Технологічні основи машинобудування (стр. 5 )

При динамічному засобі жорсткість Т-системи визначають при обробці на верстаті заготовки спеціальної форми, що дозволяє на різних ділянках обробки знімати різні за товщиною шари матеріалу, а це, в свою чергу, викликає різні сили обробки і, як наслідок, різні дійсні розміри оброблених поверхонь. Розрахувавши діючи сили обробки та визначивши за

результатами вимірів різницю дійсних розмірів поверхонь можна зробити розрахунок коефіцієнта жорсткості всієї Т-системи в цілому.

Недоліки в жорсткості елементів Т-системи призводять до похибок, як правило, форми і взаємного розміщення поверхонь, що підлягали обробці.

Наприклад, недостатня жорсткість заготовки при обробці в центрах приводить до появи бочкоподібності поверхні, а недостатня жорсткість передньої та задньої бабок – до сідлоподібності.

Досвідчений технолог повинен знати вплив різних складових сумарної похибки обробки на точність, а також знати засоби усунення чи зменшення їх впливу.

3.5 Шорсткість поверхні і методи її оцінки

Якість поверхні деталі машини визначається геометричними характеристиками і фізико-механічними властивостями поверхневого шару. Поверхню, що обмежує деталь і відокремлює її від навколишнього середовища, називають реальною поверхнею.

Номінальна поверхня - ідеальна поверхня, номінальна форма якої задана кресленням чи іншою технічною документацією.

Геометричні характеристики якості обробленої поверхні визначаються відхиленнями профілю реальної поверхні від номінальної. Ці відхилення можна підрозділити на три різновиди: шорсткість, хвилястість, відхилення від правильної геометричної форми.

Терміни і визначення щодо параметрів шорсткості поверхні встановлені ГОСТом .

Шорсткістю поверхні називають сукупність нерівностей поверхні з відносно малими кроками, виділених за допомогою базової довжини (рисунок 3.13 ).

 

Рисунок 3.13 - Елементи шорсткості поверхні

Базова довжина l - довжина базової лінії, яка використовується

для виділення нерівностей, що характеризують шорсткість поверхні.

Базова лінія (поверхня) - лінія (поверхня) заданої, геометричної форми, певним чином проведена щодо профілю (поверхні) і, що служить для оцінки геометричних параметрів поверхні.

Значення параметрів шорсткості поверхні визначаються від єдиної бази, за яку взята середня лінія m. Середня лінія m - базова лінія, що має форму номінального профілю і проведена так, що в межах базової довжини середньоквадратичне відхилення профілю до цієї лінії мінімальне (рисунок 3.13).

Шорсткість поверхні оцінюється на довжині L, що може містити одну чи декілька базових довжин (l).

Значення базової довжини вибирають з ряду : 0,01; 0,03;0,08; 0, 25; 0, 80; 2,5; 8; 25 мм.

Відхилення профілю - відстань між будь-якою точкою профілю і середньою лінією.

Параметри і характеристики шорсткості поверхні (рисунок 3.13) встановлені ГОСТом 2789-73.

Лінія виступів профілю - лінія, що є еквідистантою відносно середньої лінії і проходить через вищу точку профілю в межах базової довжини. Лінія западини профілю - лінія, що є еквідистантою відносно середньої лінії і проходить через нижчу точку профілю в межах базової довжини.

Встановлено шість параметрів шорсткості поверхні.

1 Rа- середнє арифметичне відхилення профілю - середнє арифметичне з абсолютних значень відхилень профілю в межах базової довжини

, (3.11)

де l - базова довжина, n - число обраних точок на базовій довжині.

2 Rz - висота нерівностей профілю за десятьма точками - сума середніх абсолютних значень висот п'яти найбільших виступів профілю і глибини п'яти найбільших западин у межах базової довжини

, (3.12)

де Урi - висота i-го найбільшого виступу профілю; Уvi - глибина i-ї найбільшої западини профілю.

3 Rmax - найбільша висота нерівностей профілю - відстань між лінією виступів профілю і лінією западин у межах базової довжини l.

4 Sm - середній крок нерівностей профілю - середнє значення кроку нерівностей профілю в межах базової довжини

, (3.13)

де n - число кроків у межах базової довжини l; Smi - крок нерівностей профілю, який дорівнює довжині відрізка середньої лінії, що обмежує нерівність профілю.

