Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Фрикционная поверхностная закалка сталей вращающимся инструментом. Учебное пособие
.pdf
1.3. Выбор температуры поверхностной закалки конструкционных сталей
цесса закалки упрочняемая поверхность должна быть нагрета до тем‑
пературы не менее чем на 50 °C выше соответствующей критической
точки. Для некоторых сталей рекомендуется температура закалки, пре‑
восходящая температуру критической точки более чем на 150 °C [7].
Таблица 1.1
Режимы поверхностной закалки конструкционных сталей
Марка
стали
35 С35, AISI 1035 810 850…890 580…600
45 AISI 1045 755 820…860 656…750
60 С 60 750 780…830 875
30ХМА
40Х
40ХФА AISI 4140 800 850…880 750
40Х2Н2МА AISI 4340 805 870…890 690
ШХ15
15Х5М AISI 501 848 900…920 300…350
12Х13 AISI 410 850 1000…1050 560
20Х13 AISI 420 950 1000…1050 700…750
40Х13 AISI 420 950 1000…1050 750…800
Х6ВФ X100CrMoV5‑1 845 (815) 980…1000 750
Х12Ф1 X155CrVMo12‑1 860 (810) 970…1030 850
Зарубежный
аналог
AISI 4130,
25XMо4
AISI 5140,
41Cr4
AISI 52100,
100Cr6
Теплостойкие, коррозионно‑ и износостойкие стали
Температура критиче‑
ской точки AC3 (AC1), °C
Углеродистые стали
Легированные стали
807 880…900 530…580
815 840…860 910
Подшипниковая сталь
900 (724) 750…780 1000
Инструментальные стали
Темпера‑
тура закал‑
ки, °C
Твер‑
дость, HV
Таким образом, для реализации поверхностной закалки должен
быть подобран режим нагрева, обеспечивающий тепловложение, до‑
статочное для достижения соответствующей закалочной температуры
в пределах упрочняемого локализованного участка.
Однако, помимо температуры нагрева, при выборе режимов по‑
верхностной закалки необходимо учитывать теплофизические харак‑
21
1. Локализованное тепловое воздействие и современные методы поверхностной закалки конструкционных сталей
теристики сталей, определяющие степень прогрева материала. К таким
параметрам относятся коэффициент теплопроводности l, удельная те‑
плоемкость Сr и плотность r материала (табл. 1.2).
Таблица 1.2
Типовые стали и их теплофизические характеристики
Марка
стали
35 С35, AISI 1035 28…49 470…710 7300…7800
45 AISI 1045 26…48 470…720 7300…7800
60 С 60 36…68 480…570 7350…7800
30ХМА
40Х
40ХФА AISI 4140 28…37 470…660 7300…7800
40Х2Н2МА AISI 4340 44 475 7350…7800
ШХ15
15Х5М AISI 501 33…37 480 7300…7750
12Х13 AISI 410 25…28 470…670 7300…7700
20Х13 AISI 420 25…33 450…1400 7250…7650
40Х13 AISI 420
Х6ВФ X100CrMoV5‑1 54…97 450…460 7350…7990
Зарубежный
аналог
AISI 4130,
25XMо4
AISI 5140,
41Cr4
AISI 52100,
100Cr6
Теплостойкие, коррозионно‑ и износостойкие стали
Коэффициент
теплопроводности λ,
Вт/(м · °C)
Углеродистые стали
Легированные стали
32…46 460…840 7350…7800
28…46 460…660 7350…7800
Подшипниковая сталь
32…46 475 7350…7800
Инструментальные стали
Удельная
теплоемкость Cρ,
Дж/(кг · °C)
Плотность
ρ, кг/м
3
Способность материала проводить тепло характеризуется величи‑
ной коэффициента теплопроводности l. Чем выше коэффициент те‑
плопроводности, тем более низкий градиент температур будет фор‑
мироваться от нагреваемой поверхности вглубь детали. В этом случае
будет происходить более равномерный нагрев материала по глубине
поверхностного слоя. Однако с повышением коэффициента теплопро‑
водности максимальная температура нагрева в тепловом пятне будет
снижаться. Помимо прогрева материала коэффициент теплопрово‑
дности оказывает существенное влияние на коэффициент полезно‑
22
1.3. Выбор температуры поверхностной закалки конструкционных сталей
го действия при электроконтакт‑
ной или фрикционной закалке.
По мере увеличения коэффици‑
ента теплопроводности происхо‑
дит повышение коэффициента
полезного действия за счет того,
что большая доля выделившегося
в контактной зоне тепла поступа‑
ет в обрабатываемую деталь.
