1. Багато деталей машин працюють на тертя й одночасно піддаються дії ударних навантажень. Такі деталі повинні мати твердий зносостійкий поверхневий шар і грузлу серцевину, що добре пручається руйнуванню від ударів. Ця вимога може бути виконана застосуванням м'якої і в'язкої сталі поверхня якої, що піддається тертю, зміцнюється тим чи іншим методом. Основними методами поверхневого зміцнення металів є:

1) поверхневе гартування (ПГ)

2) хіміко-термічна обробка (ХТО)

3) пластичне деформування (ПД)

Вибір способу поверхневого зміцнення залежить від призначення виробу, умов роботи, економічної ефективності й інших факторів. Найбільше поширення в дійсний час одержали:

а)електротермічне гартування, при якому нагрів здійснюється струмами високої, підвищеної і промислової частоти; б) газополум'яне гартування - нагрів полум'ям пальника;в) гартування з нагріванням в електроліті

а) Індукційне нагрівання основане на тому, що індуктор, по якому йде струм, утворює міцне електромагнітне поле, що збуджує в сталевій чи чавунній деталі вихрові струми, що викликають нагрівання деталі. Характерною рисою вихрових струмів (струми Фуко) є висока густина їх на поверхні виробу, що викликає його нагрів до температур, при яких можливі фазові перетворення у твердому стані. Якщо всередині індуктора помістити сталевий виріб і пропустити струми високої частоти, то в нагрітих поверхневих шарах виробу відбудеться перетворення перліту в аустеніт (А). Після швидкого охолодження на виробі утвориться гартований поверхневий шар, що має високу твердість, зносостійкість і витривалість. Основними параметрами при електричному нагріві ТВЧ є температура (Т) та швидкість (V) нагрівання і глибина проникнення струму. Змінюючи силу струму І, одержують необхідну температуру і швидкість нагрівання поверхневого шару виробу. Швидкість нагрівання в печі не перевищує 1,5-3,0°С/с, а ТВЧ складає від 30 до 1000°С/с. Глибина проникнення струму для сталі визначається згідно рівняння:

= ¾¾

Ö fде s- глибина проникнення струму, см; f - частота струму, Гц.

З рівняння видно, що чим більше частота струму, тим менше глибина шару, що нагрівається. Регулюючи частоту струму, можна одержати гартування будь-якої глибини. При поверхневому гартуванні з нагріванням ТВЧ глибина гартованого шару звичайно складає 1,5-3,0 мм, хоча іноді досягає 10-35 і більш мм. Для можливості протікання в сталі при високій швидкості нагрівання (30 300°С/с) перлітного перетворення необхідне перегрівання. Тому температуру нагрівання сталі при гартуванні з нагріванням ТВЧ вибирають на 100-200°С вище в порівнянні зі звичайним гартуванням. Після нагрівання до зазначених температур, витримка при якій складає 1,5-10 секунд, деталь охолоджують. Індукційне гартування, поліпшує структуру, механічні й експлуатаційні властивості сталі. У зв'язку з тим, що швидкість виникнення зерен аустеніту більше, ніж швидкість їхнього росту, при високочастотному гартуванні сталь має більш дрібно зернисту структуру, ніж звичайно. Механічні властивості сталі, гартованої з нагріванням ТВЧ вище, ніж при звичайному гартуванні (наприклад - НRС поверхневого шару вище на 2¸6 одиниць). Значно, підвищується границя текучості і ударна в'язкість, що зв'язано в основному з роздроблюванням зерен і блоків мозаїки. На поверхні виробу унаслідок високої швидкості нагрівання утворяться напруження, у зв'язку з цим границя витривалості підвищується (у ряді випадків на 400%, у порівнянні зі звичайним гартуванням).

