Фролов ЭМ.Технология изготовления деталей машин

КЩМДт/м'НВ щбг'Уо 6gjOa^f,Mna

Рис. 2.9.3. Зависимость механических свойств стали 40 от температуры отпуска

Hic^Mfla-M'^^

1000 2000 бг.МПа

Рис. 2.9.4. Диаграмма конструкционной прочности сталей:

MAC — метастабильные аустенитные стали; СМЗ — стали со сверхмелким зерном;

ТМО — стали после термомеханической обработки; МСС — мартенситно-стареющие стали; КЛС — средне- и высокоуглеродистые конструкци­ онные стали;

НЛС — низколегированные низкоуглеродистые стали (<0,2 %С); ПП — эвтектоидные стали со структурой пластинчатого перлита

С повышением температуры отпуска прочность снижается, а пластичность и удар­ ная вязкость увеличиваются (рис. 2.9.3). Из­ меняя температуру отпуска можно обеспечить разное соотношение характеристик прочности и надежности.

По характеристикам прочности и на­ дежности все стали могут быть распределены на группы (рис. 2.9.4).

В промышленности широко применяют­ ся углеродистые и легированные средне- и высокоуглеродистые стали, упрочняемые за­ калкой с отпуском. К ним относятся стали улучшаемые, рессорно-пружинные, шарико­ подшипниковые.

Улучшение применяется для деталей, работающих при статических, циклических и ударных нагрузках (валы, оси, штоки, шату­ ны, зубчатые колеса, рьгчаги и др.), в услови­ ях концентрации напряжений.

При выборе улучшаемой стали (45, 40Х, 40ХС, 35ХГСА, 40ХФА, 40Х2Н2МА, 38ХНЗМА и др.) кроме предела текучести, вязкости, чувствительности к надрезам важ­ ное значение имеет порог хладноломкости (Гзо), который должен бьггь на 40...60 °С ниже температуры эксплуатации детали.

Термически улучшаемые стали приобре­ тают высокие механические свойства при обеспечении требуемой прокаливаемости, получении мелкого зерна и недопущении развития отпускной хрупкости.

Прокаливаемость определяется присут­ ствием легирующих элементов. Однако не следует стремиться к применению сталей с излишней прокаливаемостью, поскольку не­ обходимое для этого высокое содержание хрома, марганца и кремния способствует рос­ ту склонности к хрупкому разрушению.

Для деталей, испытывающих в основном напряжения растяжения или сжатия (шатуны, ответственные болты, детали шарикоподшип­ ников и др.), а также сложнонапряженное состояние (торсионные валы, рессоры, пру­ жины и др.), т.е. в тех случаях, когда сердце­ вина детали испытывает значительные напря­ жения, закалка должна обеспечить сквозную прокаливаемость; закаленный слой в центре заготовки должен иметь структуру, состоящую из 90% мартенсита и 10% троостита.

Для надежного обеспечения прочности ответственных деталей, работающих в основ­ ном на изгиб и кручение (полуоси, валы, по­ воротные кулачки и др.), сердцевина которых не испытывает воздействия существенных напряжений, закаленный слой со структурой 90% мартенсита должен располагаться на глу­ бине не менее 1/2 радиуса от поверхности детали.

Величина зерна стали не оказывает су­ щественного влияния на стандартный ком­ плекс механических свойств при испытании

на статическое растяжение и твердость; из­ мельчение зерна резко повьпыает ударную вязкость, работу распространения трещины, снижает порог хладноломкости, уменьшает чувствительность к концентраторам напряже­ ний и склонность сталей к закалочным тре­ щинам и деформациям. Применение сталей с повышенной прочностью возможно только при измельчении зерна (8 балл и выше).

Измельчению зерна способствует рас­ кисление стали А1, легирование карбидообразующими элементами (Ti, V, Zr, Nb, W, Mo), повышение скоростей нагрева при закалке.

