УДК 621.924.093
Анализ методов упрочнения деталей машин
и режущих инструментов
Увеличение срока эксплуатации и износостойкости деталей машин и инструмента путем упрочнения является важной задачей, решение которой способствует значительному увеличению их долговечности и обеспечивает экономию дорогих и дефицитных материалов, энергии, трудовых ресурсов . В машиностроении широко применяют разнообразные методы упрочнения, выбор которых зависит от свойств режущего и обрабатываемого материала, условий эксплуатации и экономической эффективности использования метода упрочнения.
композиционные упрочняющие покрытия, лазерное упрочнение и легирование , электроискровое легирование, эпиломирование, магнитно-импульсная обработка
ВВЕДЕНИЕ
Одно из наиболее перспективных направлений повышения надежности и долговечности изнашивающихся деталей машин и инструмента - упрочнение или модифицирование рабочих поверхностей за счет создания поверхностных слоев с более высокими механическими и триботехническими показателями.
Анализ научных источников показал, что упрочнение поверхности может осуществляться с помощью покрытий, термической обработкой или с использованием различных видов энергии. При этом, опыт лабораторных исследований и практики эксплуатации показывает, что трудно выбрать универсальный способ обработки, так как каждый из них раскрывает свои потенциальные возможности в определенном случае, часто в весьма узком диапазоне параметров эксплуатации.
МЕТОДЫ ПОВЕРХНОСТНОГО УПРОЧНЕНИЯ изнашивающихся
деталей ДЛЯ “ТЯЖЕЛЫХ” режимОВ трения
Узлы изделий, работающих в “тяжелых” режимах трения, широко используют методы поверхностного упрочнения. На износостойкость пары трения влияет комплекс физико-механических характеристик: прочностные, пластические и твердость. На износостойкость особое влияние оказывает поверхностный слой, так как он воспринимает нагрузки и осуществляет контакт с внешней средой.
С другой стороны, поверхностные слои имеют и больше дефектов (поры, микротрещины, включения неординарного кристаллического строения и др.), чем весь объем детали.
В процессе изнашивания контактирующие поверхности должны успешно сопротивляться пластическим деформациям, срезу – сколу микрообъемов материала, внедрению твердых частиц (абразивные частицы из внешней среды, отделившиеся частицы или наросты при адгезии), а также воздействию агрессивных сред и температур.
Основное воздействие воспринимается тонким поверхностным слоем, а остальное сечение материала воспринимает лишь незначительную долю, вследствие инерционности материалов. Поэтому необходимо дифференцировать физико-механические свойства поверхностных слоев и остального сечения, что достигается различными методами поверхностного упрочнения.
Рассмотрим наиболее применяемые методы, при этом за критерий оценки упрочняемых слоев принимаем твердость – единственную характеристику материала, получаемую методами неразрушающего контроля (таблица).
Таблица. Применяемость методов поверхностного упрочнения деталей в зависимости от твердости упрочненных поверхностей
Tablе. The use of surface strengthening methods depending hardness of strengthened surface
Методы упрочнения | Твердость, МПа |
|
Поверхностное пластическое деформирование (ППД) | ||
Термическая обработка (ТО) | ||
Химико-термическая обработка (ХТО) | ||
Борирование | ||
Фрикционно-диффузионное упрочнение | 11000 …. 13000 |
|
Электроискровое упрочнение (ЭЛ) | ||
Наплавляемые покрытия | ||
Напыляемые покрытия | ||
Лазерное упрочнение (ЛУ) | ||
Детонационное покрытие | 10000 …. 14500 |
|
Композиционные покрытия |
Из таблицы видно, что твердость покрытий упрочняемых слоев выше более чем в два раза. Однако только по твердости поверхности нельзя полностью судить о достоинствах метода. Необходимо учитывать положительные и отрицательные составляющие других методов, сравнивая механические свойства, необходимые для области применения.
ППД – повышает твердость, снижает пластичность, имеет низкую абразивную износостойкость.
ТО – “рабочим” порогом режима изнашивания является температура в зоне трения, которая составляет С.
ХТО – увеличивает износостойкость, которая определяется температуростойкостью химических соединений. Так, азотирование выдерживает температуру до 600-650, а борирование до 9000С и выше.
Наплавленные и напыленные покрытия отличаются высокой износостойкостью, которая зависит от химического состава наносимого покрытия, но требует усложненной технологии, включая подготовительные операции и операции для снятия внутренних напряжений. Для напыления требуется также вводить операцию по увеличению прочности сцепления покрытия с основой (термодеформированное расслаивание).
Лазерное упрочнение позволяет получать тонкие слои, отличные от структуры ТО, вследствие высоких скоростей нагрева слоев. Недостаток этого способа упрочнения – низкий температурный порог, который составляет температуру около 2000 С.
Детонационная обработка позволяет получить более качественное по сравнению с напыленным покрытие, не требует деформационного рассасывания. К недостаткам метода можно отнести сложность реализации технологического процесса и трудность установки детали в технологическом оборудовании.
Композиционные покрытия в настоящее время получили наибольшее применение. Основные достоинства: возможность получения достаточно толстых слоев (до 4 мм); использование износостойких композиций порошков из твердого сплава, релита, боридов и специальных сплавов; создание покрытий с твердой смазкой, где в качестве наполнителей используются графит, дисульфид молибдена, сульфиды, селениды и др.
Несмотря на существенные преимущества, методы не получили широкого применения из-за ряда существенных недостатков: сложность технологии нанесения покрытия, включая операции специальной подготовки для герметизации зоны упрочнения; применение высоких температур (до 12000); наблюдаются температурные деформации и напряжения, так как вся система упрочнения подвергается нагреву; применение дорогостоящих материалов как в качестве матрицы (серебро, никель, кобальт, медь), так и в качестве наполнителей (бориды, карбиды, твердый сплав); необходимость включения операций по снятию внутренних напряжений.
