Классификация методов упрочнения. Способы упрочнения деталей, материалов Упрочнение пластическим деформированием
Таблица 1.3.5.1
|
Упрочнение физическими и физико-химическими методами
Для повышения износостойкости и твердости поверхности деталей машин, работающих в условиях повышенных температур в инертных газах, жаростойкости и коррозионной стойкости поверхности применяют упрочнение методами электроискровой обработки. Этот метод заключается в легировании поверхностного слоя металла изделия (катода) материалом электрода (анода) при искровом разряде в воздушной среде. В результате химических реакций легирующего металла с азотом, углеродом и металлом детали в поверхностных слоях образуются закалочные структуры и сложные химические соединения, возникает диффузионный износостойкий упрочненный слой, имеющий высокую твердость. Для нанесения многослойных покрытий используют методы ионно-плазменной обработки.
Упрочнение методами пластического деформирования
Упрочнение выполняется с целью повышения сопротивления усталости и твердости поверхностного слоя металла и формирования в нем направленных внутренних напряжений, преимущественно напряжений сжатия, а также регламентированного рельефа микронеровностей на поверхности.
Упрочняющую обработку поверхностным пластическим деформированием эффективно применяют на финишных операциях технологического процесса изготовления деталей машин взамен операций окончательной обработки резанием лезвийными или абразивными инструментами.
Поверхностное пластическое деформирование, выполняемое без использования внешнего тепла и обеспечивающее создание указанного комплекса свойств поверхностного слоя, называют наклепом.
Слой металла, в котором проявляются эти свойства, соответственно называют наклепанным.
В результате наклепа повышаются все характеристики сопротивления металла деформации, понижается его пластичность и увеличивается твердость.
Интенсивность наклепа тем выше, чем мягче сталь; на незакаленных сталях в результате поверхностного деформирования можно получать увеличение твердости более 1000 %, а у закаленных только на 10-15%. Прирост твердости определяется структурой деформируемой стали.
Наклеп поверхности выполняют бомбардированием ее струей стальной или чугунной дроби, шариков либо суспензии, содержащей абразивные частицы; обкатывание роликами, шарами или ратационным инструментом, чеканкой.
Дробеструйный наклеп обеспечивает неглубокую пластическую деформацию до 0,5-0,7 мм. Применяют для поверхностей небольших деталей сложных форм, а также деталей малой жесткости типа пружин, рессор и др.
Применяют преимущественно стальную дробь диаметром 0,8-2 мм. Глубина наклепа при дробеструйной обработке не превышает 0,8 мм.
Поверхность детали приобретает некоторую шероховатость и последующей обработке не подвергается.
Режим обработки определяется скоростью подачи дроби, расходом дроби в единицу времени и экспозицией – временем, в течении которого обрабатываемая поверхность находится под ударами дроби. Поверхность детали должна быть полностью покрыта следами-вмятинами.
Поверхностная твердость обрабатываемого материала и глубина пластической деформации зависят от режимов упрочнения, физико-механических свойств, структуры и химического состава материала. Наибольшее влияние на поверхностную твердость оказывает удельное давление деформирующего элемента в контакте с обрабатываемой деталью и кратность приложения этого давления. Превышение предельно допустимого давления или числа циклов нагружения сопровождается остановкой роста твердости и ее снижения в связи перенаклепом, т. е. разрушением поверхностного слоя металла, возникающим в результате наступившего предела пластического деформирования его кристаллической решетки.
Для упрочнения изделий с твердостью до HRC65 применяют метод алмазного выглаживания. Он может заменить операции окончательного шлифования, полирования поверхностей. Метод широко универсален. Рационален для обработки стальных закаленных и термически не упрочненных деталей, с поверхностными покрытиями и без них, па так же деталей из цветных металлов и сплавов.
Наклеп поверхностного слоя струей суспензии (жидкость + абразивные частицы) применяют для случаев, когда требуется наибольшая глубина упрочненного слоя.
Упрочнением энергией взрыва можно повысить износостойкость при истирании, твердость поверхностного слоя, пределы прочности и текучести, статическую прочность (сварных соединений в результате сквозного наклепа сварного шва и зоны термического влияния), циклическую прочность, улучшить качество поверхностного слоя металла.
Упрочнение при импульсных нагрузках взрывом существенно отличается от упрочнения в обычных условиях.
При ударе с большей скоростью, свойственному взрыву, эффект упрочнения возрастает по мере увеличения скорости удара. В металле могут возникнуть высокие локальные температуры, вызывающие фазовые превращения в локальных участках. Одновременно действуют процессы, присущие упрочнению при обычных скоростях деформирования, такие, как двойникование, сдвиги, фрагментация.
Поверхности лопаток подвергаются упрочнению после окончательной механической и термической обработок.