5 S - середній крок місцевих виступів профілю - середнє значення кроку місцевих виступів профілю в межах базової довжини

, (3.14)

де n - число кроків нерівностей по вершинах у межах базової довжини l; Si - крок нерівностей профілю по вершинах, який дорівнює довжині відрізка середньої лінії між проекціями на неї двох найвищих точок сусідніх місцевих виступів профілю.

6 tр- відносна опорна довжина профілю - відношення опорної довжини профілю hр до базової довжини l:

tр= hр /l. (3.15)

Опорна довжина профілю hр - сума довжин відрізків bi у межах базової довжини, що відтинаються на заданому рівні P в матеріалі профілю лінією, яка еквідистантна до середньої лінії m:

. (3.16)

Значення параметрів шорсткості поверхні Ra, Rz, Rmax, Sm, tp наведені в ГОСТі 2789-73. На практиці рекомендується використовувати значення параметрів Ra, тому що зразки для порівняння параметрів шорсткості поверхні виготовляють саме за цим параметром.

ГОСТ 2.309-73 встановлює позначення шорсткості поверхонь і правила нанесення їх на кресленнях виробів.

У позначенні шорсткості поверхні, вид обробки якої конструктор не встановлює, застосовують знак, зображений на рисунку 3.14. У позначенні шорсткості поверхні, що утворюється при видаленні шару матеріалу (гострінням, фрезеруванням, свердленням, шліфуванням, поліруванням, травленням і ін.), використовують знак, зображений на рисунку 3.15. У позначенні шорсткості поверхні, що утвориться без видалення шару матеріалу (литтям, куванням, об'ємним штампуванням, прокатом, волочінням і ін.), застосовують знак, зазначений на рисунку 3.16. Цей же

знак застосовують для позначення поверхонь, що не підлягають обробці, тобто залишаються в стані вихідної заготовки.

 

Рисунок 3.14 Рисунок 3.15 Рисунок 3.16

3.6 Вплив якості поверхні на експлуатаційні властивості деталей машин

Взаємозв'язок параметрів якості поверхні деталей і їхніх експлуатаційних властивостей є одним з основних напрямків досліджень в області машино - і приладобудування.

В даний час достатньо вивчені питання зв'язків якості обробленої поверхні з важливими експлуатаційними показниками деталей і вузлів машин і приладів (тертя і знос при ковзанні і коченні, рідинне тертя, контактна твердість, міцність пресових з'єднань, відбивна здатність, зносостійкість при змінних навантаженнях, корозійна стійкість і якість лакофарбових покрить, точність вимірів, співвідношення між допусками розміру і шорсткістю поверхні і т. ін.). Не усі фізико-хімічні властивості поверхневого шару впливають на експлуатаційні характеристики деталей машин; визначальними є його хімічний склад і будівля (мікроструктура).

Тертя і знос деталей у значній мірі пов'язані з макронерівностями, хвилястістю, мікронерівностями, а також з напрямком штрихів (слідів) обробки.

Характеристики макронерівності і хвилястості позначаються на розмірах тих ділянок, у яких є зони фактичного контакту, тобто визначають контурну площу торкання. Наявність хвиль приводить до зменшення опорної площі в 5-10 разів у порівнянні з рівною шорсткуватою поверхнею. Висота хвилястості Wz важливіше, ніж її крок Sw,, у зв'язку з тим, що перший параметр сильніше позначається на розмірі опорної площі і, як наслідок, на зносі (рисунок 3.17). Процес контактування поверхонь, що мають макронерівності, у значній мірі визначається формою і розмірами останніх. Для оцінки цього впливу варто враховувати не тільки граничні значення відхилень від правильної геометричної форми, але і взаємне розміщення і форму макронерівностей поверхонь деталей, що сполучаються між собою.

