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?
Многие детали машин работают в условиях трения и подвергаются действию 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, твердости, 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 растягивающих напряжений. Если на поверхности создать остаточные напряжения сжатия, то растягивающие напряжения от нагрузок в эксплуатации будут меньше и увеличится предел выносливости (усталости). Создание в поверхностных слоях деталей напряжений 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 поверхностных слоев, создание наклепа (нагартовки);
термические – поверхностная закалка;
химико-термическая обработка (цементация, азотирование, хромирование и другие).
3.1. Механическое упрочнение поверхности
Упрочнение металла под действием холодной пластической деформации называется наклепом или нагартовкой. При этом изменяется строение металла: искажается кристаллическая решетка и деформируются зерна, т. е. из равноосных они превращаются в неравноосные (в виде лепешки, блина, рис. 1). Это сопровождается увеличением твердости и прочности в 1,5 – 3 раза. Возникающие в наклепанном слое напряжения сжатия повышают сопротивление усталости. Упрочнение поверхности пластическим деформированием повышает надежность работы деталей, снижает чувствительность к концентраторам напряжений, повышает сопротивление изнашиванию и коррозионную стойкость, устраняет следы предыдущей обработки.
Рис. 1. Влияние пластической деформации на микроструктуру металла:
а – до деформации; б – после деформации
Большинство операций упрочнения могут выполняться на универсальных металлорежущих станках (токарных, строгальных, сверлильных) с использованием простых по конструкции приспособлений. Эти операции упрочнения наиболее эффективны для металлов с твердостью до НВ250 – 280.
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 частицы твердого металла (дробь), вылетая из дробемета с большой скоростью (90 – 150 м/с), ударяют по упрочняемой поверхности, и происходит ее наклеп. Прочность, твердость и предел усталости повышаются. Толщина упрочненного слоя составляет 0,2 – 0,4 мм. Дробеструйному наклепу подвергают пружины, рессоры, зубчатые колеса, валы торсионные и т. п. Например, рессорные листы после термообработки перед сборкой в пакет подвергают дробеструйному наклепу, что значительно увеличивает срок службы рессоры (в три – пять раз).
Д
робеструйная
обработка является конечной технологической
операцией для деталей после механической
и термической обработки. Оборудованием
являются дробеметы. Наиболее распространены
механические дробеметы, имеющие большую
производительность. Дробь – частицы
шарообразной формы из твердой стали
или белого чугуна. Дробеструйная
обработка нормализованной стали
марки 20 увеличивает твердость на 40 %, а
стали марки 45 – на 20 %; остаточное
напряжение сжатия в поверхности – до
80 МПа.
Рис. 2. Схемы обкатывания (а, б) и раскатывания (в, г) поверхностей
Д
робеструйную
обработку применяют как эффективный
метод повышения выносливости изделий
из кованой и литой стали, для упрочнения
высокопрочных чугунов.
Эти методы упрочнения наиболее распространены в машиностроении. Кроме них используются вибронакатывание (рис. 3), калибровка отверстий (рис. 4), алмазное выглаживание и др.
Рис. 4. Схемы калибровки отверстий: а – шариком; б, в – дорном
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
Термомеханическую обработку применяют и для других сплавов.
Поверхностное упрочнение стальных деталей
Конструкционная прочность часто зависит от состояния материала в поверхностных слоях детали. Одним из способов поверхностного упрочнения стальных деталей является поверхностная закалка .
В результате поверхностной закалки увеличивается твердость поверхностных слоев изделия с одновременным повышением сопротивления истиранию и предела выносливости.
Общим для всех видов поверхностной закалки является нагрев поверхностного слоя детали до температуры закалки с последующим быстрым охлаждением. Эти способы различаются методами нагрева деталей. Толщина закаленного слоя при поверхностной закалке определяется глубиной нагрева.
Наибольшее распространение имеют электротермическая закалка с нагревом изделий токами высокой частоты (ТВЧ) и газопламенная закалка с нагревом газово-кислородным или кислородно-керосиновым пламенем.
Закалка токами высокой частоты.
Метод разработан советским ученым Вологдиным В.П.
Основан на том, что если в переменное магнитное поле, создаваемое проводником-индуктором, поместить металлическую деталь, то в ней будут индуцироваться вихревые токи, вызывающие нагрев металла. Чем больше частота тока, тем тоньше получается закаленный слой.