Анализируя методы поверхностного упрочнения, следует отметить, что, увеличивая твердость, снижаем пластичность, которая приводит к уменьшению опасности схватывания сопряженных поверхностей, с одной стороны. С другой стороны, снижение пластичности повышает чувствительность к местным высоким давлениям, которые могут привести даже к местному разрушению поверхности.
Итак, в упрочненном поверхностном слое необходимо обеспечить достаточную пластичность, высокую твердость и прочность. Эти требования можно реализовать только в композиционном покрытии, организуя упрочненный слой, состоящий из пластичной основы (матрицы) с твердыми включениями.
МЕТОДЫ ПОВЕРХНОСТНОГО УПРОЧНЕНИЯ металлорежущего
инструмента
Работоспособность металлорежущего инструмента может быть обеспечена только в том случае, если его рабочая часть выполнена из материала, обладающего достаточной твердостью, прочностью, износостойкостью, температуростойкостью и теплопроводностью. Покрытие, наносимое на рабочие поверхности инструмента, является достаточно универсальным и надежным средством, с помощью которого можно по-новому подойти к проблемам совершенствования свойств материала инструмента, повышения его работоспособности и управления процессом резания.
Инструментальный материал с износостойким покрытием является новым материалом композиционного типа, в котором оптимально сочетаются свойства поверхностного слоя (высокие значения твердости, теплостойкости, пассивности по отношению к обрабатываемому материалу и т. д.) и свойства, проявляющиеся в объеме тела инструмента (прочность, ударная вязкость, трещиностойкость и т. д.). Инструмент из твердого сплава с композиционным покрытием имеет высокую сопротивляемость адгезионно-усталостному и диффузионному изнашиванию при температуре С. Покрытие повышает сопротивляемость инструмента из быстрорежущей стали абразивному и адгезионно-усталостному изнашиванию, значительно повышает устойчивость к коррозионно-окислительному изнашиванию .
Получение инструмента с покрытием с помощью химического и физического осаждения металла имеет недостатки: сложность технологии нанесения покрытия, включая операции специальной подготовки для герметизации зоны упрочнения и использование высоких температур; температурные деформации и напряжения как следствие нагрева; применение дорогостоящих материалов.
Для нивелирования указанных отрицательных сторон процесса предлагается схема нанесения композиционного многослойного покрытия для твердосплавного инструмента. Покрытие содержит несколько промежуточных слоев, каждый из которых имеет собственное функциональное назначение: обеспечение прочной связи многослойного покрытия с рабочими поверхностями инструмента; осуществление адгезионной связи между функциональными слоями; выполнение барьерных функций, например, увеличение термодинамической устойчивости покрытия при повышенных скоростях резания и др. Все соединения, широко применяемые в качестве покрытий, характеризуются увеличением микротвердости до 2,5 ГПа, но являются достаточно хрупкими, что заметно сужает область их применения. Поэтому особый интерес вызывают покрытия из наноматериалов. Поверхностные покрытия в виде тонкой пленки имеют характеристики, значительно отличающиеся от объемного (монолитного) материала, причем, чем тоньше пленка, тем она прочнее .
Совершенствование твердого сплава с покрытием всегда направлено на борьбу с хрупкостью его поверхностного слоя. В последнее время используются покрытия, получившие название «Low stress coating», технологический процесс заключается в нанесении многослойного покрытия на твердосплавную подложку по стандартной технологии. После этого передняя поверхность пластин полируется по передней поверхности, в результате чего полностью снимается слой нитридов титана и верхний слой оксида алюминия толщиной всего 2..3 мкм от общей толщины покрытия, что дает возможность снизить уровень внутренних растягивающих напряжений в 2 раза и убрать большую часть зародышей трещин .
Упрочнение режущего инструмента из быстрорежущей и легированной стали методом карбонитрации в газообразных продуктах, карбоазотировании в безводородной плазме тлеющего разряда (ХТО) повышает твердость, износостойкость и теплостойкость инструмента. После азотирования инструмент выдерживает температуру до 600-650, а при его борировании – до 9000С и выше. Полученные после карбонитрации диффузионные слои толщиной от нескольких микронов (для мелкоразмерного инструмента) до 0,01-0,02 мм обеспечивают повышение стойкости инструмента в 1,5-2 раза. Испытания отрезных резцов, сверл, метчиков, разверток, упрочненных карбоазотированием, показали, что по стойкости они в 2-2,5 раза превосходят неупрочненный инструмент .
Использование для поверхностной закалки концентрированной плазменной струи мощностью 30 кВт, генерируемой плазмотроном косвенного действия с секционированной межэлектродной вставкой , обеспечивает закалку на значительную глубину (3,0-3,5 мм). В этой связи представляет практический интерес упрочнение малогабаритного инструмента (резцов, сверл, штампов и т. п.) из низколегированной инструментальной стали 9ХФ и быстрорежущей стали Р6М5 при закалке мощной плазменной струей. Но процесс упрочнения требует усложненной технологии, включая подготовительные операции и операции для снятия внутренних напряжений.
Лазерное упрочнение (ЛУ) режущего инструмента из быстрорежущих и легированных сталей производится импульсным облучением рабочих кромок инструмента на лазерной технологической установке . При этом стойкость инструмента может быть повышена в 1,5-3 раза. Под воздействием лазерного излучения происходит скоростной нагрев металла в области аустенитного состояния и последующее охлаждение металла. Упрочненный слой имеет особо дисперсную аустенитно-мартенситную структуру. В результате на поверхности образуется слой толщиной 60-80 мкм микротвердостью Н/мм2. Но процесс ЛУ не способствует сохранению необходимого для инструмента уровня пластичности. Недостатком является также нарушение геометрии инструмента из-за оплавления без увеличения глубины проплавления.