Рисунок 3.17- Вплив висоти Wz і кроку Sw хвилястості на знос

Рисунок 3.18- Вплив шорсткості поверхні на зносостійкість деталей машин:

а, б — схеми контакту сполучених деталей по утворюючій (уздовж осі) і по колу;

в — ідеалізований і фізичний контакт поверхонь;

г, д — типові графіки зносу в часі

При взаємному переміщенні площин, що контактують, (рисунок 3.18а) чи циліндричних (рисунок 3.18б) поверхонь, що мають макронерівності (шорсткість), на початку роботи відбуваються зріз, відламування і пластичне зрушення вершин нерівностей, тому що їх контакт відбувається по вершинах нерівностей. Залежність зносу від часу роботи тертьових поверхонь показана на графіках (рисунки 3.18 г, д). Спочатку порівняно швидко (ділянка I) за період часу T1 відбувається початкове зношування (припрацювання). При правильному режимі змащення (рисунок 3.18 в) зношування проходить повільно (ділянка II), що обумовлено утворенням рівноважної шорсткості. Цей період часу визначає термін служби деталі. Катастрофічне зношування пари характеризується ділянкою III.

На рисунку 3.18д крива 2 характеризує знос поверхонь з меншими початковими шорсткостями, ніж крива 1. У цьому випадку величина і час припрацювання зменшуються, а інтенсивність експлуатаційного зношування

залишається тією ж. Тривалість роботи тертьових пар у межах розміру А припустимого зношування буде різною. При меншій шорсткості сполучених поверхонь час роботи деталей буде більшим (Т2 >T1).

Під час початкового зношування (припрацювання) технологічний рельєф переходить в експлуатаційний (рисунок 3.19а). В результаті цього відбувається зміна розмірів і форми нерівностей, а також напрямків рисок від обробки.

Рисунок 3.19 - Перехід технологічного рельєфу в експлуатаційний

Фактична площа контактування поверхонь при цьому збільшується, тому що збільшується відносна опорна довжина профілю tр (крива опорної поверхні подана на рисунку 3.19б).

У процесі припрацювання висота нерівностей зменшується чи збільшується до деякого оптимального значення, різного для різних умов. Експериментально встановлено, що найменший знос має місце не при мінімальній шорсткості тертьових поверхонь, а при шорсткості, що має оптимальне значення Rопт, відхилення від якого ліворуч або праворуч призводить до збільшення зношування (рисунок 3.20, крива 1). У більш важких умовах роботи крива зносу 2 зміщується вправо і вгору, а точки оптимальної шорсткості - вправо у бік збільшення висоти нерівностей.

Рисунок 3.20- Залежність зносу від висоти нерівностей поверхні і

умов роботи

Збільшення висоти нерівностей у порівнянні з оптимальним значенням підвищує зношування за рахунок зростання механічного зчеплення,

сколювання і зрізу нерівностей. Зменшення висоти нерівностей у порівнянні з оптимальним значенням різко збільшує зношування за рахунок молекулярного зчеплення і заїдання поверхонь, чому сприяє видавлювання мастильного матеріалу і погане змащення ним дзеркально-чистих поверхонь. Тому поверхні, що підлягали шабруванню, краще притертих, оскільки вони мають поглиблення («кишені»), що утримують мастильний матеріал. Гарне утримання мастильного матеріалу забезпечується шаром пористого хрому, пористою структурою металокерамічних деталей, а також системою дрібних мастильноутримуючих каналів, одержуваних віброобкатуванням.

Оптимальна шорсткість характеризується висотою, кроком і формою нерівностей (радіусом западин, кутом нахилу нерівностей у напрямку руху й ін.). Параметри оптимальної шорсткості залежать від якості мастильного матеріалу й інших умов роботи тертьових поверхонь, їх конструкції і матеріалу. Діапазон Rопт,, як правило, дуже малий. Гостровершинні мікронерівності зношуються швидше плосковершинних (рисунок 3.21), тому що площа контакту у них менша.

Мікротвердість поверхневого шару впливає на зносостійкість. Попереднє деформаційне зміцнення (наклеп) металу цього шару зменшує зминання і стирання поверхонь за наявності їх поверхневого контакту. Наприклад, деформаційне зміцнення, що виникає в результаті обробки різанням, зменшує знос поверхонь у 1,5-2 рази. Позитивний вплив попереднього деформаційного зміцнення на зносостійкість деталей виявляється не тільки в умовах тертя з мастильним матеріалом, але й у такій же мірі виявляється і при сухому терті: зносостійкість збільшується в 1,5-2 рази і більше. Особливо сильний вплив деформаційного зміцнення на зносостійкість спостерігається для більш пластичних і порівняно м'яких сталей, для яких навіть незначне підвищення мікротвердості викликає істотне зниження зносу.

