5.3 Термическая обработка деталей

Термическая обработка металлов и сплавов - один из самых эффектив­ных и распространенных методов улучшения их свойств. В основе процессов термической обработки лежит явление полиморфизма - существования од­ного и того же металла в различных кристаллических формах. Полиморфные превращения происходят, как правило, при нагреве или охлаждении до оп­ределенных температур (так называемых критических точек) и вызывают образование структур с теми или иными свойствами. Изменяя температуру нагрева (или охлаждения), выдержку при этой температуре и скорость по­следующего охлаждения, можно либо приблизиться к равновесному струк­турному состоянию, либо зафиксировать соответствующие метастабильные структуры.

Механические характеристики неупрочненных металлических мате­риалов настолько далеки от требований современного машиностроения, а эффективность упрочнений настолько велика, что все детали, подчиненные критериям прочности и износа, должны упрочняться. Как метод упрочнения наиболее широкое распространение в практике получила закалка в сочета­нии с отпуском для снятия остаточных закалочных напряжений и приведе­ния структуры металла в равновесное состояние. Закалка повышает проч­ность углеродистых сталей в 1,5-2 раза. Существует объемная закалка дета­лей, при которой термической обработке (закалке и отпуску) подвергается весь объем металла детали, и поверхностная закалка, при которой термической обработке подвергаются отдельные элементы (зубья шестерен, шлицы и т.п.) или поверхностные слои (шейки валов, зубьев крупных шестерен и т.п.). Объемной закалке подвергаются некрупные детали, равномерно нагруженные, сравнительно простые по конфигурации. Для уменьшения зака­лочных напряжений в деталях, которые могут привести к появлению закалочных трещин, применяются специальные способы закалки (рис. 5.6): пре­рывистая (кривая 2), ступенчатая (кривая 3), изотермическая (кривая 4), за­калка с подстуживанием (кривая 5).

Рис. 5.6. Варианты охлаждения при закалке стали:

1 - обычная, 2 - прерывистая, 3 - ступенчатая, 4 - изотермическая,

5 - подстуживание, 6 - высокотемпературная обработка, 7 - низкотемпературная термомеханическая обработка

Конечным процессом термической обработки является отпуск. Разли­чают низкий отпуск (150-200°), средний (300-450°) и высокий (500-650°). Низкий отпуск обеспечивает максимальную твердость в поверхностном слое (HRc 59-63) и применяется для деталей, от которых требуется высокая изно­состойкость (подшипники, зубчатые колёса, пальцы, рабочий инструмент и др.). При среднем отпуске достигается твердость НRс 44-54, он применяется для деталей, которые наряду с высокой прочностью и упругостью должны обладать достаточной вязкостью (рессоро-пружинные стали, звездочки и др.) Высокому отпуску подвергают главным образом детали, работающие при знакопеременных нагрузках (валы, шатуны и др.).

Для крупных деталей, когда необходимо закалить отдельные быстроизнашивающиеся или особо нагруженные элементы, при необходимости со­хранить вязкую сердцевину элемента, применяют поверхностную закалку с нагревом поверхности газовым пламенем или токами высокой (или про­мышленной) частоты.

Поверхностной закалке с нагревом газовым пламенем подвергаются детали из средне- и высокоуглеродистых сталей и чугунов (серого, модифицированного, легированного и ковкого, в которых содержание связанного углерода находится в пределах 0,4-0,85 %). Детали нагревают специальными горелками до закалочной температуры на глубину 1-6мм и быстро охлажда­ют. Этот способ закалки наиболее эффективен и целесообразен при местном упрочнении главным образом крупных деталей в индивидуальном и мелко­серийном производстве. К преимуществам этого метода относится простота оборудования и легкость выполнения операции закалки.

Выполнение этой операции может производиться непрерывным или циклическим методом. При циклическом методе можно производить закалку цилиндрических деталей: шеек коленчатых валов, роликов и шестерен небольшого диаметра, шеек крупных валов, зубьев крупных колес с m>24 и плоских деталей больших размеров: листов погрузочных машин и ковшей экскаваторов, направляющих элементов станин горных машин и т.п. Часто такую закалку можно осуществить на месте сборки машины.

При термической обработке деталей с применением нагрева токами высокой и промышленной частоты цикл ее значительно сокращается. Про­цесс приспособлен для автоматизации, управления и контроля параметров, поверхностный закаленный слой получается более твердым, чем при закалке с нагревом в печи или газовыми горелками.

