К основным способам упрочнения металлов и сплавов относятся: легирование с образованием твердых растворов; пластическое деформирование; создание дисперсных выделений; упрочнение термическими методами; упрочнение химико-термическими методами.
Упрочнение легированием
Формирование благоприятной структуры и надежность работы деталей обеспечивает рациональное легирование, измельчение зерна и повышение качества металла.
Упрочнение при легировании увеличивается пропорционально концентрации легирующего элемента в твердом растворе. При этом надо помнить, что различные легирующие элементы имеют ограниченную растворимость в основных фазах сплава и это зависит от относительной разницы атомных радиусов компонентов. Образование твердых растворов разных типов (замещения, внедрения, упорядоченных, не упорядоченных и др.) создают комбинации различных дислокационных образований с многообразными характеристиками прочности.
Измельчение зерна осуществляется легированием и термической обработкой. Наиболее эффективное измельчение структуры достигается при высокотемпературной термомеханической обработке. Она предусматривает пластическую деформацию аустенита с последующим превращением в мартенсит. В результате высокотемпературной термомеханической обработки обеспечивается наиболее благоприятное сочетание высокой прочности с повышенной пластичностью, вязкостью и сопротивлением разрушению. Упрочнение растет по мере увеличения концентрации растворенного легирующего элемента и различия в атомных радиусах железа и этого элемента. Наиболее сильно повышают твердость медленно охлажденного феррита (рис. 10.1.) Si , Mn , Ni ,.т.е те элементы, имеющие отличную от Fe α кристаллическую решетку. Слабее влияют Mo , V и Cr , решетки которых изоморфны Fe α . Повышение чистоты сплава достигается металлургическими приемами путем удаления вредных примесей серы, фосфора, газообразных элементов кислорода, водорода, азота.
При введении в сталь легирующих элементов, растворимость которых в решетке железа может изменяться в зависимости от температуры, наблюдается эффект, называемый дисперсионным твердением . Для этого необходимо получить пересыщенный твердый раствор с повышенной концентрацией растворенного элемента. Такой твердый раствор является неравновесным и стремиться к распаду. Процесс распада пересыщенного твердого раствора при комнатной температуре называется естественным старением . При некотором нагреве искусственным старением .
При старении избыточный элемент выделяется из кристаллической решетки металла-растворителя в виде мельчайших частиц, которые называют дисперсной фазой .
Дисперсная фаза, будучи равномерно распределена в твердом растворе, искажает кристаллическую решетку последнего и изменяет механические свойства сплава. Повышение твердости, прочности наблюдается только в том случае, когда сохраняется когерентность (непрерывность) атомно-кристаллических решеток дисперсной фазы и твердого раствора.
Дисперсионное твердение связано с диффузионными процессами и поэтому продолжительность старения оказывает существенное влияние на эффект дисперсионного твердения. Дисперсионное твердение в сложнолегированной стали с несколькими легирующими элементами часто проявляется совершенно иначе, чем в стали с одним легирующим элементом. Дополнительные легирующие элементы могут увеличивать или уменьшать растворимость основного элемента, вызывающего дисперсионное твердение и тем самым увеличивать или уменьшать эффект упрочнения материала. Дисперсионное твердение сопутствует обычному процессу термической обработки стали и оказывает существенное влияние на ее свойства. Упрочняющими фазами в сталях могут быть карбиды, нитриды, интерметаллиды, химические соединения и др.
Упрочнение пластическим деформированием
В результате холодной пластической деформации изменяются свойства металла: повышается прочность, электросопротивление, снижается пластичность, плотность, коррозионная стойкость. Это явление называется наклепом и может быть использовано для изменения свойств металлических материалов. Свойства наклепанного металла изменяются тем сильнее, чем больше степень деформации. Металлы наклепываются в начальной стадии деформирования более интенсивно, а при возрастании деформации механические свойства изменяются незначительно (рис. 1). С увеличением степени деформаций предел текучести растет быстрее временного сопротивления. У сильно наклепанных металлов обе характеристики сравниваются, а удлинение становится равным нулю. Такое состояние наклепанного металла называется предельным; при попытке продолжить деформирование может произойти разрушение металла. В результате наклепа удается повысить твердость и временное сопротивление в 1,5 3 раза, а предел текучести в 3 -7 раз. Металлы с ГЦК решеткой упрочняются сильнее, чем металлы с ОЦК решеткой. Среди сплавов с ГЦК решеткой сильнее упрочняются те, у которых энергия дефектов упаковки минимальна (интенсивно наклепываются аустенитная сталь и никель, а алюминий упрочняется незначительно)
Рис. 1. Зависимость механических свойств от степени деформации
Наклеп понижает плотность металла вследствие нарушений порядка в размещении атомов, при увеличении плотности дефектов и образовании микропор. Уменьшение плотности используют для увеличения долговечности деталей, которые в процессе эксплуатации подвержены переменным нагрузкам. Наиболее распространенным способом холодного пластического поверхностного деформирования является дробеструйная обработка. Она заключается в воздействии на обрабатываемую поверхность частиц дроби, ускоренных в дробеструйных центробежных или пневматических аппаратах. Для этого используется стальная или чугунная дробь величиной 0,5 2,0 мм. Время обработки поверхности детали не превышает 2 3 мин., а толщина поверхностного слоя находится в пределах 0,2 0,4 мм.
В поверхностном наклепанном слое увеличивается плотность дефектов кристаллической решетки, может изменяться форма и ориентация зерен. В поверхностных слоях создаются сжимающие напряжения, тормозящие зарождение и развитие трещин. Дробеструйная обработка может быть эффективна для сталей различного состава и после различной термической обработки (отжиг, нормализация, закалка, улучшение, цементация и др.).
Основное назначение дробеструйной обработки повышение усталостной прочности. Такой обработке подвергаются пружины, рессоры, шестерни, различные валы и т.д. Особенно эффективна дробеструйная обработка деталей, имеющих галтели, выточки, следы грубой механической обработки и другие концентраторы напряжений. Для сравнения в таблице 7.1 приведены примеры повышения сопротивления усталостному разрушению некоторых деталей машин.
Таблица 1.
|
п/п |
Название детали |
σ -1, МПа |
|
|
До обработки |
После обработки |
||
|
Шестерня после закалки из стали 45 |
|||
|
Пружины автомобиля передней подвески из стали 65Г |
|||
|
Клапанные пружины двигателя из стали 50ХФА |
|||
Если изменение структуры и свойств в результате пластической деформации нежелательно, оно может быть устранено последующей термической обработкой рекристаллизационным отжигом.
Упрочнение термическими методами
Температурное воздействие на различные материалы с целью изменения их структуры и свойств является самым распространенным способом упрочнения в современной технике. Это воздействие может осуществляться чаще при плюсовых температурах, реже при отрицательных температурах и сочетаться с химическим, деформационным, магнитным, электрическим и др. процессами.
Следуя классификации А.А. Бочвара, в основу которой положены типы фазовых и структурных превращений в металле, различают следующие виды термообработки:
Собственно термическая обработка;
Термомеханическая обработка;
Химико-термическая обработка
Собственно термическая обработка предусматривает только температурные воздействия на металл или сплав. Управляемые структурно-фазовые процессы в стали, которые обеспечивают получение требуемой фазовой и дислокационной структуры, происходят вследствие наличия аллотропии.
Термомеханическая обработка (ТМО) сочетание термического воздействия и пластической деформации. ТМО позволяет получить более высокие прочностные и вызкостно-пластические свойства у стали, чем после обычной закалки и низкого отпуска. Положительный дополнительный эффект при ТМО объясняется предварительным наклепом аустенита во время пластической деформации. Последствия этого наклепа передаются мартенситу в виде дополнительных, возникающих при наклепе дислокаций, которые, складываются с дислокациями, возникающими при последующем мартенситном превращении, создают более плотную дислокационную структуру. Такая высокая плотность дислокаций (до 10 13 см -2 ) не порождает возникновение трещин при закалке. Существуют две разновидности термомеханической обработки высокотемпературная (ВТМО) и низкотемпературная (НТМО). При ВТМО аустенит деформируется при температуре выше линии А С3 до степени деформации 20-30%. При НТМО производится деформация переохлажденного до 400 600 0 С аустенита, степень деформации составляет 75-90%.
Химико-термическая обработка (ХТО) сочетание химического и термического воздействия с целью изменения состава, структуры и свойств поверхностного слоя детали в необходимом направлении. При этом происходит поверхностное насыщение металлического материала соответствующим элементом ( C , N , B , Al , Cr , Si , Ti и др.) путем его диффузии в атомарном состоянии из внешней среды (твердой, газовой, паровой, жидкой) при высокой температуре.
Процесс химико-термической обработки состоит из трех элементарных стадий:
Выделение диффундирующего элемента в атомарном состоянии благодаря реакциям, протекающим во внешней среде;
Контактирование атомов диффундирующего элемента с поверхностью стального изделия и проникновение (растворение) их в решетку железа (адсорбция);
Диффузия атомов насыщающего элемента вглубь металла.
Поверхностное упрочнение
Среди методов поверхностного упрочнения наибольшее распространение получили поверхностная закалка, обработка лазером и электроискровое легирование.
При поверхностной закалке на некоторую заданную глубину закаливается только верхний слой, тогда как сердцевина изделия остается незакаленной.
