Передмова

Конструктивна міцність виробів досягається правильним підбором матеріалу з необхідними властивостями, відповідною обробкою.

Надійна експлуатація деталей машин та інструменту безпосередньо пов’язана з якістю поверхневого шару, котра характеризується геометричними та фізико-механічними параметрами. При експлуатації вироби контактують один з одним або з оточуючим середовищем. Від якості поверхневого шару залежать експлуатаційні властивості – зносостійкість, опір втомі, жаростійкість, корозійна стійкість, ерозійна стійкість, кавітаційна стійкість, опір контактній втомі та інше. Застосування методів локальної поверхневої обробки в певних випадках дозволяє заощаджувати на матеріалі та ресурсах.

В посібнику викладені основні методи поверхневої локальної обробки для забезпечення необхідних експлуатаційних властивостей. При виборі методу необхідно враховувати конструкторсько-технологічні, експлуатаційні, виробничі, матеріалознавчі, техніко-економічні аспекти.

Знання, одержані під час вивчення дисципліни та виконання лабораторних робіт, допоможуть вибрати найбільш надійний і економічний метод поверхневої локальної обробки та відновлення деталей та інструментів. Також наведена інформація може бути використана студентам при виконанні курсових та дипломних проектів.

Лабораторна робота № 1 поверхневі пластична деформація та гартування виробів

Мета роботи – ознайомитись із сутністю, методами, технологію та призначенням поверхневої пластичної деформації і поверхневого гартування.

1.1 Загальні відомості

Руйнування деталей у процесі експлуатації, як правило, починається на поверхні. Поверхневі шари мають різні концентратори напружень, на них діють максимальні напруження від зовнішніх навантажень при таких видах напруженого стану як згин, крутіння, а також несприятливий вплив навколишнього середовища. Зміцнення поверхневих шарів матеріалу деталей є ефективним заходом підвищення опору втомі.

Залишкові напруження стиску, що діють у поверхневих шарах, істотно підвищують опір втомі деталей машин, зменшують їх чутливість до концентраторів напружень і збільшують контактну міцність. Тому для зміцнення деталей машин, що навантажуються в процесі експлуатації на згин і крутіння, а також які працюють при високих контактних напруженнях і на знос, найбільш доцільним є використання не наскрізного зміцнення, а поверхневого.

1.1.1 Поверхнева пластична деформація (ППД). Значний ефект підвищення довговічності деталей, що працюють в умовах циклічних навантажень і які мають концентратори напружень, місця тугих посадок, досягається в результаті поверхневого наклепу.

При пластичній деформації поверхневі шари металу збільшуються в об’ємі, однак цьому перешкоджають недеформовані шари, які лежать глибше. В результаті взаємодії сил, що діють у поверхневих шарах і в серцевині деталі, поверхневі шари знаходяться під дією залишкових напружень стискування, нижні шари – під дією залишкових напружень розтягування.

Схема зміни напруженого стану по перерізу гладких валів після наклепу наведена на рис. 1.1. Для вала, не зміцненого наклепом, епюра граничних напружень нанесена у вигляді прямої лінії. Максимальні напруження будуть діяти на поверхні деталі. Після наклепу поверхневі шари мають підвищену міцність, що відображається зсувом кривої граничних напружень. Максимум напружень у цьому випадку переміститься з поверхні в глиб тіла деталі на товщину зміцненого шару і буде визначатися точкою торкання епюри напружень від зовнішніх навантажень і епюри граничних напружень. У цій точці можлива поява тріщини від втоми. Підвищення границі витривалості за інших рівних умов буде збільшуватися зі зменшенням розміру деталі. Зі збільшенням товщини наклепаного шару чи при постійному відношенні товщини зміцненого шару до радіуса деталі підвищення границі витривалості сталей різних марок відбувається однаково.

1 – епюра напружень від зовнішнього навантаження;

2 – епюра граничних напружень

Рисунок 1.1 – Схема розподілу напружень в гладких валах

до зміцнення поверхні (а) і після зміцнення (б) [2]

Після наклепу деталі з різних матеріалів при тих самих режимах обробки отримують різну глибину наклепаного шару чи різні величини залишкових напружень. Загартовані середньовуглецеві і леговані сталі мають меншу глибину наклепаного шару в порівнянні з маловуглецевими, однак величина залишкових напружень у них значно вище.

Залишкові напруження стиснення не впливають на величину ударної в’язкості сталі. Втрата пластичності поверхневого шару після наклепу знижує ударну в’язкість деталі в цілому, тому поверхневе зміцнення дрібних деталей, що працюють при ударних навантаженнях, не доцільно [2].

Пластичне деформування поверхневих шарів здійснюється за допомогою різних способів, що умовно поділяються на дві групи: 1) створення деформаційного зусилля шляхом безупинного контакту з деталлю (статичні); 2) ударна дія на деталь робочих тіл чи інструмента (динамічні) [1].

Найбільше застосування в різних галузях промисловості знайшли наступні способи ППД: обкочування роликами, дробострумінна і гідродробострумінна обробка, динамічне зміцнення чеканкою, електромеханічне зміцнення, зміцнення тертям, вибухом і т.ін. Крім того, у ряді випадків застосовують такі види ППД, як алмазне вигладжування, дорнування, розкочування отворів роликами і інші [1].

Існуючі методи зміцнення ППД відрізняються кінематичними схемами, видами деформуючих елементів і характером їх контакту з поверхнею, що обробляється. Вибір оптимального способу обробки і раціональної конструкції інструмента залежать від наступних факторів: розмірів і форми деталей, що обробляються; міцності і твердості матеріалу виробів; вимог до точності і якості поверхні; характеру виробництва. На рис. 1.2 наведено основні види поверхневого зміцнення.

1.1.1.1 Обкочування роликами. Обкочування роликами – найбільш простий і розповсюджений метод ППД, особливо для тіл обертання [1].

