Упрочнение деталей машин

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное Агентство Российской Федерации по Образованию

Брянский Государственный Технический Университет

Кафедра «Материаловедение и машиностроение»

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Материалы и упрочняющая обработка деталей в автомобилестроении»

Руководитель: Солдатов В.Г.

Студент Жарова Ю.С.

Брянск 2013

Содержание

Аннотация

Введение

1. Химико-термическая обработка

1.1 Фосфорирование

1.2 Хромомарганцирование

2. Упрочнение поверхностного слоя

2.1 Наплавка легированного металла

2.2 Алмазное выглаживание

Заключение

Список используемой литературы

Аннотация

Введение

Упрочнение деталей машин - одна из актуальных задач машиностроения. Большинство деталей машин работают в условиях изнашивания, кавитации, циклических нагрузок, коррозии при криогенных или высоких температурах, при которых максимальные напряжения возникают в поверхностных слоях металла, где сосредоточены основные концентраторы напряжения. Газотермическое напыление, наплавка, химико-термическая обработка повышают твёрдость, кавитационную и коррозионную стойкость и, создавая на поверхности благоприятные остаточные напряжения сжатия, увеличивают надёжность и долговечность деталей машин. При сохранении достаточно высокой пластичности, вязкости и трещиностойкости данные методы повышает надёжность и долговечность машин и понижает расход металла на их изготовление вследствие уменьшения сечения деталей. Для обоснованного выбора способа поверхностного упрочнения необходимо сравнить данные технологических возможностей известных способов упрочнения. Известны следующие основные виды упрочняющей обработки: -термоупрочняющая обработка;

-химико-термическая обработка (ХТО);

-нанесение упрочняющих покрытий;

- поверхностное пластическое деформирование (ППД.)

Под ХТО подразумевается процесс поверхностного насыщения стали различными элементами путем их диффузии из внешней среды при высокой температуре. Упрочнение металлов и сплавов, увеличение их стойкости к воздействиям агрессивных внешних факторов при нормальной и повышенной температурах является основной целью химико-термической обработки. Возможности методов отделочно-упрочняющей обработки по управлению ПКПС для повышения износостойкости поверхностей можно проследить по табл.1.

Табл 1. Возможности методов отделочно-упрочняющей обработки по управлению ПКПС для повышения износостойкости поверхностей.

1. Химико-термическая обработка

1.1 Фосфорирование

Процесс насыщения поверхности сталей фосфором исследован слабо. Между тем он не связан с серьезными технологическими препятствиями: фосфор имеет достаточное количество устойчивых соединений (например, фосфаты щелочных металлов), которые могут быть использованы в качестве активных сред. Особые свойства б-твердых растворов фосфора в железе учитывают при легировании автоматных сталей; фосфиды железа пока не нашли специального применения.

Фосфор по отношению к полиморфизму железа принадлежит к альфагенным элементам. Высшие фосфиды железа FеР и FеР₃ при насыщении не образуются. Низшие фосфиды железа практически не имеют интервалов гомогенности. Особенностью диаграммы состояния является существование метастабильной эвтектики Fе + Fe₂P с низкой температурой плавления --около 950°С, что представляет известные трудности при жидкостном фосфорировании.

Положительная особенность способа -- возможность применения высоких температур без опасности оплавления: оно не возникает благодаря порошкообразной консистенции смеси (отсутствию жидкой фазы) и низкому содержанию активного элемента. Качество поверхности образцов высокое.

Полученный слой представляет собой б-твердый раствор фосфора в железе толщиной >250 мкм с обычной структурой, т. е. столбчатыми зернами и ферритным структурно-связанным подслоем. . Повышение поверхностной микротвердости до 5500 МПа при фосфорировании, малозначительное для углеродистых сталей, можно использовать для получения износостойкого покрытия на аустенитных нержавеющих сталях.

