Современные методы упрочнения металлов

Выглаживание и дорнование

К методам поверхностного пластического деформирования, в которых деформирующие элементы (ДЭ) работают по схеме скольжения, относятся выглаживание и дорнование. Для этих процессов ДЭ должны изготавливаться из материалов, имеющих высокую твердость (алмаз, твердый сплав и т. п.) и не склонных к адгезионному схватыванию с обрабатываемым материалом.

Выглаживание заключается в пластическом деформировании обрабатываемой поверхности скользящим по ней инструментом (рис. 9).

Рис. 9. Схема деформирования поверхностного слоя при алмазном выглаживании: 1 – микронеровности исходной поверхности; 2 – наплыв; 3 – выглаживатель; 4 – поверхность после выглаживания

Неровности поверхности от предшествующей обработки после выглаживания уменьшаются или полностью исчезают. При этом уменьшение шероховатости сопровождается повышением твердости поверхностного слоя. Алмазное выглаживание применяется для ППД закаленных сталей и деталей маложестких, то есть когда невозможно применить обработку накатыванием. Недостатком выглаживания является низкая производительность и невысокая стойкость инструмента.

Дорнование (дорнирование) – вид обработки заготовок без снятия стружки. Сущность дорнования сводится к перемещению в отверстии заготовки с натягом жесткого инструмента – дорна. Размеры поперечного сечения инструмента больше размеров поперечного сечения отверстия заготовки на величину натяга. Дорнование – деформирующее протягивание, калибрование, применяется для обработки отверстий (рис. 10).

Рис. 10. Схема дорнования: 1 – изделие; 2 – дорн; s – направление подачи

Это высокопроизводительный процесс, сочетающий возможности чистовой, упрочняющей, калибрующей и формообразующей обработки. Формообразующая обработка применяется для получения на поверхности детали мелких шлицов и других рифлений. Толщина упрочненного слоя при дорновании регулируется натягом, т. е. разностью диаметров дорна и отверстия заготовки.

Дорнование подразделяют на поверхностное и объёмное. При поверхностном дорновании пластически деформируется поверхностный слой, при объёмном – пластическое деформирование происходит по всему поперечному сечению обрабатываемой детали. Поверхностное дорнование относят к методам поверхностного пластического деформирования (ППД), а объёмное дорнование к методам обработки металлов давлением (ОМД).

Инструмент для поверхностного дорнования изготавливают из твёрдых сплавов. Твёрдые сплавы, обладая рядом преимуществ, хуже воспринимают ударные и изгибные нагрузки по сравнению инструментальными и подшипниковыми сталями.

Механическое упрочнение

Ресурс деталей во многом зависит от вида финишной обработки, определяющей качество поверхности (шероховатость, форма микронеровностей, твердость и т. д.). Для упрочнения деталей используют различные виды холодной поверхностной пластической деформации (ППД): обкатку и раскатку роликами и шариками, дробеструйный наклеп, чеканку, алмазное выглаживание и др. Под действием инструмента (ролика, шарика и др.) деформируются неровности на поверхности восстанавливаемой детали, в результате чего шероховатость уменьшается, повышается твердость и усталостная прочность. Обкатка применяется для упрочнения наплавленных деталей (оси опорных катков, направляющих колес, вала муфты сцепления и др.).

В основе дробеструйного наклепа лежит пластическое деформирование поверхностного слоя под действием потока стальной или чугунной дроби. Его эффективность зависит от глубины наклепанного слоя и определяется кинетической энергией дроби и длительностью процесса. Под ударным воздействием дроби по-верхность покрывается большим количеством лунок, которые, увеличивая шероховатость (недостаток процесса), устраняют дефекты предшествующей механической обработки в виде надрывов. Дробеструйный наклеп повышает поверхностную твердость на нормализованных сталях до 40% и усталостную прочность. В результате обработки на детали создается наклепанный слой глубиной 0,5— 0,7 мм. Этот способ применяют для упрочнения рессорных листов, валов и других деталей.

