Фролов ЭМ.Технология изготовления деталей машин

Первые два вида упрочнения обычно провох1ятся на воздухе. При локальном леги­ ровании для насыщения поверхностного слоя легирующими элементами используется спе­ циальная среда (газообразная, жидкостная, твердая). Образующийся поверхностный слой по составу и структуре отличается от матрич­ ного материала.

Аморфизация материала происходит в условиях высокоскоростного облучения очень коротким импульсом или сканирующим излу­ чением. Сверхвысокие скорости теплоотвода обеспечивают своебразное "замораживание" расплава, образование металлических стекол (метгласса) или аморфного состояния поверх­ ностного слоя. В результате достигаются вы­ сокая твердость, коррозионная стойкость, улучшенные магнитные характеристики и другие специфические свойства материала.

Шоковое упрочнение возникает при воздействии на материал мощного импульса малой длительности. Сверхкороткий импульс приводит к возникновению импульса отдачи и образованию ударной волны в материале. В результате происходит пластическое деформи­ рование материала, а при нагреве поверхно­ стного слоя — и соответствующие изменения в структуре.

Наибольшее распространение получили первые три вида упрочнения, осуществляемые

Н„-1

S=0,e6d

X S'=ff,74d

И^-0,72

ГS^S'=0,ffd

Рис. 2.9.39. Основные схемы импульсного лазерного упрочнения

О б р а б о т к а н е п р е р ы в н ы м и з л у ч е н и е м осуществляется лучом, пере­ мещающимся по заданной траектории.

Производительность обработки зависит от скорости перемещения луча по поверхно­ сти, ширины дорожки , числа дорожек и ко­ эффициента перекрытия.

К технологическим характеристикам уп­ рочнения лазерным излучением относятся диаметр единичного пятна упрочнения, ши­ рина "дорожки" упрочнения, глубина упроч­ ненной зоны, степень упрочнения (повы­ шение микротвердости), шероховатость обра­ ботанной поверхности и др. На эти характе­ ристики влияют вид обрабатываемого мате­ риала, схема обработки, энергетические пара­ метры облучения, эффективность поглощения излучения, среда и т.п.

Для повышения эффективности упроч­ нения инфракрасным (к = 10,6 мкм) непре­ рывным излучением СО2 лазера примеР1яются разнообразные поглощающие покрытия (табл. 2.9.24), изменяющие критерий эффективности поглощения излучения г|п = Лп/Лбп » где //„, Лбп — глубина зоны упрочнения соответст­ венно с покрытием и без него.

Оптимальная толщина покрытия 20— 50 мкм.

Глубина упрочнения возрастает с увели­ чением плотности мощности до критического уровня, после которого начинается эрозия материала. При постоянной мощности излу­

чения с ростом скорости обработки снижается как глубина, так и ширина упрочненной зо­ ны.

Шероховатость обработанной поверхно­ сти при упрочнении в режиме проплавления зависит от схем обработки, коэффициента перекрытия, уровня плотности мощности излучения. Низкая шероховатость имеет место при 0,6 >Ап > 0,8 и достигается при невысо­ ких плотностях мощности излучения (для стали, например, q = 50... 100 кВт/см^). Одна­ ко при малой плотности мощности (плотности энергии) обеспечиваются и не­ большие размеры зоны упрочнения.

При лазерном упрочнении обработка ве­ дется с перекрьтгием зон лазерного воздейст­ вия. В перекрытых участках происходит от­ пуск ранее упрочненного материала. Основ­ ная часть каждого пятна (см. рис. 2.9.39) с мартенситной структурой имеет твердость до 13000 МПа, узловые точки в месте пересече­ ния пятен —5000...5500 МПа, т.е. твердость отпущенного троостита.

Аналогично имеет место снижение твер­ дости в зонах перекрытия при обработке не­ прерывным излучением.

При выборе режимов обработки исполь­ зуют теоретические зависимости, полученные на основе решения уравнения теплопровод­ ности, экспериментальные зависимости, таб­ личные значения (табл. 2.9.25) или номо­ граммы.