Рис.1 Диаграмма состояния системы Fe-P в области низких содержаний фосфора

Возможно безэлектролизное насыщение в стеклообразных расплавах фосфатов с использованием химического восстанови геля -- порошкообразного карбида кремния (карборунда SiC). Восстановлению подвергают двух- и трехзамещенные фосфаты натрия.

При нагреве до 950°С применяемые соли не плавятся, в то же время насыщение выше 910--920°С нецелесообразно из-за опасности оплавления. Расплавления наводимой ванны достигали введением 15-20% NаС1 от массы ванны. Оптимальным является насыщение в ванне 80 - 85% (20% SiC + 80% Nа₃РO₄) + 15--20% NaCl при 910°С в течение 6-8 ч.

Насыщенные образцы имеют светлую, зеркально блестящую поверхность. Структура слоя -- столбчатые зерна стабильного феррита. Следует отметить, что если влияние легирующих элементов (в концентрациях, характерных для конструкционных сталей) ограничивается изменением толщины слоя в пределах ±25-30% от первоначальной, то влияние углерода очень сильно, и при 0,5--0,7% С слои фосфористого феррита получить нельзя.

При жидком фосфорировании в качестве фосфорсодержащих веществ используют фосфаты ванадия, хрома и меди. Восстановителем служил порошок силикокальция СК25, разжижающей добавкой NaCl. Установлено, что при применении фосфатов ванадия и меди в жидкой среде появляются насыщающие атомы фосфора, образующие на стали слой фосфористой б-фазы. Однако эти фосфаты очень нетехнологичны: при 950°С ванна полностью испаряется в течение 1- 1,5 ч.

Лучшие результаты получаются при использовании ванны на основе фосфата хрома, содержащей 25% СгР0₄, 15% СК25, 60% NаСl. При 940°С в течение 1,5 ч образуется слой высокофосфористого феррита с микротвердостью, изменяющейся по толщине (40 мкм) от 8500 до 4500 МПа.

Фосфорирование с образованием слоя б-фазы способствует некоторому повышению износостойкости, но менее значительному, чем при цементации. Другие свойства слоев этого типа не исследованы

С целью повышения износостойкости исследовано одновременное насыщение железа фосфором и бором безэлектролизным жидким методом. Использовали ванны двух составов: а) 50% Nа_эР0₄, 20% SiС, 30% буры; б) 85% (80% Nа_эР0₄ + 20% В₄С) + 15% NaС1. Температура процесса составляла 910°C длительность 6 ч.

Рис 2 Микрострукрура слоя на армко-железе после а) борофосфорирования б) электролизного фосфорирования

Слой состоит из трех зон: FеВ с некоторым количеством мелких пор, пористой зоны Fе₂В и толстой плотной зоны фосфористого феррита. Рентгено- структурный анализ показал наличие В слое также фазы FeзР.

Пористость боридной зоны и малая ее толщина (50-100 мкм) объясняются необходимостью транспорта железа наружу сквозь диффузионный барьер -- слой феррита. По этой же причине гемиборид более порист, чем моноборид.

Преимущество электролизного насыщения -- мощная восстанавливающая способность, что позволяет создать в слое значительно более высокие концентрации фосфора. Оптимальной ванной оказалась смесь из 30% NaCl + 70% Nа₃Р0₄.

1.2 Хромомарганцирование

Хромомарганцирование железоуглеродистых сплавов проводится с целью повышения поверхностной твердости и износостойкости в условиях трения скольжения, абразивного изнашивания и кавитации.

Хромомарганцирование сталей

Процесс ведут в порошковых смесях на основе ферромарганца (марганца) и феррохрома (хрома) с добавками А1₂О₃ и N₄Cl в контейнерах с плавками затворами. Хромомарганцированные изделия имеют серебристо белый цвет.

На армко-железе слой представляет собой твердый раствор хрома и марганца в железе переменной концентрации. Тип решетки твердого раствора определяется концентрацией в нем хрома и марганца. На средне- и высокоуглеродистых сталях слон состоит из карбидной зоны и зоны твердого раствора. Карбидная зона слоя, полученного в смесях, богатых хромом, представлена карбидами хрома Сг₂₃С₆ и Сг₇Сз, легированными марганцем и железом, а зона слоя, полученного в смесях, богатых марганцем, -- карбидом цементитного типа (Мп, Сг, Ре)_вС.