Обычно используются машинные генераторы с частотой 50…15000 Гц и ламповые генераторы с частотой больше 10 6 Гц. Глубина закаленного слоя – до 2 мм.
Индукторы изготавливаются из медных трубок, внутри которых циркулирует вода, благодаря чему они не нагреваются. Форма индуктора соответствует внешней форме изделия, при этом необходимо постоянство зазора между индуктором и поверхностью изделия.
Схема технологического процесса закалки ТВЧ представлена на рис. 16.2.
Рис. 16.2. Схема технологического процесса закалки ТВЧ
После нагрева в течение 3…5 с индуктора 2 деталь 1 быстро перемещается в специальное охлаждающее устройство – спрейер 3, через отверстия которого на нагретую поверхность разбрызгивается закалочная жидкость.
Высокая скорость нагрева смещает фазовые превращения в область более высоких температур. Температура закалки при нагреве токами высокой частоты должна быть выше, чем при обычном нагреве.
При правильных режимах нагрева после охлаждения получается структура мелкоигольчатого мартенсита. Твердость повышается на 2…4 HRC по сравнению с обычной закалкой, возрастает износостойкость и предел выносливости.
Перед закалкой ТВЧ изделие подвергают нормализации, а после закалки низкому отпуску при температуре 150…200 o С (самоотпуск).
Наиболее целесообразно использовать этот метод для изделий из сталей с содержанием углерода более 0,4 %.
Преимущества метода:
· большая экономичность, нет необходимости нагревать все изделие;
· более высокие механические свойства;
· отсутствие обезуглероживания и окисления поверхности детали;
· снижение брака по короблению и образованию закалочных трещин;
· возможность автоматизации процесса;
· использование закалки ТВЧ позволяет заменить легированные стали на более дешевые углеродистые;
· позволяет проводить закалку отдельных участков детали.
Основной недостаток метода – высокая стоимость индукционных установок и индукторов.
Целесообразно использовать в серийном и массовом производстве.
Газопламенная закалка.
Нагрев осуществляется ацетиленокислородным, газокислородным или керосинокислородным пламенем с температурой 3000…3200 o С.
Структура поверхностного слоя после закалки состоит из мартенсита, мартенсита и феррита. Толщина закаленного слоя 2…4 мм, твердость 50…56 HRC.
Метод применяется для закалки крупных изделий, имеющих сложную поверхность (косозубые шестерни, червяки), для закалки стальных и чугунных прокатных валков. Используется в массовом и индивидуальном производстве, а также при ремонтных работах.
При нагреве крупных изделий горелки и охлаждающие устройства перемещаются вдоль изделия, или – наоборот.
Недостатки метода:
· невысокая производительность;
· сложность регулирования глубины закаленного слоя и температуры нагрева (возможность перегрева).
Старение
Отпуск применяется к сплавам, которые подвергнуты закалке с полиморфным превращением.
К материалам, подвергнутым закалке без полиморфного превращения, применяется старение.
Закалка без полиморфного превращения – термическая обработка, фиксирующая при более низкой температуре состояние, свойственное сплаву при более высоких температурах (пересыщенный твердый раствор).
Старение – термическая обработка, при которой главным процессом является распад пересыщенного твердого раствора.
В результате старения происходит изменение свойств закаленных сплавов.
В отличие от отпуска, после старения увеличиваются прочность и твердость, и уменьшается пластичность.
Старение сплавов связано с переменной растворимостью избыточной фазы, а упрочнение при старении происходит в результате дисперсионных выделений при распаде пересыщенного твердого раствора и возникающих при этом внутренних напряжений.
В стареющих сплавах выделения из твердых растворов встречаются в следующих основных формах:
· тонкопластинчатой (дискообразной);
· равноосной (сферической или кубической);
· игольчатой.
Форма выделений определяется конкурирующими факторами: поверхностной энергией и энергией упругой деформации, стремящимися к минимуму.
Поверхностная энергия минимальна для равноосных выделений. Энергия упругих искажений минимальна для выделений в виде тонких пластин.
Основное назначение старения – повышение прочности и стабилизация свойств.
Различают старение естественное, искусственное и после пластической деформации.
Естественным старением называется самопроизвольное повышение прочности и уменьшение пластичности закаленного сплава, происходящее в процессе его выдержки при нормальной температуре.
Нагрев сплава увеличивает подвижность атомов, что ускоряет процесс.
Повышение прочности в процессе выдержки при повышенных температурах называется искусственным старением .
Предел прочности, предел текучести и твердость сплава с увеличением продолжительности старения возрастают, достигают максимума и затем снижаются (явление перестаривания)
При естественном старении перестаривания не происходит. С повышением температуры стадия перестаривания достигается раньше.
Если закаленный сплав, имеющий структуру пересыщенного твердого раствора, подвергнуть пластической деформации, то также ускоряются процессы, протекающие при старении – это деформационное старение .
Старение охватывает все процессы, происходящие в пересыщенном твердом растворе: процессы, подготавливающие выделение, и сами процессы выделения.
Для практики большое значение имеет инкубационный период – время, в течение которого в закаленном сплаве совершаются подготовительные процессы, когда сохраняется высокая пластичность. Это позволяет проводить холодную деформацию после закалки.
Если при старении происходят только процессы выделения, то явление называется дисперсионным твердением.
После старения повышается прочность и снижается пластичность низкоуглеродистых сталей в результате дисперсных выделений в феррите цементита третичного и нитридов.
Старение является основным способом упрочнения алюминиевых и медных сплавов, а также многих жаропрочных сплавов.
Обработка стали холодом
Высокоуглеродистые и многие легированные стали имеют температуру конца мартенситного превращения (М к ) ниже 0 o С. Поэтому в структуре стали после закалки наблюдается значительное количество остаточного аустенита, который снижает твердость изделия, а также ухудшает магнитные характеристики. Для устранения аустенита остаточного проводят дополнительное охлаждение детали в области отрицательных температур, до температуры ниже т. М к (- 80 o С). Обычно для этого используют сухой лед.
Такая обработка называется обработкой стали холодом .
Обработку холодом необходимо проводить сразу после закалки, чтобы не допустить стабилизации аустенита. Увеличение твердости после обработки холодом обычно составляет 1…4 HRC.
После обработки холодом сталь подвергают низкому отпуску, так как обработка холодом не снижает внутренних напряжений.
Обработке холодом подвергают детали шарикоподшипников, точных механизмов, измерительные инструменты.
Упрочнение методом пластической деформации
Основное назначение методов механического упрочнения поверхности – повышение усталостной прочности.
Методы механического упрочнения – наклепывание поверхностного слоя на глубину 0,2…0,4 мм.
Разновидностями являются дробеструйная обработка и обработка роликами.
Дробеструйная обработка – обработка дробью поверхности готовых деталей.
Осуществляется с помощью специальных дробеструйных установок, выбрасывающих стальную или чугунную дробь на поверхность обрабатываемых деталей. Диаметр дроби – 0,2…4 мм. Удары дроби вызывают пластическую деформацию на глубину 0,2…0,4 мм.
Применяют для упрочнения деталей в канавках, на выступах. Подвергают изделия типа пружин, рессор, звенья цепей, гусениц, гильзы, поршни, зубчатые колеса.
При обработке роликами деформация осуществляется давлением ролика из твердого металла на поверхность обрабатываемого изделия.
При усилиях на ролик, превышающих предел текучести обрабатываемого материала, происходит наклеп на нужную глубину. Обработка улучшает микрогеометрию. Создание остаточных напряжений сжатия повышает предел усталости и долговечность изделия.
Обкатка роликами применяется при обработке шеек валов, проволоки, при калибровке труб, прутков.
Не требуется специальное оборудование, можно использовать токарные или строгальные станки.
Способы упрочнения деталей, материалов.
Действенным средством снижения массы является повышение прочности материалов. В отличие от способа увеличения напряжений путем снижения фактического запаса прочности, сопряженного с риском ослабления детали, надежность в данном случае не уменьшается (если сохраняется запас прочности). Другое отличие заключается в том, что этот способ применим ко всем деталям без исключения, тогда как первый способ охватывает только расчетные детали.
Основные способы упрочнения материалов следующие:
- горячая обработка давлением;
- легирование;
- упрочняющая термическая и химико-термическая обработка;
- обработка методами холодной пластической деформации.
При горячей обработке давлением упрочнение происходит в результате превращения рыхлой структуры слитка в уплотненную структуру с ориентированным направлением кристаллитов. Пустоты между кристаллитами уковываются и завариваются, прослойки примесей по стыкам кристаллитов дробятся и под действием высокой температуры и давления растворяются в металле.
Наибольшее значение для прочности имеет процесс рекристаллизации, протекающий при остывании металла в определенном интервале температур (для сталей 450—700°С). Из обломков кристаллитов, разрушенных в процессе пластической деформации, возникают новые мелкие зерна. При росте рекристаллизованных зерен примеси остаются в растворенном состоянии в кристаллитах. Для ковкого металла характерна структура, состоящая из мелких округлых зерен, хорошо связанных друг с другом, что обусловливает его повышенную прочность и вязкость.
Кованым и особенно прокатанным металлам свойственна анизотропия механических свойств в направлениях вдоль и поперек волокон.
Особенно резко влияет направление волокон на вязкость (рис. 77).
Направление волокон в кованых и штампованных деталях должно быть согласовано с конфигурацией деталей и направлением действия рабочих нагрузок. Штампованные коленчатые валы (рис. 78, б ) и другие фасонные детали (рис. 78, г ) с волокнами, следующими контуру, значительно прочнее деталей, изготовленных из сортового проката с перерезкой волокон (рис. 78, а , в ).
Горячее накатывание зубьев шестерен (с последующим холодным калиброванием) обеспечивает правильное направление волокон относительно действующих на зуб нагрузок (рис. 78, д , e ). Повышенной прочностью обладает накатанная резьба (рис. 78, ж , з ).
Главное назначение легирования — повышение прочности с дифференцированным улучшением частных характеристик: вязкости, пластичности, упругости, жаропрочности, хладостойкости, сопротивления износу, коррозионной стойкости и др. Присадка некоторых элементов (Ni и особенно микроприсадка В) увеличивает прокаливаемость сталей, что позволяет получать повышенные механические свойства по всему сечению детали. Для получения высоких механических качеств легирование должно быть дополнено термообработкой.
В табл. 8 приведены сравнительные (средние) характеристики легированных и углеродистых сталей.
Упрочняющая термическая обработка (закалка с высоким, средним и низким отпуском, изотермическая закалка) вызывает образование неравновесных структур с повышенной плотностью дислокаций и сильно деформированной атомно-кристаллической решеткой (сорбит, троостит, мартенсит, бейнит). Регулируя режимы термообработки, можно получать стали с различным содержанием этих структур, размерами и формой зерен и соответственно с различными механическими свойствами. Для конструкционных сталей чаще всего применяют улучшение (закалка с высоким отпуском на сорбит), обеспечивающее наиболее благоприятное сочетание прочности, вязкости и пластичности.
Закалка с индукционным нагревом поверхностного слоя ТВЧ помимо технологических преимуществ (экономичность, высокая производительность) дает значительный упрочняющий эффект, обязанный возникновению в закаленном поверхностном слое остаточных напряжений сжатия.
Химико-термическая обработка заключается в насыщении поверхностного слоя углеродом (цементация) или азотом (азотирование) с образованием (в последнем случае) нитридов железа и легирующих элементов. При комплексных процессах (цианирование, нитроцементация) поверхность насыщается одновременно углеродом и азотом с образованием карбидов и карбонитридов. Эти виды химико-термической обработки придают поверхности высокую твердость и износостойкость. Вместе с тем они увеличивают прочность (особенно в условиях циклической нагрузки) благодаря образованию в поверхностном слое напряжений сжатия.
Разновидностью химико-термической обработки является термодиффузионное поверхностное легирование (насыщение поверхностного слоя атомами легирующих элементов), которое применяют для повышения прочности и твердости, а также придания поверхности особых свойств (табл. 9).
| Процесс | Сущность процесса | Технология процесса | Назначение |
| Диффузионное хромирование | Образование в поверхностном слое карбидов и α-твердых растворов Cr в железе | Выдержка в среде летучих хлоридов хрома: CrСl 2 ; CrСl 3 (газовое хромирование) при 800—1200 °С (5—6 ч) | Повышение твердости (HV 1200—1500) и термостойкости |
| Титанирование | Образование в поверхностном слое α-твердых растворов Ti, карбидов титана TiC и интерметаллидов типа Fe 2 Ti | Выдержка при 1100—1200°С в смеси порошков ферротитана (80%) и хлористого аммония (6—8 ч) | Повышение твердости (HV 1600—2000), увеличение коррозие- и эрозиостойкости |
| Бериллизания | Образование в поверхностном слое α-твердых растворов Be и бериллидов | Выдержка при 900—1100°С в смеси 20% Be, 75% BeO и 5% MgCl 2 (4—8 ч) | Повышение твердости (HV 1100—1200), увеличение коррозиестойкости |
| Борирование | Образование в поверхностном слое α-твердых растворов В и боридов Fe | Выдержка при 900—1100° С в смеси порошков карбида бора В 4 С и буры Na 2 B 4 O 7 (5—6 ч) | Повышение твердости (HV 1500—1800) и термостойкости |
| Сульфидирование | Образование в поверхностном слое сульфидов Fe | Выдержка в расплаве сернокислых солей при 550—600°С (2—4 ч) | Повышение износостойкости, придание противозадирных свойств, повышение стойкости против сваривания |
| Силидирование | Образование в поверхностном слое α-твердых растворов Si и силицидов Fe | Выдержка в атмосфере моносилана SiH 4 с газами-разбавителями при 1000° С (6—10 ч) | Повышение износостойкости, увеличение горячей коррозиестойкости |
| Семенирование | Образование в поверхностном слое α-твердых растворов Se и селенидов | Обработка 20%-ным раствором селенистой кислоты H 2 SeO 3 с добавкой небольшого количества хромпика | Повышение износостойкости, придание противозадирных свойств |
| Алитирование | Отложение на поверхности кристаллической пленки Аl 2 О 3 . Образование в поверхностном слое α-твердых растворов Аl и алюминидов | Выдержка в смеси порошков ферроалюминия и Аl 2 O 3 при 900—1000°С (6—8 ч) | Повышение горячей коррозиестойкости |
Многие детали работают в условиях повышенного износа поверхности. Поэтому есть необходимость эту поверхность как-то защитить. Это достигается методами поверхностного упрочнения.
Упрочнить поверхность - значит повысить свойства поверхности: твердость, износостойкость, коррозионную стойкость. Если надо изменить свойства, то это значит, что должна измениться структура поверхностного слоя. Для изменения структуры можно использовать деформацию, термическую обработку с нагревом различными способами, изменение химического состава поверхности, нанесение защитных слоев.
В основном методы упрочнения поверхностей
можно разбить на две основные группы:
1) упрочнение изделия без изменения химического состава поверхности, но с изменением структуры. Упрочнение достигается поверхностной закалкой, поверхностным пластическим деформированием и другими методами.
2) упрочнение изделия с изменением химического состава поверхностного слоя и его структуры. Упрочнение осуществляется различными методами химико-термической обработки и нанесением защитных слоев.
Методы изменения структуры
Из методов упрочнения без изменения химического состава поверхности, но с изменением ее структуры, наиболее распространены способы поверхностной закалки и различные виды поверхностного пластического деформирования (ППД).
В сущности, деформация поверхности - это наиболее простой способ, при котором прочностные характеристики поверхности возрастают. Здесь использован следующий принцип. Если вспомнить кривую деформационного упрочнения, то окажется, что чем больше растягиваем металл, тем больше металл сопротивляется, тем больше сила растяжения Р max (до определенного предела, конечно). Упрочняется металл и при кручении, и при сжатии. В технологиях ППД поверхностный слой металла деформируют (наклепывают) различными способами.
Основное назначение ППД - повышение усталостной прочности путем наклепа поверхности на глубину 0,2—0,4 мм. Разновидностями ППД являются дробеструйная обработка, обработка роликами, иглофрезерование, накатка рельефа и др.
Дробеструйная обработка
- обработка дробью поверхности готовых деталей. Применяется для упрочнения деталей, удаления окалины. Дробеструйной обработке подвергают изделия типа пружин, рессор, звенья цепей, гусениц, гильзы, поршни, зубчатые колеса.
При обработке роликами деформация осуществляется давлением ролика из твердого металла на поверхность обрабатываемого изделия. При усилиях на ролик, превышающих предел текучести обрабатываемого материала, происходит наклеп на нужную глубину.
Обработка роликами
улучшает микрогеометрию изделия. Создание остаточных напряжений сжатия повышает предел усталости и долговечность изделия. Обкатка роликами применяется при обработке валов, калибровке труб, прутков. На рис. 1 показан упрочненный поверхностный слой образца стальной оси железнодорожного вагона из стали 45. Микроструктура слоя представляет собой деформированные зерна феррита и перлита. Накатка роликом измельчила структуру, в поверхностном слое отдельные зерна неразличимы (рис.1,а). Там, где деформация была меньше, можно различить структуру, которая имеет направленность, характерную для деформации (рис.1,б). Глубину упрочнения контролируют по изменению микротвердости (рис.2).
 |
|
| а | б |
Рисунок 1. Микроструктура поверхностного слоя стали 45 после накатки роликом
Рисунок 2. Изменение микротвердости по глубине поперечного сечения валов различного диаметра.
Иглофрезерование при помощи фрез, на поверхности которых находится от 200 тысяч до 40 миллионов плотно расположенных игл из высокопрочной стальной проволоки диаметром 0,2—0,8 мм, также позволяет проводить упрочнение поверхности деталей. Иглофрезерование применяют для обработки плоских и цилиндрических поверхностей, а также для очистки деталей от окалины. При иглофрезеровании тоже образуется упрочненный поверхностный слой (рис. 3). В данном случае упрочненный слой состоит из деформированных зерен феррита и перлита (рис.3, а). На поверхности, подвергавшейся обработке, видны следы фрезы (рис.3,б).
Рисунок 3. Микроструктура упрочненного слоя стали 20ХНР (а), исходное состояние-нормализация; поверхность после иглофрезерования (б).
Сущность поверхностной закалки состоит в том, что поверхностные слои стальной детали быстро нагревают выше температуры закалки, а затем охлаждают со скоростью выше критической. Основное назначение поверхностной закалки: повышение твердости, износостойкости и предела выносливости поверхности при сохранении вязкой сердцевины. Нагрев, в принципе, может быть осуществлен разными способами. В промышленности самым распространенным способом поверхностного упрочнения является индукционная закалка с нагревом токами высокой частоты. Как правило, упрочненный слой виден уже при макроструктурном анализе (рис. 4). Слева - нетравленный участок образца. Он сильнее отражает свет при съемке, поэтому выглядит темным. Справа - участок после травления. Закаленный слой хорошо виден.
Рисунок 4. Фрагмент автомобильной детали; макроструктура
И при макроструктурном, и при микроструктурном (рис.5,а) анализе видно, что упрочненная зона состоит из 2 слоев: светлый у самой поверхности и далее более темный. Верхний светлый слой имеет структуру мартенсита закалки (рис.5,б). Мартенсит образовался при быстром охлаждении поверхности. Более темный слой - мартенсит отпуска (рис.5,в). Это тот мартенсит, который тоже образовался при ускоренном охлаждении, но дольше находился при повышенной температуре, чего оказалось достаточно для того, чтобы произошел отпуск. В сердцевине детали на разной глубине могут быть сорбит или троостит (рис.5,г).
Рисунок 5. Микроструктура слоя (на рис.4), полученного закалкой ТВЧ: а - слои мартенсита закалки и отпуска, б - мартенсит закалки, в- мартенсит отпуска, г - троостит и мартенсит в сердцевине.
Методы изменения структуры и состава
К методам упрочнения с изменением химического состава и структуры поверхности относится химико-термическая обработка (ХТО). Она заключается в насыщении поверхностного слоя стали различными элементами при высокой температуре. В зависимости от насыщающего элемента существуют следующие разновидности химико-термической обработки: цементация, азотирование, нитроцементация (цианирование), борирование, диффузионная металлизация
(алитирование, хромирование, силицирование и т.д.). Общим для всех видов поверхностного упрочнения является повышение твердости поверхностного слоя. Выбор метода поверхностного упрочнения детали зависит от условий ее эксплуатации, формы, размеров, марки выбранной стали и других факторов.
Наиболее широко используется цементация - насыщение поверхности стали углеродом.
Цементация придает поверхности стали высокую твердость и износостойкость при сохранении вязкой и пластичной сердцевины. Окончательные свойства цементированные изделия приобретают после закалки и низкого отпуска. Цементации обычно подвергаются детали, изготовленные из сталей с содержанием углерода до 0,25%, работающие в условиях контактного износа и приложения знакопеременных нагрузок: среднеразмерные зубчатые колеса, втулки, поршневые пальцы, кулачки, валы коробок передач автомобилей, отдельные детали рулевого управления и т.д.
Цементированный слой имеет переменную концентрацию углерода по толщине, уменьшающуюся от поверхности к сердцевине стальной детали. Поэтому структура, которая формируется при цементации в поверхностном слое, будет иметь разное соотношение перлита, феррита и цементита. Различают четыре основные зоны стального изделия после цементации (рис.6):
Рис. 6. Микроструктура углеродистой доэвтектоидной стали 10 после цементации.
1 - заэвтектоидная зона, состоящая из перлита и цементитной сетки (рис.7а);
2 - эвтектоидная зона, представляющая собой перлит (рис.7б);
3 -доэвтектоидная зона, в которой по мере приближения к сердцевине уменьшается количество углерода, перлита, а количество феррита возрастает (рис.7в);
4 - исходная, без изменения после цементации, структура стального изделия.
За глубину цементированного слоя "h" принимают сумму заэвтектоидной, эвтектоидной и половину доэвтектоидной зоны, где количество феррита и перлита составляет по 50%.
Рисунок 7. Структура зон цементованной детали: а - заэвтектоидная зона (цементит + перлит), б - зона эвтектоида (перлит), в - доэвтектоидная зона (перлит + феррит).
Рисунок 8. Изменение твердости в поверхностном слое после цементации и термической обработки
Азотирование представляет собой процесс насыщения поверхностного слоя стали азотом и чаще всего проводится при температурах 500—600 о С. Азотирование, так же как и цементация, повышает твердость и износостойкость поверхности стали. На рис.9 показана серия отпечатков при измерении микротвердости на поперечном шлифе азотированного образца. Вверху - упрочненный слой (темная полоса). Диаметр отпечатков снижается по мере приближения к поверхности. Там твердость выше.
Рисунок 9. «Дорожка» отпечатков микротвердости; стальная деталь после азотирования
Азотированный слой как правило, имеет белый цвет. Сам слой при металлографическом травлении не изменяется, а под ним сталь имеет структуру, соответствующую термической обработке (рис.10). На рис.11 показана автомобильная деталь и изменение микротвердости по разным "зубьям".
Рисунок 10. Азотированный слой на стали 40ХГНМ
 |
 |
| а | б |
Рисунок 11. Автомобильная деталь (а) и изменение микротвердости (б) ее поверхностного слоя после азотирования
В настоящее время широко применяется плазменное и ионно-плазменное азотирование. Структура поверхностного слоя после такой обработки представляет собой мелкодисперсный мартенсит (1), под которым находится переходная зона (2); глубже располагается не изменившаяся структура (3) (рис. 12).
Рисунок 12. Структура поверхностного слоя после обработки плазмой азота; сталь У8А
Борирование — процесс химико-термической обработки, диффузионного насыщения поверхности металлов и сплавов бором при нагреве. Борирование приводит к существенному повышению твердости поверхности. Борирование проводят в порошковых смесях, электролизом. Есть также жидкостное безэлектролизное борирование, ионное борирование и борирование из обмазок (паст). Борирование чаще всего проводят при электролизе расплавленной буры (Na 2 B 4 O 7). Изделие служит катодом. Температура насыщения 930—950 °C, выдержка 2 — 6 часов.
На поверхности образца после борирования формируется плотный белый слой боридов (рис.13). Белый слой состоит из переплетающихся столбчатых кристаллов состава FeB и Fe 2 B. На строение боридного слоя влияет состав стали. В стали 25ХГТ (рис. 13, а) и в стали 45 (рис. 13, б) между кристаллами боридов есть зона твердого раствора. В стали 40Х (рис. 13, в) слой составляют только протяженные иглы боридов. Между борированным слоем и сердцевиной формируется зигзагообразная граница раздела.
 |
 |
 |
| а | б | в |
Рисунок 13. Структура борированных слоев в сталях 25ХГТ (а), 45 (б), 40Х (в)
Загрузка...
