Тема 5. Поверхностные методы упрочнения.

Основные методы поверхностного упрочнения – закалка с нагрева токами высокой частоты (Т.В.Ч.) и химико-термическая обработка (Х.Т.О.). Требования к химическому составу сталей для этих методов упрочнения. Механизм насыщения и формирования структуры в поверхностном слое при цементации, нитроцементации, азотировании и борировании. Примеры марок сталей, подвергаемых различным методам упрочнения. Термическая обработка цементованных и нитроцементованных деталей. Способы дополнительной поверхностной обработки деталей с учетом условий эксплуатации. Поверхностное упрочнение наклепом, лучем лазера и электронным лучом.

Методические указания.

Для получения большой твердости в поверхностном слое детали с сохранением вязкой сердцевины, что обеспечивает износоустойчивость и одновременно высокую динамическую прочность детали, применяют поверхностные методы упрочнения – закалку с нагрева Т.В.Ч. или Х.Т.О. Сущность закалки с нагрева Т.В.Ч. заключается в том, что поверхностные слои детали быстро нагреваются выше критических точек и создается резкий градиент температур по сечению. Если нагрев прервать и провести быстрое охлаждение, то слой металла, нагретый выше критической температуры получит закалку, а не нагретая сердцевина сохранит свое исходное структурное состояние. Для такого способа упрочнения применяют стали с содержанием углерода 0.4% и выше.

Химико-термическая обработка – процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя неметаллами (С, N, Si,B и др.) или металлами (Cr, Al и др.) в процессе выдержки при определенной температуре в активной жидкой или газовой среде.

Широко применяются в машиностроении цементация (насыщение поверхности углеродом), нитроцементация (насыщение углеродом и азотом), азотирования (насыщение азотом) и борирование (насыщение бором). Цементации и нитроцементации подвергают, стали с содержанием углерода до 0,3%. Цементацию проводят при температуре 930-950^оС, нитроцементацию – при 840-880^оС. После насыщения изделия закаливают в масло, а затем подвергают отпуску при температуре 180-220^оС. Эти виды Х.Т.О. обеспечивают получение твердости поверхности выше 55 НRС, а сердцевины менее 40НRC.

Для увеличения твердости, износостойкости, предела выносливости и коррозионной стойкости стальных изделий их подвергают азотированию, которое проводится при температуре 500-600^оС в среде диссоциированного аммиака. Для азотирования применяют среднеуглеродистые легированные марки стали, предварительно прошедшие термическое улучшение. Упрочнение проводят на глубину 0,2-0,4 мм и получают поверхностную твердость в пределах 650-1200НV. Преимуществом этого метода является сохранение высокой твердости поверхности при нагреве деталей до 450-470^оС и практически отсутствие деформации и коробления изделий.

Максимальная степень поверхностного упрочнения стальных деталей (НV1700 и выше) может быть получена путем борирования при температуре 910-950^оС. После борирования стойкость деталей возрастает в 5-10 раз.

Для закрепления изученного материала, к примеру, проведен выбор обработки шестерен из стали 20Х. Рассмотрим микроструктуру и свойства поверхности и сердцевины детали после упрочнения. В соответствии с ГОСТ 4343-71 сталь 20Х имеет следующий химический состав:

Углерод – 0,17 – 0,23%;

Хром = 0,7 – 1,0%;

Кремний – 0.17 – 0.37%;

Марганец – 0,5 – 0,8%;

Сера, фосфор £ 0,035%;

Остальное – железо.

Свойства шестерен с учетом их условий эксплуатации должны быть следующими: для поверхности зуба – высокая твердость и износостойкость; для сердцевины – высокая пластичность.

Учитывая низкое содержание углерода в стали для упрочнения деталей рекомендуется: химико-термическая обработка – цементация или нитроцементация.

Оба вида упрочнения могут быть использованы, и выбор конкретного способа упрочнения зависит от требований предъявляемых к деталям по глубине упрочненного слоя и деформации и короблению деталей.

При глубине упрочненного слоя более 1,0 мм необходимо использовать цементацию, то есть провести насыщение поверхности детали углеродом. Цементация проводится при температуре 930-950^оС, скорость насыщения углеродом ~0,1 мм/час. После цементации детали подвергают термической обработке. Далее рассмотрим один из таких способов.

1. Нагрев до 860-880^оС, выдержка и охлаждение. Этот нагрев назначается с целью исправления крупнозернистой структуры сердцевины, полученной при нахождении стали длительное время при температуре цементации;

2. Нагрев до 770-780^оС, выдержка и закалка в масло;

После закалки получают твердость в пределах 58-62НRС на поверхности, и ~30-35НRС в сердцевине.

3. Отпуск при температуре 180-200^оС для снятия напряженного состояния полученного в результате закалки.

 

Свойства шестерен после химико-термической обработки:

1. Твердость поверхности – 58-62НRС;

2. Микроструктура поверхности – мартенсит + остаточный аустенит;

3. Твердость сердцевины – 30-35НRС;

4. Микроструктура сердцевины – малоуглеродистый мартенсит + феррит.

Литература: [1, стр. 220-252; 3 стр. 312-340].

Вопросы для самопроверки

1. Какие процессы протекают при химико-термической обработке?

2. В чем сущность поверхностей закалки деталей с нагрева ТВЧ. Какие марки стали, подвергают этому способу упрочнения.