Основное назначение поверхностной закалки: повышение твердости, износостойкости и предела выносливости обрабатываемого изделия. Сердцевина изделия остается вязкой и воспринимает ударные нагрузки. Поверхностную закалку осуществляют несколькими методами: нагревом токами высокой частоты; нагревом
Поверхностную закалку осуществляют несколькими методами: нагревом токами высокой частоты (ТВЧ); нагревом газовым пламенем.
Закалка ТВЧ впервые предложена В. П. Вологдиным. При закалке по этому методу стальное изделие размещают внутри индуктора в форме спирали или петли (рис. 2). Ток высокой частоты подводится от генератора к индуктору. Во время прохождения тока через индуктор в поверхностных слоях изделия за счет индукции возникает ток противоположного направления, нагревающий сталь.
В связи с тем, что скорость нагрева ТВЧ значительно выше скорости нагрева в печи, фазовые превращения в стали происходят при более высоких температурах и температуры нагрева под закалку повышаются. Например, при нагреве ТВЧ со скоростью 400 °С/с температура закалки стали 40 с 840…860 °С повышается до 930…980 °С. После прогрева ТВЧ стали до температуры закалки изделие охлаждают водой. При закалке ТВЧ получается высокодисперсная структура кристаллов мартенсита, обеспечивающая более высокую твердость и прочность стали, чем при печном нагреве.
Рис. 2. Схема нагрева токами высокой частоты: 1 деталь; 2 индуктор; 3 магнитное поле; I направление тока в индукторе; II направление тока в детали
Существуют следующие способы закалки индукционного нагрева:
Одновременный нагрев и охлаждение всей поверхности; этот метод применяют для изделий, имеющих небольшую поверхность (пальцы, валики, осевые инструменты);
Последовательный нагрев и охлаждение отдельных участков: используют при закалке шеек коленчатых валов (последовательный нагрев и закалка одной шейки за другой), зубчатых колес с модулем более 6 (закалка «зуб за зубом»), кулачков распределительных валов и т.д.
Непрерывно последовательный нагрев и охлаждение. Метод применяют для закалки длинных валов, осей и т.д. При этом методе изделие перемещается относительно неподвижных индуктора и охлаждающего устройства (спрейера) или наоборот. По сравнению с первым методом не требуется большой установочной мощности генератора.
При закалке с нагревом пламенем газокислородной горелки , имеющей температуру 2000…3000 °С, получается очень быстрый нагрев некоторого участка поверхности до температуры закалки, после чего из специального охладителя на этот участок направляется струя воды. Перемещая горелку относительно поверхности и одновременно вслед за горелкой охладитель, можно закалить большую поверхность крупногабаритных изделий.
Вследствие подвода значительного количества тепла поверхность изделия быстро нагревается до температуры закалки, тогда как сердцевина детали не успевает нагреваться. Последующее быстрое охлаждение обеспечивает закалку поверхностного слоя. В качестве горючего применяют ацетилен, светильный и природный газы, а также керосин. Для нагрева используют щелевые горелки (имеющие одно отверстие в форме щели) и многопламенные.
Толщина закаленного слоя обычно составляет 2 4 мм, а его твердость 50 56 HRC . В тонком поверхностном слое образуется мартенсит, а в нижележащих слоях троосто-мартенсит. Пламенная закалка вызывает меньшие деформации, чем объемная, и из-за большой скорости нагрева сохраняет более чистую поверхность.
Процесс газопламенной закалки можно легко автоматизировать и включать в общий поток механической обработки. Для крупных деталей этот способ закалки часто более рентабелен, чем закалка индукционного нагрева.
Сущность лазерного упрочнения состоит в мощном импульсном (или непрерывном) воздействии светового пучка чрезвычайно большой плотности энергии, что вызывает мгновенный нагрев поверхности до высоких температур, превышающие температуры структурно-фазовых превращений металла и температуру плавления. С учетом чрезвычайно высоких скоростей охлаждения, которые в 10 100 раз превышают скорости охлаждения при закалке, в поверхности материала формируются особомелкозернистая или даже псевдоаморфная структура, имеющая повышенную твердость (20 -30%).
Технологические процессы лазерной обработки имеют ряд неоспоримых достоинств по сравнению с другими способами поверхностного упрочнения:
Простота транспортировки лазерного луча при отсутствии механического контакта упрочняемой поверхности с источником энергетического воздействия;
Возможность дозированного энергетического воздействия;
Возможность реализации процесса упрочнения в вакууме, газовой и жидкостной средах;
Широкий спектр энергетических и комбинированных физико-химических воздействий на упрочняемою поверхность.
Лазеры оптические квантовые генераторы (ОКГ), позволяющие получать электромагнитные излучения высокой концентрации энергии.
Применение лазеров для термической обработки основано в преобразовании световой энергии в тепловую. Высокая концентрация энергии в световом потоке оптического квантового генератора позволяет нагреть поверхность до температуры термообработки за очень короткое время.
Рис 3 . Схема композиционной структуры при лазерной термической обработке
Технологические процессы лазерной обработки определяются взаимодействием лазерного облучения с материалом и зависят от теплофизических и оптических свойств обрабатываемых материалов. Основные стадии взаимодействия лазерного излучения с материалом сводятся к следующим процессам: поглощение светового потока электронами и передача энергии кристаллической решетке твердого тела, нагрев вещества без его разрушения, разрушение вещества в зоне воздействия светового потока, разлет продуктов разрушения и остывание после окончания действия светового импульса. Параллельно с этими процессами в обрабатываемом материале происходят активные диффузионные и химические реакции, а также фазовые превращения, существенно меняющие исходную структуру и оказывающие влияние на само взаимодействие лазерного излучения с материалом.
Упрочненная поверхность представляет собой композиционную структуру (рис. 3):
1 - слой зона расплавленного и быстро закристаллизовавшегося металла, 2 - зона термического влияния, в которой все структурные изменения происходят в твердом состоянии. Затем наблюдается переходный слой 3 и 4 - материал основы.
Лазерная термическая обработка позволяет повысить твердость и износостойкость упрочняемых материалов. Твердость зависит от концентрации углерода и легирующих элементов в стили. Хорошо упрочняются средне- и высоколегированные углеродистые и инструментальные стали. Стали с низким содержанием углерода и высокопрочные низколегированные стали при лазерной обработке, упрочняются плохо. Лазерная термическая обработка не влияет на предел прочности и предел текучести сталей.
Электроискровое легирование (ЭИЛ) относится к технологиям упрочнения, основывающимся на взаимодействии материалов с высококонцентрированными потоками энергии и вещества. Образование упрочненного слоя происходит в результате сложных плазмохимических, теплофизических и механотермических процессов, реализуемых на микролокальных участках взаимодействия материала с единичным искровым разрядом.
Процесс ЭИЛ включает следующие этапы (рис. 4):
1. Оплавление. При сближении на определенное расстояние электрода-инструмента с упрочняемой металлической поверхностью происходит импульсный электрический разряд длительностью 10 -6 …10 -3 с. В результате на поверхностях анода (легирующий электрод) и катода (упрочняемая деталь) образуются локальные очаги электроэрозионного разрушения.
2. Электрическая эрозия. Она представляет комплексный процесс разрушения, включающий в себя оплавление, испарение, термохрупкое разрушение и другие механизмы. Эродированная масса легирующего электрода имеет избыточный положительный разряд, попадая в межэлектродное пространство, она устремляется к поверхности катода-детали, ускоряясь и нагреваясь за счет электрического поля анода и катода.
Рис 4. Схема физических процессов в межэлектродном промежутке при электроискровом легировании: а) этап оплавления; б) электрическая эрозия; в) - физико-химическое взаимодействие
Рис 5. Схема композиционной структуры материала после электроискрового легирования: 1 зона тонкопленочных или сплошных формирований; 2 зона смеси материалов анода и катода; 3 зона сформированная за счет диффузии элементов легирующего электрода в упрочняемой матрице катода-детали; 4 зона термического воздействия плавно переходящая в структуру основного материала -5.
3. Физико-химическое взаимодействие. При движении анодная эродированная масса вступает в физико-химическое взаимодействие с межэлектродной средой и летучими продуктами эрозии катода-детали. К моменту осаждения фрагменты эродированной массы несут в себе электрическую, кинетическую и тепловую энергии, которые при взаимодействии с упрочняемой поверхностью выделяются в виде теплового импульса большой мощности. Вслед за осаждением эродированной массы упрочняемая поверхность подвергается контактно-деформационному воздействию вибрационного характера. Энергетическое воздействие высокой концентрации стимулирует протекание сопутствующих ЭИЛ микрометаллургических конвекционно-дифузионных процессов энергомассопереноса.
Упрочненная поверхность представляет собой композиционную структуру (рис. 5.).
Самый верхний слой состоит тонкопленочных «островковых» или сплошных формирований, состоящих из материала анода, и межэлектродной среды. Сплошность этого слоя зависит от режимов и условий упрочнения. Под верхним слоем располагается зона, представляющая смесь материалов анода и катода, образованную в результате конденсации ионно-плазменной и капельной фаз на упрочняемой поверхности. Далее следует слой, сформированный за счет диффузии элементов легирующего электрода в упрочняемой матрице катода-детали. Под ним располагается зона термического воздействия, представляющая трансформированную структуру исходного материала с измененной плотностью дефектов кристаллического строения по причине импульсного теплового воздействия. С перемещением в глубь структура зоны термического воздействия плавно переходит в структуру основного материала. В зависимости от режимов электроискрового легирования величина и степень упрочнения каждого слоя могут варьироваться в широком диапазоне, но наибольшую толщину всегда имеет зона термического воздействия, которая в большинстве случаев и определяет эксплуатационные свойства поверхности.
