книги из ГПНТБ / Стандартизация и качество машин учеб. пособие

В качестве упрочняющей обработки отверстий применяют их рас­ катку роликами или шариками, а также дорнирование.

Раскатка применяется для упрочнения деталей, имеющих отвер­ стия диаметром не менее 50 мм. Целесообразность применения рас­ катки становится особенно отчетливой, если учесть, что при этом увеличивается не только прочность детали, но чистота и точность обработки отверстия.

Рис. 38. Влияние обкатки на предел выносливости ста­ лей:

струмента под большим давлением вызывает пластическую дефор­ мацию поверхности отверстия, в результате уменьшается шерохова­ тость и упрочняется поверхностный слой. Дорнирование позволяет получить 10—11 класс чистоты поверхности и 1—2 класс точности отверстий.

Метод дорнирования позволяет в два раза увеличить долговеч­ ность деталей, работающих при повторно переменном нагружении, и является высокопроизводительным процессом.

У п р о ч н е н и е ч е к а н к о й — ударами обрабатываемой по­ верхности специальными бойками (рис. 39) — отличается просто­ той. Однако наиболее совершенной является станочная чеканка тел вращения на токарных станках, оборудованных чеканочными при­ способлениями. Обычно поверхность детали, обработанной чекан­

жидкости, содержащей абразивные частицы. Жидкость с частичка­ ми абразива выбрасывается на поверхность детали с помощью сжа­ того воздуха.

по

Упрочнение поверхностной закалкой и химико-термической обра­ боткой. При поверхностной закалке нагревают поверхность сталь­ ного изделия до температуры закалки (850—1000° С) и быстро ее охлаждают. Нагрев может быть осуществлен газовой горелкой, то­ ками высокой частоты (индукционная закалка) или в электролитах.

Поверхностной закалке подвергаются среднеуглеродистые и ле­ гированные стали, чугуны,-

Наибольшее распространение получила закалка с нагревом то­ ками высокой частоты (ТВЧ), так как она позволяет получить рав­ номерную глубину закаленной зоны и хорошо поддается автомати­ зации.

Рис. 40. Схема высокочастотной закалки в одновитковом индукторе:

1 — закаленная зона; 2 — вода для охлаждения; 3 — нагретая зона; 4 — индуктор

Для поверхностной закалки ТВЧ деталь помещают в индуктор, создающий в ней высокочастотное электромагнитное поле (рис. 40). За счет наведенных вихревых токов поверхность детали быстро на­ гревается до температуры закалки. Глубина проникновения индук­ ционных токов, а следовательно, и глубина нагрева зависят от свойств материала и частоты тока. С увеличением частоты тока глубина прогрева уменьшается. После нагрева деталь быстро охла­ ждают и в ее поверхностном слое происходят фазовые превращения, образуется мартенсит. В результате в поверхностном слое создают­ ся сжимающие остаточные напряжения. Твердость поверхности рез­ ко увеличивается (HRC 47—50), а сердцевина остается мягкой и пластичной. Такое сочетание свойств сердцевины и поверхностного слоя существенно увеличивает выносливость (на 40—100%) дета­ лей, снижает чувствительность к надрезам, а также повышается из­ носостойкость деталей за счет высокой твердости поверхности и от­ сутствия ее обезуглероживания. Широкое применение метод нашел

112

при обработке зубчатых колес. Метод поверхностной закалки токамы высокой частоты может быть автоматизирован и по сравнению с другими методами имеет наибольшую производительность.

Поверхностная закалка нагревом в электролитах (раствор пота­ ша и др.) осуществляется за счет тепла, выделяющегося на поверх­ ности детали при пропускании через нее тока. Выделяющийся водо­ род образует на поверхности детали оболочку, обладающую высо­ ким электрическим сопротивлением и низкой теплопроводностью.

Поверхностная закалка методом нагрева в электролитах не тре­ бует сложного оборудования, однако при этом методе не контроли­ руется температура нагреваемой поверхности. Метод применяется, в частности, для поверхностной закалки небольших деталей в трак­ торостроении.

