Лабораторная работа методы поверхностного упрочнения деталей

Цель работы: изучить способы поверхностного упрочнения стальных деталей. Получить навыки выбора рационального метода повышения надежности и долговечности деталей машин в эксплуатации.

1. Краткие теоретические сведения

1.1. Механическое упрочнение поверхности

Упрочнение металла под действием холодной пластической деформации называется наклепом, или нагартовкой. При этом изменяется структура металла: деформируются зерна, В наклепанном слое увеличивается плотность дефектов кристаллической решетки, изменяется форма и ориентация зерен, из равноосных они превращаются в неравноосные (в виде лепешки), явно выражена текстура деформации (зерна вытягиваются в сторону действия максимальных растягивающих напряжений) (рис. 1).

а б

Рис. 1. Влияние пластической деформации на микроструктуру металла:

а – до деформации; б – после деформации

В поверхностных слоях создаются сжимающие напряжения, тормозящие зарождение и развитие трещин. Это сопровождается увеличением твердости и прочности в 1,5 – 3 раза. Возникающие в наклепанном слое напряжения сжатия повышают сопротивление усталости. Упрочнение поверхности пластическим деформированием повышает надежность работы деталей, снижает чувствительность к концентраторам напряжений, повышает сопротивление из­нашиванию и коррозионную стойкость, устраняет следы предыдущей обработки.

Н акатка роликами и шариками – операция, при которой стальной закаленный ролик (шарик), обкатывая упрочняемую поверхность при заданной нагрузке (нажатии), деформирует, т. е. сминает поверхностный слой металла на определенную глубину (рис. 2). Происходит упрочнение – наклеп. Глубина упрочненного слоя – 0,5 – 2,0 мм. Этим методом в основном упрочняются детали типа тел вращения (валы, оси, гильзы) или имеющие значительные по размерам плоские поверхности.

Рис. 2. Схема накатки роликом поверхности вала на токарном станке

Дробеструйная обработка – операция, при которой стальная или чугунная дробь размером 0,5 – 2,0 мм., вылетая из дробеструйного аппарата с большой скоростью (90 – 150 м/с), ударяет по упрочняемой поверхности, происходит ее наклеп. Прочность, твердость и предел усталости повышаются. Толщина упрочненного слоя составляет 0,2 – 0,4 мм. Дробеструйному наклепу подвергают пружины, рессоры, зубчатые колеса, валы торсионные и т. п. Например, рессорные листы после термообработки перед сборкой в пакет подвергают дробеструйному наклепу, что значительно увеличивает срок службы рессоры (в пять – шесть раз). Дробеструйная обработка является конечной технологической операцией для деталей после механической и термической обработки.

Эти методы упрочнения наиболее распространены в машиностроении. Кроме них используются алмазное выглаживание, вибронакатывание, калибровка отверстий и т. п.

1.2. Термическое упрочнение – поверхностная закалка

Сущность поверхностной закалки состоит в том, что в результате использования источников высокоскоростного нагрева (более 100 °С/с) температура в поверхностных слоях детали быстро достигает температуры выше критических точек аустенизации стали, сердцевина за столь короткий промежуток времени прогреться не успевает. Если нагрев прервать и поверхностный слой детали с аустенитной структурой охладить со скоростью выше критической, то только он получит закалку на мартенсит, а сердцевина останется незакаленной. Переходный слой будет иметь мартенситосорбитную структуру. Наиболее распространены следующие способы поверхностной закалки.

Закалка с индукционным нагревом током высокой частоты (закалка ТВЧ) – операция, при которой деталь для нагрева помещают в индуктор (соленоид), представляющий собой один или несколько витков медной трубки, охлаждаемой проточной водой (рис. 3). Переменный ток высокой частоты, протекая по индуктору, создает переменное магнитное поле. В результате индукции в поверхностном слое детали возникают вихревые токи, и выделяется джоулево тепло. Происходит быстрый нагрев поверхности до температуры закалки. Время нагрева – 20 – 50 с.

О хлаждение нагретой для закалки детали производится либо в баке (с водой, эмульсией или маслом), либо душевым устройством – спрейером. Глубина закаленного слоя в зависимости от условий работы детали составляет 1,5 – 4,0 мм, твердость – 63 – 65 HRC. После закалки ТВЧ деталь подвергают низкому отпуску или самоотпуску.

Поверхностную индукционную закалку применяют для деталей из среднеуглеродистых сталей (0,4 – 0,5 % С) – коленчатых и шлицевых и распределительных валов, зубьев шестерен, тормозных шкивов, шпинделей, борштанг и других деталей.

Индукционный нагрев позволяет сократить длительность термической обработки и повысить производительность труда, получить поверхность без окалины, уменьшить деформацию и коробление деталей при закалке, но он экономически нерентабелен для закалки единичных деталей, так как для каждой требуется изготавливать свой индуктор и подбирать режимы обработки.

Закалка с газопламенным нагревом применяется в основном для крупных деталей и деталей сложной формы, для которых индуктор изготовить невозможно, толщина закаленного слоя – не менее 20 – 40 мм при минимальной твердости 55 – 58 HRC.

Поверхность детали нагревают газовым пламенем, имеющим температуру 2400 – 3150^оС. Для нагрева используют одно- и многопламенные горелки. Вследствие интенсивного подвода тепла поверхность детали быстро нагревается до температуры выше фазовых превращений. Последующее спрейерное охлаждение обеспечивает закалку поверхностного слоя.

Кроме индукционного и газопламенного нагрева для поверхностной закалки деталей используют установки электроконтактного нагрева и лазерного излучения.