Поверхностное упрочнение стали реферат

Обновлено: 05.07.2024

Поверхностная закалка состоит в нагреве поверхностного слоя стальных деталей до аустенитного состояния и быстрого охлаждения с целью получения высокой твердости и прочности в поверхностном слое в сочетании с вязкой сердцевиной. Существуют различные способы нагрева поверхности под закалку — в расплавленных металлах или солях, пламенем газовой горелки, лазерным излучением, током высокой частоты. Последний способ получил наибольшее распространение в промышленности.

При нагреве токами высокой частоты закаливаемую деталь помещают внутри индуктора, представляющего собой медные трубки с циркулирующей внутри для охлаждения водой. Форма индуктора соответствует внешней форме детали. Через индуктор пропускают электрический ток (частотой 500Гц - 10МГц). При этом возникает электромагнитное поле, которое индуцирует вихревые токи, нагревающие поверхность детали. Глубина нагретого слоя уменьшается с увеличением частоты тока и увеличивается с возрастанием продолжительности нагрева. Регулируя частоту и продолжительность, можно получить необходимую глубину закаленного слоя, находящуюся в пределах 1-10мм.

Преимуществами закалки токами высокой частоты являются регулируемая глубина закаленного слоя, высокая производительность (нагрев одной детали длится 10 с), возможность автоматизации, отсутствие окалинообразования. Недостаток — высокая стоимость индуктора, который является индивидуальным для каждой детали.Поэтому этот вид закалки применим, в основном, к крупносерийному и массовому производству.

Перспективный метод поверхностной закалки стальных деталей сложной формы — лазерная обработка. Благодаря высокой плотности энергии в луче лазера возможен быстрый нагрев очень тонкого слоя металла. Последующий быстрый отвод тепла в объем металла приводит к закалке поверхностного слоя с приданием ему высокой твердости и износостойкости.

Химико-термическая обработка — это процесс изменения химического состава, структуры и свойств поверхности стальных деталей за счет насыщения ее различными химическими элементами. При этом достигается значительное повышение твердости и износостойкости поверхности деталей при сохранении вязкой сердцевины. К видам химико-термической обработки относятся цементация, азотирование, цианирование и др.

Цементация — это процесс насыщения поверхностного слоя стальных деталей углеродом. Цементация производится путем нагрева стальных деталей при 880-950°C в углеродосодержащей среде, называемой карбюризатором. Различают два основных вида цементации—газовую и твердую. Газовая цементация проводится в газе, содержащем метан СН₄и оксид углерода СО. Твердая цементация проводится в стальных ящиках, куда укладываются детали вперемешку с карбюризатором. Карбюризатором служит порошок древесного угля с добавкой солейNa₂CO₃или ВаСО₃.

Цементации подвергают стали с низким содержанием углерода (0,1-0,3%). В результате на поверхности концентрация углерода возрастает до 1,0-1,2%. Толщина цементованного слоя составляет1-2,5 мм.

Цементацией достигается только выгодное распределение углерода по сечению детали. Высокая твердость и износостойкость поверхности получается после закалки, которая обязательно проводится после цементации. Затем следует низкий отпуск. После этого твердость поверхности составляет HRC 60.

Азотированием называется процесс насыщения поверхности стали азотом. При этом повышаются не только твердость и износостойкость, но и коррозионная стойкость. Проводится азотирование при температуре 500-600°C в среде аммиака NH₃ в течение длительного времени (до 60 ч.) Аммиак при высокой температуре разлагается с образованием активного атомарного азота, который и взаимодействует с металлом. Твердость стали повышается за счет образования нитридов легирующих элементов.чПоэтому азотированию подвергают только легированные стали. Наиболее сильно повышают твердость такие легирующие элементы, как хром, молибден, алюминий, ванадий. Глубина азотированного слоя составляет 0,3 — 0,6 мм, твердость поверхностного слоя по Виккерсу доходит до HV 1200 (при цементации HV 900).

К преимуществам азотирования перед цементацией следует отнести отсутствие необходимости в дополнительной термообработке, более высокую твердость и износостойкость, высокую коррозионную стойкость поверхности. Недостатками являются низкая скорость процесса и необходимость применения дорогих легированных сталей.