Нагрев при газопламенной поверхностной закалке осуществляет­ ся пламенем газовых горелок, охлаждение — водой, эмульсиями и сжатым воздухом. Технология этого вида закалки не всегда может обеспечить необходимую однородность поверхностного закаленного слоя.

Газопламенная закалка не требует сложного оборудования и ча­ ще применяется при ремонте машин.

Химико-термическая обработка. Химико-термическая обработка состоит в насыщении поверхностного слоя изделия различными хи­ мическими элементами и его термической обработки. При данной обработке изменяется не только строение (как при термической об­ работке), но и химический состав поверхностного слоя, что позво­ ляет более эффективно изменять свойства изделия.

Насыщение поверхности детали химическими элементами может осуществляться из твердой, жидкой или газообразной фазы вещест­ ва, богатого насыщающим элементом. Процесс насыщения состоит из трех простых последовательных процессов: диссоциации — рас­ пада активной среды с выделением насыщающего элемента в ато­ марном (активном) состоянии, адсорбции — поглощения поверхно­ стью детали насыщающего элемента; диффузии — проникновения адсорбированных атомов насыщающего вещества в поверхностный слой. Толщина поверхностного слоя измененного химического соста­ ва зависит от скорости диффузии и в значительной степени опреде­ ляется температурой, при которой ведется процесс.

При постоянной температуре зависимость глубины слоя изменен­ ного состава X от времени х выражается уравнением Х2 = Кх, где

К— постоянный коэффициент.

Взависимости от того, каким химическим элементом произво­ дится насыщение, поверхностный слой детали приобретает различ­ ные свойства: высокую твердость, химическую стойкость и др. Важ­ ным обстоятельством является то, что в поверхностном слое детали, обработанной химико-термическими методами, возникают значи­ тельные по величине остаточные напряжения сжатия.

Для поверхностного упрочнения деталей машин наибольшее рас­

пространение получили:

цементация — насыщение поверхностного слоя углеродом; азотирование — насыщение поверхностного слоя азотом; нитроцементация или цианирование — совместное насыщение

поверхностного слоя углеродом и азотом.

Применяется также насыщение поверхностного слоя кремнием — силицирование, бором — борирование и различные виды диффузи­ онной металлизации — хромирование, алитирование, хромоалитиро­ вание и некоторые другие.

Мы не будем рассматривать технологические процессы различ­ ных видов химико-термической обработки, они описаны во многих руководствах и монографиях, а отметим лишь их некоторые особен­ ности и основные области применения.

Цементация — наиболее распространенный вид химико-термиче­ ской обработки. Цементации подвергаются малоуглеродистые ста­ ли, содержащие до 0,3% углерода.

Детали обычно подвергаются цементации при температуре по­ рядка 900—950° С. В последнее время получил распространение ме­ тод высокотемпературной цементации (до 1050° С ), при котором продолжительность процесса сокращается.

После цементации детали подвергаются сложной термической обработке, последним этапом которой является обычно низкий от­ пуск (170—250° С).

Показателями качества цементированного слоя являются: степень цементации — среднее содержание углерода в поверхно­

стном слое; глубина цементации — расстояние от поверхности до первых

зерен феррита, структурной составляющей, характерной для стали, не подвергшейся цементации.

Для получения оптимальных свойств детали степень цементации обычно должна составлять 0,8—1,1% углерода. Заниженное содер­ жание углерода приводит к уменьшению твердости и износостойко­

чается в зависимости от условий эксплуатации детали. Увеличение глубины цементации повышает износостойкость деталей, однако при большой толщине слоя снижается предел выносливости. Обычно глубина цементации составляет 0,5—2,0 мм.

После термической обработки цементированный слой приоб­ ретает твердость выше HRC 58 и структуру мелкоигольчатого мар­ тенсита с карбидами.

Цементация широко применяется при изготовлении шестерен, поршневых пальцев, коленчатых валов, болтов и многих других де­ талей.

Причинами преждевременного разрушения цементированных де­ талей являются: пересыщение слоя углеродом, крупнозернистость (выкрашивание и отколы слоя, поломка деталей), пониженная твер­ дость слоя (снижается износостойкость).