Однак, при значному підвищенні температури високочастотного гартування може утворитися крупно-голковий мартенсит (М), що різко погіршує механічні властивості сталі (особливо а_н ), а також підвищує схильність сталі до утворення гартівних тріщин. Гартуванню з індукційним нагріванням піддають сталі, що містять 0,4-0,5% С, сталі (40, 45, 40Х, 40ХН), що після гартування мають високу твердість, опір зносу і несхильні до крихкого руйнування. Після гартування сталеві вироби піддають низькому відпуску при 160 200°С, нерідко і самовідпущенню для зняття внутрішніх напружень. У цьому випадку при гартуванні охолодження проводять не до кінця, і в деталі зберігається деяка кількість тепла, що нагріває загартований шар до температур відпуску. Гартування нагріванням ТВЧ здійснюють на установках, які звичайно складаються з генераторів ТВЧ, електродвигуна, високочастотного трансформатора, конденсаторної батареї, індуктора, пристосування для охолодження й автоматичного пристрою для контролю температури.

Основними перевагами гартування з нагріванням ТВЧ є: можливість точного регулювання глибини гартованого шару, підвищення механічних властивостей, відсутність видалення вуглецю й окислювання поверхні, мінімальна деформація виробів, невелика тривалість і висока економічність, у порівнянні з іншими видами поверхневого зміцнення.

б) Газо-полум'яне гартування;

Суть методу є у швидкому нагріванні поверхні деталі полум'ям, до температури гартування і наступним її охолодженням водою, емульсією чи повітрям. Унаслідок високої температури полум'я (2400 3100°С) кількість тепла, яка підводиться до поверхні значно перевищує кількість тепла, що підводиться всередину деталі завдяки чому поверхневий шар деталі швидко нагрівається до температури гартування, а серцевина залишається незмінною. Після нагрівання роблять струменеве чи душове охолодження. Газо-полум'яному гартуванню звичайно піддають великі деталі не складної форми, виготовлені з вуглецевих конструкційних сталей. В основному нагрівання газовим полум'ям використовується для місцевого гартування, наприклад - шийок колінчатих валів, зубців колес. Глибина гартованого шару звичайно складає 2-4 мм. Структура: у поверхневому шарі - мартенсит, у перехідній зоні - мартенсит + троостит, у серцевині деталі - перлит + ферит. Твердість гартованого поверхневого шару сталі 50-56 НСR.

Перевага - відсутність видалення вуглецю й окислювання поверхні,

простота пристрою і низька

вартість установки. Недоліки –

труднощі регулювання температури

нагрівання і глибини гартованого

шару.

Для газо-полум'яного гартування

застосовують спеціальні установки:

напівавтомати й автомати.

Мал. 341. – катод 2. – джерело струму 3. – вана 4. - електроліт

в) Гартування з нагріванням в електроліті.

Метод заснований на явищі розігріву катода при пропусканні через електроліт струму досить великої напруги.

Виріб занурюють в електроліт, наприклад 50% розчин Nа₂СО₃, через який пропускають постійний струм U = 250 300 В. Водень, що виділяється при цьому, утворює на поверхні виробу, що є катодом, шар з високим електричним опором. Струм, проходячи через цей опір, швидко і сильно нагріває поверхню деталі. Гартування нагрітої деталі роблять у тому ж електроліті (після вимикання струму) чи в гартівному баці.

Переваги: відсутність окислювання і деформації виробів, простота пристрою, висока продуктивність. Недоліки: труднощі виміру температури поверхні, що нагрівається, необхідність захисту від корозії.

2. Поверхневе зміцнення сталевих виробів шляхом їх пластичної деформації може бути здійснено дробеструйною обробкою, накаткою роликами, карбуванням. Найбільше поширення одержала дробеструйна обробка.

