Технологическое повышение долговечности изделий машиностроения

Работа добавлена на сайт samzan.net:

Глава 9

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ

Понятийное изучение данной главы позволит студентам получить знания для грамотного технико-экономически обоснованного использования технологических методов в повышении долговечности изделий машиностроения при работе на промышленных предприятиях. К таким методам относятся: обработка пластическим деформированием, ионная имплантация, азотирование, лазерная обработка, гальванические и химические покрытия, наплавка и напыление.

9.1. Обработка пластическим деформированием

Широкими возможностями в повышении долговечности изделий машиностроения обладает обработка пластическим деформированием. В зависимости от назначения методы пластического деформирования можно разделить на три класса (рис. 9.1):

1) отделочно-упрочняющая обработка поверхностным пластическим деформированием;

2) формообразующая обработка пластическим деформированием;

3) отделочно-упрочняющая обработка пластическим деформированием.

К первому классу относятся все методы обработки заготовок, связанные с пластическим деформированием только их поверхностных слоев и практически не изменяющие исходную точность размеров. Это накатывание, обкатывание, раскатывание, выглаживание, виброобработка, динамическое упрочнение, электромеханическая и комбинированная обработка различных поверхностей деталей машин. Причем, в зависимости от функционального назначения изделия, за счет изменения рабочего давления, обработку можно производить на отделочных, упрочняющих и промежуточных отделочно- упрочняющих режимах.

Отделочная обработка осуществляется при небольших рабочих давлениях р ≤ 1,5σt, и позволяет улучшить несущую способность исходной шероховатости поверхности (увеличить t10 с 1 - 2 % до 15 - 20 %). При этом особенно ярко проявляется технологическая наследственность. Упрочняющую обработку производят при р ≥σt,, при этом значительно повышается степень (Uн = 180 %) и глубина упрочнения.

Обработка на промежуточных отделочно-упрочняющих режимах (1,5σt  < р < 3σt,) позволяет улучшить несущую способность параметров шероховатости и волнистости и повысить исходную поверхностную микротвердость на небольшую глубину, т.е. комплексно повысить несущую способность поверхностного слоя (уменьшить комплексный параметр Сх в 10 - 20 раз).

Во втором классе предусмотрены методы обработки заготовок, формирующие форму и размеры отдельных их элементов пластическим деформированием (накатывание зубьев, шлицев, резьб, фасонных поверхностей). Дальнейшим их развитием является создание так называемых гладкорезьбовых соединений (резьбовая шпилька вворачивается в гладкое отверстие). Эта обработка осуществляется при р > 3σt, и ее можно применять для заготовок из материалов, обладающих достаточной пластичностью.

К третьему классу относятся методы, осуществляющие отделочно-упрочняющую обработку поверхности без изменения ее формы при пластическом деформировании практически всей заготовки (калибрование наружных и внутренних поверхностей вращения и дорнование). Дальнейшим развитием этих методов является одновременная обработка с запрессовкой. Достоинством этих методов обработки является то, что они наряду с улучшением состояния поверхностного слоя позволяют повысить точность размера.

Рис. 9.1. Классификация методов обработки заготовок пластическим деформированием

Все методы обработки заготовок пластическим деформированием имеют широкие возможности в управлении параметрами состояния поверхностного слоя деталей машин, а следовательно, и их эксплуатационными свойствами. Однако их применение для этих целей требует научно обоснованного подхода, так как каждый из этих методов имеет вполне определенные экономически целесообразные области применения приведенные в табл. 9.1.

Сущность методой обработки пластическим деформированием

Накатывание, обкатывание и раскатывание осуществляют специальным инструментом, рабочими элементами которого являются шарик (шарики) или ролик (ролики) от подшипников или специально изготовленные. При давлении рабочего элемента на обрабатываемую поверхность детали происходит ее локальное пластическое деформирование в месте контакта. Наличие различных вращательных и поступательных движений позволяет обрабатывать различные поверхности (плоские, цилиндрические, фасонные). Инструменты бывают упругими, когда сила, действующая на рабочий элемент, передается упруго (пружина, торсион), или жесткими, когда сила, действующая на рабочий элемент, передается жестко.

Обработку ведут на универсальных и специальных станках, станках с ЧПУ, полуавтоматах и автоматах.

Выглаживание производят инструментом, рабочим элементом которого является твердосплавной или алмазный индентор, скользящий по обрабатываемой поверхности. Этим методом можно обрабатывать все виды поверхностей от плоской до фасонной, так как и при выглаживании инструмент может быть упругим или жестким.