Удельная теплоемкость
и плотность сталей также ока‑
зывают существенное влияние
на процесс поверхностной за‑
калки. Их сочетание определяет
количество тепла, которое необ‑
ходимо затратить на повышение
температуры материала и кото‑
рое «запасается» в процессе. Чем
больше произведение удельной
теплоемкости и плотности стали,
тем больше тепла необходимо пе‑
редать заготовке в процессе ее на‑
грева и больше тепла необходимо
отвести в процессе охлаждения.
Таким образом, при постоянной
мощности тепловыделения уве‑
личение произведения удельной
теплоемкости и плотности стали
приводит к снижению скоростей
нагрева и охлаждения локализо‑
ванного участка заготовки.
Не стоит также забывать о том
факте, что теплофизические ха‑
рактеристики сталей не явля‑
ются постоянными величинами
и в значительной степени зави‑
сят от температуры нагрева. При
этом зависимости теплофизиче‑
а
7700
7600
3
7500
7400
r, кг/м
7300
7200
0 500 1000 1500
Температура, °С
б
1400
1200
1000
800
r
С , Дж/(кг·°С)
600
400
0 500 1000 1500 2000
Температура, °С
в
34
32
30
28
l, Вт/(м·°С)
26
24
0 500 1000 1500 2000
Температура, °С
Рис. 1.13. Зависимости коэффициен‑
та теплопроводности l (а), удельной те‑
плоемкости С
ли марки 20Х13 от температуры
(б) и плотности r (в) ста‑
r
23
1. Локализованное тепловое воздействие и современные методы поверхностной закалки конструкционных сталей
ских характеристик сталей от температуры могут быть существенно
нелинейными (рис. 1.13). Так, зависимость коэффициента теплопро‑
водности l от температуры для стали марки 20Х13 представлена в виде
кривой, имеющей несколько максимумов (рис. 1.13, а). Зависимость
удельной теплоемкости имеет форму степенной функции в темпера‑
турном диапазоне 0…750 °C, резкий перепад на конце диапазона и ли‑
нейный характер при температурах более 1000 °C (рис. 1.13, б). Плот‑
ность стали марки 20Х13 при увеличении температуры уменьшается
по линейной зависимости (рис. 1.13, в).
Контрольные вопросы к главе 1
1. В чем заключается принцип поверхностной закалки методами
локализованного теплового пятна?
2. Какие зоны можно выделить в зоне температурного влияния
при поверхностной закалке? Какие их отличительные особен‑
ности?
3. Какие существуют промышленные методы поверхностной за‑
калки локализованным тепловым воздействием?
4. Какая характеристика стали определяет закалочную темпера‑
туру?
5. Какие характеристики сталей оказывают влияние на степень
прогрева обрабатываемой поверхности?
24
2. Основы процесса фрикционной поверхностной
закалки сталей вращающимся инструментом
2.1. Форма инструмента и упрочняемые поверхности
рикционная поверхностная закалка (ФПЗ) может находить
наибольшее применение при упрочнении локализованных
Ф
торией движения детали или вращающегося инструмента. По пло‑
щади упрочняемой поверхности и диаметру инструмента определяют
количество рабочих ходов инструмента. При фрикционной поверх‑
ностной закалке значительных по размерам локализованных участков
применяется возвратно‑поступательная траектория взаимного пере‑
мещения инструмента и стола станка с закрепленной заготовкой. Как
правило, для фрикционной поверхностной закалки плоских поверх‑
ностей применяются цилиндрические инструменты с плоским тор‑
цом и фаской [8]. При использовании вращающегося цилиндриче‑
ского инструмента с плоским торцом и фаской за один проход может
быть упрочнена поверхность шириной, близкой к диаметру инстру‑
мента dи (рис. 2.1). Как правило, фаска имеет размеры 0,5 мм × 45°
или 1,0 мм × 45°.
На краях дорожки трения толщина закаленного поверхностного
слоя намного меньше, чем в середине. На рис. 2.2 приведен пример
фрикционной закалки поверхности под крепеж и рабочей поверхно‑
сти лопатки дробемета из стали Гадфильда.
Фрикционное упрочнение плоских поверхностей кольцевой фор‑
мы выполняется с вращением заготовки на металлообрабатывающих
станках или обрабатывающих центрах. В случае фрикционной закал‑
ки таких поверхностей инструмент, помимо вращения, перемещается
по круговой или более сложной специальной траектории, выполняя
участков плоских поверхностей с прямолинейной траек‑
25
2. Основы процесса фрикционной поверхностной закалки сталей вращающимся инструментом
один или несколько проходов. На рис. 2.3 приведен пример фрикци‑
онной закалки уплотнительной поверхности клина запорного органа
задвижки с диаметром условного прохода DN 50 мм инструментом
диаметром 10 мм за один проход на обрабатывающем центре MA‑600
(OKUMA).
