книги из ГПНТБ / Елизаветин М.А. Повышение надежности машин. Технологические основы повышения надежности машин

Следующая затем закалка приводит к возникновению мелко­ кристаллического мартенсита; последнее может быть объяснено тем обстоятельством, что размеры кристаллов мартенсита не могут превышать размеров зерен аустенита. Аналогичная структура мелкодисперсного мартенсита возникает при проведе­

несколько секунд, является недостаточным для роста зарождаю­

т

причиной образования кристаллов мартенсита весьма малых размеров, характерными особенностями которого являются более высокая износостойкость и ряд других ценных качеств.

Проведенные исследования позволили установить, что имеется некоторая критическая степень деформации, необходи­ мая для повышения механических свойств стали. Например, сталь, содержащая около 0,5% С, была подвергнута деформации на 50 и 90%. После проводимого во всех случаях отпуска при

не прошедших этой обработки, показано на рис. 101. При при­ менении указанного способа значительно увеличивается проч­ ность сталей.

К числу недостатков данного метода упрочнения следует от­ нести необходимость применения мощного оборудования для обработки давлением.

Существенным недостатком упрочнения способом НТМО является необходимость изготовления деталей в их почти окончательных форме и размерах, так как повышение прочности и твердости стали крайне усложняет последующую механиче­ скую обработку, почти полностью исключая резание. Кроме того, при нагреве изготовленных таким способом деталей в про­ цессе эксплуатации выше температуры низкого отпуска

свойств. Практически повышенные прочностные свойства сохра­ няются только при комнатной и низкой температуре.

В настоящее время применяют детали, подвергаемые при эксплуатации нагреву до высокой температуры (от нескольких сотен до тысячи градусов и более). В зависимости от назначения и требуемой долговечности механизмов и аппаратуры, в которых имеются работающие в нагретом виде детали, к применяемым для их изготовления материалам предъявляются различные требования. Например, материалы для энергетического обору­ дования (котлов высоких параметров, трубопровода, подвер­

могут быть взяты значительно большими. Наконец, для деталей, деформация которых за время работы может составлять около 5—10%, при тех же температурных режимах допускаемые напряжения могут быть резко повышены; они обычно опреде­ ляются испытаниями на длительную прочность.

Во всех рассмотренных примерах прочность деталей, работающих в условиях высокотемпературного нагрева, обу­ словливается преимущественно прочностью границ зерен.

Новым направлением в области повышения прочности

высокотемпературной термомеханической обработки (ВТМО). Сущность способа ВТМО заключается в совмещении

пластической деформации на 25—35% (проводимой после гомогенизации твердого раствора, осуществляемой при темпе­ ратуре около 1200° С, и последующего подстуживания до темпе­ ратуры 1100—1000° С) с немедленным охлаждением, позволяю­ щим предотвратить развитие рекристаллизации, а также зафиксировать особое структурное состояние, возникающее

в результате деформации. После завершения указанных опе­ раций производят старение. Важной особенностью данного способа является повышение длительной прочности аустенитных: сталей и сплавов при условии работы их при нагреве до темпе­ ратуры, не превышающей температуры рекристаллизации.

Эффект упрочнения с применением способа ВТМО ряда аустенитных сталей сохранялся до температуры 900—950° С.

Схема микроструктурного строения тела и границ зерен, образующихся после ТМО, показана на рис. 102. Особенностью

Рис. 102. Схема микроструктуры, образующейся после проведения ТМО:

а — оптимальный режим ТМО; б — начало развития рекристаллизации при высоких температуре и скорости деформирования и замедленном охлаждении; в — то же. что б, но при более полном протекании и рекристаллизации

ТМО является возникновение в процессе высокотемпературной: пластической деформации характерной зубчатости границ зерен с амплитудой и периодом отдельных зубцов около 5—10 мкм. При этом происходит дробление зерен на фрагменты и умень­ шаются размеры блоков.

