Фролов ЭМ.Технология изготовления деталей машин

Максимальная циклическая прочность (вьшосливость при изгибе) достигается при концентрации углерода на поверхности (-0,8%) и толщине слоя Лэф = 0,5...0,7 мм.

Высокая износостойкость и контактная выносливость достигаются при повышенной насыщенности цементованного слоя и струк­ туре, содержащей избьггочную карбидную фазу. Корггактная выносливость растет по мере увеличения эффективной толщины це­ ментованного слоя и снижения градиента концентрации а до 5... 10 %.

Качество слоя резко снижается при ук­ рупнении зерна, образовании сетки цементи­ та, большого количества остаточного аустенита, окислении легирующих элементов и обра­ зовании трооститной сетки из-за недостаточ­ ной прокаливаемости цементованного слоя.

Обеспечение требуемых характеристик цементованного слоя достигается путем управления процессом науглероживания, ко­ торый описывается уравнением массопереноса углерода

Левая часть равенства характеризует удельный поток углерода из газовой среды к насыщаемой поверхности металла (внешний массоперенос). Он пропорционален разности концентрации (активности) в газовой среде (QTM) И на поверхности (€„) и коэффициенту массопереноса (скорости перехода) углерода р, зависящему от состава газовой среды, ее давления, скорости циркуляции.

Правая часть уравнения характеризует диффузионный поток углерода, который от­ водится от поверхности и формирует цемен­ тованный слой. Он пропорционален коэффи­ циенту диффузии углерода D и градиенту концентрации углерода, который является движущей силой процесса диффузии.

Применяют два типа технологических атмосфер:

1)атмосферы с контролируемым угле­ родным потенциалом;

2)атмосферы с контролируемым расхо­ дом технологических газов.

Ватмосферах 1-го типа требуемая кон­ центрация углерода в слое задается ее угле­ родным потенциалом, который в конце про­ цесса, как правило, составляет 0,8%. Атмо­ сферы 2-го типа обладают более высокой на­ углероживающей способностью, достаточной для образования на поверхности стали избы­ точных карбидов. Процесс насыщения регу­ лируют в кинетическом режиме, останавливая его после достижения заданной концентрации углерода.

Контролируемые атмосферы по химиче­ скому составу подразделяют на три вида: эн­

дотермическая (20% СО; 40% Н2; СН4+СО2 + + Н2О до 3%, остальное — N2); экзоэндотермическая (20% СО; 20% Uj; СН4 + + СО2+ Н2О до 1,5%, остальное — N2); син­ тетическая на основе азота. Первые две атмо­ сферы получают в специальных генераторах путем неполного сжигания природного газа. Синтетическую ("безгенераторную" ) атмосфе­ ру создают непосредственно в рабочем про­ странстве печи путем подачи нескольких компонент: например, азота, метанола и угле­ кислого газа или воздуха и метана, или азота, водорода и метана.

Углеродный потенциал эндоатмосферы составляет 0,5...0,7%. Для его увеличения к эндоатмосфере (к газу-носителю) добавляют

ного производства применяют газовую цемен­ тацию, которую проводят в автоматизирован­ ных безмуфельных печах непрерывного дей­ ствия большой (700 кг/ч) производительности или камерных печах типа СНЦА меньшей про-изводительности. Используют контроли­ руемые атмосферы 1-го типа с автоматиче­ ским регулированием углеродного потенциала.

Основной тип обрабатываемых дета­ лей — зубчатые колеса из низколегированных сталей. Типовой режим их упрочнения вклю­ чает цементацию при температуре 930°С, подстуживание до 850°С, ступенчатую закалку в горячем масле и отпуск при 180°С.

Применяют также двухстадийный режим цементации. В первой зоне печи поддержи­ вают высокий (1,1...1,3% ) углеродный потен­ циал, во второй зоне его снижают до 0,8%. Концентрационные кривые углерода приобре­ тают характерную горизонтальную площадку (рис.2.9.13).

К

о0,2 Off 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 мм

Расстояние от поверхности

Рис. 2.9.13. Распределение концентрации углерода по толщине цементованного слоя после отшостадийного и двухстадийного режимов науглероживания при раз­ личном углеродном потенциале Сатм на второй стадии (на первой стадии Сатм =0,8%)

В условиях серийного производства ис­ пользуют универсальное быстро переналажи­ ваемое оборудование.