У період припрацювання тертьові поверхні не тільки здобувають оптимальну шорсткість, але і формують оптимальну мікротвердість металу поверхневого шару. Позитивний вплив деформаційного зміцнення на зносостійкість тертьових поверхонь виявляється тільки до визначеної величини. При високій мікротвердості в результаті «перенаклепу» знос зростає через відшаровування частинок металу. Тому зміцнення металу поверхневого шару в процесі обробки деталей при використанні спеціальних зміцнюючих операцій повинно проводитися при строго регламентованому значенні деформаційного зміцнення, щоб запобігти виникнення «перенаклепу».

Зношування значно зменшується при термічній і хіміко-термічній обробці деталей (поверхневому загартуванні, цементації, ціануванні, азотуванні, дифузійному хромуванні, боруванні, алітуванні, сіліціюванні й ін.), наплавленню і плазмовому напилюванні деталей твердими сплавами, а також при гальванічному нанесенні твердих покрить (хромуванні).

а) б)

Рисунок 3.21- Площа контакту в залежності від форми нерівностей:

а — гостровершинних; б — плосковершинних;

r, r' — радіуси вершин нерівностей, S — крок нерівностей

На зменшення зношування впливають твердість, структура і хімічний склад поверхневого шару. Наявність у шарі залишкових напруг стиску трохи зменшує зношування, а залишкових напруг розтягання - збільшує. Цей вплив більше виявляється при пружному контакті і менше при пружно-пластичному. Зношування змінює залишкові напруги в поверхневому шарі деталі. Міцність деталей також залежить від шорсткості поверхні. Руйнування деталі, особливо при змінних навантаженнях, більшою мірою викликається концентрацією напруг внаслідок наявності нерівностей. Чим менше шорсткість, тим менше можливість виникнення поверхневих тріщин від утомлюваності металу. Оздоблювальна обробка деталей (доведення, полірування і ін.) забезпечує значне підвищення межі їх міцності від утомленості.

Зменшення шорсткості поверхні значно підвищує антикорозійну стійкість деталей. Це має особливо важливе значення в тому випадку, коли для поверхонь не можуть бути використані захисні покриття (поверхні циліндрів двигунів та ін.).

Важливою геометричною характеристикою якості поверхні є спрямованість штрихів - слідів механічного й іншого видів обробки. Вона впливає на зносостійкість поверхні, визначеність посадок, міцність пресових з'єднань. У відповідальних випадках конструктор повинен обмовляти спрямованість слідів обробки на поверхні деталі. Це може виявитися необхідним, наприклад, у зв'язку з напрямком відносного ковзання сполучених деталей чи з напрямком руху по деталі струменя рідини чи газу.

Зношування зменшується і досягає мінімуму при збігу напрямку ковзання з напрямком нерівностей обох деталей.

Шорсткість і хвилястість поверхні взаємозалежні з точністю розмірів, тому що точність сполучення, встановлена й обумовлена розміром зазору в

з'єднанні, у значній мірі залежить від співвідношення висоти нерівностей і поля допуску (точності обробки) кожної з деталей, що сполучаються. Якщо врахувати, що в період початкового зношування висота нерівностей може зменшитися на 65-75 % (при більшій висоті, ніж при оптимальній шорсткості), то в з'єднанні з'явиться збільшений зазор, що може досягти значення допуску на виготовлення деталі, і точність з'єднання буде цілком порушена (наприклад, замість необхідного за кресленням з'єднання 6-го квалітета точності фактично виникає з'єднання 7-го чи 8-го квалітетів, замість посадки з натягом з'являться перехідні посадки і ін.). Для запобігання цьому у всіх відповідальних випадках сполучень, від яких потрібно тривале збереження встановленої конструктором точності, необхідно обробку деталей вести до досягнення оптимальної шорсткості тертьових поверхонь.