Цианирование (нитроцементация) — это процесс одновременного насыщения поверхности стали углеродом и азотом. Проводится цианирование в расплавах цианистых солей NaCN или KCN или в газовой среде, содержащей смесь метана СН₄ и аммиака NH₃. Различают низкотемпературное и высокотемпературное цианирование.

Низкотемпературное цианирование проводится при температуре 500-600°C. При этом преобладает насыщение азотом. Глубина цианированного слоя составляет 0,2-0,5 мм, твердость поверхности — HV 1000.

При высокотемпературном цианировании температура составляет 800-950°С. Преобладает насыщение углеродом. Глубина поверхностного слоя составляет 0,6 — 2,0 мм. После высокотемпературного цианирования следует закалка с низким отпуском. Твердость после термообработки составляет HRC 60.

Поверхностное упрочнение пластическим деформированием основано на способности стали к наклепу при пластической деформации(см. раздел 2.1). Наиболее распространенными способами такого упрочнения поверхности является дробеструйная обработка и обработка поверхности роликами или шариками.

При дробеструйной обработке на поверхность детали из специальных дробеметов направляется поток стальной или чугунной дроби малого диаметра (0,5-1,5 мм). Удары концентрируются на весьма малых поверхностях, поэтому возникают очень большие местные давления. В результате повышается твердость и износостойкостьобработанной поверхности. Кроме того, сглаживаются мелкие поверхностные дефекты. Глубина упрочненного слоя при дробеструйной обработке составляет около 0,7 мм.

Обкатка роликами производится с помощью специальных приспособлений на токарных станках. Помимо упрочнения, обкатка снижает шероховатость обрабатываемой поверхности. Глубина упрочненного слоя доходит до 15 мм.

В данном реферате будут рассмотрены вопросы упрочнения материалов и упрочнения поверхностного слоя деталей, что улучшает эксплуатационные качества изделия , улучшает его внешний вид, увеличивает срок службы детали

Содержание

Введение 2
1 Основные методы упрочнения материалов 4
1.1 Термомеханическая обработка стали 5
1.2 Поверхностное упрочнение стальных деталей 7
1.3 Закалка токами высокой частоты 8
1.4 Газопламенная закалка 9
1.5 Старение 10
1.6 Обработка стали холодом 12
2 Местная упрочняющая обработка деталей 13
2.1 Классификация способов поверхностного упрочнения 14
2.2 Выбор метода поверхностного упрочнения деталей 15
Заключение 17
Литература: 18

Вложенные файлы: 1 файл

Методы упрочнения материалов.doc

Министерство образования и науки Российской Федерации.

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Факультет вечернего и заочного образования

Выполнил студент группы ТМ-101 ______________

Руководитель ______________________________ О.В. Козлова

Нормоконтролер ______________________________ О.В. Козлова

Защищен ___________________ Оценка____________________

Целью данной работы является анализ методов упрочнения материалов.

Качество обработки и производительность изготовления изделий являются важнейшими показателями уровня развития государства.

Поверхностное упрочнение выполняется в качестве заключительной операции на деталях, прошедших механическую и термическую обработку.

Одна из актуальных задач машиностроения – дальнейшее развитие, совершенствование и разработка новых технологических методов обработки заготовок деталей машин, применение новых конструкционных материалов и повышение качества обработки деталей машин.

1 Основные методы упрочнения материалов

Упрочнение в технологии металлов – это повышение сопротивляемости материала заготовки или изделия разрушению или остаточной деформации.

Упрочнение материала заготовок и изделий достигается механическими, термическими, химическими и др. воздействиями, а также комбинированными способами (химико-термическими, термомеханическими и др.). Наиболее распространённый вид упрочняющей обработки – поверхностное пластическое деформирование (ППД) – простой и эффективный способ повышения несущей способности и долговечности деталей машин и частей сооружений, в особенности работающих в условиях знакопеременных нагрузок (оси, валы, зубчатые колёса, подшипники, поршни, цилиндры, сварные конструкции, инструменты и т.п.). В зависимости от конструкции, свойств материала, размеров и характера эксплуатационных нагрузок деталей применяются различные виды ППД: накатка и раскатка роликами и шариками, обкатка зубчатыми валками, алмазное выглаживание, дорнование, гидроабразивная, вибрационная, дробеструйная и др. способы обработки. Часто ППД, кроме упрочнения, значительно уменьшает шероховатость поверхности, повышает износостойкость деталей, улучшает их внешний вид (упрочняюще-отделочная обработка). Упрочнение при термической обработке металлов обеспечивается, в частности, при закалке с последующим отпуском. Улучшению прочностных свойств значительно способствуют и определённые виды термомеханической обработки (в т. ч. горячий и холодный наклёп). Упрочнение химико-термическим воздействием может осуществляться путём азотирования, цианирования, цементации, диффузионной металлизации (насыщением поверхности детали алюминием, хромом и др. металлами).

