 |
Механическое упрочнение поверхности
|
|
|
|
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ.
РАЗДЕЛ «МЕТОДЫ ПОВЕРХНОСТНОГО УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ»
ОМСК 2014
Министерство транспорта Российской Федерации
Федеральное агентство железнодорожного транспорта
Омский государственный университет путей сообщения
 |
А. А. Рауба, А. А. Ражковский, С. В. Петроченко
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ.
РАЗДЕЛ «МЕТОДЫ ПОВЕРХНОСТНОГО УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ»
Утверждено редакционно-издательским советом университета
в качестве методических указаний к лабораторной работе
для студентов 1-го – 3-го курсов
Омск 2014
УДК 620.22 (075.8)
ББК 34.651я73
Р25
Материаловедение. Раздел «Методы поверхностного упрочнения деталей»: Методические указания к лабораторной работе / А. А. Рауба, А. А. Раж-ковский, С. В. Петроченко; Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2014. 14 с.
В методических указаниях представлено описание лабораторной работы, в которой рассмотрены три группы основных методов поверхностного упрочнения металлов и приведены рекомендации по их практическому применению.
Предназначены для студентов 1-го − 3-го курсов, изучающих дисциплины «Материаловедение», «Материаловедение и технология конструкционных материалов» и «Конструкционные и электротехнические материалы», очной и заочной форм обучения.
Библиогр.: 2 назв. Рис. 5.
Рецензенты: доктор техн. наук, профессор А. П. Моргунов;
доктор техн. наук. профессор А. В. Бородин.
_________________________
© Омский гос. университет
путей сообщения, 2014
ОГЛАВЛЕНИЕ
| Введение…………………………………………………………….……… | |
| Лабораторная работа. Методы поверхностного упрочнение деталей…. | |
| 1. Краткие теоретические сведения ……...………….…………………… | |
| 1.1. Механическое упрочнение поверхности …………………………. | |
| 1.2. Термическое упрочнение (поверхностная закалка) ……………... | |
| 1.3. Химико-термическая обработка (ХТО)…………………………… | |
| 2. Порядок выполнения работы …………………………........................... | |
| 3. Содержание отчета ……………………………….……………………. | |
| 4. Вопросы для самоконтроля ………………………………………..…. | |
| Библиографический список…………………………………..…………... |
|
|
|
ВВЕДЕНИЕ
Многие детали машин работают в условиях трения и подвергаются дейст-вию ударной и изгибающей нагрузки, поэтому они должны иметь твердую, износостойкую поверхность, прочную и одновременно вязкую и пластичную сердцевину. Это достигается поверхностным упрочнением.
Назначение поверхностного упрочнения – повышение прочности, твердос-ти, износостойкости поверхностных слоев деталей при сохранении вязкой, пластичной сердцевины для восприятия ударной нагрузки.
У деталей машин, работающих при динамических и циклических нагрузках, трещины усталости возникают в поверхностных слоях под влиянием растягивающего напряжения. Если на поверхности создать остаточное напряжение сжатия, то растягивающее напряжение от нагрузок в эксплуатации будет меньше и увеличится предел выносливости (усталости). Создание в поверхностных слоях деталей напряжения сжатия – второе назначение поверхностного упрочнения.
Техническими условиями на изготовление детали задаются твердость и глубина упрочненного слоя, а также прочность и вязкость сердцевины.
Основные методы поверхностного упрочнения можно разделить на три группы:
механические – пластическое деформирование поверхностного слоя детали для обеспечения его наклепа (нагартовки);
термические – поверхностная закалка;
химико-термическая обработка (цементация, азотирование, хромирование и др.).
|
|
|
В настоящее время применяются комбинированные методы поверхностного упрочнения, основанные на комплексном воздействии на материал тепловых, деформационных и физико-химических процессов. К ним можно отнести поверхностную термомеханическую и лазерную обработку, электроискровое легирование, ионную имплантацию поверхности и др.
Лабораторная работа
МЕТОДЫ ПОВЕРХНОСТНОГО УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ
Цель работы: изучить способы поверхностного упрочнения стальных деталей. Получить навыки выбора рационального метода повышения надежнос-ти и долговечности деталей машин в эксплуатации.
Краткие теоретические сведения
Механическое упрочнение поверхности
Упрочнение металла под действием холодной пластической деформации называется наклепом, или нагартовкой. При этом изменяется структура металла: деформируются зерна. В наклепанном слое увеличивается плотность дефектов кристаллической решетки, изменяются форма и ориентация зерен, из равноосных они превращаются в неравноосные (в виде лепешки), явно выражена текстура деформации (зерна вытягиваются в сторону действия максимального растягивающего напряжения) (рис. 1).
