Файл: Стандартизация и качество машин учеб. пособие.pdf

В качестве упрочняющей обработки отверстий применяют их рас­ катку роликами или шариками, а также дорнирование.

Раскатка применяется для упрочнения деталей, имеющих отвер­ стия диаметром не менее 50 мм. Целесообразность применения рас­ катки становится особенно отчетливой, если учесть, что при этом увеличивается не только прочность детали, но чистота и точность обработки отверстия.

Рис. 38. Влияние обкатки на предел выносливости ста­ лей:

струмента под большим давлением вызывает пластическую дефор­ мацию поверхности отверстия, в результате уменьшается шерохова­ тость и упрочняется поверхностный слой. Дорнирование позволяет получить 10—11 класс чистоты поверхности и 1—2 класс точности отверстий.

Метод дорнирования позволяет в два раза увеличить долговеч­ ность деталей, работающих при повторно переменном нагружении, и является высокопроизводительным процессом.

У п р о ч н е н и е ч е к а н к о й — ударами обрабатываемой по­ верхности специальными бойками (рис. 39) — отличается просто­ той. Однако наиболее совершенной является станочная чеканка тел вращения на токарных станках, оборудованных чеканочными при­ способлениями. Обычно поверхность детали, обработанной чекан­

жидкости, содержащей абразивные частицы. Жидкость с частичка­ ми абразива выбрасывается на поверхность детали с помощью сжа­ того воздуха.

по

Упрочнение поверхностной закалкой и химико-термической обра­ боткой. При поверхностной закалке нагревают поверхность сталь­ ного изделия до температуры закалки (850—1000° С) и быстро ее охлаждают. Нагрев может быть осуществлен газовой горелкой, то­ ками высокой частоты (индукционная закалка) или в электролитах.

Поверхностной закалке подвергаются среднеуглеродистые и ле­ гированные стали, чугуны,-

Наибольшее распространение получила закалка с нагревом то­ ками высокой частоты (ТВЧ), так как она позволяет получить рав­ номерную глубину закаленной зоны и хорошо поддается автомати­ зации.

Рис. 40. Схема высокочастотной закалки в одновитковом индукторе:

1 — закаленная зона; 2 — вода для охлаждения; 3 — нагретая зона; 4 — индуктор

Для поверхностной закалки ТВЧ деталь помещают в индуктор, создающий в ней высокочастотное электромагнитное поле (рис. 40). За счет наведенных вихревых токов поверхность детали быстро на­ гревается до температуры закалки. Глубина проникновения индук­ ционных токов, а следовательно, и глубина нагрева зависят от свойств материала и частоты тока. С увеличением частоты тока глубина прогрева уменьшается. После нагрева деталь быстро охла­ ждают и в ее поверхностном слое происходят фазовые превращения, образуется мартенсит. В результате в поверхностном слое создают­ ся сжимающие остаточные напряжения. Твердость поверхности рез­ ко увеличивается (HRC 47—50), а сердцевина остается мягкой и пластичной. Такое сочетание свойств сердцевины и поверхностного слоя существенно увеличивает выносливость (на 40—100%) дета­ лей, снижает чувствительность к надрезам, а также повышается из­ носостойкость деталей за счет высокой твердости поверхности и от­ сутствия ее обезуглероживания. Широкое применение метод нашел

112

при обработке зубчатых колес. Метод поверхностной закалки токамы высокой частоты может быть автоматизирован и по сравнению с другими методами имеет наибольшую производительность.

Поверхностная закалка нагревом в электролитах (раствор пота­ ша и др.) осуществляется за счет тепла, выделяющегося на поверх­ ности детали при пропускании через нее тока. Выделяющийся водо­ род образует на поверхности детали оболочку, обладающую высо­ ким электрическим сопротивлением и низкой теплопроводностью.

Поверхностная закалка методом нагрева в электролитах не тре­ бует сложного оборудования, однако при этом методе не контроли­ руется температура нагреваемой поверхности. Метод применяется, в частности, для поверхностной закалки небольших деталей в трак­ торостроении.

Нагрев при газопламенной поверхностной закалке осуществляет­ ся пламенем газовых горелок, охлаждение — водой, эмульсиями и сжатым воздухом. Технология этого вида закалки не всегда может обеспечить необходимую однородность поверхностного закаленного слоя.

Газопламенная закалка не требует сложного оборудования и ча­ ще применяется при ремонте машин.

Химико-термическая обработка. Химико-термическая обработка состоит в насыщении поверхностного слоя изделия различными хи­ мическими элементами и его термической обработки. При данной обработке изменяется не только строение (как при термической об­ работке), но и химический состав поверхностного слоя, что позво­ ляет более эффективно изменять свойства изделия.

Насыщение поверхности детали химическими элементами может осуществляться из твердой, жидкой или газообразной фазы вещест­ ва, богатого насыщающим элементом. Процесс насыщения состоит из трех простых последовательных процессов: диссоциации — рас­ пада активной среды с выделением насыщающего элемента в ато­ марном (активном) состоянии, адсорбции — поглощения поверхно­ стью детали насыщающего элемента; диффузии — проникновения адсорбированных атомов насыщающего вещества в поверхностный слой. Толщина поверхностного слоя измененного химического соста­ ва зависит от скорости диффузии и в значительной степени опреде­ ляется температурой, при которой ведется процесс.