Основной энергетической характеристикой процесса ЭИЛ является энергия единичного искрового разряда, которая определяется:
= , (1)
где t и - длительность единичного искрового разряда; U (t ) и I (t ) напряжение и сила тока в импульсе.
Наличие тесной связи между плотностью дефектов кристаллического строения, диффузионно-адгезионной активностью модифицированной структуры и коэффициентом переноса является основой для разработки оригинальных технологий повышения качества упрочнения при ЭИЛ. К таковым, в частности, можно отнести последовательную комбинацию поверхностно-пластического деформирования с электроискровым легированием, позволяющую повысить толщину легированного покрытия до нескольких десятых долей миллиметра, снизить уровень остаточных напряжений и стабилизировать структуру за счет уменьшения пористости.
Цементация стали
Цементацией называется процесс насыщения поверхностного слоя стали углеродом. Различают два основных вида цементации: твердую углеродосодержащую смесь (карбюризаторы) и газовую. Целью цементации является получение твердой износостойкой поверхности, что достигается обогащением поверхностного слоя углеродом до концентрации 0,8 1,2 % и последующей закалкой с низким отпуском. Цементация и последующая термическая обработка одновременно повышают предел выносливости.
Для цементации обычно используют низкоуглеродистые стали 0,1 0,18 %. Для крупногабаритных деталей применяют стали с более высоким содержанием углерода (0,2 0,3 %). Выбор таких сталей необходим для того, чтобы сердцевина изделия, не насыщающаяся углеродом при цементации, сохраняла высокую вязкость после закалки.
При цементации в твердом карбюризаторе изделия укладывают в ящики, засыпают древесным углем. При нагреве углерод древесного угля, соединяясь с кислородом воздуха, образует оксид углерода, который, в свою очередь, взаимодействуя с железом, дает атомарный углерод. Этот активный углерод поглощается аустенитом и диффундирует в глубь изделия. Для ускорения процесса цементации к древесному углю (коксу) добавляют активизаторы: углекислый барий (ВаСО 3 ) и кальцинированную соду ( Na 2 CO 3 ) в количестве 10 40 % от массы угля.
Для газовой цементации в качестве карбюризатора используют природный газ, жидкие углеводороды (керосин, бензин и т.д.) или контролируемые атмосферы. При нагреве образуется атомарный углерод:
2 CO CO 2 + C атом
или
CH 4 2 H 2 + C атом ; C атом Fe (аустенит).
Газовая цементация основной процесс при массовом производстве, а цементацию в твердом карбюризаторе используют в мелкосерийном производстве.
Глубина цементации в зависимости от назначения изделия и состава стали обычно находится в пределах 0,5-2,00 мм.
Цементацию проводят при 910 930 , или для ускорения процесса при 1000-1050. С повышением температуры уменьшается время достижения заданной глубины цементации. Так при газовой цементации науглероженный слой толщиной 1,0 1,3 мм получают при 920 за 15 ч., а при 1000 за 8 ч. Чтобы предотвратить сильный рост аустенитного зерна высокотемпературной цементации подвергают наследственно мелкозернистые стали.
Концентрация углерода в поверхностном слое изделия обычно составляет 0,81,0% и не достигает предела растворимости при температуре цементации. Следовательно, сетка Fe 3 С при температуре цементации не образуется, и поверхностный слой, как и сердцевина, находится в аустенитном состоянии. После медленного охлаждения цементованный слой с переменной концентрацией углерода состоит из феррита и цементита и характеризуется гаммой структур, типичных для заэвтектоидной, эвтектоидной и доэвтектоидной стали (рис. 6).
Цементация является промежуточной операцией, цель которой обогащение поверхностного слоя углеродом. Требуемое упрочнение поверхностного слоя изделия достигается закалкой после цементации. Закалка должна не только упрочнить поверхностный слой, но и исправить структуру перегрева, возникающую из-за многочасовой выдержки стали при температуре цементации.
Рис. 6. Изменение концентрации углерода по глубине цементированного слоя (а) и схема микроструктуры незакаленного науглероженного слоя (б): 1 заэвтектоидная; 2 эвтектоидная;
3 доэвтектоидная зоны
После цементации в твердом карбюризаторе ответственные изделия подвергают двойной закалке, так как содержание углерода в сердцевине и на поверхности изделия разное, а оптимальная температура нагрева под закалку зависит от содержания углерода в стали
Первую закалку проводят с нагревом до 850900°С (выше точки Аз сердцевины изделия), чтобы произошла полная перекристаллизация с измельчением аустенитного зерна в доэвтектоидной стали. В углеродистой стали из-за малой глубины прокаливаемости сердцевина изделия после первой закалки состоит из феррита и перлита. Вместо первой закалки к углеродистой стали можно применять нормализацию. В прокаливающейся насквозь легированной стали сердцевина изделия состоит из низкоуглеродистого мартенсита. Такая структура обеспечивает повышенную прочность и достаточную вязкость сердцевины.
После первой закалки цементованный слой оказывается перегретым и содержащим повышенное количество остаточного аустенита. Поэтому применяют вторую закалку с температуры 700780°С, оптимальной для заэвтектоидных сталей. После второй закалки поверхностный слой состоит из мелкоигольчатого высокоуглеродистого мартенсита и глобулярных включений вторичного карбида.
При газовой цементации чаще всего применяют одну закалку с цементационного нагрева после подстуживания изделия до 840860 °С. Заключительной операцией термической обработки цементируемых изделий во всех случаях является низкий отпуск при 160 180 0 С и переводящий мартенсит закалки в поверхностном слое в отпущенный мартенсит, снимающий напряжения.
Цементацию широко применяют в машиностроении для повышения твердости и износостойкости изделий с сохранением высокой вязкости их сердцевины. Удельный объем закаленного науглероженного слоя больше, чем сердцевины, и поэтому в нем возникают значительные сжимающие напряжения. Остаточные напряжения сжатия в поверхностном слое, достигающие 400500 МПа, повышают предел выносливости изделия.
Низкое содержание углерода (0,080,25%) обеспечивает высокую вязкость сердцевины. Цементации подвергают качественные стали 08, 10, 15 и 20 и легированные стали 12ХНЗА, 18ХГТ и др.
Твердость поверхностного слоя для углеродистой стали составляет 60 64 HRC , а для легированной 58 61 HRC ; снижение твердости объясняется образованием повышенного количества остаточного аустенита.
Азотирование стали
Азотированием называют процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали азотом при нагреве ее в аммиаке. Азотирование очень сильно повышает твердость поверхностного слоя, его износостойкость, предел выносливости и сопротивления коррозии в таких средах, как атмосфера, вода, пар и т.д. Твердость азотированного слоя заметно выше, чем цементируемой стали и сохраняется при нагреве до высоких температур (500 550 0 С), тогда как твердость цементируемого слоя, имеющего мартенситную структуру, сохраняется только до 200 225 0 С.
До азотирования детали подвергают закалке, высокому отпуску (улучшению) и чистовой обработке. После азотирования детали шлифуют или полируют. Азотирование стальных изделий проводят интервале температур 500-620 0 С в аммиаке, который при нагреве диссоциирует, поставляя активный атомарный азот:
N Н 3 → N + 3Н.
В системе F еN при температурах азотирования могут образовываться следующие фазы: α-раствор азота в железе (азотистый феррит), γ-раствор азота в железе (азотистый аустенит), промежуточная γ"-фаза переменного состава с г. ц. к. решеткой и промежуточная ε-фаза с г. п. решеткой и широкой областью гомогенности (от 8,1 до 11,1 % N при комнатной температуре). В общем случае формирование структуры диффузионного слоя азотируемой стали зависит от состава стали, температуры и длительности нагрева, а также и скорости охлаждения после азотирования. При азотировании стали при 590 ºС диффузионный слой состоит из трех фаз: ε, γ" ( Fe 4 N ), и α.
Высокая твердость и износостойкость азотируемых конструкционных сталей обеспечиваются нитридами легирующих элементов, которые существенно влияют на глубину азотированного слоя и поверхностную твердость. Наиболее высокая поверхностная твердость и износостойкость при азотировании достигается в хромомолибденовых сталях, дополнительно легированных алюминием, типичным представителем которых является сталь 38Х2МЮА.
Азотирование повышает предел усталости конструкционных сталей за счет образования в поверхностном слое остаточных напряжений.
Тонкий слой ε-фазы (0,01 0,03 мм) хорошо защищает простые углеродистые стали с содержанием углерода от 0,1- до 1,0 % от коррозии во влажной атмосфере и других средах.
Нитроцементация
Процесс одновременного насыщения стали углеродом и азотом в газовой среде называется нитроцементацией . Нитроцементацию проводят при более низких температурах (850 870 0 С) по сравнению с цементацией. Это обусловлено тем, что азот проникая в сталь одновременно с углеродом, понижает температуру существования твердого раствора на основе γ-железа и тем самым способствует науглероживанию стали при более низких температурах. Понижение температуры насыщения без увеличения длительности процесса позволяет снизить деформацию обрабатываемых деталей, уменьшить нагрев печного оборудования. Для газовой цементации и нитроцементации применяют практически одинаковое оборудование.
