- •Г. В. Бычков, а. В. Смольянинов
- •Оглавление
- •Введение
- •1. Металлы
- •1.1. Кристаллизация металлов
- •1.2. Строение кристаллов металла
- •1.3. Исследование структуры металла
- •2. Свойства металлов и сплавов
- •2.1. Механические свойства металлов
- •2.1.2. Прочность при динамическом нагружении
- •2.1.3. Прочность при циклическом нагружении (испытания на усталость)
- •2.1.4. Пластичность металлов
- •2.1.5. Твердость металлов
- •3. Разрушение металлов
- •3.1. Разрушение при однократных нагрузках (хрупкое и вязкое разрушение)
- •3.2. Усталостное разрушение металлов
- •4. Металлические сплавы
- •4.1. Основные положения
- •4.2. Диаграмма железоуглеродистых сплавов
- •4.2.1. Критические точки сталей (точки Чернова)
- •4.3. Классификация и маркировка сталей и чугунов
- •4.3.1. Углеродистые стали (классификация)
- •4.3.2. Чугуны (классификация)
- •5.1. Превращения при нагреве и охлаждении
- •5.2. Операции термической обработки
- •Б – прерывистая закалка в двух охладителях
- •6. Структура сварного соединения
- •7. Поверхностное упрочнение деталей
- •7.1. Механическое упрочнение поверхности
- •7.2. Термическое упрочнение – поверхностная закалка
- •7.3. Химико-термическая обработка
- •7.3.1. Операции химико-термической обработки
- •Часть 4 Вопросы прочности и надежности металлов Конспект лекций
- •644046, Г. Омск, пр. Маркса, 35
7. Поверхностное упрочнение деталей
Назначение поверхностного упрочнения – повышение прочности, твердости, износостойкости поверхностных слоев деталей при сохранении вязкой, пластичной сердцевины для восприятия ударной нагрузки. 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, термические и химико-термическая обработка.
7.1. 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. 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. 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. 29). 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. Глубина 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).
Дробеструйная обработка является конечной технологической операцией для деталей после механической и термической обработки.
Кроме этих методов используются вибронакатывание, калибровка отверстий, алмазное выглаживание и др.
7.2. Термическое упрочнение – поверхностная закалка
Сущность поверхностной закалки состоит в том, что верхние слои детали быстро нагреваются выше температуры критических точек и создается резкий перепад температуры по сечению от поверхности к сердцевине. Если нагрев прервать и деталь быстро охладить, то закалку получит только ее поверхность, а сердцевина останется незакаленной.
Закалка с индукционным нагревом током высокой частоты (закалка ТВЧ) – операция, при которой деталь для нагрева помещают в индуктор (соленоид), представляющий собой один или несколько витков медной трубки, охлаждаемой проточной водой. Переменный ток высокой частоты, протекая по индуктору, создает переменное магнитное поле (рис. 30). В результате в поверхностном слое детали возникают вихревые токи и выделяется джоулево тепло. Происходит быстрый нагрев поверхности до температуры закалки. Время нагрева – 20 – 50 с.
Рис. 30. Схема нагрева детали ТВЧ: 1 – генератор тока
высокой частоты; 2 – конденсатор; 3 – индуктор; 4 – деталь
Охлаждение нагретой для закалки детали производится либо в баке (с водой, эмульсией или маслом), либо душевым устройством – спрейером. Глубина закаленного слоя, в зависимости от режимов закалки, – 1,5 – 4,0 мм. После закалки ТВЧ деталь подвергают низкому отпуску, или самоотпуску. Поверхностную индукционную закалку чаще применяют для углеродистых сталей (0,4 – 0,5 % углерода) и значительно реже – для легированных.
При поверхностной закалке, в том числе с глубинным нагревом, повышается сопротивление усталостному разрушению. Индукционный нагрев позволяет сократить длительность термической обработки и повысить производительность труда, получить поверхность без окалины, уменьшить деформацию и коробление деталей при закалке.
Закалка ТВЧ создает условия для полной механизации и автоматизации, обеспечивает термообработку в поточной линии без разрыва технологического процесса. Особенно эффективен этот метод для серийного и массового производства.
К существенным недостаткам закалки ТВЧ можно отнести неравномерный нагрев поверхности детали и ограничения по форме и размерам детали.
Закалка с газопламенным нагревом применяется в основном для крупных деталей, толщина закаленного слоя – не менее 20 – 40 мм при минимальной твердости HRC55 – 58.
Наибольшее распространение получил нагрев ацетилено-кислородным пламенем (3150°С) и более дешевым и безопасным керосино-кислородным пламенем (2400°С).
Этот способ (как и закалка ТВЧ) обеспечивает меньшее коробление деталей по сравнению с объемной закалкой, более чистую поверхность (без окалины). Процесс легко механизировать и автоматизировать, включать в технологический поток; не требуется сложное, дорогостоящее оборудование.
Недостатки закалки с газопламенным нагревом:
опасность перегрева, металла вплоть до оплавления поверхностного слоя;
отсутствие возможности точно регулировать температуру и толщину закаленного слоя;
использование газа требует дополнительных мероприятий по охране труда и технике безопасности.
Лазерная закалка – перспективный метод упрочнения сложных стальных и чугунных деталей, долговечность которых лимитируется износостойкостью и усталостной прочностью, когда их упрочнение другими методами затруднено. Износостойкость чугунных деталей повышается в несколько раз, а предел выносливости стальных – на 70 – 80 %.
При этой закалке на поверхность детали направляется сфокусированный линзой в точку луч лазера. Высокая концентрация световой энергии на малой площади поверхности приводит к резкому повышению температуры металла (выше критических точек). За счет постоянного перемещения лазерного луча время нагрева отдельного участка поверхности исчисляется несколькими долями секунды. Таким образом, в следующий момент времени нагретый участок начинает быстро охлаждаться за счет отвода тепла в холодные слои детали – происходит закалка нагретого участка поверхности детали. Глубина закаленного слоя не превышает одного миллиметра.