Упрочняющая обработка

При восстановлении ремонтируемых деталей или изготовлении новых, заменяющих выбракованные, стремятся не только сохранить их основные эксплуатационные свойства, предусмотренные технической документацией и заложенные в процессе изготовления на заводе-изготовителе, но и по возможности повысить их. Это относится, в первую очередь, к качеству четного слоя, которое оказывает значительное влияние на характеристики трения и изнашивания, развитие усталостных трещин, коррозию, КПД машин и другие эксплуатационные показатели оборудования.

Упрочнение поверхностей деталей может достигаться самыми различными по физической и методами, в частности, поверхностная закалка, химико-термическая обработка, электроискровая обработка, лазерное воздействие и др. Увеличения ресурса восстанавливаемых деталей можно добиться также, применяя методы пластического деформирования. Такая обработка может дополнять обработку деталей резанием применяться вместо резания. Пластическое деформирование позволяет в значительной мере ликвидировать дефекты поверхностного слоя, особенно образующиеся при шлифовании, упрочнить его и тем самым повысить долговечность деталей. Упрочняюще-чистовая обработка характеризуется; толщиной наклепанного слоя и степенью наклепа, шероховатостью поверхности, величиной очных напряжений сжатия.

Пластическому деформированию подвергаются наружные и внутренние цилиндрические, конические, плоские, винтовые и другие поверхности. Толщина наклепа может изменяться в очень жом диапазоне (от 0,005 до 40 мм), шероховатость от Rz 40 до Ra 0,16 мкм, усталостную прочность можно повысить в 1,5-2,5 раза.

Применяются следующие способы пластической упрочняющей обработки: дробеструйная, обкатывание шарами или роликами, дорнование, чеканка, алмазное выглаживание и др.

Дробеструйная обработка обеспечивает сравнительно малую глубину (до 0.7 мм) пластической деформации, практически не уменьшает шероховатость поверхности, незначительно увеличивает микротвердость (на 30%). Способ эффективен для фасонных деталей, работающих в условиях переменных нагрузок, т.к. увеличивает сопротивление в 1,5 раза и более. Обдувка дробью производиться дробеметом с помощью дроби из стали или белого чугуна диаметром 0,2-1,5 мм, вылетающей с большой скоростью и вызывающей наклеп поверхности. Процесс осуществляется после механической обработки детали.

Обкатывание поверхностей роликами и шариками — широко применяемый высокопроизводительный метод отделочной обработки, при котором снижается шероховатость поверхности, повышается ее твердость и износостойкость, возрастает усталостная прочность изделий, увеличивается срок службы неподвижных соединений деталей. Конусность и эллиптичность поверхностей деталей в результате обкатывания не изменяются. Обычно обкатывание производится на токарных станках использованием различных приспособлений. Сущность метода заключается в том, что в результате давления свободно вращающегося ролика или шарика на заготовку поверхностный слой ее деформируется и сглаживается, одновременно упрочняясь. Обкатывание производят после чистового обтачивания детали и оно может заменить шлифование. Шероховатость поверхности (Ra) перед обкатыванием должна быть примерно на 0,8-1,5 мкм больше по сравнению с желаемой после обкатывания.

Дорнованием обрабатываются внутренние цилиндрические поверхности. С помощью инструмента-дорна создается наклеп незначительной толщины (до 1 мм), твердость поверхностного слоя возрастает на 25-30%, шероховатость снижается с Rz 40 до Ra 0,08 мкм.

Алмазное выглаживание является наиболее простым и эффективным методом упрочняющей обработки деталей поверхностным пластическим деформированием. Обработка производится с помощью алмазных наконечников из синтетических алмазов со сферической или цилиндрической поверхностью, вмонтированных в оправку. Процесс, как правило, выполняется на обычных токарно-винторезных станках. Выглаживающий инструмент поджимается к обрабатываемой детали пружиной. Под давлением алмаза микронеровности поверхности деформируются и степень шероховатости уменьшается, а поверхностный слой упрочняется.

Электромеханическая обработка металлов (ЭМО) сочетает термическое и силовое воздействие на поверхностный слой детали. Обработка деталей ведется на токарном станке с помощью подпружиненной державки, в которою вплавлена твердосплавная пластина. Одновременно в зону контакта детали и инструмента подается ток силой от 320 до 2000 А и напряжением 4-9 В. Поверхность детали, подвергаясь высокотемпературному нагреву и давлению инструмента, высаживается или сглаживается, что зависит от профиля инструмента. Данный метод упрочнения был отработан на многих деталях нефтяного оборудования: осях кронблоков, пальцах крюков, валах редукторов станков-качалок, штоках цилиндров управления пневматическими клиньями и др.