Фізична сутність процесу складається в наклепі поверхневого шару, у результаті чого підвищуються його твердість і міцність. При дробеструйній обробці гартованих сталей, що мають у структурі залишковий аустеніт (А), він перетворюється в мартенсит (М), що викликає додаткове підвищення твердості. Крім того, при дробеструйній обробці виникають великі напруження стиску, що підвищує витривалість і довго тривалість служби деталей. Наприклад, термін служби колінчатих валів підвищується в 20-30 разів, ресор у 5-6 разів. Дробеструйна обробка є кінцевою технічною операцією. Технологія процесу полягає в тому, що поверхня деталей піддається ударам сталевих чи чавунних дробинок, що рухаються з великою швидкістю. Товщина зміцненого шару складає 0,2-0,4 мм. Особливо ефективне застосування дробеструйної обробки для зміцнення деталей, які піддались гартуванню з нагріванням ТВЧ чи цементації. Устаткуванням для виконання дробеструйної обробки є дробемети. Дріб має кулясту форму і виготовляється з сталі чи чавуна.

Переваги способів поверхневого зміцнення шляхом пластичної деформації - висока продуктивність, можливість зміцнення виробів різних розмірів і форми. Крім сталі обробку дробом застосовують для зміцнення високоміцного і ковкого чавунів.

Обладнання термічних цехів машинобудівних заводів поділяється на 3 групи:

1) Основне обладнання (нагрівальні печі, охолоджуючі пристрої , гартувальні преси, обладнання для обробки холодом).

2) Додаткове обладнання (правильні преси, миючі машини,
дробеструйні і піскоструйні апарати).

3) Допоміжне обладнання (установки для одержання контрольованих
середовищ, пристрої для охолодження діжкових рідин, різні транспортні
пристрої).

3. Хіміко-термічна обробка (Х.Т.О.) - це технологічні процеси, що забезпечують насичення поверхневого шару тим чи іншим елементом шляхом дифузії його з зовнішнього середовища. Цілями Х.Т.О. можуть бути крім поверхневого зміцнення: підвищення витривалості, корозійної стійкості, жаростійкості й інших властивостей. Особливість Х.Т.О. те, що при її проведенні в сталі відбуваються не тільки фазові перетворення, зв'язані з нагріванням і охолодженням, але і хімічні реакції, що приводять до зміни складу поверхневого шару виробів. Процес Х.Т.О. включає 3 елементарні стадії :

1) дисоціація, при якій у зовнішньому середовищі відбувається виділення елемента, що дифундує, в атомарному стані;

2) адсорбція, що протікає на границі зовнішнє середовище - метал
(поглинання поверхневим шаром металу атомів дифундуючого елемента);

3) дифузія атомів елемента, що насичує, в середину металу.
Необхідною умовою для протікання дифузії є висока температура нагрівання і витримка при цій температурі. Від температури нагрівання, часу витримки і вмісту дифундуючого елемента в зовнішньому середовищі залежить концентрація його на поверхні і глибина проникнення у виріб (товщина дифузійного шару). Застосовують наступні основні види Х.Т.О. сталі:

1) цементацію-насичення поверхні сталі вуглецем;

2) азотування - насичення поверхні сталі азотом;

3) ціанування - насичення поверхні сталі вуглецем і азотом;

4) дифузійну металізацію - насичення поверхні сталі металами (Сr, А1, Sі,
Мо та іншими).

Цементації (навуглецюванню) піддають конструкційні вуглецеві і леговані сталі з низьким вмістом вуглецю (0,1 - 0,3%), що необхідно для одержання у виробі грузлої середини. При цементації вміст вуглецю в поверхневому шарі збільшується і може досягти максимальної розчинності С в Fе_g при відповідній температурі цементації. Тому твердість і зносостійкість поверхневого шару сталі підвищуються. Розрізняють 2 основних види цементації: у твердому карбюризаторі і газову.

Як твердий карбюризатор застосовують деревне вугілля, змішане у певній пропорції з речовинами, що активізують процес дисоціації (ВаСО₃, Nа₂СО₃), яких звичайно міститься 20-25%. Деталі, що підлягають цементації, поміщають в металеві ящики поперемінно з карбюризатором, закриваються кришкою, а щілини замазують вогнетривкою глиною, щоб не було вільного виходу газам, які утворюються при нагріванні. Цементацію проводять при температурі вище точки Ас₃ на 30-50°С, при яких стійкий аустеніт (А), що розчиняє вуглець (С) у великих кількостях. Звичайно вона дорівнює 925 950°С. При цій температурі відбувається процес дисоціації СО і виділяється атомарний С.