Для нитроцементации рекомендуется использовать контролируемую эндотермическую атмосферу, к которой добавляют 3 15 % неотработанного природного газа и 2 10 % N Н 3 или в случае шахтной печи жидкий карбюризатор триэтаноламин (С 2 Н 5 О) 3 N , который в виде капель вводят в рабочее пространство.
Нитроцементации обычно подвергают легированные стали с содержанием до 0,25% С . Продолжительность процесса 4-10 ч. Толщина нитроцементованного слоя составляет 0,20,8 мм. После нитроцементации следует закалка, либо непосредственно из печи с подстуживанием до 800 825 0 С, либо после повторного нагрева; применяют и ступенчатую закалку. После закалки проводят отпуск при 160 180 0 С.
При оптимальных условиях насыщения структура нитроцентируемого слоя должна состоять из мелкокристаллического мартенсита, небольшого количества мелких равномерно распределенных карбонитридов и 25 30 % остаточного аустенита.
Твердость слоя после закалки и низкого отпуска составляет 58 64 HRC (5700 6900 HV ). Высокое содержание остаточного аустенита обеспечивает хорошую прирабатываемость например, не шлифуемых автомобильных шестерен, что обеспечивает их бесшумность. Максимальные показатели прочности достигаются только при оптимальном для данной стали содержании на поверхности нитроцементируемого слоя углерода и азота.
В последние годы получил применение процесс низкотемпературной нитроцементации.
Низкотемпературную нитроцементацию проводят при 570 0 С в течение 0,5 3,0 час в атмосфере, содержащей 50 % эндогаза (экзогаза) и 50 % аммиака или 50 % пропана (метана) и 50 % аммиака. В результате такой обработки на поверхности стали образуется тонкий карбонитридный слой Fe 3 (N , C ) , обладающий высокой износостойкостью. Твердость такого слоя на легированных сталях составляет 5000 10000 HV . Низкотемпературная нитроцементация повышает предел выносливости изделий. Процесс рекомендован для замены жидкого азотирования в расплавленных цианистых солях.
Все эти виды упрочняющей термической обработки имеют свою специфику и особенности и, как правило, используются в различных технологических операциях при термической обработке сталей и сплавов.
МЕТОДЫ УПРОЧНЕНИЯ ТРУБНЫХ СТАЛЕЙ
Филипенко Елизаветы Владимировны
студент гр. 3 курса, ГБОУ СПО СО «Первоуральский металлургический колледж» г. Первоуральск
E - mail : cher - ev @ mail . ru
Щербинина Е.В.
преподаватель спец. дисциплин ВКК, руководитель г. Первоуральск
Металлургическая промышленность - одна из крупнейших отраслей народного хозяйства и находится на втором месте после нефтегазового комплекса по объему экспортной выручки.
В последние годы уровень развития черной металлургии России значительно повысился. Это связано, прежде всего, со значительными объемами финансовых инвестиций, направляемых на модернизацию производства крупнейшими предприятиями отрасли .
Одной из основных отраслей металлургического комплекса является трубное производство.
Трубы изготавливаются промышленным способом, из металлов и сплавов, органических материалов (пластмасс, смол), бетона, керамики, стекла, древесины и их композиций.
Трубы применяются для транспортировки различных сред, изоляции или группировки иных проводов. Металлическая труба широко применяется в строительстве, как конструкционный профиль, в механизмах - как вал для передачи вращения и т. д.
Трубы классифицируются по способу производства(прокатные-бесшовные, прессованные, сварные стальные и литые).
Широкое применение в промышленности нашли трубы, изготовленные из разных марок сталей.
Существует несколько способов упрочнения трубной стали, которые имеют широкое применение в производстве:
1. Термомеханическая обработка заключается в пластическом деформировании аустенита с последующей закалкой на мартенсит и низким отпуском.
2. Поверхностная закалка состоит в нагреве поверхностного слоя стали выше точки Ас 3 с последующим охлаждением для получения высокой твердости и прочности в поверхностном слое детали в сочетании с вязкой сердцевиной. Нагрев под закалку производят токами высокой частоты, пламенем газовых или кислородно-ацетиленовых горелок, а также лазерным излучением.
3. Обработка холодом проводится для повышения твёрдости стали путем перевода остаточного аустенита закаленной стали в мартенсит. Это выполняется при охлаждении стали до температуры нижней мартенситной точки.
4. Упрочнение поверхности методом пластического деформирования - происходит наклеп поверхности детали в результате холодной деформации, позволяющий повысить ее усталостную прочность.
5. Химико-термическая обработка - тепловая обработка металлов в различных химически активных средах с целью изменения химического состава и структуры поверхностного слоя металла, повышающих его свойства. К этой обработке относятся цементация, нитроцементация азотирование, цианирование - цель: твёрдости, износостойкости и предела выносливости на поверхности детали; диффузионная металлизация (алитирование, силицирование, хромирование и т. д.) - цель: повышение коррозионной стойкости поверхности при работе в разных коррозионных средах .
Инновационные методы, применяемые для упрочнения трубной стали.
Контролируемая прокатка.
Это разновидность процесса высокотемпературной термомеханической обработки сталей и сплавов, характеризующегося регламентированным, в зависимости от химического состава, условиями нагрева металла, температурными и деформационными параметрами процесса и заданными режимами охлаждения металла на различной стадии пластической обработки.
В результате: эта технология позволяет получать оптимальные сочетания прочностных и вязких свойств готового проката без использования термической обработки и при более низком расходе дефицитных легирующих добавок.
Основной принцип контролируемой прокатки заключается в измельчение аустенитного, а, следовательно, и ферритного зерна, что приводит к одновременному повышению прочности и вязкости стали.
Контролируемая прокатка имеет 3 стадии получения трубной стали: деформация в зоне рекристаллизации аустенита, деформация некристаллизующегося аустенита и деформация в двухфазной аустенитно-ферритной области. Исследования показали, что в процессе прокатки в чистовой клети при температуре ниже Аr 3 на механические свойства оказывает влияние дислокационное, субструктурное и текстурное упрочнение. Основные различия между обычной и контролируемой прокаткой состоит в том, что при контролируемой прокатке деформационные полосы разделяют аустенитные зерна на несколько блоков. Граница каждого блока является источником зарождения ферритных зерен. В результате из аустенитного зерна одинаковой величины при контролируемой прокатке образуются более мелкие ферритные зерна, чем при обычной горячей прокатке, когда зарождение ферритных зерен осуществляется на границах аустенитных. Кроме того, увеличение числа активных центров зарождения феррита ускоряет процесс - превращения, в результате чего снижается вероятность выделения бейнитной структуры, придающей низкую вязкость стали .
В практике прокатного производства осуществляются мероприятия, повышающие точность размеров детали:
1) применение жестких клетей, обеспечивающих минимальные упругие деформацииппрокатнойкклети;
2) улучшение конструкции нагревательных печей и качества нагрева, позволяющие поддерживать равномерную температуру по сечению заготовки и разныххзаготовок;
3) применение оптимального охлаждения полос, компенсирующего повышение температуры валков под действием тепла нагретых полос и тепла, выделяющегося при пластической деформации;
4) увеличение твердости рабочей поверхности валка;
5) равномерная деформация металла в калибрах и уменьшение давления при прокатке применением оптимальных калибровок прокатных валков, использованием в прокатных клетях современных подшипников качения и жидкостного трения, оснащением станов непрерывной прокатки постоянно действующими устройствами для контроля межклетевого натяжения проката и т. д.
Рисунок 1 Схема влияния температуры деформации при контролируемой прокатке на морфологию аустенитного зерна и ферритно-перлитную структуру в малоуглеродистых микролегированных сталях.
Малоуглеродистые стали с комплексным упрочнением и гетерофазной структурой, содержащей продукты низкотемпературного распада аустенита.
Стали со структурой, содержащей полигональный феррит, бейнит и мелкие островки мартенсита (остаточного аустенита), имеют непрерывную диаграмму растяжения без площадки текучести. В противоположность сталям с ферритно-перлитной структурой это может обеспечивать заметное деформационное упрочнение в процессе производства, обнаруживая увеличение прочности металла трубы по сравнению с заготовкой, что расширяет перспективы применение сталей данного класса. Уменьшить площадку текучести и усилить тенденцию к образованию плавной диаграммы растяжения можно в результате замены перлита бейнитом при наличии мартенситно-уастенитной составляющей. Следует отметить, что в значительной степени снижение передела связано с действием остаточных напряжений на макроуровне. В связи с этим влияние микроструктуры проявляется более сложно, что требует отдельного рассмотрения. В листах толщиной до 12-15 мм площадку текучести можно устранить при условии выполнения соотношения:
32,5 Mo + 10 (Mn + Cr) +2.5 Ni > 23
К сожалению, российские металлурги пока ещё не полностью готовы к промышленному производству листа и рулона из сталей данного класса, в то время как в мировую практику строительства трубопроводов уже входит применение труб класса точности Х100 и Х120.
Очевидно, что малоуглеродистые стали нового поколения, прочность которых обеспечивается за счёт формирования низкотемпературных продуктов превращения, отличаются уникальным комплексом свойств по сравнению с феррито - перлитными с дисперсионным и субструктурными упрочнениями. Уровень свойств ферритно-перлитных (малоперлитных) сталей в значительной степени определяется степенью упрочнения феррита вследствие создания субструктуры и выделения в нём карбидонитридов, главным образом ванадия .
Заключение.