Эффективным методом поверхностного упрочнения деталей нефтяного оборудования является наплавка материалов с высокими эксплуатационными свойствами. К группе таких материалов относятся сплавы на основе железа, обладающие высокой твердостью и износостойкостью. Для наплавки часто применяют твердые сплавы сормайт 1 (ЦС-1), сормайт 2 (ЦС-2), сталинит и др.

Сормайт 1 (25-31% Сr и 3-5% Ni) рекомендуется для упрочнения деталей, работающих при J безударных нагрузках в условиях абразивного изнашивания. Твердость наплавки составляет HRC1 48-54.

Сормайт 2 (13-17.5% Сr и 1.3-2.2% Ni) обладает большей вязкостью и поэтому применяется для упрочнения деталей, работающих при ударных нагрузках. Твердость наплавленной поверхности HRC 39-45, а в случае дополнительной закалки может быть поднята до HRC 56-60.

Сталинит (16-20% Сr, 13-17% Мп, 8-10% С) представляет собой механическую смесь металла Я с углеродом, создает высокую твердость наплавленного слоя (HRC 52-62) и используется для наплавки деталей, не требующих последующей механической обработки.

Наплавку сормайтом осуществляют электродуговым способом прутковыми электродами диаметром 5-7 мм или порошковой проволокой, а также газовой наплавкой. Наплавку сталинитом производят ручным электродуговым способом, для чего поверхность детали покрывают тонким слоем прокаленной буры и слоем шихты сплава; для наплавки можно применять порошковую проволоку.

Для упрочнения деталей, работающих в условиях ударных нагрузок, больших давлений, высоких температур и коррозии применяют сплавы на основе вольфрама, кобальта и никеля. К этой группе сплавов относятся релит, вокар, стеллит.

Релит ТЗ — литой карбит вольфрама, содержащий 95.5-96% вольфрама, 3.8-4.2% связанного углерода и не более 0.2% примесей; выпускается в виде зерен, наплавляемых на поверхность детали газовой горелкой; применяется в виде электрода-трубки диаметром 3.5-6.5 мм из малоуглеродистой стали, заполненной сплавом. Релит широко используется при армировании зубьев буровых долот.

Вокар-гранулированный с размером гранул 1-3 мм твердый сплав вольфрама и железа (9-10% С, 85-87% W, до 3% Si, до 2% Fe). Наплавляется сплав электролдуговым способом. Вокаром упрочняются поверхности лопастных буровых долот, поверхности винтов шнеков и др.

Стеллиты В2К и ВЗК — литые сплавы на основе кобальта (Со, Сr, Ni, Fe, 80;выпускаются в виде прутиков диаметром 5-7 мм; наносятся на поверхность электродуговой или газовой сваркой; применяются для упрочнения деталей, работающих в условиях интенсивного истирания при высокой температуре.

Классификация методов отделочно-упрочняющей обработки деталей машин

Все известные методы упрочнения подразделяются на 6 основных классов:

1. упрочнение с образованием пленки на поверхности;

2. с изменением химического состава поверхностного слоя;

3. с изменением структуры поверхностного слоя;

4. с изменением энергетического запаса поверхностного слоя;

5. с изменением микрогеометрии поверхности и наклепом;

6. с изменением структуры по всему объему материала.

1 Упрочнение с созданием пленки на поверхности

а) осаждение химической реакции (оксидирование, сульфидирование, фосфатирование, нанесение упрочняющего смазочного материала, осаждение из газовой фазы).

б) осаждение из паров (термическое испарение тугоплавких соединений, катодно-ионная бомбардировка, прямое электронно-лучевое испарение, реактивное электронно-лучевое испарение, электронно-химическое испарение).

в) электролитическое осаждение (хромирование, никелирование, электрофорез, никельфосфатирование, борирование, борохромирование, хромофосфатирование).

г) напыление износостойких соединений (плазменное напыление порошковых материалов, детонационное напыление, электродуговое напыление, лазерное напыление, вихревое напыление, индукционное припекание порошковых материалов).

.2 Упрочнение с изменением химического состава поверхностного слоя металла

а) диффузионное насыщение (борирование, цианирование, азотирование, нитроцементация и т.п.)

б) химическое и физико-химическое воздействие (химическая обработка, ионная имплантация, электроискровая обработка и т.д.).

