. М. Металловедение и термическая обработка металлов / Ю. М. Л а х т и н. М.: Металлургия, 1977. 411 с.

2. Г у л я е в А. П. Металловедение / А. П. Г у л я е в. М.: Металлургия, 1977. 645 с.

3. Основы металловедения / Под ред. И. И. С и д о р и н а. М.: Машиностроение, 1976. 439 с.

4. Технология конструкционных материалов / Под ред. А. М. Д а л ь с к о - го. М.: Машиностроение, 1985. 447 с.

Учебное издание

БЫЧКОВ Георгий Владимирович,

РАЖКОВСКИЙ Александр Алексеевич,

ХМЕЛЬНИЦКИЙ Юрий Николаевич

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

РАЗДЕЛ

«ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА И ПОВЕРХНОСТНОЕ

УПРОЧНЕНИЕ СТАЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ»

Редактор Т. С. Паршикова

***

Лицензия ИД № 01094 от 28.02.2000.

Подписано в печать .9.2004. Формат 60 ´ 84 .