Лазерное поверхностное легирование является перспективным технологическим методом обеспечения и повышения надежности различного инструмента (штампы, пресс-формы, режущие инструменты), рабочие поверхности которых подвергались импульсному лазерному легированию с использованием пастообразных составов. После экспериментов в производство был внедрен процесс с использованием пасты, содержащей мелкодисперсные порошки бора и твердого сплава с добавками фторидных активаторов, размешанные в глицерине до густого состояния. Окисная пленка приводит к сокращению времени достижения фиксированной величины износа на участке приработки по передней поверхности инструмента в 2-3 раза по сравнению с неупрочненным инструментом, к существенному расширению диапазона режимов резания, и при этом ожидаемое снижение температуры резания составляет 100-120°С.
Перспективным способом повышения долговечности инструментов из углеродистых и легированных сталей является магнитно-импульсная обработка их полем малой напряженности при комнатной температуре. Но и этот метод имеет ряд недостатков: ограничения в применении по толщине и габаритам; зависимость качества обработки от магнитной проницаемости материала. Это объясняется тем, что режимы магнитно-импульсного воздействия не обеспечивают требуемой структуры.
Процесс электроакустического напыления, основанный на совместном использовании энергии электроискрового разряда и ультразвука, увеличивает долговечность работы быстрорежущего инструмента. Механические продольно-крутильные ультразвуковые колебания, сообщаемые электроду, образуют при контактировании с обрабатываемой поверхностью межэлектродный зазор.
Электроискровое легирование (ЭЛ) сверл, фрез и другого режущего инструмента, изготовленного из быстрорежущей стали, увеличивает его стойкость в 1,5-2 раза . Вместе с тем ЭЛ отличается рядом недостатков, главным из которых является формирование во многих случаях недопустимого уровня остаточных напряжений растяжения и неприемлемой шероховатостью обработанных поверхностей.
Повышение стойкости режущего инструмента может быть получено нанесением эпилама на поверхность инструмента – упрочнение режущего инструмента методом эпиламирования. Эпиламы представляют собой композиции, состоящие из растворителя или смеси растворителей, которые содержат поверхностно-активное вещество (фтор). Из раствора поверхностно-активное вещество адсорбируется на твердой поверхности в виде мономолекулярного слоя, снимая микротвердость, а следовательно, поверхностную энергию. При нанесении эпилама на поверхность режущего инструмента износостойкость его повышается в 2-5 раз. Чрезвычайно высокая химическая активность фтора является существенным недостатком эпиломирования.
В настоящее время высокоэнергетические методы поверхностного упрочнения рабочего профиля режущих кромок инструмента, такие как лазерное и плазменное упрочнение, магнитно-импульсная обработка, используются ограниченно (в основном из-за высокой стоимости оборудования, сложности технологических процессов). Основными методами упрочнения лезвийного инструмента пока остаются объемная закалка и закалка с нагревом ТВЧ, которые сопряжены с короблением рабочего профиля инструмента, возникновением термических напряжений и другими недостатками.
Многочисленные результаты исследований показывают убедительные преимущества инструмента и деталей машин с новыми покрытиями и подтверждают перспективность новых разработок. К перспективным технологиям ближайшего будущего можно отнести и совмещение имплантации с нанесением покрытий, а также работы в области совмещения термической обработки изделий с нанесением покрытий.
Вышеизложенное позволяет сделать вывод: рассматриваемые методы упрочнения имеют определенные недостатки; их применение для деталей и инструмента требует усовершенствования конкретных технологических процессов и дальнейших исследований; одновременно необходимо проводить поиск новых методов.
Список используемЫХ литературных источников
1. Верещака режущего инструмента с износостойкими покрытиями. – М.: Машиностроение, 1993. – 336 с.
2. Маслов высокие технологии: справочник // Инженерный журнал. –2008. – № 1. – С.10-24.
3. , О классификации методов нанесения покрытий (терминологический аспект) // Вестник машиностроение. – 1988. – № 9. С.54-57.
4. , Матюшенко аспекты технического наводороживания металлов и его влияние на износостойкость // Долговечность трущихся деталей машин. – 1986. – № 1. – С. 191-195.
5. , Кравец надежности инструмента лазерным легированием // Вестник машиностроения. – 1987. – № 1. – С. 44-46.
6. , Сидоренко электроискровой упрочняющей обработки на износ разделительных штампов // Вестник машиностроения. – 1987. – № 2. – С.53-55.
THE ANALYSIS of METHODS for strengthening MACHINE PARTS And CUTTING TOOLS
I. T. Syechjov, I. A. Sokolova
Threading the service life and wear resistance machine parts and tools by their strengthening is an important task the solution of which secures economy of expensive and deficit materials, energy, labor resource. Mechanical engineering uses various strengthening methods, choosing of which depends on the properties of cutting material and material to be cut, performance and economical effectiveness and strengthening method.
с omposite strengthening plating, laser strengthening and alloying, electro-spark alloying, apyloming, magnet –impulse treatment
Кандидат технических
наук, доцент кафедры технологии обработки материалов
Кандидат педагогических наук, доцент кафедры технологии обработки материалов
ФГОУ ВПО «Калининградский государственный технический университет», Россия, г. Калининград, Советский пр., 1,
e-mail: *****@***ru
Dr. I. T. Syechjov, PLD, ass. prof. Mechanical Engineering department The Kaliningrad State Technical University
Russia, Kaliningrad, Soviet pr., 1, tel.: + 7
Dr. I. A. Sokolova, PLD, ass. prof. Mechanical Engineering department The Kaliningrad State Technical University
Russia, Kaliningrad, Soviet pr.,
Термомеханическая обработка стали
Поверхностное упрочнение стальных деталей
Закалка токами высокой частоты.