Алмазное выглаживание — пластическое деформирование поверхностных слоев детали инструментом, рабочая часть которого изготовлена из искусственного алмаза и выполнена в виде сферы (радиус 2,5 мм). Выглаживание проводят на токарном станке, в резцедержателе которого закреплен рабочий инструмент. В процессе выглаживания инструмент прижимается к поверхности вращающейся детали с усилием 100-200 Н, что позволяет уменьшить шероховатость с Ra 2,5 до Ra 0,63 и повысить износостойкость деталей.

Упрочнение чеканкой применяется при восстановлении коленчатых валов для упрочнения галтелей.

1 Восстановление деталей методом наплавки – суть технологии

Под наплавкой принято понимать операцию нанесения на поверхность восстанавливаемого изделия из основного металла слоя присадочного расплавленного металла. В ходе такого процесса нужно добиться расплавления основного материала на незначительную глубину, чтобы получить гомогенный состав.

Наплавка выполняется на всех без исключения поверхностях, начиная от конических и плоских и заканчивая сферическими и цилиндрическими.

Конечной целью описываемой процедуры обычно является восстановление исходных геометрических параметров обрабатываемого изделия. Но кроме того, наплавка позволяет произвести качественное упрочнение валов и других деталей, придать им новые формы, создать на поверхности дополнительный слой с конкретными механическими и физическими показателями (например, высокая жаростойкость, износостойкость, твердость, коррозионная стойкость, антифрикционность и так далее).

Технология наплавки по своей сути примерно идентична процессу сварки. По своим задачам они одинаковы, так как цель работ в обоих случаях — получение шва без ненужных включений, трещин, пор, а также защита наплавляемого материала от атмосферных газов

Когда выполняется восстановление деталей сваркой и наплавкой (а также их упрочнение), важно придерживаться ряда требований, а именно:

следует добиваться минимального смешивания основного и наплавляемого материала;
основной металл нужно проплавливать на как можно меньшую глубину;
припуски на обработку изделий, которая будет производиться после наплавки, важно уменьшать до приемлемых показателей;
необходимо обеспечивать наименьшие остаточные деформации и напряжения в изделии.

Сейчас наплавка валов и деталей выполняется различными способами. Существуют такие виды наплавки:

• порошковая;
• импульсно-дуговая;
• индукционная;
• газовая;
• вибродуговая;
• электродуговая;
• плазменная;
• электрошлаковая.

Осадка, обжатие, вытяжка, раздача

Осадка применяется для увеличения наружного диаметра сплошных деталей или для уменьшения внутреннего диаметра полых. При осадке диаметр детали увеличивается за счет уменьшения ее длины. Этим способом восстанавливают различные втулки при износе по наружному или внутреннему диаметру, цапфы валов, оси, клапаны двигателей внутреннего сгорания, зубчатые колеса и другие детали, имеющие поверхностный износ не более 1 % их диаметра. Осадкой увеличивают диаметр деталей типа пальцев и втулок из цветных металлов за счет некоторого уменьшения их длины.

Этим способом можно уменьшить длину деталей до 15 %, однако ответственные детали не уменьшают больше чем на 8 %. Приспособление для осадки состоит из верхней и нижней подставок и цилиндрической оправки, диаметр которой должен быть меньше окончательного диаметра отверстия примерно на 0,2 мм. После осадки под прессом отверстие втулки развертывают до требуемого размера. Небольшие по ширине цилиндрические зубчатые колеса восстанавливают в нагретом состоянии с помощью специальных штампов, которые позволяют получить небольшое утолщение зубьев и уменьшение отверстия ступицы.

Отверстие ступицы после осадки растачивают, а затем обтачивают наружные поверхности и нарезают зубья колеса. Если необходимо, производят термическую обработку зубьев на режимах, предусмотренных для новых зубчатых колес.