Процес обкочування здійснюється переміщенням по поверхні, що обробляється, ролика чи кульки під тиском (рис. 1.2, г, д). Обкочування застосовується тоді, коли необхідно значно підвищити опір втомі деталей зі збереженням чи зниженням шорсткості поверхні, що обробляється. Існують зміцнювальні і зміцнювально-згладжувальні режими. Зміцнення здійснюється при високих тисках, цим досягається висока інтенсивність і глибина наклепу з великими залишковими напруженнями стиснення в зміцненому шарі. Шорсткість поверхні при цьому зростає. Режим зміцнення-згладжування поряд з підвищенням опору втомі забезпечує зниження вихідної шорсткості поверхні у декілька разів.

Пристосування для обкочування встановлюються на металорізальних верстатах, вони можуть бути однороликовими (однокульковими), дво-, три- і багатороликовими (багатокульковими).

а – пневматичний наклеп дробом; б – механічний наклеп дробом;

в – відцентрово-кульковий наклеп; г – обкочування роликом;

д – обкочування кулькою; є – обкочування роликом, що вібрує;

ж – наклеп механічною чеканкою; з – розкочування отвору роликами;

і – дорнування

Рисунок 1.2 – Основні види поверхневого зміцнення [1]

На глибину наклепу впливає діаметр ролика D_р і радіус його робочого профілю r: зі зменшенням діаметра ролика і радіуса його робочого профілю збільшується глибина наклепу і підвищується шорсткість поверхні, тому радіус профілю r = (0,5...0,75)D_р і повинен бути в межах від 4 до 50 мм. Ролики виготовляють з вуглецевих чи легованих інструментальних сталей, твердість не нижче HRC 60. Шорсткість поверхні роликів повинна бути менше шорсткості деталі.

Від правильного вибору режимів обкочування (тиску, подачі, швидкості, числа проходів) і геометрії ролика залежать остаточні результати зміцнення. В той же час режими обробки встановлюються в залежності від властивостей матеріалів, що обробляються, і призначення обкочування.

Обкочування застосовується, наприклад, для попередження появи тріщин від втоми у шийках вісей залізничного транспорту. Дозволяє у 15...20 разів збільшити довговічність вторинних валів коробки зміни передач автомобіля ЗИЛ; у 3...4 рази підвищити термін служби штоків штампувальних молотів; на 40...50 % підвищити границю витривалості зубів зубчастих колес тепловоза; на 50...100 % підвищити опір втомі колінчастих валів із сталі і високоміцного чавуну.

Зміцнення роликом, що вібрує. Пристрій уявляє собою поєднання однороликового накатного пристосування і чеканочного пристрою (рис. 1.2, є). Ролик постійно притиснутий пружиною до поверхні деталі, що обробляється. По ньому з заданою частотою наносяться удари за допомогою пневматичного чи механічного пристрою. Переваги таких пристосувань: простота конструкції, малі габарити і велика глибина наклепаного шару (до 20 мм). Швидкість обертання деталі і величина поздовжньої подачі встановлюється з умови одержання суцільних канавок з найменшим їх перекриттям.

1.1.1.2 Зміцнення наклепом. Дробострумінне зміцнення (ДЗ) – один з основних способів ППД. В основі процесу дробострумінного наклепу лежить пластичне деформування поверхневого шару під дією кінетичної енергії потоку дробу. Деталь, що пройшла термічну і механічну обробку, піддається обробці ударами металевого дробу, що рухається з високою швидкістю (до 90 м/с) [1].

Дробострумінний наклеп підвищує твердість поверхневих шарів деталей. Максимальну твердість мають поверхневі шари, товщина яких в залежності від режиму обробки може досягати 0,5 мм. З ростом кінетичної енергії удару дробу і тривалості обробки твердість металу збільшується. Крім того, на підвищення твердості істотно впливає кут падіння дробу. Найкращі результати досягаються при куті падіння дробу 70° [1].

Границя витривалості в результаті дробострумінної обробки підвищується зі збільшенням твердості сталі і практично не залежить від стану поверхні до наклепу.

Застосування дробострумінного наклепу дозволяє в окремих випадках підвищити границю витривалості зварних з’єднань.

Зміцнення дробом дозволяє наблизити корозійну стійкість, опір втомі сталі у воді до її опору втомі на повітрі, а також підвищити границю витривалості деталей, що працюють в умовах атмосферної корозії, розчинах деяких солей, кислот, лугів.

З факторів, що визначають ефективність дробострумінного зміцнення, найбільш важливими є залежності між параметрами обробки, глибиною наклепаного шару і залишковими напруженнями. Глибина наклепаного шару знаходиться в прямій залежності від діаметра і швидкості дробу і в зворотній залежності від динамічної твердості матеріалу. При постійному режимі дробострумінної обробки величина залишкових напружень визначається динамічною твердістю матеріалу (величиною питомої роботи кульки при вдавлюванні).

Інтенсивність зміцнення досягає максимального значення в початковий період обробки і надалі знижується внаслідок влучення дробинок на раніше оброблені ділянки. За способом надання кінетичної енергії дробу існують різні види дробострумінного зміцнення. У промисловості дробострумінна обробка виконується на спеціальних механічних чи пневматичних установках. В пневматичних дробострумінних установках необхідна швидкість дробу створюється струменем стисненого повітря, у механічних дробометах – лопатками ротора, який швидко обертається.

Відцентровий наклеп. Відцентрове (ротаційне) зміцнення засновано на використанні кінетичної енергії сталевих кульок чи роликів, розташованих на периферії обертового диска. Схема відцентрово-кулькового наклепу наведена на рис. 1.2, в. Кульки можуть вільно переміщуватись в гніздах пристосування. При обертанні диска кульки відкидаються відцентровою силою в крайнє положення, при зустрічі із поверхнею, що обробляється, наносять по ній удар і відштовхуються в глиб гнізда. Сталість швидкості обертання і поздовжньої подачі забезпечує рівномірний наклеп.

