Способы упрочнения поверхностей деталей

Методы упрочнения поверхности деталей

Основными методами упрочнения поверхности деталей являются химико-термическая обработка, поверхностная закалка и деформирование поверхности в холодном состоянии (поверхностный наклеп).

Химико-термическая обработка состоит в насыщении поверхности детали каким-либо элементом с последующей термической обработкой. Наиболее распространенные виды химико-термической обработки цементация (насыщение поверхности углеродом) и азотирование (насыщение поверхности азотом).

Цементация проводится с целью получения высокой твердости и износоустойчивости поверхности при сохранении более мягкой и вязкой сердцевины детали. Поэтому цементации всегда подвергают малоуглеродистые стали (0,2%С) или легированные с низким углеродом. Наиболее распространенные детали подвергаемые цементации — зубчатые колеса.

Вещество, поставляющее углерод при цементации, называют карбюризатором. Различают цементацию в твердом карбюризаторе (коксик или древесный уголь с добавлением до 30% соды – Na₂CO₃) и в газовом (СО).

Детали выдерживают в карбюризаторе от 6 до 12 часов (в зависимости от требуемой толщины не углероженного слоя 2-4мм) при температуре 900-950 0 (в аустенитной области). При этом содержание углерода в поверхностных слоях повышается до 1-1,2%.

Толщину неуглероженного слоя контролируют по специальному образцу-свидетелю, который проходит цементацию вместе с деталями.

После цементации детали подвергают термической обработке по одному из вариантов представленных на рис.18. Наиболее часто применяю закалку с

низким отпуском. Вариант с двумя закалками делают для ответственных деталей (первая закалка от температуры 900 0 для измельчения зерна и устранения сетки цементита в поверхностном слое, вторая от 760-790 0 для получения оптимальной твердости поверхности).

Азотирование проводится в атмосфере аммиака, который разлагаясь при температуре 500-550 0 поставляет активный атомарный азот диффундирующий в поверхность детали. В отличии от цементации высокая твердость азотированной поверхности получается не за счет мартенсита, а за счет очень твердых нитридов. Поэтому для азотирования берут среднеуглеродистые стали содержащие сильные нитридообразующие элементы (Al, Cr, Mo). Классическая сталь для азотируемых деталей 38ХМЮА. Продолжительность азотирования составляет до 48 часов, толщина слоя 0,2-0,5 мм.

Азотирование является окончательной обработкой готовых деталей, никакой термической обработки после азотирования не проводят.

В результате азотирования достигается высокая твердость и износоустойчивость поверхности, повышается сопротивление возникновению трещин при знакопеременных нагрузках (усталостная прочность) и коррозионная стойкость.

Поверхностная закалка состоит в быстром нагреве поверхности детали до аустенитного состояния с последующим охлаждением в воде. В результате на поверхности образуется твердая структура мартенсита, а внутри сохраняется феррито-перлитная структура с достаточно высокой вязкостью. После поверхностной закалки детают низкий отпуск, либо оставляют закаленное состояние без отпуска.

Поверхностной закалке подвергают среднеуглеродистые стали (0,4-0,45%С), либо легированные для увеличения прочности сердцевины деталей. Такой закалке подвергают зубья шестерен, звездочек, шейки валов, головку рельсов и др.

Быстрый нагрев поверхности осуществляется токами высокими частотами (до 1 млн.гц). Сущность такого нагрева состоит в том, что через медный индуктор (спиральная или иной формы трубка охлаждаемая внутри водой) пропускают ток высокой частоты. Вокруг индуктора возникает переменное магнитное поле. Закаливаемую деталь помещают в поле индуктора и за счет поверхностного эффекта поверхность детали быстро разогревается (обычно за 10-15 сек.). Чем больше частота тока, тем больше поверхностный эффект, меньше время нагрева и меньше глубина закаленного слоя. Обычно она составляет 1-3 мм. Когда поверхность нагрелась до требуемой температуры (850-900 0 ), деталь охлаждают погружая в бак с водой или пропуская через специальное душирующее устройство — спреер.

На рис.19 представлено сечение зуба шестерни после цементации и после закалки ТВЧ. Видно, что свойства шестерни подвергнутой цементации предпочтительней, однако, стоимость закалки ТВЧ значительно меньше.