Упрочнение обеспечивается также применением электрофизических и электрохимических методов обработки, ультразвуковой, электроэрозионной, магнитоимпульсной, электрогидравлической, электроннолучевой, фотоннолучевой, анодно-химической, электроискровой, а также воздействием взрывной волны, лазера и др. Упрочняющая обработка может быть поверхностной (например, пластическое деформирование с возникновением поверхностного наклёпа), объёмной (например, изотермическая закалка) и комбинированной (например, термическая обработка с последующим ППД). Объёмная и поверхностная упрочняющая обработки могут вестись последовательно несколькими методами[3].

1.1 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 А₃). При этой температуре осуществляют деформацию стали, что ведет к наклепу аустенита. Сталь с таким состоянием аустенита подвергают закалке (рисунок 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.

а - высокотемпературная термомеханическая обработка (ВТМО);

б - низкотемпературная термомеханическая обработка

Рисунок 1 – Схема режимов термомеханической обработки стали (НТМО).

Высокотемпературную термомеханическую обработку эффективно использовать для углеродистых, легированных, конструкционных, пружинных и инструментальных сталей.

Последующий отпуск при температуре 100. 200°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°С), но ниже температуры рекристаллизации, и при этой температуре осуществляют обработку давлением и закалку (рисунок 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 (смотри таблицу 1)

Химико-термическая обработка – процесс химического и термического воздействия на поверхностный слой стали с целью изменения состава, структуры и свойств. Химико-термическая обработка повышает твердость поверхности стали, ее износостойкость, коррозионную стойкость, кислотоустойчивость и другие свойства. Химико-термическая обработка нашла широкое применение в машиностроении, так как является одним из наиболее эффективных методов упрочнения стальных деталей для повышения их долговечности.

Химико-термической обработке можно подвергать различные по размерам и форме детали и получать обработанный слой одинаковой толщины. При химико-термической обработке за счет изменения химического состава поверхностного слоя достигается большое различие свойств поверхности и сердцевины детали. Недостатком процессов химико-термической обработки является их малая производительность.
Химико-термическая обработка основана на диффузии атомов различных химических элементов в кристаллическую решетку железа при нагреве в среде, содержащей эти элементы.
Химико-термическая обработка состоит из трех процессов: диссоциации – получения насыщающего элемента в активном атомарном состоянии: 2NH3↔2N+3H2, СН4↔С+2Н2 и т. д.; абсорбции – поглощения активных атомов насыщающего элемента поверхностью металла; диффузии – перемещения атомов насыщающего элемента с поверхности в глубь металла.

Необходимо, чтобы скорости всех трех процессов были обязательно согласованы, а для абсорбции и диффузии требуется, чтобы насыщающий элемент взаимодействовал с основным металлом, образуя либо твердые растворы, либо химические соединения. Химико-термическая обработка невозможна, если основной металл и насыщающий элемент образуют механические смеси. Глубина проникновения диффундирующего элемента зависит от температуры и продолжительности насыщения, а также от состава стали, главным образом наличия легирующих элементов.
Наиболее распространенными видами химико-термической обработки является цементация (насыщение поверхностного слоя углеродом), цианирование (углеродом и азотом), борирование (бором), алитирование (алюминием) и др.

Цементация – процесс химико-термической обработки, заключающийся в диффузионном насыщении поверхностного слоя углеродом при нагреве в соответствующей среде. Цементация придает поверхностному слою высокую твердость и износостойкость, повышает предел выносливости при изгибе и кручении. Цементируют детали, работающие в условиях трения, при больших давлениях и циклических нагрузках шестерни, поршневые пальцы, распределительные валы и др.
Для цементации используют низкоуглеродистые стали (0,1-0,3% С), т. е. стали марок 10, 15, 20, А12, А20, СтЗ, 15Х, 25ХГМ и др. При цементации содержание углерода в поверхностном слое доводят до 1% (рис. 45). Толщина (глубина) цементованного слоя составляет 0,5-2,5 мм. Для углеродистых сталей глубиной цементации условно считают расстояние от поверхности детали до половины зоны, в структуре которой наряду с перлитом содержится примерно такое же количество феррита.

