Способ упрочнения поверхностей деталей

Способ упрочнения поверхностей деталей

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).

а	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).

а	б
в	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%.

а	б	в

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 (Na₂B₄O₇). 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 Fe₂B. 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)

Источник

УПРОЧНЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ И ВОССТАНОВЛЕНИЕ ИЗНОШЕННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

Упрочнение деталей. Различают ме­ханический, термический, химико-тер­мический и гальванический методы уп­рочнения деталей.

Механическое упрочнение произво­дится накаткой или дробеструйным на­клепом. Накатка применяется для упрочнения деталей, работающих со значительными знакопеременными на­грузками, приходящимися на наруж­ные слои металла. Как правило, ее ис­пользуют для упрочнения металла ко­лесных пар и рабочих поверхностей коллекторов электрических машин. Выполняют накатку на станках с при­менением специальных приспособле­ний.

Дробеструйный наклеп используют для повышения поверх­ностной прочности листов рессор.

Термическое упрочнение произво­дится поверхностной закалкой токами высокой частоты или объемной терми­ческой закалкой.

Поверхност­ная закалка позволяет получить закаленный слой толщиной от сотых долей миллиметра до 8—10 мм при вы­соком качестве поверхности, которая не обезуглероживается и не окисляется. Этот вид термического упрочнения ис­пользуют для деталей, поверхности ко­торых изнашиваются в результате тре­ния.

Термическая закалка — это обычная объемная закалка, при ко­торой упрочняемую деталь нагревают в пламенной или муфельной печи до ус­тановленной для данного металла тем­пературы с последующим охлаждением ее в подсоленной воде или масле.

Химико-термическое упрочнение вы­полняют методами цементации, азоти­рования и цианирования. Цемента­ция — это науглерожирование по­верхностных слоев низкоуглеродистых сталей; азотирование — внесе­ние в поверхностные слои стали азота; цианирование — одновременное внесение углерода и азота в газовой среде.

Наилучший результат дает циани­рование (нитроцементация) деталей из углеродистых сталей. Деталь помеща­ют в закрытую печь и нагревают в газо­вой смеси окиси углерода и аммиака. Предел прочности стали при этом уве­личивается в 1,5—1,7 раза. При газовой цементации применяют окись углеро­да, при азотировании — аммиак.

В последнее время стала широко применяться цементация твердой пас­той, состоящей из технической сажи, кальцинированной соды и железисто­синеродистого калия. Смесь перемеши­вают в веретенном масле и наносят на деталь слоем толщиной 3—4 мм. По­верхности, не требующие цементации, защищают специальной обмазкой. Подготовленные детали укладывают в металлические ящики, закрывают, об­мазывают огнеупорной глиной и уста­навливают в заранее подогретые печи. Процесс протекает при температуре 920—950 °С. Детали выдерживают в печи до получения требующейся глуби­ны цементации из расчета 0,8—1 мм/ч, после чего постепенно охлаждают. Далее проводят закалку с повторным подогревом, в результате чего содержа­ние углерода в поверхностном слое до­стигает 1 %, твердость — 60 HRC. После закалки производят отпуск дета­ли при температуре 180—200 °С в тече­ние 20—30 мин.

Восстановление изношенных по­верхностей. Основными способами вос­становления поверхностей являются слесарные способы, наплавка, поста­новка накладок, металлизация, гальва­ническое покрытие и покрытие поли­мерными материалами.

Слесарные способы включают опиливание, развертывание, рассверливание, штифтование и др.

Опиливанием устраняют мелкие незначительные дефекты — забоины, риски, неглубокие трещины, следы подплавления, наплывы и задиры.

Развертыванием выполняют окончательную обработку подшипников скольжения и отверстий под штифты и призонные болты.

Высверливанием удаляют неисправные или ослабшие заклепки, оборванные болты и шпильки. Рассверливание применяют для исправления резьбовых отверстий, а шабрение— для подгонки подшипников скольжения по шейкам и обработки стыковых поверхностей сопрягаемых деталей.

Штифтование (гужонирование) производят для устранения трещин в ненагруженных частях деталей путем постановки медных резьбовых ввертышей (гужонов) с последующей их расчеканкой (рис. 1.3).

Можно устранять дефекты на поверхностях сопрягаемых деталей обработкой этих поверхностей на металлорежущих станках под ремонтные размеры. Например, дефектный конец вала 1 (рис. 1.4) начальным (чертежным) диаметром Дн обрабатывают до ремонтного диаметра Др, а из ремонтного запаса подбирают сопрягаемую деталь 2 внутренним диаметром Др или используют ранее установленную на этом валу деталь диаметром Дн, в которую впрессовывают втулку 3 внутренним диаметром Др, или наращивают отверстие этой детали металлом до требующегося диаметра Др. Можно наращивать конец вала 4 до ремонтного диаметра Др, а сопрягаемую деталь 5подбирать с внутренним диаметром Др или обрабатывать внутреннюю поверхность ранее установленной на валу детали 6 до требующегося диаметра Др. Естественно, что при обработке вала и отверстия до нужных диаметров должны учитываться допуски на требующуюся посадку. Описанный способ достаточно технологичен, но требует наличия ремонтного запаса деталей различных ремонтных размеров.

Рис. 1.3. Последовательность установки гужона: а — ввертывание; б — расклинивание

Способы пластической деформации основаны на способности ряда кон­струкционных материалов изменять без макроскопических нарушений сплош­ности форму или размеры под действи­ем внешних сил и сохранять их после снятия нагрузки. Детали из пластичес­кого материала можно деформировать в холодном (цветные металлы) или го­рячем (сталь, чугун) состоянии. Наи­большее распространение получили следующие способы объемной и по­верхностной пластической деформации деталей (рис. 1.5): осаживание (а), вдав­ливание (б), раздача (в), обжатие (г), вытяжка (д), правка (е). При этом при­меняются такие приспособления, как оправка 7, шар 2, матрица 3, толкатель 4, прошивка 5 и ролик 6.

Рис. 1.4. Ремонтные размеры вала и отверстия

Рис. 1.5. Способы объемной и поверхностной пластической деформации деталей для восстановления их размеров и формы

Источник