Високій точності завжди відповідають малі шорсткості і хвилястості поверхні. Це визначається не тільки умовами роботи сполучених деталей, але і необхідністю одержання надійних результатів виміру у виробництві. Зменшення шорсткості поверхні вносить додаткову визначеність у характер сполучення, тому що розмір зазору (чи натягу), отриманий у результаті контролю деталей, відрізняється від розміру ефективного зазору чи натягу, що має місце при складанні, а потім при експлуатації. Ефективний натяг при складанні зменшується, а зазор у процесі роботи механізму збільшується, причому тим більше і швидше, ніж більш грубо оброблені поверхні, що сполучаються.

Малу шорсткість поверхні часом необхідно використовувати і для додання гарного зовнішнього вигляду деталі чи для зручності підтримування поверхонь у чистоті при експлуатації.

3.7 Технологічні методи підвищення якості поверхонь

Для додання поверхням деталей спеціальних властивостей можуть застосовуватися різні технологічні методи, класифікація яких подана на рисунку 3.22. Широкі можливості і доцільність застосування цих методів визначаються не тільки умовами забезпечення високої продуктивності, але і створенням поверхонь з оптимальною несучою здатністю.

Якщо поверхня деталі піддається дії підвищених температур, агресивних середовищ, то великого значення набувають і інші фізико-хімічні характеристики поверхневого шару, наприклад, його хімічний склад і електродний потенціал. У цьому випадку треба впливати і на ці характеристики поверхневого шару, змінюючи їх у потрібному напрямку.

Для цього іноді варто змінити хімічний склад поверхневого шару чи створити на поверхні захисні металеві чи неметалеві шари.

 

Рисунок 3.22 – Класифікація методів підвищення якості поверхні

Спеціальні методи (рисунок 3.23) забезпечують в основному оптимальну мікрогеометрію поверхні.

Рисунок 3.23 – Спеціальні методи обробки

Вібраційне обкатування на відміну від розповсюджених методів обробки поверхонь має дві особливості: по-перше, мікрорельєф створюється не процесом різання, а за рахунок тиску (вдавлювання), що істотно впливає на форму нерівностей; по-друге, рисунок мікрорельєфу регламентується, тобто процес формування геометричних характеристик поверхні стає керованим.

При вібраційному обкатуванні на поверхні деталей утворюється регулярна, заданої форми система канавок (рисунок 3.24), що дозволяє оптимізувати ряд дуже важливих параметрів, наприклад, площу контакту деталей.

Застосування вібраційного обкатування дозволяє різко скоротити час припрацювання тертьових пар, підвищити їх зносостійкість і контактну твердість, істотно підвищити герметичність і зносостійкість ущільнень, тим самим підвищити показники надійності і термін служби машин. Так, наприклад, віброобкатування плоских поверхонь дозволяє отримати на поверхні (при відповідному призначенні режиму обробки) більше 100 точок на площі 25 х 25 мм замість 25—30 точок після шабрування. У результаті

контактна твердість підвищується в 2-3 рази, а зносостійкість - у 4 рази. Головні ідеї вібраційного обкатування були запропоновані професором .

а) б) в)

Рисунок 3.24 - Різні види мікрорельєфу, одержувані методом вібраційного обкатування

Застосування інструментів з алмазу і ельбору також дозволяє створювати поверхні з оптимальною мікрогеометрією. Наприклад, заміна шліфування абразивним інструментом на шліфування кругами з ельбору приводить до чотириразового зростання контактної твердості. Хонінгування алмазними брусками дозволяє в 1,5—2 рази збільшити опорну площу і радіуси заокруглення вершин в порівнянні з хонінгуванням абразивними брусками.

Електрофізичні й електрохімічні методи обробки дозволяють змінювати в потрібному напрямку фізико-механічні і хімічні властивості поверхневого шару деталей для підвищення зносостійкості і твердості, корозійної стійкості, жаростійкості і т. д. Ці процеси здійснюються практично без силового впливу, забезпечуючи мінімальну шорсткість поверхні з округленими вершинами нерівностей, що тим самим збільшує опорну поверхню.