Упрочнение детали микрошариками позволяет:
а) создать тонкий наклеп на деталях, имеющих острые кромки или малые радиусы впадин галтелей, канавок;
б) ликвидировать в поверхностном слое возможные после механической обработки остаточные растягивающие напряжения и создать сжимающие остаточные напряжения;
в) повысить твердость поверхности;
г) повысить и стабилизировать предел выносливости;
д) повысить чистоту поверхности на один - два класса до 0,63 …0,32
В ряду упрочняющих технологий особое место занимает ультразвуковое упрочнение. Упрочнение металла ультразвуковой обработкой обладает рядом особенностей – экспрессностью, высокой эффективностью, возможностью обработки изделий, не поддающихся упрочнению другими способами. Кроме того, совмещение ультразвуковой с какой – либо другой упрочняющей обработкой зачастую может усилить эффективность последней. К достоинствам ультразвукового упрочнения следует также отнести возможность создания для определенного класса деталей поверхностного и объемного наклепа, а так же их комбинаций. При этом достигается выгодное распределение внутренних напряжений в металле и такое структурное состояние, при котором удается увеличить в 2-3 раза запасы прочности деталей, работающих при переменных нагрузках, увеличить срок их службы в десятки раз.
Ультразвуковую упрочняющую обработку можно осуществить либо в жидкости, в которой распространяются ультразвуковые колебания, либо с помощью деформирующих тел, колеблющихся с ультразвуковой частотой.
Ультразвуковой волновой процесс в жидкости сопровождается возникновением большего числа разрывов, в виде мельчайших пузырьков в полупериод растяжения, и захлопыванием их в полупериод сжатия – кавитацией. В момент захлопывания пузырьков развиваются местные мгновенные давления, достигающие сотен атмосфер. Кавитационные пузырьки зарождаются преимущественно на поверхности помещенных в жидкость изделий. При захлопывании пузырьков происходит наклеп поверхности детали. Глубина наклепа, твердость, а следовательно и износостойкость наклепанного слоя.
Ультразвуковое упрочнение деталей с помощью деформирующих тел может осуществляться по двум технологическим схемам:
а) воздействием на обрабатываемую поверхность непосредственно инструментом;
б) воздействием на обрабатываемую поверхность рабочей средой (стальными шариками).
МЕТОДЫ УПРОЧНЕНИЯ ТРУБНЫХ СТАЛЕЙ
Филипенко Елизаветы Владимировны
студент гр. 3 курса, ГБОУ СПО СО «Первоуральский металлургический колледж» г. Первоуральск
E - mail : cher - ev @ mail . ru
Щербинина Е.В.
преподаватель спец. дисциплин ВКК, руководитель г. Первоуральск
Металлургическая промышленность - одна из крупнейших отраслей народного хозяйства и находится на втором месте после нефтегазового комплекса по объему экспортной выручки.
В последние годы уровень развития черной металлургии России значительно повысился. Это связано, прежде всего, со значительными объемами финансовых инвестиций, направляемых на модернизацию производства крупнейшими предприятиями отрасли .
Одной из основных отраслей металлургического комплекса является трубное производство.
Трубы изготавливаются промышленным способом, из металлов и сплавов, органических материалов (пластмасс, смол), бетона, керамики, стекла, древесины и их композиций.
Трубы применяются для транспортировки различных сред, изоляции или группировки иных проводов. Металлическая труба широко применяется в строительстве, как конструкционный профиль, в механизмах - как вал для передачи вращения и т. д.
Трубы классифицируются по способу производства(прокатные-бесшовные, прессованные, сварные стальные и литые).
Широкое применение в промышленности нашли трубы, изготовленные из разных марок сталей.
Существует несколько способов упрочнения трубной стали, которые имеют широкое применение в производстве:
1. Термомеханическая обработка заключается в пластическом деформировании аустенита с последующей закалкой на мартенсит и низким отпуском.
2. Поверхностная закалка состоит в нагреве поверхностного слоя стали выше точки Ас 3 с последующим охлаждением для получения высокой твердости и прочности в поверхностном слое детали в сочетании с вязкой сердцевиной. Нагрев под закалку производят токами высокой частоты, пламенем газовых или кислородно-ацетиленовых горелок, а также лазерным излучением.
3. Обработка холодом проводится для повышения твёрдости стали путем перевода остаточного аустенита закаленной стали в мартенсит. Это выполняется при охлаждении стали до температуры нижней мартенситной точки.
4. Упрочнение поверхности методом пластического деформирования - происходит наклеп поверхности детали в результате холодной деформации, позволяющий повысить ее усталостную прочность.
5. Химико-термическая обработка - тепловая обработка металлов в различных химически активных средах с целью изменения химического состава и структуры поверхностного слоя металла, повышающих его свойства. К этой обработке относятся цементация, нитроцементация азотирование, цианирование - цель: твёрдости, износостойкости и предела выносливости на поверхности детали; диффузионная металлизация (алитирование, силицирование, хромирование и т. д.) - цель: повышение коррозионной стойкости поверхности при работе в разных коррозионных средах .
Инновационные методы, применяемые для упрочнения трубной стали.
Контролируемая прокатка.
Это разновидность процесса высокотемпературной термомеханической обработки сталей и сплавов, характеризующегося регламентированным, в зависимости от химического состава, условиями нагрева металла, температурными и деформационными параметрами процесса и заданными режимами охлаждения металла на различной стадии пластической обработки.
В результате: эта технология позволяет получать оптимальные сочетания прочностных и вязких свойств готового проката без использования термической обработки и при более низком расходе дефицитных легирующих добавок.
Основной принцип контролируемой прокатки заключается в измельчение аустенитного, а, следовательно, и ферритного зерна, что приводит к одновременному повышению прочности и вязкости стали.
