Упрочнение деталей способы и технологии. Поверхностное упрочнение стали

Холодный поверхностный наклеп металла. Ресурс деталей после восстановления зависит не только от способов устранения дефектов и материала покрытия, но и от вида финишной обработки, определяющей качество поверхностей (шероховатость, форма микронеровностей, твердость, микроструктура, величина и вид остаточных напряжений, глубина наклепа и т. д).

Большое значение имеют следующие виды холодной поверхностной пластической деформации: обкатка и накатка роликами, дробеструйный наклеп, ударно-вибрационные виды обработки, позволяющие повысить долговечность деталей.

Отличительной особенностью поверхностного пластического деформирования является то, что при этом структурных фазовых превращений в металле не происходит, поэтому эффект упрочнения ниже, чем при обработках, связанных с нагревом металла.

Упрочнение накаткой. Поверхностное пластическое деформирование роликом (шариком) получило широкое распространение в производстве благодаря простоте осуществления процесса и возможности значительного повышения эксплуатационных свойств деталей машин В результате упрочнения повышается усталостная прочность деталей и других механических характеристик

Одновременно могут быть улучшены твердость, шероховатость поверхности, смачиваемость маслами, износостойкость в условиях граничной и достаточной смазки. Глубина упрочненного слоя составляет 1,0...1,8 мм и более.

Упрочнение металла способом накатки повышает износостойкость наплавленных слоев металла.

Основными параметрами при выборе оптимальных режимов поверхностного пластического деформирования металла являются твердость металлопокрытия и его внутренняя напряженность, глубина упрочнения, шероховатость поверхности и т д.

Шероховатость и твердость поверхности упрочненного металла зависят в основном от давления инструмента, величины продольной подачи суппорта станка, исходной шероховатости поверхности, размеров рабочей части инструмента (шарика или ролика), исходной твердости упрочненного металла и числа проходов.

Поверхностное пластическое деформирование обкаткой применяется для упрочнения деталей, восстановленных наплавкой (например, цапфы оси опорных катков и направляющих колес, втулки верхних шатунов, вал муфты сцепления, гильзы цилиндров двигателей, шестерни, сварные швы и т. д.).

Дробеструйный наклеп. В основе этого процесса лежит пластическое деформирование поверхностного слоя под действием кинетической энергии потока дроби. Его эффективность зависит в основном от глубины наклепанного слоя и определяется кинетической энергией дроби и длительностью наклепа. Под ударным воздействием дроби поверхность покрывается большим количеством лунок, которые, снижая чистоту поверхности (недостаток процесса), устраняют дефекты предшествующей механической обработки в виде надрывов. Дробеструйный наклеп повышает поверхностную твердость на нормализованных и литых углеродистых сталях.

Дробеструйный наклеп применяется для упрочнения рессорных листов, канавок, валов и других деталей.

Наклеп центробежными упрочнителями. Принцип работы основан на использовании кинетической энергии стальных шариков (роликов), расположенных в гнездах приспособления свободного на периферии вращающегося диска, при вращении которого шарики центробежной силой отбрасываются в крайнее положение, где, встречая обрабатываемую поверхность, наносят по ней удар и отталкиваются в глубь гнезда.

Центробежно-шариковый наклеп применяется для упрочнения валов, внутренних поверхностей гильз, втулок, поворотных кулаков и др.

Упрочнение деталей раскаткой роликами (шариками). Этим способом можно обрабатывать отверстия деталей из стали, чугуна и цветных металлов диаметром от 50 мм (гильзы цилиндров двигателя) после их механической обработки. Раскатка упрочняет поверхностные слои металла, повышает класс шероховатости поверхности. Использованием жестких раскатников достигается калибрование отверстий.

Раскатку производят на токарных, расточных, сверлильных станках после операций чистового растачивания или развертывания.

Дорнование. Суть процесса - протягивание шарика или дорна через отверстие, диаметр которого несколько меньше диаметра инструмента в результате чего происходит пластическая деформация металла, приводящая к изменению формы и размеров отверстия и упрочнению поверхностного слоя. С ростом натяга (разность диаметров дорна и отверстия до прошивки) возрастают твердость наклепанного слоя, класс шероховатости и диаметр отверстия.