Глибина наклепаного шару сплавів невисокої твердості досягає 1,5 мм і зменшується зі збільшенням вихідної твердості матеріалу. Величина залишкових напружень у поверхневих шарах після відцентрового зміцнення може досягати 800 МПа [1]. Глибина і ступінь наклепу, а також величина залишкових напружень зростають із збільшенням швидкості взаємного переміщення кульки і заготовки, вихідної шорсткості поверхні, діаметра кульки і величини її виходу із сепаратора. Відцентрово-кульковий наклеп застосовується для обробки зовнішніх поверхонь лонжеронів лопастей вертольотів, кілець, валів, внутрішніх поверхонь гільз, втулок і ін. деталей.

Гідродробострумінне зміцнення (ГДЗ) – зміцнення дробом із застосуванням змащувально-охолоджувальних рідин. ГДЗ здійснюється на спеціальних гідродробострумінних ежекторних установках (ГДЕУ). Переваги ГДЗ перед ДЗ: залишкові напруження в поверхневому шарі деталі тільки стискування і, як правило, не мають поділеного максимуму; порівняно низька шорсткість (Rа = 1,25...0,16 мкм) поверхні виробів зберігається; мікрогеометрія поліпшується, тому що радіуси закруглення западин (ямок від кульок) і виступів, що визначають опорну поверхню, збільшуються; виключений процес газонасичення у зв’язку із зниженням температури в зоні контакту і наявністю ізоляції поверхневого шару деталі від атмосфери плівкою рідини.

Як робочі рідини при ГДЗ застосовують, в більшості випадків, трансформаторне масло, а також мінеральні мастила ТК, И5А [1].

Якість поверхневого шару деталей, що пройшли ГДЗ вище, ніж після ДЗ. Якість деталей після ГДЗ в порівнянні з якістю деталей після ДЗ більш стабільна; розміри і мікрогеометрія точних інструментів практично не змінюються, що забезпечується відсутністю сухого тертя, посиленого злущення і інших причин можливого відшарування металу з поверхні деталі, що має місце при ДЗ.

ГДЗ піддають лопатки компресорів з титанових і алюмінійових сплавів, стальні шестерні, трубопроводи, пружини, довгомірні деталі, а також різальний інструмент із швидкорізальних сталей.

1.1.1.3 Зміцнення деталей з отворами. Методи зміцнення отворів: розкочування – котіння інструмента по поверхні, що обробляється; дорнування – ковзання інструмента під великим тиском. Глибина і ступінь наклепу, величина залишкових напружень і шорсткість поверхні залежать від тих же технологічних факторів, що і при обкочуванні роликами.

Розкочування роликами і кулями (рис. 1.2, з). Розкочуванням обробляються отвори деталей із сталей, чавуну і кольорових металів діаметром понад 50 мм. В результаті розкочування зміцнюється поверхневий шар металу, зменшується шорсткість поверхні і при використанні твердих розкатників досягається калібрування отворів. В залежності від призначення і вимог до точності обробки застосовують тверді (регульовані і нерегульовані) і пружні розкатники. Як інструмент використовують циліндричні і конічні ролики і кульки. Розкатники можуть бути однороликовими і багатороликовими, однорядними і багаторядними.

Ролики виготовляють зі швидкорізальної сталі чи сталі ШХ15 і вони повинні мати твердість HRC 60...63 [1].

Розкочування кульками і роликами застосовується для обробки корпусів гідро- і пневмоциліндрів, циліндрів двигунів, труб і інших деталей.

Дорнування (рис.1.2, і). Сутність процесу – протягування кульки чи дорна через отвір, діаметр якого трохи менше діаметра інструмента. При протягуванні відбувається пластичне деформування стінок отвору, в результаті чого змінюються форма і розміри отвору, відбувається зміцнення поверхневого шару і зменшується шорсткість

Основним параметром, що визначає результати обробки отворів, є натяг. Його величина дорівнює різниці діаметрів дорна і отвору до прошивання. З ростом натягу зростають твердість наклепаного шару, клас чистоти і діаметр отвору.

В процесі роботи кульки і дорни трохи деформуються. Для компенсації пружної деформації діаметр кульки чи циліндричного дорна вибирається трохи більше заданого діаметра отвору. Величини перевищення залежать від матеріалу, товщини стінок і розміру деталі, що обробляється.

До цього методу висуваються високі вимоги до рівномірності механічних властивостей по довжині отвору, що обробляється. Недотримання цієї вимоги погіршує точність обробки і може призвести до порушення геометричної форми отвору.

При обробці отворів рекомендується застосовувати різні змащення: для деталей з високоміцних сталей – рослинні олії; для деталей з вуглецевих сталей – індустріальні мастила, для деталей з чавуну – очищений гліцерин. Швидкість дорнування не впливає на точність і шорсткість поверхні, що обробляється. Дорнування забезпечує високу якість поверхонь, що обробляються, і підвищує в 2 рази довговічність деталей, що працюють при циклічному навантаженні.

1.1.1.4 Зміцнення чеканкою. Зміцнення чеканкою здійснюється ударним впливом на поверхню, що обробляється, спеціальних бойків (рис. 1.2, ж). Наклеп пневматичними молотками застосовують для чеканки великогабаритних конструкцій і у важкодоступних місцях. Такий наклеп важко контролюється через неупорядковане нанесення ударів. Більш довершеною є чеканка на верстатах. Чеканочне пристосування закріплюють у супорті токарного верстата і наносять упорядковані удари по деталі, яка переміщується з постійною швидкістю. В результаті ударного впливу відбувається наклеп: до 30 % зростає твердість обробленої поверхні, глибина наклепу може досягати 35 мм [1].

Чеканкою зміцнюються великі деталі типу колінчастих валів, штоків направляючих колон для термопрес-автоматів і т.ін. За допомогою цього методу також зміцнюються профільні поверхні (різьби, шліци, зуби зубчастих колес і ін.), а також складні поверхні. Рифлення поверхонь чеканкою використовується також для підвищення опору втомі, опору відносному переміщенню і контактній корозії поверхонь.