Контролируемая прокатка имеет 3 стадии получения трубной стали: деформация в зоне рекристаллизации аустенита, деформация некристаллизующегося аустенита и деформация в двухфазной аустенитно-ферритной области. Исследования показали, что в процессе прокатки в чистовой клети при температуре ниже Аr 3 на механические свойства оказывает влияние дислокационное, субструктурное и текстурное упрочнение. Основные различия между обычной и контролируемой прокаткой состоит в том, что при контролируемой прокатке деформационные полосы разделяют аустенитные зерна на несколько блоков. Граница каждого блока является источником зарождения ферритных зерен. В результате из аустенитного зерна одинаковой величины при контролируемой прокатке образуются более мелкие ферритные зерна, чем при обычной горячей прокатке, когда зарождение ферритных зерен осуществляется на границах аустенитных. Кроме того, увеличение числа активных центров зарождения феррита ускоряет процесс - превращения, в результате чего снижается вероятность выделения бейнитной структуры, придающей низкую вязкость стали .
В практике прокатного производства осуществляются мероприятия, повышающие точность размеров детали:
1) применение жестких клетей, обеспечивающих минимальные упругие деформацииппрокатнойкклети;
2) улучшение конструкции нагревательных печей и качества нагрева, позволяющие поддерживать равномерную температуру по сечению заготовки и разныххзаготовок;
3) применение оптимального охлаждения полос, компенсирующего повышение температуры валков под действием тепла нагретых полос и тепла, выделяющегося при пластической деформации;
4) увеличение твердости рабочей поверхности валка;
5) равномерная деформация металла в калибрах и уменьшение давления при прокатке применением оптимальных калибровок прокатных валков, использованием в прокатных клетях современных подшипников качения и жидкостного трения, оснащением станов непрерывной прокатки постоянно действующими устройствами для контроля межклетевого натяжения проката и т. д.
Рисунок 1 Схема влияния температуры деформации при контролируемой прокатке на морфологию аустенитного зерна и ферритно-перлитную структуру в малоуглеродистых микролегированных сталях.
Малоуглеродистые стали с комплексным упрочнением и гетерофазной структурой, содержащей продукты низкотемпературного распада аустенита.
Стали со структурой, содержащей полигональный феррит, бейнит и мелкие островки мартенсита (остаточного аустенита), имеют непрерывную диаграмму растяжения без площадки текучести. В противоположность сталям с ферритно-перлитной структурой это может обеспечивать заметное деформационное упрочнение в процессе производства, обнаруживая увеличение прочности металла трубы по сравнению с заготовкой, что расширяет перспективы применение сталей данного класса. Уменьшить площадку текучести и усилить тенденцию к образованию плавной диаграммы растяжения можно в результате замены перлита бейнитом при наличии мартенситно-уастенитной составляющей. Следует отметить, что в значительной степени снижение передела связано с действием остаточных напряжений на макроуровне. В связи с этим влияние микроструктуры проявляется более сложно, что требует отдельного рассмотрения. В листах толщиной до 12-15 мм площадку текучести можно устранить при условии выполнения соотношения:
32,5 Mo + 10 (Mn + Cr) +2.5 Ni > 23
К сожалению, российские металлурги пока ещё не полностью готовы к промышленному производству листа и рулона из сталей данного класса, в то время как в мировую практику строительства трубопроводов уже входит применение труб класса точности Х100 и Х120.
Очевидно, что малоуглеродистые стали нового поколения, прочность которых обеспечивается за счёт формирования низкотемпературных продуктов превращения, отличаются уникальным комплексом свойств по сравнению с феррито - перлитными с дисперсионным и субструктурными упрочнениями. Уровень свойств ферритно-перлитных (малоперлитных) сталей в значительной степени определяется степенью упрочнения феррита вследствие создания субструктуры и выделения в нём карбидонитридов, главным образом ванадия .
Заключение.
В последнее время в России наблюдается стабильный рост производства стальных труб. В потреблении отдельных видов стальных труб сохраняются тенденции предыдущих лет: снижение потребления сварных труб малого и среднего диаметра и увеличение потребления сварных труб большого диаметра и бесшовных труб нефтяного сортамента, используемых для добычи и транспортировки газа и нефти; будет продолжаться вытеснение бесшовных труб сварными, производство которых уже сегодня достигло 64 % общего объёма производства труб.
В ближайшие годы российские производители будут активно модернизировать оборудование, вводить в эксплуатацию новые мощности по производству качественной заготовки и по выпуску труб, отвечающих мировым стандартам.
Будущее мировой российской промышленности - за внешним и внутренним рынками. На внешнем рынке уровень уже достигает до 25 % производимых в стране труб; на внутреннем рынке тоже хорошие перспективы с учётом лидирующих позиций России в области запасов нефти и газа, больших расстояний их транспортировки и реализации ряда крупных трубопроводных проектов.
Необходимость повышения конструктивной прочности сталей определяет переход к высокоточным, наукоёмким металлургическим технологиям. Для труб высоких классов прочности очевидна перспектива малоуглеродистых сталей с комплексным упрочнением и гетерофазной структурой, содержащей продукты низкотемпературного распада аустенита и применение технологии контролируемой прокатки, которая позволяет получать оптимальные сочетания прочностных и вязких свойств готового проката без использования термической обработки и при более низком расходе дефицитных легирующих добавок.
Освоение производства такой продукции требует качественного изменения основных мощностей отечественных металлургических предприятий на основе использования современных технологий, получивших широкое применение в мировой практике.
