Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Фрикционная поверхностная закалка сталей вращающимся инструментом. Учебное пособие
.pdf
Министерство науки и высшего образования
Российской Федерации
Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина
В. П. Кузнецов, В. В. Воропаев, А. С. Скоробогатов
ФРИКЦИОННАЯ
ПОВЕРХНОСТНАЯ ЗАКАЛКА СТАЛЕЙ
ВРАЩАЮЩИМСЯ ИНСТРУМЕНТОМ
Учебное пособие
Рекомендовано методическим советом
Уральского федерального университета
для студентов вуза, обучающихся
по направлениям подготовки
22.03.01, 22.04.01 — Материаловедение и технологии материалов
22.03.02, 22.04.02 — Металлургия
Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2022
УДК 678.029.78(075.8)
ББК 34.651я73
К89
Рецензенты:
директор Института машиноведения УрО РАН доктор технических наук В. П. Швейкин;
доктор технических наук, профессор Б. А. Потехин (кафедра технологических ма‑
шин и технологии машиностроения ФГБОУ ВО «Уральский государственный ле‑
сотехнический университет»)
Научный редактор — доктор технических наук, профессор А. А. Попов
Кузнецов, В. П.
К89 Фрикционная поверхностная закалка сталей вращающимся инструментом :
учебное пособие / В. П. Кузнецов, В. В. Воропаев, А. С. Скоробогатов ; М‑во нау‑
ки и высш. образования РФ. — Екатеринбург : Изд‑во Урал. ун‑та, 2022. — 110 с.
ISBN 978‑5‑7996‑3427‑8
Пособие посвящено современным представлениям о поверхностной закалке конструк‑
ционных сталей локализованным тепловым воздействием и методу фрикционной закалки
вращающимся инструментом. Рассмотрены типы упрочняемых поверхностей и выбор формы
и материала инструмента. Приведены справочные сведения о тепловых, механических и струк‑
турных свойствах инструментальных материалов. Показаны обобщенная модель и алгоритм
решения многофакторной задачи управления термическим циклом процесса, методы анали‑
тического и конечно‑элементного теплофизического моделирования фрикционной поверх‑
ностной закалки. Большое внимание уделено экспериментальным исследованиям процесса
по установлению влияния технологических параметров на изменение коэффициента трения
и температуры, микротвердости и микроструктуры упрочняемого слоя.
Предназначено для студентов бакалавриата и магистратуры направления «Материало‑
ведение и технологии материалов».
Табл. 9. Рис. 80. Прил. 1.
УДК 678.029.78(075.8)
ББК 34.651я73
ISBN 978‑5‑7996‑3427‑8 © Уральский федеральный
университет, 2022
Предисловие
оверхностная закалка деталей из конструкционных сталей
прочно закрепилась в технологических процессах серийно‑
П
ностной закалки возможно упрочнение локальных участков поверх‑
ностей. Особое место в поверхностной закалке ответственных деталей
занимают методы, основанные на тепловом воздействии подвижным
пятном нагрева.
В учебном пособии приведены общие сведения о поверхностной
закалке локализованным тепловым воздействием лазером, плазмой,
электрическим током и трением вращающегося инструмента. По‑
казаны характерные особенности каждого метода, их преимущества
и недостатки. Приведены сведения об основных тепловых параметрах
процессов, таких как удельная тепловая мощность, термический цикл
и зона термического влияния. Приведены сведения о температурных
режимах поверхностной закалки сталей различных классов.
Основное внимание в пособии уделено методу фрикционной по‑
верхностной закалки как одному из наиболее перспективных для се‑
рийного производства деталей трибосопряжений. Рассмотрены формы
инструмента и виды упрочняемых поверхностей изделий. Подробно
представлена информация о микроструктуре, прочностных и тепло‑
вых свойствах инструментальных материалов W–Re, WC–Co, PCBN
и сиалоновой керамики.
Описаны подходы к выбору технологических параметров фрик‑
ционной поверхностной закалки и коэффициента трения на осно‑
ве установления их взаимосвязи с теплофизическими параметрами
термического цикла. Для лучшего понимания процесса представле‑
на обобщенная модель и алгоритм решения многофакторной задачи
управления термическим циклом поверхностной закалки.
го производства высоконадежных машин. За счет поверх‑
3
Предисловие
Значительный интерес представляет раздел теплофизического мо‑
делирования процесса фрикционной поверхностной закалки с при‑
менением аналитических и конечно‑элементных моделей. Показаны
особенности моделирования процесса на этапах предварительного
разогрева инструмента и при линейном перемещении. В пособии со‑
держится подробное описание экспериментальных методов исследо‑
вания фрикционной поверхностной закалки с применением ориги‑
нальных технических средств.
