Поверхностное упрочнение стали

Для повышения твердости поверхностных слоев, предела выносливости и сопротивляемости истиранию многие детали машин подвергают поверхностному уп­рочнению.

Существует три основных метода поверхностного упрочнения: поверхностная закалка, химико-термическая обработка и упрочнение пластическим дефор­мированием.

7.1. Поверхностная закалка стали

Основное назначение поверхностной закалки: повы­шение твердости, износостойкости и предела выносли­вости деталей (зубьев шестерен, шеек валов, направляю­щих станин металлорежущих станков и др.). Сердцевина детали остается вязкой и хорошо воспринимает ударные и другие нагрузки.

В промышленности при­меняют следующие способы поверхностной закалки: закалку с индукционным нагревом токами высокой частоты (т. в. ч.); закалку с электроконтактным нагревом; газоплазменную закалку; закалку в электролите.

Рис. 7.1. Способы нагрева при поверхностной за­калке стали:

а - токами высокой частоты; б - ацетилено - кислородным пламенем

(1 – деталь; 2 - индуктор; 1 - нагрев; 11 - охлаждение; 111 - закаленный слой; IV - незакаленная сердце­вина)

Общим для всех способов поверхностной закалки является нагрев поверхностного слоя детали до температуры выше критической точки Ac_s с последующим быстрым охлаждением для получения структуры мартенсита. В настоящее время наибольшее распространение полу­чила поверхностная закалка с индукционным нагревом т. в. ч. Реже, главным образом для крупных деталей, применяют закалку с нагревом газовым пламенем.

Сущность процесса закалки при нагреве токами высокой частоты заключается в том, что на специальной установке производят нагрев детали 1 (рис. 7.1, а) с помощью выполненного по форме закаливаемой детали медного индуктора 2, через который пропускают пере­менный ток высокой частоты. В течение нескольких секунд поверхность детали прогревается на необходимую глубину, затем ток выключают, деталь быстро охлаждают. Индуктор в процессе работы не нагревается благодаря интенсивному охлаждению циркулирующей внутри него водой.

Закалка с газопламенным нагревом заключается в том, что поверхность стальной детали нагревают пла­менем ацетиленокислородной горелки до температуры закалки и быстро охлаждают струей холодной воды (рис. 7.1, б). Газовая горелка движется над поверхно­стью детали с определенной скоростью, а за нею с той же скоростью перемещается закалочная трубка, через которую подается вода. Этот способ закалки основан на том, что ацетиленокислородное пламя имеет темпе­ратуру 2500—3200° С и нагревает поверхность изделия до температуры закалки за очень короткий промежуток времени, в течение которого нижележащие слои стали не успевают прогреться до критической точки и потому не закаливаются. Толщина закаленного слоя колеб­нется в пределах 2 - 4 мм, а его твердость составляет HRC 50—56. Газопламенная закалка вызывает меньшие деформации, чем объемная закалка, и не загрязняет поверхность. Для крупных деталей этот способ закалки часто более рентабелен, чем закалка с индукционным нагревом (т. в. ч.).

Поверхностная закалка с применением электрокон­тактного нагрева выполняется следующим образом. Деталь нагревают до температуры закалки теплом, которое выделяется в месте контакта ее с электродом (медным роликом), специального приспособления. Ох­лаждение закаливаемой поверхности детали производят при помощи душа, который перемещается вслед за подвижным электродом.

Поверхностную закалку при нагреве в электролите выполняют в 10%- ном растворе поваренной соли, поташа или кальцинированной соды. Детали, подлежащие закалке, погружают в ванну, и они являются катодом, а корпус ванны - анодом. При пропускании постоянного электрического тока через электролит вокруг катода (детали) образуется газовая оболочка, которая нарушает электрический контакт катода с электролитом, и деталь интенсивно нагревается до температуры закалки. После этого ток выключают; деталь закаливается в электролите, который омывает ее со всех сторон.

Кроме описанных применяют ряд других способов поверхностной закалки, в частности нагрев деталей под закалку в расплавленных металлах или солях. В них закаливают мелкие детали простой геометрической формы, изготовляемые в небольших количествах.

Отпуск после выполнения поверхностной закалки производят с целью снятия напряжений, возникших в зоне закалки. Это уменьшает хрупкость и повышает прочность деталей. Твердость повышается на 2-3 ед. по сравнению с обычной закалкой; улучшается износо­стойкость; предел выносливости возрастает в 1,5-2 раза.

7.2. Химико–термическая обработка

Химико-термической обработкой называют процесс, заключающийся в сочетании термического и химиче­ского воздействия для изменения состава, структуры и свойств поверхностного слоя стали.

Химико-термическая обработка основана на диф­фузии (проникновении) в атомно-кристаллическую ре­шетку железа атомов различных химических элементов при нагреве стальных деталей в среде, богатой этими элементами.

Наибольшее распространение получили следующие виды химико-термической обработки.