Обжатие проводят при необходимости уменьшить внутренний диаметр полых деталей за счет изменения наружного диаметра. Этим способом восстанавливают втулки из цветных металлов, проушины различных рычагов при износе гладких или шлицевых отверстий, корпуса гидронасосов и пр. При обжатии изношенную втулку проталкивают с помощью пуансона через отверстие матрицы, размер которой, регулируемый вкладышем, равен наружному диаметру обжатой втулки. После обжатия наружный диаметр увеличивают, например, с помощью электролитического наращивания слоя металла, а внутренний – развертывают до требуемого размера. Обжатием уменьшают внутренние размеры деталей типа втулок, изготовленных из цветных металлов. Втулку проталкивают пуансоном через установленную в подставке матрицу. Входное отверстие матрицы сужается под углом 7…8°, далее идет калибрующая часть, которая заканчивается входным отверстием, расширяющимся углом 18…20°. После обжатия наружную поверхность втулок омедняют и протачивают, а внутреннюю развертывают.

Вытяжка применяется для увеличения длины детали за счет местного (на небольшом участке) сужения ее поперечного сечения. Этот способ используют при ремонте тяг, штанг и др.

Раздача применяется для увеличения наружного диаметра за счет увеличения внутреннего диаметра полых деталей. Этим способом восстанавливают бронзовые втулки шестеренчатых насосов гидросистем, трубы рулевой колонки и пр. Раздачу чаще проводят в холодном состоянии, закаленные детали предварительно подвергают отпуску или отжигу. Наиболее часто этот способ применяют при восстановлении поршневых пальцев двигателей внутреннего сгорания. Изношенный палец устанавливают в специальную матрицу и раздают с помощью пуансона на прессе.

Просмотров:
852

Характеристика методов термической и химико-термической обработки в восстановлении изделий

Трудно преувеличить роль термической обработки в целом в машиностроении, так и в сфере восстановления деталей в частности. Она позволяет получать необходимые эксплуатационные (износостойкость, твердость) и технологические (обрабатываемость резанием, теплопроводность) качества.

Химико-термическая обработка – это отдельная тема. В отличие от традиционной термической обработки, при осуществлении ХТО изделие подвергается не только воздействию температуры, но также и химической реакции с атомами и ионами других веществ. Атомы диффундируют на определенную глубину внутрь, меняя тем самым химический состав поверхностного слоя. Свойства диффузионного слоя значительно отличаются (в лучшую сторону) от исходного материала. Так борирование (насыщение атомами бора) и цементация (насыщение атомами углерода) значительно увеличивает твердость, способствует уменьшению коэффициента трения. На практике в качестве насыщающих элементов применяют также кремний, азот, алюминий и другие элементы.

САМЫЕ ПОПУЛЯРНЫЕ СПОСОБЫ УПРОЧНЕНИЯ СТАЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ:

1. Механический.

• Обработка дробью с помощью дробеструйного и дробеметного аппарата. В промышленных масштабах обрабатывают готовые детали и оборудование, прокатные листы. Поток дроби на скорости 100 м/с встречается с металлом. От удара металл сжимается, образуется напряжение и поверхность становится прочной, выравнивается и очищается. В зависимости от вида дроби можно придать металлической поверхности определенную структуру.Дробеметная очистка металла повышает выносливость металла в 1,5 раза.

• Обкатка на роликовых или токарных станках. Давление происходит гидравлическим путем или пружинами. Таким способом укрепляют шейки валов, оси железнодорожных вагонов, коленчатых валов и т.д.

2. Термический.

Поверхностная закалка. Сталь нагревают до большой температуры и охлаждают. Верхний слой изделия становится прочным, а сердцевина вязкой.Чем быстрее нагреваются детали, тем больше должна быть температура.

Допустим, когда сталь закаливают в печах, ее нагревают до 840 – 8600 ᵒС. Скорость нагрева при этом 400 ᵒС. При индукционном нагреве при скорости 2500 ᵒС закалку начинают с 880 – 9200 ᵒС, а когда скорость нагрева составляет 4000 ᵒС – начинают упрочнять с температур 930 – 9800 ᵒС.

Существует 3 способа прокаливания — высокочастотными токами (ТВЧ), газовыми или кислородными горелками и лазерным излучением.

Структура закаленного слоя состоит из мартенсита, а переходной зоны – из мартенсита и феррита. Поверхностное упрочнение стальных изделий не затрагивает глубокие слои металла. Чтобы укрепить сердцевину деталь нагревают со скоростью 100 – 10000 ᵒС до 10 секунд перед тем, как начать закалку.