Газопламенная закалка.
Старение
Обработка стали холодом
Упрочнение методом пластической деформации
Термомеханическая обработка стали
Одним из технологических процессов упрочняющей обработки является термомеханическая обработка (ТМО).
Термомеханическая обработка относится к комбинированным способам изменения строения и свойств материалов.
При термомеханической обработке совмещаются пластическая деформация и термическая обработка (закалка предварительно деформированной стали в аустенитном состоянии).
Преимуществом термомеханической обработки является то, что при существенном увеличении прочности характеристики пластичности снижаются незначительно, а ударная вязкость выше в 1,5…2 раза по сравнению с ударной вязкостью для той же стали после закалки с низким отпуском.
В зависимости от температуры, при которой проводят деформацию, различают высокотемпературную термомеханическую обработку (ВТМО) и низкотемпературную термомеханическую обработку (НТМО).
Сущность высокотемпературной термомеханической обработки заключается в нагреве стали до температуры аустенитного состояния (выше А 3 ). При этой температуре осуществляют деформацию стали, что ведет к наклепу аустенита. Сталь с таким состоянием аустенита подвергают закалке (рис. 16.1 а).
Высокотемпературная термомеханическая обработка практически устраняет развитие отпускной хрупкости в опасном интервале температур, ослабляет необратимую отпускную хрупкость и резко повышает ударную вязкость при комнатной температуре. Понижается температурный порог хладоломкости. Высокотемпературная термомеханическая обработка повышает сопротивление хрупкому разрушению, уменьшает чувствительность к трещинообразованию при термической обработке.
Рис. 16.1. Схема режимов термомеханической обработки стали: а – высокотемпературная термомеханическая обработка (ВТМО); б – низкотемпературная термомеханическая обработка (НТМО).
Высокотемпературную термомеханическую обработку эффективно использовать для углеродистых, легированных, конструкционных, пружинных и инструментальных сталей.
Последующий отпуск при температуре 100…200 o С проводится для сохранения высоких значений прочности.
Низкотемпературная термомеханическая обработка (аусформинг).
Сталь нагревают до аустенитного состояния. Затем выдерживают при высокой температуре, производят охлаждение до температуры, выше температуры начала мартенситного превращения (400…600 o С), но ниже температуры рекристаллизации, и при этой температуре осуществляют обработку давлением и закалку (рис. 16.1 б).
Низкотемпературная термомеханическая обработка, хотя и дает более высокое упрочнение, но не снижает склонности стали к отпускной хрупкости. Кроме того, она требует высоких степеней деформации (75…95 %), поэтому требуется мощное оборудование.
Низкотемпературную термомеханическую обработку применяют к среднеуглеродистым легированным сталям, закаливаемым на мартенсит, которые имеют вторичную стабильность аустенита.
Повышение прочности при термомеханической обработке объясняют тем, что в результате деформации аустенита происходит дробление его зерен (блоков). Размеры блоков уменьшаются в два – четыре раза по сравнению с обычной закалкой. Также увеличивается плотность дислокаций. При последующей закалке такого аустенита образуются более мелкие пластинки мартенсита, снижаются напряжения.
Механические свойства после разных видов ТМО для машиностроительных сталей в среднем имеют следующие характеристики (см. табл. 16.1):
Таблица 16.1. Механические свойства сталей после ТМО
|
(сталь 40 после обычной закалки) |
Термомеханическую обработку применяют и для других сплавов.
Помимо нанесения износостойких покрытий на поверхности инструментов существуют еще четыре группы технологий поверхностного упрочнения режущих инструментов:
1. Методы механического упрочнения: вибрационный, дробеструйный, взрывом и т.д. Наиболее часто используют для упрочнения инструментов из быстрорежущей стали и твердых сплавов. Поверхностное пластическое деформирование (ППД) – наклеп поверхностного слоя на глубину 0.2-0.8 мм с целью создания в нем остаточного напряжения сжатия. При наклепе поверхностный слой расплющивается. Удлинению поверхностного слоя препятствует сила сцепления с нижележащими слоями металла. Вследствие этого в наклепанном слое возникают двухосные напряжения сжатия, а в толще основного металла незначительные реактивные напряжения растяжения. Складываясь с рабочими напряжениями растяжения, остаточные напряжения сжатия уменьшают, а при достаточно больших значениях компенсируют первые. Возникающие при наклепе множественные искажения структуры (деформация зерна, местные пластические сдвиги) эффективно тормозят развитие усталостных повреждений и расширяют область существования нераспостроняющихся трещин, увеличение которых обуславливает существование разрушающих напряжений. Эффективен наклеп в напряженном состоянии, представляющий собой сочетание упрочнения перегрузкой с наклепом. При этом способе деталь нагружают нагрузкой того же напряжения, что и рабочая, вызывая в материале упругие или упругопластические деформации. После снятия нагрузки в поверхностном слое возникают остаточные напряжения сжатия. Наклепанный слой чувствителен к нагреву. При температурах 400-500 о С действие наклепа полностью исчезает, из-за наступающего при этих температурах процесса рекристаллизации, устраняющего кристалло-структурные изменения, внесенные наклепом. Основные разновидности упрочнение поверхности пластической деформацией: дробеструйная обработка, обкатывание, чеканка, алмазное выглаживание.