114

Цементированные детали могут длительно эксплуатироваться при температурах, не превышающих температуру последней терми­ ческой обработки (низкого отпуска).

Азотирование — насыщение поверхностного слоя деталей азотом с целью повышения твердости, износостойкости, предела выносли­ вости и коррозионной стойкости.

Азотирование углеродистых нелегированных сталей вызывает незначительное повышение их твердости (на 30—50 кгс/мм2 по Вик­ керсу), поэтому они азотируются только с целью повышения корро­ зионной стойкости. Азотирование сталей, легированных алюминием, титаном, хромом и другими нитридообразующими элементами, уве­ личивает твердость слоя до 1200 кгс/мм2.

Толщина слоя при азотировании небольшая и обычно не превы­ шает 0,5—0,6 мм.

Азотирование является последней технологической операцией изготовления детали, термическая обработка (закалка и высокий отпуск) предшествует азотированию.

Азотированные детали могут эксплуатироваться до температуры

500—600° С.

Сопротивление износу азотированных деталей значительно выше износостойкости цементированных.

Азотирование создает в поверхностном слое сжимающие оста­ точные напряжения, что обусловливает увеличение предела устало­ сти азотированных деталей.

В последнее время разработан новый метод азотирования в ион­ ном разряде. При ионном азотировании сокращается продолжитель­ ность процесса, слой получается более равномерным, облегчается местное азотирование деталей.

Азотирование широко применяется для упрочнения поверхностей гильз цилиндров, коленчатых валов, шестерен, деталей, работаю­ щих в агрессивных средах до температуры 500—600° С.

Следует отметить, что азотирование применяется и для увеличе­ ния износостойкости небольших деталей из титановых сплавов (зо­ лотниковые пары, втулки, рычаги и др.).

Цианирование и нитроцементация — одновременное насыщение поверхности азотом и углеродом. Цианирование осуществляется в цианистых ваннах (ядовитых солях) и в настоящее время заменяет­ ся газовым цианированием (нитроцементацией) — одним из наибо­ лее прогрессивных процессов химико-термической обработки.

Нитроцементация выполняется в смеси газов, содержащих угле­ род и азот, при температуре 850—880° С. После нитроцементации детали подвергают термической обработке — закалке и низкому от­ пуску. Показателями качества поверхностного слоя являются содер­ жание в нем углерода и азота, глубина слоя и его твердость. Нитро­ цементация имеет ряд преимуществ перед цементацией: поверхност­ ный слой обладает более высокой износостойкостью, повышается предел выносливости деталей.

Следует отметить, что нитроцементация, так же как и цемента­ ция могут осуществляться при индукционном нагреве токами высо­ кой частоты, что позволяет еще больше повысить производитель­ ность этих методов.

Борирование производится с целью увеличения сопротивления деталей износу и повышения твердости, которая у борированных деталей не снижается до температуры 900—950° С. Такой комплекс свойств позволяет, например, существенно увеличить долговечность борированных штампов. Борирование повышает также стойкость де­ талей против действия кислот.

Силицирование осуществляется с целью повышения коррозион­ ной стойкости деталей; наиболее широко применяется в химическом машиностроении. Силицирование не оказывает существенного влия­ ния на предел выносливости деталей. Надо иметь в виду, что силицированный слой механически не обрабатывается из-за высокой его хрупкости.

Сульфидирование и сульфоцианирование — процессы насыщения поверхностного слоя стали (чугуна) серой (сульфидирование) и од­ новременно серой, углеродом и азотом ('сульфоцианирование), в результате чего повышается износостойкость трущихся поверхно­ стей деталей машин при граничном трении со средними нагрузками. Эти методы химико-термической обработки увеличивают противоза­ дирные свойства, сопротивление металлов схватыванию; ими обра­ батываются валики, втулки, гайки, поршневые кольца, некоторые инструменты — метчики, долбяки и другие детали. В результате

слоя металлами с целью повышения коррозионной стойкости и изно­ состойкости деталей машин.