Зміцнення чеканкою рекомендується для деталей з високою твердістю зовнішньої поверхні (НВ 480), тому що внутрішні залишкові напруження, що виникають внаслідок ППД, для твердої сталі більші, ніж для м’якої.

1.1.1.5 Електромеханічна обробка (ЕМО). Сутність методу – при контакті інструмента з виробом через них проходить струм великої сили і низької напруги, внаслідок чого виступаючі гребінці поверхні деталі нагріваються до високої температури, під тиском інструмента деформуються і згладжуються. Цей спосіб об’єднав пластичне деформування обкаткою роликом і тепловий вплив електричного струму на поверхню, що зміцнюється. Контакт під невеликим тиском двох електродів (інструмента і деталі, що зміцнюється) призводить до утворення в місці контакту підвищеного опору електроструму, що проходить через місце контакту, це викликає розігрів, розм’якшення і плавлення металу на поверхні деталі. Об’єм ділянок, нагрітих до високої температури, на поверхні деталі дуже малий у порівнянні з масою деталі. Це призводить до високої швидкості охолодження деталі і, отже, до загартовування поверхні на високу твердість. Особливості процесу: тепловий і силовий вплив на поверхневий шар здійснюється одночасно, а не послідовно. Нагрівання при цьому супроводжується дією значних тисків; поверхневий шар нагрівається від дії двох джерел тепла: зовнішнього (теплота тертя) і внутрішнього (теплота, яка виділяється при проходженні струму). Особливість другого джерела – теплота створюється одночасно і миттєво у всьому поверхневому шарі, короткочасна тривалість нагрівання і витримка (соті і тисячні частки секунди); висока швидкість охолодження – інтенсивний відвід теплоти від тонкого поверхневого шару всередину холодної деталі [1].

ЕМО може застосовуватися для обробки різних матеріалів (сталь, чавун, бронза, латунь, алюміній і ін.), які знаходяться у загартованому чи незагартованому стані. ЕМО може здійснюватись на усіх видах токарних, карусельних і інших верстатах.

Цей метод широко застосовується для зміцнення посадкових місць валів, осей і інших деталей циліндричної форми, для остаточної обробки шийок валків прокатних станів.

1.1.1.6 Зміцнення енергією вибуху. Зміцнення деталей без помітної зміни їх розмірів може бути здійснено шляхом детонації заряду вибухової речовини в контакті з металом. Основна перевага вибухового методу – поверхневе зміцнення деталей складної форми здійснюється без застосування спеціального устаткування. Таке зміцнення супроводжується поширенням через тверде тіло імпульсу стиснення з дуже різним фронтом і амплітудою, у 10…500 раз більшим статичної границі плинності. Тривалість обробки приблизно складає 10^-9 с [1]. За допомогою даного методу можна значно підвищити міцність, поверхневу твердість, зносостійкість і довговічність деталей зі сталі, алюмінію, титану та інших металів і сплавів.

Технологічні параметри зміцнення: вид вибухової речовини, маса заряду, дистанція між виробом і зарядом, робоче середовище та його густина. Основні джерела енергії при зміцненні: гексоген та тротил.

Форма заряду – один із найважливіших факторів. Він визначає форму ударної хвилі і тривалість впливу тиску на деталь. Для зміцнення вибухом використовуються заряди сферичної, циліндричної та плоскої форми.

Вибуховий метод зміцнення доцільно застосовувати при обробці великих деталей з аустенітної сталі, які в процесі експлуатації піддаються впливу повторних ударних навантажень і інтенсивному зносу (хрестовини залізничних рейок, захвати каменедробилок, ковші екскаваторів, траки тракторів і ін.). Також дуже ефективно використання цього методу для зміцнення зварних з’єднань.

1.1.1.7 Зміцнення тертям, алмазне вигладжування, ультразвукове деформаційне зміцнення. При зміцненні тертям деталь, закріплену в верстаті, обробляють диском, який швидко обертається. Диск виготовляється із загартованої і низьковідпущеної сталі. Колова швидкість диска вибирається в межах 40...80 м/с. В процесі зміцнення відбувається імпульсне нагрівання поверхневих шарів металу вище температури фазових перетворень з одночасною пластичною деформацією і швидким охолодженням, завдяки відведенню теплоти від нагрітих поверхневих шарів у глибину деталі, а також подачі різноманітних речовин.

Алмазне вигладжування полягає в обробці попередньо шліфованої і полірованої поверхні алмазним інструментом без зняття стружки. Процес застосовується як для пластичних матеріалів, так і для термічнооброблених до високої твердості (гартування, після нагрівання СВЧ, азотування) майже всіх марок конструкційних, високоміцних і нержавіючих сталей, за винятком титанових сплавів. При вигладжуванні поверхневий шар ущільнюється на глибину 0,3...0,5 мм із збільшенням мікротвердості на 15...65 %, у ньому виникають високі (до 1...2,5 ГПа) залишкові напруження стиснення, це забезпечує значне підвищення опору втомі.

Ультразвукове деформаційне зміцнення (УЗДЗ) здійснюється за допомогою сталевих кульок. Кульки приводяться в рух стінками робочої камери спеціального ультразвукового пристрою, які коливаються з ультразвуковою частотою. Відмінною рисою цього методу від інших способів зміцнення є “м’якість” обробки через відносно малу енергію удару кульки при багаторазовому його повторенні, це дозволяє обробляти тонкостінні деталі з мінімальною зміною геометрії після зміцнення. При УЗДЗ можливе як місцеве, так і загальне поверхневе зміцнення. В останньому випадку деталь обробляють з усіх боків одночасно, що знижує імовірність короблення [1].

1.1.2 Поверхневе гартування. Поверхневе гартування – спосіб місцевого гартування, коли поверхневі шари загартовуються на деяку глибину, а в серцевині зберігається вихідна структура.