Дробеструйная обработка заключается в наклепе поверхностного слоя потоком закаленных шариков (диаметр 0.5-1.5 мм), создаваемым центробежными дробеметками. Качество поверхности при данном процессе немного снижается. Плоские поверхности упрочняют обкатыванием шариками, установленными во вращающемся патроне. Заготовке придают движение продольной и поперечной подачи, при правильно выбранном режиме обкатывания, остаточные напряжения сжатия в поверхностном слое составляют 600-1000 МПа. Глубина уплотнения слоя 0.2-0.5 мм. Данный процесс улучшает качество поверхности детали. Поверхность вращения упрочняют обкатыванием стальными закаленными роликами. Силу прижатия ролика выбирают с таким ращетом, чтобы создать в поверхностном слое напряжения, превышающие предел текучести материала в условиях всестороннего сжатия (для стали 5000-6000 МПа). Чеканку производят бойками со сферической рабочей поверхностью, приводимыми в колебания пневматическими устройствами. Частота колебаний и скорость вращения заготовки должны быть согласованы таким образом, чтобы наклепанные участки перекрывали друг друга.
Алмазное выглаживание заключается в обработке предварительно шлифованной и полированной поверхности закругленными алмазными резцами (радиус 2-3 мм). Поверхностный слой уплотняется до глубины 0.3-0.5 мм.
2. Методы химико-термической обработки (ХТО) инструментальных сталей: азотирование, цементация, карбонитрация, оксидирование, борирование в газовых и жидких средах, тлеющем газовом электрическом разряде (ионное азотирование). Высокую поверхностную прочность обеспечивает изотермическая закалка, а также термомеханическая обработка поверхности детали. При поверхностной закалке (газопламенная закалка) и химико-термической обработке (цементование) упрочнение обусловлено главным образом возникновением в поверхностном слое остаточных сжимающих напряжений вследствие образования структур большего удельного объема (нитриды и карбонитриды при нитроцементации и азотировании), чем структуры основного металла. Расширение поверхностного слоя тормозит сердцевина, сохраняющая исходную перлитную структуру, вследствие чего в поверхностном слое возникают двухслойные напряжения сжатия. В нижних слоях развиваются реактивные растягивающие напряжения, имеющие малое значение, из-за незначительности сечения термически обработанного слоя сравнительно с сечением сердцевины. Создание предварительных напряжений сжатия снижает среднее напряжение в области сжатия, тем самым повышается предел выносливости. Газовая закалка повышает предел выносливости по сравнению с исходной конструкцией из необработанной стали в 1.85 раза. Наиболее эффективным способом обработки является азотирование, которое практически полностью устраняет внешних концентраторов напряжений. Азотирование не вызывает изменения формы и размеров детали. Азотированный слой обладает повышенной коррозие - и термостойкостью. Твердость и упрочняющий эффект сохраняются вплоть до температур 500-600 о С. Оптимальные толщины слоя уплотнения при цементации 0.4-0.8 мм, цементовании и азотировании 0.3-0.5 мм, закалке с нагревом и газовой закалке 2-4 мм. Качество поверхности значительно улучшается.
Электроискровое, магнитное, ультразвуковое упрочнение. Данные метода редко применяются для обработки режущих инструментов.
Физическое упрочнение: лазерная обработка, ионная имплантация. Технология ионной имплантации является на сегодня одной из наиболее перспективной с точки зрения создания композиционных материалов с оптимальным набором поверхностных и объемных свойств.
Ионная имплантация – это процесс, в котором практически любой элемент может быть внедрен в приповерхностную область любого твердого тела – мишени (подложки), помещенной в вакуумную камеру, посредством типа высокоскоростных ионов, имеющих энергию в несколько мегаэлектроновольт.
Ионы внедряются в материал мишени (подложки) на глубину от 0,01мкм до 1мкм, теряя энергию в процессе столкновений с атомами основы.
Профиль (распределение) концентрации примеси по глубине для большинства комбинаций – внедряемый атом – мишень (подложка) может быть вычислен. Для малой дозы ионов (малого числа ионов на единицу площади) профиль распределения концентрации примеси по глубине обычно хорошо описывается гауссовым распределением с центром в середине области распространения. В результате ионной имплантации образуется поверхностный слой сплава с изменяющимся составом, который не обладает выраженной поверхностью раздела, характерной для осажденного покрытия.
Преимуществом ионной имплантации, как метода модифицирования поверхности по сравнению с другими методами упрочнения поверхности, являются:
Увеличение растворимости в твердом состоянии;
Независимость образования сплавов от констант диффузии;
Возможность быстрого изменения состава сплава;
Независимость от процессов протекаемых в объеме материала;
Возможность процесса при низких температурах;
Весьма незначительное изменение размеров обрабатываемой детали;
Отсутствие проблемы аугезии, так как не существует ярко выраженной поверхности раздела;
Контролируемая глубина распределения концентрации;
Вакуумная чистота;
Высокая контролируемость и воспроизводимость.
Основным недостатком ионной имплантации является обработка только той части поверхности инструмента, которая находится непосредственно в области действия пучка ионов.
Технологии нанесения покрытий на инструменты обладают высокой производительностью, универсальностью, экономичностью. Кроме того, появляется возможность управления условиями формирования и свойствами покрытий, а также свойствами композиции покрытие - инструментальный материал. Инструментальный материал с износостойким покрытием является новым материалом композиционного типа, в котором оптимально сочетаются свойства поверхностного слоя (высокие значения твердости, теплостойкости, пассивности по отношению к обрабатываемому материалу и т. д.) и свойства, проявляющиеся в объеме тела инструмента (прочность, ударная вязкость, трещиностойкость и т. д.).