Для наиболее ответственных тяжелонафуженных деталей машиностроения приме­ няются высокопрочные стали. Их особенно­ стью является повышенная чувствительность к концентраторам напряжений и зависимость предела вьшосливости от временного сопро­ тивления. Если для сталей нормальной и по­ вышенной прочности (до ав = 1200 МПа) при увеличении ав возрастает предел выносливо­ сти ак (ак/ав « 0,5), то в высокопрочных ста­ лях повьпиение ав приводит к уменьшению aR (рис. 2.9.5). Аналогичная зависимость харак­ терна и для высокопрочных алюминиевых сплавов.

Высокопрочные среднелегированные стали (30ХГСН2А, 25Х2ГНТА, 30Х2га2СВМА, 40ХГСНЗВА и др.) упрочняются двумя спосо­ бами: закалкой и низким отпуском и изотер­ мической закалкой на ав = 1650...2100 МПа. Изотермическая закалка приводит к меньше­ му упрочнению, по сравнению с низкоотпущенным состоянием, но обеспечивает мень­ шую чувствительность к концентраторам на­ пряжений и более высокое сопротивление разрушению.

Для тяжелонагруженных деталей в авиа­ ционной промышленности, в ракетной тех­ нике, в судостроении, приборостроении (для упругих элементов), в криогенной технике применяются мартенситно-стареющие высо­ копрочные стали (03Н18К9М5Т, 03Н12К15М1О, 03Х11Н10М2Т и др.), которые превосходят по конструкционной прочности (см. рис. 2.9.4) и технологичности среднеуглеродистые высокопрочные стали.

Высокая прочность сталей достигается совмещением мартенситного превращения и старения мартенсита. После закалки на воз­ духе образуется безуглеродистый железоникелевый мартенсит, отличающийся высокой пластичностью (6 = 18...20%; v|/ = 70...80%) и вязкостью (КСи = 2,0...2,5 МДж/м^). В зака­ ленном состоянии стали сравнительно легко обрабатываются давлением, резанием, хорошо свариваются. Они обладают неограниченной прокаливаемостью и незначительной дефор­ мацией и короблением.

Рис. 2.9.5. Зависимость отношения а л / <т„ от временного сопротивления для различных сталей

Для изготовления силовых пружин и рессор применяют углеродистые и легирован­ ные стали (65, 75, 60С2А, 60С2Н2А, 50ХГФА и др.). Стали после tepмичecкoй обработки имеют высокий предел упругости, выносливо­ сти и релаксационной стойкости. Применяют два вида упрочняющей обработки: закалку со средним отпуском на структуру троостит и изотермическую закалку на нижний бейнит. Изотермическая закалка позволяет получить высокие механические свойства при ма лой деформации детали. Уровень механиче­ ских свойств легированных упрочненных сталей: Ств ^ 1800МПа, ао,2 > 1600 МПа, 6 > 5%, \\1 > 20%. Предел упругости составляет

Для подшипников качения применяются высокоуглеродистые низколегированные ша­ рикоподшипниковые стали (ШХ15, ШХ15СГ, ШХ20СГ и др.). Типичной термической обра­ боткой этих сталей является неполная закалка (820...850°С) в масле и низкий отпуск при 150...170°С. Для повышения стабильности размеров применяют обработку холодом (-70...-80 °С). После термической обработки стали имеют высокую твердость (HRC > 60), износостойкость и сопротивление контактной усталости.

Необходимая надежность сталей обеспе­ чивается сквозной прокаливаемостью, сниже­ нием количества неметаллических включений и газов при использовании специальных пе­ реплавов в вакууме и рафинировании синте­ тическими шлаками, а также устранением карбидной неоднородности.

Применение упрочняющей обработки при сохранении достаточного уровня пла­ стичности и вязкости позволяет обеспечить следующий уровень статическрй прочности:

для сталей ав = 1600...2200 МПа, титановых сплавов Ств = 1000... 1250 МПа, алюминиевых сплавов Ов = 550...600 МПа.