3. Назовите преимущества и недостатки поверхностной закалки с нагрева ТВЧ в сравнении с Х.Т.О.

4. Рассмотрите технологию цементации в твердом карбюризаторе и газовой атмосфере.

5. Укажите преимущества нитроцементации деталей перед цементацией.

6. Для каких целей используют поверхностную дробеструйную обработку стальных изделий?

7. Изучите технологические процессы азотирования и борирования. Какие основные требования предъявляются к предварительной обработке упрочняемых деталей?

Тема 6. Конструкционные и инструментальные стали.

Классификация и назначение конструкционных сталей. Углеродистые качественные и обыкновенного качества стали. Легированные конструкционные стали. Цементуемые и улучшаемые стали, их свойства и применение. Рессорно-пружинные и шарико - подшипниковые стали. Стали повышенной обрабатываемости резанием. Стали для зубчатых колес, валов, деталей ходовой части и тормозной системы. Высоколегированные коррозионностойкие, жаропрочные и окалиностойкие стали.

Классификация и маркировка инструментальных сталей. Стали для режущего, штампового, медицинского и измерительного инструмента. Твердые сплавы, их свойства и назначение. Термическая обработка инструмента. Выбор марок сталей для инструмента с учетом условий эксплуатации.

Методические указания.

Конструкционные стали – это сплавы предназначенные для изготовления деталей машин и изделий строительной индустрии. Кроме того, к этой группе относятся и стали со специальными свойствами – износостойкие, коррозионно-стойкие, жаропрочные, пружинные и т.д.

Углеродистые стали обыкновенного качества изготавливают марок Ст.0, Ст.1,¸ Ст.6. в соответствии с ГОСТ 380-71. Такие стали, в основном, применяют в строительстве, так как они обладают хорошей свариваемостью и достаточной прочностью.

Качественные углеродистые (ГОСТ 1050-74) и легированные (ГОСТ 4543-71) стали, применяют в машиностроении и других видах промышленности. Стали этого класса подвергают термической и химико-термической обработке для придания изделиям требуемых физико-механических свойств. Наличие легирующих элементов (до10%) в стали, обеспечивает высокие показатели прочности и пластичности и дает возможность их применения для высоконагруженных деталей машин. Высоколегированные стали (содержание легирующих элементов более 10%) имеют специальное назначение – коррозионно-стойкие, окалиностойкие, немагнитные и т.д.

Для улучшения обрабатываемости резанием в сталь дополнительно вводят серу, селен, свинец и кальций. Содержание серы и свинца до 0,3%, селена и кальция до 0,05% позволяет повысить стойкость режущего инструмента в 2 раза, но их наличие снижают свойства стали. Поэтому применение таких сталей не рекомендуется для деталей работающих в сложно - напряженном состоянии.

Повышение устойчивости стали против коррозии, достигается за счет введения в нее хрома, который образует плотную окисную пленку на поверхности типа Cr₂O₃. К этой группе относятся стали с содержанием хрома более 12%.

Инструментальные стали имеют высокую твердость, износостойкость и прочность. Они используются для режущего инструмента, штампов холодного и горячего деформирования, измерительных инструментов различных размеров и форм. Стали для режущего и штампового инструмента должны обладать теплостойкостью, то есть сохранять высокую твердость и прочность при нагреве до высоких температур. В связи с этим различают нетеплостойкие, полутеплостойкие и теплостойкие стали. Для инструмента подвергаемого нагреву до 200^оС в эксплуатации применяют углеродистые, и низколегированные марки стали – У8, У10, У13, 9ХС, 11Х и т.д.

Полутеплостойкие стали, преимущественно используют для штампов горячего деформирования, рабочая кромка которого нагревается до 400-500^ОС. Это стали легированные хромом, молибденом, вольфрамом и ванадием типа 4Х5МФС, 3Х3ВМФ, 5ХНМ, 5ХНВ и т.д.

При нагреве инструмента в процессе работы до 600-800^оС для его изготовления рекомендуются быстрорежущие стали типа Р9, Р18, Р6М5К5 и др. Главный легирующий элемент таких сталей – вольфрам, который образует стойкий карбид.

Свойства инструментальных сталей достигаются за счет термической обработки закалки и отпуска.

Литература: [1, 252-313; 3, 364-508; 6, 73-135; 6, 143-174].

Вопросы для самопроверки.

1. Можно ли кипящую сталь применять для изделий работающих при температурах ниже –40^оС?

2. Чем объяснить хорошую обрабатываемость резанием стали легированной S, Pb,Ca?

3. Каким требованиям должна обладать сталь для холодной штамповки?

4. Какую термическую обработку проходят стали 40ХН, 40Х, 38ХМЮА, 42ХМФА?

5. Какие стали, применяют для работы в окислительных и других агрессивных средах?

6. Назовите марки сталей для пружин, рессор и подшипников? Каким видам термической обработки они подвергаются?

7. Какие достоинства и недостатки имеют углеродистые стали для режущего инструмента?

8. Укажите, стали для штампов холодного и горячего деформирования. Рассмотрите термическую обработку и получаемые свойства этими сталями.

9. Какие требования предъявляются к сталям для измерительного инструмента и укажите пути достижения стабильности структуры и свойств при эксплуатации?

⇐ Предыдущая12345Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: