Površinsko kaljenje čelika. Metoda kaljenja metalne površine (opcije) i suspenzija za kaljenje metalne površine Metode i tehnologije kaljenja dijelova
Termomehanička obrada primjenjuje se i za druge legure.
Površinsko kaljenje čeličnih dijelova.
Strukturna čvrstoća često ovisi o stanju materijala u površinskim slojevima dijela. Jedna od metoda površinskog kaljenja čeličnih dijelova je površinsko kaljenje.
Kao rezultat površinskog otvrdnjavanja, povećava se tvrdoća površinskih slojeva proizvoda uz istodobno povećanje otpornosti na habanje i granice izdržljivosti.
Zajedničko za sve vrste površinskog kaljenja je zagrijavanje površinskog sloja dijela na temperaturu kaljenja, nakon čega slijedi brzo hlađenje. Ove se metode razlikuju u metodama zagrijavanja dijelova. Debljina otvrdnutog sloja tijekom površinskog otvrdnjavanja određena je dubinom zagrijavanja.
Najraširenije je elektrotermičko kaljenje zagrijavanjem proizvoda visokofrekventnim strujama (HFC) i plinsko-plameno kaljenje zagrijavanjem plamenom plin-kisik ili kisik-kerozin.
Kaljenje visokofrekventnim strujama.
Metodu je razvio sovjetski znanstvenik V.P. Vologdin.
Temelji se na činjenici da ako se metalni dio stavi u izmjenično magnetsko polje koje stvara vodič-induktor, tada će se u njemu inducirati vrtložne struje, uzrokujući zagrijavanje metala. Što je veća frekvencija struje, to je tanji otvrdnuti sloj.
Obično se koriste strojni generatori s frekvencijom od 50...15000 Hz i cijevni generatori s frekvencijom većom od 10 6 Hz. Dubina otvrdnutog sloja je do 2 mm.
Induktori su izrađeni od bakrenih cijevi, unutar kojih cirkulira voda, tako da se ne zagrijavaju. Oblik induktora odgovara vanjskom obliku proizvoda, a razmak između induktora i površine proizvoda mora biti konstantan.
Shema tehnološkog procesa kaljenja HDTV-a prikazana je na sl. 16.2.
Riža. 16.2. Shema tehnološkog procesa visokofrekventnog kaljenja
Nakon zagrijavanja induktora 2 3 ... 5 s, dio 1 se brzo premješta u poseban uređaj za hlađenje - raspršivač 3, kroz čije rupe se tekućina za gašenje raspršuje na zagrijanu površinu.
Visoka brzina zagrijavanja pomiče fazne transformacije prema višim temperaturama. Temperatura stvrdnjavanja kod zagrijavanja visokofrekventnim strujama treba biti viša nego kod klasičnog grijanja.
Pri pravilnim uvjetima zagrijavanja, nakon hlađenja dobiva se struktura finoigličastog martenzita. Tvrdoća se povećava za 2...4 HRC u usporedbi s konvencionalnim kaljenjem, povećava se otpornost na trošenje i granica izdržljivosti.
Prije otvrdnjavanja visokofrekventnom toplinom proizvod se podvrgava normalizaciji, a nakon otvrdnjavanja slabom popuštanju na temperaturi od 150...200 o C (samokaljenje).
Najpoželjnije je koristiti ovu metodu za čelične proizvode s udjelom ugljika većim od 0,4%.
Prednosti metode:
- veća učinkovitost, nema potrebe za zagrijavanjem cijelog proizvoda;
- veća mehanička svojstva;
- odsutnost dekarburizacije i oksidacije površine dijela;
- smanjenje grešaka u savijanju i stvaranju pukotina stvrdnjavanja;
- mogućnost automatizacije procesa;
- korištenje visokofrekventnog kaljenja omogućuje zamjenu legiranih čelika jeftinijim ugljičnim čelicima;
- omogućuje otvrdnjavanje pojedinih dijelova dijela.
Glavni nedostatak metode je visoka cijena indukcijskih jedinica i induktora.
Preporučljivo je koristiti u serijskoj i masovnoj proizvodnji.
Kaljenje plinskim plamenom.
Zagrijavanje se provodi plamenom acetilen-kisik, plin-kisik ili kerozin-kisik s temperaturom od 3000...3200 o C.
Struktura površinskog sloja nakon stvrdnjavanja sastoji se od martenzita, martenzita i ferita. Debljina kaljenog sloja je 2...4 mm, tvrdoća 50...56 HRC.
Metoda se koristi za kaljenje velikih proizvoda sa složenom površinom (zavojni zupčanici, puži), za kaljenje čeličnih i lijevanih valjaka. Koristi se u masovnoj i pojedinačnoj proizvodnji, kao i za popravke.
Kod zagrijavanja velikih proizvoda plamenici i rashladni uređaji kreću se duž proizvoda ili obrnuto.
Nedostaci metode:
- niska produktivnost;
- poteškoće u reguliranju dubine otvrdnutog sloja i temperature zagrijavanja (mogućnost pregrijavanja).
Starenje.
Kaljenje se primjenjuje na legure koje su kaljene polimorfnom transformacijom.
Starenje se primjenjuje na materijale koji su očvrsli bez polimorfne transformacije.
Kaljenje bez polimorfne transformacije je toplinska obrada kojom se na nižoj temperaturi fiksira stanje karakteristično za leguru na višim temperaturama (prezasićena čvrsta otopina).
Starenje je toplinska obrada u kojoj je glavni proces razgradnja prezasićene krute otopine.
Kao rezultat starenja mijenjaju se svojstva očvrslih legura.
Za razliku od kaljenja, nakon starenja se povećava čvrstoća i tvrdoća, a smanjuje rastezljivost.
Starenje legura povezano je s promjenjivom topljivošću viška faze, a otvrdnjavanje tijekom starenja nastaje kao posljedica taloženja disperzije tijekom razgradnje prezasićene krute otopine i rezultirajućih unutarnjih naprezanja.
U legurama koje stare, taloženje iz čvrstih otopina javlja se u sljedećim glavnim oblicima:
- tanka ploča (u obliku diska);
- jednakoosni (kuglasti ili kubični);
- igličastog oblika.
Oblik precipitata određen je konkurentskim čimbenicima: površinskom energijom i energijom elastične deformacije, koje teže minimumu.
Površinska energija je minimalna za jednakoosne taloge. Energija elastičnih izobličenja je minimalna za precipitate u obliku tankih ploča.
Glavna svrha starenja je povećanje čvrstoće i stabilizacija svojstava.
Starenje se razlikuje na prirodno, umjetno i nakon plastične deformacije.
Prirodno starenje je spontano povećanje čvrstoće i smanjenje duktilnosti očvrsnute legure koje se događa tijekom njezinog izlaganja normalnim temperaturama.
Zagrijavanjem legure povećava se pokretljivost atoma, što ubrzava proces.
Povećanje čvrstoće tijekom starenja na povišenim temperaturama naziva se umjetnim starenjem.
Vlačna čvrstoća, granica razvlačenja i tvrdoća legure rastu s povećanjem trajanja starenja, dosežu maksimum, a zatim opadaju (fenomen pretjeranog starenja)
Prirodnim starenjem ne dolazi do prekomjernog starenja. Kako se temperatura povećava, faza prekomjernog starenja se postiže ranije.
Ako se stvrdnuta legura koja ima strukturu prezasićene krute otopine podvrgne plastičnoj deformaciji, tada se procesi koji se javljaju tijekom starenja također ubrzavaju - to je deformacijsko starenje.
Starenje obuhvaća sve procese koji se odvijaju u prezasićenoj čvrstoj otopini: procese koji pripremaju separaciju i same procese separacije.
Za praksu je od velike važnosti razdoblje inkubacije - vrijeme tijekom kojeg se odvijaju pripremni procesi u očvrsloj leguri, kada se održava visoka plastičnost. To omogućuje hladnu deformaciju nakon kaljenja.
Ako se tijekom starenja odvijaju samo procesi taloženja, tada se pojava naziva disperzijsko otvrdnjavanje.
Nakon starenja raste čvrstoća i smanjuje se duktilnost niskougljičnih čelika kao rezultat dispergiranog taloženja tercijarnog cementita i nitrida u feritu.
Starenje je glavna metoda ojačavanja aluminijskih i bakrenih legura, kao i mnogih visokotemperaturnih legura.
Hladna obrada čelika.
Visokougljični i mnogi legirani čelici imaju temperaturu kraja martenzitne transformacije (Mc) ispod 0 o C. Zbog toga se u strukturi čelika nakon kaljenja uočava značajna količina zadržanog austenita, što smanjuje tvrdoću čelika. proizvoda i također pogoršava magnetske karakteristike. Za uklanjanje zaostalog austenita provodi se dodatno hlađenje dijela u području negativnih temperatura, do temperature ispod t.Mk (- 80 o C). Za to se obično koristi suhi led.