Основная термическая обработка, при­ меняемая для титановых сплавов, — отжиг. Упрочняющая термическая обработка, осо­ бенно для крупных деталей, недостаточно распространена. Это объясняется малой прокаливаемостью сплавов, низким значением пластичности и вязкости разрушения (Kic) и короблением деталей.

Упрочнению подвергаются (а+р) — сплавы (ВТ6, ВТ14, ВТ16, ВТ22 и др.). Уп­ рочнение состоит из закалки и старения. Ме­ ханические свойства сплава ВТ22 после упрочняющей обработки: ав = 1450 МПа, 6 = 6%, КСи > 0,3 МДж/м2; для сравнения после отжига:

ав = 1150 МПа, 6 = 15%, KCU = 0,9 МДж/м^.

После термического упрочнения вре­ менное сопротивление алюминиевых сплавов достигает ав = 500...700 МПа при пластично­ сти 6 = 8... 10%.Термическая обработка алю­ миниевых сплавов (дуралюмины Д, авиали АВ, высокопрочные В, ковочные АК и др.) состоит из закалки на пересыщенный твердый раствор и последующего естественного или искусственного старения. После закалки сплавы имеют сравнительно невысокую проч­ ность и высокую пластичность (5 = 20...25%).

После зонного старения сплавы чаще имеют повышенный предел текучести и отно­ сительно невысокое отношение аоУав<0,6...0,7, повьпыенную пластичность, хорошую корро­ зионную стойкость, низкую чувствительность к хрупкому разрушению, но низкую тепло­ стойкость.

После фазового старения отношение ^0,2/^в повышается до 0,9.:.0,95, а пластич­ ность, вязкость, сопротивление хрупкому разрушению и коррозии под напряжением снижаются, но повышаются тепло- и жаро­ стойкость.

2.9.3. УПЮЧНЕНИЕ ТЕРМИЧЕСКОЙ ПОВЕРХНОСТНОЙ ОБРАБОТКОЙ

Метод 3 рассматривается в п. 2.9.4, ме­ тоды 4 и 5 — в п. 2.9.6 данной главы.

Поверхностная закалка стали и чугуна при газопламенном нагреве осуществляется в результате местного нагрева поверхности де тали специальными горелками, работающими на смеси углеродных газов (чаще всего ацети­ лена) с чистым кислородом. Активная зона нагрева имеет форму небольшого круга или узкого прямоугольника длиной до 8... 10 см.

При обработке длинных деталей приме­ няется непрерывно-последовательная закалка, при которой газовая горелка и обрабатывае­ мое изделие совершают относительное дви­ жение; вслед за горелкой движется закалоч­ ный душ.

При обработке цилиндрических или плоских деталей закаленный слой получает соответственно форму спиральных или пло­ ских полос. В местах стыка полос наблюдает­ ся снижение твердости закаленной стали и структура неполной закалки. При обработке цилиндрических деталей с небольшим отно­ шением высоты к диаметру (например, шеек коленчатых валов) применяется метод закалки "за один оборот", при котором стык закален­ ных полос и пониженная твердость распола­ гаются по образующей цилиндра.

Поверхностная закалка стали и чугуна при индукционном нагреве осуществляется по схеме, представленной на рис. 2.9.6. Деталь 1 помещается в зону переменного магнитного поля катушки или проводника, которые на­ зываются индуктором 2. Это поле, в соответ­ ствии с законом электромагнитной индукции, возбуждает в поверхностных слоях детали электродвижущую силу и ток той же частоты, что и ток индуктора. Этот ток вызывает на­ грев той зоны детали, в которой он протекает-

Преобразователь 3 превращает ток час­ тотой 50 Гц в ток частотой от 2,4 до 440 кГц и напряжением от 400 до 800 В.

Понижающий трансформатор 4 согласу­ ет напряжение индуктора и преобразователя. Конденсаторная батарея 5, повышает cos ф с 0,2—0,4 до значения, близкого к 1, и разгру­ жает преобразователь частоты от реактивного тока.

