Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Упрочнение деталей машин - одна из актуальных задач машиностроения. Большинство деталей машин работают в условиях изнашивания, кавитации, циклических нагрузок, коррозии при криогенных или высоких температурах, при которых максимальные напряжения возникают в поверхностных слоях металла, где сосредоточены основные концентраторы напряжения. Газотермическое напыление, наплавка, химико-термическая обработка повышают твёрдость, кавитационную и коррозионную стойкость и, создавая на поверхности благоприятные остаточные напряжения сжатия, увеличивают надёжность и долговечность деталей машин. При сохранении достаточно высокой пластичности, вязкости и трещиностойкости данные методы повышает надёжность и долговечность машин и понижает расход металла на их изготовление вследствие уменьшения сечения деталей. Для обоснованного выбора способа поверхностного упрочнения необходимо сравнить данные технологических возможностей известных способов упрочнения.

Известны следующие основные виды упрочняющей обработки:

- термоупрочняющая обработка;

- химико-термическая обработка (ХТО);

- нанесение упрочняющих покрытий;

- поверхностное пластическое деформирование (ППД.)

Под ХТО подразумевается процесс поверхностного насыщения стали различными элементами путем их диффузии из внешней среды при высокой температуре. Упрочнение металлов и сплавов, увеличение их стойкости к воздействиям агрессивных внешних факторов при нормальной и повышенной температурах является основной целью химико-термической обработки.

1. Технология отпуска, его виды и механические характеристики стали после его проведения

Отпуском называется нагрев закаленной стали до температур ниже критической точки Ас1 выдержка при этой температуре с последующим охлаждением (обычно на воздухе). Отпуск является окончательной термической обработкой. Целью отпуска является изменение строения и свойств закаленной стали: повышение вязкости и пластичности, уменьшение твердости, снижение внутренних напряжений. С повышением температуры нагрева прочность обычно уменьшается, а удлинение, сужение, а также ударная вязкость растут (рис. 1). Температуру отпуска выбирают, конкретной детали.

Рис. 1. Влияние температуры отпуска на механические свойства стали с 0,4 % С В зависимости от температуры нагрева различают три вида отпуска: низкотемпературный, среднетемпературный и высокотемпературный.

При низкотемпературном отпуске закаленную сталь нагревают до 150-250°С. После выдержки при этой температуре (обычно 1-3 ч) в детали получают структуру отпущенного (кубического) мартенсита При низком отпуске частично снимаются закалочные напряжения. Если в стали было значительное количество остаточного аустенита, то в результате его превращения в кубический мартенсит твердость после низкого отпуска может увеличиться на 2-3 единицы и HRC.

Рис. 2. Структура закаленной стали после различных видов отпуска, Х500: a - среднетемпературного (350-400°С, бейнит); б - высокотемпературного (450-600°С, сорбит); в - 650-700°С

Низкий отпуск применяют для инструментальных сталей после цементации, поверхностной закалки и т.д. При среднетемпературном отпуске закаленную сталь нагревают до 350-400°С. В результате получается структура троостита (бейнит). После такого отпуска в изделиях получается сочетание сравнительно высокой твердости (НRС 40-45) и прочности с хорошей упругостью и достаточной вязкостью поэтому среднему отпуску подвергают пружины и рессоры.

При высокотемпературном отпуске закаленные изделия нагревают до 450-650°С. После такого нагрева и соответствующей выдержки в изделиях получается структура сорбита. В отличие от сорбита, образующегося после нормализации, когда цементит пластинчатый, после высокого отпуска цементит приобретает зернистую форму. Это существенно повышает ударную вязкость при одинаковой (или даже более высокой) твердости по сравнению с нормализованной сталью. Поэтому такой отпуск применяют для деталей машин, испытывающих при эксплуатации ударные нагрузки. Закалку с высоким отпуском часто называют улучшением. При нагреве 650-700°С получают структуру зернистого перлита.

Поскольку в легированных сталях все диффузионные процессы протекают медленнее, время выдержки при отпуске таких сталей больше по сравнению с углеродистыми. Кроме того, карбидообразующие элементы замедляют коагуляцию карбидов, в результате чего они сохраняются мелкодисперсными до более высоких температур. Это одна из причин наблюдающегося явления так называемой вторичной твердости, т.е. увеличения твердости после отпуска в интервале 500-600°С (наблюдается в сталях, легированных хромом, молибденом, ванадием и некоторыми другими элементами).