На рис. 2.9.40 показана номограмма, по­ зволяющая для инструментальных сталей У10, Р6М5 определить параметры процесса. Ис­ ходными данными являются требуемые мик­ ротвердость и глубина упрочненного слоя. В качестве энергетического параметра использу­

ность излучения, соответствующую заданным h и Н. В зависимости от возможностей техно­ логического оборудования и с учетом обеспе­ чения максимальной производительности выбирают Р, dn д. По установленным W£ и д определяют длительность воздействия излуче­ ния / . По известным d и t определяют ско­ рость V относительного перемещения луча и заготовки. Возможно и решение обратной задачи — по заданным энергетическим пара­ метрам излучения и скорости обработки оп­ ределить глубину и твердость упрочненного слоя.

только за счет структурных и фазовых пре­ вращений в зоне лазерного воздействия, но и путем создания в поверхностном слое нового сплава с отличным от матричного материала химическим составом.

Технологические закономерности про­ цесса, помимо выше рассмотренных, зависят

также от способа подачи в зону обработки легирующего состава, вида легирующего эле­ мента (элементов), свойств матричного мате­ риала .

Размеры легированной зоны определя­ ются, в основном, энергетическими парамет­ рами излучения и толщиной покрытия из легирующего материала. При импульсной обработке глубина зоны как правило достига­ ет 0,3—0,7 мм; при использовании непрерыв­ ного излучения мощных СО2 лазеров можно увеличить глубину зоны до 3 мм.

На глубину и степень упрочнения влия­ ет как легирующий состав, так и вид матрич­ ного материала. При лазерном легировании низкоуглеродистой стали карбидом вольфрама глубина слоя в 2—2,5 раза больше, чем слоев, легированных TiC , В4С, СгВг. В то же время карбид титана в наибольшей мере (до 6-8 раз) повышает твердость легированной зоны.

Шероховатость легированной поверхно­ сти обычно велика, поэтому после этой опе­ рации требуется финишная (абразивная) об­ работка. Припуск на такую обработку обычно составляет до 0,4 мм.

Э к с п л у а т а ц и о н н ы е п о к а з а ­ т е л и м а т е р и а л а п о с л е л а з е р н о ­ го у п р о ч н е н и я характеризуются умень­ шением до 2 раз коэффициента трения и уве­ личением износостойкости в 3-5 раз. Предел прочности, ударная вязкость несколько сни­ жаются.

Теплостойкость (термостойкость) мате­ риала, например, стали Р6М5, повышается на 70-80 **С. Насыщение поверхности алюминие­ вого сплава АЛ25 железом, никелем, марган­ цем, медью приводит к увеличению его жаро­ прочности в 1,5-4 раза. Изменяя условия лазер­ ного облучения, можно получать остаточные напряжения разной величины и знака.

ных фрез из сталей Р6М5, Р9, Р18, упрочнен­ ных импульсным лазерным излучением при обработке сталей 20X13, 12Х18Н10Т, повыша­ ется в 1,5—3 раза. Стойкость штамповой осна­ стки после лазерного упрочнения повышается в 2—3,5 раза. Износостойкость резцов горных комбайнов возрастает в 2—3 раза. Лазерное упрочнение применяют для повышения изно­

излучателя: на базе твердотельных или газо­ вых лазеров. Первые более компактны, хотя и генерируют излучение не высокой мощности, (0,125...1,6 кВт). Оборудование на базе газо­ вых лазеров (обычно СО2 лазеров) имеет зна­ чительные габариты; при этом используется более мощное излучение (2...5 кВт).

Электронно-лучевое упрочнение основано на воздействии на материал электронного луча. Эффект упрочнения вызывается сверх­ высокими скоростями нагрева и последую­ щего охлаждения облучаемого материала, приводящими к образованию специфических ультрадисперсных структур. Упрочнение мо­ жет выполняться импульсным и непрерыв­ ным лучом.

(^хема электронно-лучевого излучения показана на рис. 2.9.41. В электронной пушке происходит генерирование, формирование в пучок и ускорение электронов до высоких скоростей. Основные ее элементы - катодный узел и узел фокусирования луча. Катодный узел состоит из катода 7, фокусирующего электрода 14 и ускоряющего анода 2. Пучок электронов J, эмитируемых поверхностью нагретого катода, ускоряется разностью по­ тенциалов между анодом и катодом. Для су­ жения пучка используются электростатиче­ ские и электромагнитные линзы 4. Диафрагма 5 отсекает краевые электроны, пропуская монокинетическую часть луча. Обрабатывае­ мая деталь 11 укрепляется на рабочем столе 10 в камере 12. Для наблюдения за процессом в установке предусмотрена специальная опти­ ческая система с объективом 8, окуляром 13, подсветкой 6 и полупрозрачным зеркалом 7.