Методи зміцнювальної обробки поверхонь (рисунок 3.25) в основному призначаються для поліпшення фізико-механічних властивостей поверхневого шару: підвищується твердість поверхневого шару, у ньому виникають деформаційне зміцнення і залишкові напруги стиску чи розтягання. При обробці ділянок концентрації напруг (галтелей і ін.) вплив цих напруг на міцність деталі зменшується. Деформаційне зміцнення і стискаючі залишкові напруги мають сприятливий вплив для підвищення межі витривалості, що збільшує довговічність деталей, особливо тих, що працюють при циклічних навантаженнях. Термін служби деталей, наприклад пружин, підвищується в 1,5-2 рази, а ресор у 10-12 разів. Недоліком дробоструминної обробки є неможливість одержання шорсткості поверхні на

м'яких матеріалах менше 10-5 мкм. Вона ефективна для деталей, що

працюють при температурі не вище 400 °С, тому що більш високі температури призводять до явища рекристалізації, яка усуває ефект зміцнення.

Чеканення застосовується для зміцнення галтелей східчастих валів, зварених швів, зубчастих коліс і інших деталей машин.

 

Рисунок 3.25 - Методи зміцнювальної обробки

Дробоструминне деформаційне зміцнення найбільшого поширення одержало для зміцнення робочих поверхонь деталей складної форми, у результаті чого в поверхневому шарі створюються значні стискаючі напруги, підвищується його твердість і усуваються дефекти попередньої механічної обробки у вигляді рисок і надривів, зменшується шорсткість грубо оброблених (вихідних) поверхонь.

Обкатування роликами і кульками застосовують для обробки і зміцнення деталей у тих випадках, коли одночасно з підвищенням міцності від утомленості деталей потрібно зберегти чи зменшити шорсткість поверхні. Обкатування роликами після чистової обробки лезовим інструментом зменшує висоту мікронерівностей у 2-3 рази і збільшує несучу поверхню. Наприклад, після обкатування обточених деталей зі сталі 45 роликами їх межа витривалості може бути підвищена у 2 рази.

Створення методом обкатування в поверхневому шарі значних і легко регульованих залишкових напруг стиску приводить до збільшення границі витривалості деталей.

За зміцнюючу обробку отворів застосовують їх розкочування роликами чи кульками, а також дорнування. При цьому збільшується не тільки міцність деталі, але і точність розміру отвору (процес калібрування) і одночасно зменшується шорсткість поверхні.

Обробка сталевими щітками — ефективний метод зміцнення поверхні деталі на глибину 0,04—0,06 мм. При обробці щітками середньої твердості висотні параметри вихідної шорсткості зменшуються в 2-4 рази.

Гідроабразивна обробка підвищує експлуатаційні властивості деталей машин створенням оптимальної мікрогеометрії поверхні і стискаючих залишкових напруг у тонкому поверхневому шарі. Однак мала глибина наклепу і труднощі щодо визначення товщини шару поверхні, що видаляється при гідроабразивній обробці, є недоліком при використанні методу в масовому виробництві.

Вигладжування алмазним інструментом застосовують для обробки сталей, кольорових металів і сплавів. Важливою перевагою вигладжування алмазним інструментом є більш сприятлива форма мікрорельєфу. Так, опорна поверхня при тій же шорсткості збільшується в 2-4 рази в порівнянні з опорною поверхнею, отриманою при операціях шліфування, полірування, суперфінішування і притирання. Іншою перевагою є відсутність зон вторинного загартування і вторинної відпустки, що характерно для обробки абразивним інструментом загартованої сталі, тому що алмаз має низький коефіцієнт тертя з високим коефіцієнтом теплопровідності.

Електромеханічна обробка (ЭМО) заснована на поєднанні термічного і силового впливу на поверхневий шар деталі і застосовується для обробки сталі і чавуна.

Електромеханічна обробка забезпечує створення поверхонь з опорною площею, що перевищує опорну площу після абразивного шліфування в 1,5-

2 рази, при збільшенні контактної твердості в 2-6 разів. Твердість окремих марок сталей підвищується в 4,5 разу в порівнянні з вихідною при глибині її поширення до 0,2-0,3 мм. Зносостійкість нормалізованих сталей після ЭМО підвищується в 4 -10 разів у порівнянні зі зносостійкістю після полірування чи шліфування.

ЭМО — ефективний спосіб обробки поверхонь чавунних деталей, при якому досягається Ra = 0,63-0,16 мкм, а глибина зміцненого шару до 0,8 мм при підвищенні мікротвердості в 1,5-2 рази.