Цементация - процесс, состоящий в диффузион­ном насыщении поверхностного слоя стали углеродом до оптимальной концентрации 0,8—1,1% и получении после закалки высокой твердости поверхности (HV 700 — 800) при сохранении вязкой сердцевины. Цементации подвергаются детали, изготовленные из низкоуглероди­стых сталей или из легированных низко­углеродистых сталей. При цементации используют естественные и искусственные газы или жидкий карбю­ризатор (бензол, пиробензол, керосин и др.), который подается непосредственно в рабочее пространство печи. При нагреве происходит разложение метана. Атомарный углерод поглощается по­верхностью стали и проникает в глубину детали. Газо­вая цементация деталей производится при температуре 930—950° С.

Азотирование заключается в диффузионном насыще­нии поверхностного слоя азотом. Азотирование повышает твердость поверхностного слоя, его износостой­кость, предел выносливости и сопротивление коррозии в среде атмосферного воздуха, воды, пара и т. д. Азоти­рование проводят обычно при 500-600° С (для повыше­ния износостойкости и прочности) или при 600—800° С (для повышения коррозионной стойкости) в среде ам­миака, который при указанных температурах диссо­циирует с образованием атомарного азота. Атомарный азот диффундирует в же­лезо.

Нитроцементация и цианирование - поверхност­ное насыщение деталей одновременно углеродом и азо­том. Процесс выполняют либо в газовой среде, либо в расплавленной ванне из цианистых солей. В первом случае процесс называют нитроцементацией, во вто­ром — цианированием. Газовая нитроцементация поз­воляет повысить износостойкость обрабатываемых дета­лей и сделать процесс более рентабельным. При низких температурах поверхностный слой стали насыщается преимущественно азотом, а при высоких — углеродом.

Газовое цианирование (нитроцементацию) разделяют на высокотемпературное (при 800—950° С) и низкотемпературное (при 550—600° С). Высокотемпературное цианирование применяют для получения высокой твердости и износостойкости поверхностей деталей из конструкционных сталей с получением слоя глубиной 0,2-1,0 мм. После нитроцементации детали закаливают и затем подвергают низкому отпуску. Низкотемпературное цианирование выполняют в течение 5-10 ч в среде эндогаза или газа, полученного из синтина (смесь углеводородов) с добавлением 12-20% аммиака, или путем использования триэтаноламина. В результате такой обработки на поверхности стали образуется тонкий карбонитридный слой (толщиной 0,15- 0,20 мм), обладающий высокой износостойкостью. Перед низкотемпературным цианированием производится полная меха­ническая и термическая обработка деталей.

К числу новых методов химико-термической обра­ботки относят насыщение поверхности стали бором. Борирование повышает твердость, сопротив­ление абразивному износу, коррозионную стойкость, теплостойкость и жаростойкость, однако борированные слои обладают высокой хрупкостью. При сульфидировании производят насыще­ние поверхности стали серой, азотом и углеродом на глубину 0,2—0,3 мм для повышения износостойкости, прирабатываемости деталей при трении и устойчивости их против задиров.

Диффузионная металлизация — процесс насыщения поверхности стали алюминием (алитирование), хромом (хромирование), кремнием (силицирование). Металли­зация кремнием повышает кислотоупорность, хромом или алюминием - жаростойкость, хромом, азотом и углеродом - износостойкость и т. д. Металлы образуют с железом твердые растворы замещения, поэтому диф­фузия их осуществляется значительно труднее, чем диффузия углерода или азота. В связи с этим процессы диффузионной металлизации выполняют при высоких температурах: алитирование - при 900-1000°С, си­лицирование - при 950-1050°С.

Применение диффузионной металлизации во многих случаях не только вполне оправдано, но и является экономически выгодным. Так, детали жаростойкие при температуре до 1000-1100° С, изготовляют из простых углеродистых сталей, а с поверхности насыщают алюми­нием, хромом или кремнием, что значительно выгоднее, чем применение специальных легированных жаростой­ких сталей.

7.3. Поверхностное упрочнение стальных изделий

пластическим деформированием

Поверхностное упрочнение методом пластического деформирования - прогрессивный технологический процесс, приводящий к изменению свойств поверхности металлического изделия. При этом методе пластически деформируют только поверхность. Деформирование осу­ществляют либо обкаткой роликами, либо обдувкой дробью.

Чаще применяют обдувку дробью, при которой поверхность подвергается ударам быстролетящих круг­лых дробинок размером 0,2-1,5 мм, изготовленных из стали или белого чугуна. Обработку выполняют в спе­циальных дробеметах. Удары дробинок приводят к пла­стической деформации и наклепу в микрообъемах по­верхностного слоя. В результате дробеструйной обра­ботки образуется наклепанный слой глубиной 0,2-0,4 мм. Кроме того, за счет увеличения объема накле­панного слоя на поверхности изделия появляются остаточные напряжения сжатия, что сильно повышает усталостную прочность. Например, срок службы витых пружин автомобиля, работающих в условиях, вызываю­щих усталость, повышается в 50-60 раз, коленчатых валов - в 25-30 раз.

