поверхностного слоя сталей 30ХГС (1) и 20 (2) от увеличения скорости резания при точении.
Рис. 7.4. Влияние скорости резания при точении на упрочнение заготовок из стали 30ХГС (1) и стали 20 (2)
Впроцессе механической обработки в поверхностных слоях заготовки возникают остаточные напряжения. Их причинами являются различия условий,
вкоторых во время обработки и по завершении ее оказываются верхние и нижележащие слои материала. Под воздействием режущего инструмента в поверхностном слое металла происходят пластическое деформирование, изменения формы кристаллических зерен, нагрев поверхностного слоя до высоких температур, структурные превращения. Эти явления могут сопровождаться изменениями в поверхностном слое плотности объема материала, переформированием кристаллических зерен, тепловыми деформациями.
Любая из указанных выше причин может преобладать в процессе обработки над другими. Поэтому, в зависимости от интенсивности проявления разных факторов поверхностный слой может быть наделен напряжениями как растяжения, так и сжатия. Соответственно противоположными им будут остаточные напряжения в нижележащем слое.
Знак и глубина остаточных напряжений зависят также от характера воздействия инструмента на материал и условий, в которых осуществляется процесс резания.
Например, при точении на формирование остаточных напряжений влияют скорость резания, подача, геометрия режущего инструмента, эффективность действия охлаждающей жидкости.
Впроцессе шлифования заготовок температура в зоне резания может приближаться к температуре плавления материала. Поэтому главной причиной формирования остаточных напряжений является высокий уровень нагрева поверхностного слоя заготовки.
Влияние смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ).
В зависимости от состава действие СОЖ может быть различным: охлаждающим, смазывающим и повышающим эффективность процесса обработки.
Основное назначение СОЖ – охлаждение в процессе обработки режущего инструмента и заготовки (прежде всего ее поверхностного слоя). Снижение температуры нагрева инструмента и заготовки может осуществляться путем непосредственного теплообмена между режущим инструментом, заготовкой и СОЖ и через уменьшение сил трения инструмента по задней и передней поверхностям о заготовку и сходящую стружку.
Охлаждающее действие СОЖ на нагретый поверхностный слой заготовки подобно процессу закалки, если нагрев будет выше критической точки Ас3, или отпуска, если нагрев оказался ниже точки Асх. Соответственно этому будет изменяться структура и зернистость поверхностного слоя заготовки, приобретенные им в процессе наклепа. Формирование остаточных напряжений в поверхностном слое становится зависимым в основном от проявления теплового фактора.
Обработка методами поверхностно-пластического деформирования (ППД).
Методы ППД основаны на пластическом деформировании поверхностного слоя заготовки без снятия слоя материала и относятся к отделочным методам обработки, применяемым для повышения предела выносливости и износостойкости детали.
К методам ППД относят дорнование, выглаживание, чеканку, дробеструйную обработку, накатывание (раскатывание), обработку стальными щетками. Все методы ППД сводятся к силовому воздействию инструмента (дорнов, бойков, роликов, шариков, дроби и др.) на обрабатываемую поверхность, оказываемому либо путем давления, либо нанесением большого числа ударов.
При поверхностно-пластическом деформировании в поверхностном слое заготовки возникают сложные процессы, сопровождающиеся вытягиванием, дроблением, скалыванием зерен, выделением теплоты и изменением структуры материала. Следствием этих процессов являются смятие гребешков микронеровностей, образование в поверхностном слое остаточных сжимающих напряжений, повышение механических свойств материала.
Воздействия на свойства материала заготовок термической и химико-термической обработок
Основной задачей термообработки заготовок являются изменения структуры и свойств их материала, направленные, в подавляющем большинстве случаев, на получение более мелкого зерна. Термической обработке подвергают слитки, отливки, поковки, сварные соединения, заготовки, получаемые из проката, а также детали, изготовляемые из разнообразных металлов или сплавов.
Основными видами термической обработки заготовок из сталей являются отжиг, нормализация, закалка и отпуск.
Отжиг заготовок из сталей проводят для снижения твердости, повышения пластичности и получения однородной мелкозернистой структуры. При отжиге полностью устраняются остаточные напряжения.
Отжиг проводят нагревом заготовок до температуры, превышающей АC3 на 30–50 °С, и после сквозного нагрева заготовки охлаждают. Скорость охлаждения при отжиге выбирают в зависимости от степени легированности стали. Для углеродистых сталей скорость охлаждения составляет 100–200 °С/ч, для легированных сталей – 20-70 ºС/ч.
Врезультате отжига в фасонном литье устраняется грубозернистая структура, снижающая механические свойства заготовки. В катаных и кованых заготовках устраняются последствия различия условий деформирования и охлаждения их различных частей, структура материала приобретает однородность.
Нормализация отличается от отжига условиями охлаждения; после
нагрева до температуры на 50–70 °С выше ЛC3 заготовку из стали охлаждают на воздухе. Нормализация сообщает стали более высокую прочность, чем отжиг, из-за большей скорости охлаждения.
Закалку заготовок из сталей ведут для получения структур наивысшей твердости. При последующем отпуске твердость может быть снижена, но повышена пластичность.
Охлаждение при закалке осуществляется погружением закаливаемой заготовки в воду или масло, имеющих температуру 20–25 °С. Значительные напряжения разного рода, обусловленные неравномерностью упругих и пластических деформаций при нагревании и охлаждении заготовки, изменениями объемов при фазовых превращениях и др., могут привести к возникновению закалочных трещин и короблению заготовок. Уменьшению остаточных напряжений в материалах заготовок в значительной мере могут способствовать закалка в двух средах и ступенчатая закалка.