Дорнование является высокопроизводительным процессом, обеспечивающим высокое качество обрабатываемых поверхностей и повышение долговечности деталей, работающих в условиях знакопеременных нагрузок.

Упрочнение чеканкой. Осуществляется путем ударного воздействия на обрабатываемую поверхность специальными бойками и в условиях ремонтного производства применяется для упрочнения галтелей коленчатых валов и улучшения физико-механических свойств сварных швов и наплавленного металла.

Алмазное выглаживание. С целью повышения износостойкости деталей эффективен способ алмазного выглаживания наконечником (радиус сферы 2,5 мм) из искусственного алмаза или твердого сплава Т30К4. Обработку поверхностей цилиндрических изделий после предварительного шлифования можно выполнять на токарном станке

Алмазное выглаживание позволяет заменить абразивную обработку, повысить класс шероховатости с Ra 2,5 до Ra 0,63, а износостойкость в 4 раза.

Таблица 1.3.5.1

Класс и метод 1. Упрочнение созданием пленки на поверхности 1.2 Упрочнение изменением структуры поверхностного слоя Физико-термическая обработка Электрофизическая обработка 1.3 Механическая обработка 1.4 Упрочнение физическими методами 1.5 Упрочнение изменением шероховатости поверхности Электрохимическое полирование Обработка резанием Пластическое деформирование Электроплазменное полирование Методы упрочнения поверхностей Оксидирование, сульфидирование, фосфатирование Лазерная закалка, плазменная закалка Электроимпульсная обработка, электроконтактная обработка, электроэрозийная обработка, ультразвуковая обработка Упрочнение вибрацией, фрикционно-упрочняющая обработка, дробеструйная обработка, обработка взрывом, термомеханическая обработка, поперечно-клиновая прокатка, прокатывание, волочение, редуцирование Ионная, лазерная, плазменная обработки Окунанием в ванну в струе электролита Шлифование, суперфиниширование, хонингование Накатка, раскатка, обработка дробью 2. Методы упрочнения поверхностей путем нанесения покрытий 2.1 Напыление износостойких соединений 2.2 Электролитическое осаждение Осаждение твердых осадков и паров 2.4 Наплавка легированным металлом Плазменное напыление порошковых материалов, детонационное напыление, электродуговое напыление, лазерное напыление Хромирование, никелирование, электрофорез, никельфосфатирование, борирование, борохромирование, хромофосфотирование Электроискровое легирование, термическое испарение тугоплавких соединений, катодно-ионная бомбардировка, прямое электронно-лучевое испарение, электрохимическое испарение Газовым пламенем, электрической дугой, плазмой, лазерным лучом, пучком ионов

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).

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.

Способы упрочнения деталей, материалов.

Действенным средством снижения массы является повышение прочности материалов. В отличие от способа увеличения напряжений путем снижения фактического запаса прочности, сопряженного с риском ослабления детали, надежность в данном случае не уменьшается (если сохраняется запас прочности). Другое отличие заключается в том, что этот способ применим ко всем деталям без исключения, тогда как первый способ охватывает только расчетные детали.

Основные способы упрочнения материалов следующие:

• горячая обработка давлением;
• легирование;
• упрочняющая термическая и химико-термическая обработка;
• обработка методами холодной пластической деформации.

При горячей обработке давлением упрочнение происходит в результате превращения рыхлой структуры слитка в уплотненную структуру с ориентированным направлением кристаллитов. Пустоты между кристаллитами уковываются и завариваются, прослойки примесей по стыкам кристаллитов дробятся и под действием высокой температуры и давления растворяются в металле.

Наибольшее значение для прочности имеет процесс рекристаллизации, протекающий при остывании металла в определенном интервале температур (для сталей 450—700°С). Из обломков кристаллитов, разрушенных в процессе пластической деформации, возникают новые мелкие зерна. При росте рекристаллизованных зерен примеси остаются в растворенном состоянии в кристаллитах. Для ковкого металла характерна структура, состоящая из мелких округлых зерен, хорошо связанных друг с другом, что обусловливает его повышенную прочность и вязкость.