Особый интерес для изучения процесса представляют автомати‑
зированное трибометрическое устройство и измерительный комплекс
для измерения температуры в контактной зоне инструмента и в закали‑
ваемом поверхностном слое при изменении технологических параме‑
тров процесса. Приводятся данные результатов конечно‑элементного
моделирования и экспериментальных исследований температурно‑
временных параметров термического цикла поверхностной закалки
стали марки 20Х13 твердосплавным инструментом WC–Co. Подробно
представлены методы и результаты структурно‑фазового анализа, ми‑
кродюрометрии и профилометрии упрочненного поверхностного слоя.
4
Введение
ксплуатационные свойства деталей трибосопряжений, рабо‑
тающих в условиях высоких контактных давлений, в значи‑
Э
слоя. Существуют два подхода к поверхностному упрочнению сталей.
Первый основан на наращивании нового слоя наплавкой или нанесе‑
нием покрытия. Второй предполагает модификацию поверхностного
слоя без намеренного увеличения размеров детали за счет примене‑
ния методов диффузионной или селективной (трансформационной)
закалки локализованным тепловым воздействием. Наиболее распро‑
страненными методами селективной закалки являются лазерная, плаз‑
менная, электроконтактная. Также интенсивно развивающимся ме‑
тодом поверхностного упрочнения является фрикционная обработка
вращающимся инструментом.
Поверхностная закалка сталей методом обработки трением имеет
ряд существенных преимуществ. Во‑первых, она может быть реализо‑
вана одним или несколькими финишными переходами многоцелевой
обработки деталей трибосопряжений на станках с ЧПУ. Во‑вторых,
процесс фрикционной поверхностной закалки является экологически
чистым и энергосберегающим. Также одним из важнейших преиму‑
ществ поверхностной закалки в процессе обработки трением враща‑
ющимся инструментом является отсутствие необходимости в приоб‑
ретении дорогостоящего специализированного оборудования.
Существует множество высокоточных стальных деталей, поверх‑
ностный слой которых может быть упрочнен фрикционной закалкой
в процессе изготовления на современных обрабатывающих центрах.
Примером таких деталей могут быть запорные органы клиновых и ши‑
берных задвижек, подшипники скольжения и др.
Для реализации данного процесса необходимо осуществлять вы‑
бор современного инструментального материала и решать многофак‑
тельной степени определяются свойствами поверхностного
5
Введение
торную задачу управления термическим циклом нагрева упрочня‑
емого материала во взаимосвязи с технологическими параметрами
(нормальная сила, частота вращения и подача инструмента) и коэф‑
фициентом трения.
Выбор оптимальных величин технологических параметров для до‑
стижения требуемой твердости поверхностного слоя возможен мето‑
дами аналитического и конечно‑элементного моделирования на ос‑
нове установления закономерностей изменения тепловых свойств
упрочняемых сталей и материала инструмента при температурах на‑
грева выше AC3. Инструмент должен обеспечить требуемый нагрев,
но не расплавлять поверхность. Идеальным является повышение тем‑
пературы конструкционных сталей до 1050…1100 °C. Кроме того, для
достижения максимальной глубины фрикционного упрочнения стали
необходимо правильно определять температурно‑временные параме‑
тры термического цикла закалки с применением современных мето‑
дов и средств структурно‑фазового анализа, микродюрометрии и про‑
филометрии поверхностного слоя.
6
1. Локализованное тепловое воздействие
и современные методы поверхностной закалки
конструкционных сталей
окализованное тепловое воздействие на поверхностный слой
источниками различной физической природы позволяет ре‑
Л
на основе железа особенно подходят для поверхностной закалки, так
как может быть сформирована твердая мартенситная фаза. Основны‑
ми источниками локализованного теплового воздействия являются
световой луч, плазма, трение, электрический ток и др.
Поверхностная закалка методами локализованного теплового воз‑
действия обеспечивает кратковременный нагрев материала до тем‑
пературы выше критической точки AC3 для доэвтектоидных сталей
и критической точки AC1 для заэвтектоидных сталей с последующим
быстрым охлаждением.
Повышение температуры нагрева до 1050…1200 °C при поверхност‑
ной закалке сталей является идеальным. Нижележащий (подповерхност‑
ный) слой материала действует как радиатор, вызывая быстрое охлаж‑
дение. Твердость, прочность, износостойкость и усталостные свойства
участков поверхности могут быть значительно улучшены, в то время как
пластичность и ударная вязкость остаются неизменными.
ализовать закалку требуемых участков заготовок. Сплавы
1.1. Основные параметры локализованного теплового воздействия
В процессе поверхностной закалки любой источник тепловыделе‑
ния, такой как лазер, плазма, электронный луч, трение, выделяет те‑
пловую мощность Q
, которая измеряется в системе СИ в ваттах (Вт).
и
7
1. Локализованное тепловое воздействие и современные методы поверхностной закалки конструкционных сталей
q
Q
тп
,
t
d
v
.