Вряде случаев целесообразно упрочнять только поверхностные слои заготовки. Тогда до закалочной температуры нагревают только этот слой и быстро охлаждают его, оставляя сердцевину незакаленной. Нагрев осуществляют газопламенным способом, токами высокой частоты, низкотемпературной плазмой, лазером. Охлаждают водой следом за движущимся тепловым индуктором. Регулируя скорость движения индуктора, сообщаемую тепловую энергию и скорость охлаждения, изменяют глубину и свойства закаленного слоя.
Отпуск осуществляют при нагреве заготовки до температур, не
превышающих уровень А C 1 . Во время отпуска идут структурные изменения, обеспечивающие большую пластичность материала и снятие остаточных напряжений.
Взависимости от температуры нагрева различают три вида отпуска: низкий при 120–250 °С, средний при 350–450 °С и высокий при 500–680 °С. Каждому виду отпуска соответствует своя продолжительность выдержки. При низком отпуске продолжительность выдержки составляет 0,5–2 ч, хотя при нагреве до 100–120 °С выдержка может доходить и до 10–15 ч. Такой режим
отпуска применяют, когда нежелательно падение твердости, достигнутой в результате закалки.
Продолжительность среднего и высокого отпуска обычно составляет от 1 до 2 ч для деталей небольшой массы и от 3 до 8 ч для деталей массой от 200
до 1000 кг.
Комплексную термическую обработку заготовок из конструкционных сталей, состоящую из полной закалки и высокого отпуска, называют улучшением.
Химико-термическую обработку применяют для поверхностного упрочнения и противодействия влиянию на поверхность внешних агрессивных сред. Наибольшее распространение в машиностроении получили процессы цементации, цианирования и азотирования. Значительно реже применяют алитирование, сульфидирование, хромирование, цинкование, борирование и др. Рассмотрение химико-термической обработки ограничим наиболее распространенными процессами.
Цементация представляет собой процесс обогащения поверхностного слоя низкоуглеродистой стали углеродом. Последующая термообработка сообщает поверхностному слою высокую твердость и вязкость сердцевине и повышает износостойкость и усталостную прочность детали.
Цементацию ведут на глубину 0,5–2,2 мм, реже на меньшую глубину. Однако при изготовлении крупных деталей глубина цементированного слоя может доходить до 6 мм. Твердость поверхностного слоя после закалки составляет HRC3 64–66. Цементацию осуществляют в твердом или газовом карбюризаторе при температуре 920–1050 °С. Длительность насыщения поверхностного слоя углеродом зависит от заданной глубины цементации и марки материала. Длительность выдержки может составлять от 2 до 24 ч.
В связи с длительной выдержкой заготовок при температуре науглероживания структура материала получается крупнозернистой. Для обеспечения не только высокой твердости поверхности, но и высокой прочности и ударной вязкости материала необходимо получить мелкое зерно как на поверхности, так и в сердцевине заготовки. Для этого заготовки после цементации подвергают двойной закалке и низкому отпуску, уменьшающему остаточные напряжения и сохраняющему твердость стали.
Обычно цементации подвергают не все, а лишь отдельные поверхности заготовки, которым должна быть придана высокая твердость, поэтому нецементируемые поверхности должны быть изолированы. Существуют различные способы защиты нецементируемых поверхностей. К их числу относят гальваническое омеднение, применение специальных обмазок, забивку отверстий медными пробками и надевание на наружные поверхности колпачков. Защитой от цементации может служить припуск, удаляемый с заготовки после цементации до закалки. В этом случае технологический процесс изготовления детали строят с таким расчетом, чтобы на первых его стадиях обработать поверхности заготовки, подлежащие цементации, с припуском под обработку после закалки. Остальные поверхности заготовки либо не обрабатывают, либо обрабатывают с припуском, в 1,5–2 раза превышающим заданную глубину цементованного слоя. После цементации
защитные и цементованные слои с этих поверхностей удаляют, и заготовку направляют на закалку, в результате которой высокую твердость приобретут только цементованные поверхности.
Цианирование преследует ту же цель, что и цементация, т.е. повышение поверхностной твердости, износостойкости и усталостной прочности. Процесс насыщения поверхностного слоя материала углеродом ведут при температуре 820–950 °С в жидких, газовых средах или твердых упаковках с применением цианистых соединений в качестве карбюризаторов.
Микроструктура цианированной стали в закаленном и отожженном состоянии аналогична микроструктуре цементованной стали. Отличие в содержании в поверхностном слое азота, придающего цианированной стали большую износостойкость.
Азотирование применяют для повышения поверхностной твердости, износостойкости и предела выносливости деталей машин, изготовляемых из легированных сталей и чугуна. До азотирования детали подвергают закалке и высокому отпуску, проводят чистовую обработку заготовки, а после азотирования – отделочную обработку (тонкое шлифование, притирку, доводку и т.п.).
Диффузионное насыщение поверхностей заготовки азотом ведут при температуре 500–600 °С в муфелях или контейнерах, через которые пропускают аммиак. Так как азотированию обычно подвергают лишь отдельные поверхности изготовляемой детали, то ее другие поверхности требуют защиты. Наиболее распространенным средством защиты является гальваническое лужение.
Азотирование – это более длительный процесс, чем цементация, требующий 50–60 ч выдержки. Толщина азотированного слоя обычно не превышает 0,5 мм. В связи с этим азотирование используют реже, чем цементацию, хотя оно и обеспечивает более высокую твердость и износостойкость поверхностей деталей.