Кованым и особенно прокатанным металлам свойственна анизотропия механических свойств в направлениях вдоль и поперек волокон.

Особенно резко влияет направление волокон на вязкость (рис. 77).

Направление волокон в кованых и штампованных деталях должно быть согласовано с конфигурацией деталей и направлением действия рабочих нагрузок. Штампованные коленчатые валы (рис. 78, б ) и другие фасонные детали (рис. 78, г ) с волокнами, следующими контуру, значительно прочнее деталей, изготовленных из сортового проката с перерезкой волокон (рис. 78, а , в ).

Горячее накатывание зубьев шестерен (с последующим холодным калиброванием) обеспечивает правильное направление волокон относительно действующих на зуб нагрузок (рис. 78, д , e ). Повышенной прочностью обладает накатанная резьба (рис. 78, ж , з ).

Главное назначение легирования — повышение прочности с дифференцированным улучшением частных характеристик: вязкости, пластичности, упругости, жаропрочности, хладостойкости, сопротивления износу, коррозионной стойкости и др. Присадка некоторых элементов (Ni и особенно микроприсадка В) увеличивает прокаливаемость сталей, что позволяет получать повышенные механические свойства по всему сечению детали. Для получения высоких механических качеств легирование должно быть дополнено термообработкой.

В табл. 8 приведены сравнительные (средние) характеристики легированных и углеродистых сталей.

Упрочняющая термическая обработка (закалка с высоким, средним и низким отпуском, изотермическая закалка) вызывает образование неравновесных структур с повышенной плотностью дислокаций и сильно деформированной атомно-кристаллической решеткой (сорбит, троостит, мартенсит, бейнит). Регулируя режимы термообработки, можно получать стали с различным содержанием этих структур, размерами и формой зерен и соответственно с различными механическими свойствами. Для конструкционных сталей чаще всего применяют улучшение (закалка с высоким отпуском на сорбит), обеспечивающее наиболее благоприятное сочетание прочности, вязкости и пластичности.

Закалка с индукционным нагревом поверхностного слоя ТВЧ помимо технологических преимуществ (экономичность, высокая производительность) дает значительный упрочняющий эффект, обязанный возникновению в закаленном поверхностном слое остаточных напряжений сжатия.

Химико-термическая обработка заключается в насыщении поверхностного слоя углеродом (цементация) или азотом (азотирование) с образованием (в последнем случае) нитридов железа и легирующих элементов. При комплексных процессах (цианирование, нитроцементация) поверхность насыщается одновременно углеродом и азотом с образованием карбидов и карбонитридов. Эти виды химико-термической обработки придают поверхности высокую твердость и износостойкость. Вместе с тем они увеличивают прочность (особенно в условиях циклической нагрузки) благодаря образованию в поверхностном слое напряжений сжатия.

Разновидностью химико-термической обработки является термодиффузионное поверхностное легирование (насыщение поверхностного слоя атомами легирующих элементов), которое применяют для повышения прочности и твердости, а также придания поверхности особых свойств (табл. 9).