Хромомарганцирование обычно проводят в смесях с соотношением FeMn : FeCl = 1:2-2:3. Толщина получаемых при этом слоев определяется технологическими параметрами процесса насыщения.

Карбидная зона хромомарганцированного слоя отличается высокой микротвердостью Н50=13000-16000 МПа. В этом она несколько уступает карбидной зоне хромированных сталей, по превосходит карбидную зону марганцированных сталей.

Поверхностная микротвердость хромомарганцированного слоя армко-железа в зависимости от состава среды изменяется от 2500 до 5000 МПа. Карбидная зона хромомарганцированного слоя менее хрупка и прочнее связана с основным металлом, чем карбидная зона хромированного слоя. Хромомарганцирование в 2-3 раза повышает износостойкость средне- и высокоуглеродистых сталей, по сравнению с закаленными низкоотпущенным состоянием.

обработка сплав металл упрочняющий

Рис 3 Зависимость толщины слоя h на армко-железе (1) и стали 45 (2) от состава смеси.

Рис 4 Микроструктура слоя на стали 45 после хромомарганцирования.

Процесс ведут по тем же режимам и в тем по составу средах, что и хромомарганцирование сталей.

Рис 5 Микроструктура слоя на чугуне СЧ28-48 после хромомарганцирования.

Карбидный слой хромомарганцированых чугунов имеет высокую микротвердость (11000-17500Мпа в зависимости от состава насыщающего состава и режима насыщения). С увеличением длительности и температуры процесса твердость карбидной зоны повышается. Изменения содержания в смеси ферромарганца, окиси алюминия и хлористого аммония в исследованных пределах существенного влияния на твердость карбидной зоны не оказывает. Твердый раствор марганца и хрома в железе имеет микротвердость 5000-7000 Мпа.

2. Упрочнение поверхностного слоя

2.1 Наплавка легированного металла

Наплавку или напыление легирующими металлами выполняют для увеличения износостойкости, жаропрочности и эксплуатационной стойкости поверхностей деталей, работающих в условиях больших знакопеременных нагрузок, высоких температур и давлений, в абразивных и агрессивных средах, а также в целях замены дефицитных и дорогостоящих металлов. Углеродистые стали с содержанием углерода до 0,3-0,4% (мас. доля) применяют для наплавки деталей, подвергающихся незначительным абразивным воздействиям и усталостному износу в условиях трения скольжения и качения при работе в неагрессивных средах (валы, цапфы, ходовые колеса, опорные катки, ножи и т. п.). Углеродистые и низколегированные стали с содержанием углерода более 0,4% (мас. доля), а также стали, дополнительно легированные никелем, хромом, ниобием, вольфрамом, и другие используют для наплавки деталей, работающих в условиях интенсивных абразивных и абразивно-ударных воздействий в малоактивных коррозионных средах (ножи рубительных машин, гарнитуры размольных мельниц, бронзовые муфты и др.). Хромистые стали, характеризующиеся высокой прочностью и коррозионной стойкостью в ряде агрессивных сред, применяют для наплавки деталей, подвергающихся коррозионно-металлическому, коррозионно-абразивному, газо- и гидроабразивному, а также кавитационному изнашиванию. Хромоникелевыми аустенитными сталями с высокой стойкостью против коррозии и низкой твердостью наплавляют детали, работающие в агрессивных средах при небольших механических воздействиях (плунжеры, корпуса и крыльчатки насосов для перекачки жидкостей, не содержащих абразивных частиц, детали запорной и регулирующей арматуры и т. п.).Наплавку деталей, подвергающихся кавитационному абразивному изнашиванию в агрессивных средах, особенно в окислительных, выполняют высокохромистыми чугунами. На особо ответственные детали наплавляют никелевые и кобальтовые сплавы. Они хорошо противостоит изнашиванию в агрессивных средах даже при наличии абразивных воздействий. Наплавку производят сплошными проволочными или ленточными электродами, покрытыми обмазкой, либо в сварочную ванну дополнительно вводят специальные флюсы. Составы обмазок и флюсов содержат в себе легирующие примеси, количество которых регулируется в зависимости от требуемого состава и свойств наплавленного слоя металла. Наплавочные электроды могут быть спечены из металлических порошков и иметь форму проволоки, ленты или трубчатой проволоки.

