 |
|
Технологические способы упрочнения деталей машин
Местные напряжения и их снижение
Усталостные трещины зарождаются в зонах концентрации напряжений. Напряжения, в этих зонах, в отличие от номинальных, называют местными. С ними связано также статическое разрушение деталей из хрупких материалов.
Концентрация напряжений может быть вызвана резким изменением формы деталей, прессовыми посадками, местным приложением нагрузки, неоднородностью материала и другими причинами.
Влияние формы детали связано с тем, что перерезанные волокна в местах галтелей, засверловок, отверстий, шпоночных пазов, шлицев, впадин зубьев н резьб, подрезов, острых углов и т. д. передают свою нагрузку соседним волокнам.
Влияние прессовых посадок обусловлено изменением конфигурации охватываемой детали (вала) в месте посадки, пиками давлений у кромок охватывающей детали (ступицы), растягивающими напряжениями за кромками, фретинг-коррозией с проскальзыванием кромок ступицы при изгибе вала.
Концентрация нагрузки вызывается погрешностями изготовления и упругими деформациями деталей, неравномерным износом и другими причинами.
При растяжении она имеет место в резьбовых, болтовых и заклепочных, а также в сварных соёдинениях деталей. При изгибе концентрация нагрузок наблюдается в зацеплениях зубчатых колес в связи с кромочным контактом зубьев при перекосах, в зонах контакта изогнутого вала с кромками подшипников скольжения, в зонах контакта изогнутых валиков пластинчатых цепей с кромками втулок. Концентрация нагрузки при сжатии встречается в подшипниках качения и опорно-поворотных устройствах кранов, в контакте колес, катков, роликов, бегунков и других опорных элементов, в зацеплениях зубчатых и червячных. передач и т.д.
Концентрация напряжений, обусловленная неоднородностью материала, имеет место в сварных соединениях (сварочные дефекты, литейная структура шва, изменение структуры металла в околошовной зоне, выгорание углерода и легирующих элементов и т. д.), а также на границах закаленной и незакаленной зон.
Технологические способы упрочнения деталей машин
Наряду с конструктивными методами снижения номинальных и местных напряжений
Существуют разнообразные технологические способы упрочнения элементов машин (табл. 2):
· термическая обработка
· химико-термическая обработка
· пластическое деформирование (наклеп поверхности)
· термомеханическая обработка.
Наиболее распространенной является объемная закалка.
Объемная закалкадеталей машин обеспечивает повышение прочности и общее упрочнение деталей, повышение их износостойкости и надежности прессовых соединений. Ее разновидность — сорбитизация — процесс с образованием структуры сорбита, эффективно используют для упрочнения крановых колес.
В части увеличения усталостной прочности и износостойкости эффективны также поверхностная закалка, химико-термическая обработка, пластическое деформирование (наклеп) поверхностей и термомеханическая обработка (ТМО). Два первых процесса имеют ряд общих особенностей: а) упрочнению подвергается неглубокий поверхностный слой материала деталей, а глубинные слои не претерпевают существенных превращений, благодаря чему металл сердцевины остается вязким, что обеспечивает высокую несущую способность детали при ударных нагрузках; б) в упрочненном поверхностном слое возникают значительные сжимающие остаточные напряжения, что ослабляет влияние концентрации напряжений от внешней нагрузки и повышает сопротивление детали усталостному разрушению.
Поверхностная закалкас нагревом ТВЧ. Преимущества по сравнению с другими методами термической обработки являются:
· резкое повышение производительности (до 700 раз) и
· снижение себестоимости (до 12 раз);
· уменьшение деформаций при нагреве;
· получение чистой поверхности, без окалины;
· почти полное отсутствие обезуглероживания поверхностного слоя;
· простота механизации и автоматизации процесса и встраивания его в поток.