Процесс	Сущность процесса	Технология процесса	Назначение
Диффузионное хромирование	Образование в поверхностном слое карбидов и α-твердых растворов Cr в железе	Выдержка в среде летучих хлоридов хрома: CrСl 2 ; CrСl 3 (газовое хромирование) при 800—1200 °С (5—6 ч)	Повышение твердости (HV 1200—1500) и термостойкости
Титанирование	Образование в поверхностном слое α-твердых растворов Ti, карбидов титана TiC и интерметаллидов типа Fe 2 Ti	Выдержка при 1100—1200°С в смеси порошков ферротитана (80%) и хлористого аммония (6—8 ч)	Повышение твердости (HV 1600—2000), увеличение коррозие- и эрозиостойкости
Бериллизания	Образование в поверхностном слое α-твердых растворов Be и бериллидов	Выдержка при 900—1100°С в смеси 20% Be, 75% BeO и 5% MgCl 2 (4—8 ч)	Повышение твердости (HV 1100—1200), увеличение коррозиестойкости
Борирование	Образование в поверхностном слое α-твердых растворов В и боридов Fe	Выдержка при 900—1100° С в смеси порошков карбида бора В 4 С и буры Na 2 B 4 O 7 (5—6 ч)	Повышение твердости (HV 1500—1800) и термостойкости
Сульфидирование	Образование в поверхностном слое сульфидов Fe	Выдержка в расплаве сернокислых солей при 550—600°С (2—4 ч)	Повышение износостойкости, придание противозадирных свойств, повышение стойкости против сваривания
Силидирование	Образование в поверхностном слое α-твердых растворов Si и силицидов Fe	Выдержка в атмосфере моносилана SiH 4 с газами-разбавителями при 1000° С (6—10 ч)	Повышение износостойкости, увеличение горячей коррозиестойкости
Семенирование	Образование в поверхностном слое α-твердых растворов Se и селенидов	Обработка 20%-ным раствором селенистой кислоты H 2 SeO 3 с добавкой небольшого количества хромпика	Повышение износостойкости, придание противозадирных свойств
Алитирование	Отложение на поверхности кристаллической пленки Аl 2 О 3 . Образование в поверхностном слое α-твердых растворов Аl и алюминидов	Выдержка в смеси порошков ферроалюминия и Аl 2 O 3 при 900—1000°С (6—8 ч)	Повышение горячей коррозиестойкости

На мировом рынке технологий по упрочнению поверхности инструмента всегда наиболее широко были представлены два метода: метод химического осаждения (Chemical Vapour Deposition - CVD) и метод физического осаждения покрытий (Physical Vapour Deposition - PVD). В нашей стране более широкое промышленное применение получили PVD способы нанесения защитных покрытий. Дело в том, что технологии CVD подразумевают использование дорогостоящих высокочистых химических реагентов (TiCl4, NH3 и т.д.) и прецизионных дозаторов химических прекурсоров, точный контроль продуктов химических реакций в рабочей камере и т.п. А нанесение PVD покрытий при помощи дугового или тлеющего разряда (магнетронa) обладает большей производительностью и не столь чувствительно к незначительным отклонениям технологических параметров.

Помимо нанесения износостойких покрытий на поверхности инструментов существуют еще четыре группы технологий поверхностного упрочнения режущих инструментов:

1. Методы механического упрочнения: вибрационный, дробеструйный, взрывом и т.д. Наиболее часто используют для упрочнения инструментов из быстрорежущей стали и твердых сплавов. Поверхностное пластическое деформирование (ППД) – наклеп поверхностного слоя на глубину 0.2-0.8 мм с целью создания в нем остаточного напряжения сжатия. При наклепе поверхностный слой расплющивается. Удлинению поверхностного слоя препятствует сила сцепления с нижележащими слоями металла. Вследствие этого в наклепанном слое возникают двухосные напряжения сжатия, а в толще основного металла незначительные реактивные напряжения растяжения. Складываясь с рабочими напряжениями растяжения, остаточные напряжения сжатия уменьшают, а при достаточно больших значениях компенсируют первые. Возникающие при наклепе множественные искажения структуры (деформация зерна, местные пластические сдвиги) эффективно тормозят развитие усталостных повреждений и расширяют область существования нераспостроняющихся трещин, увеличение которых обуславливает существование разрушающих напряжений. Эффективен наклеп в напряженном состоянии, представляющий собой сочетание упрочнения перегрузкой с наклепом. При этом способе деталь нагружают нагрузкой того же напряжения, что и рабочая, вызывая в материале упругие или упругопластические деформации. После снятия нагрузки в поверхностном слое возникают остаточные напряжения сжатия. Наклепанный слой чувствителен к нагреву. При температурах 400-500 о С действие наклепа полностью исчезает, из-за наступающего при этих температурах процесса рекристаллизации, устраняющего кристалло-структурные изменения, внесенные наклепом. Основные разновидности упрочнение поверхности пластической деформацией: дробеструйная обработка, обкатывание, чеканка, алмазное выглаживание.