В последнее время в России наблюдается стабильный рост производства стальных труб. В потреблении отдельных видов стальных труб сохраняются тенденции предыдущих лет: снижение потребления сварных труб малого и среднего диаметра и увеличение потребления сварных труб большого диаметра и бесшовных труб нефтяного сортамента, используемых для добычи и транспортировки газа и нефти; будет продолжаться вытеснение бесшовных труб сварными, производство которых уже сегодня достигло 64 % общего объёма производства труб.
В ближайшие годы российские производители будут активно модернизировать оборудование, вводить в эксплуатацию новые мощности по производству качественной заготовки и по выпуску труб, отвечающих мировым стандартам.
Будущее мировой российской промышленности - за внешним и внутренним рынками. На внешнем рынке уровень уже достигает до 25 % производимых в стране труб; на внутреннем рынке тоже хорошие перспективы с учётом лидирующих позиций России в области запасов нефти и газа, больших расстояний их транспортировки и реализации ряда крупных трубопроводных проектов.
Необходимость повышения конструктивной прочности сталей определяет переход к высокоточным, наукоёмким металлургическим технологиям. Для труб высоких классов прочности очевидна перспектива малоуглеродистых сталей с комплексным упрочнением и гетерофазной структурой, содержащей продукты низкотемпературного распада аустенита и применение технологии контролируемой прокатки, которая позволяет получать оптимальные сочетания прочностных и вязких свойств готового проката без использования термической обработки и при более низком расходе дефицитных легирующих добавок.
Освоение производства такой продукции требует качественного изменения основных мощностей отечественных металлургических предприятий на основе использования современных технологий, получивших широкое применение в мировой практике.
Список литературы:
1.Агентство экономической информации «Прайм»
2.Аналитический портал «Мониторинг цен»
3.Бронфин Б.М., Емельянов А.А., Швейкин В.П. Двухфазные феррито-мартенситные стали, упрочненные карбидами ванадия / Химия, технология и применение ванадиевых соединений: Тезисы докладов IV Всесоюзного совещания. Нижний Тагил, 1982. С. 106.
4.Бронфин Б.М., Емельянов А.А., Швейкин В.П. Субструктурное упрочнение двухфазных феррито-мартенситных сталей // Субструктурное упрочнение металлов и дифракционные методы исследования. Киев: Наукова Думка. 1985. С. 133-135.
5.Грачёв С.В., Бараз В.Р., Богатов А.А., Швейкин В.П. Физическое металловедение. Учебник для вузов. Екатеринбург. Изд. 2, доп. И испр. Изд-во УГТУ-УПИ, 2001, с. 534.
Типы механических передач
зубчатые передачи (цилиндрические, конические),винтовые (винтовые, червячные, гепоидные),с гибкими элементами (ременные, цепные),фрикционные (за счет трения, применяются в плохих условиях работы
По способу передачи движения:
движение с вала на вал передается за счет сил трения (фрикционные, ременные, червячные ), движение передается зацеплением (зубчатые, цепи, винту, с зубчатыми ремнями, червячные ).
Упрочнение в технологии металлов – это повышение сопротивляемости материала заготовки или изделия разрушению или остаточной деформации.
Упрочнение материала заготовок и изделий достигается механическими, термическими, химическими и др. воздействиями, а также комбинированными способами (химико-термическими, термомеханическими и др.). Наиболее распространённый вид упрочняющей обработки – поверхностное пластическое деформирование (ППД) – простой и эффективный способ повышения несущей способности и долговечности деталей машин и частей сооружений, в особенности работающих в условиях знакопеременных нагрузок (оси, валы, зубчатые колёса, подшипники, поршни, цилиндры, сварные конструкции, инструменты и т.п.). В зависимости от конструкции, свойств материала, размеров и характера эксплуатационных нагрузок деталей применяются различные виды ППД: накатка и раскатка роликами и шариками, обкатка зубчатыми валками, алмазноевыглаживание, дорнование, гидроабразивная, вибрационная, дробеструйная и др. способы обработки. Часто ППД, кроме упрочнения, значительно уменьшает шероховатость поверхности, повышает износостойкость деталей, улучшает их внешний вид (упрочняюще-отделочная обработка). Упрочнение при термической обработке металлов обеспечивается, в частности, при закалке с последующим отпуском. Улучшению прочностных свойств значительно способствуют и определённые виды термомеханической обработки (в т. ч. горячий и холодный наклёп). Упрочнение химико-термическим воздействием может осуществляться путём азотирования, цианирования, цементации, диффузионной металлизации (насыщением поверхности детали алюминием, хромом и др. металлами).
Упрочнение обеспечивается также применением электрофизических и электрохимических методов обработки, ультразвуковой, электроэрозионной, магнитоимпульсной, электрогидравлической, электроннолучевой, фотоннолучевой, анодно-химической, электроискровой, а также воздействием взрывной волны, лазера и др. Упрочняющая обработка может быть поверхностной (например, пластическое деформирование с возникновением поверхностного наклёпа), объёмной (например, изотермическая закалка) и комбинированной (например, термическая обработка с последующим ППД). Объёмная и поверхностная упрочняющая обработки могут вестись последовательно несколькими методами
13. Основные виды термической обработки стали .
Отжигом –называется вид термической обработки,состоящий в нагреве металла,имеющего неустойчивое состояние в результате предшествующей обработки и приводящей металл в более устойчивое состояние. При этом процессе заготовки и изделия получают устойчивую структуру без остаточных напряжений.
Отжиг делится на полный, неполный,диффузионный, рекристаллизационный,низкий, изотермический и нормализационный. Полный отжиг применяется для снижения твердости,прочности стали, а пластичность при этом повышается.При полном отжиге в металле происходит,перекристаллизация стали и уменьшения размера зерна,за счёт чего и достигаются указанные выше свойства.Неполный отжиг применяется,для улучшения обрабатываемости резанием и для подготовки стали к закаливанию.Изотермический отжиг заключается,в нагреве стали до определённой температуры и относительно быстром охлаждении, также до определенных температур и последующем охлаждении на воздухе. При этом получается,более однородная структура стали. Изотермическая выдержка производится в расплаве соли.Диффузионный отжиг заключается,в нагреве стали до 1000-1100 градусов по Цельсию,выдержке (10-15часов) при этой температуре и последующем медленном охлаждении. В результате такого отжига происходит,выравнивание неоднородности стали по химическому составу. Такая высокая температура необходима для ускорения диффузионных процессов. При высокой температуре нагрева и продолжительной выдержке получается крупнозернистая структура,которая устраняется последующим полным отжигом.Рекристаллизационный отжиг необходим для снятия наклёпа и внутренних напряжений после холодных деформаций и подготовки к дальнейшему деформированию.В результате такого отжига образуется однородная мелкозернистая структура с небольшой твердостью и значительной вязкостью.Низкий отжиг применяют для того, что бы только снять внутреннее напряжение,которое возникает после механической обработки.Нормализация состоит, из нагрева стали,её выдержке при определенной температуре и после чего оставляют охлаждаться на воздухе.Нормализация– это более дешёвая термическая операция, чем отжиг, так как печи используют только для нагрева и выдержки.
К термической обработке стали также, относятзакалку . Суть этого процесса заключается,в нагреве стали до больших температур и после чего сталь быстро охлаждают. Цель закалки – это придание стали повышенной прочности,твердости, но при этом снижается вязкость и пластичность.Закалка характеризуется двумя способностями:закаливаемостью и прокаливаемостью.Закаливаемость характеризуется определённой твёрдостью,которая сталь приобретает после закалки,атакже зависит от содержания углерода в данной стали.Стали с очень низким содержанием углерода (до0,3) закалке не поддаются и она для них не применяется.
Прокаливаемость– это глубина проникновения закалённой зоны (области).Прокаливаемость зависит от химического состава стали.С повышением содержания углерода прокаливаемостьувеличивается.Напрокаливаемость влияет также скорость охлаждения.Чем выше скорость охлаждения,тем больше прокаливаемость.Поэтому при закалке в воде прокаливаемость более высокая,чем при закалке в масле. Большие размеры закаливаемой детали, также приводят к значительному уменьшению прокаливаемости.
Способы охлаждения также относят к одной из операций термообработки.
Ступенчатую закалку производят путем быстрого охлаждения в соляной ванне,затем делают выдержку и охлаждают на воздухе. Ступенчатую закалку применяют для деталей из углеродистой стали небольшого сечения (8-10 мм).Для сталей,имеющих небольшую критическую скорость закалки,ступенчатую закалку применяют в основном для изделий большого сечения.При изотермической закалке, как и при ступенчатой,детали переохлаждают в среде, далее на воздухе.Преимущества этого способа закалки заключается в большей вязкости,отсутствии трещин, минимальном короблении.Изотермическую закалку применяют для изделий сложной формы.Существенную роль играют также способы погружения деталей в охлаждающую жидкость. Например длинные изделия вытянутой формы(свёрла, метчики)погружают в строго вертикальном положении,чтобы избежать коробления.
Отпуск стали– это вид термической обработки,следующий за закалкой и заключающийся в нагреве стали до определённой температуры,выдержки и охлаждении.Цель отпуска стали - снятие внутренних напряжений,повышение вязкости и пластичности.