Ova obrada naziva se hladna obrada čelika.
Hladna obrada mora se provesti odmah nakon kaljenja kako bi se spriječila stabilizacija austenita. Povećanje tvrdoće nakon hladne obrade obično iznosi 1...4 HRC.
Nakon hladne obrade, čelik se podvrgava niskom popuštanju, jer hladna obrada ne smanjuje unutarnje naprezanja.
Hladnoj obradi podvrgavaju se dijelovi kugličnih ležajeva, precizni mehanizmi i mjerni instrumenti.
Ojačanje plastičnom deformacijom.
Glavna svrha metoda mehaničkog površinskog otvrdnjavanja je povećanje čvrstoće na zamor.
Metode mehaničkog otvrdnjavanja - otvrdnjavanje površinskog sloja do dubine od 0,2...0,4 mm.
Vrste uključuju pjeskarenje i obradu valjkom.
Sačmarenje je obrada površine gotovih dijelova sačmarenjem.
Izvodi se pomoću posebnih jedinica za pjeskarenje koje izbacuju čelične ili lijevane čestice na površinu dijelova koji se obrađuju. Promjer sačme – 0,2…4 mm. Udarci hica uzrokuju plastičnu deformaciju do dubine od 0,2...0,4 mm.
Koristi se za ojačavanje dijelova u utorima i izbočinama. Proizvodi kao što su opruge, opruge, karike lanca, gusjenice, košuljice, klipovi, zupčanici podvrgnuti su izlaganju.
Kod obrade s valjcima, deformacija se provodi pritiskom tvrdog metalnog valjka na površinu izratka.
Kada sile na valjku premaše granicu tečenja materijala koji se obrađuje, dolazi do otvrdnjavanja do potrebne dubine. Obrada poboljšava mikrogeometriju. Stvaranje zaostalih tlačnih naprezanja povećava granicu zamora i trajnost proizvoda.
Valjkasto valjanje koristi se kod obrade rukavaca osovine, žice, te kod kalibriranja cijevi i šipki.
Nije potrebna posebna oprema; mogu se koristiti strugovi ili blanjalice.
Datum objave: 2015-03-26; Očitano: 1735 | Stranica Kršenje autorskih prava | Naručite pisanje rada
web stranica - Studopedia.Org - 2014-2020. Studiopedia nije autor objavljenih materijala. Ali pruža besplatno korištenje(0,006 s) ...Onemogući adBlock!
vrlo potrebno
Uvod
1. Mehaničke metode površinskog očvršćivanja strojnih dijelova
1.1 Parametri stanja površinskog sloja strojnih dijelova
1.2 Strukturne nesavršenosti u pravim kristalima
2. Suvremene metode kaljenja metala
2.1 Ojačanje legiranjem
2.2 Ojačanje plastičnom deformacijom
2.3 Ojačanje toplinskim metodama
2.4 Površinsko otvrdnjavanje
2.5 Plazma površinsko kaljenje dijelova
2.6 Vakuumsko ionsko-plazma otvrdnjavanje, ionsko magnetronsko raspršivanje, ionsko legiranje
Zaključak
Bibliografija
Uvod
Jedan od najvažnijih pokazatelja koji određuje potražnju za projektiranim objektom je njegova kvaliteta. Osiguravanje potrebne kvalitete moguće je ispunjavanjem radnih zahtjeva za dijelove strojeva. Performanse i pouzdanost dijela osigurane su ispunjavanjem sljedećih osnovnih zahtjeva: čvrstoća, krutost i otpornost na različite utjecaje (trošenje, vibracije, temperatura itd.). Ispunjavanje zahtjeva čvrstoće pri statičkom, cikličkom i udarnom opterećenju treba isključiti mogućnost razaranja, kao i pojavu neprihvatljivih zaostalih deformacija. Zahtjevi krutosti za dio ili kontaktnu površinu svode se na ograničavanje deformacija koje nastaju pod utjecajem opterećenja koja umanjuju rad proizvoda, na sprječavanje gubitka opće stabilnosti za duge dijelove podvrgnute kompresiji i lokalne stabilnosti za tanke elemente . Mora se osigurati otpornost dijela na habanje, što značajno utječe na trajnost mehanizma. Dovoljno je da za svaki dio nisu ispunjeni svi gore navedeni zahtjevi, već samo oni koji se odnose na njegov rad.
1. Mehaničke metode površinskog očvršćivanja strojnih dijelova
Zahtjevi za stvaranjem trajnih strojeva mogu se zadovoljiti ne samo razvojem suvremenih konstrukcijskih rješenja i korištenjem novih materijala visoke čvrstoće, već i promjenom površinskog sloja strojnih dijelova. Proces koji osigurava stabilne pokazatelje kvalitete površine je površinska plastična deformacija koja se dijeli na glačanje i kaljenje.
1 Parametri stanja površinskog sloja strojnih dijelova
Površinski sloj dijela je sloj čija se struktura, faza i kemijski sastav razlikuju od osnovnog materijala od kojeg je dio izrađen.
Slika 1. Dijagram površinskog sloja dijela
U površinskom sloju mogu se razlikovati sljedeće glavne zone (slika 1):
Molekule i atomi organskih i anorganskih tvari adsorbiranih iz okoliša. Debljina sloja 1 0,001 mikrona;
Produkti kemijske interakcije metala s okolinom (obično oksidi). Debljina sloja 10 1 mikrona;
Granica debljine nekoliko međuatomskih udaljenosti, koja ima kristalnu i elektronsku strukturu različitu od one u masi;
S promijenjenim parametrima u odnosu na osnovni metal;
Sa strukturom, fazom i kemijskim sastavom koji nastaje tijekom proizvodnje dijela i mijenja se tijekom rada. Debljina i stanje ovih površinskih slojeva može varirati ovisno o sastavu materijala, načinu obrade i uvjetima rada. Ovo se stanje procjenjuje metodama kemijske, fizikalne i mehaničke analize. Raznolikost parametara stanja površinskog sloja i metoda za njihovu ocjenu ne dopušta nam identificirati jedan parametar koji određuje kvalitetu površinskog sloja. U praksi se stanje površinskog sloja ocjenjuje skupom pojedinačnih ili složenih svojstava kojima se ocjenjuje kvaliteta površinskog sloja.
Ovi parametri karakteriziraju:
Geometrijski parametri površinskih nepravilnosti;
Psihičko stanje;
Kemijski sastav;
Mehaničko stanje.
Geometrijski parametri površinskih nepravilnosti ocjenjuju se parametrima hrapavosti, pravilnih mikroreljefa i valovitosti. Površinska hrapavost je skup nepravilnosti s relativno malim koracima. Približan omjer visine nepravilnosti i nagiba manji je od 50. Površinska valovitost skup je nepravilnosti čiji je nagib veći od referentne duljine koja se koristi za mjerenje hrapavosti. Omjer visine i nagiba je veći od 50 i manji od 1000. Valovitost u Rusiji nije standardizirana, pa se za njezinu procjenu koriste parametri hrapavosti. Pravilni mikroreljefi su nepravilnosti koje su, za razliku od hrapavosti i valovitosti, identične po obliku, veličini i međusobnom položaju. Pravilni mikroreljef dobiva se rezanjem ili površinskom plastičnom deformacijom valjcima, kuglicama i dijamantima. Fizičko stanje površinskog sloja dijelova u tehnologiji kaljenja najčešće se karakterizira parametrima strukture i faznog sastava. Struktura je karakteristika metala, ovisno o metodama proučavanja njegove strukture.
Razlikuju se sljedeće vrste struktura:
Crystalline;
Podkonstrukcija;
mikrostruktura;
Makrostruktura.
Kristalna struktura. Metali su kristali s trodimenzionalnom periodičnošću. Osnova kristalne strukture je trodimenzionalna rešetka u kojoj se nalaze atomi. Ovisno o prirodi rasporeda atoma u kristalnoj rešetki, strukture čistih metala dijele se na više vrsta. U pravom metalu, kristalna struktura ima mnogo nedostataka, koji uvelike određuju njegova svojstva. Skup defekata rešetke i njihov prostorni raspored u kristalu naziva se substruktura. Ovdje kristali mogu tvoriti veće fragmente - kristalite, blokove, zrnca, fragmente, poligone. Veličina submikrozrna: 10-2÷10-5cm.
Mikrostruktura je struktura određena pomoću metalografskih mikroskopa. Ova nam analiza omogućuje određivanje prisutnosti, količine i oblika strukturnih komponenti legure. Veličina podzrna: 10-3÷10-4 cm..