Алитирование — насыщение поверхности стальных деталей алю­ минием с целью повышения их жаростойкости до температуры 1000—1150° С и сопротивления атмосферной коррозии.

При эксплуатации алитированных изделий на их поверхности образуется тонкая пленка окисла АЬОз, обладающая высокой хи­ мической стойкостью и прочностью. Однако поверхностный слой алитированных изделий имеет повышенную хрупкость, его пластиче­ ские свойства снижены, что приводит к некоторому уменьшению 1 предела прочности (примерно на 10%).

Алитирование более чем в два раза увеличивает предел коррози­ онной выносливости деталей.

Алитированию подвергаются выхлопные коллекторы двигателей внутреннего сгорания, чугунные колосники, пароперегревательные трубы, детали аппаратуры для крекинга нефти и газа, чехлы термо­ пар и др.

Диффузионное хромирование — насыщение поверхностного слоя изделий (стальных, чугунных) хромом, благодаря чему повышает­ ся их износостойкость, твердость и коррозионная стойкость. Высо­

116

кая коррозионная стойкость хромированных деталей наблюдается в щелочных средах, растворах азотной кислоты и перегретом паре. Жаростойкость хромированного слоя сохраняется до температуры

850—900° С.

Диффузионное хромирование сталей, содержащих более 0,4% углерода, позволяет существенно увеличить твердость их поверх­ ности, до 1300—2000 кгс/мм2 по Виккерсу, что приводит к сущест­ венному увеличению их износостойкости. Диффузионное хромирова­ ние вызывает появление в поверхностном слое остаточных сжимаю­ щих напряжений, однако существенного повышения предела вынос­ ливости при этом не наблюдается.

Диффузионному хромированию подвергаются детали насосов, форсунки, режущие пары и другие детали. В последние годы разви­ ваются методы комплексного термодиффузионного насыщения по­ верхностей деталей машин одновременно несколькими элементами: бороалитирование, боросилицирование, которые придают деталям одновременно высокие жаростойкость, 'кислотоупорность, твердость и износостойкость. Хромоалитирование некоторых деталей турбин реактивных двигателей, изготовленных из жаропрочных никелевых сплавов, повысило их надежность и в несколько раз увеличило дол­ говечность за счет повышения жаростойкости и эрозионной стой­ кости.

Современные методы химико-термической обработки поверх­ ностного слоя расширяют возможности применения конструкцион­ ных металлических материалов и способствуют существенному уве­ личению надежности деталей машин.

Наплавка и напыление металлов. Наплавка и напыление (метал­

стойкости обычных конструкционных материалов. Эти методы так­ же широко используются для восстановления деталей при ремонте. Надо иметь в виду, что при наплавке металлов в поверхностном слое деталей создаются, как правило, растягивающие остаточные напря­ жения (при напылении — возможны напряжения и сжатия и растя­ жения), в результате чего предел выносливости деталей может су­ щественно снизиться и оказать неблагоприятное влияние на долго­ вечность изделия. Это обстоятельство необходимо учитывать, при­ меняя наплавку к деталям, работающим при повторно переменных нагрузках.

Технологически наплавка может осуществляться различными методами: ручная или механизированная дуговая наплавка, электродуговая наплавка под флюсом, электрошлаковая наплавка, ин­ дукционная наплавка, плазменная наплавка. В качестве наплавоч­ ных материалов могут служить: стали углеродистые и легирован­ ные, чугуны, сплавы на основе никеля и кобальта, сплавы на основе меди и др.

Выбор метода наплавки и материала зависит от материала дета­ ли, условий ее эксплуатации и других конкретных условий.

117

Металлизация напылением состоит в расплавлении напыляемо­ го материала и нанесении его с помощью струи сжатого газа на по­ верхность детали. Напыление осуществляется специальными металлизаторами. Расплавление наносимого металла может осуществ­ ляться электрической дугой, токами высокой частоты, газовым пла­ менем и другими способами.

Металлизация широко применяется при ремонте станков, трак­ торов, автомобилей и сельскохозяйственных машин. Металлизация распылением цинка, свинца, алюминия применяется для повыше­ ния ‘коррозионной стойкости деталей.