Рис. 45. Изменение концентрации (%) углерода в цементованном поверхностном слое

При цементации деталь нагревают без доступа воздуха до 930-950°С в науглероживающей среде (твердой, жидкой или газообразной), выдерживают при этой температуре в течение нескольких часов, а затем медленно охлаждают. После этого ее подвергают нормализации, закалке и отпуску.
Науглероживающей средой служат твердые карбюризаторы (мелкий древесный уголь в смеси с углекислым барием), жидкие соляные ванны (смесь поваренной соли, углекислого натрия, цианистого натрия и хлористого бария) и газы, содержащие углерод (природный, светильный и др.).

Цементованные детали подвергают закалке (820-850°С) и низкому отпуску (150-170°С). После термической обработки структура поверхностного слоя представляет собой мартенсит или мартенсит с небольшим количеством карбидов с твёрдостью HRC 60-64.
Структура сердцевины деталей из углеродистых сталей – феррит, перлит, а из легированных сталей – низкоуглеродистый мартенсит, троостит или сорбит с твердостью HRC 20-40 в зависимости от марки стали и размеров детали.

Азотирование – процесс химико-термической обработки, заключающийся в насыщении поверхностного слоя азотом для придания этому слою высокой твердости, износостойкости или устойчивости против коррозии.
Твердость азотированного слоя выше, чем цементованного, и сохраняется до высоких температур 400-600°С, тогда как твердость цементованного слоя с мартенситной структурой сохраняется лишь до 200-250°С. Азотированию подвергают легированные стали, содержащие алюминий, хром, титан, например 35ХМЮА, 40Х, 18ХГТ, 40ХНМА и др.

Перед азотированием улучшают механические свойства деталей, подвергая их закалке и высокому отпуску. Толщина азотированного слоя составляет 0,2-0,6 мм. Азотированный слой хорошо шлифуется и полируется. Азотированию подвергают детали автомобилей (шестерни, коленчатые валы), а также штампы, пресс-формы и др. Азотирование приводит к небольшому увеличению размеров. Поэтому после азотирования детали подвергают окончательному шлифованию (например, повторно шлифуют шейки коленчатых валов) со снятием слоя 0,02-0,03 мм. Азотирование обычно проводят в среде аммиака при температуре 500-600ºС. Аммиак разлагается с выделением активного азота в атомарном состоянии: 2NH3↔2N+6H. При этих температурах в герметически закрытом муфеле, вставленном в печь, азот внедряется в поверхностный слой стали и вступает в химическое взаимодействие с легирующими элементами, образуя нитриды хрома, молибдена, вольфрама и др. Нитриды легирующих элементов повышают твердость стали до HRC 70. Обычные конструкционные стали после азотирования имеют меньшую твердость, а твердость углеродистых сталей совсем невысока, так как в них не образуются специальные нитриды. Поэтому углеродистые стали подвергают только антикоррозионному азотированию.

Процесс азотирования длительный: до 24-60 ч при 500-520°С. Длительность процесса можно сократить двухступенчатым азотированием. Сначала температуру поддерживают на уровне 500-520°С, а заканчивают процесс при 560-600°С. Повышение температуры, ускоряя диффузию, уменьшает время образования слоя требуемой толщины, не вызывая снижения поверхностной твердости.

Для сокращения длительности азотирования в 2-3 раза используют ионное азотирование. Процесс проводят в разреженной азотосодержащей атмосфере (NH₃ или N₂) при подключении обрабатываемой детали к отрицательному электроду – катоду. Анодом служит контейнер установки. Между деталью и контейнером возбуждается тлеющий разряд, в котором ионы газа бомбардируют поверхность детали. Продолжительность ионного азотирования от 1 до 24 ч. Азотирование в жидких средах проводят при 540-590°С в расплавленных цианистых солях в течение 0,5-3 ч. При общей толщине азотированного слоя 0,15-0,5 мм на поверхности образуется тонкий (7-15 мкм) карбонитридный слой, обладающий высоким сопротивлением износу.