Makrostruktura je struktura koja je vidljiva golim okom ili pri malom povećanju. Makroanalizom se određuju pukotine, nemetalni uključci, nečistoće i dr. Fizičko stanje karakteriziraju broj i koncentracija faza, raspodjela faza po površinskom sloju, volumen legure i dr. Proučavanje agregatno stanje provodi se eksperimentalnim metodama fizike čvrstog stanja: difrakcijskim i mikroskopskim. Kemijski sastav karakterizira elementarni sastav legure i faza, koncentracija elemenata u volumenu faza, legure itd. Istraživanja kemijskog sastava površinskog sloja omogućuju procjenu adsorpcije molekula i atoma organskih i anorganskih tvari iz okoliša, difuzijski procesi, oksidacijski procesi i drugi koji nastaju tijekom obrade metala.
Slika 2. Vrste kristalne strukture: a - tjelesno centrirana kubična; b - kubik usmjeren na lice; c - heksagonalno zbijeno
Mehaničko stanje metala određeno je sljedećim parametrima: - otpornost na deformaciju:
granica elastičnosti, granica proporcionalnosti, granica tečenja, vlačna čvrstoća, tvrdoća itd.;
plastičnost: relativno istezanje, relativno skupljanje, udarna čvrstoća i dr., utvrđuje se posebnim ispitivanjem uzoraka. .
Na primjer, tijekom procesa plastične deformacije, koja uvijek prati mehaničku obradu, mijenjaju se sve karakteristike mehaničkog stanja površinskog sloja: povećavaju se pokazatelji otpora deformaciji, a smanjuju pokazatelji plastičnosti.
Ova pojava se naziva otvrdnjavanje deformacijom.
U inženjerskoj praksi deformacijsko očvršćivanje površinskog sloja određuje se mjerenjem tvrdoće H ili mikrotvrdoće. Da biste to učinili, tvrdoća se mjeri na površini metala i unutar metala (pomoću jetkanja sloj po sloj). Kao rezultat, utvrđuju se debljina očvrsnutog sloja hH i stupanj deformacijskog otvrdnuća δn: δn = (Nobr-Nisk)/Nisk, gdje su Nobr i Nisk tvrdoća (mikrotvrdoća) metala nakon, odnosno prije obrade. . Važna karakteristika stanja površinskog sloja su zaostala naprezanja. Zaostala naprezanja su elastična naprezanja koja ostaju u dijelu nakon obrade.
Ovisno o volumenu tijela u kojem se izračunavaju zaostala naprezanja, konvencionalno se dijele na zaostala naprezanja:
prva vrsta, uravnotežena u makro volumenima tijela;
druga vrsta, uravnotežena unutar veličine zrna;
treće vrste, uravnotežen unutar nekoliko međuatomskih udaljenosti.
Ovisno o prirodi i intenzitetu fizičkih i mehaničkih procesa koji se odvijaju tijekom obrade, zaostala naprezanja mogu imati različit predznak:
(+) - istezanje;
(-) - kompresija.
Uvjet ravnoteže zahtijeva da u volumenu dijela zbroj projekcija svih sila bude jednak nuli. Dakle, u dijelu postoji područje s tlačnim i vlačnim zaostalim naprezanjima.
U inženjerskoj praksi zaostala naprezanja prve vrste obično se prikazuju u obliku projekcije na osi danog koordinatnog sustava. Na primjer, za tijelo rotacije koriste se koncepti aksijalnih σo x, obodnih (tangencijalnih) σo t i radijalnih σo r zaostalih naprezanja. Općenito, možemo reći da su zaostala naprezanja prve vrste rezultat nejednakih plastičnih deformacija različitih slojeva dijela (zakrivljenost dijela). Zaostala naprezanja imaju značajan utjecaj na čvrstoću i trajnost strojnih dijelova i konstrukcija.
Zaostala tlačna naprezanja koja nastaju u površinskom sloju povećavaju cikličku čvrstoću dijelova, jer oslobađaju površinske slojeve od naprezanja uzrokovanih opterećenjem i, obrnuto, vlačna zaostala naprezanja smanjuju čvrstoću dijelova zbog povećanja napetosti površinskog sloja.
1.2 Strukturne nesavršenosti u pravim kristalima
U skladu sa suvremenim pogledima na strukturu metala, značajna razlika u teoretskoj i fizičkoj čvrstoći objašnjava se prisutnošću strukturnih nesavršenosti (defekata) u kristalima. Strukturni nedostaci imaju značajan utjecaj na ojačavanje i uništavanje metala tijekom obrade. Strukturne nesavršenosti u kristalima nastaju kao rezultat kristalizacije metala, toplinske obrade, plastične deformacije itd.
Strukturne nesavršenosti (defekti) kristala dijele se u 4 skupine na temelju geometrijskih karakteristika:
Mjesto;
linearno;
Površina (ravna);
Volumetrijski.
Točkasti defekti po veličini su usporedivi s veličinom atoma. U čistim kristalima moguće su dvije vrste točkastih defekata (slika 3):
Slobodna radna mjesta;
Intersticijski atomi.
Prazna mjesta nastaju kada se atom ukloni s mjesta rešetke, a intersticijski atom nastaje kada se atom uvede u intersticijski prostor. Formiranje praznina i intersticijskih atoma je zbog činjenice da atomi koji osciliraju blizu ravnotežnog položaja mogu, pod utjecajem energije unesene izvana, napustiti ravnotežni položaj, tvoreći iza sebe prazninu (prazninu) u čvoru kristala. rešetku i, prema tome, intersticijski atom.
Slika 3. Točkasti defekti u ravnini jednostavne kubične rešetke: A - dislocirani atom; B - slobodna radna mjesta
Slika 4. Točkasti defekti u ravnini jednostavne kubične rešetke: ө - intersticijski atomi nečistoća; ● - supstitucijski atomi
Svi točkasti defekti stvaraju lokalna izobličenja kristalne rešetke, čime se povećava energija, koja ovisi o veličini unesenih atoma i udaljenosti između njih. Linearni defekti u kristalnoj rešetki imaju veličine bliske atomskim u dvije dimenzije i značajan opseg u trećoj.
kaljenje legiranje metala kaljenje
2. Suvremene metode kaljenja metala
.1 Ojačanje legiranjem
Formiranje povoljne strukture i pouzdan rad dijelova osigurava racionalno legiranje, pročišćavanje zrna i poboljšanu kvalitetu metala. Ojačanje tijekom legiranja raste proporcionalno koncentraciji legirajućeg elementa u čvrstoj otopini. Mora se imati na umu da različiti elementi legure imaju ograničenu topljivost u glavnim fazama legure i to ovisi o relativnoj razlici u atomskim polumjerima komponenata.
Stvaranje krutih otopina različitih vrsta (supstitucijske, intersticijske, uređene, nesređene itd.) nastaje kombinacijom različitih dislokacijskih tvorevina s različitim karakteristikama čvrstoće. Oplemenjivanje zrna provodi se legiranjem i toplinskom obradom. Najučinkovitije oplemenjivanje strukture postiže se visokotemperaturnom termomehaničkom obradom.
Uključuje plastičnu deformaciju austenita nakon čega slijedi transformacija u martenzit. Kao rezultat visokotemperaturne termomehaničke obrade, osigurana je najpovoljnija kombinacija visoke čvrstoće s povećanom duktilnošću, žilavošću i otpornošću na lom.
Ojačanje se povećava kako se povećava koncentracija otopljenog legirajućeg elementa i povećava se razlika u atomskim radijusima željeza i ovog elementa. Tvrdoću sporo ohlađenog ferita najviše povećavaju Si, Mn, Ni, tj. oni elementi koji imaju drugačiju kristalnu rešetku od Feα. Mo, V i Cr, čije su rešetke izomorfne Feα, imaju slabiji učinak. Povećanje čistoće legure postiže se metalurškim metodama uklanjanjem štetnih nečistoća sumpora, fosfora i plinovitih elemenata - kisika, vodika, dušika.
Kada se u čelik dodaju legirajući elementi, čija topljivost u željeznoj rešetki može varirati ovisno o temperaturi, opaža se učinak koji se naziva disperzijsko otvrdnjavanje. Za to je potrebno dobiti prezasićenu čvrstu otopinu s povećanom koncentracijom otopljenog elementa. Takva čvrsta otopina je neravnotežna i sklona je razgradnji. Proces razgradnje prezasićene krute otopine na sobnoj temperaturi naziva se prirodnim starenjem. .