Широкое применение получила цемен­ тация в шахтных печах типа Ц (с подачей жидких углеводородов) и СШЦМ из-за про­ стоты конструкции печей, их компактности, возможности комплектования садки из дета­ лей различной формы и размеров.

Контролируемые атмосферы используют в универсальных печах типа СНЦА, снабжен­ ных герметизированным тамбуром и закалоч­ ным баком.

Однако применение контролируемых атмосфер ограничено. Обеспечение высоких концентраций углерода на поверхности воз­ можно при больших (12% и более) добавках метана к эндогазу, что выше равновесного значения и приводит к вьщеление сажи. Ис­ пользование эндоатмосферы ограничивается также ее взрывоопасностью, токсичностью, развитием внутреннего окисления, наводороживанием, большой длительностью обра­ ботки.

Цементация в "безгенераторных" атмо­ сферах кроме преимуществ, связанных с от­ сутствием специальных газовых генераторов, отличается сокращением на 20 % длительно­ сти науглероживания и снижением на 30% расхода насыщающих газов. В мелкосерийном производстве применяют цементацию в ки­ пящем слое и из паст. Интенсификация про­ цесса и повышение качества упрочнения де­ талей обеспечивается высокотемпературной вакуумной цементацией и ионной цементаци­ ей.

Высокотемпературная вакуумная цемента­ ция (ВВЦ) осуществляется в специальных установках при температуре 1000... 1100 °С в среде метана с двухступенчатым режимом его подачи. На первой стадии парциальное дав­ ление метана составляет 150...400 гПа; по­ верхность детали интенсивно насыщается углеродом до образования карбидов и вьщеления сажи (углеродный потенциал достигает 100%). На второй стадии метан удаляют из камеры, что стимулирует диффузионное рас­ сасывание углерода в слое. Время процесса существенно сокращается. Недостатком ВВЦ являются неравномерность науглероживания деталей сложной формы из-за образования застойных зон и неравномерного выпадения сажи, укрупнение зерна и снижение механи­ ческих свойств слоя и сердцевины.

Ионная цементация (ИЦ) отвечает требо­ ваниям гибкой, интенсивной и энергосбере­ гающей технологии. Сущность ее состоит в том, что детали помещают на катод в газораз­ рядную камеру, через которую при неболь­ шом расходе (до 0,1 м^/ч) и пониженном дав­

лении (1,3...26 гПа) прокачивают углеродсодержащую газовую смесь (СН4+АГ+Н2). Меж­ ду катодом и анодом от специального источ­ ника электропитания прикладывают постоян­ ное или пульсирующее напряжение (400...800 В), которое возбуждает тлеющий разряд, ионизирующий газовую среду. Поло­ жительные ионы, разгоняясь в прикатодной области, бомбардируют поверхность деталей, очищают ее (за счет катодного распыления) от оксидов и возможных загрязнений и по­ ставляют насыщаемый элемент.

углеродным потенциал у поверхности и, как следствие, высокий градиент концентрации углерода в приповерхностных слоях. В резуль­ тате ускоряется и диффузионный массопере­ нос; время насыщения при температуре про­ цесса 920...950 °С для получения слоев тол­ щиной 1,0...1,5 мм сокращается до 2—3 ч.

Дополнительные преимущества:

1)высокая равномерность науглерожи­ вания и, как следствие, уменьшение дефор­ мации деталей;

2)гибкость управления составом газовой среды и электрическими параметрами про­ цесса;

3)отсутствие внешнего и внутреннего окисления;

4)возможность замены специальных по­ крытий, в том числе медных, для защиты отдельных поверхностей от науглероживания путем установки защитных экранов (втулок, пробок и т.п.);

5)возможность обработки коррозийностойких сталей типа 20X13 за счет удаления оксидной пленки на начальной стадии про­ цесса — катодного распыления;

6)снижение до 80% расхода газового карбюризатора и до 50% потребления элек­ троэнергии.

Для ионной цементации преимущест­ венно применяют двухкамерные установки, состоящие из цементационной и закалочной камер.