После упрочнения прочность стали 45 – 55 HRC в наружном слое и 25 – 30 HRC в сердцевине.

3. Химико-термическая обработка стали.

Главное отличие химико-термической обработки (ХТО) от поверхностной закалки и обработки дробеметом – ХТО изменяет не только структуру поверхностного слоя, но и химический состав стальных изделий.

1. Цементация.

Метод, при котором сталь насыщают углеродом. В итоге изделие получается прочным снаружи и вязким внутри.

После упрочнения концентрация углерода на поверхности стали составляет 1%. Глубина цементирования от 0,5 до 2,5 мм.

Цементацию проводят в твердой или газовой среде. В промышленных масштабах используют газовую цементацию, потому что этот метод занимает меньше времени, чем цементация в твердой среде – слой углерода в 1 мм образуется за 6 – 7 часов. Поверхность стали становится крупнозернистой.

2. Азотирование.

Сталь насыщают азотом. Изделия получаются прочные, износостойкие и хорошо сопротивляются коррозии. Азотированием укрепляют металл, который эксплуатируют в воде и паре. Детали опускают в аммиак при температуре 500 – 6000 ᵒС и выдерживают до 60 часов. Глубина азотированного слоя 0,3 – 0, 6 мм.

Азотированию подвергают детали, от которых требуют высокой прочности – зубчатые колеса, автомобильные цилиндры, шестеренки, втулки и т.д.

3. Цианирование.

Сталь насыщают азотом и углеродом. Поверхностное упрочнение стальных изделий проводят в расплавленных солях с NaCH и KCN или в газовой среде из смеси СН4 и NH3.

Если температура высокая — сталь больше насыщается углеродом, если низкая – азотом. Изделия после цианирования прочнее, чем после цементации.

При цианировании следует с особой тщательностью соблюдать технику безопасности, так как цианистые соли очень токсичны.

4. Диффузная металлизация.

Метод, при котором наружные слои конструкций, машин и оборудования насыщают металлами – алюминием, хромом, кремнием, бором. Сталь становится жаростойкой, прочной и лучше сопротивляется коррозии.

Металлизацию делят на твердую, жидкостную и газовую. При жидкостной деталь для упрочнения опускают в расплавленный металл. При твердой и газовой – обрабатывают летучими соединениями хлора с металлом. Температура при этом составляет 100 – 10000 ᵒС.

Поверхностное упрочнение стальных изделий – важный этап при производстве конструкций, деталей и оборудования в машино-, самолето-, судостроении, цементной и горнодобывающей сфере.

4 Восстановление деталей под слоем флюса – достоинства и недостатки

Данный метод оптимален для наплавки крупных по диаметру и геометрическим размерам валов, а также других деталей:

• лопастей смесительных агрегатов;
• компонентов ходовой части экскаваторов и тракторов;
• элементов камнедробильного оборудования и специальных агрегатов.

Восстановление под слоем флюса предполагает, что электродуга горит между наплавляемым изделием и концом проволоки. Сама проволока поступает на участок обработки со специального устройства подачи. В эту же зону подается и флюс, создающий оболочку с высокими эластичными свойствами. Эта оболочка не дает азоту и кислороду из воздуха проникать в расплавленный материал.

Флюсы для наплавки бывают двух типов:

1. Керамические. Состоят из различных компонентов – газо- и шлакообразующих, стабилизирующих, а также легирующих добавок. К таким флюсам относят составы серии «АНК» (19, 18).
2. Плавленые. В них отсутствуют легирующие элементы, поэтому при их применении восстановленный слой не имеет высокого показателя твердости. Часто используемые плавленые флюсы – ОСЦ-45 и АН-348А.

Достоинства использования флюса для наплавки:

• высокое качество полученного слоя по показателям плотности и однородности с заданными характеристиками и химсоставом;
• отличная стабильность процесса восстановления и его высокая производительность;
• возможность наплавления слоев существенной толщины (до 8 и более миллиметров).