Основне призначення поверхневого гартування – підвищення твердості, зносостійкості поверхні, границі витривалості деталі, яка обробляється. Серцевина залишається в’язкою і сприймає ударні навантаження.

Поверхневе гартування створює в поверхневому шарі високі залишкові напруження стиснення, які підвищують опір втомі та знижують чутливість до поверхневих концентраторів напруження.

Використання поверхневого гартування доцільно для деталей, які працюють на згин, крутіння, при контактних навантаженнях, тобто коли робочі напруження максимальні на поверхні і дорівнюють нулю у центрі.

Способи поверхневого гартування можуть бути поділені на два види, що розрізняються умовами виникнення теплоти в деталях: а) нагрівання зовнішнім джерелом тепла; б) нагрівання внутрішнім джерелом тепла. Практично поверхневе нагрівання зовнішніми джерелами тепла здійснюється наступними способами: у рідких перегрітих свинцевих ваннах; в електроліті; газовим полум’яним пальником; висококонцентрованими джерелами енергії (променем лазера, електронним променем, плазмою і ін.). Перші два способи через малу технологічність і шкідливі умови експлуатації широкого застосування не мають. У випадку використання внутрішнього джерела тепла нагрівання відбувається завдяки опору металу проходженню електричного струму. Нагрівання може здійснюватися двома способами: контактним і індукційним. В першому випадку нагрівання відбувається за рахунок того, що в місці контакту електрода і деталі виникає ущільнення струму і метал у цьому місці нагрівається. В другому випадку деталь нагрівається за рахунок індукційних вихрових струмів [1].

1.1.2.1 Поверхневе газополуменеве гартування (ПГПГ). В умовах одиничного і дрібносерійного виробництва, при ремонті газополуменеве гартування є одним з найбільш доцільних способів поверхневої термічної обробки. Застосовується при обробці сталевих і чавунних виробів. Наприклад, для великогабаритних деталей полуменеве поверхневе гартування є майже єдиним методом гартування.

При ПГПГ усю поверхню виробу чи його ділянку нагрівають полум’ям пального газу в суміші з киснем до температури гартування, а потім швидко охолоджують. Як пальні гази найбільше застосування мають ацетилен, пропан, природний газ (метан) і суміші природнього газу з нафтовим і коксовим газами. Обробці піддаються, головним чином, вуглецеві сталі з вмістом вуглецю в межах 0,35...0,70 %.

Для охолодження використовується вода з температурою 15...20 °С, підігріта вода і стиснене повітря. Інколи проводиться самовідпуск.

ПГПГ відрізняється простотою устаткування і апаратури. У більшості випадків для гартування можуть бути використані верстати для механічної обробки, а для подачі газу – серійна газозварювальна апаратура.

Оскільки нагрівання потужним полум’ям (ацетилено-кисневим, пропано-кисневим) відбувається з великою швидкістю, то до моменту закінчення нагрівання температура в поперечному перерізі нагрітого шару поступово знижується від поверхні до серцевини. При правильному режимі нагрівання температура поверхні може на 100...150 °С перевищувати температуру верхньої критичної точки без помітного росту зерен аустеніту. В результаті охолодження в поверхневому шарі виробу, де досягалася критична швидкість, утвориться мартенсит, а глибше розташується зона неповного гартування з ділянками фериту, що поступово переходить у зону з вихідною ферито-перлитною структурою.

Оскільки при ПГПГ умови нагрівання і охолодження можна змінювати в дуже широких межах, то можна одержати загартований шар із заданою глибиною і твердістю. Наявність перехідної зони підвищує працездатність деталей, особливо в умовах знакозмінного навантаження.

Способи ПГПГ [3]. Поділяють на циклічні і безупинні. При циклічних способах гартування вся поверхня виробу нагрівається одночасно у всіх точках до температури гартування, а потім одночасно у всіх точках охолоджується. Цей спосіб гартування здійснюється нагріванням полум’ям рухомого чи нерухомого пальника. Для охолодження найчастіше використовується вода, що подається через розбризкувач (рис. 1.3, а).

Циклічний спосіб гартування виробів призматичної форми проводиться багатофакельним пальником, сопла якого рівномірно розташовуються над поверхнею виробу. Розбризкувач повинен мати кілька рядів сопел для подачі води. Рівномірна подача води забезпечує отримання загартованого шару з однаковою твердістю і глибиною на всіх ділянках поверхні (гартування кінців рейок, штовхачів, пуансонів і ін.).

Циклічний спосіб гартування циліндричних виробів полягає в нагріванні деталі, що обертається, полум’ям нерухомого пальника з наступним охолодженням напівкільцевим розбризкувачем (рис. 1.3, б). Такий спосіб називається також гартуванням «швидким обертанням» (гартування шийок колінчастих валів і дрібних шестерень).

При безупинному способі гартування пальник і виріб переміщуються відносно один одного, а прикріплений до пальника розбризкувач безупинно охолоджує ділянки, нагріті полум’ям пальника. До безупинних способів відносяться: безперервно-послідовний (рис. 1.3, в), комбінований кільцевий (рис. 1.3, г) і комбінований спіральний (рис. 1.3, д). Безперервно-послідовний спосіб для призматичних виробів здійснюється переміщенням пальника при нерухомому виробі чи переміщенням виробу відносно пальника (направляючі верстатів, зуби крупномодульних шестерень).

Безперервно-послідовне гартування циліндричних виробів проводиться при повільному обертанні виробу перед нерухомим пальником (опорні котки і ролики, обойми підшипників, кулачки). В обох випадках швидкість переміщення пальника чи виробу знаходиться в межах 50...250 мм/хв.

Комбінований спосіб здійснюють при швидкому обертанні деталі в центрах гартівного (токарного) верстата з одночасним переміщенням кільцевого пальника і розбризкувача вздовж осі деталі. Спосіб забезпечує одержання однакової твердості на всій поверхні деталі (гартуються цапфи валів, плунжери, пальці, штоки компресорів і ін.).