Список литературы:
1.Агентство экономической информации «Прайм»
2.Аналитический портал «Мониторинг цен»
3.Бронфин Б.М., Емельянов А.А., Швейкин В.П. Двухфазные феррито-мартенситные стали, упрочненные карбидами ванадия / Химия, технология и применение ванадиевых соединений: Тезисы докладов IV Всесоюзного совещания. Нижний Тагил, 1982. С. 106.
4.Бронфин Б.М., Емельянов А.А., Швейкин В.П. Субструктурное упрочнение двухфазных феррито-мартенситных сталей // Субструктурное упрочнение металлов и дифракционные методы исследования. Киев: Наукова Думка. 1985. С. 133-135.
5.Грачёв С.В., Бараз В.Р., Богатов А.А., Швейкин В.П. Физическое металловедение. Учебник для вузов. Екатеринбург. Изд. 2, доп. И испр. Изд-во УГТУ-УПИ, 2001, с. 534.
Многие детали машин работают в условиях трения и подвергаются действию ударной и изгибающей нагрузки, поэтому они должны иметь твердую, износостойкую поверхность, прочную и одновременно вязкую и пластичную сердцевину. Это достигается поверхностным упрочнением.
Назначение поверхностного упрочнения – повышение прочности, твердости, износостойкости поверхностных слоев деталей при сохранении вязкой, пластичной сердцевины для восприятия ударной нагрузки.
У деталей машин, работающих при динамических и циклических нагрузках, трещины усталости возникают в поверхностных слоях под влиянием растягивающих напряжений. Если на поверхности создать остаточные напряжения сжатия, то растягивающие напряжения от нагрузок в эксплуатации будут меньше и увеличится предел выносливости (усталости). Создание в поверхностных слоях деталей напряжений сжатия – второе назначение поверхностного упрочнения.
Техническими условиями на изготовление детали задаются твердость и глубина упрочненного слоя, а также прочность и вязкость сердцевины.
Основные методы поверхностного упрочнения можно разделить на три группы:
механические – пластическое деформирование поверхностных слоев, создание наклепа (нагартовки);
термические – поверхностная закалка;
химико-термическая обработка (цементация, азотирование, хромирование и другие).
3.1. Механическое упрочнение поверхности
Упрочнение металла под действием холодной пластической деформации называется наклепом или нагартовкой. При этом изменяется строение металла: искажается кристаллическая решетка и деформируются зерна, т. е. из равноосных они превращаются в неравноосные (в виде лепешки, блина, рис. 1). Это сопровождается увеличением твердости и прочности в 1,5 – 3 раза. Возникающие в наклепанном слое напряжения сжатия повышают сопротивление усталости. Упрочнение поверхности пластическим деформированием повышает надежность работы деталей, снижает чувствительность к концентраторам напряжений, повышает сопротивление изнашиванию и коррозионную стойкость, устраняет следы предыдущей обработки.
Рис. 1. Влияние пластической деформации на микроструктуру металла:
а – до деформации; б – после деформации
Большинство операций упрочнения могут выполняться на универсальных металлорежущих станках (токарных, строгальных, сверлильных) с использованием простых по конструкции приспособлений. Эти операции упрочнения наиболее эффективны для металлов с твердостью до НВ250 – 280.
Накатка роликами и шариками – операция, при которой стальной закаленный ролик (шарик), обкатывая упрочняемую поверхность при заданной нагрузке (нажатии), деформирует, т. е. сминает поверхностный слой металла на определенную глубину (рис. 2). Происходит упрочнение – наклеп. Глубина упрочненного слоя – 0,5 – 2,0 мм. Этим методом в основном упрочняются детали типа тел вращения (валы, оси, гильзы) или имеющие значительные по размерам плоские поверхности.
Дробеструйная обработка – операция, при которой частицы твердого металла (дробь), вылетая из дробемета с большой скоростью (90 – 150 м/с), ударяют по упрочняемой поверхности, и происходит ее наклеп. Прочность, твердость и предел усталости повышаются. Толщина упрочненного слоя составляет 0,2 – 0,4 мм. Дробеструйному наклепу подвергают пружины, рессоры, зубчатые колеса, валы торсионные и т. п. Например, рессорные листы после термообработки перед сборкой в пакет подвергают дробеструйному наклепу, что значительно увеличивает срок службы рессоры (в три – пять раз).
Д
робеструйная
обработка является конечной технологической
операцией для деталей после механической
и термической обработки. Оборудованием
являются дробеметы. Наиболее распространены
механические дробеметы, имеющие большую
производительность. Дробь – частицы
шарообразной формы из твердой стали
или белого чугуна. Дробеструйная
обработка нормализованной стали
марки 20 увеличивает твердость на 40 %, а
стали марки 45 – на 20 %; остаточное
напряжение сжатия в поверхности – до
80 МПа.
Рис. 2. Схемы обкатывания (а, б) и раскатывания (в, г) поверхностей
Д
робеструйную
обработку применяют как эффективный
метод повышения выносливости изделий
из кованой и литой стали, для упрочнения
высокопрочных чугунов.
Эти методы упрочнения наиболее распространены в машиностроении. Кроме них используются вибронакатывание (рис. 3), калибровка отверстий (рис. 4), алмазное выглаживание и др.