Рис. 3. Влияние температуры отпуска на ударную вязкость стали с высокой восприимчивостью к отпускной хрупкости:1 - быстрое охлаждение в воде или масле; 2 - медленное охлаждение.

Поэтому в результате высокотемпературного отпуска при одной и той же температуре, а, следовательно, при одной и той же структуре, легированные конструкционные стали имеют более высокую прочность и пластичность, чем углеродистые. Это и является одной из основных причин применения легированных сталей для изготовления деталей ответственного назначения, испытывающих сложные напряжения при эксплуатации.

Обычно ударная вязкость с температурой отпуска увеличивается, а скорость охлаждения после отпуска не влияет на свойства. Но для некоторых конструкционных сталей наблюдается уменьшение ударной вязкости. Этот дефект называется отпускной хрупкостью. Различают отпускную хрупкость I и II рода.

Отпускная хрупкость I рода наблюдается при отпуске в области 300°С у легированных, а также углеродистых сталей. Не зависит от скорости охлаждения. Это явление связывают с неравномерностью превращений отпущенного мартенсита. Процесс протекает быстрее вблизи границ зерен по сравнению с объемами внутри зерна. Благодаря этому вблизи границ создаются концентрации напряжений, границы становятся хрупкими. Отпускная хрупкость I рода "необратима", т.е. при повторных нагревах тех же деталей она в них не наблюдается.

Отпускная хрупкость II рода Наблюдается у легированных сталей при медленном охлаждении после отпуска в области 450-650°С. Существует несколько объяснений природы этого дефекта. Рассмотрим наиболее распространенное. При высоком отпуске по границам зерен происходит образование и выделение дисперсных включений карбидов. Приграничная зона обедняется легирующими элементами. При последующем медленном охлаждении происходит восходящая диффузия фосфора из внутренних объемов зерна к границам. Приграничные зоны зерна обогащаются фосфором, прочность границ понижается, ударная вязкость падает. Этому дефекту способствуют хром, марганец и фосфор (>0,001%). Уменьшают склонность к отпускной хрупкости II рода молибден и вольфрам (до 0,5%) и быстрое охлаждение после отпуска. Отпускная хрупкость II рода "обратима", т.е. при повторных нагревах и медленном охлаждении тех же сталей в опасном интервале температур этот дефект может повториться. Поэтому стали, склонные к отпускной хрупкости II рода, нельзя использовать для работы с нагревом до 650°С без последующего быстрого охлаждения (например, штампы для горячей штамповки).

2. Сущность азотирования и способы его проведения

Вид химико-термической обработки, заключающийся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стальных или титановых деталей азотом. Глубина насыщения составляет 0,2-0,8 мм. Азотирование стали проводят в среде аммиака или в расплаве солей на основе карбамида и цианата при температуре 500-600°C. В результате азотирования повышается твердость, износостойкость, коррозийная стойкость на воздухе и в воде, усталостная прочность (выносливость). Наибольшее распространение азотирование получило при производстве деталей, работающих в условиях трения и при температурах до 500-600°С (коленчатые валы, шпиндельные валы, детали аппаратуры двигателей и др.).

Азотируемые детали выдерживаются в атмосфере диссоциированного аммиака при повышенных температурах. В этих условиях протекает реакция

2NH3 > 3H2 + 2N.

Образующийся атомарный азот диффундирует в металл.

? Повышение твердости и износостойкости поверхностного слоя.

? Повышение предела выносливости.

? Повышение коррозионной стойкости поверхностного слоя.

Механизм образования азотированного слоя

Структура азотированного слоя характеризуется диаграммой состояния Fe - N, показанной на рисунке 4.

Рис. 4

Проникновение азота в поверхностный слой стальной детали в процессе азотирования вначале приводит к образованию азотистого феррита (фаза ?), который при температуре 591°С содержит 0,1% N, а при комнатной температуре - 0,01%. При дальнейшем растворении азот в феррите не растворяется и образуется нитрид железа состава Fe4N (?' фаза), представляющий собой твердый раствор внедрения с гранецентрированной кубической решеткой. При достижении азотом предельного насыщения образуется еще один вид нитридов состава Fe2N. Такая фаза получила название ?-фазы. Это тоже твердый раствор внедрения, но имеющий гексагональную кристаллическую решетку.

