МЕТОДЫ УПРОЧНЕНИЯ

МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ И ДЕТАЛЕЙ

МАШИН

Методы упрочнения металлов можно условно разделить на несколько классов. Методами одного класса осуществляются процессы различных типов. Внешние условия протекания процессов неодинаковы: в газовой среде; в жидкости; в пасте; без использования или с использованием теплоты при нормальном, повышенном или высоком давлении; в низком, среднем или глубоком вакууме; в атмосфере водяного, водогазового или ионного пара; в контролируемых атмосферах экзогаза или эндогаза; в электропроводящей или диэлектрической среде; в среде с поверхностно-активными или абразивными свойствами; в магнитном, электрическом, гравитационном или термическом поле. Выбор сочетаний внешних условий и характеризует специфические особенности технологических процессов.

Термические методы

ОТЖИГ Для получения структур, близких к

равновесному состоянию, применяют отжиг – нагрев стали до заданной температуры, выдержку при ней и последующее медленное охлаждение. В процессе отжига улучшаются механические свойства и выравнивается химический состав стали, улучшается обрабатываемость ее на станках, уменьшаются остаточные деформации, осуществляется подготовка структуры стали для последующей термической обработки

Различают следующие виды отжига: рекристаллизационный, полный, неполный; отжиг на зернистый перлит

(сфероидизация); изотермический, низкотемпературный; диффузионный (гомогенизация).

Нормализация

Процесс нагрева стали; выдержку при этой температуре и

последующее охлаждение на спокойном воздухе называют нормализацией.

Нормализацию применяют, в основном, для снятия внутренних напряжений

и улучшения обрабатываемости стали.

Закалка сталей

Операцию, при которой сталь

нагревают и после выдержки при этой температуре быстро охлаждают в воде, масле или на воздухе (в зависимости от состава стали), называют закалкой

В результате закалки получают неравномерные структуры, так как быстрое

охлаждение препятствует фазовым превращениям. После закалки сталь становится твердой и хрупкой.

Способы закалки отличаются условиями нагрева и охлаждения стали. Сочетание способов позволяет создать в закаленной стали структуру, наиболее отвечающую требованиям работоспособности изделия.

Отпуск закалённых сталейПроцесс нагрева и выдержки закаленной стали

при температуре на 20-30 °С ниже критической

Отпуску необходимо подвергать все закаленные детали, кроме тех, которые прошли изотермическую закалку. В зависимости от требуемых температур отпуск проводят в масляных или селитровых ваннах, в печах с принудительной циркуляцией воздуха, а также в ваннах с расплавленной щелочью (светлый отпуск).

Химико-термическая обработка (ХТО)

Нагрев и выдержка металлических (а в ряде случаев и неметаллических) материалов при высоких температурах в химически активных средах (твердых, жидких, газообразных).

В подавляющем большинстве случаев химико-термическую обработку проводят с целью обогащения поверхностных слоев изделий определенными элементами. Их называют, насыщающими элементами или компонентами насыщения.

В результате ХТО формируется диффузионный слой, т.е. изменяется химический состав, фазовый состав, структура и свойства поверхностных слоев. Изменение химического состава обуславливает изменения структуры и свойств диффузионного слоя.

Классификация процессов химико-термической обработки

однокомпонентные: цементация - насыщение углеродом; азотирование - насыщение азотом; алитирование - насыщение алюминием; хромирование - насыщение хромом; борирование - насыщение бором; силицирование - насыщение кремнием;

многокомпонентные: нитроцементация (цианирование, карбонитрация) - насыщение азотом и углеродом; боро- и хромоалитирование - насыщение, бором или хромом и алюминием, соответственно; хромосилицирование – насыщение хромом и кремнием и т.д.

На практике в подавляющем большинстве случаев ХТО подвергают сплавы на основе железа (стали и чугуны), реже - сплавы на основе тугоплавких металлов, твердые сплавы и еще реже сплавы цветных металлов, хотя практически все металлы могут образовывать диффузионные слои с подавляющим большинством химических элементов Периодической системы элементов Д.И. Менделеева.

ХТО применяют с целью: поверхностного упрочнения металлов и сплавов

(повышения твердости, износостойкости, усталостной и коррозионно-усталостной прочности, сопротивления кавитации и т.д.);

сопротивления химической и электрохимической коррозии в различных агрессивных средах при комнатной и повышенных температурах;

придания изделиям требуемых физических свойств (электрических, магнитных, тепловых и т.д.);

придания изделиям соответствующего декоративного вида (преимущественно с целью окрашивания изделий в различные цвета);

облегчения технологических операций обработки металлов (давлением, резанием и др.).

Химическая обработка металлов

Существует несколько способов химической обработки металла, которые, впрочем, имеют одну общую цель – повышение показателей прочности, долговечности и стойкости к коррозии металлических изделий.

Для химической обработки металла применяют такие методы, как распыление (струйная обработка низкого давления), погружение, паро- и гидроструйный методы. Для осуществления первых двух методов используют специальные агрегаты химической подготовки поверхности (АХПП). В основном выбор метода подготовки поверхности зависит от производственной программы, конфигурации и габаритов изделий, производственных площадей и ряда других факторов.

Распыление Опишем первый метод химико-термической

обработки металла – распыление. Для обработки металла методом распыления используется АХПП как тупикового, так и проходного типов. Высокую производительность обеспечивают агрегаты проходного типа непрерывного действия. Немаловажное преимущество АХПП проходного типа - возможность применения одного конвейера для участков подготовки поверхности и окраски изделий.

Обработка металлов погружением

Обработка металла погружением – другой метод химической обработки. Для обработки металла методом погружения используют АХПП, которые состоят из ряда последовательно расположенных ванн, оборудования перемешивания, транспортера, разводки трубопроводов и камеры сушки. Изделия транспортируют с помощью тельфера, автооператора или кран-балки. Прибор для обработки погружением требует значительно меньше производственной площади относительно оборудования для обработки распылением. Но в этом случае после подготовки поверхности потребуется введение дополнительной операции — перевешивания изделий на конвейер окраски.

Газотермическое напыление

Газотермическое напыление (англ. Thermal Spraying) – это процесс нагрева, диспергирования и переноса конденсированных частиц распыляемого материала газовым или плазменным потоком для формирования на подложке слоя нужного материала.

Под общим названием газотермическое напыление (ГТН) объединяют следующие методы:

газопламенное напыление, высокоскоростное газопламенное

напыление, детонационное напыление, плазменное напыление, напыление с оплавлением, электродуговая металлизация активированная электродуговая

металлизация.

Как правило, ГТН применяют для создания на поверхности деталей и оборудования функциональных покрытий – износостойких, коррозионно-стойких, антифрикционных, антизадирных, теплостойких, термобарьерных, электроизоляционных, электропроводных, и т.д. Материалами для напыления служат порошки, шнуры и проволоки из металлов, металлокерамики и керамики. Некоторые из методов газотермического напыления являются альтернативой методам гальванической, химико-термической обработки металлов, плакирования, другие – методам покраски, полимерным покрытиям. Ещё одно распространенное применение ГТН - ремонт и восстановление деталей и оборудования. С помощью напыления можно восстановить от десятков микрон до миллиметров металла.

Особенностями технологии являются:

Возможность нанесения покрытий из различных материалов (практически любой плавящийся материал, который можно подать как порошок или проволоку);

Отсутствие перемешивания материала основы и материала покрытия;

Невысокий (не более 150°С) нагрев поверхности при нанесении покрытия;

Возможность нанесения нескольких слоев, каждый из которых несет свою функцию (например, стойкий к высокотемпературной коррозии + термобарьерный);

Легкость обеспечения защиты работников и окружающей среды при нанесении (с помощью воздушных фильтров).

Наплавка

Наплавка — это нанесение слоя металла или сплава на поверхность изделия посредством сварки плавлением.

Технология Восстановительная наплавка применяется для получения

первоначальных размеров изношенных или поврежденных деталей. В этом случае наплавленный металл близок по составу и механическим свойствам основному металлу.