Рис. 4. Схемы калибровки отверстий: а – шариком; б, в – дорном
Помимо нанесения износостойких покрытий на поверхности инструментов существуют еще четыре группы технологий поверхностного упрочнения режущих инструментов:
1. Методы механического упрочнения: вибрационный, дробеструйный, взрывом и т.д. Наиболее часто используют для упрочнения инструментов из быстрорежущей стали и твердых сплавов. Поверхностное пластическое деформирование (ППД) – наклеп поверхностного слоя на глубину 0.2-0.8 мм с целью создания в нем остаточного напряжения сжатия. При наклепе поверхностный слой расплющивается. Удлинению поверхностного слоя препятствует сила сцепления с нижележащими слоями металла. Вследствие этого в наклепанном слое возникают двухосные напряжения сжатия, а в толще основного металла незначительные реактивные напряжения растяжения. Складываясь с рабочими напряжениями растяжения, остаточные напряжения сжатия уменьшают, а при достаточно больших значениях компенсируют первые. Возникающие при наклепе множественные искажения структуры (деформация зерна, местные пластические сдвиги) эффективно тормозят развитие усталостных повреждений и расширяют область существования нераспостроняющихся трещин, увеличение которых обуславливает существование разрушающих напряжений. Эффективен наклеп в напряженном состоянии, представляющий собой сочетание упрочнения перегрузкой с наклепом. При этом способе деталь нагружают нагрузкой того же напряжения, что и рабочая, вызывая в материале упругие или упругопластические деформации. После снятия нагрузки в поверхностном слое возникают остаточные напряжения сжатия. Наклепанный слой чувствителен к нагреву. При температурах 400-500 о С действие наклепа полностью исчезает, из-за наступающего при этих температурах процесса рекристаллизации, устраняющего кристалло-структурные изменения, внесенные наклепом. Основные разновидности упрочнение поверхности пластической деформацией: дробеструйная обработка, обкатывание, чеканка, алмазное выглаживание.
Дробеструйная обработка заключается в наклепе поверхностного слоя потоком закаленных шариков (диаметр 0.5-1.5 мм), создаваемым центробежными дробеметками. Качество поверхности при данном процессе немного снижается. Плоские поверхности упрочняют обкатыванием шариками, установленными во вращающемся патроне. Заготовке придают движение продольной и поперечной подачи, при правильно выбранном режиме обкатывания, остаточные напряжения сжатия в поверхностном слое составляют 600-1000 МПа. Глубина уплотнения слоя 0.2-0.5 мм. Данный процесс улучшает качество поверхности детали. Поверхность вращения упрочняют обкатыванием стальными закаленными роликами. Силу прижатия ролика выбирают с таким ращетом, чтобы создать в поверхностном слое напряжения, превышающие предел текучести материала в условиях всестороннего сжатия (для стали 5000-6000 МПа). Чеканку производят бойками со сферической рабочей поверхностью, приводимыми в колебания пневматическими устройствами. Частота колебаний и скорость вращения заготовки должны быть согласованы таким образом, чтобы наклепанные участки перекрывали друг друга.
Алмазное выглаживание заключается в обработке предварительно шлифованной и полированной поверхности закругленными алмазными резцами (радиус 2-3 мм). Поверхностный слой уплотняется до глубины 0.3-0.5 мм.
2. Методы химико-термической обработки (ХТО) инструментальных сталей: азотирование, цементация, карбонитрация, оксидирование, борирование в газовых и жидких средах, тлеющем газовом электрическом разряде (ионное азотирование). Высокую поверхностную прочность обеспечивает изотермическая закалка, а также термомеханическая обработка поверхности детали. При поверхностной закалке (газопламенная закалка) и химико-термической обработке (цементование) упрочнение обусловлено главным образом возникновением в поверхностном слое остаточных сжимающих напряжений вследствие образования структур большего удельного объема (нитриды и карбонитриды при нитроцементации и азотировании), чем структуры основного металла. Расширение поверхностного слоя тормозит сердцевина, сохраняющая исходную перлитную структуру, вследствие чего в поверхностном слое возникают двухслойные напряжения сжатия. В нижних слоях развиваются реактивные растягивающие напряжения, имеющие малое значение, из-за незначительности сечения термически обработанного слоя сравнительно с сечением сердцевины. Создание предварительных напряжений сжатия снижает среднее напряжение в области сжатия, тем самым повышается предел выносливости. Газовая закалка повышает предел выносливости по сравнению с исходной конструкцией из необработанной стали в 1.85 раза. Наиболее эффективным способом обработки является азотирование, которое практически полностью устраняет внешних концентраторов напряжений. Азотирование не вызывает изменения формы и размеров детали. Азотированный слой обладает повышенной коррозие - и термостойкостью. Твердость и упрочняющий эффект сохраняются вплоть до температур 500-600 о С. Оптимальные толщины слоя уплотнения при цементации 0.4-0.8 мм, цементовании и азотировании 0.3-0.5 мм, закалке с нагревом и газовой закалке 2-4 мм. Качество поверхности значительно улучшается.
Электроискровое, магнитное, ультразвуковое упрочнение. Данные метода редко применяются для обработки режущих инструментов.
Физическое упрочнение: лазерная обработка, ионная имплантация. Технология ионной имплантации является на сегодня одной из наиболее перспективной с точки зрения создания композиционных материалов с оптимальным набором поверхностных и объемных свойств.
