Поверхневе зміцнення сталевих деталей

Конструкційна міцність часто залежить від стану матеріалу в поверхневих шарах деталі. Одним із способів поверхневого зміцнення сталевих деталей є поверхнева гарт.

В результаті поверхневого гарту збільшується твердість поверхневих шарів вироби з одночасним підвищенням опору стирання і межі витривалості.

Загальним для всіх видів поверхневої гарту є нагрів поверхневого шару деталі до температури гарту з подальшим швидким охолодженням. Ці способи розрізняються методами нагріву деталей. Товщина загартованого шару при поверхневому загартуванню визначається глибиною нагріву.

Найбільшого поширення мають електротермічна гарт з нагріванням виробів струмами високої частоти (ТВЧ) і газополум'яна гарт з нагріванням газово-кисневим або киснево-гасових полум'ям.

Загартування струмами високої частоти

В основу методу покладено наступне явище. Якщо в змінне магнітне поле, створюване провідником-індуктором, помістити металеву деталь, то в ній будуть індукувати вихрові струми, що викликають нагрівання металу. Чим більше частота струму, тим тонше виходить загартований шар.

Зазвичай використовуються машинні генератори з частотою 50 ... 15000 Гц і лампові генератори з частотою понад 10 6 Гц. Глибина загартованого шару - до 2 мм.

Індуктори виготовляються з мідних трубок, усередині яких циркулює вода, завдяки чому вони не нагріваються. Форма індуктора відповідає зовнішній формі вироби, при цьому необхідно сталість зазору між індуктором і поверхнею вироби.

Схема технологічного процесу загартування ТВЧ представлена ​​на малюнку 1.18

Малюнок 1.18- Схема технологічного процесу загартування ТВЧ

Після нагріву протягом 3 ... 5 з індуктора 2 деталь 1 швидко переміщається в спеціальну охолоджувальний пристрій - Спрейер 3, через отвори якого на нагріту поверхню розбризкується гартівна рідина.

Висока швидкість нагріву зміщує фазові перетворення в область більш високих температур. Температура гарту при нагріванні струмами високої частоти повинна бути вище, ніж при звичайному нагріванні.

Перед загартуванням ТВЧ виріб піддають нормалізації, а після гарту низькому відпуску при температурі 150 ... 200 o С (самоотпуск).

велика економічність, немає необхідності нагрівати весь виріб;

більш високі механічні властивості;

відсутність обезуглероживания і окислення поверхні деталі;

зниження шлюбу по викривленню і утворення гартівних тріщин;

можливість автоматизації процесу;

використання гарту ТВЧ дозволяє замінити леговані стали на більш дешеві вуглецеві;

дозволяє проводити загартування окремих ділянок деталі.

Основний недолік методу - висока вартість індукційних установок і індукторів.

Доцільно використовувати в серійному і масовому виробництві.

Нагрівання здійснюється ацетіленокіслородним, газокиснева або керосинокислородні полум'ям з температурою 3000 ... 3200 o С.

Метод застосовується для гарту великих виробів, що мають складну поверхню (косозубиє шестерні, черв'яки), для гарту сталевих і чавунних прокатних валків. Використовується в масовому і індивідуальному виробництві, а також при ремонтних роботах.

При нагріванні великих виробів пальника і охолоджуючі пристрої переміщаються уздовж вироби, або - навпаки.

складність регулювання глибини загартованого шару і температури нагріву (можливість перегріву).

Відпустка застосовується до сплавів, які піддані загартуванню з поліморфним перетворенням.

До матеріалів, підданих загартуванню без поліморфного перетворення, застосовується старіння.

Загартування без поліморфного перетворення - термічна обробка, яка фіксує при більш низькій температурі стан, властиве сплаву при більш високих температурах (пересичений твердий розчин).

Старіння - термічна обробка, при якій головним процесом є розпад пересиченого твердого розчину.

В результаті старіння відбувається зміна властивостей загартованих сплавів.

На відміну від відпустки, після старіння збільшуються міцність і твердість, і зменшується пластичність.

Старіння сплавів пов'язано зі змінною розчинністю надлишкової фази, а зміцнення при старінні відбувається в результаті дисперсійних виділень при розпаді пересиченого твердого розчину і виникають при цьому внутрішньої напруги.

У старіючих сплавах виділення з твердих розчинів зустрічаються в наступних основних формах:

равноосной (сферичної або кубічної);

Форма виділень визначається конкуруючими факторами: поверхневою енергією і енергією пружної деформації, які прагнуть до мінімуму.

Поверхнева енергія мінімальна для рівноосних виділень. Енергія пружних спотворень мінімальна для виділень у вигляді тонких пластин.

Основне призначення старіння - підвищення міцності і стабілізація властивостей.

Розрізняють старіння природне, штучне і після пластичної деформації.

Природним старінням називається мимовільне підвищення міцності і зменшення пластичності загартованого сплаву, що відбувається в процесі його витримки при нормальній температурі.

Нагрівання металу збільшує рухливість атомів, що прискорює процес.

Підвищення міцності в процесі витримки при підвищених температурах називається штучним старінням.

Межа міцності, межа плинності і твердість сплаву зі збільшенням тривалості старіння зростають, досягають максимуму і потім знижуються (явище перестаріванія)

При природному старінні перестаріванія не відбувається. З підвищенням температури стадія перестаріванія досягається раніше.

Якщо загартований сплав, який має структуру пересичені твердого розчину, піддати пластичної деформації, то також прискорюються процеси, що протікають при старінні - це деформаційне старіння.

Старіння охоплює всі процеси, що відбуваються в пересиченому твердому розчині: процеси, що готують виділення, і самі процеси виділення.

Для практики велике значення має інкубаційний період - час, протягом якого в загартованому сплаві відбуваються підготовчі процеси, коли зберігається висока пластичність. Це дозволяє проводити холодну деформацію після гарту.

Якщо при старінні відбуваються тільки процеси виділення, то явище називається дисперсійним твердением.

Після старіння підвищується міцність і знижується пластичність низьковуглецевих сталей в результаті дисперсних виділень в фериті цементиту третинного і нітридів.

Старіння є основним способом зміцнення алюмінієвих і мідних сплавів, а також багатьох жароміцних сплавів.

Обробка стали холодом

Обробку холодом необхідно проводити відразу після гарту, щоб не допустити стабілізації аустеніту. Збільшення твердості після обробки холодом зазвичай становить 1 ... 4 HRC.

Після обробки холодом сталь піддають низькому відпустки, так як обробка холодом не знижує внутрішніх напружень.

Обробці холодом піддають деталі шарикопідшипників, точних механізмів, вимірювальні інструменти.