Дробеструйная обработка заключается в наклепе поверхностного слоя потоком закаленных шариков (диаметр 0.5-1.5 мм), создаваемым центробежными дробеметками. Качество поверхности при данном процессе немного снижается. Плоские поверхности упрочняют обкатыванием шариками, установленными во вращающемся патроне. Заготовке придают движение продольной и поперечной подачи, при правильно выбранном режиме обкатывания, остаточные напряжения сжатия в поверхностном слое составляют 600-1000 МПа. Глубина уплотнения слоя 0.2-0.5 мм. Данный процесс улучшает качество поверхности детали. Поверхность вращения упрочняют обкатыванием стальными закаленными роликами. Силу прижатия ролика выбирают с таким ращетом, чтобы создать в поверхностном слое напряжения, превышающие предел текучести материала в условиях всестороннего сжатия (для стали 5000-6000 МПа). Чеканку производят бойками со сферической рабочей поверхностью, приводимыми в колебания пневматическими устройствами. Частота колебаний и скорость вращения заготовки должны быть согласованы таким образом, чтобы наклепанные участки перекрывали друг друга.

Алмазное выглаживание заключается в обработке предварительно шлифованной и полированной поверхности закругленными алмазными резцами (радиус 2-3 мм). Поверхностный слой уплотняется до глубины 0.3-0.5 мм.

2. Методы химико-термической обработки (ХТО) инструментальных сталей: азотирование, цементация, карбонитрация, оксидирование, борирование в газовых и жидких средах, тлеющем газовом электрическом разряде (ионное азотирование). Высокую поверхностную прочность обеспечивает изотермическая закалка, а также термомеханическая обработка поверхности детали. При поверхностной закалке (газопламенная закалка) и химико-термической обработке (цементование) упрочнение обусловлено главным образом возникновением в поверхностном слое остаточных сжимающих напряжений вследствие образования структур большего удельного объема (нитриды и карбонитриды при нитроцементации и азотировании), чем структуры основного металла. Расширение поверхностного слоя тормозит сердцевина, сохраняющая исходную перлитную структуру, вследствие чего в поверхностном слое возникают двухслойные напряжения сжатия. В нижних слоях развиваются реактивные растягивающие напряжения, имеющие малое значение, из-за незначительности сечения термически обработанного слоя сравнительно с сечением сердцевины. Создание предварительных напряжений сжатия снижает среднее напряжение в области сжатия, тем самым повышается предел выносливости. Газовая закалка повышает предел выносливости по сравнению с исходной конструкцией из необработанной стали в 1.85 раза. Наиболее эффективным способом обработки является азотирование, которое практически полностью устраняет внешних концентраторов напряжений. Азотирование не вызывает изменения формы и размеров детали. Азотированный слой обладает повышенной коррозие - и термостойкостью. Твердость и упрочняющий эффект сохраняются вплоть до температур 500-600 о С. Оптимальные толщины слоя уплотнения при цементации 0.4-0.8 мм, цементовании и азотировании 0.3-0.5 мм, закалке с нагревом и газовой закалке 2-4 мм. Качество поверхности значительно улучшается.

Электроискровое, магнитное, ультразвуковое упрочнение. Данные метода редко применяются для обработки режущих инструментов.

Физическое упрочнение: лазерная обработка, ионная имплантация. Технология ионной имплантации является на сегодня одной из наиболее перспективной с точки зрения создания композиционных материалов с оптимальным набором поверхностных и объемных свойств.

Ионная имплантация – это процесс, в котором практически любой элемент может быть внедрен в приповерхностную область любого твердого тела – мишени (подложки), помещенной в вакуумную камеру, посредством типа высокоскоростных ионов, имеющих энергию в несколько мегаэлектроновольт.

Ионы внедряются в материал мишени (подложки) на глубину от 0,01мкм до 1мкм, теряя энергию в процессе столкновений с атомами основы.