а б
Рис. 1. Влияние пластической деформации на микроструктуру металла:
а – до деформации; б – после деформации
В поверхностных слоях создается сжимающее напряжение, тормозящее зарождение и развитие трещин. Это сопровождается увеличением твердости и прочности в 1,5 – 3 раза. Возникающее в наклепанном слое напряжение сжатия повышает сопротивление усталости. Упрочнение поверхности пластическим деформированием повышает надежность работы деталей, снижает чувствительность к концентраторам напряжения, повышает сопротивление изнашива-нию 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 (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 стальная или чугунная дробь размером 0,5 – 2,0 мм, вылетая из дробеструйного аппарата с большой скоростью (90 – 150 м/с), ударяет 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, торсионные валы и т. п. Например, рессорные листы после термообработки перед сборкой в пакет подвергают дробеструйному наклепу, что значительно увеличивает срок службы рессоры (в пять – шесть раз). Дробеструйная обработка является конечной технологической операцией для деталей после механической и термической обработки.
Эти методы упрочнения наиболее распространены в машиностроении. Кроме них используются алмазное выглаживание, вибронакатывание, калибровка отверстий и т. п.
1.2. Термическое упрочнение (поверхностная закалка)
Сущность поверхностной закалки состоит в том, что в результате использования источников высокоскоростного нагрева (более 100 °С/с) температура в поверхностных слоях детали быстро достигает температуры выше критических точек аустенизации стали, сердцевина детали за столь короткий промежуток времени прогреться не успевает. Если нагрев прервать и поверхностный слой детали с аустенитной структурой охладить со скоростью выше критической, то только он получит закалку на мартенсит, а сердцевина останется незакаленной. Переходный слой будет иметь мартенсито-сорбитную структуру. Наиболее распространены следующие способы поверхностной закалки.
Закалка с индукционным нагревом током высокой час-тоты (закалка ТВЧ) – операция, при которой деталь для нагрева помещают в индуктор (соленоид), представляющий собой один или несколько витков медной трубки, охлаждаемой проточной водой (рис. 3). 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 применяют для деталей из среднеуглеродистых сталей (0,4 – 0,5 % С) – коленчатых и шлицевых и распределительных валов, зубьев шестерен, тормозных шкивов, шпинделей, борштанг и других деталей.
Индукционный нагрев позволяет сократить длительность термической обработки и повысить производительность труда, получить поверхность без окалины, уменьшить деформацию и коробление деталей при закалке, но он экономически нерентабелен для закалки единичных деталей, так как для каждой требуется изготавливать свой индуктор и подбирать режимы обработки.
Закалка с газопламенным нагревом применяется в основном для крупных деталей и деталей сложной формы, для которых индуктор изготовить невозможно, толщина закаленного слоя – не менее 20 – 40 мм при минимальной твердости 55 – 58 HRC.
Поверхность детали нагревают газовым пламенем, имеющим температуру 2400 – 3150 ºС. Для нагрева используют одно- и многопламенные горелки. Вследствие интенсивного подвода 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.
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 данным элементом (в карбюризатор), и нагревают. При этом происходят следующие процессы:
диссоциация – переход элемента, которым насыщают металл, из молекулярного в активное атомарное состояние;
адсорбция – поглощение атомов элемента поверхностью стальной детали и образование тончайшего адсорбционного слоя (несколько атомных слоев);
диффузия – проникновение атомов элемента от поверхности вглубь металла с образованием в диффузионном слое твердых растворов, химических соединений, интерметаллидов и других фаз. В результате ХТО изменяются химический состав, структура и свойства поверхностных слоев деталей.
|
|
|
Цементация стали – операция диффузионного насыщения поверхностного слоя низкоуглеродистой (до 0,25 % С) стали углеродом при нагревании в соответствующей среде – карбюризаторе. В зависимости от состава карбюризатора различают цементацию в твердом карбюризаторе (в древесном угле или коксе с различными добавками – самый древний способ) и газовую цементацию в среде углеродсодержащих газов (метан, пары бензина, керосина и др.), которая широко используется в современном машиностроении. Температура процесса – 910 – 1000 °С, продолжительность – в зависимости от температуры и требуемой глубины слоя (5 – 20 ч и более).