Закалка ТВЧ имеет ряд положительных качеств:

1. Высокая производительность;

2. Высокое качество закалки (не растет зерно, почти нет окалины);

3. Очень малы деформации (уменьшаются пропуски на механическую обработку-шлифовку);

4. Экономно расходуется электроэнергия, которая идет только на нагрев части детали;

5. Процесс хорошо поддается механизации и автоматизации;

6. Улучшаются условия труда;

7. Во многих случаях заменяет более дорогую операцию-цементацию

В ремонтном производстве иногда применяют поверхностную закалку с нагревом пламенем газовой горелки. Однако, такой процесс трудно контролировать и результат при его применении зачастую непредсказуем.

Поверхностный наклеп осуществляют в основном с целью повышения усталостной прочности. Поверхность детали обстреливают чугунной дробью (для плоских поверхностей) или обкатывают роликами (чаще для цилиндрических поверхностей). При этом на поверхности детали остаются мелкие вмятины или бороздки с наклепанным слоем, который препятствует зарождению трещин при знакопеременных нагрузках.

Источник

Методы упрочнения поверхности деталей

Большинство деталей машин работают в условиях изнашивания, кавитации, циклических нагрузок, коррозии при криогенных или высоких температурах, при которых максимальные напряжения возникают в поверхностных слоях металла, где сосредоточены основные концентраторы напряжения. Газотермическое напыление, наплавка, химико-термическая обработка повышают твёрдость, кавитационную и коррозионную стойкость и, создавая на поверхности благоприятные остаточные напряжения сжатия, увеличивают надёжность и долговечность деталей машин. Кроме того увеличить прочность и сопротивление усталости можно созданием соответствующих композиций сплавов и технологии обработки. При сохранении достаточно высокой пластичности, вязкости и трещиностойкости данные методы повышают надёжность и долговечность машин и понижает расход металла на их изготовление вследствие уменьшения сечения деталей.

Газотермическое напыление

Основная статья: Газотермическое напыление

С помощью нагрева исходного материала, его диспергирования и переноса газовой струей на поверхность изделия наносится слой металла или сплава, металлокерамики, керамики с необходимыми свойствами. При этом изделие не нагревается более 100 градусов Цельсия.

• Высокоскоростное газопламенное напыление
• Плазменное напыление
• Электродуговая Металлизация
• Детонационное напыление
• Газопламенное напыление
• Напыление с оплавлением

Механические методы упрочнения деталей.

Упрочнение — это преднамеренное искажение кристаллической решетки металла в результате механического воздействия, термической и термомеханической обработки. Сущность такой обработки состоит в том, что под давлением твердого металлического инструмента (ролика, шарика, выглаживающей протяжки или nрошивки) выступающие микронеровности обрабатываемой поверхности пластически деформируются, при этом шероховатость поверхности уменьшается, поверхностный слой металла упрочняется, на поверхности детали создаются остаточные деформации сжатия — получается наклеп. Пластическим деформированием обрабатывают углеродистые, некоторые специальные стали, чугуны, медные и алюминиевые сплавы. Обкатку осуществляют специальными накатками с шариками и роликами из закаленной углеродистой или легированной стали под давлением. Накатки, вращаясь, захватывают масло и смазывают внутреннюю поверхность обоймы и места контакта с поверхностью накатываемой детали. Внутри корпуса накатки масло интенсивно циркулирует, что обеспечивает непрерывное обильное