Таким образом, при температурах ниже 591°С в азотированном слое будут располагаться следующие фазы (от поверхности к сердцевине):

? - ?' - ?

При температурах выше 591°С в начале азотирования также будет образовываться ?-фаза, но при дальнейшем повышении концентрации азота появится азотистый аустенит (?-фаза). При наступлении предельного насыщения аустенита азотом будут появляться нитриды, представляющие собой ?' и ? фазы. Таким образом, при температурах выше 591°С в азотированном слое будут располагаться следующие фазы (от поверхности к сердцевине):

? - ?' - ? - ?.

3. Низкотемпературная механическая обработка

Сталь нагревают до аустенитного состояния. Затем выдерживают при высокой температуре, производят охлаждение до температуры, выше температуры начала мартенситного превращения (400-600^oС), но ниже температуры рекристаллизации, и при этой температуре осуществляют обработку давлением и закалку.

Низкотемпературная термомеханическая обработка, хотя и дает более высокое упрочнение, но не снижает склонности стали к отпускной хрупкости. Кроме того, она требует высоких степеней деформации (75-95%), поэтому требуется мощное оборудование.

Низкотемпературную термомеханическую обработку применяют к среднеуглеродистым легированным сталям, закаливаемым на мартенсит, которые имеют вторичную стабильность аустенита.

Повышение прочности при термомеханической обработке объясняют тем, что в результате деформации аустенита происходит дробление его зерен (блоков). Размеры блоков уменьшаются в два - четыре раза по сравнению с обычной закалкой. Также увеличивается плотность дислокаций. При последующей закалке такого аустенита образуются более мелкие пластинки мартенсита, снижаются напряжения.

упрочнение азотирование сплав алюминий

Механические свойства сталей после ТМО

Лазерная обработка основана на применении мощного светового потока, вызывающего плавление или испарение обрабатываемого материала. Лазерное излучение фокусируется в определенный участок обрабатываемой детали. Размерная обработка материалов осуществляется обычно при плотности потока не менее 107-108 Вт/см. Чтобы понять, насколько велика приведенная величина, отметим, что фокусировка солнечного излучения позволяет получить плотность потока не более 5*103 Вт/см. Но даже с помощью такого потока лучистой энергии можно плавить практически любые металлы.

Источником светового излучения является лазер - оптический квантовый генератор. Работа лазера основана на принципе стимулированного генерирования светового излучения. Атом вещества, имея определенный запас энергии, находится в устойчивом энергетическом состоянии и располагается на определенном энергетическом уровне. Для того чтобы атом вывести из этого состояния его необходимо возбудить.

Возбуждение (накачка) активного вещества (активной среды) осуществляется световой импульсной лампой. Длительность светового импульса (вспышки) около 0,01 с.

Световой импульс облучает активную среду. Возбужденный при этом атом излучает сразу два фотона. Фотоны возбуждают атомы активной среды, т.е. переводят электроны на более высокий энергетический уровень. При взаимодействии фотонов с возбужденными атомами возникают лавинообразные потоки фотонов в различных направлениях. Наличие торцевых строго параллельных зеркальных поверхностей приводит к тому, что спустя примерно 0,5 мс при многократном отражении от зеркал более половины атомов переходит в возбужденное состояние. Вследствие этого система становится неустойчивой, в активной среде индуцируется световой поток.

Накопленная в активной среде энергия одновременно высвобождается, а выходящий поток фотонов достигает значительной интенсивности.

Световой поток, испускаемый активной средой, фокусируется оптической системой и направляется на обрабатываемый материал.

Основными элементами лазера является активная среда (активный элемент), устройство для накачки активной среды, зеркала оптического резонатора, элемент вывода энергии из резонатора, а так же фокусирующая оптическая система, система управления и др. Несмотря на простоту принципиальной схемы, лазеры отличаются большим разнообразием. В основном разнообразие лазеров объясняется применением в них разных видов активных сред (диэлектрические кристаллы, специальные стекла, полупроводники, газовые смеси и др.), разных способов накачки и режимов работы.