а – стаціонарний; б – швидкого обертання; в – безперервно-послідовний;

г – комбінований кільцевий; д – комбінований спіральний

Рисунок 1.3 – Схеми способів полум’яного поверхневого гартування

(1 – виріб; 2 – пальник, 3 – розбризкувач) [3]

Спіральний спосіб заснований на переміщенні лінійного пальника вздовж осі виробу, який повільно обертається (50...250 мм/хв). Швидкість переміщення пальника підбирається таким, чином щоб загартований шар перекривав сусідній на 5...10 мм. Спосіб застосовується для гартування великогабаритних валків.

Для одержання якісного загартованого шару вироби, призначені для газополуменевого гартування, піддають попередній термічній обробці – нормалізації чи термічному поліпшенню – з метою одержання дрібнодисперсної ферито-цементитної суміші.

Глибина загартованого шару при ПГПГ може бути в межах 1...10 мм (частіше 2...6 мм). Твердість загартованого шару така ж, як при об’ємному гартуванні.

Практично процес газополуменевого гартування продовжується впродовж декількох секунд (10...15 с). За цей час температура поверхні досягає 1000...l300 °C, тобто мінімальна швидкість нагрівання приблизно складає 100 °С/с.

Час нагрівання залежить від температури. Чим вище температура, тим менше повинен бути час нагрівання. Якість загартованого шару залежить від наступних основних факторів: температури полум’я; швидкості переміщення пальника відносно поверхні, що нагрівається; відстані між наконечником пальника і поверхнею, що нагрівається; відстані між середньою зоною полум’я і струменем води.

1.1.2.2 Електроконтактний нагрів. Нагрівання виробів і заготовок здійснюється безпосереднім пропусканням електричного струму, який підводиться до виробу за допомогою контактів [4].

На рис. 1.4 наведено принципові електричні схеми пристроїв електроконтактного нагрівання. Заготовка 2, що нагрівається, затискається контактами 1, що живляться від джерела струму — силового трансформатора через шини 3. Контакти з’єднані між собою перемичкою 4. Форма контактів визначається конфігурацією заготовок, що нагріваються; найбільш поширені плоскі, призматичні і циліндричні контакти. Контакти виготовляються з міді і мідних сплавів.

1 –контакт; 2 – виріб; 3 – трансформатор; 4 – силові кабелі

Рисунок 1.4 – Принципові електричні схеми однопозиційного пристрою (а)

і багатопозиційних пристроїв електроконтактного нагрівання з послідовним (б)

і паралельним (в) включенням виробів [4]

Технічно і економічно більш раціонально в порівнянні з однопозиційними пристроями (рис. 1.4, а) застосування багатопозиційних пристроїв (рис. 1.4, б, в) із схемою послідовного включення нагрівальних позицій. У кожній позиції може здійснюватися остаточне нагрівання до заданої температури або поступове нагрівання з переміщенням виробів з позиції на позицію. Виріб може нагріватись як змінним, так і постійним струмом.

Особливістю електроконтактного нагрівання є розходження температури в зоні контакту і у міжконтактній зоні. Температура і рівномірність нагрівання по довжині виробу залежать від сили струму, зусилля на контакти, типу і матеріалу контактів, інтенсивності їхнього охолодження і стану контактних поверхонь як контактів, так і виробів, що нагріваються. Електроконтактне нагрівання ефективне для довгих заготовок постійного перетину, перспективно його застосування при поєднанні операцій гарячої обробки тиском і термічної обробки (наприклад, гаряче навивання пружин з одночасним гартуванням).

1.1.2.3 Поверхневе гартування після нагрівання СВЧ. Індукційне нагрівання застосовується як для поверхневої, так і для об’ємної термічної обробки окремих ділянок великих деталей (місцева термічна обробка). Гартування з нагріванням СВЧ застосовується як для сталевих, так і чавунних деталей.

Для гартування після індукційного нагрівання використовуються вуглецеві і низьколеговані середньовуглецеві сталі (вміст вуглецю 0,3...0,7 %) конструкційні сталі.

Сутність індукційного нагрівання – деталь розміщується в магнітному полі, що змінюється з великою частотою, поверхневий шар металу розігрівається за рахунок наведених вихрових струмів (струмів Фуко). Глибина () проникнення струму в метал зменшується із збільшенням частоти (f).

Глибина загартованого шару в дійсності перевищує глибину проникнення струму, тому що шари металу, які розташовані глибше, також нагріваються внаслідок теплопровідності. Правильний вибір частоти струму має вирішальне значення для забезпечення раціонального нагрівання при гартуванні після нагрівання СВЧ. Чим менше необхідна глибина загартованого шару, тим більш високою повинна бути частота струму (  0,503  1/f) [5].

В залежності від конфігурації ділянки, яку необхідно нагріти, застосовуються різні види індукторів.

Температура нагрівання вибирається з умов одержання в структурі загартованого шару дрібноголчастого мартенситу. Перегрів при гартуванні призводить до укрупнення зерна, появи в структурі залишкового аустеніту, що сприяє зниженню твердості і міцності деталі при статичних і динамічних навантаженнях.

Область припустимих температур гартування залежить також і від швидкості нагрівання: із збільшенням швидкості нагрівання припустима температура нагрівання підвищується.

Температура гартування з нагрівом СВЧ, крім швидкості, залежить також від вихідної структури сталі. При дрібному зерні і рівномірній структурі необхідний ступінь гомогенізації досягається при більш низьких температурах і, отже, потрібне менше нагрівання при температурах вище критичної точки, тому гартуванню піддаються, найчастіше, деталі після поліпшення.