Ионная имплантация – это процесс, в котором практически любой элемент может быть внедрен в приповерхностную область любого твердого тела – мишени (подложки), помещенной в вакуумную камеру, посредством типа высокоскоростных ионов, имеющих энергию в несколько мегаэлектроновольт.
Ионы внедряются в материал мишени (подложки) на глубину от 0,01мкм до 1мкм, теряя энергию в процессе столкновений с атомами основы.
Профиль (распределение) концентрации примеси по глубине для большинства комбинаций – внедряемый атом – мишень (подложка) может быть вычислен. Для малой дозы ионов (малого числа ионов на единицу площади) профиль распределения концентрации примеси по глубине обычно хорошо описывается гауссовым распределением с центром в середине области распространения. В результате ионной имплантации образуется поверхностный слой сплава с изменяющимся составом, который не обладает выраженной поверхностью раздела, характерной для осажденного покрытия.
Преимуществом ионной имплантации, как метода модифицирования поверхности по сравнению с другими методами упрочнения поверхности, являются:
Увеличение растворимости в твердом состоянии;
Независимость образования сплавов от констант диффузии;
Возможность быстрого изменения состава сплава;
Независимость от процессов протекаемых в объеме материала;
Возможность процесса при низких температурах;
Весьма незначительное изменение размеров обрабатываемой детали;
Отсутствие проблемы аугезии, так как не существует ярко выраженной поверхности раздела;
Контролируемая глубина распределения концентрации;
Вакуумная чистота;
Высокая контролируемость и воспроизводимость.
Основным недостатком ионной имплантации является обработка только той части поверхности инструмента, которая находится непосредственно в области действия пучка ионов.
Технологии нанесения покрытий на инструменты обладают высокой производительностью, универсальностью, экономичностью. Кроме того, появляется возможность управления условиями формирования и свойствами покрытий, а также свойствами композиции покрытие - инструментальный материал. Инструментальный материал с износостойким покрытием является новым материалом композиционного типа, в котором оптимально сочетаются свойства поверхностного слоя (высокие значения твердости, теплостойкости, пассивности по отношению к обрабатываемому материалу и т. д.) и свойства, проявляющиеся в объеме тела инструмента (прочность, ударная вязкость, трещиностойкость и т. д.).
В настоящее время систематизация марок инструментальных материалов должна быть дополнена систематизацией характеристик поверхностных слоев с измененными свойствами (СИС), иначе невозможно объективно определить возможность применения и технологии упрочнения в целом, и множества вариантов состава и конструкций упрочненных слоев для конкретных условий обработки. Данная систематизация представлена на рис.34.3
Применяемые способы упрочнения режущей части инструментов сгруппированы на рис 34.3 не просто по их физическим особенностям, но и по конечному результату –диапазону характеристик и вариантам конструкции получаемых слоев, которые необходимо знать в первую очередь для принятия решения об их применении. Всего предусмотрено четыре признака, ранжированных в строго определенном порядке.
Исходя из того, что области применения традиционных марок материалов определены достаточно четко, первым признаком становится наличие на материале режущей части инструмента какого-либо варианта упрочненного слоя.
Рис. 7.3 Систематизация вариантов материала режущей части инструмента
Это условие разграничивает диапазоны свойств этих слоев, т.е. это, по сути, новые классы материалов, обладающие качественно различными служебными характеристиками. Очевидно, что упрочнение основы, т.е. изменение свойств уже имеющегося «базового» инструментального материала, не позволит намного увеличить их твердость и износостойкость в отличие от нанесения покрытий, свойства которых практически не сильно зависят от свойств основы.
Вторым признаком систематизации является возможная технология получения того или иного варианта упрочненного слоя режущей части инструмента. Он определяет возможности использования упрочненного слоя в производстве.
Третьим признаком является общая, интегральная характеристика упрочненного слоя – его суммарная толщина. Влияние толщины износостойкого покрытия на работоспособность инструмента изучено достаточно подробно и будет рассмотрено ниже. Необходимо отметить, что разные технологии упрочнения могут обеспечивать строго определенные диапазоны толщин и каждый вариант слоя имеет свой, ярко выраженный оптимум.
Четвертым признаком группирования является дифференцированная характеристика упрочненного слоя – конкретное сочетание толщины слоя в целом, а также химического состава и структуры составляющих его слоев. Известно, что даже незначительное изменение только одного элемента (толщины или химического состава одного из составляющих слоев) позволяет существенно повысить потенциал работоспособности инструментов. Для упрочненных слоев основы важным является оптимальность градиента свойств от сердцевины к поверхности инструмента.
Технологические особенности получения слоев с измененными свойствами не являются самостоятельными признаками группирования. Они лишь обеспечивают служебные характеристики конструкции слоя.
В результате анализа особенностей промышленной эксплуатации режущего инструмента с покрытием можно отметить следующее:
1. Инструмент с покрытием заметно дороже инструмента без покрытия, что требует более высокой культуры производства, использования неизношенного станочного оборудования, тщательного экономического анализа целесообразности использования инструмента с покрытием.
2. Наиболее целесообразно эксплуатировать инструмент с покрытием на скоростях, превышающих скорость резания обычного инструмента на 30-60%. Такие скорости соответствуют оптимальной экономической скорости резания, минимизирующей интенсивность изнашивания и затраты на обработку резанием.