Дробеструйная обработка, так же как и обкатка роликами, является конечной технологической опера­цией, перед которой изделия проходят механическую и термическую обработку.

8. СБОРКА ИЗДЕЛИЙ

Сборка является заключительным этапом при изготовлении машин. Объем работ при сборке в автомобилестроении составляет до 20% от об­щей трудоемкости изготовления автомобиля.

Технологический процесс сборки - это совокупность операций по со­единению деталей в определенной последовательности с целью получить изделие, отвечающее заданным эксплуатационным требованиям.

Изделие состоит из основных частей, роль которых могут выполнять детали, сборочные единицы, комплексы, комплекты.

Сборочная единица - часть изделия, составные части которой подле­жат соединению между собой на сборочных операциях на предприятии-изготовителе. Её характерной особенностью является возможность сборки обособленно от других элементов изделия. Сборочная единица изделия в зависимости от конструкции может собираться либо из отдельных деталей, либо из сборочных единиц высших порядков и деталей. Различают сбороч­ные единицы первого, второго и более высоких порядков. Сборочная еди­ница первого порядка входит непосредственно в изделие. Она состоит либо из отдельных деталей, либо из одной или нескольких сборочных единиц второго порядка и деталей и т.д. Сборочную единицу наивысшего порядка расчленяют только на детали. Сборочные единицы называют на практике узлами или группами.

Сборочная операция - это технологическая операция установки и об­разования соединений сборочных единиц изделия. Сборку начинают с ус­тановки и закрепления базовой детали. Поэтому в каждой сборочной еди­нице должна быть найдена базовая деталь - это деталь, с которой начинают сборку изделия, присоединяя к ней детали и другие сборочные единицы.

По последовательности выполнения различают:

-промежуточную сборку - это сборка мелких элементов на механических участках или сборка 2-х деталей перед окончательной обработкой;

-узловую сборку - это сборка сборочных единиц изделия;

-общую сборку - это сборка изделия в целом.

По наличию перемещений собираемых изделий различают:

-стационарную сборку - это сборка изделия или основной его части на од­ном рабочем месте;

-подвижную сборку - собираемое изделие перемещается по конвейеру.

По организации производства различают:

-поточную сборку, - которая предусматривает разделение технологического процесса на отдельные технологические операции, продолжительность ко­торых не превышает такта выпуска изделия;

-групповую сборку, - которая предусматривает возможность сборки раз­личных однотипных изделий на одном рабочем месте.

По степени подвижности различают подвижные и неподвижные со­единения.

Подвижные соединения обладают возможностью относительного пе­ремещения в рабочем состоянии в соответствии с кинематической схемой механизма. При этом используются посадки с зазором. Для сборки не тре­буется значительных усилий.

Неподвижные соединения не позволяют перемещаться друг относи­тельно друга соединяемым деталям. В неподвижных соединениях используются переходные посадки или посадки с натягом.

По характеру разбираемости соединения подразделяют на разъемные и неразъемные.

Разъемные соединения могут быть полностью разобраны без повре­ждения соединяемых деталей.

Неразъемные соединения собираются при помощи прессовых поса­док, сварки, пайки, склеивания и т.д. Без повреждения собираемых деталей их разобрать невозможно.

Методы сборки - определяются конструктором изделия путем про­становки допусков сопрягаемых деталей.

При сборке всегда происходит материализация заложенных конст­руктором размерных цепей.

Метод полной взаимозаменяемости - позволяет проводить сборку из­делия без какого-либо подбора или дополнительной обработки деталей. Метод наименее трудоемок, но необходимо увеличить затраты на механи­ческую обработку.

Метод неполной взаимозаменяемости – предусматривает, что ряд соединений не могут собраться без дополнительной доработки деталей.

Метод групповой взаимозаменяемости (селективная сборка) – предусматривает предварительную сортировку деталей на группы. Сборка в пределах группы осуществляется по методу полной взаимозаменяемости. Это позволяет достичь высокой точности в сопряжениях, при незна­чительном увеличении затрат на контроль (рис 7.1).

Рис. 8.1. Селективная сборка

Метод пригонки и регулирования - предусматривает наличие в раз­мерной цепи компенсирующего звена, положение которого регулируется в процессе сборки (регулировка зазоров, прокладки и т.п.).

Приспособления, применяемые при сборке, классифицируются сле­дующим образом:

- зажимные приспособления (предназначены для базирования и закреп­ления базовых деталей, с которых начинается сборка узла или изделия);

- установочные приспособления (предназначены для точной установки соединяемых деталей друг относительно друга);

- рабочие приспособления (используемые при выполнении отдельных пере­ходов технологических операций сборки (гайковёрты, прессы и т.д.));

- контрольные приспособления.