Однако не вся выделяемая источником мощность поглощается на‑
греваемым телом: часть ее отражается от поверхности, часть расходу‑
ется на излучение в окружающую среду, на конвективный теплообмен
и т. д. Тепловая мощность источника, поглощаемая нагреваемым те‑
лом, называется эффективной тепловой мощностью источника теп‑
ла и обозначается символом Qп.
Эффективность нагрева тела определяется как коэффициент по‑
лезного действия источника тепла h = Qп/Qи, который показывает,
какая часть полезной мощности передана нагреваемому (закаливае‑
мому) телу.
По степени локализации ввода тепла в пятно нагрева закаливае‑
мого поверхностного слоя различные источники тепла значительно
отличаются друг от друга. Наибольшая локализация ввода тепла по‑
казывает возможность закалки малых прецизионных поверхностей.
Ввод тепла по большой площади поверхности (малая локализация),
как правило, не обеспечивает равномерности твердости.
Весьма важным параметром поверхностной закалки является плот‑
ность тепловой мощности (удельная тепловая мощность) источника
qп, Вт/м 2:
и
=
п
A
где Aтп — площадь теплового пятна (пятна нагрева), м 2.
Для сопоставления методов поверхностной закалки можно постро‑
ить диаграмму зависимости плотности тепловой мощности источника
от размера пятна нагрева, имеющего форму круга диаметром dн (рис. 1.1).
Однако не только плотность тепловой мощности определяет тем‑
пературу нагрева поверхностного слоя. Также необходимо учитывать
время нагрева tн, которое зависит от размера пятна нагрева и скоро‑
сти его смещения v при взаимном перемещении источника тепловы‑
деления и заготовки. В случае локализованного теплового воздействия
в виде пятна нагрева диаметром dн время нагрева можно определить
по формуле
н
=
н
Нагрев одного кубического миллиметра стали для реализации
поверхностной закалки в среднем требует порядка 50 Дж тепловой
энергии. Для этого плотность мощности поглощенного заготовкой
8
1.1. Основные параметры локализованного теплового воздействия
1000
н
2
олП онт волпет ьтс онщом йо итс q м/тВ ,
тепла в зоне теплового воздействия в течение одной секунды должна
быть на уровне 10 Вт/мм 2. В этом случае для пятна нагрева площадью
100 мм 2 мощность источника тепловыделения без учета потерь долж‑
на составлять примерно 1 кВт.
10
10
и
9
10
10
10
10
8
7
6
Электро-
контактная
закалка
Фрикционная
закалка вращающимся
инструментом
0,10,01 1
Размер пятна нагрева d , м·10
Рис. 1.1. Взаимосвязь плотности тепловой мощности источника qи и размера
пятна нагрева dн для различных методов поверхностной закалки
Плазменная закалка
Лазерная закалка
10 100
–2
Место поверхностной закалки в технологических процессах обра‑
ботки и упрочнения поверхностей изделий из конструкционных ста‑
лей в зависимости от плотности тепловой мощности и времени лока‑
лизованного воздействия (нагрева) приведено на рис. 1.2.
Для равномерного прогрева упрочняемой заготовки в процессе по‑
верхностной закалки сталей необходимо относительно большое вре‑
мя теплового воздействия и малая плотность тепловой мощности, что
не приведет к локальному плавлению.
Процесс плакирования (локальное нанесение тонких металлизи‑
рованных порошковых покрытий) имеет схожее время воздействия
с поверхностной закалкой. Однако для расплавления металлических
порошков на поверхности необходима большая плотность тепловой
мощности.
Локальное плавление сталей требует еще большей плотности те‑
пловой мощности и времени воздействия порядка 10
–4
с. Процесс
резания также сопряжен с плавлением материала в зоне локального
9
1. Локализованное тепловое воздействие и современные методы поверхностной закалки конструкционных сталей
v
TT
н
−
xи
v
TT
охл
−
теплового воздействия инструмента и реализуется при высокой плот‑
ности тепловой мощности и малом времени воздействия. Наибольшей
плотностью мощности поглощенного тепла характеризуется техноло‑
гия точечной сварки.
5
10
2
4
10
п
3
10
2
10
10
10
Точечная сварка
3
Резание
–1
10
Плавление
Плакирование
Поверхностная
10
закалка
Плотность тепловой мощности q , Вт/мм
1
10
–4
10
–3
10
–2
10
–1
1
10
Время воздействия, с
Рис. 1.2. Место поверхностной закалки в технологических процессах обработки
и упрочнения изделий в зависимости от плотности тепловой мощности и времени
локализованного воздействия [1]
Основными временными параметрами термического цикла (тем‑
пературной истории) поверхностной закалки, помимо времени нагре‑
ва tн, являются скорость нагрева
ки t
, а также время t
g
и скорость охлаждения
охл
==
tg ,
α
нн
ma
сх
время выдерж‑
t
==
tgα
охлохл
A
нм
R
3
t
которые могут быть определены на основе графического представле‑
ния изменения температуры в упрочняемой стали на этапах аустени‑
зации и охлаждения (рис. 1.3).
,
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]