Различают низкий, средний и высокий отпуск.Низкий отпуск проводится при температуре150-200 градусов Цельсия. В результате снимаются внутренние напряжения,происходит увеличение пластичности и вязкости без заметного снижения твердости и износостойкости.Низкому отпуску подвергают режущий и мерительный инструмент,а также детали,которые должны обладать высокой износостойкостью и твёрдостью.При среднем отпуске нагрев производится до 350-450 градусов Цельсия. При этом происходит некоторое снижение твёрдости при значительном увеличении упругости и сопротивляемости действию ударных нагрузок. Применяется для пружин,рессор, ударного инструмента.Высокий отпуск производится при 550-650 градусов Цельсия. При этом твёрдость и прочность снижаются значительно,но очень сильно возрастают вязкость и пластичность,однако создаётся оптимальный вариант для конструкционных сталей сочетание механических свойств. Применяется для деталей,которые подвергаются действию высоких нагрузок. Термическая обработка,состоящая из закалки и высокого отпуска, называется улучшением.Она является основным видом обработки конструкционных сталей. Продолжительность выдержки зависит от размеров деталей: чем они больше, тем длиннее выдержка.Низкий отпуск инструментов обычно происходит в течении 0,5-2,5часа. Для измерительных инструментов проводят более длительный отпуск до 10-15часов.
Наряду с горячей обработкой стали, применяется также обработка холодом.Обработка холодом состоит в том, что закаливаемые детали на некоторое время погружают в среду имеющую температуру ниже 0 градусов Цельсия.Производить обработку холодом нужно сразу после закалки. Такой обработке подвергают измерительный инструмент,части точных механизмов,деталишарикоподшипников.Обработка холодом не уменьшает внутренних напряжений,поэтому после неё необходим отпуск.
16 назначение механических передач
Назначение передач в основном состоит в понижении или повышении частоты вращения двигателя или иного источника вращательного движения с соответствующим повышением или понижением вращающего момента. Большинство рабочих органов машин требует более низких частот вращения, что вызывает необходимость понижающих передач (редукторов). Мультипликатор - передача, повышающая частоту вращения. Кроме простого преобразования частоты вращения и вращающего момента двигателя в какое-то конкретное число раз передачи могут:
регулировать ступенчато или бесступенчато частоту вращения рабочего органа машин;
реверсировать движение, т. е. обеспечивать прямой и обратный ход;
преобразовывать один вид движения в другой (например, вращательное в прямолинейное, качательное, прерывистое и т.д.);
распределять движение между несколькими исполнительными органами машины (например, приводить в движение несколько станков или ведущих колес автомобиля от одного двигателя).
18 методы изготовления зубчатых колес.материалы зубчатых колес
Колеса небольших диаметров (менее 100...150 мм) изготовляют цельными из штампованных заготовок без углубления. Колеса большего диаметра (до 400...500 мм) выполняют (для уменьшения массы) с углублениями и отверстиями. В единичном и мелко-серийном производстве заготовки таких колес получают из сортового проката или поковок, полученных свободной ковкой, а в крупносерийном и массовом производстве- штамповкой.
Колеса больших диаметров (свыше 400...500 мм) изготовляют сварными или литыми. Зубчатый венец делается за одно целое с валом (вал-шестерня), если толщина обода в месте, ослабленном шпоночным пазом, будет меньше 2,5 m а также при высоких требованиях к точности центрирования колеса на вале. Валы-шестернивыполняютобычноизкованыхзаготовок.
Зубчатые передачи появились еще в глубокой древности. В античные времена зубчатые колеса были настолько хорошо известны, что их даже стали использовать в качестве орнаментов и украшений. Деревянную зубчатую передачу сменила бронзовая, а затем и железная. Первую теорию зубчатой передачи дал еще Аристотель за три с половиной века до нашей эры (рис. 2.1).
Идею косозубого зубчатого колеса высказывал еще в XVII в. знаменитый английский ученый-механик Роберт Гук. Правда было замечено, что такие колеса вызывают осевые силы но в XIX в. догадались совместить два косозубых колеса с противоположным направлением зубьев и получить шевронную передачу. Такие колеса стали применять прежде всего в прокатных станах.
Все эти виды зубчатых колес успешно применяются и сейчас; добавились только круговые, или арочные, зубья, более технологичные в изготовлении, чем шевронные (рис. 2.4). Появилось и новое удачное зубчатое зацепление, в отличие от множества других, не проявивших себя с положительной стороны, - зацепление М.Л.Новикова (1954). Зубья, по М.Л.Новикову, профилируются по дугам окружностей, причем выпуклость на одном зубе сопрягается с вогнутостью на другом. При этом зубья выполняются винтовыми, а следовательно, рабочие поверхности зубьев можно охарактеризовать как круговинтовые*(* Более подробно зубчатые передачи с зацеплением Новикова рассматриваются в п. 8.2.1.). Нагрузочная способность такой передачи в 1,5... 1,7 раза выше, чем у аналогичной по размерам и материалу эвольвентной косозубой передачи. Недостатки - чувствительность к изменению межосевого расстояния, сложность инструмента для нарезания зубьев.
Кроме цилиндрических, известен с древности и другой тип зубчатых колес - конические. Если у цилиндрических колес оси параллельны друг другу, то у конических колес они пересекаются, чаще всего под прямым углом (ортогональные конические передачи). Появление конических зубчатых колес было вызвано прежде всего потребностями мельниц. Как на ветряных, так и на водяных мельницах ось двигателя (ветрового или водяного колес) располагалась горизонтально, а ось жерновов - вертикально. Стало быть, потребовалась механическая передача, передающая вращение под углом, чаще всего прямым.
Первоначально малое зубчатое колесо как конических, так и цилиндрических передач выполнялось в виде цевочного колеса - оно и сейчас сохранилось, например в часовых механизмах. Его очень легко было изготовить примитивными инструментами, так как состояло оно из двух дисков, между которыми располагались стержни. Обычно этих стержней было шесть (поскольку на шесть частей наиболее легко разделить окружность циркулем), поэтому вначале это колесо на Руси получило название «шестержня», которое затем трансформировалось в «шестерня». Так и до сих пор называется любое малое зубчатое колесо. В паре с шестерней располагалось большое, обычно цевочное же колесо, соединенное, например, с ветро-колесом, а шестерня соединялась с подвижным жерновом. Получалась примитивная коническая передача.Впоследствии, разумеется, в силовых конических передачах зубья стали профилировать чаще всего по эвольвенте, но также и по циклоиде, профилю зацепления Новикова и другим профилям, например прямолинейным.
Конические зубчатые колеса могут иметь прямые зубья, в основном для малых частот вращения косые зубья (редко) и круговые зубья.Колеса с круговыми зубьями прочнее прямозубых, плавнее работают и, как это ни парадоксально, технологичнее их. Правда, монтаж их значительно сложнее и требует гораздо большей точности, чем монтаж прямозубых колес.
По сравнению с другими зубчатыми передачами планетарные и волновые передачи появились сравнительно недавно. Планетарную передачу предложил в 1781 г. изобретатель паровой машины Дж. Уатт, причем не совсем по ее прямому назначению, а для того, чтобы заменить кривошипно-шатунный механизм, запатентованный применительно для паровой машины другим изобретатеелем. Однако столетие спустя планетарная передача стала активно использоваться по своему прямому назначению в трансмиссиях машин. Самой «молодой» из зубчатых передач является волновая передача. Впервые такая передача была запатентована в США инженером Массером в 1959 г. и за довольно краткий срок широко распространилась во многих областях техники.
17 Зубчатые передачи.
Зубчатая передача - это механизм или часть механизма в состав которого входят зубчатые колёса. Движение пе-редаётсяс помощью зацепления пары зубчатых колёс.
Меньшее зубчатое колесо принято называть шестерней, большее – колесом. Параметрам шестерни приписывают индекс 1, параметрам колеса – индекс 2.
Достоинства и недостатки зубчатых передач
Достоинства зубчатых передач:
Возможность применения в широком диапазоне скоростей, мощностей и передаточных отношений.
Высокая нагрузочная способность и малые габариты.
Большая долговечность и надёжность работы.
Постоянство передаточного отношения.
Высокий КПД (87-98%).
Простота обслуживания.
Недостатки зубчатых передач:
Большая жёсткость не позволяющая компенсировать динамические нагрузки.
Высокие требования к точности изготовления и монтажа.
Шум при больших скоростях.
Классификация зубчатых передач
По передаточному отношению:
С постоянным передаточным отношением;
С переменным передаточным отношением.
По форме профиля зубьев:
Эвольвентные;
Круговые (передачи Новикова);
Циклоидальные.
По типу зубьев:
Прямозубые;
Косозубые;
Шевронные;
Криволинейные.
По взаимному расположению осей валов:
С параллельными осями (цилиндрические передачи с прямыми, косыми и шевронными зубьями);
С пересекающимися осями (конические передачи);
С перекрещивающимися осями.
По форме начальных поверхностей:
Цилиндрические;
Конические;
Гиперболоидные;
По окружной скорости колёс:
Тихоходные;
Среднескоростные;
Быстроходные.
По степени защищенности:
Открытые;
Закрытые.
По относительному вращению колёс и расположению зубьев:
Внутреннее зацепление (вращение колёс в одном направлении);
Внешнее зацепление (вращение колёс в противоположном направлении).
Эвольвентное зацепление
Эвольвентное зацепление позволяет передавать движение с постоянным передаточным отношением.
Эвольвентное зацепление - зубчатое зацепление, в котором профили зубьев очерчены по эвольвенте окружности. Для этого необходимо чтобы зубья зубчатых колёс были очерчены по кривой, у которой общая нормаль, проведённая через точку касания профилей зубьев, всегда проходит через одну и ту же точку на линии, соединяющей центры зубчатых колёс, называемую полюсом зацепления.