Если индуктор сконструирован на на­ пряжение, одинаковое с напряжением преоб­ разователя частоты, то он присоединяется непосредственно к клеммам 6 преобразовате­ ля частоты.

Система автоматического управления ус­ тановкой 7 поддерживает необходимую мощ­ ность, отбираемую от преобразователя, и ре­ гулирует длительность нагрева.

Для индукционной поверхностной за­ калки применяют следующие частоты пере­ менного тока: средние — 2400... 10000 Гц; вы­ сокие - 70 000...440 000 Гц.

Для получения токов средней частоты используют машинные или тиристорные пре­ образователи частоты. Тиристорные преобра­ зователи имеют высокий КПД (более 90%) и не содержат движущихся частей, что опреде­ ляет меньшую трудоемость и простоту при уходе и ремонте.

Для выработки высоких частот исполь­ зуются ламповые генераторы или преобразо­ ватели частоты, работающие на мощных тран­ зисторах. Транзисторные преобразователи имеют более высокий КПД (90...92%) и воз­ можность получать переменные токи как вы­ соких, так и средних частот.

Ток индуктора /„ , частота тока/и мощ­ ность Рд, вьщеляемая в нагреваемой детали, связаны соотношением:

P^ = kllf^,

где к — коэффициент, зависящий от размеров индуктора и детали; р — удельное сопротив­ ление; \i — относительная магнитная прони­ цаемость нагреваемого металла. Приближенно считают, что ток проникает в сечение индук­ тора и нагреваемой детали на глубину

6 = 5000^Р7М7-

Значения 5 для меди (из которой обыч­ но изготовляют индукторы) и для стали 45 даны в табл. 2.9.3.

2.9.3. Глубина (мм) проникновения тока в металл при различных частотах тока

Принципиальные особенности индукцион­ ного нагрева по сравнению с нагревом в пе­ чах и нагревательных ваннах:

1. Тепло выделяется непосредственно в поверхностных слоях нагреваемой детали, а не передается в нее извне. Это позволяет осу­ ществлять нафев с большой скоростью и по­ лучать более мелкую кристаллическую струк­ туру стали с более высокими свойствами прочности и пластичности.

2.Варьируя мощность и время нагрева, можно достигать как поверхностного, так и сквозного нагрева детали.

3.Форма и размер зоны нагрева зависят от формы и размеров индуктора. Поэтому при индукционном нагреве возможен местный нагрев.

Индукционный нагрев характеризуют: удель­ ная мощность, т.е. мощность, вьщеляемая в 1 см^ нафеваемой поверхности (кВт/см^), вре­ мя нагрева (с), скорость нагрева в области фазовьЕХ превращений (т.е. при температуре выше 740 °С) и конечная температура. Про­ цесс индукционной поверхностной закалки состоит из следующих этапов: индукционный нагрев, закалочное охлаждение, пауза^ t те­ чение которых выполняется низкотемпера­ турный (150...250 °С) самоотпуск и повторное

охлаждение. Схемы закалки представлены на рис. 2.9.7.

При одновременной поверхностной за­ калке вся зона, подлежащая закалке, обраба­ тывается одновременно (рис. 2.9.7, а); зака­ лочный душ (спреер) совмещен с индуктором. При последовательной закалке (рис. 2.9.7, б) деталь после нагрева подается в зону охлаж­ дения душем. При непрерывно-последо­ вательной закалке (рис. 2.9.7, в) деталь и сис­ тема индуктор — закалочный душ в процессе обработки непрерывно движутся относитель­ но друг друга с постоянной скоростью (обьпно от 0,5 до 3 см/с).

Непрерывно-последовательная закалка позволяет обрабатывать детали сколь угодно большой длины с помощью источника тока сравнительно небольшой мощности.

Варианты индукционной поверхностной

закалки: индукционная поверхностная закалка (ИПЗ); индукционная объемно-поверхностная закалка (ОПЗ). Основные параметры этих вариантов приведены в табл. 2.9.4.