С + О₂« СО₂ ВаСО₃+ С « ВаО + 2СО

СО₂+ С « 2СО 2СО ® СО₂+ С

2СО « СО₂+ С

При цементації сталі атоми С дифундують у ґратки g - заліза. Час витримки вибирають за умовами глибини цементованого шару і концентрації вуглецю (8-10 год.). Товщина цементного шару звичайно складає 0,5-2,0 мм, концентрація С: 0,9-1,1%, тому що більш високий вміст С викликає підвищену крихкість. У виробі, виготовленому з низьковуглецевої сталі, після цементації розрізняють 4 структурні зони :

1) поверхневу заевтектоідну зі структурою перліт (П)+цементит вторинний (Ц_II);

2) евтектоїдну - із структурою перліту (П);

3) перехідну дотектоідну, зі структурою перліт (П) + ферит (Ф), але з підвищеним вмістом вуглецю;

4) вихідну структуру дотектоідної сталі перліт (П) + ферит (Ф).

Структура поверхневого шару після цементації - пластинчастий перліт (П), оточений тонкою сіткою цементиту (Ц). Цементація у твердому карбюризаторі не вимагає спеціального устаткування; вона може бути проведена в звичайних печах, що дозволяють нагрівання до 925 950°С, однак, процес є тривалим і мало-економічним.

Тривалість газової цементації, у порівнянні з цементацією у твердому карбюризаторі скорочується більш ніж у 2 рази. Уперше цементація через газову фазу була застосована для вуглерування рідкої сталі А.П. Аносовим. В якості карбюризатора використовуються як природні гази (метан, СО, бутан), так і штучні одержувані з рідких продуктів переробки нафти. Вироби завантажують у камеру спеціальної печі, через яку з визначеною швидкістю пропускають цементуючий газ. При нагріванні до Т=900 930°С (для прискорення процесу іноді Т=1050 1100°С), метан і СО дисоціюють з видаленням атомарного С.

СН₄ « 2Н₂+С_{атомарний} 2СО « С_{атомарний}+СО₂

Атомарний вуглець адсорбується поверхнею виробу, розчиняється в залізі і переміщується всередину виробу шляхом дифузії. Глибина цементованого шару звичайно складає 1-2 мм, концентрація С на поверхні сталі 0,9-1,2%. Газова цементація має широке розповсюдження в масовому виробництві завдяки зручності регулювання глибини цементації шару і концентрації С в ньому, відсутність витрат на цементаційні ящики, їхній нагрів і транспортні операції, можливості автоматизації і механізації процесу.

Поверхневий шар після цементації не забезпечує необхідної твердості і зносостійкості. Тому вироби піддають термічній обробці - гартуванню і низькому відпуску. Мікроструктура поверхневого шару після відпуску вуглецевої сталі – відпущений мартенсит (М)+залишковий аустеніт(А) + цементит (Ц); легованої сталі

відпущений мартенсит (М)+залишковий аустеніт(А)+карбіди. Твердість поверхневого шару вуглецевої сталі після цементації і термічної обробки не менше НRС 56, а легованої НRС 58-62.

Для відповідальних деталей роблять подвійну гартовку: першу з Т=850¸950°С, другу з нагріванням до 750¸780°С, а потім сталь піддають низькому відпуску. Ціль першої - подрібнити структуру серцевини й усунути цементитну сітку в поверхневому шарі, ціль другої - одержати на поверхні дрібноголчастий мартенсит (М) і зменшити кількість залишкового аустеніту (А). Часто перше гартування замінюють нормалізацією. Основний дефект цементації - збільшення зерна сталі унаслідок високих температур (Т) нагрівання і тривалих витримок (до 10¸12 год.).