На рис. 102, б и в показано микростроение металла в резуль­ тате ТМО при нерациональных режимах: по границам зерен развивается рекристаллизация, проявляющаяся в виде образо­ вания цепочки мелких, постепенно увеличивающихся в размерах зерен.

При неправильном режиме ТМО, когда развитие процесса рекристаллизации не удается остановить, на границах зерен вместо зубцов наблюдается возникновение зародышей новых зерен. При этом устраняется эффект повышения длительнойпрочности. Время до разрушения после ТМО при правильном режиме может возрастать в несколько раз. Например, упроч­ нение хромоникельмарганцовистой аустенитной стали при

температуре 900° С и деформации до напряжения 14 кгс/мм2 приводит к увеличению времени до разрушения в 4—5 раз по сравнению с характеристиками длительной прочности после обычной стандартной термической обработки (закалки с после­ дующим старением).

ТМО можно проводить при различных схемах деформации. Схемы основных способов пластической деформации при ТМО показаны на рис. 103. На рис. 103, а дана схема прокатки в вал­ ках 1 и 2 нагретой заготовки 3, перемещаемой со скоростью несколько метров в минуту в зону интенсивного охлаждения 4.

!д)

Рис. ЮЗ. Схемы основных видов пластической деформации при проведении ТМО:

а прокатка; б — волочение; в — обработка в ковочных вальцах; г — штамповка; о — выдавливание

Для охлаждения может быть использовано спрейерное устрой­ ство, аналогичное применяемому при проведении непрерывно­ последовательной поверхностной закалки после нагрева т. в. ч. Расстояние h определяется скоростью перемещения заготовки, температурным режимом и другими факторами. При допусти­ мом для данной стали времени t с после окончания пластической деформации и начала охлаждения

h = vt см.

= 6,25 см, т. е. легко выполнимо в различных конструкциях со­ временных прокатных станов.

При осуществлении ТМО в процессе волочения (рис. 103,6) заготовка 1, проходя через фильер 2, попадает в зону охлажде­

ния 3.

Пластическая деформация в ковочных вальцах для проведе­ ния ТМО (рис. 103, в) заключается в том, что заготовка 1 подвергается обжатию в вальцах 2 и 3 и подается в зону охлаждения 4. Таким образом могут изготовляться с одновре­ менным проведением ТМО изделия сложной формы.

Наиболее распространенной обработкой металлов давлением является штамповка (рис. 103, г). Проведение ТМО при штам­ повке осложняется вследствие трудности подбора оптимальных скоростей движения элементов штампа 1 и 2, температуры на­ грева и степени деформации заготовки 3 (так как возникающее в процессе обжатия дополнительное выделение тепла способ­ ствует развитию рекристаллизации), а также необходимости осуществлять быстрое охлаждение с помощью спрейера 4 после завершения обработки давлением.

Весьма перспективным способом деформирования при про­ ведении ТМО является экструзия (выдавливание). Обрабаты­ ваемую заготовку 1 (рис. 103,(3) помещают в матрицу 2, откуда она выдавливается через отверстие 3 требуемой формы под дав­ лением, создаваемым пуансоном 4. Выдавленная деталь интен­ сивно охлаждается устройством 5.

Глубина слоя, в пределах которого удается получить развитие специфической микроструктуры, характерной для ТМО, составляет 4—7 мм. Для относительно тонких изделий (с толщиной сечения порядка 10—15 мм) ТМО протекает во всем объеме. Но в заготовках больших размеров аккумулиро­ ванное в толще тепло, скорость отвода которого лимитируется прежде всего теплопроводностью обрабатываемого материала, способствует развитию рекристаллизации. При этом в толще изделия свойства материала будут иные, чем в поверхностном, периферийном слое, упрочненном ТМО. Это обстоятельство следует учитывать при практическом использовании упрочне­ ния ТМО.