Нарезание зубьев зубчатых колёс
Нарезание зубчатых колес производится методом копирования или обкатки. По методу копирования впадины между зубьями образуются инструментом, имеющим профиль впадины – диско-вой фрезой, пальцевой фрезой, протяжкой, шлифовальным кругом. Точность этого метода понижена. По методу обкатки зубья нарезают инструментом в виде рейки-гребёнки, червячной фрезы или шестерни долбяка. Нарезание происходит в процессе принудительного зацепления инструмента с заготовкой на зуборезном станке. Ме-тод обкатки даёт непрерывный, процесс нарезания, что обеспечивает повышенную производительность и точность по сравнению с методом копирования. Кроме нарезания применяют также метод накатывания зубьев, который повышает прочность на 15-20%. Точные зубчатые колёса подвергают шлифованию и притирке. Влияние числа зубьев на форму и прочность зуба
Для уменьшения габаритов зубчатой передачи применяют колеса с малым числом зубьев. Изменение числа зубьев приводит к изменению формы зуба. С уменьшением z увеличивается кривизна эвольвентного профиля, а толщина у основания и у вершины уменьшается.Точность зубчатых колес
При изготовлении зубчатых передач неизбежны погрешности, которые выражаются в отклонениях шага, соосно-сти колес, теоретического профиля зубьев, межосевого расстояния и др. Все эти погрешности приводят к повышенно-му шуму во время работы и преждевременному разрушению передачи.
Точность зубчатых передач регламентируется стандартами, в которых предусмотрено 12 степеней точности с обозначением степени в порядке убывания точности. Наибольшее распространение имеют 6, 7, 8 и 9-я степени точности.Повреждения поверхности зубьев
Все виды повреждения поверхностей зубьев связаны с контактными напряжениями и трением:
Усталостноевыкрашивание является основным видом разрушения поверхности зубьев при хорошей смазке передач. Передача работает длительное время до появления усталости в поверхностных слоях зубьев. На поверхности появляются небольшие углубления, которые растут и превращаются в раковины. Основные меры предупреждения выкрашивание: определение размеров из расчёта на усталость по контактным напряжениям; повышение твёрдости материала путём термообработки; повышение степени точности изготовления зубьев.
Абразивный износ является основной причиной выхода из строя передач при плохой смазке (открытые пере-дачи и закрытые, но плохо защищённые от загрязнения; сельскохозяйственные, транспортные, грузоподъёмные ма-шины; горнорудное оборудование). Основные меры предупреждения износа: повышение твёрдости поверхности зубьев, защита от загрязнения, применение специальных масел.
Заедание наблюдается преимущественно в высоко нагруженных и высокоскоростных передачах. В месте со-прикосновения зубьев этих передач развивается высокая температура, способствующая разрыву масленой плёнки и образованию металлического контакта. Здесь происходит сваривание частиц металла с последующим отрывом их от менее прочной поверхности. Образовавшиеся наросты способствуют заеданию. Меры предупреждения заедания те же, что и против износа.
Пластические сдвиги наблюдаются у тяжело нагруженных тихоходных зубчатых колёс выполненных из мяг-кой стали. При перегрузках на мягкой поверхности зубьев появляются пластические деформации с последующим взрывом в направлении скольжения. Пластические сдвиги можно устранить повышением твёрдости рабочей поверх-ности зубьев.
Отслаивание твёрдого поверхностного слоя зубьев подвергнутых поверхностному упрочнению (азотирова-ние, цементирование, закалка) Этот вид разрушения наблюдается при низком качестве термообработки. Отслаиванию способствуют перегрузки.
Смазывание зубчатых передач
В процессе зацепления зубьев вследствие трения качения и скольжения происходит нагрев передачи, изнашивание зубьев, снижение КПД. Чтобы обеспечить работоспособность передачи, в зацепление колес подводят смазочный материал, который сни-жает контактные напряжения, предохраняет зубья от интенсивного истирания и коррозии, уносит продукты износа, уменьшает силу удара в зацеплении и улучшает отвод теплоты.
КПД зубчатых передач
Потери мощности в зубчатых передачах складываются из потерь на трение в зацеплении, на трение в подшипниках и гидравлических потерь на взбалтывание и разбрызгивание масла (закрытые передачи). Потери в зацеплении составляют главную часть потерь передачи, они зависят от точности изготовления, способа смазывания, шероховатости рабочих поверхностей, скорости колес, свойств смазочных материалов и числа зубьев колес. С увеличение числа зубьев КПД передачи возрастает.
Потерянная мощность в передаче переходит в теплоту, которая при недостаточном охлаждении может вызвать перегрев передачи.
Конструкции зубчатых колес
В зависимости от назначения, размеров и технологии получения заготовки зубчатые колеса имеют различную конструкцию.
Цилиндрические и конические шестерни выполняют как одно целое с валом (вал-шестерня). Это объясняется тем, что раздельное изготовление увеличивает стоимость производства вследствие увеличения стоимости поверхностей, требующих точной обработки, а также вследствие необходимости применения того или иного соединения (например, шпоночного). Насадочные шестерни применяются в случаях, когда они должны перемещаться вдоль вала или в зави-симости от условий сборки.
При диаметре da ≤ 150 мм колеса изготавливают в форме сплошных дисков из проката или из поковок.
Конструкционная прочность часто зависит от состояния материала в поверхностных слоях детали. Одним из способов поверхностного упрочнения стальных деталей является поверхностная закалка .
В результате поверхностной закалки увеличивается твердость поверхностных слоев изделия с одновременным повышением сопротивления истиранию и предела выносливости.
Общим для всех видов поверхностной закалки является нагрев поверхностного слоя детали до температуры закалки с последующим быстрым охлаждением. Эти способы различаются методами нагрева деталей. Толщина закаленного слоя при поверхностной закалке определяется глубиной нагрева.
Наибольшее распространение имеют электротермическая закалка с нагревом изделий токами высокой частоты (ТВЧ) и газопламенная закалка с нагревом газово-кислородным или кислородно-керосиновым пламенем.
Закалка токами высокой частоты.
Метод разработан советским ученым Вологдиным В.П.
Основан на том, что если в переменное магнитное поле, создаваемое проводником-индуктором, поместить металлическую деталь, то в ней будут индуцироваться вихревые токи, вызывающие нагрев металла. Чем больше частота тока, тем тоньше получается закаленный слой.
Обычно используются машинные генераторы с частотой 50…15000 Гц и ламповые генераторы с частотой больше 10 6 Гц. Глубина закаленного слоя – до 2 мм.
Индукторы изготавливаются из медных трубок, внутри которых циркулирует вода, благодаря чему они не нагреваются. Форма индуктора соответствует внешней форме изделия, при этом необходимо постоянство зазора между индуктором и поверхностью изделия.
Схема технологического процесса закалки ТВЧ представлена на рис. 16.2.
Рис. 16.2. Схема технологического процесса закалки ТВЧ
После нагрева в течение 3…5 с индуктора 2 деталь 1 быстро перемещается в специальное охлаждающее устройство – спрейер 3, через отверстия которого на нагретую поверхность разбрызгивается закалочная жидкость.
Высокая скорость нагрева смещает фазовые превращения в область более высоких температур. Температура закалки при нагреве токами высокой частоты должна быть выше, чем при обычном нагреве.
При правильных режимах нагрева после охлаждения получается структура мелкоигольчатого мартенсита. Твердость повышается на 2…4 HRC по сравнению с обычной закалкой, возрастает износостойкость и предел выносливости.
Перед закалкой ТВЧ изделие подвергают нормализации, а после закалки низкому отпуску при температуре 150…200 o С (самоотпуск).
Наиболее целесообразно использовать этот метод для изделий из сталей с содержанием углерода более 0,4 %.
Преимущества метода:
· большая экономичность, нет необходимости нагревать все изделие;
· более высокие механические свойства;
· отсутствие обезуглероживания и окисления поверхности детали;
· снижение брака по короблению и образованию закалочных трещин;
· возможность автоматизации процесса;
· использование закалки ТВЧ позволяет заменить легированные стали на более дешевые углеродистые;
· позволяет проводить закалку отдельных участков детали.
Основной недостаток метода – высокая стоимость индукционных установок и индукторов.
Целесообразно использовать в серийном и массовом производстве.
Газопламенная закалка.
Нагрев осуществляется ацетиленокислородным, газокислородным или керосинокислородным пламенем с температурой 3000…3200 o С.
Структура поверхностного слоя после закалки состоит из мартенсита, мартенсита и феррита. Толщина закаленного слоя 2…4 мм, твердость 50…56 HRC.
Метод применяется для закалки крупных изделий, имеющих сложную поверхность (косозубые шестерни, червяки), для закалки стальных и чугунных прокатных валков. Используется в массовом и индивидуальном производстве, а также при ремонтных работах.
При нагреве крупных изделий горелки и охлаждающие устройства перемещаются вдоль изделия, или – наоборот.
Недостатки метода:
· невысокая производительность;
· сложность регулирования глубины закаленного слоя и температуры нагрева (возможность перегрева).
Старение
Отпуск применяется к сплавам, которые подвергнуты закалке с полиморфным превращением.
К материалам, подвергнутым закалке без полиморфного превращения, применяется старение.