Глубина поверхностной закалки зависит от удельной мощности и времени нагрева (рис. 2.9.8). Структура закаленного слоя — мартенсит; переходный слой — сочетание структуры мартенсита и феррита. При ОПЗ (см. табл. 2.9.4) применяется сравнительно небольшая удельная мощность и большее вре­ мя нагрева, что позволяет достаточно равно­ мерно нагревать до закалочной температуры детали практически любой сложной формы.

Рис. 2.9.7. Схемы ицдукционной поверхностной

закалю!:

7 — закаливаемая деталь; 2 — витки индуктора;

3 — закалочный душ; 4 — патрубок, подводящий закалочную воду; 5 — закаленный слой

Г/7(/^с///а нагреба

Рис. 2.9.8. Графики дня выбора удельной мощности и времени нагрева в зависимости от необходимой глубины нагрева и температуры поверхности стали:

а — частота тока 10 кГц; б — ^ кГц

При этом достигается либо сквозной нагрев сечения детали (при диаметре или толщине до 50-60 мм), либо нагрев рабочей зоны детали например, зубьев шестерен) и некоторого «.лея под ней.

Интенсивное охлаждение водяным ду­ шем или потоком создает большой градиент скоростей охлаждения по сечению закаливае­ мой детали (рис. 2.9.9): поверхность охлажда­ ется со скоростью 8000...20000 °С/с, сердце­ вина (в зависимости от толщины детали) со скоростью 10—150 °С/с. При этом, в зоне поперечного сечения /, где скорость охлажде­ ния больше критической скорости закалки стапи Vyrp, образуется структура закаленной стали — мартенсит с твердостью HRO60, пределом прочности — 2400...2700 МПа. Бо­ лее глубокие слои // закаливаются на структу­ ру тонкой ферритно-цементитной смеси (троостит).

Основными факторами, обуславливаю­ щими высокий комплекс свойств стали после поверхностной индукционной закалки явля­ ются:

1)получение при нагреве более мелкого зерна аустенита и как следствие — уменьше­ ние размеров кристаллов закаленной стали — мартенсита;

2)создание в поверхностном закаленном

..юе сжимающих остаточных напряжений.

После термической обработки при на­ греве в печах конструкционных сталей зерно стали соответствует 7-8 баллу по стандартной шкале (средняя площадь зерна 1000...500 мкм^), а при индукционном нагреве до оптимальных температур — 9-10 баллу. Применением сталей, выплавленных по спе­ циальной технологии, удается пол)^ить зерно

11-12 балла (средняя площадь 60...30 мкм^) т.е. по площади в 15-30 раз мельче. Измель­ чение зерна резко повышает сопротивление стали разрушению (рис. 2.9.10), обеспечивает высокую твердость (около 60 HRC) при со­ хранении достаточного уровня пластичности, что позволяет использовать высокопрочное состояние стали (2400...2700 МПа) для тяжелонагруженных деталей.

'S 1 Q 1

1г| i H — \i\

о г-Ц—^ Ц

Расстояние по диаметру

Рис. 2.9.9. Схема распределения по сечению закаливаемой стальной детали скорости охлаждения и получаемых структур при ОПЗ:

7 — скорость охлаждения при использовании интенсивного водяного душа или потока;

2 — скорость охлаждения при закалке в минеральном масле; I — слой закалки на мартенсит;

II — объемы стали, закаливаемые на структуру тонкой феррито-цементитной смеси (троостит); ^кр ~ критическая скорость закалки стали.

сохранившаяся в детали, произвела отпуск, аналогичный отпуску в печи.

Самоотпуск можно осуществлять двумя способами:

1)по истечении определенного времени после окончания охлаждения, обычно через 5...20 с деталь подвергается повторному охла­ ждению;

2)деталь после прекращения закалоч­ ного охлаждения выдерживается на воздухе, медленно охлаждаясь до температуры окру­ жающей среды (обычно 30...40 мин).