.3 Упрочнение с изменением структуры поверхностного слоя

а) физико-термическая обработка (лазерная закалка, плазменная закалка);

б) электрофизическая обработка (электроконтактная, электроэрозионная, магнитная обработка);

в) механическая (упрочнение вибрацией, фрикционно-упрочняющая обработка, дробеструйная, обработка взрывом, термомеханическая, электромеханическая);

г) наплавка легированным элементом (газовым пламенем, электрической дугой, плазмой, лазерным лучом, пучком ионов и т.д.).

.4 Упрочнение с изменением энергетического запаса поверхностного слоя

а) обработка в магнитном поле (термомагнитная обработка, импульсным магнитным полем, магнитным полем);

б) обработка в электрическом поле.

5 Упрочнение с изменением микрогеометрии поверхности и наклепом

а) обработка резанием (точение, шлифование, сверхскоростное резание);

б) пластическое деформирование (накатывание, обкатывание, раскатывание, выглаживание, вибронакатывание, вибровыглаживание, калибрование, центробежно-ударное упрочнение, виброударное и т.д.);

в) комбинированные методы (анодно-механическая, поверхностное легирование с выглаживанием, резание с воздействием ультразвуковых колебаний, магнитно-абразивная обработка и т.д.).

.6 Упрочнение с изменением структуры всего объема металла

а) термообработка при положительных температурах (закалка, отпуск, улучшение, закалка ТВЧ, нормализация, термомагнитная обработка);

б) криогенная обработка (закалка с обработкой холодом, термоциклирование).

Восстановление детали — комплекс технологичес­ких операций по устранению дефектов детали, обеспечивающих возобновление ее работоспособности и геометрических парамет­ров, установленных нормативно-технической документацией.

Целью ремонта деталей является восстановление всех геометрических размеров детали, формы и расположения поверхностей и обеспечение физико-механических свойств в соответствии с техническими условиями на изготовление новой детали.

Кроме того, при ремонте очень часто решается и задача повышения долговечности и работоспособности деталей за счет применения новых материалов, новых технологий и более прогрессивных способов выполнения работ с минимальными трудозатратами.

При ремонте автомобилей широкое применение находят следующие способы восстановления изношенных деталей: сварка и наплавка, пластическое деформирование, слесарно-механическая обработка, нанесением синтетических материалов, гальванические покрытия, пайка, газотермическое напыление

Классификация способов восстановления деталей. Сваркой и наплавкой:

Способы упрочнения деталей, материалов

Способы упрочнения деталей, материалов.

Действенным средством снижения массы является повышение прочности материалов. В отличие от способа увеличения напряжений путем снижения фактического запаса прочности, сопряженного с риском ослабления детали, надежность в данном случае не уменьшается (если сохраняется запас прочности). Другое отличие заключается в том, что этот способ применим ко всем деталям без исключения, тогда как первый способ охватывает только расчетные детали.

Основные способы упрочнения материалов следующие:

• горячая обработка давлением;
• легирование;
• упрочняющая термическая и химико-термическая обработка;
• обработка методами холодной пластической деформации.

При горячей обработке давлением упрочнение происходит в результате превращения рыхлой структуры слитка в уплотненную структуру с ориентированным направлением кристаллитов. Пустоты между кристаллитами уковываются и завариваются, прослойки примесей по стыкам кристаллитов дробятся и под действием высокой температуры и давления растворяются в металле.

Наибольшее значение для прочности имеет процесс рекристаллизации, протекающий при остывании металла в определенном интервале температур (для сталей 450—700°С). Из обломков кристаллитов, разрушенных в процессе пластической деформации, возникают новые мелкие зерна. При росте рекристаллизованных зерен примеси остаются в растворенном состоянии в кристаллитах. Для ковкого металла характерна структура, состоящая из мелких округлых зерен, хорошо связанных друг с другом, что обусловливает его повышенную прочность и вязкость.

Кованым и особенно прокатанным металлам свойственна анизотропия механических свойств в направлениях вдоль и поперек волокон.

Особенно резко влияет направление волокон на вязкость (рис. 77).

Направление волокон в кованых и штампованных деталях должно быть согласовано с конфигурацией деталей и направлением действия рабочих нагрузок. Штампованные коленчатые валы (рис. 78, б) и другие фасонные детали (рис. 78, г) с волокнами, следующими контуру, значительно прочнее деталей, изготовленных из сортового проката с перерезкой волокон (рис. 78, а, в).

Горячее накатывание зубьев шестерен (с последующим холодным калиброванием) обеспечивает правильное направление волокон относительно действующих на зуб нагрузок (рис. 78, д, e). Повышенной прочностью обладает накатанная резьба (рис. 78, ж, з).