Нитроцементуют детали сложной формы, подвергающиеся износу (зубчатые колеса), склонные к короблению. Нитроцементация имеет существенные преимущества перед газовой цементацией благодаря более низкой температуре процесса (на 70-90°С) и меньшей толщине слоя, что обеспечивает меньшие деформации и коробление детали. Нитроцементацию широко применяют в автомобильном и тракторном производстве. Так, на ВАЗе до 20% деталей, проходящих химико-термическую обработку, нитроцементуют.

Цианированный слой по сравнению с цементованным имеет более высокую износостойкость.
Для получения слоя большей толщины (0,5-2 мм) применяют высокотемпературное цианирование при 930-960°С. Продолжительность процесса 1,5-6 ч. После цианирования детали охлаждают на воздухе, а затем для измельчения зерна закаливают и подвергают низкому отпуску. Высокотемпературное цианирование применяют для деталей из средне- и низкоуглеродистых, а также легированных сталей.
Процессы цианирования в сравнении с цементацией более производительны, обеспечивают меньшую деформацию и коробление деталей сложной формы и большую сопротивляемость износу и коррозии. Недостаток цианирования – высокая стоимость и ядовитость цианистых солей.

Борирование – процесс химико-термической обработки, заключающийся в насыщении поверхностного слоя бором при нагревании в борсодержащей среде (бура, треххлористый бор и др.).
Борирование проводят при температуре 850-950°С в течение 2-6 ч. Для борирования можно использовать-низко- и среднеуглеродистые стали (20, 40, 45, 40Х, ЗОХГС и др.). Борированный слой толщиной 0,1-0,2 мм имеет высокую твердость, износостойкость, в особенности в абразивной среде, коррозионную стойкость. Борирование применяют для повышения износостойкости деталей нефтяных насосов, турбобуров, штампов, пресс-форм и др. Борирование повышает стойкость деталей в 2-10 раз. Борированные слои обладают высокой хрупкостью.

Диффузионная металлизация – процесс химико-термической обработки, при котором происходит насыщение поверхностного слоя стали различными металлами (алюминий, хром, цинк и др.) и их комплексами. При насыщении поверхности стали другими металлами образуются твердые растворы замещения, поэтому диффузия их осуществляется труднее, чем диффузия углерода или азота.

Диффузионное насыщение поверхности стали осуществляют при температурах 700-1400°С следующими способами:
1. Твердой диффузионной металлизацией, при которой металлизатором является ферросплав (феррохром, ферросилиций, ферроалюминий и т. д.) с добавлением хлористого аммония (NH4Cl). Металлизатор, реагируя с НСl или Сl2, образует летучее соединение хлора с металлом (например, АlСl3, CrCl2 и т. д.). В результате контакта с поверхностью металла летучее соединение хлора с металлом диссоциирует с образованием свободных атомов.
2. Жидкой диффузионной металлизацией, которую проводят погружением детали в расплавленный металл с низкой температурой плавления (цинк, алюминий).
3. Газовой диффузионной металлизацией, выполняемой в газовой среде, содержащей хлориды различных металлов.

Алитирование – это процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали, содержащей 0,1-0,2% С, алюминием. Температура алитирования 700-1100°С. Толщина алитированного слоя 0,2-1 мм, а концентрация алюминия в поверхностном слое до 30%. Алитирование применяют для повышения жаростойкости углеродистых сталей. Алитируют чехлы термопар, детали разливочных ковшей, клапаны и другие детали, работающие при высокой температуре.

Хромирование – это процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя хромом. Хромирование повышает окалиностойкость и износостойкость деталей в агрессивных средах. Хромируют детали паровых турбин, насосов для перекачки агрессивных сред и т. п.

Поверхностное упрочнение стали

Для повышения твердости поверхностных слоев, предела выносливости и сопротивляемости истиранию многие детали машин подвергают поверхностному упрочнению. Существует три основных метода поверхностного упрочнения: поверхностная закалка, упрочнение пластическим деформированием и рассмотренная выше химико-термическая обработка.