F
f
н
n
α
d
и
Рис. 2.1. Вращающийся цилиндрический инструмент с плоским торцом и фаской:
Fн — нормальная сила; f — подача инструмента; n — частота вращения; dи — диаметр
инструмента; a — угол фаски
а б
Рабочая
поверхность
Поверхность
крепления
F
н
f
n
Вход
инструмента
Выход
инструмента
Рис. 2.2. Турбина дробемета в сборе с лопатками (а) и пример фрикционной по‑
верхностной закалки лопатки с линейной траекторией движения инструмента (б):
Fн — нормальная сила; f — подача инструмента; n — частота вращения
26
2.1. Форма инструмента и упрочняемые поверхности
а б
Рис. 2.3. ФПЗ уплотнительной поверхности клина задвижки DN 50 мм,
PN 16 МПа на обрабатывающем центре МА‑600/Okuma (а) и упрочненная
кольцевая поверхность клина (б)
Фрикционная закалка радиусных и криволинейных поверхностей
возможна с помощью вращающегося цилиндрического инструмента
со сферической формой рабочей части (рис. 2.4).
F
н
n
R
и
f
d
и
Рис. 2.4. Вращающийся цилиндрический инструмент со сферической формой
рабочей части
Такой инструмент подходит для упрочнения тороидальной поверх‑
ности под уплотнительное металлическое кольцо на плоском ворот‑
27
2. Основы процесса фрикционной поверхностной закалки сталей вращающимся инструментом
А - А
А - А
никовом фланце (рис. 2.5) и широкой радиусной поверхности крон‑
штейна (рис. 2.6).
а б
Закаленный
А А
Рис. 2.5. Кольцевая тороидальная уплотнительная поверхность фланца (а)
и сечение А‑А с закаленным радиусным слоем (б)
а б
слой
Закаленный
слой
А А
Рис. 2.6. Контактная радиусная поверхность рычага (а) и сечение А‑А (б)
с закаленным слоем
Фрикционная закалка вращающимся инструментом с полостью
в наконечнике позволяет упрочнять поверхности вокруг отверстий под
крепежные изделия (шайбы, головки болтов, гайки) в дисках, флан‑
цах и других деталях (рис. 2.7).
Для задания нормальной силы Fн при ФПЗ плоской поверхности
заготовки на обрабатывающем центре была разработана и запатенто‑
вана специальная инструментальная державка [9], позволяющая осу‑
ществлять плавную настройку в диапазоне 2…4 кН (рис. 2.8). Инстру‑
мент 1 закрепляется в державке 2 двумя винтами 3. Сила F
путем сжатия пружины 4 винтом 5 и фиксируется винтом 6.
28
задается
н
а б
F
145
н
2.2. Материалы инструмента
Зона
закалки
10
n
d
в
d
и
Рис. 2.7. Инструмент с полостью в торце (а) и пример детали
с упрочненной контактной поверхностью торца отверстия (б)
1
3
2
6
4
2х45°
5
195
Рис. 2.8. Державка цилиндрического инструмента для реализации поверхностной
закалки в процессе обработки трением с перемешиванием на станках с ЧПУ
2.2. Материалы инструмента
Режимы фрикционной поверхностной закалки и свойства упроч‑
ненного слоя в значительной степени зависят от материала инстру‑
мента. Основными свойствами материала инструмента являются сле‑
дующие:
29
2. Основы процесса фрикционной поверхностной закалки сталей вращающимся инструментом
• коэффициент трения в контакте с упрочняемой сталью;
• низкая теплопроводность;
• жаропрочность;
• стабильность твердости в широком диапазоне температур;
• жаростойкость (окалиностойкость);
• количество циклов нагрев (охлаждение) (входов‑выходов ин‑
струмента в поверхностный слой);
• износостойкость (путь трения).
В качестве материала инструментов используются твердые спла‑
вы на основе вольфрама с добавлением рения Re и гафния Hf, карби‑
да вольфрама с кобальтом WC–Co, поликристаллического кубическо‑
го нитрида бора PCBN и других материалов, которые имеют высокую
температурную прочность и твердость.
В работе [10] показано, что рений улучшает прочность и пластич‑
ность вольфрама в диапазоне температур 20…3000 °C. Следует отме‑
тить, что при температурах выше 800 °C твердость сплавов W–Re сни‑
жается до значений менее 200 HB независимо от содержания рения
(рис. 2. 9).
600
500
400
300
Твердость, НВ
200
100
200 400 600 8000
Температура, °С
Рис. 2.9. Зависимость твердости по Бринеллю (HB) вольфрама, рения и их сплавов
от температуры [10]
W
W - 2% Re
W - 5% Re
W - 10% Re
W - 25% Re
W - 75% Re
Re
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]