Способ повышения твердости низкоуглеродистых сталей
Изобретение относится к обработке металлов давлением применительно к повышению твердости истираемых поверхностей деталей из низкоуглеродистых сталей и может быть использовано в различных отраслях промышленности. Сущность изобретения заключается в определении науглероженного слоя по соответствующей формуле при заданной величине пластической деформации. Применение данного изобретения в промышленности позволит повысить качество и надежность машин и приборов. 1 ил.
Изобретение относится к обработке металлов давлением применительно к повышению твердости истираемых поверхностей деталей из низкоуглеродистых сталей и может быть использовано в авиа-, судо- и машиностроении.
Известен способ повышения твердости низкоуглеродистых сталей [1], согласно которому детали из указанных материалов подвергают перед цементацией поверхностному пластическому деформированию обкаткой роликами.
Недостатком данного способа является невозможность обеспечения однородного распределения пластической деформации по всему объему детали, что не позволяет проводить многократно без повторных предварительных операций пластического деформирования операцию цементации по мере износа рабочей поверхности детали.
Изобретение направлено на повышение эффективности операции цементации, заключающейся в проведении многократных операций за счет только одной предварительной однородной пластической деформации заготовки детали.
Изобретение направлено на повышение эффективности процесса цементации низкоуглеродистых сталей.
Это достигается тем, что предварительно до цементации низкоуглеродистую сталь деформируют пластически, например осадкой. Глубину науглероженного слоя при этом определяют по формуле
где t0 — глубина науглероженного слоя стали без предварительной деформации;
— относительная деформация;
с1, с2 — безразмерные коэффициенты, определяемые статистической обработкой опытной кривой t=t().
Предлагаемый способ повышения эффективности процесса цементации подтверждается следующим примером исполнения. На фиг.1 представлен график изменения глубины науглероженного слоя t, мм в зависимости от относительной деформации : сплошная линия — опытная зависимость, пунктирная линия — расчетная зависимость.
Для испытаний были изготовлены цилиндрические образцы диаметром 20 мм и высотой 30 мм из стали 20. Образцы осаживались перед цементацией до относительной деформации =0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8. Далее деформированные образцы подвергались цементации в специальной камере в среде естественного метана при температуре 950°С в течении 8 ч. Глубина цементованного слоя измерялась металлографическим способом. При этих же условиях проводили цементацию недеформированного образца, в результате чего установлено для исследованной стали t0=1,2 мм.
На фиг.1 сплошной линией показана опытная зависимость t=t(). На основе анализа этой зависимости представляется ее аппроксимация в виде соотношения (1). Как видим, глубина науглероживания монотонно увеличивается при увеличении деформации , достигает максимальной величины при некотором экстремальном значении деформации экс., далее при деформациях > экс глубина нагруженного слоя уменьшается. При этом из условия стационарности функции t=t()
получают соотношение для определения экстремального значения деформации экс, при котором глубина цементованного слоя достигает максимума.
Статистической обработкой опытных данных для исследованной стали получены значения безразмерных коэффициентов в соотношении (1):с1=3,27; с2=-4. В соответствии с формулой (2) с учетом выражения (1) экстремальная деформация составила экс=25 и максимальная глубина цементованного слоя, соответствующая этой деформации, равна 1,5 мм. Расчетные и экспериментальные значения tmax для исследованной стали практически совпали.
Если рассматривается цилиндрическая деталь из стали 20, то в ней необходимо реализовать равномерное (однородное) распределение пластической деформации с экс=0,25, например. осадкой. При этом указанный выше режим цементации позволит обеспечить глубину науглероженного слоя в детали tmax=1,5 мм.
По мере износа рабочей поверхности детали на толщину слоя
1,5 мм можно многократно повторять операцию цементации без предварительной пластической деформации, что обеспечивает повышение эффективности операции цементации.
Таким образом, предлагаемый способ увеличения твердости низкоуглеродистых сталей является более эффективным по сравнению со способом прототипа. Применение данного способа в качестве новой технологии повышения твердости интенсивно истираемых поверхностей деталей из низкоуглеродистых сталей позволяет улучшить качество и надежность машин и приборов.
1. А.С. №610873 А, С 21 В 1/78, 20.05.1978.
Способ повышения твердости низкоуглеродистых сталей, включающий предварительное пластическое деформирование с последующей цементацией и термообработкой, отличающийся тем, что глубину науглероженного слоя t определяют по соотношению
t=t0+c 1 exp(c2),
где t0 — глубина науглероженного слоя стали без предварительной деформации;
— относительная деформация;
с1, с2 — безразмерные коэффициенты, определяемые статистической обработкой опытных данных.
Источник
Твердость металлов и сплавов. На что она влияет? Как увеличить твердость материала?
Несмотря на обилие новых технологий в производстве материалов, одним из наиболее используемых и распространенных по сей день остается металл. Различные типы металлов, а также их сплавы, используются во всех возможных видах промышленности. Строительство, электроэнергетика, машиностроение, оборонка, медицина . Все сферы нашей жизни в той или иной степени связаны с этим материалом. Естественно, показатели качества здесь стоят на первом месте.
Основным таким показателем является твердость металла. Согласно определению, твердость представляет собой способность материалов сопротивляться упругой деформации, пластической деформации и (или) разрушению в поверхностном слое со стороны более твердого и не получающего остаточной деформации внедряемого тела (индентора твердомера).
Для многих проверяемых объектов отбор образцов с целью тщательных лабораторных исследований сложен или вообще невозможен. Единственным доступным к измерению качественным показателем материала становится именно твердость, которая определяется портативными твердомерами.
На практике измерение твердости металлов дает возможности исследования особенностей конструкции, вариантов и тонкостей эксплуатации, анализа амортизации с течением времени, получения представления о результатах температурного воздействия и т.д. Этот простой показатель покажет нам, сколько простоит мост, какой прокладывать трубопровод, быстро ли сотрется та или иная деталь, какой заточке подлежит конкретная заготовка, насколько безопасен автомобиль, долго ли прослужит имплантат и многое другое. Таким образом, твердость металлов напрямую связана со всеми важнейшими свойствами конечного изделия или конструкции.
На какие характеристики изделия влияет твердость?
Для каждой области важны конкретные критерии и показатели. Например, износостойкость, которая представляет собой подверженность металла истиранию, разрушению поверхности, изменению размеров в ходе эксплуатации в тех или иных условиях, важна решительно в каждой сфере использования данного материала. Нельзя найти такой области, где этот показатель не был бы не просто важен, а даже первостепенен, будь то детский конструктор или новый виадук, хирургическая игла или вышка связи, газопроводная труба или обручальное кольцо. Естественно, чем износостойкость выше, тем дольше прослужит изделие, и тем дороже будет стоить.
Следующим, на что напрямую влияет твердость, является возможность обработки конкретного металла или сплава и вид этой обработки. Здесь можно выделить несколько больших групп способов обработки:
- механическая,
- литье,
- термическая,
- давлением,
- сварка,
- электрическая,
- химическая.
Разумеется, при выборе метода должно быть учтено несколько критериев (основные — исходные свойства металла и желаемый результат), но твердость исходного материала является одним из основополагающих в этом вопросе.
Твердость металлов также влияет на сопротивление давлению и другим усилиям. Это важно, например, для валов или подшипников, на которые действуют силы центробежная и трения.
Величина твердости материала определяет возможность использования изделия как инструмента для работы с другими металлическими или неметаллическими изделиями. Здесь речь идет об инструментальной стали с повышенным содержанием углерода (от 0,7 % и выше). Из неё изготавливают различные инструменты как для промышленного, так и для домашнего использования: сверла, фрезы, молотки, плоскогубцы, напильники, хирургические ножницы, скальпели и т.д.
Естественным выводом из всего вышесказанного является признание огромной важности показателя твердости металлов и вопрос вероятности её повышения.
. Важно иметь в ввиду, что для определенного изделия предполагается определенная твердость.
Нет такого понятия: «Чем твёрже, тем лучше». Изделия с очень высокой твёрдостью с трудом поддаются обработке и при этом становятся хрупкими.
Например, чем выше твердость ножа, тем дольше он останется острым, но могут возникнуть проблемы с заточкой, а при частой эксплуатации клинок будет крошиться и ломаться.
Ножи с твердость ниже 60 HRC долго прослужат охотнику или туристу, т.к. они достаточно надежны: хорошо переносят ударные нагрузки, сильно не деформируются, устойчивы к коррозии, легко затачиваются.
Самые распространенные способы повышения твердости:
- термические (различные виды закалки, рекристаллизация)
- химико-термические (легирование, алитирование, хромирование и др.)
- механические (наклеп, старение, обкатывание и др.)
Каждый вариант повышения твердости металла преследует определенные цели. В зависимости от этого и выбирается способ совершенствования материала.
Закалка стали – самый древний способ повышения прочности изделия, будь то холодное оружие, либо орудия для сельскохозяйственных работ. Для приобретения необходимых качеств металл в процессе закаливания претерпевает критический нагрев и последующее быстрое охлаждение.
После закалки из углеродистых сталей производятся детали, требующие повышенной прочности (втулки, валы, шестерни и т.д.). Такой метод технологичен и, что немаловажно, недорог, так что его достоинства очевидны.
Легирование (добавление легирующих компонентов) такими элементами как олово (Sn), азот (N), свинец (Pb) в перспективе дает возможность изготавливать из этих сталей детали большого размера, испытывающие сильные нагрузки. Часто это рессорные и пружинные изделия больших диаметров.
Добавление в сплав хрома (Cr) увеличивает его прочность и устойчивость к коррозии. Нержавеющий сплав должен содержать более 13% хрома.
Часто применяемым способом повышения качества металлов и сплавов является наклёп (нагартовка) — это процесс изменения структуры материала, приводящий к повышению его твердости и прочности. В результате наклепа твердость поверхностных слоев стали увеличивается в несколько раз. Для стойких к коррозии сплавов хрома и никеля нагартовка является единственно возможным способом увеличения прочности.
Примеры использования металлов и сплавов
Одним из самых распространенных материалов является алюминий и его сплавы. Этот металл применяют при изготовлении массы предметов домашнего обихода, зеркал, деталей для стрелкового оружия и даже при производстве топлива для запуска ракет. Небольшая удельная масса Al позволяет широко использовать алюминиевые сплавы для корпусов самолётов и различных машин.
Медь часто добавляется для повышении качества метизов, при изготовлении различных проволок, проводов и труб.
Болты, винты, шурупы, анкера и др. в основном делаются из латуни и бронзы, а струбцины, барашковые гайки и другие удерживающие элементы чаще всего можно встретить из легированной и конструкционной стали. Нержавеющая сталь находит применение в условиях повышенного образования коррозии, а чугун до сих пор успешно служит в производстве запорной арматуры и в металлопроизводстве.
Изделия из металлов и сплавов окружают нас повсюду. Ежедневно мы эксплуатируем металлические конструкции — здания, дороги, мосты, автомобили, общественный транспорт — даже не замечая этого. Поэтому так важно быть уверенными в качестве материалов и контролировать их твердость.
Источник