3. В настоящее время промышленность использует разнообразный режущий инструмент с покрытием, получаемый различными технологическими методами, что требует от заводских технологов знаний областей наиболее рационального использования такого инструмента. Эффективность инструмента с покрытием при различных условиях обработки сильно зависит от метода получения покрытия даже одного химического состава.
7.3. Контрольные вопросы:
1. В чем необходимость поверхностного упрочнения режущих инструментов?
2. Каковы современные методы поверхностного упрочнения инструментов? Их преимущества и недостатки
3. В чем заключается основной принцип систематизации материалов режущей части инструментов?
Рассмотренный ранее механизм пластической деформации позволяет сделать вывод что процесс сдвига в кристаллах под действием внешних напряжений будет происходить тем легче чем больше дислокаций будет в металле. После пластической деформации дислокационная плотность увеличивается и достигает значении...
Поделитесь работой в социальных сетях
Если эта работа Вам не подошла внизу страницы есть список похожих работ. Так же Вы можете воспользоваться кнопкой поиск
ЛЕКЦИЯ 5
СПОСОБЫ УПРОЧНЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ
Ранее были рассмотрены механические свойства металлов и сплавов. Основным свойством для машиностроительных материалов является прочность. Однако, уровень прочности материалов в исходном состоянии не всегда соответствует требуемым значениям.
В этом случае необходимо повысить характеристики прочности для данного сплава, используя один из способов упрочнения.
К способам упрочнения относятся:
- Холодная пластическая деформация (ХПД).
- Термическая обработка.
- Легирование (введение в состав сплава дополнительных химических элементов).
- Химико-термическая обработка (упрочнение поверхностных слоев металла и деталей малых сечений).
- Механо-термическая обработка (сочетание механической и термической обработки).
УПРОЧНЕНИЕ МЕТОДОМ ХОЛОДНОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ
Рассмотренный ранее механизм пластической деформации, позволяет
Сделать вывод, что процесс сдвига в кристаллах под действием внешних напряжений будет происходить тем легче, чем больше дислокаций будет в металле.
После пластической деформации дислокационная плотность увеличивается и достигает значении 10 8 10 10 см -2 . При этом формируются дислокационные скопления: сплетения в виде клубков дислокаций. При увеличении степени деформации плотность дислокаций возрастает до 10 11 10 12 см -2 .
Повышение прочности с возрастанием плотности дислокаций объясняется тем, что при этом возникают не только параллельные друг другу дислокации, но и дислокации в разных кристаллографических плоскостях и направлениях. Такие дислокации будут мешать друг другу перемещаться и реальная прочность металла повышается, так как замедляется движение дислокаций и уменьшается пластическая деформация.
Упрочнение металла под действием пластической деформации называется наклепом . С ростом степени деформации прочность и твердость повышаются, а способность к пластической деформации снижается (рис.5.1).
Рис.5.1. Изменение свойств металла с увеличением степени
Деформации.
Степень предварительной деформации определяется по характеристике ε и вычисляется как отношение разности толщин заготовок до деформации (Н) и после деформации (h) к исходной толщине Н:
ε = [(H - h) / H] ∙ 100% .
Рост числа дислокаций и возникновение внутренних напряжений в результате наклепа приводит к тому, что свободная энергия металла растет, и он переходит в неравновесное, неустойчивое состояние. Нагрев металла должен способствовать возврату металла в более устойчивое исходное структурное состояние.
Уже при небольшом нагреве происходит снятие искажений кристаллической решетки, уменьшение плотности дислокаций, снижение внутренних напряжений. При этом видимых изменений структуры не наблюдается и вытянутая форма зерен сохраняется. Этот процесс называется возвратом . При возврате прочность уменьшается незначительно (на 20 - 30%), а пластичность несколько увеличивается.
С ростом температуры нагрева подвижность атомов растет, и образуются новые зерна вместо ориентированной волокнистой структуры. Образование и рост новых равноосных зерен называется рекристаллизацией .
Рис.5.2. Схема процесса рекристаллизации в деформированном
Металле при нагреве.
Процесс рекристаллизации протекает в две стадии:
Первая стадия - рекристаллизация обработки - процесс образования новых зерен.
Вторая стадия - собирательная рекристаллизация - процесс роста вновь образованных рекристаллизованных зерен (рис.5.2).
Новые зерна возникают на границах старых зерен. Процесс первичной рекристаллизации термодинамически выгоден, так как при переходе деформированного металла в более устойчивое равновесное состояние сопровождается уменьшением свободной энергии.
Температура, при которой возникают новые зерна и изменяются механические свойства, называется температурой рекристаллизации (Т р ).
Она зависит от температуры плавления.
Т р = а ∙ Т пл ,
где а - коэффициент, зависящий от состава и структуры металла.
- для чистых металлов: Т р = 0,3 - 0,4 ∙ Тпл;
- для сплавов: Т р = 0,7 - 0,8 ∙ Тпл.
Изменение структуры и свойств деформированного металла при нагреве представлено на рис.5.3.
Рис. 5.3. Схема изменения структуры и свойств деформированного металла при нагреве:
1-2 возврат; 2-3 первичная кристаллизация; 3-4 собирательная рекристаллизация
Таким образом, если необходимо снять наклеп, то следует провести нагрев деформированного металла при температуре выше, чем температура рекристаллизации.