Так как процессы разрушения развиваются, как правило, с поверхности и начинаются в наиболее нагруженных участках, то выполнение локального упрочнения ТМО может решить проблему значительного повышения прочности.

На рис. 104 дана схема устройства, позволяющего проводить ТМО после скоростного индукционного нагрева т. в. ч. поверх­ ностного слоя, подвергаемого затем местной пластической деформации и закалке.

Кроме указанных выше способов упрочнения в практике машиностроения для повышения износостойкости, коррозионной стойкости и других эксплуатационных свойств широко исполь­ зуются наплавка, металлизация распылением, гальванические и неметаллические покрытия.

Рис. 104. Схема устройства для ло­ кального проведения ТМО в зоне концентрации напряжений после скоростного индукционного нагре­ ва т. в. ч.:

1 — обрабатываемая деталь; 2 и

4 — ролики, производящие обжим нагретой зоны; 3 — спрейер; 5 — экран; 6 — индуктор

Упрочнение деталей машин наплавкой

Наплавка применяется для упрочнения вновь изготовляемых деталей машин и является одним из наиболее гибких методов восстановления и увеличения срока службы изношенных деталей машин. В практике машиностроения наряду с ручной газовой и электродуговой наплавкой широкое применение получают механизированные способы наплавки [32—35].

Наиболее широко газовая наплавка применяется для на­ плавки твердым сплавом типа сормайт и различными тугоплав­ кими соединениями инструмента и деталей, рабочие поверхности которых должны иметь большую твердость и высокую износо­ стойкость. Такой способ наплавки наиболее распространен, так как с помощью этого способа можно получать наплавленные слои толщиной от 0,5 мм и более. Для наплавки сормайтом рекомендуются углеродистые стали и особенно сталь У8А. Можно производить наплавку на легированные инструменталь­

Ручная электродуговая наплавка используется при изго­ товлении новых деталей и в ремонтной практике. Типы и марки электродов для электродуговой наплавки поверхностных слоев деталей из сталей и сплавов регламентированы ГОСТом 10051—62.

вание наплавленного слоя по первой группе достигается приме­ нением легированной проволоки при обычном флюсе (ГОСТ 10543—63). По второй группе легирование осуществляется применением специальной проволоки, внутри которой находятся легирующие элементы в виде порошка. Легирование по третьей группе выполняется путем применения специального флюса, содержащего легирующие элементы при наплавке обычной проволокой или лентой. В четвертой группе легирование дости­

Большое применение механизированная наплавка получила для упрочнения деталей металлургического оборудования, особенно прокатных валков станов. Износостойкость наплавленных сталью ЗХ2В8 валков по сравнению с закаленными (валки изготовлены из стали 60ХТ) повышается в 3—4 раза. Износо­ стойкость наплавленного металла валков под флюсом КС-320 составляет 180—200% стойкости основного металла валков из стали 55Х.

В практике изготовления и ремонта деталей транспортных, сельскохозяйственных машин, металлорежущих станков и дру­ гих машин во многих случаях путем наплавки, правильного осуществления процесса и последующей термической обработки

Поверхностная закалка позволяет увеличить стойкость наплав­ ленного металла еще в 2 раза.

9087-—69) и молотый плавиковый шпат.

Электрошлаковую наплавку целесообразно использовать, когда необходимо наплавлять большое количество металла на большие партии изделий. Наиболее часто наплавляются детали с плоскими, коническими и цилиндрическими поверхностями.

Виброконтактная наплавка. Рассмотренные выше способы наплавки связаны с прогревом значительной части объема на­ плавляемых деталей, что приводит к деформации изготовленных деталей и другим нежелательным изменениям. Вибродуговой наплавкой можно наращивать на рабочие поверхности деталей машин слои толщиной 0,3—3,0 мм при наплавке в один слой практически без прогрева детали.