Для управления перемещениями луча (сканирования) используется отклоняющая система 9 электромагнитного типа.

ния энергии наиболее приемлемым режимом упрочнения является обработка сканирующим электронным лучом.

При этом могут быть реализованы сле­ дующие виды упрочнения: без проплавления; с проплавлением материала; локальное леги­ рование поверхности.

Глубина упрочнения без проплавления при постоянной скорости сканирования пря­ мо пропорционально зависит от плотности мощности излучения и вида материала (марки стали). Например, глубина упрочнения д/ы

нении без проплавления сохраняется на уров­ не исходной. При упрочнении с проплавле­ нием — не превышает 100 мкм.

После упрочнения возрастают в 2—5 раз поверхностная твердость сталей и сплавов и в 1,5—3 раза износостойкость.

Производительность процесса, вследст­ вие безынерционности луча, достигает очень

Рис. 2.9.41. Схема электронно-лучевой технологической установки

Плазменные процессы, происходящие в азотосодержащей атмосфере, используется с целью повышения надежности и срока служ­ бы инструмента из быстрорежущих сталей, шариков для авторучек, контактных поверх­ ностей двигателей и т.д.

Плазменные процессы используются для цементации поверхностных слоев таких туго­ плавких металлов, как Мо, W, Nb, Та и др. При использовании в качестве плазмообразующего газа метана при парциальных давле­ ниях, не превышающих 66,5 Па, на поверхно­ стях изделий образуются слои карбидов (МезС и МеС).

Силицирование в плазме смеси SiCl4 и водорода (соотношение 3:1) поверхностей тугоплавких металлов Мо, W, NlJ, Та приво­ дит к образованию дисилицидов крупнозер­ нистой столбчатой структуры, под которыми формируются слои силицидов, содержание кремния в которых меньше. Тлеющий разряд существенно сокращает (в 10 раз) время полу­ чения одинаковой толщины модифицирован­ ного слоя по сравнению со временем силицирования без разряда.

Использование плазмы AICI3 приводит к развитию процесса алитирования, плазмы ВС1з и Н2 — борирования, плазмы ТЮЦ + + Н2 — титанирования поверхностей изделий из металлов.

Плазма тлеющего разряда, в которой в качестве плазмообразующего газа используют­ ся инертные газы (например, аргон, крип­ тон), приводит к модифицированию поверх­ ностного слоя без химико-термической обра­ ботки. Так, при воздействии плазмы тлею­ щего разряда из криптона на пластинку из меди в ней образуется большое число радиа­ ционных дефектов, которые могут вносить вклад в увеличение подвижности атомов.

Модифицирование поверхностей нейтрон­ ными потоками. Модифицирование вызывает значительные радиационные повреждения. Возникающие при этом дефекты влияют на предел текучести, твердость, относительное удлинение и т. д. Нейтронное облучение Армко-железа (99,5 %), стали 45 в отожжен­ ном и в закаленном состояниях, ковкого чу­ гуна, технической меди, латуни, свинцови­ стой бронзы ухудшает фрикционные свойства этих материалов, если интегральная доза по­ тока облучения (флюенс) не превышает 10^^ нейтрон/см^ и улучшение этих свойств, когда флюенс имеет величину 10*^ нейтрон/см^ и выше. При этом радиационное упрочнение Армко-железа, меди и алюминия оказывается более значительным по сравнению с упроч­

нением сплавов на их основе. Огсюда следует вывод о стабилизирующей роли атомов при­ меси при облучении материалов.

У облученных нейтронами железоугле­ родистых сталей коэффициент трения изме­ няется несущественно, сильнее — у меди.

Это связано с тем, что возникающие под действием нейтронов дефекты в кристалличе­ ской решетке, а также ионизация среды во­ круг образца при испытаниях способствуют проникновению атомов кислорода и образо­ ванию плотной пленки окислов.

Быстрые нейтроны, действующие на ма­ териалы (отожженная сталь 45 и др.), вызы­ вают равномерное повышение износостойко­ сти и прочности материалов в отличие от облучения смесью тепловых и быстрых ней­ тронов. Механизм повышения механических характеристик связан с тем, что смещение в облучаемом веществе в основном вызывается действием быстрых нейтронов. Возникающие деффекты блокируют движение дислокаций при деформации металла.

