МЕТОДЫ УПРОЧНЕНИЯ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ И ДЕТАЛЕЙ МАШИН

1. МЕТОДЫ УПРОЧНЕНИЯ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ И ДЕТАЛЕЙ МАШИН

2. 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.

3. Термические методы

4. 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

5. Различают следующие виды отжига: • рекристаллизационный, • полный, • неполный; • отжиг на зернистый перлит (сфероидизация); • изотермический, • низкотемпературный; • диффузионный (гомогенизация).

6. 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.

7. 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.

8. Отпуск закалённых сталей Процесс 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).

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.).

13. 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.

14. 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.

15. 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.

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

17. 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.

18. 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.

19. 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).

20. 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.

21. 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.

22. 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

23. 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.

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

25. Различают следующие стадии PVD-процесса: • Создание газа (пара) из частиц, составляющих напыление; • Транспорт пара к субстрату; • Конденсация пара на субстрате и формирование покрытия;

26. 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.

27. 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.

28. 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.

29. 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)