Главное назначение легирования — повышение прочности с дифференцированным улучшением частных характеристик: вязкости, пластичности, упругости, жаропрочности, хладостойкости, сопротивления износу, коррозионной стойкости и др. Присадка некоторых элементов (Ni и особенно микроприсадка В) увеличивает прокаливаемость сталей, что позволяет получать повышенные механические свойства по всему сечению детали. Для получения высоких механических качеств легирование должно быть дополнено термообработкой.

В табл. 8 приведены сравнительные (средние) характеристики легированных и углеродистых сталей.

Упрочняющая термическая обработка (закалка с высоким, средним и низким отпуском, изотермическая закалка) вызывает образование неравновесных структур с повышенной плотностью дислокаций и сильно деформированной атомно-кристаллической решеткой (сорбит, троостит, мартенсит, бейнит). Регулируя режимы термообработки, можно получать стали с различным содержанием этих структур, размерами и формой зерен и соответственно с различными механическими свойствами. Для конструкционных сталей чаще всего применяют улучшение (закалка с высоким отпуском на сорбит), обеспечивающее наиболее благоприятное сочетание прочности, вязкости и пластичности.

Закалка с индукционным нагревом поверхностного слоя ТВЧ помимо технологических преимуществ (экономичность, высокая производительность) дает значительный упрочняющий эффект, обязанный возникновению в закаленном поверхностном слое остаточных напряжений сжатия.

Химико-термическая обработка заключается в насыщении поверхностного слоя углеродом (цементация) или азотом (азотирование) с образованием (в последнем случае) нитридов железа и легирующих элементов. При комплексных процессах (цианирование, нитроцементация) поверхность насыщается одновременно углеродом и азотом с образованием карбидов и карбонитридов. Эти виды химико-термической обработки придают поверхности высокую твердость и износостойкость. Вместе с тем они увеличивают прочность (особенно в условиях циклической нагрузки) благодаря образованию в поверхностном слое напряжений сжатия.

Разновидностью химико-термической обработки является термодиффузионное поверхностное легирование (насыщение поверхностного слоя атомами легирующих элементов), которое применяют для повышения прочности и твердости, а также придания поверхности особых свойств (табл. 9).

Процесс	Сущность процесса	Технология процесса	Назначение
Диффузионное хромирование	Образование в поверхностном слое карбидов и α-твердых растворов Cr в железе	Выдержка в среде летучих хлоридов хрома: CrСl2; CrСl3 (газовое хромирование) при 800—1200 °С (5—6 ч)	Повышение твердости (HV 1200—1500) и термостойкости
Титанирование	Образование в поверхностном слое α-твердых растворов Ti, карбидов титана TiC и интерметаллидов типа Fe2Ti	Выдержка при 1100—1200°С в смеси порошков ферротитана (80%) и хлористого аммония (6—8 ч)	Повышение твердости (HV 1600—2000), увеличение коррозие- и эрозиостойкости
Бериллизания	Образование в поверхностном слое α-твердых растворов Be и бериллидов	Выдержка при 900—1100°С в смеси 20% Be, 75% BeO и 5% MgCl2 (4—8 ч)	Повышение твердости (HV 1100—1200), увеличение коррозиестойкости
Борирование	Образование в поверхностном слое α-твердых растворов В и боридов Fe	Выдержка при 900—1100° С в смеси порошков карбида бора В4С и буры Na2B4O7 (5—6 ч)	Повышение твердости (HV 1500—1800) и термостойкости
Сульфидирование	Образование в поверхностном слое сульфидов Fe	Выдержка в расплаве сернокислых солей при 550—600°С (2—4 ч)	Повышение износостойкости, придание противозадирных свойств, повышение стойкости против сваривания
Силидирование	Образование в поверхностном слое α-твердых растворов Si и силицидов Fe	Выдержка в атмосфере моносилана SiH4 с газами-разбавителями при 1000° С (6—10 ч)	Повышение износостойкости, увеличение горячей коррозиестойкости
Семенирование	Образование в поверхностном слое α-твердых растворов Se и селенидов	Обработка 20%-ным раствором селенистой кислоты H2SeO3 с добавкой небольшого количества хромпика	Повышение износостойкости, придание противозадирных свойств
Алитирование	Отложение на поверхности кристаллической пленки Аl2О3. Образование в поверхностном слое α-твердых растворов Аl и алюминидов	Выдержка в смеси порошков ферроалюминия и Аl2O3 при 900—1000°С (6—8 ч)	Повышение горячей коррозиестойкости

Разработаны процессы комплексного диффузионного легирования: хромалитирование (насыщение Сr и Аl), сульфоцианирование (S, С и N₂), бороцианирование (В, С и N₂), бороалитирование (В и Аl), хромомарганцевирование (Cr и Мn) и др.