Другой вид поверхностной закалки — с нагревом газовым пламенем (газопламенная закалка) не связан с применением дорогостоящих и энергоемких установок ТВЧ, однако высокое качество и соответствующую производительность он обеспечивает лишь в случае применения специальных установок для закалки и при тщательной отработке процесса.
Цементацияобеспечивает повышение пределов выносливости при изгибе до 3 раз, повышение износостойкости в 1,5—2 раза по сравнению с закалкой ТВЧ. Это обусловлено образованием в цементированном слое специфической структуры, насыщенной карбидами.
По сравнению с цементацией более производителен и эффективен процесс высокотемпературного газового цианирования, например, с использованием триэтаноламина в качестве цианизатора. Усталостная прочность шестерен повышается в 2—3 раза; износостойкость выше в 1,5— 1,9 раза, чем при цементации, а также способствует уменьшению деформации деталей в процессе обработки.
В ряде случаев эффективны процессы диффузионной металлизации, связанные с насыщением поверхностного слоя стали хромом (хромирование), алюминием (алитирование), кремнием (силицирование), бором (борирование) и др.
Хромирование, борирование обеспечивают повышение ударной и коррозионно-усталостной прочности и повышение износостойкости.
Поверхности, покрытые хромом, обладают высоким сопротивлением механическому изнашиванию, высокой химической стойкостью, не ржавеют и не чувствительны к нагреву до 400 °С. Хромирование повышает срок службы деталей примерно в 5 раз, применяется для защитно-декоративного покрытия, повышения износостойкости, восстановления изношенных деталей до нормальных размеров и т. д. В связи с возможностью наращивать толстые (до 0,5 мм) слои хрома этот способ успешно используют для ремонта изношенных деталей машин и исправления брака. Иногда детали подвергают хромированию перед их закалкой. Покрытые хромом детали выходят из печи без окалины, поэтому пескоструйной очистке не подвергаются.
Недостатки хромирования следующие: 1) длительность процесса и сложность подготовительных операций; 2) возможность восстанавливать детали с относительно небольшим износом, так как толстые осадки хрома (свыше 0,3—0,4 мм) менее износостойки и более дороги; .3) низкий (12—18 %) КПД хромовых ванн; 4) значительное снижение выносливости покрытых хромом деталей усталостным разрушениям я относительно высокая стоимость хромирования.
Хромирование электролизом выполняют при напряжениях 6— 12 В и плотности тока не менее 2 • 103 А/м2. Продолжительность электролитического хромирования зависит от потребной толщины слоя хрома •(обычно десятые доли миллиметра). За 1 ч оседает слой хрома толщиной 0,01—0,07 мм. Детали из черных и цветных-металлов, покрытые слоем хрома даже в 0,02—0,04 мм, обладают хорошей химической •стойкостью, сопротивляемостью истиранию и имеют красивый внешний вид.
Подготовка деталей к хромированию. Поверхность, подлежащая хромированию, должна быть гладкой, обезжиренной и свободной от оксидов. Необходимая шероховатость поверхностей достигается соответствующей обработкой (шлифовка, полировка, промывка в бензине). Части деталей, не требующие покрытия хромом, изолируют целлулоидным лаком, отверстия в деталях закрывают свинцовыми пробками. Обезжиривать детали лучше электролитическим способом.
Для хромирования больших деталей применяют передвижные ванны и ванны из листового целлулоида толщиной 3—4 мм, которые устанавливают непосредственно на детали либо безванное хромирование с использованием полости самой детали (например, стенок цилиндра). Для крупных деталей применяют также хромирование в струе электролита, непрерывно выливающегося из пустотелого свинцового наконечника, являющегося анодом (струйное хромирование).Подготовленные к хромированию детали закрепляют на рамках и на весу опускают в ванну; они являются катодами. Анодом служит сплав свинца с 6 % -ным содержанием сурьмы (этот сплав не растворяется в электролите). Применять растворимые хромовые аноды невыгодно, так как из них в электролит переходит больше хрома, чем осаждается на деталях. Поэтому используют нерастворимые аноды, а в электролит периодически добавляют оксид хрома. Наивыгоднейшее соотношение площадей анода и катода 3:1 — 2,5:1.