К недостаткам данного метода восстановления валов и прочих изделий относят следующие факты:

• нельзя получить слои меньше 1,5 миллиметров;
• сложности при наплавке деталей с малым (до 5 сантиметров) сечением из-за того, что расплавленная ванна и флюс практически не держатся на поверхности обрабатываемых изделий;
• физико-механические характеристики деталей изменяются, что обусловлено глубоким и быстрым нагревом при восстановлении (в ряде случаев отмечается и деформация изделий).

Термическая и химико-термическая обработка

Для снятия внутренних напряжений, возникающих при наплавке, получения однородной структуры металла применяют отжиг, нормализацию и отпуск. Износостойкость деталей повышают поверхностной закалкой с нагревом токами высокой частоты. На поверхности закаленного слоя возникают остаточные напряжения сжатия, способствующие повышению усталостной прочности деталей. Применение закалки обеспечивает возможность использования для наплавки сравнительно дешевых материалов и доступных защитных сред.

Для повышения износостойкости деталей применяют также химико-термическую обработку (цементацию, нитроцементацию, азотирование и др.).

2 Электродуговая восстановительная наплавка электродами с покрытием

Данный вид выполнения наплавочной процедуры считается самым распространенным. Подобная наплавка демонстрирует отличные результаты не только на промышленных объемах, но и в домашних условиях. Она очень удобна и проста, а главное – для нее не нужно приобретать какое-либо особое оборудование.

При электродуговом восстановлении важно правильно подобрать электрод, чтобы он смог сформировать наплавочный слой с требуемыми параметрами. Сечение стержня определяет форма и толщина детали, которую предстоит обработать, а конкретный тип электрода выбирается в зависимости от состава наплавляемого металла

Стальные изделия в большинстве случаев восстанавливают рассматриваемым в статье способом в нижнем положении электрода током обратной полярности. При этом обязательно следует подготовить основной металл к процедуре, очистив его поверхность от ржавчины, остатков масла и прочих загрязнений.

Восстановление валов из низколегированных и низкоуглеродистых сталей производят чаще всего без их нагрева. А вот детали из других марок стали нередко подогревают (предварительно), а затем снимают с них внутренние напряжения, проводя их термическую обработку. Температура предварительного подогрева – от 300 градусов.

Наплавочные швы могут располагаться по-разному. Когда обработке подвергаются цилиндрические изделия, используются три основные схемы:

• валики идут по винтовой линии;
• валики по окружностям замкнутого типа;
• валики вдоль образующей.

Первый способ считается оптимальным в тех случаях, когда наплавка ведется механизировано.

При работе с плоскими поверхностями говорят о двух распространенных схемах, предполагающих применение:

• широких валиков (движения электрода в поперечном направлении делаются увеличенными);
• узких валиков (они перекрывают друг друга примерно на треть своей ширины).

Восстановление «особых» деталей сваркой и наплавкой (например, элементов конструкций, функционирующих при повышенных нагрузках, измерительных и режущих приспособлений) может осуществляться твердыми сплавами, а не обычным металлом. В таких сплавах обычно присутствуют соединения никеля, кобальта, бора, железа, углерода с хромом, танталом, титаном, марганцем.

Если указанные изделия имеют большой показатель износа, перед основной наплавкой выполняют предварительную, используя сварные стержни, сделанные из стали с малым содержанием углерода. А вот в тех случаях, когда изготавливают новые режущие и измерительные приспособления с наплавкой твердосплавного типа, основанием для них служат заготовки из легированных и углеродистых марок стали.

Восстановление специального инструмента, как правило, выполняют следующими видами электродов:

• ЦИ-1М;
• ОЗИ-5 (3, 6);
• ЦС-1.

А вот детали, работающие в сложных условиях, наплавляют стержнями Т-620, ОЗН-300М, Т-590, ОЗН-7М, ОМГ-Н.

Автоматическая наплавка

Автоматическая наплавка твердых сплавов предпочтительнее ручной наплавки как по качеству получаемой наплавки, так и по значительно большей производительности. Получение высоких механических и металлургических свойств наплавки при этом методе достигается легированием наплавленного металла хромом, марганцем, углеродом, вольфрамом и другими элементами путем применения стандартной электродной или специальных порошковых проволок. В качестве флюса используются стандартные плавленные и специальные легирующие керамические флюсы.