Наплавка функциональных покрытий служит для получения на поверхности изделий слоя с необходимыми свойствами. Основной металл обеспечивает необходимую конструкционную прочность. Слой наплавленного металла придаёт особые заданные свойства: износостойкость, жаростойкость, жаропрочность, коррозионную стойкость и т. д.

Важнейшие требования, предъявляемые к наплавке, заключаются в следующем:

минимальное проплавление основного металла;

минимальное перемешивание наплавленного слоя с основным металлом;

минимальное значение остаточных напряжений и деформаций металла в зоне наплавки;

занижение до приемлемых значений припусков на последующую обработку деталей.

Способы наплавки

Ручная дуговая наплавка покрытыми электродами Дуговая наплавка под флюсом проволоками и лентами Дуговая наплавка в защитных газах вольфрамовыми

(неплавящимися) и проволочными металлическими (плавящимися) электродами

Дуговая наплавка самозащитными порошковыми проволоками

Электрошлаковая наплавка Плазменная наплавка Лазерная наплавка Электронно-лучевая наплавка Индукционная наплавка Газопламенная наплавка

Применение

Наплавку производят при восстановлении изношенных и при изготовлении новых деталей машин и механизмов. Наиболее широко наплавка применяется при ремонтных работах. Восстановлению подлежат корпусные детали различных двигателей внутреннего сгорания, распределительные и коленчатые валы, клапаны, шкивы, маховики, ступицы колес и т. д.

 PVD-процесс

Напыление конденсацией из паровой (газовой) фазы (англ. physical vapour deposition; сокращённо PVD) обозначает группу методов напыления покрытий (тонких плёнок) в вакууме, при которых покрытие получается путём прямой конденсации пара наносимого материала.

Различают следующие стадии PVD-процесса:

Создание газа (пара) из частиц, составляющих напыление;

Транспорт пара к субстрату; Конденсация пара на субстрате и

формирование покрытия;

Применение

PVD-процесс применяют для создания на поверхности деталей, инструментов и оборудования функциональных покрытий — износостойких, коррозионно-стойких, эрозионностойких, антифрикционных,антизадирных, барьерных и т. д Процесс используется при производстве часов с золотым покрытием.

Материалами для напыления служат диски из титана, алюминия, вольфрама, молибдена, железа, никеля, меди, графита, хрома и их сплавов; ацетилен (для покрытий, содержащих углерод); азот.

С помощью PVD-процесса получают покрытия толщиной до 5 мкм, обычно после нанесения покрытия поверхность не требует дополнительной обработки.

Самораспространяющийся высокотемпературный синтез Реагенты в СВС процессах используются

в виде тонкодисперсных порошков, тонких пленок, жидкостей и газов. Наиболее распространены два типа систем: смеси порошков (спрессованные или насыпной плотности) и гибридные системы газ-порошок (или спрессованный агломерат). Известны СВС-процессы и в системах: порошок-жидкость, газовзвесь, пленка-пленка, газ-газ.

В создании СВС системы могут участвовать все химически активные при высоких температурах вещества в качестве реагентов (химические элементы, индивидуальные соединения, многофазные структуры) и инертные вещества в качестве наполнителей или разбавителей.

Наиболее популярные реагенты: H2, B, Al, C, N2, O2, Mg, Ti, Nb, Mo, Si, Ni, Fe, B2O3, TiO2, Cr2O3, MoO3, Fe2O3, NiO и др.

Основные характеристики

Процесс распространения волны характеризуют: пределом погасания (связь между параметрами системы,

разделяющие две ситуации: распространение волны и отсутствия горения при любых условиях инициирования)

пределом потери устойчивости (связь между параметрами системы, разделяющими режимы стационарного и неустойчивого горения)

скоростью распространения фронта, максимальной температурой и темпом нагрева вещества в волне стационарного горения, в неустойчивых процессах - частотой пульсаций, скоростью

движения очага по винтовой траектории, величиной сверхадиабатического эффекта и др.

глубиной химического превращения исходных реагентов в конечные продукты (полнота горения)