28 Криогенная обработка деталей машин

Очень часто в производстве возникает необходимость снять внутреннее напряжение в металле, гомогенизировать структуру, увеличить износостойкость, избавиться от остаточного аустенита, превратив его в мартенсит. Для достижения всех этих целей на производстве используют криогенный способ обработки металла.

Криогенный способ, или обработка холодом, проводится путём охлаждения стали до криогенных температур, то есть до –40…–150°С, на определенный период времени; затем обрабатываемый материал какое-то время находится в среде с данной температурой и затем медленно возвращается в среду с нормально комнатной температурой. Медленное возвращение к комнатной температуре необходимо во избежание криогенного шока металла, что, в свою очередь, может вызвать трещины и разломы в материале или даже разломы во внутренней молекулярной структуре. Данная процедура проводится для превращения остаточного аустенита в тетрагональный мартенсит. Криогенная обработка позволяет улучшить механические и режущие свойства инструментов, повысить их износостойкость и твердость. Кроме того, путём криогенной обработки можно повысить износостойкость контрольно-измерительных инструментов, форм для пресса и штампов, изготовленных из высокоуглеродистых и легированных сталей; увеличить твёрдость коррозийно-стойких сталей, имеющих повышенное содержание углерода; улучшить качество поверхностного слоя, который подвергается полированию или доводке.

В качестве источников умеренного холода, т. е. источников, с помощью которых получают температуры до –70°С, используют аммиачные и фреоновые установки; для получения криогенной температуры до –135°С применяют криогенные установки или криогенные аппараты.

В качестве криоагентов обычно выступают твёрдый углекислый газ (или сухой лёд), жидкие азот, кислород и воздух (смесь жидкого кислорода и азота).

29 Упрочнение с изменением структуры и микрогеометрии поверхности детали

Упрочнение деталей машин обработкой резанием

При обработке деталей под действием сил резания в поверхностном слое металла происходит его упругопластическое деформирование. Пластическое деформирование распространяется на определённую глубину металла, расположенного под обработанной поверхностью, и сопровождается скольжением, т.е. перемещением отдельных частей кристаллитов по определенным кристаллографическим плоскостям. Процесс скольжения начинается тогда, когда возникают критические сдвигающие напряжения, достаточные для его начала. Пластическому деформированию предшествует упругое, распространяющееся со скоростью, близкой к скорости звука. На пластическое деформирование, при котором происходит перемещение частей кристаллитов, требуется определённое время. Поэтому при больших скоростях деформирования иногда наблюдается межкристаллитная пластическая деформация. В этом случае зёрна перемещаются относительно друг друга.

В процессе резания металлов зёрна в поверхностном слое вытягиваются в направлении действия силы резания. Кристаллиты ориентируются в основном по кристаллографическим направлениям. Подобная ориентация мелких зёрен, вытянутых по направлению деформации, называется текстурой.

При наклёпе наблюдается снижение электропроводности, теплопроводности и плотности металла, что объясняется увеличением количества дислокаций и вакансий в наклёпанном металле. В общем случае с увеличением сил резания и продолжительности их воздействия возрастает пластическая деформация поверхностного слоя металла, а следовательно, увеличивается степень его наклёпа и глубина распространения наклёпа.

Установлено, что возможности упрочнения металла за счёт его наклёпа ограничены, и при чрезмерной пластической деформации может образоваться «перенаклёп» металла, что приведёт к его разупрочнению. Разупрочнение происходит при исчерпании зёрнами металла возможности упрочняться. При этом наблюдается его разрыхление, появление трещин, отслаивание и т.д.

Наклёп в поверхностном слое приводит металл в структурно-неустойчивое состояние, вызванное неодинаковым распределением внутренних напряжений между отдельными зёрнами и даже целыми участками металла. В этих условиях имеет место явление отдыха, т.е. стремление металла к возвращению в первоначальное, ненаклёпанное состояние, чему способствует упругая деформация наклёпанного металла, а также повышенная температура в зоне резания. При комнатной температуре отдых наклёпанного металла проходит довольно медленно, однако уже при небольшом нагреве процесс ускоряется. При этом даже незначительные перемещения атомов могут снять искажения кристаллической решётки. Например, для снятия искажений атомной кристаллической решётки железа достаточно нагреть его до 200...300°С, после чего механические свойства железа частично восстанавливаются.

При данных температуре и упрочнении, чем длительнее металл подвергается отдыху, тем полнее восстанавливаются свойства, которые металл имел до пластического деформирования, т.е. тем полнее его отдых.