В настоящее время систематизация марок инструментальных материалов должна быть дополнена систематизацией характеристик поверхностных слоев с измененными свойствами (СИС), иначе невозможно объективно определить возможность применения и технологии упрочнения в целом, и множества вариантов состава и конструкций упрочненных слоев для конкретных условий обработки. Данная систематизация представлена на рис.34.3
Применяемые способы упрочнения режущей части инструментов сгруппированы на рис 34.3 не просто по их физическим особенностям, но и по конечному результату –диапазону характеристик и вариантам конструкции получаемых слоев, которые необходимо знать в первую очередь для принятия решения об их применении. Всего предусмотрено четыре признака, ранжированных в строго определенном порядке.
Исходя из того, что области применения традиционных марок материалов определены достаточно четко, первым признаком становится наличие на материале режущей части инструмента какого-либо варианта упрочненного слоя.
Рис. 7.3 Систематизация вариантов материала режущей части инструмента
Это условие разграничивает диапазоны свойств этих слоев, т.е. это, по сути, новые классы материалов, обладающие качественно различными служебными характеристиками. Очевидно, что упрочнение основы, т.е. изменение свойств уже имеющегося «базового» инструментального материала, не позволит намного увеличить их твердость и износостойкость в отличие от нанесения покрытий, свойства которых практически не сильно зависят от свойств основы.
Вторым признаком систематизации является возможная технология получения того или иного варианта упрочненного слоя режущей части инструмента. Он определяет возможности использования упрочненного слоя в производстве.
Третьим признаком является общая, интегральная характеристика упрочненного слоя – его суммарная толщина. Влияние толщины износостойкого покрытия на работоспособность инструмента изучено достаточно подробно и будет рассмотрено ниже. Необходимо отметить, что разные технологии упрочнения могут обеспечивать строго определенные диапазоны толщин и каждый вариант слоя имеет свой, ярко выраженный оптимум.
Четвертым признаком группирования является дифференцированная характеристика упрочненного слоя – конкретное сочетание толщины слоя в целом, а также химического состава и структуры составляющих его слоев. Известно, что даже незначительное изменение только одного элемента (толщины или химического состава одного из составляющих слоев) позволяет существенно повысить потенциал работоспособности инструментов. Для упрочненных слоев основы важным является оптимальность градиента свойств от сердцевины к поверхности инструмента.
Технологические особенности получения слоев с измененными свойствами не являются самостоятельными признаками группирования. Они лишь обеспечивают служебные характеристики конструкции слоя.
В результате анализа особенностей промышленной эксплуатации режущего инструмента с покрытием можно отметить следующее:
1. Инструмент с покрытием заметно дороже инструмента без покрытия, что требует более высокой культуры производства, использования неизношенного станочного оборудования, тщательного экономического анализа целесообразности использования инструмента с покрытием.
2. Наиболее целесообразно эксплуатировать инструмент с покрытием на скоростях, превышающих скорость резания обычного инструмента на 30-60%. Такие скорости соответствуют оптимальной экономической скорости резания, минимизирующей интенсивность изнашивания и затраты на обработку резанием.
3. В настоящее время промышленность использует разнообразный режущий инструмент с покрытием, получаемый различными технологическими методами, что требует от заводских технологов знаний областей наиболее рационального использования такого инструмента. Эффективность инструмента с покрытием при различных условиях обработки сильно зависит от метода получения покрытия даже одного химического состава.
7.3. Контрольные вопросы:
1. В чем необходимость поверхностного упрочнения режущих инструментов?
2. Каковы современные методы поверхностного упрочнения инструментов? Их преимущества и недостатки
3. В чем заключается основной принцип систематизации материалов режущей части инструментов?
Доброго времени суток, уважаемый читатель! В последний раз мы говорили о Методах и способах восстановления деталей судовых технических средств, сегодня поговорим о способах упрочнения деталей.
Термический (тепловой) — к этому способу обработки деталей относят: отжиг, нормализацию, закалку и отпуск. Этот способ обеспечивает общее упрочнение деталей.
Отжиг — температура отжига детали составляет 770-900 С. Деталь нагревают в печи от 1 до 4 ч., а затем охлаждают вместе с печью. Чем больше в стали углерода, тем ниже должна быть температура отжига. При отжиге детали крупнозернистая структура металла становится мелкозернистой. Отжиг проводят для снятия внутренних напряжений, образующихся обычно после отливки, поковки, штамповки, прокатки, наплавки и правки.
Нормализация — деталь нагревают до температуры отжига и выдерживают при этой температуре в течение 1-2 ч, а затем охлаждают на воздухе до температуры окружающей среды. Нормализацию применяют для улучшения структуры металла с целью повышения механических свойств.
Закалка — температура закалки составляет 750-900 С. Закалку применяют для стали с содержанием углерода не ниже 0,5%, так как при меньшем содержании твёрдость при закалке увеличивается незначительно. Закалка придаёт металлу высокую твёрдость и прочность.
Отпуск — закаленную деталь нагревают до температуры 150- 600 С и выдерживают при этой температуре от 5-10 минут до 1-15 ч., а затем охлаждают. Отпуск снижает закалочные напряжения и изменяет структуру стали, повышает вязкость.
К поверхностным методам упрочнения относят закалку деталей токами высокой частоты (ТВЧ), закалку в электролитах и обработку холодом.
Закалка ТВЧ — деталь нагревают в индукторе, форма которого согласуется с формой поверхности детали, подвергаемой закалке. Индуктор, при пропускании через него переменного тока высокой частоты (2500-5000 Гц), создаёт переменное магнитное поле. Время нагрева поверхности детали составляет 2-10 с. При достижении температуры закалки 750-900 С ток выключается, и подаётся вода для охлаждения. Глубина закалённого слоя шейки коленчатого вала составляет 4-7 мм.
Закалка в электролитах (в растворах солей) — осуществляется пропусканием постоянного тока напряжением 220 В через деталь (катод), погружённую в электролит (раствор Na2C03). Деталь нагревают до температуры 250-450 С.