При наплавке малогабаритных деталей полого сечения для охлаждения детали и предупреждения растекания расплавленного (основного и наплавленного) металла и шлака внутренняя поверхность омывается проточной водой.

Восстановление опорных валков прокатных станов (отбеленный чугун или низколегированная сталь) производится автоматической наплавкой малоуглеродистой электродной проволокой (Св-08) под керамическим флюсом, за счет которого осуществляется легирование наплавленного слоя углеродом, марганцем, хромом или наплавкой порошковой проволокой (марки ПП-ЗХВ8), обеспечивающей легирование (углеродом, ванадием, хромом и др.) металла под плавленным флюсом АН-20.

Автоматическая дуговая наплавка под флюсом при использовании обычных режимов и электродной проволоки обеспечивает m = 0,45÷0,65. Введение в зону дуги дополнительной изолированной присадочной проволоки позволяет снизить т до 0,17. Замена проволоки лентой или использование электродной проволоки в сочетании с поперечными колебаниями обеспечивает надежную наплавку при m = 0,08÷0,15. Снижение т до 0,2—0,3 достигается также при многоэлектродной наплавке, когда несколько электродных проволок подсоединяют к одному зажиму источника питания, а дуга блуждает с одного электрода на другой и горит в общей полости.

Наплавка ведется как при использовании плавленых флюсов, так и керамических. Состав флюса и электродной проволоки выбирают в зависимости от состава наплавленного слоя. В качестве электродного металла используют сварочную проволоку, применяемую при сварке сталей и сплавов, специальную электродную проволоку для наплавки по ГОСТ 10543—82, порошковую проволоку и ленту, например, порошковую проволоку ПП-АН120 типа 18Х1Г1М по ТУ 14-4-684—76 в сочетании с флюсом АН-348-А или АН-60 для наплавки катков и натяжных колес гусеничных машин, посадочных мест валов и др.; порошковую ленту ПЛ-АН101 типа 300Х25М3Н3Г2 по ТУ 48-19-43—73 в сочетании с флюсом АН-15М для наплавки высокохромистого износостойкого сплава типа «Сормайт-1» на детали, работающие в условиях интенсивного абразивного изнашивания при нормальных и высоких температурах.

Используются также спеченные металлокерамические ленты; например, лента спеченная электродная ЛС-70ХЗНМ типа 70ХЗГСНМ по ГОСТ 22366-77 и сочетании с флюсом АН-60 или АН-20П для наплавки деталей, работающих в условиях интенсивного абразивного изнашивания: деталей ходовой части грузовых автомобилей и тракторов, а также деталей металлургического оборудования.

Автоматическая вибродуговая наплавка в струе защитной (охлаждающей) жидкости (рис. 236) применяется при восстановлении изношенных деталей машин. Способ состоит в том, что к вращающейся детали подается электродная проволока, подключенная к источнику питания. Зона наплавки охлаждается жидкостью. Подача проволоки сопровождается продольной ее вибрацией с помощью вибратора. При вибрации проволоки возникают короткие замыкания цепи, стабилизирующие процесс и способствующие переносу электродного металла. Наплавка производится стальной проволокой диаметром 1,5 — 2 мм.

Рис. 236. Принципиальная схема вибродуговой наплавки: 1 — сварочный генератор; 2 — деталь; 3 — жидкость; 4 — магнит вибратора; 5 — подача проволоки.

Способ электрошлаковой наплавки (рис. 237) рассчитан на применение электродов большого сечения, что позволяет значительно повысить производительность процесса. Этим способом можно производить наплавку высокохромистых ледебуритных сталей (Х12), быстрорежущих, ряда аустенитных сталей и других сплавов.

Рис. 237. Схема электрошлаковой наплавки: а — плоской поверхности; б — цилиндрической поверхности; в — конической поверхности; 1 — наплавляемая деталь; 2 — наплавленный металл; 3 — медный ползун; 4 — электродная проволока; 5 — токоподводящий мундштук; 6 — медный кокиль.

Автоматическая наплавка применяется, кроме того, для изготовления двухслойных изделий (наплавка цветных металлов и сплавов на сталь, чугун и другие металлы).