По условиям нагрева различают одновременный метод закалки, когда индуктор охватывает всю нагреваемую поверхность, и непрерывно-последовательную закалку, когда в процессе нагрева деталь и индуктор все время перемещаются относительно друг друга. Одновременный метод применяют, как правило, для закалки мелких деталей и деталей с небольшой поверхностью (звездочек, зубчатых колес небольшого модуля и т.п.), непре­рывно-последовательный - для закалки длинных и тонких деталей (валов, осей, штанг и т.п.) или крупных деталей (для колес с m>6). Применение уп­рочнения трубных буровых штанг с нагревом ТВЧ обоих концов заготовки на специальной полуавтоматической установке обеспечивает высокую про­изводительность (35 штанг в час) и повышает эксплуатационную стойкость штанг в 4-4,5 раза. Закалка с нагревом ТВЧ успешно используется для уп­рочнения внутренних поверхностей отверстий (в т.ч. глубоких отверстий бо­лее 11 мм). Внутренние поверхности цилиндров закаливают в воде отпуска­нием индуктора внутрь с зазором 1мм. При включении индуктора вода ме­жду индуктором и стенкой детали быстро испаряется, а стенка нагревается до температуры закалки. При выключении тока или продвижении индуктора вдоль оси вода заливает и закаливает нагретую поверхность.

На Уралмашзаводе для непрерывно-последовательной закалки валов и валов-шестерен длиной до 6000 мм, при закаливаемой части до 3100 мм, диа­метром до 800 мм, весом до 10 т изготовлен специальный станок, снабжен­ный гидравлическим приводом для движения индуктора со скоростью до 20 мм/сек. Изготовлен также станок для закалки зубчатых колес с модулем 10-500 мм, диаметром 300-5000 мм, весом до 15 т. Разработан и внедрен полу­автомат для поверхностного упрочнения глубинно-насосных штанг, на кото­ром можно упрочнять детали до 8 м и диаметром до 300 мм. Создана уста­новка для последовательной закалки валов и корпусов турбодувов диамет­ром 100-265 мм и длиной до 12 м, шестипозиционный полуавтомат для уп­рочнения деталей замков и приводных концов к бурильным трубам, на кото­ром могут обрабатываться детали диаметром 140-215 мм, длиной до 500 мм при производительности 8-10 деталей в час.

В последние годы появился метод термической обработки (термомеханическое упрочнение), совмещающий преимущества упрочнения пласти­ческой деформацией металла с термическим упрочнением - закалкой. Проч­ность легированных сталей при этом может быть повышена в 5-6 раз. Характерно большое внимание к этому упрочнению в США. При этом может применяться пластическая деформация при высокой температуре - ВТМО¹ - для углеродистых и легированных сталей (см. рис. 5.6, кри­вая 6) и низкотемпературная пластическая деформация с термоупрочнением (см, рис. 5.6, кривая 7). В первом случае трудностью является проведение пластической деформации (на прессе) заготовки, нагретой до высокой тем­пературы. А второй способ применим только для легированных сталей при устойчивом аустените. И тот и другой способы пока применяются для дета­лей простой формы (лента, пластины, трубки и т.п.), но практика показыва­ет, что при этом долговечность детали повышается в 2,5-3 раза по сравне­нию с закалкой ТВЧ.

К термическому упрочнению деталей относится и химико-термическая обработка, которая в результате совместного действия температуры и актив­ ной внешней среды позволяет изменять химический состав поверхностных слоев металла с целью повышения служебных свойств деталей машин. В основе химико-термической обработки поверхностей деталей лежит способ­ность поверхностного слоя изменять свойства при насыщении углеродом, азотом, бором, кремнием, хромом и другими элементами. Азотирование (на­сыщение азотом) обеспечивает особо высокую поверхностную твердость, износостойкость и сопротивление заеданиям, а также значительное повыше­ние прочности (особенно при больших общих циклах нагружений), но чув­ствительна к ударным нагрузкам. Зубья шестерен после азотирования в свя­зи с минимальным короблением после этой обработки можно не шлифовать, что способствует применению азотирования для колес с внутренними зубьями и других, для которых шлифование трудно осуществимо. Наибольшее применение этот метод получил для упрочнения поверхностей деталей ма­шин, работающих в условиях трения и знакопеременных нагрузок изгиба (шейки валов, седла клапанов, толкатели двигателей внутреннего сгорания, шестерни, гильзы цилиндров, трущиеся пазы насосов и компрессоров). Так, азотирование рабочих поверхностей втулок грязевых насосов в 4 раза повы­шает их стойкость.