Применение такой закалки даёт возможность увеличить износостойкость деталей в 2-5 раз и более.
Обработка холодом — детали охлаждают до температуры -80 С и ниже с последующим нагреванием до температуры окружающего воздуха. При таком охлаждении в металле происходят дополнительные превращения остаточного аустенита в мартенсит, в связи с чем повышается твёрдость и износостойкость деталей. Для уменьшения внутренних напряжений после обработки холодом детали подвергают отпуску. Детали обрабатывают холодом сразу после закалки. В качестве хладона применяют жидкий азот.
Термомеханический — этот способ объединяет две операции: обработку деталей давлением с термической обработкой.
Термохимический — к этому способу относят: цементацию (науглероживание); цианирование (насыщением углеродом и азотом); азотирование (насыщение азотом); алитирование (насыщение алюминием); силицирование (насыщение кремнием); борирование (насыщение бором); оксидирование (воронение) и др.
Цементация — искусственное повышение содержания углерода в поверхностном слое детали из малоуглеродистой стали с содержанием углерода 0,1-0,3%. При цементации повышается содержание углерода на поверхности металла глубиной 1-3 мм, середина же детали остаётся малоуглеродистой. Науглероженную деталь до 0,7-1,1% подвергают закалке.
Цианирование — способ заключается в насыщении поверхностного слоя одновременно углеродом и азотом при температуре 820-870 С. Это достигается выдержкой детали в горячих расплавленных солях, содержащих цианистые соединения. Глубина насыщения составляет около 0,25 мм. Твёрдость цианированного слоя достигает 640-780 Нв(ед. Бринелля).
Азотирование — насыщение стали азотом при температуре 480- 650 С.
Алитирование — насыщение стали алюминием.
Силицирование — насыщение стали кремнием при температуре 1100—1200°С для повышения её антикоррозийных свойств.
Борирование — насыщение стали бором для повышения твёрдости и износостойкости.
Оксидирование (воронение) — насыщение стали кислородом термическим или химическим путём для защиты деталей от коррозии. Оксидирование производят в ваннах, наполненных смесью растворов едкого натра, натриевой селитры и нитрита натрия при температуре 130-145 С в течение 1-2 ч. На поверхности образуется слой окислов Fe304 чёрного цвета толщиной 1-2,5 мкм.
Термодиффузионное — при этом способе упрочнения применяют энерговыделяющие пасты, которые намазывают на деталь и поджигаю!. При горении пасты деталь разогревается до температуры 600- 800 С, а легирующие элементы, содержащиеся в пасте диффундируют (проникают) в верхние слои детали. Через 2-3 минуты обгоревшую деталь погружают в воду для охлаждения. В качестве энерговыделяющих компонентов в пасте используют смеси кислородосодержащих веществ с порошками алюминия, магния, кальция и других металлов.
Механическое упрочнение — это преднамеренное искажение кристаллической решётки металла в результате механического воздействия на него.
Физическая сущность механического упрочнения состоит в том, что под давлением твёрдого металлического инструмента выступающие микронеровности обрабатываемой поверхности пластически деформируются, шероховатость поверхности уменьшается, поверхностный слой металла упрочняется. К механическим способам упрочнения относят:
Обкатку шариком или роликом;
Протяжку;
Дробеструйную обработку;
Алмазное упрочнение.
Обкатку шариком или роликом цилиндрических поверхностей производят на токарных станках, а плоских поверхностей — на строгальных. Ролики и шарики изготавливают из инструментальных сталей.
Обкатка шариком или роликом поверхности детали повышает её твёрдость на 40-50%, а усталостную прочность на 80-100%.
Протяжку (дорнование) применяют для упрочнения и повышения точности и чистоты обработки внутренних поверхностей деталей. Суть процесса заключается в протягивании специальной оправки (дорна) или шарика через отверстие в детали.
Дробеструйная обработка — применяется для упрочнения деталей при помощи дроби. Применение стальной дроби даёт лучшие результаты, чем чугунной. При дробеструйном наклёпе получают упрочнённый слой глубиной до 1,5 мм. Твёрдость повышается на 20-60%, а усталостная прочность — на 40-90%.
Алмазное упрочнение — инструментом служит кристалл алмаза, имеющий сферическую рабочую часть. Деталь обрабатывается алмазом в оправке, прижатым тарированной пружиной к поверхности детали, которая и упрочняется.
Электроискровой способ — основан на ударном воздействии направленного искрового электрического разряда. Между электродом из твёрдого сплава (например, стеллита) и упрочняемой поверхностью под действием пульсирующего электрического тока возникает искровой разряд, в результате чего металл с электрода (анод) переносится на деталь (катод) и обрабатываемая поверхность детали упрочняется.
Электромеханический способ —применяют для поверхностного упрочнения на глубину до 0,2-0,3 мм. При этом износостойкость повышается до 11 раз, усталостная прочность в 2-6 раз. Суть заключается в следующем. В зону контакта детали и инструмента подводят ток силой 350-1300 А, напряжением 2-6 В. Инструмент от станка изолируют. В связи с тем, что площадь контакта инструмента и детали маленькая, возникает большое сопротивление, что приводит к увеличению тепловой энергии, которая мгновенно нагревает зону контакта до высокой температуры (температуры закалки). Поверхностный слой быстро охлаждается за счёт отвода тепла внутрь детали. В итоге получается эффект поверхностной закалки на глубину 0,2-0,3 мм с одновременным поверхностным наклёпом, значительно повышающий износостойкость и усталостную прочность детали.
Лазерное упрочнение — для лазерного упрочнения деталей используют лазеры (оптические квантовые генераторы) с мощностью излучения электромагнитных волн на выходе 0,8-5 кВт. При фокусировке такого излучения на обрабатываемой поверхности концентрируется высокий уровень энергии.