Самоотпуск при индукционной закалке позволяет:

1)исключить отпуск в печах и создать условия для выполнения термической обра­ ботки в едином технологическом потоке с механической обработкой с полной автомати­ зацией процесса;

2)надежно предохранять детали от зака­ лочных трещин.

Охлаждение при индукционной закалке, при поверхностной и объемно-поверхностной

закалках осуществляется интенсивным водя­ ным душем или потоком. Наименьшая нерав­ номерность охлаждения и практически пол­ ное отсутствие трещин наблюдается при весь­ ма малых скоростях охлаждения в интервале температур образования мартенсита (ниже 300°С) — 3...10 °С/с (закалка в масле), либо при интенсивной подаче воды на закаливае­ мую поверхность (скорость охлаждения 800— 2500 °С/с). Однако, охлаждение в масле мо­ жет применяться только для легированных сталей, имеющих низкое значение критиче­ ской скорости закалки стали.

При средней интенсивности охлаждения (закалка погружением в спокойную воду, за­ калка душем или потоком малой интенсивно­ сти) имеет место значительная неравномер­ ность охлаждения и наблюдается массовое появление трещин при закалке. Для обеспе­ чения интенсивного и равномерного охлаж­ дения, обеспечивающего отсутствие трещин при закалке, необходимо, чтобы средняя ско­ рость воды, омывающей закаливаемую по­ верхность, находилась в пределах не менее 8...10 м/с.

Предотвращению образования трещин при индукционной закалке способствуют:

нагрев до минимальных температур, обеспечивающих полное превращение исход­ ной феррито-цементитной структуры в аустенит;

интенсивное и равномерное охлаждение; самоотпуск при температурах

150...200°С.

Технико-экономический эффект индук­ ционной поверхностной закалки достигается:

1)увеличением сопротивления усталости

иизносостойкости; в ряде случаев — сниже­ нием массы деталей вследствие увеличения допустимых рабочих напряжений;

2)повышением скорости закалки с воз­ можностью встраивания этого процесса в комплексные поточные или автоматические линии с законченным циклом их изготовле­ ния (механическая и термическая обработка);

3)заменой легированных конструкци­ онных цементуемых или улучшаемых сталей углеродистыми или специальными низколе­ гированными сталями пониженной или рег­ ламентированной прокаливаемости, что по­ зволяет на металлургических заводах снизить в 3—7 раз расход ферросплавов (марганца, хрома, кремния) и вовсе исключить расход никеля и молибдена; при этом стоимость ста­ ли снижается на 30...50%;

4)улучшением экологии, так как про­ цесс использует только электроэнергию и техническую воду и не дает никаких вредных выбросов и отходов.

2.9.4. УПРОЧНЕНИЕ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКОЙ

Химико-термическая обработка (ХТО) — совокупность процессов диффузионного на­ сыщения поверхностного слоя одним или несколькими химическими элементами в со­ четании с предварительной или последующей термической обработкой. При ХТО формиру­ ется одноили многокомпонентный диффу­ зионный слой, обладающий комплексом вы­ соких механических и физико-химических свойств.

ХТО включает большое число способов (рис.2.9.И). Диффузионное насыщение неме­ таллами (С, N, В) используют для упрочнения поверхности деталей машин и инструментов. Насыщение поверхности металлами (Сг, А1 , Zn ,Ti , Be и др.) или Si и В с металлами применяют для получения защитных покры­ тий, стойких к коррозии и коррозионномеханическому изнашиванию при нормаль­ ных и высоких температурах.

Ниже рассмотрены основные способы упрочняющей ХТО.

Цементация — процесс диффузионного насыщения поверхности углеродом. После цементации проводят закалку и низкий от­ пуск. Толщина науглероженного слоя 0,5...2,0 мм. Цементации подвергают низкоуг­ леродистые стали (табл. 2.9.5 ), которые слабо упрочняются при закалке.

S

X

т

X

S m

За

5

S

X