Металл, наплавленный порошковыми спеченными электродами, более однороден, что объясняется более равномерным распределением легирующих элементов в объеме электродов. Детали, подлежащие наплавке, тщательно очищают от грязи, масла, продуктов коррозии и краски. Если технологическим процессом наплавки предусмотрен предварительный подогрев, то экономически целесообразно сочетать с ним очистительный отжиг, обеспечивающий быстрое выгорание масла не только с поверхности детали, но и из пор, раковин и трещин. После отжига оксиды, образовавшиеся на поверхности детали, удаляют металлической щеткой. Металл наплавляют на очищенную поверхность.

Канавки, пазы и отверстия на поверхности, которые необходимо сохранить, заделывают медными, графитовыми или угольными вставками. Не наплавляемые поверхности закрывают сухим или мокрым асбестом. На не наплавляемых переходных поверхностях и кромках делают фаски или канавки шириной не более 15-16 мм и глубиной не более 6-8 мм.

Рис 6 Формы разделок фасок под наплавку: а) открытая; б) закрытая

Рис 7 Формы, применяемые при наплавке ванным способом 1-графитовые разборные формы 2-наплавляемая деталь 3-наплавляемый металл

Детали из легированных конструкционных сталей, содержащих не более 0,3% углерода, перед наплавкой подогревают. Для небольших деталей достаточно подогреть только участок начала наплавки до температуры, устанавливаемой в зависимости от марок стали и электродов. Штампы для холодной листовой штамповки, холодной и горячей обрезки, наплавляемые электродами ЭН-60М, подогревают до 300-400 °С; молотовые и высадочные формообразующие штампы до 400-500 °С; прошивные, калибровочные пуансоны, матрицы прессования, наплавляемые электродами ОЗН-1, ОЗН-З, до 400-500 °С, а наплавляемые электродами УОНИ-13/85 до 300-400 °С. Все закаленные детали перед наплавкой необходимо подогревать. Чугунные детали наплавляют без подогрева.

Предварительный подогрев деталей проводят в печах или на установках ТВЧ в индукторах. Допускается местный подогрев газопламенными горелками. Рекомендации по предварительному нагреву наплавляемых деталей приведены далее.

Наплавку необходимо выполнять непрерывно, так, чтобы температура подогрева деталей не снижалась более чем на 100 °С. При необходимости допускается повторный общий или местный подогрев. Отдельные валики наплавляют рассредоточенно обратноступенчатым способом, или "горкой". Толщина многослойной наплавки может быть 3-12 мм. Число слоев зависит от марки применяемых электродов и равняется: 1-3 для ОЗН-1 или ОЗН-3; 1-5 для ОЗШ-1; 2-5 для ЭН-60М. Наплавку больших объемов металла проводят ванным способом на постоянных режимах тока с применением медных и графитовых форм, в результате чего значительно повышается качество наплавки, увеличивается ее производительность и уменьшается коробление детали.

Чугунные детали наплавляют рассредоточенно, медленно, не допуская перегрева. Многослойные наплавки (более трех слоев) для чугуна не рекомендуются. Лучшее качество наплавки получают при ширине валика, равной 2,5 диаметра электрода. Валики накладывают так, чтобы каждый последующий перекрывал предыдущий на 1/2-1/3 его ширины. Припуск на механическую обработку после наплавки должен составлять 2-3 мм. Необходимо следить, чтобы впадины между валиками находились выше линии обработки поверхности после наплавки.