Нейтронное облучение материалов по­ рошковой металлургии (баббит, пористое железо, пропитанное серой) увеличивает на 20-30 % твердость и износостойкость мате­ риалов.

Электроэрозионное упрочнение (ЭЭУ) — метод локального воздействия на поверхност­ ный слой электрических разрядов с целью поверхностного легирования и нанесения покрытий.

При электрических импульсных разря­ дах между легирующим электродом (ЛЭ) (анодом) и деталью (катодом) происходит (рис. 2.9.42) плавление и испарение материа­ лов электродов. Под действием электриче­ ского поля, давлений образующихся паров и электродинамических сил, эти материалы в виде перегретых жидкостей и паров выбрасы­ ваются в межэлектродный промежуток, пере­ мешиваются, химически соединяются друг с другом и составляющими межэлектродной среды и, взаимодействуя с поверхностью де­ тали, образуют легированный слой.

Упрочненный слой состоит из трех зон. Первая — зона термического влияния.

Вторая зона состоит из материала, зака­ ленного из жидкой фазы. Она и является ле­ гированным слоем с мелкодисперсной струк­ турой, обладающей высокой твердостью и износостойкостью.

Третья зона является следствием осаж­ дения продуктов электрической эрозии в па­ ровой и жидкой фазах на поверхность упроч­ няемого изделия.

Использование ЭЭУ открывает широкие возможности по управлению составом и свой­ ствами легированного слоя.

Наряду с восстановлением изношенных поверхностей, ЭЭУ повышает в 2-10 раз из­ носостойкость, фреттингостойкость, тепло­ стойкость, антифрикционные свойства дета­ лей и инструмента. Достоинства ЭЭУ: ло­ кальность упрочнения, малый расход энергии, отсутствие объемного нагрева материала, про­ стота автоматизации.

Способы ЭЭУ отличаются методом ини­ циирования электрических импульсных раз­ рядов, кинематикой устройств, технологиче­ скими возможностями.

Упрочнение выполняется по трем ос­ новным принципиальным схемам (рис. 2.9.43). В первой схеме электрические разря­ ды образуются при периодическом касании ЛЭ упрочняемой поверхности при его вибра­ ции. Во второй — специальная следящая сис­ тема поддерживает зазор, необходимый для протекания электроразрядного процесса. В третьей — электрические разряды формиру­ ются при касании упрочняемой поверхности легирующими электродами, расположенными на вращающемся диске.

Вторая схема является наиболее универ­ сальной (рис. 2.9.43, б) Она легко поддается механизации и автоматизации и позволяет реализовать различные технологические схе­ мы ЭЭУ.

Сплошность упрочнения ЭЭУ оценива­ ется коэффициентом кратности

где N — число электрических разрядов, воз­ действовавших на поверхность площадью ^S^; So — площади поверхности, упрочняемые единичным разрядом; t — время упрочнения.

Качественное упрочнение достигается при у = 6...8.

Толщина упрочненного слоя составляет 3...250 мкм и зависит от энергии электриче­ ских разрядов Е и величины переноса мате­ риала легирующего электрода на упрочняе­ мую поверхность. Перенос, в свою очередь, определяется материалами сопряженных электродов, длительностью обработки едини­ цы поверхности, технологическими режима­ ми, воздействием внешних факторов (нагрев или охлаждение электродов, подготовка по­ верхностей под ЭЭУ и т.д.).

Производительность ЭЭУ составляет 1...10 см^мин. Используются устройства и установки для ручного, механизированного и автоматизированного ЭЭУ (в том числе с ЧПУ).

Рис. 2.9.42. Схема процесса ЭЭУ:

1 — легирующий электрод(анод); 2 — упрочняемое изделие (катод); 3 — плазменный канал электриче­ ского разр51да; 4 — капли расплавленного материала; 5, 6 — расплавленный материал анода и катода, соответственно; поверхности катода (7) и анода {8) после электрического разряда

Рис. 2.9.43. Принципиальные схемы ЭЭУ компактным электродом:

а — первая; б — вторая; в — третья схемы; 7 — генератор импульсов; 2 — упрочняемое изделие;

3 — легирующий электрод; 4 — вибратор; 5 — ручка; 6 — блок следящей системы; 7 — привод следящей системы; 8 — каретка; 9 — диск

Состав и свойства упрочненного ЭЭУ слоя зависят от материала легирующего элек1рода (табл. 2.9.26).