За умовами нагріву розрізняють одночасний метод гартування (рис. 1.5, а), коли індуктор охоплює всю поверхню, що нагрівається; безперервно-послідовне гартування (рис. 1.5, б), коли в процесі нагрівання деталь і індуктор весь час переміщуються відносно один одного; послідовно гартування відокремлених поверхонь виробів (рис. 1.5, в). Одночасний метод застосовується для гартування дрібних деталей і деталей з невеликою поверхнею (зірочок, зубчастих колес невеликого модуля), безперервно-послідовний – для гартування довгих і тонких виробів (валів, осей) чи великих деталей (прокатних валків).

а – одночасний; б – безперервно-послідовний; в – послідовний

Рисунок 1.5 – Схеми способів гартування із нагріванням СВЧ [4]

Охолодження після індукційного нагрівання здійснюється або звичайним способом у гартівних баках, які застосовуються для об’ємного гартування, або спреєром – розбризкувачем, що забезпечує безпосередню подачу охолоджувальної рідини на нагріту поверхню. Найбільш зручним і розповсюдженим середовищем для спреєрного охолодження є вода.

Після гартування здійснюється низькотемпературний відпуск або самовідпуск.

1.1.2.4 Поверхнева термічна обробка електронним променем [1]. В основі електронно-променевого нагрівання – перетворення кінетичної енергії потоку електронів в теплову при взаємодії з поверхнею виробу, що нагрівається.

Для одержання електронного променя і для його керування застосовується електронна гармата (рис. 1.6). Джерелом електронів в електронних гарматах є термоемісійний катод з вольфраму, танталу чи гексабориду лантану, що мають високі емісійні характеристики. В залежності від матеріалу катода його робоча температура може досягати 1325...2525 °С. Підігрів катода найчастіше здійснюється за допомогою розжарюваного електричним струмом підігрівального елементу, у деяких випадках сам цей елемент може виконувати функції катода (катод прямого розжарювання).

1 – термоемісійний катод; 2 – анод; 3 – магнітна лінза; 4 – робоча камера;

5 – заготовка; 6 – система насосів; 7 – блок живлення

Рисунок 1.6 – Функціональна схема електронної гармати

У конструкцію електронної гармати входить також система відхилення, яка служить для переміщення (сканування) електронного променя по поверхні, що обробляється. Переміщення здійснюється за рахунок взаємодії променя з поперечним магнітним полем, яке створюється системою відхилення.

У робочому просторі електронної гармати потрібен високий вакуум. Відкачка повітря із гармати і робочої камери здійснюється системою вакуумних насосів. Тиск у камері електронної гармати не повинен перевищувати 10^-3...10^-4 Па. При погіршенні вакууму відбувається пробій між катодом і анодом, що може призвести до поломки. Електронна гармата виконується у виді функціонального блоку, що нерухомо кріпиться до робочої камери чи переміщується всередині за допомогою спеціальних механізмів.

Щоб точно направляти електронний промінь на заготовку, що обробляється, у деяких електронно-променевих установках застосовуються спеціальні оптичні системи.

Електронний промінь «бомбардує» поверхню деталі з енергією, щільність якої сягає 8 МВт/см². Нагрівання матеріалу електронним променем здійснюється за рахунок виділення енергії в поверхневих шарах речовини і подальшої теплопередачі у внутрішні шари. Завдяки високій інтенсивності підведення енергії до поверхні, що обробляється, розвиваються високі температури, що можуть перевищувати температуру кипіння матеріалів.

Сучасні електронно-променеві установки можуть забезпечувати точне позиціювання променя і заданий тепловідвід. До складу цих установок входить комп’ютер, це дозволяє точно регулювати відхилення променя таким чином, що розфокусований промінь сканується по поверхні деталі, створюючи їй послідовний ряд мікроімпульсів енергії, в результаті чого відбувається нагрівання в точно заданій ділянці поверхні і одержується аустенітна структури. Коли нагрівання припиняється, поверхня самозагартовується і набуває заданої твердості.

Ці установки засновані на застосуванні методу «растрової сітки» – поділ поверхні на ряд адекватно розташованих точок. Електронний промінь послідовно переміщується від однієї локалізованої ділянки до іншої через визначені інтервали часу, а потім переводиться з дуже високою швидкістю до наступної точки по траєкторії, що відповідає заданому контуру поверхні.

Енергія променя передається на поверхню деталі двома різними методами: «статичною» і «рухливою» сіткою. При методі «статичної» сітки виріб і джерело енергії залишаються нерухомими (метод використовується у випадку невеликої площі: до 6,5 см²). Метод «рухливої» сітки використовується при термообробці гільз циліндрів, кілець, валів і інструментів. Промінь в процесі обробки спрямовується паралельно осі деталі, що обробляється.

В цілому твердість поверхні після електронно-променевої обробки на 1...2 од. за Роквеллом вище твердості після звичайного гартування.

1.1.2.5 Поверхневе зміцнення лазерним променем [1]. Термічне зміцнення лазером засноване на впливі інтенсивного потоку лазерного випромінювання на локальну ділянку поверхні, поглинанні його матеріалом і швидким розігрівом цих ділянок до високих температур. Після припинення дії випромінювання нагріта ділянка охолоджується внаслідок теплопровідності у внутрішні об’єми матеріалу, а також за рахунок тепловіддачі з поверхні. При цьому досягається висока швидкість охолодження.

Тепловий вплив при лазерному термозміцненні регулюється в широких межах за рахунок зміни параметрів лазерного випромінювання і режимів обробки. Це забезпечує регулювання швидкостей нагрівання і охолодження металу, часу перебування металу при високих температурах, що дозволяє одержувати необхідну структуру поверхневого шару і відповідні властивості.

B склад лазерної установки для термічної обробки входять: 1) лазер; 2) система транспортування і фокусування променя; 3) система переміщення деталі чи променя (або того і іншого) за заданим режимом; 4) система виміру і регулювання потужності..

За режимом роботи лазери поділяються на імпульсні (випромінюють світло у виді окремих спалахів), беззупинні (випромінюють світло протягом тривалого часу) і імпульсно-періодичної дії (генеруюють потужні короткі імпульси з досить високою частотою повторення).