Основное назначение поверхностной закалки – повышение твердости, износостойкости и предела выносливости разнообразных деталей (зубьев шестерен, шеек валов (рис. 46), направляющих станин металлорежущих станков и др.). Сердцевина детали после поверхностной закалки остается вязкой и хорошо воспринимает ударные и другие нагрузки. В промышленности применяют следующие способы поверхностной закалки: газопламенную закалку; закалку с индукционным нагревом токами высокой частоты (ТВЧ); закалку в электролите. Общим для всех способов поверхностной закалки является нагрев поверхностное) слоя детали до температуры выше критической точки Ас3 с последующим быстрым охлаждением для получения мартенсита.

Рис. 46. Коленчатый вал, закаленный ТВЧ:
1 – вязкая сердцевина вала, 2 – закаленная шейка, 3 – закаленная галтель

Газопламенная закалка состоит из нагрева поверхности стальных деталей ацетилено-кислородным пламенем и быстрого охлаждения их водяным душем. Поверхностный слой детали нагревается ацетилено-кислородным пламенем до температуры закалки за очень короткий промежуток времени, в течение которого сердцевина металла не успевает прогреться до критической точки и поэтому остается при охлаждении незакаленной и мягкой. В зависимости от назначения детали глубина закаленного слоя может быть равной 2,5-4,5 мм, а его твердость составляет HRC 56-58. Деталь после закалки остается чистой, без следов окалины и обезуглероживания. Газопламенную закалку применяют в основном в индивидуальном производстве и при ремонте для закалки изделий с протяженными поверхностями.

Индукционный нагрев ТВЧ наиболее распространенный, производительный и прогрессивный способ закалки деталей разнообразной конфигурации. Кроме того, к преимуществам этого способа относят возможность полной автоматизации процесса закалки; отсутствие выгорания углерода и других элементов, а также заметного окисления и образования окалины; достаточно точное регулирование глубины закаленного слоя.

Принципиальная схема нагрева ТВЧ изображена на рис. 47. Переменный электрический ток подводят к индуктору 1 (кольцеобразно согнутой медной трубке). Деталь 2 помещают в индуктор. Внутри индуктора возникает переменное магнитное поле 3, индуктирующее в поверхностном слое детали электродвижущую, силу (эдс). Под действием эдс в металле возникают электрические вихревые токи (токи Фуко), вызывающие нагрев поверхности детали до высокой температуры. Это обеспечивает высокую скорость нагрева (в течение нескольких секунд) и позволяет производить местный нагрев. Охлаждение детали обычно душевое, для чего на внутренней поверхности индуктора имеются многочисленные отверстия, через которые после окончания нагрева на поверхность детали подается вода.

Рис. 47. Схема нагрева ТВЧ

Токи высокой частоты получают с помощью машинных и ламповых генераторов. Машинные генераторы, преобразующие ток на частоту 0,5-10 кГц, используют для закалки деталей на глубину до 7 мм, ламповые генераторы, дающие токи с частотой 100-10 000 кГц, – для закалки деталей на глубину до 2 мм. Твердость поверхностного слоя закаленного металла при нагреве ТВЧ на 3-4 единицы HRC выше, чем твердость, получаемая при обычной объемной закалке. Для закалки ТВЧ используют обычные углеродистые стали, содержащие 0,4% углерода и выше, так как в противном случае поверхностный слой детали не получит необходимой твердости.

Закалка в электролите основана на том, что при пропускании постоянного тока через электролит (5-10%-ный водный раствор кальцинированной соды) на катоде (деталь) образуется тонкий слой (газовая оболочка) из мельчайших пузырьков водорода. Из-за плохой электропроводимости пузырьков водорода ток сильно возрастает и катод (деталь) нагревается до заданной температуры, после чего закаливается при отключении тока в том же электролите. Этот метод применяют, например, для закалки стержней клапанов автомобильных и тракторных двигателей.

Упрочнение пластическим деформированием – прогрессивный технологический процесс, приводящий, к изменению свойств поверхностных слоев металлического изделия. При этом способе пластически деформируют только поверхность изделия обкаткой роликами, ударами шариков или дроби. Чаще применяют дробеструйную обработку, при которой поверхность изделия подвергается ударам быстролетящих круглых дробинок размером 0,2-1,5 мм, изготовленных из стали или белого чугуна. Обработку выполняют в дробеметных установках. Удары дробинок приводят к пластической деформации и наклепу микрообъемов поверхностного слоя. В результате дробеструйной обработки образуется наклепанный слой глубиной 0,2-0,4 мм. Кроме того, за счет увеличения объема наклепанного слоя на поверхности изделия появляются остаточные напряжения сжатия, что сильно повышает усталостную прочность. Например, срок эксплуатации витых пружин автомобиля, работающих в условиях, вызывающих усталость, повышается в 50-60 раз, коленчатых валов – в 25-30 раз.