Обработка деталей проводится по раз­ личным технологическим вариантам и завер­ шается непосредственной закалкой в масле или в потоке инертного газа.

Нитроцементация (НЦ) — процесс диф­ фузионного насыщения поверхности азотом и углеродом, осуществляемый в среде наугле­ роживающего газа и аммиака. Этот процесс аналогичен цементации и проводится на том же оборудовании.

В условиях массового производства НЦ осуществляют в безмуфельных печах непре­ рывного действия в контролируемой по угле­ родному потенциалу атмосфере с дозирован-

2.9.5. УПРОЧНЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНЫМ ПЛАСТИЧЕСКИМ ДЕФОРМИРОВАНИЕМ

Технологическая сущность ППД. Поверх­ ностное пластическое деформирование. (ППД) — это метод обработки деталей без снятия стружки, при котором пластически деформируется только поверхностный слой деталей. В результате ППД уменьшается ше­ роховатость поверхности, увеличивается твер­ дость (микротвердость) металла, в поверхно­ стном слое детали возникают сжимающие остаточные напряжения. Это улучшает экс­ плуатационные показатели детали ППД — повышается выносливость деталей в 1,5—2,3 раза, сопротивление схватыванию, контактная выносливость, и другие эксплуатационные показатели изделия. Особенно эффективным является упрочнение деталей, имеющих кон­ структивные или технологические концентра­ торы напряжений, выточки, галтели и др. Достоинством ППД является технологическая универсальность и экономичность метода.

По характеру взаимодействия инстру­ мента с деталью методы ППД подразделяется на статические и ударные.

С т а т и ч е с к о е П П Д осуществляет­ ся перемещением инструмента вдоль обраба­ тываемой поверхности с постоянной или за­ кономерно изменяющейся силой деформиро­ вания Р или глубиной внедрения Лд (рис. 2.9.16, а). В зоне контакта инструмента с де­ талью образуется область пластического тече­ ния — очаг деформации (ОД), размеры кото­ рого зависят от технологических факторов. При перемещении инструмента последова­ тельно деформируется поверхностный слой детали.

ленных (рис. 2.9.16, б) или регулярных ударов (рис. 2.9.16, в) по детали. Размеры ОД зависят от кинетической энергии, сообщаемой инст­ рументу. Обработку ведут так, чтобы пласти­ ческие отпечатки покрыли обрабатываемую поверхность с определенной степенью пере­ крытия.

Физические представления об упрочнении деталей ППД. Основным механизмом холод­ ной пластической деформации металлов и сплавов является внутризеренное сдвиговое перемещение одних частей кристалла относи­ тельно других, осуществляемое с помощью многочисленных видов движения дислокации по плоскостям скольжения. С накоплением деформации дислокации размножаются, взаимодействуют между собой и другими де­ фектами кристаллического строения, в ре­ зультате чего их движение затрудняется, а напряжение пластического теченияст^и твер­ дость металла (а^ = 0,32 НВ) растут. Увели­ чение сопротивления пластической деформа­ ции называется деформационным упрочнени­ ем (наклепом) (рис. 2.9.17).

Зависимость сг^ от степени деформации сдвига Г определяется опытами на растяже­ ние, сжатие или др., однако, согласно гипоте­ зе о единой кривой упрочнения , эта зависи­ мость будет справедлива и для ППД.

Если пластическая деформация сопро­ вождается значительным выделением тепла, то это может привести к снижению а^, т.е. к разупрочнению.

В общей постановке задача моделирова­ ния ППД включает в себя решение несколь­ ких подзадач: определение размеров и формы ОД, расчет поля напряжений и скоростей деформаций в ОД, определение траекторий смещения частиц металла в ОД и расчет вдоль этих траекторий as, Г, 6, степени исчерпания ресурса пластичности металла у, остаточных напряжений и др.