При різкій зміні концентрації вуглецю (С) по перерізу можливе відшаровування чи розтріскування цементованого шару. Газова цементація - найбільш досконалий метод цементації, тому що дає можливість чіткого контролю й автоматизації процесу.

Азотування. Насиченню поверхневого шару азотом піддають вуглецеві і леговані сталі із середнім вмістом вуглецю (С) і чавуни. При азотуванні підвищується твердість, зносостійкість і витривалість поверхневого шару, а також опір виробу корозії. Зміни властивостей викликано утворенням хімічних сполук N з Аl, Сr, Мо, V, W, карбонітридів і твердих розчинів упровадження. Найбільше поширення як матеріал для азотування одержали сталі марок 35ХМЮА і більш дешева 38ХВФЮА, леговані А1 (Ю), у яких після азотування одержуємо твердість від 960 до 1150НV. Чавуни, що містять А1 і Сr мають твердість після азотування від 700 до 1000 НV, в вуглецевих сталях і сірих чавунах твердість після азотування 550¸700НV. Перед азотуванням сталі і чавуни, піддають гартуванню і високому відпуску. Температура відпуску береться рівній температурі азотування. Азотування відбувається в спеціальних печах під струмом аміаку. Аміак, потрапляючи в піч, дисоціює в ній по рівнянню 2NH₃D2N+6Н. Отриманий атомарний азот розчиняється в Fе_a, потім дифундує усередину виробу, утворюючи різні азотисті фази. Тривалість азотування при Т=500 520°С (одноступінчате азотування) велика і складає 25-60 год., у залежності від необхідної глибини азотованого шару (d досягає 0,5мм при концентрації N 3-4%). Для прискорення процесу застосовують двоступінчасте азотування: спочатку процес ведуть при 500 520°С, а потім при 600 620°С, що скорочує час азотування в 1,5-2 рази (НV трохи знижується). Антикорозійне азотування сталі проводять при Т=600 700°С протягом 0,25-6 год. Утворившись на поверхні деталі суцільний шар високоазотної фази Fе₃N товщиною до 0,1 мм охороняє виріб від корозії в різних середовищах (атмосфера, пар, Н₂O і інші). Твердість азотованого шару вище, ніж цементованої сталі і зберігається при нагріванні до високих температур (500¸600°С), тоді як цементований шар, що має мартенситну структуру, зберігається до 200 225°С. Найважливішим дефектом азотування є підвищена крихкість азотованого шару. При азотуванні можлива деформація виробів і в ряді випадків короблення.

Ціануванню піддають вуглецеві і леговані сталі.

Ціль ціанування - підвищення твердості і зносостійкості поверхневого шару виробів, а також витривалості й опору корозії шляхом насичення поверхні одночасно вуглецем і азотом. У залежності від складу зовнішнього середовища розрізняють 3

види ціанування: у твердих, рідких і газових середовищах. Найбільш розповсюдженим є ціанування в рідких і газових середовищах. Глибину насичення поверхневого шару вуглецем (С) і азотом (N) визначають температура (Т) і час (t) витримки. У залежності від Т°С нагрівання розрізняють високотемпературне і низькотемпературне ціанування.

Рідинне ціанування роблять у розплавленій суміші ціаністих солей (NаСN, КСN, Са(СN)₂) з нейтральними солями (ВаС1₂, NаСl й інші). При нагріванні і розплавленні, ціаністі солі дисоціюють, виділяючи С і N в атомарному стані. Висока температура і витримка забезпечує процес дифузії атомарних С і N у поверхневий шар виробу.

Високотемпературне рідинне ціанування ведуть при 900-950°С, коли вміст вуглецю (С) в поверхневому шарі збільшується в більшому ступені ніж азоту (N). Глибина ціанованого шару дорівнює 0,2-0,3 мм. Після ціанування виріб піддають гартуванню з Т=780 860°С і низькому відпуску (150 170°С). Мікроструктура після гартування: на поверхні - азотований мартенсит, у перехідній зоні мартенсит + троостит і в в’язкій серцевині - троостит. НRС поверхневого шару 63-65 одиниць.