Лазерный луч при воздействии на обрабатываемую поверхность детали частично отражается, а остальной поток излучения проникает на глубину 10 6-10 7 м. Высокая плотность мощности лазерного излучения позволяет практически мгновенно достигать на обрабатываемой поверхности высоких температур, а это приводит к локальной закалке тонкого приповерхностного слоя, что обеспечивает высокую твёрдость обработанных участков.
Материаловедение: конспект лекций Алексеев Виктор Сергеевич
3. Способы упрочнения металлов и сплавов
Поверхностное упрочнение металлов и сплавов широко применяется во многих отраслях промышленности, в частности в современном машиностроении. Оно позволяет получить высокую твердость и износостойкость поверхностного слоя при сохранении достаточно вязкой сердцевины, способствует повышению долговечности и усталостной прочности. Некоторые методы поверхностного упрочнения отличаются высокой производительностью. В ряде случаев они с большой эффективностью используются вместо обычных методов термической обработки. Существует большое количество деталей, к свойствам поверхностного слоя металла которых предъявляются иные требования, нежели к свойствам внутренних слоев. Например, зубья шестерен в процессе работы испытывают сильное трение, поэтому они должны обладать большой твердостью, однако иметь небольшую твердость и хорошую вязкость, с тем чтобы зубья не разрушались от толчков и ударов. Следовательно, зубья шестерен должны быть твердыми на поверхности и вязкими в сердцевине.
Наиболее распространенным способом упрочнения поверхностного слоя металлов и сплавов является поверхностная закалка, при которой высокую твердость приобретает лишь часть поверхностного слоя деталей. Остальная часть не закаливается и сохраняет структуру и свойства, которые были до закалки. В настоящее время наибольшее распространение получила поверхностная закалка с индукционным нагревом токами высокой частоты. Этот высокопроизводительный прогрессивный метод термической обработки обеспечивает повышение механических свойств стали, в том числе предела текучести, усталости и твердости, исключает возможность обезуглероживания, уменьшает опасность окисления поверхности изделий и их деформации.
Детали сложной формы, ленточные пилы, режущий инструмент (фрезы, сверла), рычаги, оси подвергают импульсной поверхностной закалке. Для этого закаливаемую часть детали нагревают до температуры, превышающей температуру обычного нагрева данного материала под закалку, и затем охлаждают с большой скоростью за счет отвода тепла в остальную массу детали без применения охлаждающих сред. В результате импульсной закалки получают закаленный «белый» слой, устойчивый при отпуске до температуры 450 °C, обладающий мелкозернистой структурой, высокой твердостью и износостойкостью.
Данный текст является ознакомительным фрагментом. Из книги Работы по металлу автора Коршевер Наталья ГавриловнаСвойства металлов и сплавов В этой главе будет рассказано о металлах, сплавах и их свойствах, что полезно не только для мастеров слесарного дела, но для всех, кто занимается чеканкой, ковкой, художественным литьем (этому посвящены последующие главы).Металл относится к
Из книги Материаловедение: конспект лекций автора Алексеев Виктор Сергеевич2. Кристаллизация и структура металлов и сплавов Порядок расположения атомов – тип кристаллической решетки – природное свойство металла, форма кристаллов и их размеры зависят от процесса перехода металла из жидкого состояния в твердое. Процесс образования кристаллов
Из книги Авиация в локальных войнах автора Бабич В. К.ЛЕКЦИЯ № 8. Способы обработки металлов 1. Влияние легирующих компонентов на превращения, структуру, свойства сталей Легирующие компоненты или элементы, вводимые в стали в зависимости от их взаимодействия с углеродом, находящемся в железоуглеродистых сплавах,
Из книги Металл Века автора Николаев Григорий Ильич3. Способы атак Из опыта боевого применения истребителей-бомбардировщиков в локальных войнах зарубежные специалисты выделили несколько способов атак. Рассмотрим их подробнее.Атака с пикирования (с направления, обратного направлению захода на цель), или метод
Из книги Новое в мировой кинотехнике автора Комар Виктор ГригорьевичБИЧ МЕТАЛЛОВ В мире нет ничего вечного - эту нехитрую истину все знают давно. То, что кажется навеки незыблемым - горы, гранитные глыбы, целые материки, - со временем разрушаются, рассыпаются в пыль, уходят под воду, проваливаются в глубины. Исчезают целые культуры, народы
Из книги Сварка автора Банников Евгений АнатольевичСпособы видеозаписи Запись электронным лучом. В отличие от широко применяемой в настоящее время киносъемки с экрана кинескопа новый способ видеозаписи предусматривает непосредственную регистрацию телевизионных сигналов электронным лучом на кинопленке, как показано
Из книги Материаловедение. Шпаргалка автора Буслаева Елена Михайловна Из книги автора Из книги автора Из книги автора Из книги автора Из книги автора Из книги автора Из книги автора17. Теплоемкость и теплопроводность металлов и сплавов Теплоемкость – это способность вещества поглощать теплоту при нагреве. Ее характеристикой является удельная теплоемкость – количество энергии, поглощаемой единицей массы при нагреве на один градус. От величины
Из книги автора18. Дилатометрия. Магнитные свойства металлов и сплавов. Методы определения Дилатометрия – раздел физики; основная задача: изучение влияния внешних условий (температуры, давления, электрического, магнитного полей, ионизирующих излучений) на размеры тел. Главный предмет
Из книги автора43. Маркировка, структура, свойства и области применения цветных металлов и их сплавов К цветным металлам относятся медь, алюминий, магний, титан, свинец, цинк и олово, которые обладают ценными свойствами и применяются в промышленности, несмотря на относительно высокую