2.2 Алмазное выглаживание

Эту операцию применяют для упрочнения изделий твердостью до 65 ИКС, а также вместо операции окончательного шлифования, полирования, доводки и суперфиниширования поверхности. Метод универсален и широко применяется для обработки стальных закаленных или термически неупрочненных деталей, с поверхностными покрытиями и без них, а также деталей из цветных металлов, их сплавов, высокопрочных чугунов. Выглаживание выполняют специальными инструментами - выглаживателями, оснащенными сфероидальными, трапециевидными или конусообразными деформирующими элементами, изготовленными из синтетических сверхтвердых материалов - карбонада, гексанита-Р, эльбора-Р и других материалов, реже - из природных алмазов или твердых сплавов.

В инструментальном производстве алмазное выглаживание используют при обработке колонок и направляющих втулок штампов для холодной штамповки, пуансонов, вкладышей пресс-форм, формообразующих поверхностей вытяжных штампов, зубьев круглых деформирующих, уплотняющих протяжек, прошивок, мерительных поверхностей и калибров-пробок. Износостойкость выглаженной поверхности увеличивается в 2-3 раза по сравнению со шлифованной и на 2040% по сравнению с полированной; износостойкость и контактная выносливость выглаженной хромированной поверхности на 35-50% выше полированной.

В качестве инструмента при алмазном выглаживании применяют державку, в которой закрепляют в оправе кристалл алмаза или синтетического сверхтвердого материала массой 0,5-1,0 карата. Алмазное выглаживание осуществляют, как правило, за один проход, так как увеличение числа проходов не изменяет существенно шероховатость поверхности упрочняемой детали.

Алмазное выглаживание сопровождается смятием гребешков микронеровностей и появлением наклепа на обрабатываемой поверхности вследствие скольжения по ней алмазного инструмента под определенным давлением. Поверхности, обработанные алмазным выглаживанием, обладают высокой износоустойчивостью при образовании пар трения и высокой усталостной прочностью. Особо важно значение этого процесса при изготовлении подвижных пар гидроуплотнений. В этом случае металлическая деталь гидроуплотнения не подвергается традиционной термической обработке для повышения твердости, поскольку необходимая твердость поверхности обеспечивается алмазным выглаживанием сырой заготовки.

Рабочая поверхность алмаза имеет форму полусферы и отличается высоким качеством. Жестко закрепленная в резцедержателе державка с алмазом при поперечном движении суппорта подводится к вращающейся детали. При дальнейшем движении суппорта в поперечном направлении создается небольшой натяг. Затем при равномерной продольной подаче суппорта алмаз перемещается вдоль обрабатываемой поверхности детали.

Усилие прижатия инструмента к детали также имеет большое значение. При усилии меньше оптимального микронеровности сглаживаются не полностью, а при большем поверхностный слой перенаклепывается и разрушается.

Алмазный инструмент представляет собой кристаллический алмаз, закрепленный в специальной державке и отшлифованный по сфере с радиусом 0,6--4,0 мм. Отклонения выглаживания в положении алмазного инструмента при выглаживании фиксируется индикаторной головкой. На точность обработки алмазное выглаживание влияет слабо. Шероховатость поверхности в результате процесса может снизиться на 2-3 класса с доведением ее до 0,16-0,025 мкм. На качество поверхности в основном влияют усилие выглаживания и подача. Микротвердость поверхности повышается на 50--60%.

Инструмент для выглаживания состоит из наконечника с алмазом и державки (Рис.8). Державка при работе крепится на суппорте станка или в пиноли задней бабки. Нагружающие механизмы державок имеют упругие элементы (пружины), обеспечивающие непрерывный контакт алмаза с обрабатываемой поверхностью и примерно одинаковое усилие выглаживания.