При хромировании в зависимости от условий электролиза можно получить три вида осадков — блестящие, молочные и серые. Блестящие осадки отличаются высокой твердостью и хрупкостью и имеют на своей поверхности мелкую сетку трещин, видимую под микроскопом. Молочные осадки, самые мягкие и вязкие, трещин не имеют и обладают высокой износостойкостью. Серые осадки, являющиеся признаком брака, имеют повышенную твердость и хрупкость и пониженную износостойкость.
Блестящие осадки получаются при средних значениях температур и плотностей тока, молочные — при малых плотностях тока и высоких температурах ванны.
В соответствии с условиями работы деталей стремятся получить осадок того или иного вида. Так, для деталей неподвижных соединений (посадки подшипников качения на валах и пр.) получают оба вида осадков. Для деталей, работающих на изнашивание при небольших давлениях (до 0,5 МПа), рекомендуются блестящие осадки, а для работающих при больших давлениях и знакопеременной нагрузке — молочные.
Меднение применяют для улучшения притирки трущихся поверхностей деталей, покрытия не подлежащих цементации поверхностей, нанесения подслоя на детали при их покрытии другими металлами. Технологический процесс состоит из операций, аналогичных тем, которые применяются при хромировании
Никелирование. Никелевые покрытия толщиной 0,025 мм хорошо предохраняют основной металл от коррозии, так как устойчивы против воздействия атмосферного воздуха, щелочей и некоторых кислот. Схема технологического процесса никелирования аналогична схемам электролитических процессов, которые применяются при хромировании.
Химическое никелирование применяют для повышения износостойкости деталей и защиты их от коррозии. Основные преимущества этого способа перед электролитическим никелированием: 1) поскольку процесс протекает без тока, то не требуется специального оборудования; 2) можно получать очень твердые термически обработанные никель-фосфорные покрытия (до 61 HRC3), хорошо сопротивляющиеся абразивному изнашиванию; 3) покрывать различные металлы, в том числе алюминиевые сплавы, пластмассы, керамику; 4) можно наносить равномерный износостойкий слой на изделия сложной формы, например зубья червячных и других колес. Стойкость зубьев в результате химического никелирования повышается в 3—4 раза. Рассмотренный метод можно применять для восстановления ответственных деталей, которые необходимо заменять даже при небольшом износе, например детали гидроредукторов и аппаратуры.
Оксидирование. Для получения на поверхностях стальных деталей оксидной защитной пленки можно применять оксидирование в концентрированных щелочных ваннах с добавлением окислителей. Наиболее часто применяемый раствор для оксидирования содержит гидроксид натрия (650 г/л) и нитрат натрия (350 г/л). Подготовленные детали предварительно окунают в горячее масло, протирают ветошью и затем загружают в ванну при температуре раствора 125—130 °С. После этого раствор подогревают до кипения (140 °С). В зависимости от требуемой толщины пленки детали выдерживают в кипящем растворе 15—60 мин. Толщина оксидной пленки должна быть 0,6—0,8 мкм. При толщине менее 0,6 мкм пленка не защищает основной металл от коррозии. При толщине пленки более 0,8 мкм покрытие становится рыхлым и непрочным. Некачественные покрытия получаются также при плохой подготовке деталей и нарушении режима оксидирования (слабая или завышенная концентрация раствора, низкая или высокая температура).
Алитирование обеспечивает повышение долговечности деталей из сталей обыкновенного качества, работающих при повышенной температуре, до уровня долговечности деталей из дорогих жаростойких сталей.
Силицирование обеспечивает повышение коррозионной стойкости и износостойкости при хорошей пластичности.
Особенно перспективно высокотемпературное термодиффузионное хромирование, обеспечивающее наибольшее повышение износостойкости по сравнению с другими процессами. Детали, упрочненные этим методом, лучше сопротивляются ударным нагрузкам, не коррозируют в агрессивной среде.