При обработке металлов резанием одновременно действуют значительные силы резания, создающие наклёп, и температура, вызывающая разупрочнение металла. Конечное состояние поверхностного слоя определяется соотношением процессов упрочнения и разупрочнения, зависящих от преобладания в зоне резания силового или теплового фактора. Общие закономерности возникновения наклёпа сохраняются и при абразивной обработке. Финишные операции обеспечивают необходимые размеры и шероховатость восстанавливаемых поверхностей, а также свойства поверхностного слоя. На этих операциях снимают незначительный слой металла, но уменьшают на один-два класса значения шероховатости. Тонкое шлифование, например, выполняют абразивным инструментом с зернистостью 12–25. Снимаемый припуск за один ход не более 0,5 мкм. В конце операции необходимо выхаживание в течение 5–7 оборотов детали. Для тонкого шлифования применяют станки повышенной точности.

Алмазное шлифование применяется в ремонтном производстве в основном для заточки и доводки режущего и мерительного инструмента. Суперфиниширование и полирование – процессы удаления разупрочнённого на предыдущих операциях тонкого слоя и достижения необходимой шероховатости поверхности. Хонингование – процесс доводки внутренних цилиндрических поверхностей абразивными брусками, которые закреплены в головке и совершают вращение с одновременным возвратно-поступательным движением

Упрочнение деталей машин поверхностным пластическим деформированием

Упрочнение поверхностным пластическим деформированием выполняется с целью повышения сопротивления усталости и твёрдости поверхностного слоя металла и формирования в нём направленных внутренних напряжений, преимущественно напряжений сжатия, а также регламентированного рельефа микронеровностей по поверхности.

Упрочнение материала при его пластическом деформировании основано на преднамеренном искажении кристаллической решётки металла в результате механического воздействия.

Механика поверхностного пластического деформирования (ППД) предопределяется характером воздействия деформирующего элемента на режущий инструмент. В зависимости от этого способы деформационного упрочнения разделяются на статические и динамические (или ударные). Для статических способов (накатывание, выглаживание, дорнование (деформирующее протягивание) и др.) характерны постоянство во времени силы деформационного воздействия и непрерывность контакта деформирующего элемента и режущего инструмента. Для динамических способов (чеканка, обработка дробью, виброударная, ультразвуковая, центробежно-шариковая обработка и др.) характерно импульсное воздействие деформирующих элементов на поверхность режущего инструмента в условиях прерывистого контакта.

Накатывание подразделяется на обкатывание, т.е. накатывание вала, выпуклой или плоской поверхности, и раскатывание –накатывание отверстия или вогнутой поверхности.

Алмазное выглаживание применяют при финишной обработке деталей. Отделка и упрочнение этим методом деталей роликоподшипников приводит к повышению производительности труда по сравнению с доводкой чугунными притирами; достигаемая шероховатость поверхности – от Ra =0,04 до Rz =0,1 мкм, что в сочетании с упрочнением и остаточными макронапряжениями сжатия значительно повышает износостойкость детали.

Дорнование – процесс, при котором создаётся наклёп незначительной толщины (до 1 мм). Микротвёрдость поверхностного слоя при этом способе обработки возрастает на 25–30%, шероховатость снижается с Rz=40 до Ra=0,08 мкм.

Чеканка осуществляется путем ударного воздействия бойка. Глубина наклепа достигает 20–25 мм, сопротивление усталости повышается на 50–100%, долговечность деталей увеличивается в 2 раза и более.

Эффект дробеструйной обработки несколько ограничен: пластические деформации проникают на сравнительно малую глубину (до 0,7 мм), шероховатость поверхности практически не уменьшается, микротвёрдость поверхностного слоя увеличивается незначительно (на 30%).

При виброударной обработке (вибронаклёп) в рабочей камере, смонтированной на упругих подвесках и имеющей возможность колебаться в различных направлениях, сообщаются низкочастотные колебания – в большинстве случаев с помощью дисбалансного вибратора. Виброударная обработка производится в результате множества микро ударов и относительного скольжения с определённым давлением рабочих тел по поверхности обрабатываемой детали. Рабочие тела движутся с переменным ускорением, что обеспечивает их большую подвижность.

Если при обработке статическими методами ППД (обкатывание шаром или роликом, алмазное выглаживание, поверхностное дорнование) инструменту сообщают дополнительно ультразвуковые колебания с частотой 18–24 кГц и амплитудой 15–30 мкм, то они становятся ударными или динамическими методами (ультразвуковое обкатывание, ультразвуковое выглаживание и т.д.).

Центробежно-шариковая обработка даёт незначительное снижение шероховатости поверхности, увеличивает: микротвёрдость поверхностного слоя на 20–50% (на стальных деталях), толщину наклёпа до 0,8 мм и сопротивление усталости деталей в 1,5–3 раза.

Упрочнение взрывной волной основано на использовании высоких энергий, освобождаемых при детонации взрывчатых «бризантных» веществ. Скорость детонации при упрочнении составляет 7∙10³МПа. Этот вид обработки значительно повышает долговечность изделий.