Существуют и другие методы химико-термической обработки деталей: борирование - создающее тонкий слой высокой твердости, цианирование и нитроцементация - насыщение углеродом и азотом, силицирование - насы­щение кремнием для повышения коррозионной стойкости, сульфидирование - насыщение серой для предотвращения задиров и как способ ускорения приработки, сульфоцианирование - для деталей, у которых затруднена смаз­ка. Все эти методы предназначены для повышения срока службы деталей, что замедляет старение машин.

5.4. УПРОЧНЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ НАКЛЕПОМ

Значительный эффект снижение интенсивности старения деталей, работающих в условиях циклических нагрузок и имеющих концентраторы напряжений, места прессовых посадок, а также работающих в коррозионных средах, дос­тигается за счет поверхностного наклепа, получающегося в результате пла­стической деформации поверхностных слоев деталей. Пластическая дефор­мация металла повышает прочность и твердость поверхностного слоя (наклеп) и, кроме этого, создает в наружных слоях весьма благоприятные для циклических нагрузок остаточные напряжения сжатия (см. рис. 4.6).

Существует много различных видов поверхностного упрочнения (рис. 5.7). Один из самых распространенных видов - дробеструйная обработка - пластическое деформирование поверхностного слоя под действием кинети­ческой энергии потока дроби, создаваемой или воздушной струей (см. рис. 5.7, а), или центробежной силой (см. рис. 5.7, б). Этот метод широко приме­няется для пружин, рессор, зубчатых колес, шатунов, штанг, буровых шаро­шек и др. деталей. Он повышает ресурс пружин и рессор почти в 10 раз, а зубчатых колес - в 5-14 раз.

Ротационно-ударный наклеп шариками (см. рис. 5.7, в) осуществляют с помощью вращающихся оправок-упрочнителей, в профильных канавках которых помещаются шарики, которые имеют возможность после удара об упрочняемую поверхность утапливаться в пределах радиального натяга. Этот вид упрочнения дает очень чистую поверхность и применим для уп­рочнения тонкостенных деталей. Испытания направляющих втулок пневмо-молотков, обработанных центробежно-шариковым методом, показывают, что их износ в 2 раза меньше по сравнению с обработкой развертыванием.

Рис. 5.7. Виды поверхностного упрочнения

Одним из самых простых методов упрочнения наклепом является обкатывание упрочняемой поверхности роликами и шариками (см. рис. 5.7, г, д), при котором не требуется специального оборудования, а эффект от уп­рочнения весьма значителен. Этот метод широко применяется на многих за­водах. В табл. 5.2 представлены различные схемы упрочнения деталей гор­ных машин, осуществляемые на Уралмаше. Долговечность таких деталей увеличивается в 2-4 раза. Обкатывание роликом поверхностей труб разве­дочного бурения приводит к повышению их стойкости в эксплуатационных условиях в 3 раза по сравнению с трубами, обработанными шлифованием. Разработаны приспособления и режимы упрочнения обкаткой крупных зубь­ев шестерен: так, бортовые шестерни экскаватора ЭКГ-4,6 (m=26 мм) при этом увеличивают долговечность в 3-4 раза, конические шестерни привода конусных дробилок (m=30 мм) - до 10 раз. Горные машины, работающие в тяжелых эксплуатационных условиях под воздействием абразивных сред, требуют иногда глубокого слоя упрочнения, который не может быть получен при рассмотренных выше методах. В этом случае может применяться чеканка обработанной поверхности (см. рис. 5.7, е, ж), при которой глубина упрочнения может достигать 35 мм. Наклеп при этом получается с помощью пневматических молотков или специальных приспособлений, установленных на обычные универсальные станки (токарные, строгальные, фрезерные). Применение чеканки для упрочнения ступенчатых валов обеспечивает равнопрочность их элементов и в 1,5-2 раза повышает несущую способность валов. Таким методом могут упрочняться зубчатые колеса, шлицевые соеди­нения, сварные швы, крупные резьбы. Так, упрочнение резьбы валов конус­ных дробилок позволяет увеличить предел выносливости на 50%, упрочнение корня шпицев полуосей экскаваторов ЭКГ-5 увеличивает долговечность этих деталей в 2 раза.

Таблица 5.2