При постоянной температуре зависимость глубины слоя изменен­ ного состава X от времени х выражается уравнением Х2 = Кх, где

К— постоянный коэффициент.

Взависимости от того, каким химическим элементом произво­ дится насыщение, поверхностный слой детали приобретает различ­ ные свойства: высокую твердость, химическую стойкость и др. Важ­ ным обстоятельством является то, что в поверхностном слое детали, обработанной химико-термическими методами, возникают значи­ тельные по величине остаточные напряжения сжатия.

Для поверхностного упрочнения деталей машин наибольшее рас­

пространение получили:

цементация — насыщение поверхностного слоя углеродом; азотирование — насыщение поверхностного слоя азотом; нитроцементация или цианирование — совместное насыщение

поверхностного слоя углеродом и азотом.

Применяется также насыщение поверхностного слоя кремнием — силицирование, бором — борирование и различные виды диффузи­ онной металлизации — хромирование, алитирование, хромоалитиро­ вание и некоторые другие.

Мы не будем рассматривать технологические процессы различ­ ных видов химико-термической обработки, они описаны во многих руководствах и монографиях, а отметим лишь их некоторые особен­ ности и основные области применения.

Цементация — наиболее распространенный вид химико-термиче­ ской обработки. Цементации подвергаются малоуглеродистые ста­ ли, содержащие до 0,3% углерода.

Детали обычно подвергаются цементации при температуре по­ рядка 900—950° С. В последнее время получил распространение ме­ тод высокотемпературной цементации (до 1050° С ), при котором продолжительность процесса сокращается.

После цементации детали подвергаются сложной термической обработке, последним этапом которой является обычно низкий от­ пуск (170—250° С).

Показателями качества цементированного слоя являются: степень цементации — среднее содержание углерода в поверхно­

стном слое; глубина цементации — расстояние от поверхности до первых

зерен феррита, структурной составляющей, характерной для стали, не подвергшейся цементации.

Для получения оптимальных свойств детали степень цементации обычно должна составлять 0,8—1,1% углерода. Заниженное содер­ жание углерода приводит к уменьшению твердости и износостойко­

чается в зависимости от условий эксплуатации детали. Увеличение глубины цементации повышает износостойкость деталей, однако при большой толщине слоя снижается предел выносливости. Обычно глубина цементации составляет 0,5—2,0 мм.

После термической обработки цементированный слой приоб­ ретает твердость выше HRC 58 и структуру мелкоигольчатого мар­ тенсита с карбидами.

Цементация широко применяется при изготовлении шестерен, поршневых пальцев, коленчатых валов, болтов и многих других де­ талей.

Причинами преждевременного разрушения цементированных де­ талей являются: пересыщение слоя углеродом, крупнозернистость (выкрашивание и отколы слоя, поломка деталей), пониженная твер­ дость слоя (снижается износостойкость).

114

Цементированные детали могут длительно эксплуатироваться при температурах, не превышающих температуру последней терми­ ческой обработки (низкого отпуска).

Азотирование — насыщение поверхностного слоя деталей азотом с целью повышения твердости, износостойкости, предела выносли­ вости и коррозионной стойкости.

Азотирование углеродистых нелегированных сталей вызывает незначительное повышение их твердости (на 30—50 кгс/мм2 по Вик­ керсу), поэтому они азотируются только с целью повышения корро­ зионной стойкости. Азотирование сталей, легированных алюминием, титаном, хромом и другими нитридообразующими элементами, уве­ личивает твердость слоя до 1200 кгс/мм2.

Толщина слоя при азотировании небольшая и обычно не превы­ шает 0,5—0,6 мм.

Азотирование является последней технологической операцией изготовления детали, термическая обработка (закалка и высокий отпуск) предшествует азотированию.

Азотированные детали могут эксплуатироваться до температуры

500—600° С.

Сопротивление износу азотированных деталей значительно выше износостойкости цементированных.

Азотирование создает в поверхностном слое сжимающие оста­ точные напряжения, что обусловливает увеличение предела устало­ сти азотированных деталей.

В последнее время разработан новый метод азотирования в ион­ ном разряде. При ионном азотировании сокращается продолжитель­ ность процесса, слой получается более равномерным, облегчается местное азотирование деталей.

Азотирование широко применяется для упрочнения поверхностей гильз цилиндров, коленчатых валов, шестерен, деталей, работаю­ щих в агрессивных средах до температуры 500—600° С.

Следует отметить, что азотирование применяется и для увеличе­ ния износостойкости небольших деталей из титановых сплавов (зо­ лотниковые пары, втулки, рычаги и др.).

Цианирование и нитроцементация — одновременное насыщение поверхности азотом и углеродом. Цианирование осуществляется в цианистых ваннах (ядовитых солях) и в настоящее время заменяет­ ся газовым цианированием (нитроцементацией) — одним из наибо­ лее прогрессивных процессов химико-термической обработки.

Нитроцементация выполняется в смеси газов, содержащих угле­ род и азот, при температуре 850—880° С. После нитроцементации детали подвергают термической обработке — закалке и низкому от­ пуску. Показателями качества поверхностного слоя являются содер­ жание в нем углерода и азота, глубина слоя и его твердость. Нитро­ цементация имеет ряд преимуществ перед цементацией: поверхност­ ный слой обладает более высокой износостойкостью, повышается предел выносливости деталей.