Сульфидирование — насыщение поверхностного слоя серой — связано с тем, что этот слой играет при трении роль сухой смазки, т.е. обеспечивает повышение сопротивления схватыванию при сухом трении и смазке (шестерни, втулки, гайки, плунжеры, клапаны и др.)
Дробеструйный наклеп— процесс упрочнения пластическим деформированием наружной поверхности детали под действием дроби, соударяющейся с ней при большой скорости, осуществляют с помощью пневматических и механических дробеметов. В первом случае дробь движется под действием сжатого воздуха, во втором— под действием центробежной силы, развивающейся в быстро вращающемся роторе. Для обработки стальных деталей применяют чугунную и стальную дробь. Обеспечивает упрочнение деталей сложной формы и повышение усталостной долговечности
Разновидностью является центробежно-шариковый наклеп, пригодный также для упрочнения внутренних поверхностей. Обеспечивает упрочнение наружных и внутренних цилиндрических поверхностей.
Эффективность дробеструйного наклепа возрастает с увеличением твердости детали. Особенно эффективен он в сочетании с предварительной термической и химико-термической обработкой (закалка ТВЧ, цементация, газовое цианирование и др.).
Обкатывание роликамипроводят с помощью специальных приспособлений, оснащенных одним или несколькими свободно вращающимися накатными роликами. В результате пластической деформации при накатывании происходит наклеп поверхностного слоя, улучшается его структура, повышается твердость и чистота поверхностей, размер детали уменьшается незначительно (на размер смятых выступов от предшествующей механической обработки).
Эффективность обкатки тем выше, чем ниже исходная твердость поверхности. Изменения поверхности, происходящие при обкатывании, зависят от состояния материала деталей, усилия обкатывания, числа проходов, подачи, диаметра и формы поверхности ролика и т. д. Их можно варьировать в широких пределах, обеспечивая нужный эффект.
Чеканкасущность этого метода состоит в том, что с помощью специального приспособления (механического, пневматического, электромеханического) и инструмента (например, ударника с бойком) наносят удары по упрочняемой поверхности, создавая в поверхностном слое благоприятные остаточные напряжения сжатия. Этим способом можно упрочнять сложные и громоздкие детали, которые нельзя установить на станок или поместить в дробеструйную камеру, обеспечивая повышение усталостной прочности. Особенно эффективна чеканка сварных швов металлоконструкций с применением в качестве инструмента отрезка стального каната. Удары при этом наносят торцами проволок.
Эффективно пластическое деформирование деталей с отверстиями (типа пластин цепей и др.) с целью повышения их несущей способности. Его осуществляют различными методами: раскатыванием (развальцовкой), калиброванием шариком, дорнованием. Раскатываниепроводят роликовыми и шариковыми раскатками, а дорнование— шариками и одно- или многозубыми наборными дорнами. При этих видах обработки возрастает микротвердость поверхности, возникают благоприятные остаточные напряжения сжатия, снижается шероховатость поверхности. Все это обеспечивает повышение предела выносливости до 2 раз.
Термомеханическая обработка(ТМО) — сочетание операций пластического деформирования, нагрева и охлаждения — обеспечивает резкое возрастание характеристик пластичности стали — относительного удлинения и сужения, а также пределов прочности и текучести. Различают высокотемпературную (ВТМО) и низкотемпературную (НТМО) термомеханическую обработку.
Высокотемпературная термомеханическая обработка состоит в горячей обработке давлением (прокатка, волочение, ковка, штамповка, выдавливание) в области температур устойчивости аустенита с последующим охлаждением,
Низкотемпературная термомеханическая обработка — в деформации в области температур неустойчивости аустенита (ниже критических точек превращения). Из такого аустенита при последующей закалке получается мартенсит с особым строением, обеспечивающим очень высокий предел прочности — 3000 МПа и выше.