При низькотемпературному рідинному ціануванні сталь нагрівають до 500 600°С і вміст азоту у поверхневому шарі вище, ніж вуглецю. Його застосовують для легованих інструментальних сталей. Рідинне ціанування - процес продуктивний, але потребує застосування отруйних солей. Тому віддають перевагу нітроцементації - ціанування в газових середовищах (СН₄+NН₃).

Високотемпературній нітроцементації піддають вироби з низьколегованих сталей і з конструкційних вуглецевих сталей. Вироби нагрівають до 830 850°С (іноді до 930 950°С) протягом 4-10 годин. З підвищенням температури і часу витримки, глибина ціанованого шару збільшується, а насичення його знижується. Після нагрівання робиться гартування. Твердість ціанованого шару гартованої сталі НRС 56. Для усунення залишкового аустеніту (А) в гартованій сталі роблять обробку холодом у результаті чого НRС поверхневого шару досягає 64 одиниць. Низькотемпературній нітроцементації піддають різальні інструменти зі швидкорізальної сталі. Вироби попередньо гартують і відпускають, а потім при Т=550 570°С витримують 1,5-3 годин в суміші аміаку і цементуючого газу. У результаті утворюється поверхневий шар глибиною 0,02-0,04 мм, що має твердість 900 1200 HV і підвищену красно-стійкість (до 650°С), що збільшує стійкість інструмента, в 1,5-2 рази. Після низькотемпературної нітроцементації гартування не роблять. Нітроцементацію виконують у муфельних чи без муфельних агрегатах, у яких з газогенераторів подають цементуюче середовище з добавкою аміаку. Основні переваги нітроцементації в порівнянні з рідинним цементуванням є: безпека роботи і можливість регулювання глибини ціанованого шару.

З метою підвищення припрацювання деталей при терті, стійкості їх проти задирів і зносостійкості застосовують сульфідування - насичення поверхні сталі S, N, С на глибину 0,2-0,3 мм. Для підвищення твердості, опору абразивному зносу і корозійній стійкості застосовують борування.

Дифузійна металізація.

Поверхневе насичення сталі і чавуна А1, Сr, Zn, Sі і іншими елементами називають дифузійним насиченням металу. Виріб, поверхня якого збагачена цими елементами, здобуває цінні властивості - високу жаростійкість, корозійну стійкість, підвищену зносостійкість і твердість. Метали утворюють із залізом тверді розчини заміщення, тому дифузія їх значно менше ніж вуглецю чи азоту. Тому процеси дифузійної металізації ведуть при більш високих Т (1000 1200°С) і більш тривалий час.

Алітування (насичення поверхні А1) забезпечує підвищення жаростійкості і корозійної стійкості вуглецевих і легованих сталей, тому що в процесі нагрівання на поверхні виробів утвориться щільна плівка А1₂О₃, що охороняє метал від окислення. Структура алітованого шару - твердий розчин А1 в a-залізі. Концентрація А1 у поверхневій частині шару приблизно 30%, товщина шару 0,2-1 мм. Алітовані вироби можуть працювати без помітного окислення при Т=900°С. При дифузійному хромуванні підвищується опір сталевих виробів корозії й окисленню. Вироби з хромованої сталі мають жаростійкість до Т=800 850°С. Твердість шару, отриманого хромуванням заліза НV=250 300, а хромуванням сталі 1200 1300 HV.

Сіліціювання (насичення Sі) застосовують для підвищення зносостійкості, жаростійкості (до 700 750°С) і опору корозії. Сіліцьований шар - це твердий розчин Sі в a-залізі. Насичення поверхні сталевого виробу двома і більш компонентами (Сr і С, Сr і АІ, А1 і Sі) дозволяє змінювати властивості поверхневих шарів.

CПЛАВИ КОЛЬОРОВИХ МЕТАЛІВ

План:

Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 8 91011 12 13 14 15 Следующая