За активною речовиною лазери поділяють на твердотільні (активним середовищем є кристалічні і аморфні речовини з домішковими іонами: алюмо-ітрієвий гранат з домішкою неодиму, рубін і ін.) і газові (найбільш поширені для термічної обробки CO2–лазери безупинної дії. Як робоча речовина використовується суміш вуглекислого газу, азоту і гелію в різних пропорціях).

Лазерна обробка характеризується дуже великою концентрацією потужності на поверхні (до 10⁸...10⁹ Вт/м²) і в зв’язку з цим малою тривалістю впливу променя на метал, (мілісекунди при імпульсному впливі чи десяті частки секунди при безупинному режимі). Швидкість нагрівання досягає 10⁶...10⁷ °С/с. Глибина теплового впливу не перевищує 0,7…0,8 мм. Діаметр плями від лазерного променя на поверхні, що обробляється, знаходиться в межах 1,5...5 мм. Через локальне малотривале нагрівання ділянки металу навколо плями залишаються холодними і після припинення дії променя забезпечують дуже інтенсивний тепловідвід. Швидкість охолодження за рахунок відводу тепла в холодний метал при цьому досягає 6000…7000 °С/с і необхідності в додатковому охолодженні не виникає.

В вуглецевих і легованих сталях після лазерної обробки структурні складові (аустеніт, мартенсит) характеризуються підвищеною дисперсністю і спотвореністю ґратки, а також чітко вираженою хімічною неоднорідністю.

При лазерному впливі на поверхню, що обробляється енергія концентрується у вузькому промені діаметром 1,5…5 мм; відповідно такі ж розміри мають і зони нагрівання (плями при імпульсній обробці і смуги при безупинному режимі).

При виборі рисунка зміцненого шару керуються конфігурацією і умовами роботи деталі.

Переваги електронно-променевої і лазерної оброки над іншими методами поверхневого зміцнення: 1) локальне поверхневе зміцнення окремих важкодоступних (для звичайних методів нагрівання) ділянок деталей (внутрішніх пасків, посадкових гнізд під підшипники) для підвищення їх зносостійкості; 2) місцеве зміцнення поверхонь особливо складної конфігурації, короблення яких повинно бути доведено до мінімуму; 3) одержання строго заданого профілю загартованого шару, у тих випадках, коли нагрів зони, що обробляється, звичайними методами утруднений, а також при малій поверхні зони, що обробляється, у порівнянні з поверхнею виробу; 4) додаткове підвищення зносостійкості і теплостійкості окремих ділянок попередньо термічнозміцнених деталей і інструмента (робочих кромок штампового і різального інструменту, робочих поверхонь вимірювального інструменту); 5) можливість заміни високолегованих дорогих сплавів і сталей більш дешевими і недефіцитними.

1.1.2.6 Плазмене поверхневе зміцнення [1]. За допомогою плазменого пальника реалізуються температури на рівні 15000 °С, теплові потоки 200 Вт/мм². Це дозволяє здійснювати локальне нагрівання за мілісекунди і самозагартовування при швидкості охолодження (10…120)  10³ °С/с.

Плазму отримують штучно різними фізичними способами. Найчастіше при здійсненні електрофізичних процесів – в електричному дуговому розряді, високочастотному електричному полі, за допомогою енергії лазерного випромінювання і т.ін.

Для одержання плазми, використовується цілий ряд спеціальних пристроїв, які називаються плазмотронами, чи плазменими пальниками. Плазмотрон – основний робочий елемент плазменої установки. Крім нього до складу установки входить джерело живлення плазмотрона із системами регулювання режиму, контролю і керування роботою установки; система подачі газу в плазмотрон і робочих матеріалів у робочу зону; систем охолодження плазмотрона і джерела живлення. Найбільш поширені плазмотрони, у яких нагрівання газу до необхідної температури здійснюється електричним дуговим розрядом. Останнім часом застосовуються високочастотні плазмотрони з «безелектродним розрядом».

На рис. 1.7 надана принципова схема конструкції високочастотного плазмотрона з продуванням газом. Основною його частиною є розрядна камера 2, конструкція якої визначає експлуатаційні характеристики плазмотрона в цілому. У розрядній камері створюється індукційний розряд, температура якого досягає декількох тисяч градусів. Розрядна камера виготовляється з кварцового скла.

У плазмотронів, що працюють при атмосферному тиску, один кінець труби розрядної камери робиться відкритим. Інший кінець труби розрядної камери закріплений у корпусі 1, до якого підводиться газ, що утворює плазму. Корпус виготовляється з нержавіючої сталі, латуні чи алюмінію.

1 – корпус; 2 – розрядна камера; 3 – індуктор

Рисунок 1.7 – Принципова схема високочастотного плазмотрона

з продувкою газом

За способом протікання газу-плазмоутворювача через розрядну камеру плазмотрони поділяються на види: а) з осьовим чи аксіальним газовим потоком; б) з тангенціальним (вихровим) потоком; в) з комбінованим протіканням газу (об’єднує осьовий і тангенціальний потоки).

Найважливіша характеристика плазми – її температура. Вона може досягати (2...5)  10⁴ °С.

Плазмене нагрівання дозволяє одержати не тільки окремі смуги, але і суцільні загартовані шари. Це досягається за рахунок переміщення пальника паралельно раніше створеним загартованим смугам з їх перекриттям.

Метод плазменого гартування доцільно використовувати для локального зміцнення поверхонь деталей металообробного, гірничодобувного і іншого устаткування, у тому числі важкодоступних поверхонь, які нераціонально чи неможливо зміцнити традиційними методами – контурів різьблення ходових гвинтів, зубів колес і рейок, робочих профілів кулачків, а також різноманітних пазів, канавок, отворів. Застосування плазменого нагрівання може бути перспективним і для одержання суцільних зміцнених шарів на великих поверхнях деталей: направляючих, шпинделів, валів, осей, штоків і ін.