Профиль (распределение) концентрации примеси по глубине для большинства комбинаций – внедряемый атом – мишень (подложка) может быть вычислен. Для малой дозы ионов (малого числа ионов на единицу площади) профиль распределения концентрации примеси по глубине обычно хорошо описывается гауссовым распределением с центром в середине области распространения. В результате ионной имплантации образуется поверхностный слой сплава с изменяющимся составом, который не обладает выраженной поверхностью раздела, характерной для осажденного покрытия.

Преимуществом ионной имплантации, как метода модифицирования поверхности по сравнению с другими методами упрочнения поверхности, являются:

Увеличение растворимости в твердом состоянии;

Независимость образования сплавов от констант диффузии;

Возможность быстрого изменения состава сплава;

Независимость от процессов протекаемых в объеме материала;

Возможность процесса при низких температурах;

Весьма незначительное изменение размеров обрабатываемой детали;

Отсутствие проблемы аугезии, так как не существует ярко выраженной поверхности раздела;

Контролируемая глубина распределения концентрации;

Вакуумная чистота;

Высокая контролируемость и воспроизводимость.

Основным недостатком ионной имплантации является обработка только той части поверхности инструмента, которая находится непосредственно в области действия пучка ионов.

38. Охарактеризуйте перспективы развития инструментального производства.

«Как называется наш предмет?! Перспективы развития инструментального производства, а какие тут перспективы? Перспектив - нет» © Кряжев Ю.А.

Состояние отечественного инструментального производства, начиная с конца прошлого века, характеризуется как упадочное, выражающееся в виде морального и физического износа большинства основных производственных фондов, ухудшения качества, увеличенного времени обработки и изготовления, роста уровня брака. В результате сокращения производства инструментальной продукции, ухудшения ее качества, увеличилась доля зарубежных поставщиков на внутреннем рынке, что привело к резкому сокращению объемов заказов у отечественных производителей.

Для снижения зависимости от импорта и наращивания объемов экспортируемой продукции необходимы мероприятия по комплексной реконструкции инструментального производства, с применением инновационных инструментальных технологий, позволяющих сократить себестоимость продукции и получить конкурентные преимущества перед изделиями зарубежных поставщиков в виде экономии времени и ресурсов на производство единицы продукции .

На данный момент ёмкость российского рынка технологической оснастки составляет более 357 млн долл. При этом концентрация производителей и потребителей инструментальной оснастки крайне неравномерна, так наибольшая концентрация инструментальных заводов наблюдается в Центральном, Поволжском и Уральском регионах. Помимо этого, по мнению экспертов, на сегодняшний день рынок инструментальной оснастки является растущим, что обусловлено в первую очередь ростом спроса на технологическую оснастку среди машиностроительных предприятий, ВПК и увеличением количества предприятий, занимающихся производством и перепродажей технологической оснастки. Однако существующие производители инструментальной оснастки не располагают мощностями, способными удовлетворить растущий спрос. Для выхода из сложившейся ситуации возможны несколько вариантов, среди которых :

Стимулирование создания новых предприятий, осуществляющих производство и реализацию инструментальной оснастки с применением традиционных технологий металлообработки: обработка давлением; токарные, фрезерные, шлифовальные и строгальные методы обработки;

Обновление основных средств инструментальных предприятий, в том числе приобретение оборудования для аддитивных технологий.

Тенденции развития металлообрабатывающей отрасли характеризуются переходом к автоматизации всего цикла производства изделий с предварительным проектированием объемных моделей изделий в CAD-, CAM-системах. Применение САПР в сочетании с CAD-системами позволяет осуществить разработку объемной модели продукции, ее быструю правку и доработку. В сочетании с оборудованием, позволяющим воплощать полученные модели в металле, пластике или другом материале, существенно сокращаются затраты времени на технологический процесс производства изделий. Среди оборудования, подразумевающего производство продукции на основе компьютерной модели, можно выделить следующее :

Фрезерные станки с ЧПУ: перемещение фрезы осуществляется вдоль трех осей (X, Y – горизонтальная плоскость, Z – вертикальная) на основании траектории, полученной по объемной модели изделия в CAD-, CAM-системе. В некоторых фрезерных установках добавляется поворотный стол, что позволяет исключить движение вдоль одной из горизонтальных координат и ускорить процесс обработки;