Uz malo zagrijavanja - umjetno starenje. Tijekom starenja, višak elementa se oslobađa iz kristalne rešetke metala otapala u obliku sitnih čestica, koje se nazivaju disperzna faza. Disperzna faza, koja je jednoliko raspoređena u čvrstoj otopini, iskrivljuje kristalnu rešetku potonje i mijenja mehanička svojstva legure. Povećanje tvrdoće i čvrstoće uočava se samo kada se održava koherencija (kontinuitet) atomskih kristalnih rešetki disperzne faze i krute otopine.
Disperzijsko otvrdnjavanje povezano je s difuzijskim procesima i stoga trajanje starenja ima značajan utjecaj na učinak disperzijskog otvrdnjavanja. Disperzijsko otvrdnjavanje u složeno legiranom čeliku s više legirajućih elemenata često se očituje potpuno drugačije nego u čeliku s jednim legirajućim elementom. Dodatni legirajući elementi mogu povećati ili smanjiti topljivost glavnog elementa koji uzrokuje taložno stvrdnjavanje i time povećati ili smanjiti učinak stvrdnjavanja materijala. Disperzijsko kaljenje prati uobičajeni proces toplinske obrade čelika i ima značajan utjecaj na njegova svojstva.
Faze za ojačavanje u čelicima mogu biti karbidi, nitridi, intermetalni spojevi, kemijski spojevi itd.
2.2 Ojačanje plastičnom deformacijom
Kao rezultat hladne plastične deformacije mijenjaju se svojstva metala: povećavaju se čvrstoća i električni otpor, smanjuju se duktilnost, gustoća i otpornost na koroziju. Taj se fenomen naziva hladno otvrdnjavanje i može se koristiti za promjenu svojstava metalnih materijala. Svojstva hladno obrađenog metala mijenjaju se to jače što je veći stupanj deformacije. Metali se intenzivnije kale u početnom stadiju deformiranja, a s povećanjem deformacije mehanička se svojstva neznatno mijenjaju. Kako se stupanj deformacije povećava, granica razvlačenja raste brže od vlačne čvrstoće. Za jako hladno otvrdnute metale uspoređuju se obje karakteristike, a istezanje postaje jednako nuli. Ovo stanje očvrslog metala naziva se granično stanje; ako pokušate nastaviti s deformacijom, može doći do uništenja metala. Kao rezultat kaljenja, moguće je povećati tvrdoću i privremenu otpornost za 1,5 - 3 puta, a granicu tečenja za 3 - 7 puta. Metali s fcc rešetkom ojačavaju se jače od metala s bcc rešetkom. Među legurama s fcc rešetkom jače su ojačane one kod kojih je energija grešaka slaganja minimalna (austenitni čelik i nikal su intenzivno očvrsnuti, dok je aluminij samo malo ojačan).
Slika 5. Ovisnost mehaničkih svojstava o stupnju deformacije
Kaljenjem se smanjuje gustoća metala zbog poremećaja u rasporedu atoma, uz povećanje gustoće defekata i stvaranje mikropora. Smanjenje gustoće koristi se za povećanje trajnosti dijelova koji su tijekom rada podložni promjenjivim opterećenjima.
Najčešća metoda hladnog plastičnog površinskog deformiranja je sačmarenje. Sastoji se od udara čestica sačme na obrađenu površinu, ubrzanih u centrifugalnim ili pneumatskim uređajima za pjeskarenje. Za to se koristi čelična ili lijevano željezna sačma dimenzija 0,5 - 2,0 mm. Vrijeme obrade površine dijela ne prelazi 2 - 3 minute, a debljina površinskog sloja je u rasponu od 0,2 - 0,4 mm. U površinski očvrsnutom sloju povećava se gustoća defekata kristalne rešetke, a može se promijeniti oblik i orijentacija zrna. Tlačna naprezanja stvaraju se u površinskim slojevima, sprječavajući nastanak i razvoj pukotina.
Sačmarenje može biti učinkovito za čelike različitog sastava i nakon raznih toplinskih obrada (žarenje, normalizacija, kaljenje, poboljšanje, pougljičenje, itd.). Glavna svrha pjeskarenja je povećanje čvrstoće na zamor. Opruge, opruge, zupčanici, razne osovine itd. Podvrgnuti su ovom tretmanu. Posebno je učinkovito pjeskarenje dijelova s utorima, utorima, tragovima grube obrade i drugim koncentratorima naprezanja.
2.3 Ojačanje toplinskim metodama
Utjecaj temperature na različite materijale u svrhu promjene njihove strukture i svojstava najčešći je način otvrdnjavanja u suvremenoj tehnologiji. Taj se učinak može provoditi češće na pozitivnim temperaturama, rjeđe na negativnim temperaturama, a može se kombinirati s kemijskim, deformacijskim, magnetskim, električnim i drugim procesima.
Slijedeći klasifikaciju A.A. Bochvar, koji se temelji na vrstama faznih i strukturnih transformacija u metalu, razlikuje sljedeće vrste toplinske obrade:
stvarna toplinska obrada;
termomehanička obrada;
kemijsko-termička obrada
Sama toplinska obrada uključuje samo temperaturne učinke na metal ili leguru. Zbog prisutnosti alotropije odvijaju se kontrolirani strukturno-fazni procesi u čeliku koji osiguravaju potrebnu faznu i dislokacijsku strukturu. Termomehanička obrada (TMT) je kombinacija toplinskog djelovanja i plastične deformacije. TMT omogućuje postizanje veće čvrstoće i žilavosti-plastičnih svojstava čelika nego nakon konvencionalnog kaljenja i niskog popuštanja.
Pozitivni dodatni učinak tijekom TMT-a objašnjava se preliminarnim otvrdnjavanjem austenita tijekom plastične deformacije. Posljedice ovog otvrdnjavanja prenose se na martenzit u obliku dodatnih dislokacija koje nastaju tijekom otvrdnjavanja, a koje, kada se dodaju dislokacijama nastalim tijekom naknadne martenzitne transformacije, stvaraju gušću dislokacijsku strukturu.
Tako visoka gustoća dislokacija (do 1013 cm -2) ne dovodi do pojave pukotina tijekom kaljenja. Postoje dvije vrste termomehaničke obrade - visokotemperaturna (HTMT) i niskotemperaturna (LTMT). Tijekom HTMT austenit se deformira na temperaturi iznad linije AC3 do stupnja deformacije od 20-30%. Tijekom LTMT-a, austenit prehlađen na 400 - 600 0C se deformira, stupanj deformacije je 75-90%.
Kemijsko-toplinska obrada (CHT) je kombinacija kemijskih i toplinskih učinaka u cilju promjene sastava, strukture i svojstava površinskog sloja dijela u željenom smjeru. .
U ovom slučaju površinsko zasićenje metalnog materijala odgovarajućim elementom (C, N, B, Al, Cr, Si, Ti, itd.) događa se njegovom difuzijom u atomskom stanju iz vanjskog okoliša (krutina, plin, para, tekućina) na visokoj temperaturi.
Proces kemijsko-termičke obrade sastoji se od tri osnovne faze:
oslobađanje difuzijskog elementa u atomskom stanju zbog reakcija koje se odvijaju u vanjskom okruženju;
kontakt atoma difuzijskog elementa s površinom čeličnog proizvoda i njihovo prodiranje (otapanje) u željeznu rešetku (adsorpcija);
difuzija atoma saturirajućeg elementa duboko u metal.
2.4 Površinsko otvrdnjavanje
Od metoda površinskog otvrdnjavanja najviše se koriste površinsko otvrdnjavanje, laserska obrada i legiranje električnom iskrom. Kod površinskog stvrdnjavanja samo se gornji sloj stvrdne na određenu zadanu dubinu, dok jezgra proizvoda ostaje nestvrdnuta.
Glavna svrha površinskog kaljenja je povećanje tvrdoće, otpornosti na trošenje i granice izdržljivosti izratka. Jezgra proizvoda ostaje viskozna i apsorbira udarna opterećenja. Površinsko otvrdnjavanje provodi se pomoću nekoliko metoda: zagrijavanje visokofrekventnim strujama; grijanje.
Površinsko otvrdnjavanje provodi se pomoću nekoliko metoda:
grijanje visokofrekventnim strujama (HF);
grijanje plinskim plamenom.
Visokofrekventno otvrdnjavanje prvi je predložio V.P. Vologdin. Kod kaljenja ovom metodom čelični proizvod se postavlja unutar induktora u obliku spirale ili petlje.
Struja visoke frekvencije dovodi se od generatora do induktora. Tijekom prolaska struje kroz induktor u površinskim slojevima proizvoda, zbog indukcije, nastaje struja suprotnog smjera, zagrijavajući čelik. Zbog činjenice da je brzina zagrijavanja HDTV-a znatno veća od brzine zagrijavanja u peći, fazne transformacije u čeliku se događaju pri višim temperaturama i povećavaju se temperature zagrijavanja za kaljenje. Na primjer, kod visokofrekventnog zagrijavanja brzinom od 400 °C/s, temperatura otvrdnjavanja čelika 40 od 840...860 °C raste na 930...980 °C.