Большое применение получили головки, сконструированные А. М. Балабановым. Эти головки предназначены для наплавки на изношенные и вновь изготовленные детали слоя металла толщиной 0,5—2,5 мм, твердостью НВ 160 до HRC 50. В головке предусмотрена раздельная подача жидкости на деталь и конец рычага вибратора, чтобы избежать налипания брызг расплав­ ленного металла и создать наиболее выгодные условия для охлаждения детали.

Этот способ наплавки имеет существенный недостаток,

контактным способом слоя может быть достигнуто применением современных процессов чистовой обработки рабочих поверхно­ стей деталей.

На рис. 105 показано влияние чистовой обработки на износостойкость втулок, шлифованных с последующим электро­ механическим сглаживанием (кривая 1) и последующим поли­ рованием (кривая 2) в контакте с колодкой из свинцовистой бронзы. Испытание проводили при давлении 20 кгс/см2 со смаз­ кой машинным маслом по 10—12 капель в минуту при скорости 1,12 м/с в первые 4 ч, а в последующие 8 ч при скорости 1,88 м/с. Электромеханическое сглаживание приводит к повышению твердости и однородности структуры, а также ликвидации микротрещин, что улучшает эксплуатационные свойства деталей машин. Износостойкость колодок (кривые 3 и 4), работающих со втулками (кривые 1 и 2), показана на рис. 105.

машин. На ряде заводов вибродуговую наплавку успешно применяют при ремонте автомобилей, станочного, кузнечно­ прессового, литейного, подъемно-транспортного и другого оборудования.

Кроме рассмотренных способов наплавки в практике применяются и другие способы, например наплавка с нагревом

т. в. ч. главным образом порошковых твердых сплавов на рабочие органы почвообрабатывающих машин (лемеха плугов, культиваторов). Износостойкость лемеха и других деталей путем упрочнения наплавкой и нагревом т. в. ч. может быть повышена в 10—15 раз.

Наплавка металлических поверхностей различными леги­ рованными сталями, твердыми сплавами и тугоплавкими материалами во многих случаях значительно повышает срок службы деталей машин, подвергаемых трению при нормальной

Рис. 105. Износостойкость наплав­ ленных виброконтактным способом втулок в зависимости от метода чистовой обработки

и высокой температуре и ударных нагрузках. Так, например, борирование сталей наплавкой с помощью электродов, содер­ жащих в обмазке 80% борида хрома, 10% графита, 8% слюдя­

Упрочнение напылением на рабочие поверхности деталей материалов с высокими

эксплуатационными свойствами

Напыление металла наиболее часто осуществляется с по­ мощью газовой металлизации или электрометаллизации. Физико-механические свойства покрытия можно регулировать путем использования различных распыляемых металлов и режи­ мов обработки (рис. 106 и 107).

При назначении способа металлизации необходимо учиты­ вать преимущества и недостатки металлизации. К преимуще­

ствам следует отнести возможность наращивания на шейки валов машин, станин станков и других деталей слоев материала

щего состава напыляемого материала и выбора режимов обра­ ботки. Способ металлизации позволяет наносить слои из мате-

электрометаллизации

риалов со специальными свойствами, в результате чего не только увеличивается износостойкость, но и повышаются другие эксплуатационные свойства, например, жаростойкость и корро­ зионная стойкость. Свойства металла заготовки вследствие незначительного нагрева его в процессе напыления не изме­ няются. К преимуществам следует также отнести сравнительную простоту и малую стоимость процесса.

К основным недостаткам способа металлизации относятся хрупкость нанесенного слоя и не всегда достаточная прочность сцепления с металлом заготовки, снижение механической проч­ ности и особенно предела выносливости деталей в результате уменьшения размеров при подготовке поверхности и нарушения целостности рабочей поверхности деталей. Чтобы избежать тре­ щин в напыленном слое и добиться лучшего сцепления его с ос­ новным металлом, надо стремиться снизить остаточные напря­ жения в слое. Недостатком процесса является также трудность последующей механической обработки металлизованного слоя.