5-ти координатные обрабатывающие центры: существенным отличием данного оборудования от фрезерных станков с ЧПУ является наличие двух дополнительных степеней свободы, позволяющих осуществлять вращательное движение шпинделя или рабочего стола вокруг двух осей, что существенно расширяет возможности оборудования по обработке криволинейных поверхностей;

Станки гидроабразивной резки: предназначены для раскроя листового материала струей жидкости с частицами абразива с давлением до 6000 атм., при этом толщина обрабатываемого металла может достигать 300 мм и более;

Оборудование для электроэрозионной резки: процесс обработки основывается на явлении электрической эрозии – изменение размеров формы и свойств металла под действием электрических разрядом, создаваемых генератором электрических импульсов, с температурой от 8000 до 12000 0 С.

3D-принтеры на базе технологий FDM, LENS, DMD, SLS: осуществляют производство объемных изделий из пластиковых (FDM) и металлических материалов (LENS, DMD, SLS) методом послойного наплавления материала на подложку или заготовку изделия.

Промышленное оборудование на основе аддитивных технологий в сочетании с ЧПУ, как правило, характеризуется более высокой стоимостью, по сравнению с традиционными фрезерными, шлифовальными и прочими системами. Однако более высокая стоимость оправдывается рядом преимуществ и быстрыми сроками окупаемости за счет дополнительных денежных потоков из-за существенного сокращения сроков выполнения заказов .

Преимущества такого подхода:

Сокращение времени производства готовой продукции: применение 5-ти координатного обрабатывающего центра и фрезерного станка ЧПУ приводит к сокращению времени обработки в 1,5–2 раза, повышению производительность в 2–3 раза и сокращению потерь материала на 5–10%;

Повышение прочностных и износостойких свойств изделий за счет нанесения защитного покрытия с возможностью сочетания материалов (LENS, DMDтехнологии);

Возможность быстрого изготовления или моделирования литейных форм со сложными каналами прокачки жидкости, повышающих теплообмен и прочностные характеристики изделия;

Быстрая переналадка оборудования для мелкосерийного и штучного производства;

Возможность быстрого прототипирования, и ряд других положительных сторон.

Таким образом, организация производственного процесса на предприятиях по выпуску инструментальной оснастки на основе аддитивных технологий в сочетание с ЧПУ позволит получить конкурентные преимущества в виде повышения производительности труда , сокращения затрат на цикл тестирования и производства готовой продукции .

Свойства аддитивных технологий позволяют их использовать в различных сферах (рисунок 1).

Рис. 1. Применение продукции на основе аддитивных технологий

Широкое применение аддитивных технологий в сфере инструментального производства позволит упростить процесс производства отдельных видов продукции, отказавшись от некоторых видов оборудования.

Большинство предприятий, изготавливающих технологическую оснастку, ориентируется на изготовление серийной продукции, ограничивая ассортимент выпускаемых изделий, что обусловлено требованием к снижению затрат на организацию технологического процесса серийного и массового производства. В то же время, применение оборудования на основе аддитивных технологий позволяет эффективно осуществлять работы по созданию опытных образцов, а также работы для выпуска небольших партий и единичных изделий.

Таким образом, предприятие, внедрившее в производство новые методы в технологиях металлообработки, имеет преимущество, т. к. практика показывает, что большая часть ассортимента, планируемого к производству на новом оборудовании, будет выпускаться под часто меняющиеся заказы клиентов. Это требует обеспечить определенную гибкость, возможность быстрой переориентации на производство нового продукта, адаптации к изменяющимся рыночным условиям .

Таким образом, дальнейшее развитие, на наш взгляд, в первую очередь связано с переходом (по мере внедрения в промышленность и устойчивой коммерциализации нововведений) на новейшие разработки в области формообразования, таких как: современные 3D-принтеры, новые технологии и оборудование водоструйной резки, лазерно-плазменного раскроя и др.