ЭЭУ обычно проводится без специаль­ ной подготовки поверхностей на воздухе без использования каких-либо технологических сред. Однако для специальных целей, когда требуется избежать насыщения поверхност­ ного слоя компонентами воздуха, ЭЭУ осуще­ ствляют в инертных газах, например, аргоне.

Показатели качества упрочнения опре­ деляются типом генератора импульсов, током короткого замьпсания 4 скважностью q, дли­ тельностью /и импульса напряжения, емко­ стью разрядного конденсатора С, скоростью движения легирующего электрода относи­ тельно упрочняемой поверхности v^, време­ нем легирования единицы поверхности /э •

Шероховатость обработанных ЭЭУ по­ верхностей зависит: от продолжительности упрочнения; технологических режимов (энер­ гия разрядов и их длительность); шероховато­ сти исходной поверхности; материалов леги­ рующего электрода и подложки; особенностей массопереноса материала ЛЭ.

При использовании "грубых" электриче­ ских режимов ЭЭУ (4 > 20 А, Е> 0,2 Дж) шероховатость и толщина легированного слоя увеличиваются; при "чистовых" (Д < 20 А, Е < 0,2 Дж) — уменьшаются.

На установках семейства Елфа при ЭЭУ сталей ЛЭ из ВК6-М, изменение технологиче­ ских режимов сопровождается изменением шероховатости в диапазоне Ra = 0,2...2,0 мкм.

При ЭЭУ формируются растягивающиее остаточные напряжения, снижающие сопро­ тивление усталости детали, и образуется срав­ нительно высокая шероховатость, обладающая повышенной изнашивающей способностью сопряженной поверхности.

Поэтому ЭЭУ целесообразно использо­ вать в комбинации с ППД обрабатыванием или алмазным выглаживанием.

Наиболее высокий уровень антифрик­ ционных свойств поверхностей достигается при нанесении на них бронзы, меди, серебра, олова.

Малая толщина слоя упрочнения ЭЭУ затрудняет использование в качестве финиш­ ных операций шлифования, доводки и других методов, связанных со снятием материала. Эффективным является сочетание ЭЭУ с тер­ мической и химико-термической обработ­ ками.

Широкие технологические возможности обеспечивают многообразие технологических применений ЭЭУ: формирование легирован­ ного слоя требуемого элементного состава, восстановление (наращивание) изношенных поверхностей, локальная химико-термическая обработка, повышение прочности сцепления покрытий с подложкой, подготовка поверхно­ стей под нанесение жаростойких эмалей, ла­ кокрасочных и твердосмазочных покрытий, под пайку и диффузионную сварку и др. (табл. 2.9.27).

ного сокращения затрат времени на напыле­ ние. Например, при силе тока 750 А можно напылять стальное покрытие с производи­ тельностью 36 кг/ч, что превышает в несколь­ ко раз производительность газопламенного напыления. По сравнению с газопламенным напылением металлизация позволяет полу­ чить более прочные покрытия, которые лучше соединяются с основой. При использовании в качестве электродов проволок из двух различ­ ных металлов можно получить покрытие из их сплава. Эксплуатационные затраты электрометаллизатора довольно небольшие. При напылении покрытия распылением двух элек­ тродов из разнородных материалов желатель­ но использовать такие электрометаллизаторы, которые бы позволяли проводить отдельную регулировку скорости подачи каждого элек­ трода.

Недостатком рассматриваемого метода является перегрев и окисление напыляемого материала при малых скоростях подачи рас­

Специальная эпоксидная смола

пыляемой проволоки. Кроме того, большое количество теплоты, вьщеляющейся при горе­ нии дуги, приводит к значительному выгора­ нию легирующих элементов, входящих в на­ пыляемый сплав (например, содержание угле­ рода в материале покрытия снижается на 40...60 %, а кремния и марганца — на 10... 15 %). Это необходимо иметь в виду и применять для напыления проволоку, содер­ жащую повышенное количество легирующих элементов. Однако стоимость такой проволо­ ки повышается приблизительно в 3 раза.

2.9.45. Напыляемый порошок поступает в горелку сверху из бункера, разгоняется пото­ ком транспортирующего газа (смесь кисло­ род — горючий газ) и на выходе из сопла попадает в пламя, где происходит его рас­ плавление. Увлекаемые струей горячего газа частицы порошка попадают на напыляемую поверхность.

Проволока

Смсатый

воздух

Проволока

^^^^^^