Зміцнення вибухом приводить до збільшення твердості поверхні і, як наслідок, до підвищення зносостійкості при стиранні, до створення поверхневого шару зі стискаючими залишковими напругами, викликає підвищення границі витривалості, а можливість одержання наскрізного наклепу приводить до підвищення межі міцності і плинності, росту статичної міцності зварених з'єднаннь. Наприклад, зміцнення вибухом пустотілих валів, зварених з'єднань, замків робочих лопаток турбін і інших деталей, виготовлених зі сталей, алюмінієвих і жароміцних нікелевих сплавів, дало позитивні результати використання цього процесу.

Поверхневе загартування застосовується для зміцнення деталей зі середньовуглецевих і легованих сталей і чавунів. Глибину загартування призначають не менше 1,5-2 мм. Нагрівання може бути здійснено газовим пальником, струмами високої частоти (індукційне загартування) чи в електролітах. Найбільшого поширення одержало загартування з нагріванням струмами високої частоти (СВЧ), тому що воно дозволяє одержати рівномірну глибину загартованої зони і добре піддається автоматизації.

Внаслідок швидкого охолодження після нагрівання в поверхневому шарі утворюється мартенсит. В результаті цього створюються стискаючі залишкові напруги і різко збільшується твердість поверхні, а серцевина деталі залишається м'якою і пластичною. Таке поєднання властивостей серцевини і поверхневого шару різко збільшує витривалість (на 40-100 %) деталей, знижує чутливість до надрізів, підвищує зносостійкість деталей за рахунок високої твердості і відсутності зневуглецювання поверхні.

Хіміко-термічна обробка (ХТО) складається з насичення поверхневого шару деталі різними хімічними елементами і, як правило, супроводжується термічною обробкою. При даній обробці змінюється не тільки будівля (структура), але і хімічний склад поверхневого шару, що дозволяє більш ефективно керувати якістю поверхні, тим самим змінюючи експлуатаційні властивості деталей. В залежності від того, яким хімічним елементом виконується насичення, поверхневий шар деталі здобуває різні властивості: високу твердість, хімічну стійкість і ін. Важливою обставиною є виникнення в ньому після хіміко-термічної обробки залишкових напруг стиску. Найбільш поширеними є такі таки види ХТО.

Цементація — насичення поверхневого шару вуглецем — найбільш розповсюджений вид обробки для деталей з маловуглецевих сталей, що містять до 0,3 % вуглецю. Цементація застосовується при виготовленні шестерень, поршневих пальців, колінчастих валів, болтів і багатьох інших деталей. Цементовані поверхні піддають загартуванню.

Азотування — насичення поверхневого шару деталей азотом для підвищення твердості, зносостійкості, границі витривалості і корозійної стійкості. Зносостійкість азатованих деталей значно вище, ніж зносостійкість цементованих. Азотування застосовується для зміцнення гільз циліндрів, шестерень, колінчастих валів, деталей, що працюють в агресивних середовищах.

Ціанування і нітроцементація — одночасне насичення поверхні азотом або азотом і вуглецем. Нітроцементація має ряд переваг перед цементацією: більш висока зносостійкість і вище границя витривалості деталей.

Борування - насичення поверхні бором. Застосовується для збільшення зносостійкості і підвищення твердості поверхні, що у борованих деталей не знижується до температури °С. Таке сполучення властивостей дозволяє, наприклад, збільшити довговічність штампів.

Силіціювання— насичення поверхні кремнієм, підвищує корозійну стійкість деталей, не підвищуючи межу їх витривалості. Силіційований шар дуже погано обробляється механічно через його високу крихкість. Силіціюванню піддають графітові ущільнення для насосів.

Сульфідування і сульфоціанування - процеси насичення поверхневого шару сіркою або одночасно сіркою, вуглецем і азотом (сульфоціанування). Застосовуються для підвищення зносостійкості тертьових поверхонь у 1,5 -

5 разів, збільшуючи властивості проти задирки і опору металів схоплюванню. Застосовуються для обробки валиків, втулок, гайок, поршневих кілець і деяких різальних інструментів — мітчиків, довбачів і ін.