Nakon zagrijavanja visokofrekventnog čelika do temperature otvrdnjavanja proizvod se hladi vodom. Kaljenjem visokofrekventnom toplinom dobiva se visoko dispergirana struktura kristala martenzita, čime se postiže veća tvrdoća i čvrstoća čelika nego zagrijavanjem u peći.
Slika 6. Shema grijanja visokofrekventnim strujama: 1 - dio; 2 - induktor; 3 - magnetsko polje; I - smjer struje u induktoru; II - smjer struje u dijelu
2.5 Plazma površinsko kaljenje dijelova
Jedan od najperspektivnijih tretmana je plazma tehnologija, koja se intenzivno razvija i kod nas i u inostranstvu.
Upotreba niskotemperaturne plazme učinkovita je ne samo za taljenje metala i legura; prskanje premaza otpornih na habanje, toplinu i koroziju za rezanje i zavarivanje raznih materijala, ali i za površinsko kaljenje raznih proizvoda.
Površinsko otvrdnjavanje plazmom naširoko se koristi u maloj i pojedinačnoj (uključujući popravke) i velikoj i masovnoj proizvodnji. Njegova suština leži u toplinskim faznim i strukturnim transformacijama koje nastaju tijekom brzog koncentriranog zagrijavanja radne površine dijela mlazom plazme (luka) i odvođenja topline u materijal dijela.
2.6 Vakuumsko ionsko-plazma otvrdnjavanje, ionsko magnetronsko raspršivanje, ionsko legiranje
Vakuumsko ionsko-plazmansko otvrdnjavanje Među metodama nanošenja zaštitnih prevlaka koje se temelje na utjecaju visokoenergetskih tokova čestica i kvanta na površinu dijela, velika se pozornost pridaje vakuumskim ionsko-plazmanim metodama. Njihova je značajka izravna pretvorba električne energije u energiju tehnološkog djelovanja, temeljena na strukturno-faznim pretvorbama u kondenzatu taloženom na površini ili u samom površinskom sloju dijela smještenog u vakuumskoj komori.
Glavna prednost ovih metoda je mogućnost stvaranja vrlo visoke razine fizikalnih i mehaničkih svojstava materijala u tankim površinskim slojevima, nanošenjem gustih premaza od vatrostalnih kemijskih spojeva, kao i onih sličnih dijamantu, koji se ne mogu dobiti tradicionalnim metodama. . Osim toga, ove vam metode omogućuju:
Osigurajte visoku adheziju premaza na podlogu;
Dobiti jednoliku debljinu premaza na velikom području;
Mijenjati sastav premaza u širokom rasponu, unutar jednog tehnološkog ciklusa;
Ostvarite visoku čistoću površine;
Osigurati ekološku čistoću proizvodnog ciklusa.
Metode tehnologije vakuumske ionske plazme:
) Modifikacija površinskih slojeva:
Ionsko-difuzijska zasićenost; (ionsko nitriranje, karburiziranje, boriranje itd.);
Ionsko (plazma) nagrizanje (čišćenje);
Ionska implantacija (implementacija);
) Premaz:
Polimerizacija tinjajućim pražnjenjem;
taloženje iona (u sustavu triodnog raspršivanja, sustav raspršivanja diode, pomoću izboja šuplje katode);
Isparavanje električnim lukom;
Metoda ionskih klastera;
Katodno raspršivanje (DC, visoka frekvencija);
Kemijsko taloženje u plazmi tinjajućeg izboja.
Suvremene vakuumske ionsko-plazma metode kaljenja (modificiranja) površina strojnih dijelova uključuju sljedeće korake:
Generacija (formiranje) korpuskularnog toka tvari;
Aktivacija, ubrzanje i fokus;
Kondenzacija i prodiranje u površinu dijelova (podloge).
Isparavanje: prijelaz kondenzirane faze u paru nastaje kao rezultat opskrbe isparene tvari toplinskom energijom.
Zaključak
U tržišnom gospodarstvu jedan od važnih zadataka je osigurati kvalitetu strojnih dijelova i poboljšati njihove pokazatelje učinkovitosti. Ovi pokazatelji određeni su parametrima kvalitete površinskog sloja. Oko 70% razloga za kvar strojeva i mehanizama povezano je s trošenjem tarnih jedinica. Stoga je jedan od smjerova za osiguranje kvalitete strojeva povećanje otpornosti na habanje ovih dijelova, što se može postići uključivanjem razdoblja uhodavanja u fazi proizvodnje korištenjem odgovarajućih proizvodnih procesa. Trošenje ovisi o mnogim parametrima kvalitete površinskog sloja, stoga je važno znati kontrolirati kompleks tih parametara tijekom obrade, uključujući geometrijska, mehanička, fizikalna i kemijska strukturna svojstva. U proizvodnji strojnih dijelova naširoko se koriste različite metode površinskog otvrdnjavanja. Tehnologije površinskog otvrdnjavanja strojnih dijelova navedene u priručniku omogućuju postizanje potrebne kvalitete proizvoda i formiranje kod učenika sustavnog pristupa rješavanju gorućih problema povećanja trajnosti strojnih dijelova i sklopova.
Bibliografija
1. Znanstvene osnove znanosti o materijalima: Udžbenik za sveučilišta / B.N. Pastuhova. - M.: Izdavačka kuća MVTU im. N.E. Bauman, 2009. - 336 str.
Znanost o materijalima i tehnologija metala: Udžbenik / ur. G.P. Fetisova. - M.: Viša škola, 2008. - 640 str.
Metalurgija i tehnologija metala: Udžbenik. za sveučilišta /Yu.P. Solntsev, V.A. Veselov, V.P. Dementsova i drugi - M.: Metalurgija, 2011.-512 str.
Lakhtin Yu.M., Leontyeva V.P. Znanost o materijalima; Udžbenik za visoke škole - M.: Mashinostroenie, 2010. - 528 str.: ilustr.
Osnovno načelo povećanja čvrstoće metala i legura je stvaranje prepreka koje ometaju kretanje dislokacija. Ojačanje se postiže toplinskom obradom ili plastičnom deformacijom metala i legura zbog povećanja gustoće nedostataka (vidi sl. 1.16).
Toplinska obrada– proces toplinskog utjecaja na materijale radi namjerne promjene njihove strukture i svojstava.
Mogućnost ojačanja legura toplinskom obradom određena je transformacijama određene vrste koje se javljaju u legurama u čvrstom stanju. Ove transformacije mogu biti difuzijske i nedifuzijske.
Na transformacije bez difuzije atomi se kreću na vrlo kratkim udaljenostima, ne više od 1...2 perioda kristalne rešetke. Brzina transformacija je vrlo visoka i znatno premašuje brzine zagrijavanja i hlađenja legura tijekom toplinske obrade, pa je takve transformacije vrlo teško ili nemoguće kontrolirati ili regulirati. Primjer transformacije bez difuzije je polimorfna transformacija, na primjer, Fea ↔ Fe.
Na difuzijske transformacije atomi se kreću na značajnim udaljenostima (do nekoliko mm), transformacije se odvijaju sporo (na primjer, trajanje procesa nitriranja opisanog u nastavku doseže nekoliko dana). Stoga se stupanj ovih transformacija može prilagoditi tijekom toplinske obrade promjenom brzine zagrijavanja ili hlađenja, temperature ili vremena zadržavanja. Primjer difuzijske transformacije je djelomična razgradnja krute otopine, u kojoj se, kao rezultat smanjenja topljivosti jedne od komponenti s padom temperature, iz krute otopine oslobađa sekundarna faza (vidi 3.4. .4 i sl. 3.8).
Treba imati na umu da se obradaci koji imaju određeni oblik dobiven kao rezultat operacija oblikovanja (na primjer, rezanje) podvrgavaju obradi kaljenja. Da bi se olakšale takve operacije, metal mora imati dobra tehnološka svojstva - nisku tvrdoću i čvrstoću, to se postiže posebnim vrstama toplinske obrade.
Stvrdnjavanje toplinskom obradom
Rekristalizacija
Ova metoda otvrdnjavanja temelji se na transformacijama bez difuzije. Tijekom rekristalizacije, ojačanje legura postiže se usitnjavanjem zrna, koje se događa tijekom polimorfne transformacije (promjena tipa kristalne rešetke) tijekom zagrijavanja i hlađenja legure.