Энергия светового импульса обычна невелика и составляет от 20 до 100 Дж. Выделяется эта энергия в миллиардные доли секунды и сосредотачивается в луче диаметром около 0,01 мм. Сфокусированное лазерное излучение, попадая на непрозрачные материалы (металлы и их сплавы), вызывает их локальный нагрев до 6000-8000⁰С, плавление или интенсивное испарение. Для осуществления размерной обработки наиболее часто используют импульсы с длительностью 0,5-1,5 мс.

Процессы, в которых плотность потока импульса лазерного излучения такова, что за время его действия вещество существенно не плавится, относятся к лазерной термообработке.

Лазерная обработка отличается рядом особенностей: возможностью проведения обработки в местах, недоступных для другого обрабатывающего инструмента; способностью луча проникать через любую прозрачную среду, не нарушая ее и значительно не снижая свою интенсивность; отсутствием механического контакта между заготовкой и инструментом-лучом, что облегчает крепление заготовки и устраняет возможность появления нежелательных деформаций; возможностью проведения обработки при атмосферном давлении и сравнительной несложностью оборудования для реализации процесса обработки. К недостаткам этой технологии следует отнести возможность обработки материалов на ограниченной глубине, а также сравнительно низкий коэффициент полезного действия лазеров и достаточно высокая стоимость лазерных установок и комплексов.

В настоящее время лазерную технологию применяют для различных операций микрообработки, раскроя и резки материалов, упрочняющей поверхностной обработки, лазерной сварки и наплавки и для других целей.

Все производственные процессы с использованием лазеров реализуются с помощью технологических лазерных установок. При этом независимо от назначения и типа применяемых лазеров установки имеют общую структурную схему.

Лазер обеспечивает энергетические и временные параметры воздействия, оптическая система формирует пространственные характеристики светового пучка как инструмента обработки. Точность, производительность и удобство обработки определяются характеристиками системы управления и координатным столом при перемещении детали или лазерного луча.

Микрообработка. Благодаря специфическим свойствам лазерного излучения, характеризующегося высокой концентрацией, электромагнитная энергия может быть значительно локализована с помощью фокусирующего объектива, что позволяет контролировано удалять микроскопические объемы материала и таким образом выполнять очень точную (прецизионную) обработку. Этот метод используют, например, для получения отверстий в алмазных фильерах для волочения тонкой проволоки, в часовых рубиновых камнях, в электронной промышленности при производстве полупроводниковых приборов и интегральных схем, для резки и раскалывания стекла, для обработки камней в ювелирной промышленности.

Раскрой и резка материалов. Применение лазеров для раскроя и резки материалов в настоящее время достаточно распространено, так как одновременно с высокой точностью и производительностью обработки обеспечивается значительная экономия материала.

Скорость резки, толщина разрезаемого материала, ширина прорезей и зоны термического воздействия изменяются в зависимости от мощности лазерного пучка, степени фокусировки пучка и теплофизических свойств материала. Средняя скорость резки металлов составляет 1-8 м/мин. Максимальная скорость резки до 25 м/мин при средней толщине металла 0,5-3,0 мм. Средняя толщина реза составляет 0,1-0,5 мм, максимальные значения ширины реза достигают 1,0-1,5 мм.

Для увеличения эффективности воздействия лазерного излучения резку осуществляют в присутствии активного (кислород) или инертного (азот, аргон) газа, подаваемого через сопло к месту резки.

Данный способ резки материалов известен под названием газолазерной резки. Газовый поток уносит продукты разрушения, обеспечивая приток кислорода непосредственно к месту горения, а также препятствует чрезмерному нагреву материала детали. В случае использования кислорода или воздуха при резке металлов в результате реакции горения металла в кислороде выделяется большое количество тепла (т.е. имеет место экзотермическая реакция). Это тепло совместно с лазерным излучением идет на разрушение металла в зоне обработки.

Для невоспламеняющихся материалов газовая струя выполняет в основном функции по очистке зоны резания, а также выполняет роль защиты поверхности оптических элементов от попадания на них продуктов выброса из зоны реза. При резке легко возгорающихся материалов для обдува используют инертные газы (аргон, азот). В этом случае получается гладкий, необожженный край среза.

Лазерная резка материалов широко используется в современной автомобильной, аэрокосмической, судостроительной промышленности, в сельхозмашиностроении, а также для раскроя тканей, резки бумаги, картона и других целей.