Относительно температуры рекристаллизации различают холодную и горячую деформацию. Холодная деформация проводится при температурах ниже температуры рекристаллизации и является способом упрочнения металлов и сплавов. Горячая деформация проводится при температурах выше температуры рекристаллизации. Так, при механической обработке давлением имеют место два процесса: упрочнение за счет пластической деформации и последующее разупрочнение при рекристаллизации.
Другие похожие работы, которые могут вас заинтересовать.вшм> |
|||
| 15543. | Современные методы экспериментального изучения строительных материалов. Определение предела прочности при сжатии. Рентгеновский фазовый анализ порошковых материалов | 454.52 KB | |
| Мешалка для перемешивания цементного раствора, столик встряхивающий, форма-конус, штыковка, формы разъемные для изготовления образцов-балочек, насадка к формам, площадка вибрационная, прибор для испытаний на изгиб, пресс для определения предела прочности при сжатии, пластинки для передачи нагрузки по ГОСТ 310.4. | |||
| 3320. | Обсуждение составленных материалов по санпросветработе со школьниками. Коррекция материалов составленных студентами | 13.12 KB | |
| Преподаватель знакомит студентов с целями и задачами предстоящего занятия. Затем каждый студент зачитывает текст беседы или лекции, которую он написал дома. После обсуждения преподаватель корректирует каждую беседу и лекцию, указывает на недостатки, если они есть, допущенные ошибки. | |||
| 20016. | Учёт материалов | 42.24 KB | |
| Непрерывность производства требует чтобы постоянно находилось на складах достаточное количество сырья и материалов для полного удовлетворения потребностей производства в любой момент их использования. Целью и задачами работы выступает изучение бухгалтерского учета материалов. 1 Понятие и характеристика материалов Согласно Положению по бухгалтерскому учету Учет материально-производственных запасов ПБУ 5 011 к бухгалтерскому учету в качестве материально-производственных запасов принимаются активы1: используемые в качестве сырья материалов... | |||
| 1984. | Литье материалов | 300.8 KB | |
| Исторически сложилось деление этих процессов на традиционные под которыми чаще всего подразумевают лишь литье в песчаноглинистые формы и все остальные специальные технологии литья. Главным признаком традиционного метода литья можно считать важнейшие характеристики основного инструмента технологического процесса литейной формы. Дополнительный обязательный признак заполнение формы расплавом гравитационным методом сверху из ковша через литниковую систему. Остальные характеристики литейной формы объемная оболочковая опочная... | |||
| 1512. | Искусственная сушка материалов | 136.65 KB | |
| Сушкой называется термический процесс удаления из твердых материалов или растворов содержащейся в них влаги путем ее испарения. При этом одно механическое обезвоживание материала в большинстве случаев является недостаточным так как оно обеспечивает только частичное удаление свободной влаги. Потому часто комбинируются различные способы удаления влаги. Естественная сушка обычно производится на открытом пространстве под навесами или в специальных сараях и представляет собой процесс при... | |||
| 13428. | Общая характеристика нагрева материалов | 1.85 MB | |
| Общая характеристика нагревания лазерным излучением Рассмотрим тепловые эффекты в конденсированных средах и основные особенности температурной кинетики при лазерном воздействии. При рассмотрении процессов воздействия ЛИ на материалы необходимо знать энергетические характеристики: поглощенную долю падающего потока максимальную плотность мощности ЛИ длительность импульса длину волны пространственное распределение плотности мощности и условия фокусировки. Для описания тепловых источников при... | |||
| 13489. | Лазерное разрушение поглощающих материалов | 380.35 KB | |
| Общая характеристика механизмов лазерного разрушения Термин разрушение при воздействии мощных потоков ЛИ на вещество является условным поскольку практически при любой плотности потока в объеме вещества происходят физические процессы вызывающие необратимые изменения связанные например с диффузией вещества или генерацией структурных несовершенств. Условимся понимать под разрушением материалов при воздействии ЛИ образование в веществе углублений вызванных выносом части объема вследствие процессов испарения. При превышении порогового... | |||
| 6526. | Основные задачи сопротивления материалов | 178.81 KB | |
| Внешние силы вызывают деформацию тела т. К проявлению вязких свойств материала относится ползучесть рост деформации при постоянной нагрузки и релаксация уменьшение внутренних усилий при постоянной полной величине деформации. Пусть реальное твердое тело находится в равновесии под действием внешних... | |||
| 13066. | Технология обработки материалов давлением | 6.37 MB | |
| Элементарный процесс ОМД можно представить в виде воздействия внешних сил на полуфабрикат заданной формы из металла или сплава для достижения требуемого конечного формообразования При этом деформируемый объем металла или сплава может находиться в различных состояниях пластичности в условиях холодного горячего деформирования; в режиме сверхпластичности или в условиях гидростатического давления. В свою очередь металлургические процессы предназначенные для формообразования полуфабрикатов в виде листа профилей труб и прутков из которых... | |||
| 3820. | Материаловедение(технология конструкционных материалов) | 2.61 MB | |
| Стали: классификация автоматные стали. Углеродистые и легированные конструкционные стали; назначение термическая обработка свойства. Стали устойчивые против коррозии жаропрочные стали и сплавы. Инструментальные материалы: инструментальные и быстрорежущие стали твердые сплавы и режущая керамика сверхтвердые материалы материалы абразивных инструментов. | |||