Закалка без полиморфного превращения – термическая обработка, фиксирующая при более низкой температуре состояние, свойственное сплаву при более высоких температурах (пересыщенный твердый раствор).
Старение – термическая обработка, при которой главным процессом является распад пересыщенного твердого раствора.
В результате старения происходит изменение свойств закаленных сплавов.
В отличие от отпуска, после старения увеличиваются прочность и твердость, и уменьшается пластичность.
Старение сплавов связано с переменной растворимостью избыточной фазы, а упрочнение при старении происходит в результате дисперсионных выделений при распаде пересыщенного твердого раствора и возникающих при этом внутренних напряжений.
В стареющих сплавах выделения из твердых растворов встречаются в следующих основных формах:
· тонкопластинчатой (дискообразной);
· равноосной (сферической или кубической);
· игольчатой.
Форма выделений определяется конкурирующими факторами: поверхностной энергией и энергией упругой деформации, стремящимися к минимуму.
Поверхностная энергия минимальна для равноосных выделений. Энергия упругих искажений минимальна для выделений в виде тонких пластин.
Основное назначение старения – повышение прочности и стабилизация свойств.
Различают старение естественное, искусственное и после пластической деформации.
Естественным старением называется самопроизвольное повышение прочности и уменьшение пластичности закаленного сплава, происходящее в процессе его выдержки при нормальной температуре.
Нагрев сплава увеличивает подвижность атомов, что ускоряет процесс.
Повышение прочности в процессе выдержки при повышенных температурах называется искусственным старением .
Предел прочности, предел текучести и твердость сплава с увеличением продолжительности старения возрастают, достигают максимума и затем снижаются (явление перестаривания)
При естественном старении перестаривания не происходит. С повышением температуры стадия перестаривания достигается раньше.
Если закаленный сплав, имеющий структуру пересыщенного твердого раствора, подвергнуть пластической деформации, то также ускоряются процессы, протекающие при старении – это деформационное старение .
Старение охватывает все процессы, происходящие в пересыщенном твердом растворе: процессы, подготавливающие выделение, и сами процессы выделения.
Для практики большое значение имеет инкубационный период – время, в течение которого в закаленном сплаве совершаются подготовительные процессы, когда сохраняется высокая пластичность. Это позволяет проводить холодную деформацию после закалки.
Если при старении происходят только процессы выделения, то явление называется дисперсионным твердением.
После старения повышается прочность и снижается пластичность низкоуглеродистых сталей в результате дисперсных выделений в феррите цементита третичного и нитридов.
Старение является основным способом упрочнения алюминиевых и медных сплавов, а также многих жаропрочных сплавов.
Таблица 1.3.5.1
|
Упрочнение физическими и физико-химическими методами
Для повышения износостойкости и твердости поверхности деталей машин, работающих в условиях повышенных температур в инертных газах, жаростойкости и коррозионной стойкости поверхности применяют упрочнение методами электроискровой обработки. Этот метод заключается в легировании поверхностного слоя металла изделия (катода) материалом электрода (анода) при искровом разряде в воздушной среде. В результате химических реакций легирующего металла с азотом, углеродом и металлом детали в поверхностных слоях образуются закалочные структуры и сложные химические соединения, возникает диффузионный износостойкий упрочненный слой, имеющий высокую твердость. Для нанесения многослойных покрытий используют методы ионно-плазменной обработки.
Упрочнение методами пластического деформирования
Упрочнение выполняется с целью повышения сопротивления усталости и твердости поверхностного слоя металла и формирования в нем направленных внутренних напряжений, преимущественно напряжений сжатия, а также регламентированного рельефа микронеровностей на поверхности.
Упрочняющую обработку поверхностным пластическим деформированием эффективно применяют на финишных операциях технологического процесса изготовления деталей машин взамен операций окончательной обработки резанием лезвийными или абразивными инструментами.
Поверхностное пластическое деформирование, выполняемое без использования внешнего тепла и обеспечивающее создание указанного комплекса свойств поверхностного слоя, называют наклепом.
Слой металла, в котором проявляются эти свойства, соответственно называют наклепанным.
В результате наклепа повышаются все характеристики сопротивления металла деформации, понижается его пластичность и увеличивается твердость.
Интенсивность наклепа тем выше, чем мягче сталь; на незакаленных сталях в результате поверхностного деформирования можно получать увеличение твердости более 1000 %, а у закаленных только на 10-15%. Прирост твердости определяется структурой деформируемой стали.
Наклеп поверхности выполняют бомбардированием ее струей стальной или чугунной дроби, шариков либо суспензии, содержащей абразивные частицы; обкатывание роликами, шарами или ратационным инструментом, чеканкой.
Дробеструйный наклеп обеспечивает неглубокую пластическую деформацию до 0,5-0,7 мм. Применяют для поверхностей небольших деталей сложных форм, а также деталей малой жесткости типа пружин, рессор и др.
Применяют преимущественно стальную дробь диаметром 0,8-2 мм. Глубина наклепа при дробеструйной обработке не превышает 0,8 мм.
Поверхность детали приобретает некоторую шероховатость и последующей обработке не подвергается.
Режим обработки определяется скоростью подачи дроби, расходом дроби в единицу времени и экспозицией – временем, в течении которого обрабатываемая поверхность находится под ударами дроби. Поверхность детали должна быть полностью покрыта следами-вмятинами.
Поверхностная твердость обрабатываемого материала и глубина пластической деформации зависят от режимов упрочнения, физико-механических свойств, структуры и химического состава материала. Наибольшее влияние на поверхностную твердость оказывает удельное давление деформирующего элемента в контакте с обрабатываемой деталью и кратность приложения этого давления. Превышение предельно допустимого давления или числа циклов нагружения сопровождается остановкой роста твердости и ее снижения в связи перенаклепом, т. е. разрушением поверхностного слоя металла, возникающим в результате наступившего предела пластического деформирования его кристаллической решетки.
Для упрочнения изделий с твердостью до HRC65 применяют метод алмазного выглаживания. Он может заменить операции окончательного шлифования, полирования поверхностей. Метод широко универсален. Рационален для обработки стальных закаленных и термически не упрочненных деталей, с поверхностными покрытиями и без них, па так же деталей из цветных металлов и сплавов.
Наклеп поверхностного слоя струей суспензии (жидкость + абразивные частицы) применяют для случаев, когда требуется наибольшая глубина упрочненного слоя.
Упрочнением энергией взрыва можно повысить износостойкость при истирании, твердость поверхностного слоя, пределы прочности и текучести, статическую прочность (сварных соединений в результате сквозного наклепа сварного шва и зоны термического влияния), циклическую прочность, улучшить качество поверхностного слоя металла.
Упрочнение при импульсных нагрузках взрывом существенно отличается от упрочнения в обычных условиях.
При ударе с большей скоростью, свойственному взрыву, эффект упрочнения возрастает по мере увеличения скорости удара. В металле могут возникнуть высокие локальные температуры, вызывающие фазовые превращения в локальных участках. Одновременно действуют процессы, присущие упрочнению при обычных скоростях деформирования, такие, как двойникование, сдвиги, фрагментация.
Поверхности лопаток подвергаются упрочнению после окончательной механической и термической обработок.
Упрочнение детали микрошариками позволяет:
а) создать тонкий наклеп на деталях, имеющих острые кромки или малые радиусы впадин галтелей, канавок;
б) ликвидировать в поверхностном слое возможные после механической обработки остаточные растягивающие напряжения и создать сжимающие остаточные напряжения;
в) повысить твердость поверхности;
г) повысить и стабилизировать предел выносливости;
д) повысить чистоту поверхности на один - два класса до 0,63 …0,32
В ряду упрочняющих технологий особое место занимает ультразвуковое упрочнение. Упрочнение металла ультразвуковой обработкой обладает рядом особенностей – экспрессностью, высокой эффективностью, возможностью обработки изделий, не поддающихся упрочнению другими способами. Кроме того, совмещение ультразвуковой с какой – либо другой упрочняющей обработкой зачастую может усилить эффективность последней. К достоинствам ультразвукового упрочнения следует также отнести возможность создания для определенного класса деталей поверхностного и объемного наклепа, а так же их комбинаций. При этом достигается выгодное распределение внутренних напряжений в металле и такое структурное состояние, при котором удается увеличить в 2-3 раза запасы прочности деталей, работающих при переменных нагрузках, увеличить срок их службы в десятки раз.
Ультразвуковую упрочняющую обработку можно осуществить либо в жидкости, в которой распространяются ультразвуковые колебания, либо с помощью деформирующих тел, колеблющихся с ультразвуковой частотой.
Ультразвуковой волновой процесс в жидкости сопровождается возникновением большего числа разрывов, в виде мельчайших пузырьков в полупериод растяжения, и захлопыванием их в полупериод сжатия – кавитацией. В момент захлопывания пузырьков развиваются местные мгновенные давления, достигающие сотен атмосфер. Кавитационные пузырьки зарождаются преимущественно на поверхности помещенных в жидкость изделий. При захлопывании пузырьков происходит наклеп поверхности детали. Глубина наклепа, твердость, а следовательно и износостойкость наклепанного слоя.
Ультразвуковое упрочнение деталей с помощью деформирующих тел может осуществляться по двум технологическим схемам:
а) воздействием на обрабатываемую поверхность непосредственно инструментом;
б) воздействием на обрабатываемую поверхность рабочей средой (стальными шариками).
Загрузка...