Упрочняющая поверхностная обработка. В настоящее время лазерное излучение используется для направленного изменения свойств поверхности различных деталей машин. При этом на поверхности обрабатываемого материала можно сконцентрировать энергию достаточно большой плотности мощности (до 1017 Вт/см²). Причем эту энергию можно передавать материалу бесконтактно, быстро и строго дозировано. Локальность тепловых процессов, происходящих на поверхностном слое при таких условиях облучения, обеспечивает высокие (до 106-108⁰С/с) скорости нагрева и охлаждения, недосягаемые при использовании традиционных методов термической обработки.

В результате такой обработки тонкий поверхностный слой обрабатываемого материала нагревается до температур фазовых превращений, после чего охлаждается со сверхвысокими скоростями за счет быстрого отвода тепла в основную массу металла. В этих условиях стальная поверхность детали подвергается "автозакалке". Этот довольно простой способ позволяет повысить микротвердость поверхности материала и износостойкость изделий в 2-5 раз без термического деформирования деталей, типичного для традиционных методов термообработки.

Лазерное термоупрочнение применяется при локальном упрочнении лезвий режущего инструмента (резцов, фрез, сверл, протяжек, ножей, вырубных штампов и др.), многих деталей машин (коленчатых и распределительных валов, зубчатых колес, рабочих поверхностей клапанов двигателей внутреннего сгорания и др.).

Для повышения твердости и износостойкости поверхности применяют также лазерное легирование. С этой целью легирующие присадки в виде порошка, например, из карбидов тугоплавких металлов предварительно наносят на обрабатываемую поверхность. При облучении лазером происходит плавление и взаимное перемешивание порошка и материала детали в пределах тонкого поверхностного слоя от 0,1 до 3 мм. Процессы лазерного локального легирования позволяют создать на рабочей поверхности детали, изготовленной из обычной конструкционной стали, слой сверхпрочного материала, который позволяет существенно улучшить эксплуатационные показатели отдельных деталей и механизма в целом.

Эти технологии особенно актуальны для тех областей техники, где необходимо сочетание легкости и компактности конструкции с ее высокой прочностью и износостойкостью при экстремальных условиях эксплуатации. Так, например, поверхностное легирование алюминиевых или титановых сплавов железом, кремнием, медью и другими металлами дает возможность значительно повысить термостойкость изделий, изготовленных из таких сплавов.

6. Алмазное выглаживание

Для обработки деталей с высокой точностью и малой шероховатостью применяется алмазное выглаживание, при помощи которого достигается обработка чистотой Ra=0,1мкм при этом обработанная поверхность упрочняется (появляется слой уплотнения).

Метод алмазного выглаживания заключается в том, что после обработки резанием микронеровности поверхности выглаживаются прижатым алмазом.

Достоинства алмазного выглаживания являются понижение шероховатости, исключение попадания на поверхность различных частиц, обработка тонкостенных деталей сложного профиля и конфигурации, а так же простота конструкции алмазного выглаживателя.

Рис. 5. Принцип работы алмазного выглаживания

Для алмазного выглаживания вам потребуется:

1. Чистое масло без инородных тел и пыли

2. Алмазный наконечник 0,5-1 карат в зависимости от требуемой обработки

3. Оправка для крепления алмазного наконечника

Алмазное выглаживание происходит на 150-250 об/мин с подачей чистого масла и минимальной подачей продольного или поперечного хода в зависимости от обрабатываемой поверхности. Алмаз выставляется в резцедержателе по центру оси обрабатываемой детали, подается определенное давление алмазом на выглаживаемую поверхность и включается станок с подачей. В общем, все происходит как и при точении резцом, только вместо резца находится выглаживатель.

При алмазном выглаживании размер не уходит более чем на 0,01 мм.

Литература

1. Б.В. Захаров. В.Н. Берсенева "Прогрессивные технологические процессы и оборудование при термической обработке металлов" М. "Высшая школа" 1988 г.

2. В.М. Зуев "Термическая обработка металлов" М. Высшая школа 1986 г.

3. Б.А. Кузьмин "Технология металлов и конструкционные материалы" М. "Машиностроение" 1981 г.

4. В.М. Никифоров "Технология металлов и конструкционные материалы" М. "Высшая школа" 1968 г.

5. А.И. Самохоцкий Н.Г. Парфеновская "Технология термической обработки металлов" М. Машиностроение 1976 г.

6. http://www.bibliofond.ru

7. http://mirknig.com

Размещено на Allbest.ru