Razmotrimo proces rekristalizacije na primjeru legura sustava "Fe - Cr" (slika 3.14). Na dijagramu je α kruta otopina kroma u Fea; γ – kruta otopina kroma u Fe. Te se čvrste otopine razlikuju po tipu kristalne rešetke: a-kruta otopina ima kubičnu kristalnu rešetku usmjerenu na tijelo; γ-kruta otopina – kubna plošno centrirana. Rekristalizacija je moguća u legurama u kojima je koncentracija kroma ispod točke određene projekcijom A – A".
Razmotrimo transformacije koje se događaju tijekom zagrijavanja i hlađenja u jednoj od ovih legura. Prije otvrdnjavanja, struktura legure (obradak) sastoji se od velikih zrna α-krute otopine (Sl. 3.15, A).Čvrstoća legure u ovom stanju je mala, jer je duljina granica zrna, koje su prepreka kretanju dislokacija, mala. Kada se legura zagrijava, krupnozrnata struktura se zadržava do točke 1 – temperatura početka polimorfne transformacije (vidi sl. 3.14). Na temperaturama iznad točke 1
Riža. 3.14. Fragment faznog dijagrama "Fe – Cr"
Riža. 3.15.
A – V– grijanje; c – d – hlađenje
α-kruta otopina postaje nestabilna i duž granica njezinih zrna nastaje nova faza, γ, čija je veličina zrna znatno manja od zrna α-faze (sl. 3.15, 6). Daljnjim porastom temperature (do točke 2) povećava se količina γ-faze zbog stvaranja novih malih zrnaca. U točki 2 polimorfna α → γ transformacija završava, α-faza je potpuno zamijenjena γ-fazom, koja ima manja zrna (sl. 3.15, V). Grijanje iznad točke 2 (do točke 3) ne mijenja fazni sastav legure, ali dovodi do krupljenja zrna γ-faze. S tim u vezi, kada se provodi toplinska obrada, legura se zagrijava samo malo iznad točke 2 (za 30...50 °C), što jamči završetak α → γ transformacije, ali ne uzrokuje povećanje veličine zrna γ-krute otopine.
Nakon zagrijavanja na zadanu temperaturu i potrebnog vremena držanja legura se hladi. Hlađenje se provodi polagano kako bi se postigla ravnotežna struktura i smanjio stres koji nastaje tijekom faznih transformacija. Kad se ohladi do točke 2 obrnuta (γ → a) polimorfna transformacija počinje stvaranjem kristalita α-faze uzduž granica zrna γ-krute otopine, manjih od onih u početnoj γ-fazi (Sl. 3.15, G). Kad temperatura padne do točke 1 povećava se količina α-faze zbog pojave novih sitnih zrnaca. U točki 1 završava polimorfna transformacija, struktura legure, konačno nastala kao rezultat dvostruke rekristalizacije, sastoji se od malih zrna α-krute otopine (Sl. 3.15, l)).
Dakle, kao rezultat toplinske obrade, fazni sastav legure nije se promijenio, ali se njezina struktura promijenila - od krupnozrnate do sitnozrnate. Jedinstvenost ove metode otvrdnjavanja leži u činjenici da se kao rezultat usitnjavanja zrna povećava ne samo čvrstoća, već i duktilnost legure. Sve druge metode koje povećavaju čvrstoću legura istodobno smanjuju njihovu duktilnost.
Potpuna rekristalizacija, tj. α → γ i γ → α transformacije tijekom zagrijavanja odnosno hlađenja u cijelom volumenu moguće su samo u legurama s koncentracijom kroma ne većom od b"– točkasta projekcija b(vidi sliku 3.14). Legure koje leže u rasponu b" – A", nemoguće je ojačati u cijelom volumenu, jer tijekom zagrijavanja neće doći do potpune rekristalizacije; moguća je samo transformacija α → α + γ i, prema tome, samo djelomično ojačanje.
Osim razmatranog faznog dijagrama, ojačanje zbog polimorfne transformacije moguće je u legurama čiji je fazni dijagram prikazan na sl. 3.16. Ovdje su legure koje sadrže komponentu U prije F može se ojačati kroz cijeli volumen, ležeći u intervalu F D djelomično. Legure koje sadrže komponentu U više D nemoguće je ojačati, budući da se pri zagrijavanju njihova struktura ne mijenja sve dok ne počne topljenje.
Na svjetskom tržištu tehnologija očvršćivanja površine alata uvijek su bile najzastupljenije dvije metode: metoda kemijskog taloženja (Chemical Vapor Deposition - CVD) i metoda fizičkog taloženja prevlaka (Physical Vapor Deposition - PVD). U našoj su zemlji PVD metode za nanošenje zaštitnih premaza dobile sve veću industrijsku primjenu. Činjenica je da CVD tehnologije uključuju korištenje skupih kemijskih reagensa visoke čistoće (TiCl4, NH3 itd.) i precizne dozatore kemijskih prekursora, preciznu kontrolu proizvoda kemijske reakcije u radnoj komori itd. A nanošenje PVD premaza pomoću luka ili tinjajućeg izboja (magnetron) ima veću produktivnost i nije toliko osjetljivo na manja odstupanja u parametrima procesa.
Osim nanošenja premaza otpornih na habanje na površine alata, postoje još četiri skupine tehnologija za površinsko otvrdnjavanje reznih alata:
1. Metode mehaničkog otvrdnjavanja: vibracija, sačmarenje, eksplozija itd. Najčešće se koristi za kaljenje alata od brzoreznog čelika i tvrdih legura. Površinska plastična deformacija (SPD) – otvrdnjavanje površinskog sloja do dubine od 0,2-0,8 mm kako bi se u njemu stvorio zaostali tlačni napon. Kod hladnog otvrdnjavanja površinski sloj se izravnava. Istezanje površinskog sloja sprječava sila prianjanja na slojeve metala koji leže ispod. Kao rezultat toga, u očvrslom sloju nastaju dvoosna tlačna naprezanja, au debljini osnovnog metala nastaju neznatna reaktivna vlačna naprezanja. Dodano radnim vlačnim naprezanjima, zaostala tlačna naprezanja se smanjuju, a pri dovoljno velikim vrijednostima prva se kompenziraju. Višestruka izobličenja strukture koja se javljaju tijekom otvrdnjavanja (deformacija zrna, lokalna plastična škara) učinkovito inhibiraju razvoj oštećenja od zamora i proširuju područje postojanja pukotina koje se ne šire, čije povećanje uzrokuje postojanje destruktivnih naprezanja. Učinkovito je kaljenje naprezanjem, koje je kombinacija kaljenja preopterećenjem i kaljenjem. Ovom metodom dio se opterećuje opterećenjem istog naprezanja kao i radni, što uzrokuje elastične ili elastoplastične deformacije u materijalu. Nakon uklanjanja opterećenja u površinskom sloju nastaju zaostala tlačna naprezanja. Stvrdnuti sloj je osjetljiv na toplinu. Na temperaturama od 400-500 o C, učinak otvrdnjavanja potpuno nestaje, zbog procesa rekristalizacije koji se odvija na tim temperaturama, eliminirajući kristalno-strukturne promjene unesene otvrdnjavanjem. Glavne vrste površinskog otvrdnjavanja plastičnom deformacijom: pjeskarenje, valjanje, utiskivanje, dijamantsko glačanje.
Sačmarenje uključuje stvrdnjavanje površinskog sloja mlazom stvrdnutih kuglica (promjera 0,5-1,5 mm) koje stvara centrifugalna sačmarica. Kvaliteta površine tijekom ovog procesa je malo smanjena. Ravne površine se otvrdnjavaju kotrljajućim kuglicama montiranim u rotirajuću steznu glavu. Obratku se daje uzdužno i poprečno kretanje, s pravilno odabranim načinom valjanja, zaostala tlačna naprezanja u površinskom sloju su 600-1000 MPa. Dubina zbijanja sloja je 0,2-0,5 mm. Ovaj proces poboljšava kvalitetu površine dijela. Okretna površina se očvršćuje valjanjem u valjcima od kaljenog čelika. Sila pritiskanja valjka odabrana je na takav način da stvara naprezanja u površinskom sloju koja premašuju granicu tečenja materijala u uvjetima jednolike kompresije (za čelik 5000-6000 MPa). Kovanje se vrši udarcima s okruglom radnom površinom, koji se vibriraju pomoću pneumatskih uređaja. Frekvencija osciliranja i brzina rotacije obratka moraju biti usklađeni tako da se otvrdnute površine međusobno preklapaju.
Dijamantno glačanje sastoji se od obrade prethodno brušene i polirane površine zaobljenim dijamantnim glodalima (radijus 2-3 mm). Površinski sloj se zbija do dubine od 0,3-0,5 mm.