Гальванические и химические методы нанесения покрытий на металлы, а также лакокрасочные и другие неметаллические покры­ тия рассматриваются в следующем разделе.

Технологические методы повышения коррозионной стойкости металлов. Заданные антикоррозионные свойства материалов и дета­ лей машин создаются в процессе их изготовления главным образом путем легирования 'материалов и нанесения на поверхность деталей защитных покрытий различного характера.

Легирование сплавов — добавление в сплавы специальных эле­ ментов, благодаря чему получают коррозионно-стойкие материалы. Так, легирование стали хромом (около 13%) резко повышает ее электрохимический потенциал (рис. 41), кроме того, на поверхности образуется тонкая, обладающая хорошими защитными свойствами пленка окислов. В результате этого стали в зависимости от состава

0 2 4 В 0 10 12 14 !6 18 20 22 24

Содержание хрома, %

Рис. 41. Влияние содержания хрома на значе­ ние электрохимического потенциала стали

Основными элементами, придающими стали и некоторым спла­ вам высокую стойкость против газовой коррозии, являются хром, алюминий и кремний. Последний применяется реже, так как повы­ шает хрупкость стали.

Коррозионная стойкость алюминиевых и магниевых сплавов увеличивается от добавления к ним около 0,5% марганца, способ­ ствующего более равномерному распределению легирующих эле­ ментов и выравниванию электрохимического потенциала на различ­

ие

ных участках сплава. Надо учитывать, что небольшие отклонения в химическом составе сплава от требований стандартов могут вызвать резкое снижение коррозионной стойкости.

Для конкретных условий эксплуатации и заданного ресурса ма­ шины иногда можно выбрать сплавы и условия их термической и механической обработки таковыми, что дополнительной защиты от коррозии не потребуется. Например, применение сплавов титана, обладающих высокой коррозионной стойкостью, в частности, в мор­ ской воде позволяет существенно увеличить долговечность и надеж­ ность конструкций без дополнительной их защиты.

Специальным режимом обработки резанием на поверхности стальной детали (сталь ЗОХГСА) можно создать структуру «мар­ тенсит особого рода», обладающую высокой коррозионной стойко­ стью, при этом одновременно повышается усталостная прочность и износостойкость.

Распространенным методом защиты от коррозии является при­ менение различных покрытий, которые защищают поверхность ме­ таллических конструкций от действия коррозионной среды. Неме­ таллические покрытия, кроме того, изолируют детали друг от друга, препятствуя работе гальванических элементов.

ГОСТ 9791—68 классифицирует металлические и неметалличе­ ские неорганические покрытия по способам их нанесения (10 спо­ собов).

Лакокрасочные покрытия (органические неметаллические по­ крытия) классифицируются по применяемым материалам, внешне­ му виду поверхности и условиям эксплуатации (ГОСТ 9825—61).

М е т а л л и ч е с к и е п о к р ыт и я . В практике широко приме­ няются металлические цинковые, хромовые, никелевые и другие по­ крытия. Разработаны различные методы нанесения этих покрытий: гальванические, химические, горячий, диффузионный, металлизационный и др.

Независимо от конкретного метода нанесения все металлические покрытия разделяются на анодные и катодные. При анодных по­ крытиях потенциал покрытия является более отрицательным, чем потенциал основного материала детали. Для стали, например, анод­ ными являются покрытия цинком и кадмием (см. табл. 5).

При нарушении анодного покрытия и попадании в место повреж­ дения коррозионной среды (элитролита) основной металл (сталь) не разрушается, так как служит катодом (рис. 42, а ).

Анодные покрытия создают не только механическую, но и элек­ трохимическую защиту детали от коррозии.

Покрытия называются катодными, если защитный металл имеет более положительный электрохимический потенциал, чем основной. Для стальных деталей в обычных условиях эксплуатации катодны­ ми являются хромовые, никелевые, медные, оловянные, серебряные и золотые покрытия.

При повреждении такого покрытия разрушается основной мате­ риал детали — анод (рис. 42, б ).

119