Целью цементации является получение твердой износостойкой поверхности, что достигается обогащением поверхностного слоя углеродом до концентрации 0,8 – 1,2 % и последующей неполной закалкой с низким отпуском, при этом одновременно повышается предел выносливости. Сердцевина изделия при цементации не насыщается углеродом, поэтому сохраняет высокую ударную вязкость после закалки (рис. 4).
 |
Рис. 4. Изменение концентрации углерода (а) и микроструктуры (б)
по глубине незакаленного цементированного слоя
Стали, склонные к перегреву, после цементации имеют крупнозернистую структуру и цементитную сетку в заэвтектоидной зоне поверхностного слоя. Поэтому для исправления дефектной структуры используют термическую обработку, включающую в себя двойную закалку и низкий отпуск.
Первую полную закалку проводят с нагревом до 850 – 900 °С (выше точки Асз сердцевины изделия), чтобы произошла полная перекристаллизация с измельчением аустенитного зерна в доэвтектоидной зоне. В углеродистой стали из-за малой глубины прокаливаемости сердцевина изделия после первой закалки состоит из феррита и перлита.
|
|
|
 |
После первой закалки цементованный слой оказывается перегретым и содержащим повышенное количество остаточного аустенита, поэтому применяют неполную вторую закалку с температуры 700 – 780 °С, оптимальной для заэвтектоидных сталей. После второй закалки поверхностный слой состоит из мелкоигольчатого высокоуглеродистого мартенсита и глобулярных включений вторичного цементита. Заключительной операцией термической обработки цементируемых изделий во всех случаях является низкий отпуск при 160 –
180 °С, переводящий мартенсит закалки в поверхностном слое в отпущенный мартенсит, снимающий напряжение (рис. 5).
|
двойная закалка и низкий отпуск
Цементации подвергают изделия из качественных углеродистых 15 и 20 и легированных сталей 12ХНЗА, 18ХГТ и др. (зубчатые колеса, поршневые пальцы, валики и др.). Твердость поверхностного слоя для углеродистой стали составляет 60 – 64 HRC, а для легированной – 58 – 61 HRC; снижение твердос-ти объясняется образованием повышенного количества остаточного аустенита.
Азотирование – операция диффузного насыщения поверхностного слоя стали азотом, которая повышает твердость до 70 HRC, износостойкость поверхностного слоя, предел выносливости и сопротивление коррозии.
Твердость азотированного слоя выше, чем цементованного, и сохраняется при нагреве до температуры 450 – 500 °С, тогда как твердость цементованного слоя, имеющего мартенситную структуру, сохраняется только до 200 – 225 °С.
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 разнос-
ти диаметров образцов до и после накатки. Сравнить твердость накатанной (в единицах HRC) и неупрочненной (НВ) поверхностей образцов.
2) Три образца из стали марки 45 нагреть на установке ТВЧ до температуры закалки и охладить в масле и в воде. Измерить твердость в единицах HRC. Обсудить результаты исследований.
3) Исследовать под микроскопом структуру цементованной и хромированной стали по глубине упрочненного слоя на микрошлифах.
Содержание отчета
1) Цель поверхностного упрочнения деталей.
2) Описание возможных способов упрочнения холодной пластической деформацией.
3) Сравнительная характеристика двух способов поверхностной закалки деталей (ТВЧ и газопламенной).
4) Описание цементации стали (привести схему изменения структуры по глубине диффузионного слоя, график термической обработки после цементации с краткими пояснениями) и двух других операций ХТО (по указанию преподавателя)
Вопросы для самоконтроля
1) 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 распрост-ранение?
4) Охарактеризуйте операции химико-термической обработки: цементацию, азотирование, нитроцементацию, борирование, хромирование.
Библиографический список
1. Бычков Г. В. Материаловедение: Конспект лекций / Г. В. Бычков,
А. А. Ражковский, А. В. Смольянинов / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2006. Ч. 2. 54 с.
2. Солнцев Ю. П. Материаловедение: Учебник / Ю. П. Солнцев,
Е. И. Пряхин. Спб.: Химиздат, 2007. 784 с.
Учебное издание
РАУБА Александр Александрович,
РАЖКОВСКИЙ Александр Алексеевич,
ПЕТРОЧЕНКО Сергей Валерьевич
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ.
РАЗДЕЛ «МЕТОДЫ ПОВЕРХНОСТНОГО УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ»
_________________________
Редактор Н. А. Майорова
Корректор И. А. Сенеджук
***
Подписано в печать.09.2014. Формат 60 ´ 84 1/16.
|
|
|