смачивание поверхности (шарика, ролика) маслом и его охлаждение. Шарик или ролик, передавая давление в точки контакта с деталью, повышает износостойкость стальных деталей на 25-80%, предел коррозионной выносливости от 2 до 2,5 раза при работе деталей в химически активных средах. Применение одновременно двух или большего числа шариков или роликов предотвращает деформацию тонких обрабатываемых деталей. Предельные скорости обкатывания до 80-100 об/мин, подача для обеспечения ВЫСОКОй шероховатости до 0,5 мм/об, давление, необходимое для улучшения шероховатости поверхности стальных деталей, например для сталей 45-50Г — 4-8 МПа. Наклеп — это метод упрочнения, основанный на принципе динамического удара шариков (роликов) на обрабатываемую поверхность. При этом используется центробежная сила шариков (роликов), свободно сидящих на радиальных отверстиях быстро вращающегося диска, закрепляемого в шпинделе шлифовального или специального приспособленного токарного станка. Нужные поверхности судовых деталей можно упрочнять с помощью шариковых упрочнителей на токарных, круглошлифовальных и других металлорежущих станках, предварительно обработав поверхности тонким точением или шлифованием. Наклеп повышает усталостную прочность деталей в 2-4 раза. Твердость наклепанного поверхностного слоя повышается в среднем при обоработке стали 25 на 45%, чугуна на 30-60%, латуни на 60%, силумина на 60%. Глубина наклепа достигает 0,6-0,8 мм и более.

В процессе наклепа необходимый натяг обеспечивается путем установки упрочнителя на определенном расстоянии от детали при помощи поперечного винта суппорта или стола станка. При упрочнении наружных поверхностей деталей используют различные конструкции шариковых упрочнителеЙ. Корпус упрочнителя изготовляют из стали 45 (твер

остью 30-35 HRC). Шарики для упрочнителей применяют диаметром от 15 до 16 мм. Алмазное выглаживание поверхностей валов осуществляют на токарных станках специальным инструментом — алмазным выглаживателем. Инструмент закрепляют или жестко, или упруго. При жестком закреплении алмазный выглаживатель устанавливают в

резцедержатель подобно резцу, и положение его относительно обрабатываемой детали определяется только кинематикой станка. Перемещением суппорта инструмент подводят до касания с вращающимся валом, подают его на требуемую глубину и включают продольную подачу. Этот способ имеет возможность повышения точности размеров и формы выглаживаемой поверхности, но при условии выполнения повышенных требований к жесткости и к точности установки вала и инструмента. Выглаживание с упругим закреплением инструмента осуществляют с помощью пружинной оправки, которую закрепляют в резцедержатель суппорта токарного станка. С помощью поперечного суппорта пружинную оправку подводят к вращающемуся валу Д0 касания выглаживателя обрабатываемой поверхности и по графику устанавливают необходимый

натяг на индикаторе, соответствующий данному усилию. Одновременно выключают его продольную подачу. При данном способе погрешности формы, полученные на предварительной обработке, не исправляются. Рабочая часть алмазных выглаживателей состоит из синтетических или природных алмазных кристаллов, заточенных по сферической поверхности. Сила выглаживания находится в пределах 50-250 Н и зависит от твердости обрабатываемого материала, шероховатости поверхности, ра,диуса выглаживания. Алмазное выглаживание повышает, усталостную прочность, износостойкость, контактную выносливость и коррозийную стойкость обрабатываемых поверхностей.

Лазерное поверхностное упрочнение

В настоящее время невозможно представить изготовление деталей без финишной упрочняющей обработки. С её помощью можно повысить прочностные характеристики любого металла. В зависимости от состава и назначения заготовки, её можно подвергать разным видам упрочняющей обработки таким, как: отжиг, закалка, старение и химико-термическая обработка, а также поверхностное упрочнение лазером. В нашей статье речь пойдет о лазерном наклёпе поверхности титановых сплавов.

Изделия из титана чаще всего применяются в авиа и ракетостроении. Например, наиболее трудоемким является производство моноколес, представляющих собой диск с лопастями для забора воздуха, а так же изготовления отдельных лопаток. Всем известно, что остаточные напряжения после проточки лопастей, могут согнуть лопатки, приведя изделие в негодность. А так как титан металл не из дешевых, то такой брак, нанесет серьёзный ущерб предприятию. Для снятия остаточных напряжений применяется термическая обработка готовых изделий и лазерный наклёп для увеличения прочности поверхности.

Для снятия напряжений чаще всего изделия из титана подвергают отжигу. Широко применяется вакуумный отжиг, который позволяет уменьшить содержание водорода в титановых сплавах, что приводит к уменьшению склонности к замедленному разрушению и коррозийному растрескиванию. Для снятия небольших внутренних напряжений применяют неполный отжиг при 550–650 град. Титановые сплавы имеют низкое сопротивление износу и при использовании в узлах трения обязательно подвергаются либо химико-термической обработке, либо лазерному наклёпу (Рис. 1).