Азотированием называется поверхностное упрочнение стали путем ее насыщения азотом. Так как азотирование производится при температуре 500 - 600 С в газовой среде аммиака ( NH3 - - 1 5Н2 NaT) и указанная температура соответствует температуре высокого отпуска, то по существующей технологии перед азотированием деталь улучшают, получая у ее материала прочную и вязкую сорбитную структуру. [4]

Объемное или поверхностное упрочнение сталей является обязательной технологической операцией в современном машиностроении, которая приводит к значительному улучшению Комплекса свойств. Применение термического упрочнения проката из низколегированных сталей или контролируемой прокатки на металлургических заводах способствует значительному сокращению последующего расхода стали ( примерно на 30 %) на предприятиях машиностроительного комплекса и в строительстве. [5]

Традиционные методы поверхностного упрочнения стали ( цементация и азотирование) оказываются неприемлемыми для деталей, работающих в условиях ударно-абразивного изнашивания. Тонкие поверхностные упрочненные слои, обладающие высокой хрупкостью / интенсивно выкрашиваются под действием ударных нагрузок. Причем трещины зарождаются не только на поверхности, но и на границе, отделяющей упрочненный слой от основного металла. Не выявлены преимущества твердых сплавов, хорошо зарекомендовавших себя при абразивном изнашивании. [6]

При этом виде поверхностного упрочнения стали глубина закалки на мартенсит примерно равна глубине слоя, нагретого до надкритических температур. [8]

В технологический процесс твердого хромирования высокопрочных сталей включаются оба вида обработки: предварительное поверхностное упрочнение стали и трехкратный отпуск. Эти операции можно применять и для деталей из сталей средней прочнос-ги, если изменение их свойств после хромирования ( например, понижение предела усталости) может снизить надежность эксплуатации деталей. Большая практика хромирования деталей, особенно в ремонтном производстве, показала, что детали из распространенных поделочных сталей, для которых основной нагрузкой является трение, можно хромировать по упрощенной технологии, приведенной в гл. [9]

В заключение необходимо подчеркнуть наиболее важный результат настоящей работы. Как было указано выше, шлифовка ликвидирует явления поверхностного упрочнения стали при ее индукционном нагреве. Так как в этих опытах закалка была сплошной, то следует сделать заключение, что поверхностное упрочнение, обнаруженное нами, вызывается не закалкой, а процессами иной природы. [10]

Разнообразные реакции могут протекать и в холодных плазмах при температурах ниже 400 К. Интересным примером является азотирование в тлеющем разряде, применяемое для поверхностного упрочнения стали . Обрабатываемый материал помещают в аммиачную атмосферу тлеющего разряда; при этом образуется очень прочный поверхностный слой нитрида железа. В настоящее время таким способом в промышленном масштабе отверждают, например, прокатные валы и шарики для шариковых ручек. [11]

Главнейший результат настоящей работы, таким образом, заключается в том, что обнаружено н о-вое явление - эффект непосредственно индукционного упрочнения поверхностных слоев металла, не зависящий от процесса закалки и наблюдаемый на материалах, мало способных к закалке. Теория скин-эффекта в ее современном состоянии не может дать объяснения указанному выше явлению поверхностного упрочнения стали при ее индукционном нагреве. [12]

Внедрение азотирования штампов из указанной стали повышает их стойкость по сравнению с неазотированными в 2 раза. Режим азотирования, обеспечивающий высокую стойкость и надежность работы штампов, следующий: первая ступень 520 С - 36 ч, степень диссоциации аммиака 25 - 35 %; вторая ступень 560 С - 8 ч без подачи аммиака. Наличие в азотированном слое нитридной корочки и сетки, а также грубых нитевидных нитридов недопустимо, так как это приводит к образованию разгарных трещин и к преждевременному выходу штампов из строя. В результате азотирования стойкость штампов увеличивается в 2 раза. Азотирование является перспективным методом поверхностного упрочнения мартенситностаре-ющих сталей ( Н18К9М5Т), которые могут быть использованы в качестве штамповых материалов. [13]

Читайте также: