Файл: Стандартизация и качество машин учеб. пособие.pdf

ние специфических свойств поверхности и поверхностному слою де­ талей.

Из всего многообразия технологических процессов остановимся на некоторых методах улучшения качества материала как закла­ дывающих фундамент качества будущих деталей, и на операциях окончательной обработки деталей машин, которые оказывают не­ посредственное влияние на показатели качества при эксплуатации изделий.

Некоторые пути улучшения качества материала деталей машин. Существует несколько путей получения более высококачественных металлических материалов с более совершенными свойствами: про­ грессивные методы выплавки; рафинирование синтетическими шла­ ками; изыскание новых композиций сталей и сплавов путем легиро­ вания; создание сплавов на новых основах (сплавы титана, воль­ фрама, ниобия); создание принципиально новых, композитных кон­ струкционных материалов и некоторые другие.

Одной из основных задач повышения надежности деталей машин является достижение высокой однородности стали и сплавов: исклю­ чение дефектов кристаллизации, ликвации (неоднородности соста­ ва), загрязнения посторонними примесями. Однородность сплава необходима для того, чтобы ни в одном участке объема материала прочность не имела значений ниже принятых при расчете. Эта зада­ ча решается применением прогрессивных методов выплавки: ваку­ умная индукционная плавка, вакуумный дуговой переплав, электрошлаковый переплав и др. Кратко ознакомимся с этими методами.

В ы п л а в к а с т а л е й и с п л а в о в в и н д у к ц и о н н ы х

щается тигель с шихтовыми материалами. В камере непрерывно поддерживается вакуум (загрузка шихты производится без нару­ шения вакуума, через дозатор). Разогрев и плавление шихты осу­ ществляется наведенным от индуктора переменным электромаг­ нитным полем. В процессе нагрева шихты и плавки растворенные в металле газы под действием вакуума удаляются, снижается ко­ личество неметаллических примесей.

При в а к у у м н о м д у г о в о м п е р е п л а в е один из элек­ тродов (расходуемый) представляет собой пруток из переплавляе­ мой стали (сплава), полученной в обычных дуговых печах. Элек­ трическая дуга зажигается между расходуемым электродом и ме­ таллической пластиной (затравкой), изготовленной из материала расходуемого электрода. Затравка находится на дне охлаждаемой медной изложницы, в которой кристаллизуется расплавленный ме­ талл. Весь процесс ведется при вакууме 10_3—10-4 мм рт. ст. В про­ цессе плавки растворенные газы удаляются как с поверхности на­ гретого электрода и падающих капель, так и с поверхности ванны жидкого металла. Кроме того, устраняется контакт жидкого метал­ ла с огнеупорной футеровкой тигля, имеющейся в конверторах, мар­ теновских и обычных дуговых печах, вследствие чего уменьшается

92

загрязнение слитка посторонними примесями. При кристаллизации сплава в медной охлаждаемой изложнице уменьшается развитие ликвации.

Э л е к т р о ш л а к о в ы й п е р е п л а в разработай в Институте электросварки им. Е. О. Патона (АН УССР). Схема электрошлакового переплава приведена на рис. 27. На дне охлаждаемого кри­ сталлизатора находится шлаковая ванна, в нее вводится расходуе­ мый электрод, изготовленный из переплавляемого сплава, полу­ ченного обычными методами выплавки. Электрический ток прохо­ дит от электрода через жидкую шлаковую ванну и поддерживает в ней высокую, достаточную для расплавления электрода, темпера­ туру (порядка 2000°С). Жидкий сплав, пройдя через шлак, соби­ рается на дне кристаллизатора и после охлаждения образует сли­ ток.

Рассмотренные методы получения сплавов широко используют­ ся промышленностью.

Электронно-лучевая плавка в настоящее время находится в ста­ дии промышленного освоения и применяется в основном для полу­

степень пораженности волосовинами. Устраняются также дефекты кристаллизации и ликвации, измельчается структура металла, уве­ личивается пластичность и ударная вязкость по сравнению с метал­ лом обычной выплавки.

Главное преимущество сплавов, полученных методом вакуум­ ной выплавки и электрошлакового переплава, заключается в ста­ билизации и резком повышении однородности физико-механических свойств и особенно пластичности и вязкости в поковках, штампов­ ках и прокате.

Большое значение приобрело применение сталей, полученных прогрессивными методами выплавки, для изготовления подшипни­ ков качения, шестерен и поковок из улучшаемых и высокопрочных сталей. Применение вакуумной выплавки, кроме того, позволяет снизить в стали содержание углерода и способствует улучшению свариваемости, а также повышению качества сталей, используемых для присадочных материалов при сварке.

В Советском Союзе для обозначения сплавов, полученных про­ грессивными методами выплавки, к обычной марке сплава добав­ ляются буквенные обовначения: «ВИ» — вакуумно-индукционная выплавка; «ВД» — вакуумно-дуговой переплав; «Ш» — электро­ шлаковый переплав.

Рассмотрим несколько примеров применения металла* получен­ ного прогрессивными методами выплавки.

Одной из причин выхода из строя подшипников являются рас­ положенные вблизи от поверхности неметаллические включения. Применение стали вакуумно-дугового переплава увеличивает дол-

.93

Рис. 27. Схема электрошлакового переплава стали:

1 — расходуемый электрод: 2 — кри­ сталлизатор: 3 — шлак: 4 — жидкий ме­ талл; 5 — слиток

0,05%

индукционный -I- вакуумный бестиглевый переплав

too%

Рис. 29. Содержание вредных при­ месей в стали в зависимости от ме­ тода выплавки:

выплавка

84

говечность подшипников не менее чем на 50%, а применение стали электрошлакового переплава (ШХ15Ш) — в два раза.

Брак шестерен по волосовинам, изготовленных из стали 12Х2Н4А обычной выплавки, на одном из заводов достигал 80—85%, после перехода на сталь этой же марки электрошлакового переплава брак практически был исключен.

Широкое применение нашли стали и сплавы, получаемые рас­ смотренными методами, для изготовления ответственных деталей турбин реактивных двигателей.

Не останавливаясь на других методах получения сталей и спла­ вов, рассмотрим принципиально новый путь получения конструк­ ционных металлических материалов так называемых композитных материалов. Для этого кратко ознакомимся с современным пред­ ставлением о механизме пластической деформации. Это целесооб­ разно сделать и для понимания физической сущности ряда техно­ логических методов упрочнения деталей машин, которые будут рас­ смотрены ниже.

До недавнего времени явление пластической деформации кри­ сталлических тел объяснялось сдвигом одной плоскости атомов вдоль другой, соседней. Осуществление такого сдвига требовало одновременного нарушения связей между всем множеством атомов соседних-плоскостей [. Расчет усилий, необходимых для осуществле­ ния такого сдвига, неизбежно приводил к значениям прочности на несколько порядков больше фактической прочности металла. На­ пример, теоретически рассчитанная прочность железа равна

22000—36000 Мн/м2 (2200—3600 кгс/мм2) (по данным разных авто­ ров), а практически предел прочности у железа при растяжении со­ ставляет 280 Мн/м2 (28 кгс/мм2).

Таким образом, оказалось, что практически осуществить пла­ стическую деформацию во много раз легче, чем это следует из тео­ ретического расчета. В рамках классической теории пластической деформации такое различие необъяснимо и оно становится понят­ ным только при учете реального строения металлов. Строение кри­ сталлов реальных металлов не является идеально правильным, в них имеется целый ряд дефектов: свободные от атомов узлы кри­ сталлической решетки — вакансии, внедренные и замещенные ато­ мы примесей, так называемые точечные дефекты (рис. 30) и, кроме того, дислокации.

Понять простейший вид дислокации нетрудно, если представить себе, что в кристалле удаляется часть атомной плоскости (рис. 31).

.Дефект кристаллической решетки в данном случае представляет собой линию,, перпендикулярную плоскости рисунка, а не точку как при наличии, например, вакансии.

Таким образом, дислокация — это геометрическое, в рассмот­ ренном случае линейное, нарушение правильности расположения

1 В плоскости скольжения кристалла расположено около 1014 атомов’на квад­ ратный -сантиметр.

95

атомов в кристаллической решетке (могут быть винтовые и более сложного вида дислокации).

Дислокации обозначаются значком Л (см. рис. 31) и, как было’ сказано, представляют собой линейный дефект решетки. Дислока-

линии дислокации, например, направо приведет в конечном итоге к сдвигу в кристалле всей плоскости, т. е. к пластической деформа­ ции. Понятно, что перемещение дислокации, когда в каждый дан­ ный момент скользит всего лишь один ряд атомов, осуществить на­ много легче, чем сместить всю атомную плоскость одновременно.

Следовательно, пластическая деформация может происходить путем движения в кристалле дислокаций, причем для перемещения каждой из них требуется сравнительно небольшое усилие.

Таким образом процесс пластической деформации объясняется перемещением дислокаций вдоль плоскостей сдвига. Дислокации были сначала гипотетическим понятием, введенным для пояснения явления пластической деформации, сейчас их довольно легко на­ блюдать, и реальность их существования доказана.

Количество дислокаций в реальных кристаллах достаточно ве­ лико: например, в отожженных металлах каждый квадратный сан­ тиметр пересекает 104—10е дислокаций.

Дислокации могут возникать при кристаллизации металлоз, их деформировании и других внешних воздействиях, однако следует отметить, что сам процесс образования дислокаций еще не вполне выяснен.

Важно, что наличие дислокаций объясняет пластичность метал­ лов, что дислокации достаточно подвижны, что имеются пути, по­ зволяющие изменять количество дислокаций в металлах.

Если наличие дислокаций определяет способность сплавов пла­ стически деформироваться, то с уменьшением количества дислока­

96

ций сплавы должны упрочняться и наоборот увеличение количества дислокаций должно приводить к их разупрочнению.

строения.

Первый путь увеличения прочности кристаллов осуществляется получением нитевидных кристаллов, так называемых усов, строе­ ние которых почти лишено дефектов, а прочность того же порядка,

Размер получаемых нитевидных кристаллов пока невелик: дли­ на порядка 15 мм, а толщина 1—5 мкм. Нитевидные кристаллы пока еще не применяются в качестве конструкционных материалов, но работы в этом направлении проводятся.

В настоящее время, однако, уже находят практическое приме­ нение волокна. По сравнению с усами волокна имеют большую тол­ щину, а следовательно, и более высокую плотность дислокаций и меньшую прочность, но изготовление их проще и они дешевле.

Одно из направлений использования волокон и усов — создание композитных материалов. Создание композиций, армированных волокнами и усами высокой прочности, является одним из перспек-

1 Математическая часть теории дислокаций сложна и мы ее не рассматриваем.