Обработка результатов моделирования позво­ ляет получить ряд важных выводов, во мно­ гом справедливых и для других методов ППД, которые являются основой технологических расчетов:

•степень деформации сдвига (накоплен­ ная деформация) поверхностного слоя и глу­ бина упрочнения зависят от размеров очага деформации, главным образом от размеров пластического отпечатка d и его кривизны Rnp (рис. 2.9.19), где d — параметр очага дефор­ мации (см. рис. 2.9.18); Rnp — профильный радиус инструмента;

•степень деформационного упрочнения металла и контактные напряжения зависят от накопленной деформации и кривой упрочне­ ния данного металла;

•контактные напряжения в соответст­ вии с кривой упрочнения металла после дос­ тижения определенного значения степени

деформации стабилизируются, приближаясь по своей величине к твердости металла НЕ (см. рис. 2.9.19);

• оптимальная степень деформации сдвига поверхностного слоя Г = 0,5...0,8

(степень деформации е = Г / v3 ).

Статические методы ППД. К статиче­ ским методам ППД относятся: накатывание, выглаживание, дорнование (деформирующее протягивание), поверхностное редуцирование.

Накатывание подразделяется на обкаты­ вание (рис. 2.9.20, а), т.е. накатывание вала выпуклой или плоской поверхности, и раска­

тывание — накатывание отверстия или вогну­ той поверхности (рис. 2.9.20, б).

Для накатывания применяют стандарт­ ные шарики или ролики различной конструк­ ции и профиля, изготовляемые из сталей ШХ15, 18ХВГ, 8Х4В9Ф2, Р18, Р6М5 и др., твердостью 60...62 HRC.

Предварительная обработка — точение, растачивание, фрезерование или шлифование. Твердость детали не более 45 HRC.

Простейшие однороликовые (см. рис. 2.9.20, а) или одношариковые накатные при­ способления снабжены упругим элементом для поддержания постоянства силы накатыва­ ния. Эти приспособления устанавливают в резцедержателях металлообрабатывающих станков, в том числе с ЧПУ.

Для повышения производительности в массо­ вом производстве используют многоинстру­ ментальные приспособления или специаль­ ные станки, например, для бесцентрового обкатывания, в которых сила обкатывания обеспечивается гидравлически.

б^^/Кс

У/л^

d,MM

Рис. 2.9.19. Зависимость степени деформации сдвига Г и контактных напряжений ау , отнесенных к пределу текучести при сдвиге неупрочненного материала К© от </, /?пр и подачи S

Расчет Р при упрочняющем накатыва­ нии роликом с подачей и при выглаживании осуществляется по следующему алгоритму:

•определяют параметр d ОД (см. рис. 2.9.18), необходимый для обеспечения тре­ буемого значения hg: d = hs/2,25;

•определяют jRnp из условия обеспече­ ния требуемого значения d и Г:-7?пр —(4...5) d/r;

•Z определяют площадь контакта инст­ румента с деталью»

определяют силу обкатывания P = 'yyf, где ст — среднее напряжение на

контакте, которое определяют по кривой уп­ рочнения (а =3G ) или для приближенных

уS

расчетов принимают равным НВ.

Проверку правильности выбранной силы осуществляют при отладке процесса или из­ мерением микротвердости поверхностного слоя или профилографированием очага де­ формации и измерением на профилограмме d. При накатывании жесткими инструментами заданный натяг Лз выбирают в диапазоне 0,03...0,3 мм в зависимости от исходной ше­ роховатости, точности заготовки и жесткости инструмента.

Подача влияет, с одной стороны, на производительность процесса, а с другой, — на шероховатость поверхности. Подачу выби­ рают из отношения d/S на один ролик, рав­ ной 2...6. При использовании многоролико­ вых приспособелений подачу увеличивают в Z раз, где Z — число роликов.

Рекомендуемые подачи для чистового обкатывания и режимы алмазного выглажи­ вания приведены в табл. 2.9.6 и табл. 2.9.7 соответственно.

Скорость накатывания и выглаживания мало влияет на параметры упрочнения и вы­ бирается в диапазоне 30—150 мм/мин. Малые скорости снижают производительность обра­ ботки, а большие приводят к повышению температуры поверхностного слоя и, как следствие, — к снижению упрочнения.

Накатывание и выглаживание следует осуществлять за один рабочий ход.

Смазочно-охлаждающая технологическая среда — машинное масло, сульфофрезол. ППД чугуна осуществляют без охлаждения.

2.9.6. Подачи на оборот (мм) при чистовом обкатывании роликами кругового профиля