Рис. 1. Лазерный наклёп

В самом традиционном случае наклёп получается в процессе холодной ковки, когда массивным бойком методично наносят удары по упрочняемой поверхности металла, местами деформируя её. Этот способ упрочнения металла известен несколько сот лет. Продолжением этой технологии, когда обрабатывать стало возможно детали сложной формы, является «бомбардировка» металлической поверхности металлическими шариками. При такой обработке специальной дробью, с высокой интенсивностью подачи, поверхность приобретает необходимые механические характеристики и даже становится значительно меньше восприимчивой к коррозии. Это надёжные установки, которые применяются уже не одно десятилетие, производительности их достаточно для осуществления упрочнения в промышленных масштабах.

Однако существует и более прогрессивная технология упрочнения поверхности по схожему методу — использование в качестве источника бомбардирования мощный твердотельный лазер. Эта технология отчасти похожа на плазменное напыление, но только отчасти.

Излучение от такого лазера обладает выдающимися показателями по энергии импульса и частоты «бомбардировки». Самые первые эксперименты по упрочению металлической поверхности лазером были проведены около 30 лет назад. Но с методом упрочнения при помощи стальных шариков, лазеры смогли конкурировать недавно, когда стали доступны действительно мощные лазерные источники энергии.

В промышленности лазер для упрочнения поверхности впервые стали использовать при изготовлении турбинных лопаток для авиационной техники. Это тонкостенные детали сложной формы, поэтому более «деликатное» лазерное упрочнение для них стало предпочтительнее, чем стандартное упрочнение шариками. В настоящее время лазерное упрочнение уже используется не только в авиационной, но и передовой автомобильной (для обработки деталей шасси, коробки передач) и медицинской отраслях (упрочнение коленных и бедренных имплантатов).

При лазерном упрочнении используются импульсы с высокой интенсивностью — до 10*10 Вт/см², это позволяет создать мощную ударную волну, направленную на упрочняемый материал. В деталях этот процесс выглядит следующим образом: на упрочняемую поверхность перед обработкой наносят два слоя, один из которых поглощает лазерное излучение — это нижний слой прилегающий к металлу, а второй слой прозрачный, он находится на поверхности. В качестве поглощающего слоя используют специальную краску, а качестве прозрачно слоя сверху, обычно используют воду. Направленный на эти слои луч лазера беспрепятственно проходит через воду и начинает интенсивно испарять второй, нижний слой краски. Однако в это время слой воды начинает препятствовать резкому образования газа от испаряющегося нижнего слоя. Соответственно, энергия от образующегося газа взаимодействует в сторону, обратную от слоя воды, т. е. в сторону металла, упрочняя его таким образом. Т. к. весь вышеописанный процесс проходит крайне быстро, то упрочняющий эффект весьма ощутим, а глубина упрочнения, может достигать 1 мм (при упрочнении металлическими шариками предельной считалась глубина в 0,4 мм) (Рис. 2).

Рис. 2. Шероховатость поверхности после обработки

В результате многих опытов и изысканий по данной теме, наметилась тенденция, что один «суперпучок» с энергией в 50 Дж и более, который обработает за один раз 0,5 см², целесообразнее заменить несколькими пучками, покрывающими всего 1,5мм², но работающими намного интенсивнее. Такой путь позволяет многократно удешевить конструкцию, сделать её более производительной в условиях действующих производства. Если выйдет из строя один большой лазер, установка станет неработоспособной, а поломка маленького лазера в системе из десятков таких же, не особо отразится на работоспособности системы (Рис. 3).

Рис. 3. Обработка 4-мя пучками лазера

Преимущества лазерного упрочнения заключаются в уменьшении объема дополнительной обработки и возможность обработки неоднородных трехмерных заготовок. Благодаря незначительному тепловому воздействию деформация остается на ограниченном уровне, издержки на дополнительную обработку уменьшаются или не возникают вовсе [2].

Выводы.

Очевидно, что лазерное упрочнение поверхности заметно улучшает прочностные характеристики титановых сплавов. В данной статье проведен обзор метода. В следующих статьях планируется провести ряд исследований поверхностного слоя различных марок титана, а так же при различных параметрах. Исследование прочностных характеристик для каждого из режимов, подобранных экспериментальным путем. Планируется провести исследования методами проффилометрии, РФА исследования, а так же исследования методами растровой электронной микроскопии.

1. Gao P. F., Fan X. G. & Yang, H. (2017). Role of processing parameters in the development of tri-modal microstructure during isothermal local loading forming of TA15 titanium alloy. Journal of Materials Processing Technology, 239, 160–171. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2016.08.015
2. Wang, Z., Wang, X. & Zhu, Z. (2017). Characterization of high-temperature deformation behavior and processing map of TB17 titanium alloy. Journal of Alloys and Compounds, 692, 149–154. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2016.09.012

Формула изобретения

1. Способ упрочнения инструмента, включающий нанесение износостойкого покрытия и высокоэнергетическое воздействие на поверхность инструмента, отличающийся тем, что высокоэнергетическое воздействие на поверхность инструмента осуществляют импульсно, до и после нанесения покрытия, совмещая при этом газодинамическую обработку поверхности инструмента струей плазмы, содержащей легирующие элементы, и пропускание через поверхностный слой инструмента и слой покрытия электрического тока, с последующим периодическим отводом тепла от поверхности инструмента.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что высокоэнергетическое воздействие на поверхность инструмента производят 5-ю — 10-ю импульсами.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что газодинамическую обработку поверхности инструмента струей плазмы до нанесения покрытия совмещают с воздействием ионов азота и ионов тяжелых металлов.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что газодинамическую обработку поверхности инструмента струей плазмы после нанесения покрытия совмещают с воздействием ионов преимущественно углерода и ионов тяжелых металлов.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что плотность электрического тока снижается от 3…4 кА/см2 на вершинах профиля накатного инструмента до нуля во впадинах профиля.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что после каждого импульса высокоэнергетической обработки поверхность инструмента обдувается охлаждающим газом, преимущественно, воздухом.

Свойства пластически деформированных металлов.

В результате холодного пластического деформирования металл упрочняется и изменяются его физические свойства — электросопро­тивление, магнитные свойства, плотность. Наклепанный металл за­пасает 5-10% энергии, затраченной на деформирование. Запасенная энергия тратится на образование дефектов решетки (например, плот­ность дислокаций возрастает до 109-1012 см-2) и на упругие искажения решетки. Свойства наклепанного металла меняются тем сильнее, чем больше степень деформации (рис. 20).

При деформировании увеличиваются проч­ностные характеристики (твердость;σв; σ0,2; σупр) и понижаются пластичность и вязкость (δ; φ; ан). Металлы интенсивно наклепываются в начальной стадии деформи­рования, после 40%-ной дефор­мации механические свойства меняются незначи­тельно. С увеличением степени деформации пре­дел текучести растет быстрее предела прочности (временного сопротивления).

Обе характери­стики у сильно наклепанных металлов сравниваются, а удлинение становится равным нулю. Такое со­стояние наклепанного металла яв­ляется предельным, при попытке про­должить деформирование металл разрушается.

Путем наклепа твердость и временное сопротивле­ние (предел прочности) удается повысить в 1,5-3 раза, а предел текучести — в 3-7 раз при максимально возможных де­формациях. Металлы с ГЦК-решеткой упрочняются силь­нее металлов с ОЦК-решеткой. Среди сплавов с ГЦК-решеткой сильнее упрочняются те, у которых энергия дефектов упаковки минимальна (например, интенсивно наклепываются аустенитная сталь; алюминиевая бронза с 7% А1; никель; а алюминий упрочняется незначительно).

Упрочнение при наклепе широко используют для повышения ме­ха­нических свойств деталей, изготовленных методами холодной обра­ботки давлением. В частности, наклеп поверхностного слоя деталей повышает сопротивление усталости. Понижение пластичности при наклепе исполь­зуют для улучшения обрабатываемости резанием вяз­ких и пластичных материалов (сплавов алюминия, латуней и др.).

Источник