2. Metode kemijsko-termičke obrade (CHT) alatnih čelika: nitriranje, pougljičenje, karbonitracija, oksidacija, boridiranje u plinskim i tekućim medijima, pražnjenje u žarećem plinu (ionsko nitriranje). Visoka čvrstoća površine osigurana je izotermnim otvrdnjavanjem, kao i termomehaničkom obradom površine dijela. Tijekom površinskog otvrdnjavanja (kaljenje s plinskim plamenom) i kemijsko-termičke obrade (cementiranje) otvrdnjavanje je uglavnom posljedica pojave zaostalih tlačnih naprezanja u površinskom sloju zbog stvaranja struktura većeg specifičnog volumena (nitridi i karbonitridi tijekom nitrokarburizacije). i nitriranje) nego struktura osnovnog metala. Širenje površinskog sloja je inhibirano jezgrom, koja zadržava izvornu perlitnu strukturu, zbog čega nastaju dvoslojna tlačna naprezanja u površinskom sloju. U donjim slojevima razvijaju se reaktivna vlačna naprezanja, koja imaju malu vrijednost, zbog neznatnosti presjeka termički obrađenog sloja u odnosu na presjek jezgre. Stvaranje tlačnog prednaprezanja smanjuje prosječno naprezanje u tlačnom području, čime se povećava granica izdržljivosti. Kaljenje plinom povećava granicu izdržljivosti u usporedbi s izvornom neobrađenom čeličnom strukturom za 1,85 puta. Najučinkovitija metoda liječenja je nitriranje, koje gotovo u potpunosti eliminira vanjske pojačivače naprezanja. Nitriranje ne mijenja oblik i veličinu dijela. Nitrirani sloj ima povećanu otpornost na koroziju i toplinu. Tvrdoća i učinak ojačavanja održavaju se do temperatura od 500-600 o C. Optimalna debljina sloja zbijanja za pougljičavanje je 0,4-0,8 mm, pougljičavanje i nitriranje 0,3-0,5 mm, kaljenje zagrijavanjem i plinsko kaljenje 2-4 mm. mm. Kvaliteta površine je značajno poboljšana.
Električna iskra, magnetsko, ultrazvučno kaljenje. Ove metode se rijetko koriste za obradu alata za rezanje.
Fizikalno otvrdnjavanje: laserska obrada, ionska implantacija. Tehnologija ionske implantacije danas je jedna od najperspektivnijih u smislu stvaranja kompozitnih materijala s optimalnim skupom površinskih i volumetrijskih svojstava.
Ionska implantacija je proces u kojem se gotovo bilo koji element može uvesti u područje blizu površine bilo kojeg krutog tijela - cilj (supstrat) smješten u vakuumsku komoru, kroz vrstu iona velike brzine koji imaju energiju od nekoliko megaelektronvolti.
Ioni prodiru u materijal mete (supstrata) do dubine od 0,01 µm do 1 µm, gubeći energiju u procesu sudara s baznim atomima.
Može se izračunati profil (distribucija) koncentracije nečistoća po dubini za većinu kombinacija - implantirani atom - meta (supstrat). Za nisku dozu iona (mali broj iona po jedinici površine), dubinski profil distribucije koncentracije nečistoća obično se dobro opisuje Gaussovom distribucijom sa središtem u sredini područja širenja. Kao rezultat ionske implantacije nastaje površinski sloj legure promjenjivog sastava koji nema izraženu površinsku plohu karakterističnu za taloženi premaz.
Prednosti ionske implantacije kao metode modifikacije površine u usporedbi s drugim metodama površinskog otvrdnjavanja su:
Povećana topljivost u krutom stanju;
Neovisnost nastanka legure o difuzijskim konstantama;
Mogućnost brze promjene sastava legure;
Neovisnost o procesima koji se odvijaju u volumenu materijala;
Mogućnost procesa na niskim temperaturama;
Vrlo mala promjena u dimenzijama obratka;
Nema problema augezije, budući da nema izraženog sučelja;
Kontrolirana dubina distribucije koncentracije;
Čistoća usisavača;
Visoka upravljivost i ponovljivost.
Glavni nedostatak ionske implantacije je obrada samo onog dijela površine instrumenta koji se nalazi izravno u području djelovanja ionske zrake.
38. Opišite perspektive razvoja proizvodnje alata.
“Kako se zove naš predmet?! Izgledi za razvoj proizvodnje alata, a kakvi su? Nema izgleda” © Kryazhev Yu.A.
Stanje domaće proizvodnje alata, počevši od kraja prošlog stoljeća, okarakterizirano je kao dekadentno, izraženo u moralnom i fizičkom trošenju većine osnovnih proizvodnih sredstava, pogoršanju kvalitete, povećanom vremenu obrade i izrade, te povećanje razine nedostataka. Kao rezultat smanjenja proizvodnje alatnih proizvoda i pogoršanja njihove kvalitete, povećao se udio inozemnih dobavljača na domaćem tržištu, što je dovelo do naglog smanjenja količine narudžbi domaćih proizvođača.
Za smanjenje ovisnosti o uvozu i povećanje obujma izvezenih proizvoda potrebne su mjere za sveobuhvatnu rekonstrukciju proizvodnje alata, korištenjem inovativnih tehnologija alata za smanjenje troškova proizvodnje i postizanje konkurentske prednosti u odnosu na proizvode inozemnih dobavljača u vidu uštede vremena i resursa po jedinica proizvodnje.
Trenutačno je kapacitet ruskog tržišta tehnološkog alata veći od 357 milijuna dolara. Istovremeno, koncentracija proizvođača i potrošača alata je krajnje neujednačena; najveća koncentracija tvornica alata uočena je u središnjoj, Volgi i Uralu. regije. Osim toga, prema stručnjacima, danas tržište alata raste, što je prvenstveno zbog povećanja potražnje za tehnološkom opremom među poduzećima za izgradnju strojeva, vojno-industrijskog kompleksa i povećanja broja poduzeća koja se bave proizvodnjom i preprodaja tehnološke opreme. Međutim, postojeći proizvođači alata nemaju kapacitet zadovoljiti rastuću potražnju. Za izlazak iz ove situacije moguće je nekoliko opcija, uključujući:
Poticanje stvaranja novih poduzeća koja se bave proizvodnjom i prodajom alata koristeći tradicionalne tehnologije obrade metala: oblikovanje; metode obrade tokarenje, glodanje, brušenje i blanjanje;
Ažuriranje dugotrajne imovine instrumentalnih poduzeća, uključujući nabavu opreme za aditivne tehnologije.
Trendove razvoja metaloprerađivačke industrije karakterizira prelazak na automatizaciju cjelokupnog proizvodnog ciklusa proizvoda s idejnim projektiranjem trodimenzionalnih modela proizvoda u CAD i CAM sustavima. Korištenje CAD-a u kombinaciji s CAD sustavima omogućuje razvoj trodimenzionalnog modela proizvoda, njegovo brzo uređivanje i modificiranje. U kombinaciji s opremom koja omogućuje utjelovljenje dobivenih modela u metalu, plastici ili drugom materijalu, značajno se smanjuje vrijeme utrošeno na tehnološki proces proizvodnje proizvoda. Među opremom koja uključuje proizvodnju proizvoda na temelju računalnog modela mogu se razlikovati:
CNC glodalice: rezač se kreće duž tri osi (X, Y – horizontalna ravnina, Z – okomita) na temelju trajektorije dobivene iz trodimenzionalnog modela proizvoda u CAD, CAM sustavu. Neke instalacije za glodanje dodaju rotirajući stol, koji eliminira kretanje duž jedne od horizontalnih koordinata i ubrzava proces obrade;
5-osni obradni centri: značajna razlika između ove opreme i CNC glodalica je prisutnost dva dodatna stupnja slobode, što omogućuje rotacijsko kretanje vretena ili radnog stola oko dvije osi, što značajno proširuje mogućnosti opreme za obradu zakrivljenih površina ;
Strojevi za rezanje vodenim mlazom: dizajnirani za rezanje lisnog materijala mlazom tekućine koja sadrži abrazivne čestice pod pritiskom do 6000 atm, dok debljina metala koji se obrađuje može doseći 300 mm ili više;
Oprema za elektroerozijsko rezanje: proces obrade temelji se na fenomenu električne erozije - promjena dimenzija oblika i svojstava metala pod utjecajem električnih pražnjenja koje stvara generator električnih impulsa s temperaturom od 8000 do 12000. 0 C.
3D pisači temeljeni na FDM, LENS, DMD, SLS tehnologijama: proizvode volumetrijske proizvode od plastičnih (FDM) i metalnih materijala (LENS, DMD, SLS) nanošenjem materijala sloj po sloj na podlogu ili proizvod.