Рис 8 Наконечник для алмазного выглаживания

Скорость алмазного выглаживания принимается в зависимости от материала обрабатываемой заготовки. Так, для цветных сплавов и мягких сталей она принимается в пределах 10--80 м/мин, для закаленных сталей 200--250 м/мин. Алмазным выглаживанием обрабатывают заготовки из черных и цветных металлов, предварительно обработанных шлифованием, тонким точением и другими методами, обеспечивающими заданную точность. Из-за нестабильности качества выглаживанием не обрабатывают детали со значительными отклонениями формы в поперечном сечении или неравномерной твердостью поверхности. Выглаживание можно выполнять на универсальных и специальных станках. В процессе выглаживания поверхностей в месте контакта деформирующего элемента и обрабатываемой детали возникают значительные контактные напряжения. При определенном усилии выглаживания происходит пластическая деформация поверхностного слоя, в результате чего сминаются микронеровности и изменяются физико-механические свойства поверхностного слоя. Выглаживанием могут обрабатываться наружные и внутренние поверхности вращения (цилиндрической, сферической и другой формы), торцовые поверхности на токарных, карусельных, сверлильных, расточных и других станках. Алмаз обладает анизотропными свойствами, свойства его неодинаковы по различным кристаллографическим осям; это оказывает влияние, в частности, на износостойкость алмаза при выглаживании. Поэтому при креплении алмаза его ориентируют по риске, которую наносят на корпусе наконечника в направлении скорости. Риска определяет положение, при котором износ будет происходить в направлении наибольшей твердости алмаза.

Алмазное выглаживание проводится копирующим инструментом. Поэтому отклонения формы в продольном и поперечном сечениях изменяются незначительно, а размер детали (за счет смятия исходных микронеровностей) -- на 1-15 мкм. Точность обработки при этом может несколько снизиться.

В связи с этим целесообразно на предшествующем переходе обеспечивать точность размеров на 20--30% выше заданной для окончательно обработанной детали.

Качество обработанной поверхности существенно зависит от режимов выглаживания -- усилия выглаживания и подачи. Число проходов и скорость выглаживания влияют на шероховатость и микротвердость обработанной поверхности в меньшей степени. При правильно подобранных режимах выглаживания микронеровности на поверхности могут быть уменьшены в несколько раз (Ra = 0,1 ? 0,05 мкм), микротвердость увеличивается на 5--60% (глубина наклепанного слоя до 400 мкм). На выглаженной поверхности возникают значительные остаточные напряжения сжатия. Так, например, величина наибольших остаточных напряжений для образцов из стали 45 после нормализации равна 200--350 МПа, а после закалки - 700 - 1000 МПа.

Детали с поверхностью, обработанной алмазным выглаживанием, обладают хорошими эксплуатационными качествами: высокой износостойкостью и усталостной прочностью.

Заключение

В данной курсовой работе были рассмотрены методы ХТО, такие как фосфорирование и хромомарганцирование, а так же способы упрочнения поверхностного слоя наплавка легированного металла и алмазное выглаживание. Эти виды применяются для придания заготовке требуемых свойств. Фосфорирование помогает улучшить технологические свойства, такие как прочность, твердость. Возможно применение при высоких температурах. Хромомарганцирование железоуглеродистых сплавов проводится с целью повышения поверхностной твердости и износостойкости в условиях трения. Наплавку или напыление легирующими металлами выполняют для увеличения износостойкости, жаропрочности и эксплуатационной стойкости поверхностей деталей, работающих в условиях больших знакопеременных нагрузок, высоких температур и давлений, в абразивных и агрессивных средах, а также в целях замены дефицитных и дорогостоящих металлов. Алмазное выглаживание применяют для упрочнения готовых изделий.

Список используемой литературы

1. Борисенок Г.В. Химико-термическая обработка металлов и сплавов. Справочник/ Г.В. Борисенок, Л.А. Васильев, Л.Г. Ворошнин. - М.: Металлургия, 1981. - 243, 377 с.

2. Евдокимов В.Д., Клименко Л.П., Евдокимова А.Н. Технология упрочнения машиностроительных материалов, 2005. - 211, 260 с.

Размещено на Allbest.ru