Останніми роками розвиваються методи комплексного термодифузійного насичення поверхонь деталей одночасно декількома елементами бороалітування, боросилікування, хромоалітування і ін. Останнє, наприклад, підвищило надійність і в декілька разів збільшило довговічність деталей турбін реактивних двигунів за рахунок підвищення жаростійкості в ерозійних умовах.

Наплавлення і напилювання металів з заданими властивостями застосовуються для підвищення твердості, зносостійкості, корозійної стійкості звичайних конструкційних матеріалів. При наплавленні в поверхневому шарі створюються, як правило, розтягуючі залишкові напруги, і межа витривалості деталей може бути знижена.

Електроіскрове легування - процес перенесення матеріалу на оброблювану поверхню іскровим електричним розрядом. З моменту появи цей спосіб привернув увагу технологів у зв'язку з такими специфічними особливостями:

- матеріал анода (легуючий матеріал) може утворювати на поверхні катода (поверхня, що підлягає легуванню) надзвичайно міцно зчеплений з поверхнею шар покриття. У цьому випадку не тільки відсутня границя розділу між нанесеним матеріалом і металом основи, але відбувається навіть дифузія елементів анода в катод;

- процес легування може відбуватися так, що матеріал анода не утворить покриття на поверхні катода, а за рахунок дифузії збагачує цю поверхню своїми складовими елементами;

- легування можна здійснювати в строго зазначених місцях (радіусом від часток міліметра і більше), не пошкоджуючи при цьому іншу поверхню деталі;

- технологія електроіскрового легування металевих поверхонь дуже проста, а необхідна апаратура малогабаритна і не складна в транспортуванні;

- при електроіскровому легуванні майже цілком відсутній термічний вплив на шари основного металу, розміщені безпосередньо під легованим шаром.

Таким чином, електроіскрове легування дозволяє змінювати в заданому напрямку фізико-хімічні і геометричні характеристики поверхневого шару для додання йому необхідних властивостей: підвищення зносостійкості чи підвищення твердості, підвищення міцності від утомленості, зменшення схильності до схоплювання поверхонь при терті, підвищення корозійної стійкості, жаростійкості, електропровідності й емісійних властивостей.

Технологічні методи підвищення корозійної стійкості поверхонь можуть бути класифіковані за трьома напрямками (рисунок 3.26).

 

Рисунок 3.26 - Методи підвищення стійкості поверхонь до корозії

Легування матеріалів - додавання в сплави спеціальних елементів, завдяки чому одержують корозійностійкі матеріали. Так, легування сталі хромом (близько 13 %) різко підвищує її електрохімічний потенціал за рахунок утворення на поверхні тонкої захисної плівки окислів. У результаті цього сталі в залежності від складу стають кислотостійкими, стійкими до корозії, жаростійкими (1Х13, Х18Н10 і ін.). Високу стійкість проти газової корозії сталі і деяких сплавів додають хром, алюміній і кремній.

Вибір спеціальних сплавів і умов їх термічної і механічної обробки, при яких не потрібно додаткового захисту від корозії. Наприклад, спеціальним режимом обробки різанням на поверхні сталевої деталі (сталь ЗОХГСА) можна створити структуру «мартенсит особливого роду», що має високу

корозійну стійкість, при цьому одночасно підвищується міцність від утомленості і зносостійкість.

Нанесення на поверхні різних покрить (металевих і неметалевих) є найбільш розповсюдженим напрямком і вміщує велику групу методів захисту поверхонь від впливу корозійного середовища (рисунок 3.27).

Розглянуті вище засоби формування поверхневого шару показують, що для відповідальних деталей конструктор повинен зазначати, крім одного чи декількох із шести параметрів шорсткості і напрямків нерівностей поверхні, додаткові вимоги щодо методу її остаточної обробки в залежності від специфіки середовища роботи деталі.

 

Рисунок 3.27 - Класифікація технологічних методів підвищення корозійної стійкості поверхонь деталей

Призначаючи, наприклад, операцію шліфування чи вимагаючи застосування методів зміцнюючої технології, конструктор тим самим, не нормуючи кількісно фізичні характеристики поверхні, передбачає в першому випадку можливість утворення дефектного шару, що супроводжує процес шліфування, або передбачає в другому випадку зміцнення поверхневого шару з утворенням у ньому наклепу і залишкових напруг.