Industrijska oprema temeljena na aditivnim tehnologijama u kombinaciji s CNC-om obično se odlikuje višom cijenom u usporedbi s tradicionalnim sustavima glodanja, brušenja i drugim sustavima. Međutim, veći trošak opravdan je nizom prednosti i brzim rokovima povrata zbog dodatnih novčanih tokova zbog značajnog smanjenja vremena izvršenja narudžbi.
Prednosti ovog pristupa:
Smanjenje vremena proizvodnje gotovih proizvoda: korištenje 5-osnog obradnog centra i CNC glodalice dovodi do smanjenja vremena obrade za 1,5-2 puta, povećanja produktivnosti za 2-3 puta i smanjenja gubitaka materijala za 5-10%;
Povećanje čvrstoće i otpornosti proizvoda na habanje nanošenjem zaštitnog premaza uz mogućnost kombiniranja materijala (LENS, DMD tehnologije);
Sposobnost brze izrade ili simulacije kalupa za lijevanje sa složenim kanalima za pumpanje tekućine, povećavajući prijenos topline i karakteristike čvrstoće proizvoda;
Brza izmjena opreme za sitnu i komadnu proizvodnju;
Mogućnost brze izrade prototipa i niz drugih pozitivnih strana.
Stoga će organiziranje proizvodnog procesa u poduzećima koja proizvode alate na temelju aditivnih tehnologija u kombinaciji s CNC-om pružiti konkurentske prednosti u obliku povećane produktivnosti rada, smanjenih troškova ciklusa ispitivanja i proizvodnje gotovih proizvoda.
Svojstva aditivnih tehnologija omogućuju njihovu primjenu u raznim područjima (slika 1).
Riža. 1. Primjena proizvoda na bazi aditivnih tehnologija
Raširena uporaba aditivnih tehnologija u području proizvodnje alata pojednostavit će proces proizvodnje određenih vrsta proizvoda, eliminirajući određene vrste opreme.
Većina poduzeća koja proizvode tehnološku opremu fokusiraju se na proizvodnju serijskih proizvoda, ograničavajući asortiman proizvedenih proizvoda, što je zbog zahtjeva za smanjenjem troškova za organizaciju tehnološkog procesa serijske i masovne proizvodnje. Istodobno, korištenje opreme koja se temelji na aditivnim tehnologijama omogućuje učinkovito obavljanje rada na izradi prototipova, kao i rad na proizvodnji malih serija i pojedinačnih proizvoda.
Dakle, poduzeće koje je u proizvodnju uvelo nove metode u tehnologiji obrade metala ima prednost, jer praksa pokazuje da će većina asortimana planiranog za proizvodnju na novoj opremi biti proizvedena kako bi se zadovoljile narudžbe kupaca koje se često mijenjaju. Za to je potrebno osigurati određenu fleksibilnost, sposobnost brze preorijentacije na proizvodnju novog proizvoda i prilagodbe promjenjivim tržišnim uvjetima.
Stoga je daljnji razvoj, po našem mišljenju, prvenstveno povezan s prijelazom (uvođenjem inovacija u industriju i održivom komercijalizacijom) na najnovija dostignuća u području oblikovanja, kao što su: moderni 3D printeri, nove tehnologije i oprema za vodoprivredu. rezanje mlazom, lasersko - plazma rezanje itd.
Glavne metode kaljenja površine dijelova su kemijsko-toplinska obrada, površinsko kaljenje i deformacija površine u hladnom stanju (površinsko kaljenje).
Kemijsko-toplinska obrada sastoji se od zasićenja površine dijela nekim elementom, nakon čega slijedi toplinska obrada. Najčešće vrste kemijsko-termičke obrade su karburizacija (zasićenje površine ugljikom) i nitriranje (zasićenje površine dušikom).
Cementiranje provodi se kako bi se postigla visoka tvrdoća i otpornost na trošenje površine uz zadržavanje mekše i viskoznije jezgre dijela. Stoga se čelici s niskim udjelom ugljika (0,2% C) ili legirani čelici s niskim udjelom ugljika uvijek podvrgavaju karburizaciji. Najčešći dijelovi podvrgnuti karburizaciji su zupčanici.
Tvar koja opskrbljuje ugljik tijekom cementacije naziva se karburizator. Razlikuje se pougljičavanje u krutom rasugljivaču (koks ili drveni ugljen s dodatkom do 30% sode - Na 2 CO 3 ) i u plinskom pougljičivaču (CO).
Dijelovi se drže u karburizatoru 6 do 12 sati (ovisno o potrebnoj debljini negaziranog sloja 2-4 mm) na temperaturi od 900-950 0 (u austenitnom području). U tom se slučaju sadržaj ugljika u površinskim slojevima povećava na 1-1,2%.
Debljina nekarboniziranog sloja kontrolira se posebnim uzorkom za ispitivanje, koji se cementira zajedno s dijelovima.
Nakon karburizacije, dijelovi se podvrgavaju toplinskoj obradi prema jednoj od opcija prikazanih na slici 18. Najčešće koristim stvrdnjavanje sa
nizak odmor. Za kritične dijelove izrađena je opcija s dva kaljenja (prvo kaljenje od temperature 900 0 za pročišćavanje zrna i uklanjanje cementne mreže u površinskom sloju, drugo od 760-790 0 za postizanje optimalne površinske tvrdoće).
Nitriranje provodi se u atmosferi amonijaka, koji, razlažući se na temperaturi od 500-550 0, dovodi aktivni atomski dušik koji difundira u površinu dijela. Za razliku od karburizacije, visoka tvrdoća nitrirane površine ne postiže se zbog martenzita, već zbog vrlo tvrdih nitrida. Stoga se za nitriranje koriste srednje ugljični čelici koji sadrže jake nitridotvorne elemente (Al, Cr, Mo). Klasični čelik za nitrirane dijelove 38HMUA. Trajanje nitriranja je do 48 sati, debljina sloja je 0,2-0,5 mm.
Nitriranje je završna obrada gotovih dijelova; nakon nitriranja se ne provodi toplinska obrada.
Kao rezultat nitriranja postiže se visoka tvrdoća i otpornost površine na habanje, povećava se otpornost na pucanje pri izmjeničnim opterećenjima (čvrstoća na zamor) i otpornost na koroziju.
Površinsko otvrdnjavanje sastoji se od brzog zagrijavanja površine dijela do austenitnog stanja, nakon čega slijedi hlađenje u vodi. Kao rezultat toga, na površini se formira čvrsta martenzitna struktura, dok je unutra očuvana feritno-perlitna struktura s prilično visokom viskoznošću. Nakon površinskog otvrdnjavanja, dijelovi se slabo temperiraju ili se očvrslo stanje ostavlja bez kaljenja.
Srednje ugljični čelici (0,4-0,45% C) ili oni legirani za povećanje čvrstoće jezgre dijelova podvrgavaju se površinskom kaljenju. Takvom kaljenju podvrgavaju se zubi zupčanika, lančanici, rukavci vratila, glave tračnica itd.
Brzo zagrijavanje površine provodi se visokofrekventnim strujama (do 1 milijun Hz). Suština takvog zagrijavanja je da se visokofrekventna struja propušta kroz bakreni induktor (spiralna ili druga oblikovana cijev koja se iznutra hladi vodom). Oko induktora se pojavljuje izmjenično magnetsko polje. Dio koji se kali postavlja se u polje induktora i zbog površinskog efekta površina dijela se brzo zagrijava (obično za 10-15 sekundi). Što je veća frekvencija struje, veći je površinski učinak, kraće vrijeme zagrijavanja i manja dubina očvrsnutog sloja. Obično je 1-3 mm. Kada se površina zagrije na željenu temperaturu (850-900 0), dio se hladi uranjanjem u spremnik vode ili propuštanjem kroz poseban uređaj za tuširanje - raspršivač.
Slika 19 prikazuje poprečni presjek zuba zupčanika nakon karburizacije i nakon kaljenja visokofrekventnom toplinom. Vidi se da su svojstva kaljenog zupčanika poželjnija, ali je trošak kaljenja visokofrekventnim česticama znatno manji.
HDTV otvrdnjavanje ima niz pozitivnih osobina:
1. Visoke performanse;
2. Visoka kvaliteta otvrdnjavanja (nema rasta zrna, gotovo bez kamenca);
3. Vrlo male deformacije (smanjeni zazori kod strojne obrade i brušenja);
4. Ekonomično se troši električna energija, koja ide samo na grijanje dijela dijela;
5. Proces je pogodan za mehanizaciju i automatizaciju;
6. Poboljšani su uvjeti rada;
7. U mnogim slučajevima zamjenjuje skuplju operaciju cementiranja
U proizvodnji popravaka ponekad se koristi površinsko otvrdnjavanje zagrijavanjem plamenom plinskog plamenika. Međutim, takav je proces teško kontrolirati, a rezultat njegove primjene često je nepredvidiv.