Виброобработка - это процесс накатывания, обкатывания, раскатывания шариком (шариками) или алмазное выглаживание при наличии дополнительного осциллирующего движения рабочего элемента параллельно обрабатываемой поверхности (рис. 9.2). Варьирование амплитуды и частоты осцилляций рабочего элемента, наряду с изменением других режимов обработки, позволяет создавать на поверхности различные регулярные микрорельефы или системы канавок (рис. 9.3). Систему канавок на обрабатываемой поверхности, как правило, создают при необходимости увеличения объема масла на поверхностях трения, склонных к схватыванию.

Динамическое упрочнение можно производить рабочими элементами в свободном состоянии или при их фиксированном положении. В качестве рабочих элементов при свободной обработке применяют дробь и шарики стальные или стеклянные, при фиксированном положении - шарики и ролики подшипников или специальные, в зависимости от обрабатываемой поверхности.

При свободной динамической обработке рабочие элементы направляются на обрабатываемую поверхность воздушной струей с помощью специальных устройств под действием центробежных сил или в вибробункерах. Фиксированное динамическое упрочнение осуществляют специальными инструментами центробежно-ударного действия. При этом рабочие элементы находятся на периферии вращающегося инструмента и удерживаются специальными сепараторами (рис. 9.4). Выбор рабочих элементов определенной массы, их взаимного расположения в сепараторе, диаметра инструмента и скорости его вращения позволяет обеспечить необходимое количество ударов, заданной силы на 1 мм2. Это позволяет в широких пределах надежно управлять качеством обрабатываемой поверхности. Данный метод применяют для обработки ППД всех поверхностей, в том числе и резьбы.

9.1 Область применения методов обработки заготовок пластическим деформированием

Улучшаемые эксплуатационные свойства

4

Плоские поверхности

Износостойкость, контактная жесткость

Износостойкость, контактная жесткость, внешний вид

Износостойкость, контактная жесткость, внешний вид

Износостойкость, коробление, усталостная прочность

Износостойкость,  усталостная прочность

Износостойкость, герметичность, контактная жесткость и прочность, фреттинг-стойкость

То же

Назначение

3

Отделка

Отделка

Отделка

Предварительная обработка

Упрочнение

Отделка, упрочнение

То же

Область применения

2

Прямолинейные направляющие и торцовые поверхности (направляющие тяжелых станков и металлургического оборудования, медные плиты кристаллизаторов установок непрерывной разливки стали)

Прямолинейные направляющие тяжелых станков и металлургического оборудования, накладные отделочные рейки в строительстве

Прямолинейные направляющие станков и оборудования, накладные отделочные планки в строительстве, торцовые поверхности дисков, подпятников

Направляющие станков и оборудования, рессоры

Прямолинейные и торцовые поверхности станков, оборудования, авиационной техники, рессоры и др.

Торцовые поверхности фланцев, распределителей и блоков гидромашнн, дисков компрессора ГТД, деталей запорной арматуры и др.

Прямолинейные направляющие качения станков и оборудования, торцовые рабочие поверхности фланцев, вырубных пуансонов, матриц, колец упорных конических подшипников

Метод обработки

1

Накатывание роликами и шариками

Обкатывание многошариковыми торцовыми жесткими и упругими головками

Вибронакатывание одно и многошариковыми головками

Дробеструйная

Инструментом центробежно-ударного действия

Алмазное выглаживание и вибровыглаживание

Электромеханическая роликами и многошарикоными и роликовыми торцовыми головками

Продолжение табл. 9.1

4

Износостойкость, герметичность, контактная жесткость

Износостойкость, внешний вид

Наружные поверхности вращения

Износостойкость, прочность посадок, усталостная прочность

Износостойкость, усталостная прочность

Износостойкость,  усталостная прочность, прочность посадок

Износостойкость, усталостная прочность

Износостойкость, усталостная прочность, контактная прочность

3

Отделка, упрочнение, калибрование

Отделка

Отделка, упрочнение

То же

То же

Отделка, упрочнение, калибрование

Упрочнение, калибрование

2

Кольцевые торцовые пазы

Прямолинейные направляющие станков и оборудования, платформы швейных машин и др,

Жесткие оси, валы гладкие и ступенчатые, штоки, шейки коленчатых валов судовых дизелей, вал дробящего конуса конусной дробилки, опасная зона штока штамповочного молота, рабочие поверхности осей вагонных и локомотивных колесных пар и др.

Маложесткие оси, валы и штоки (вытяжной инструмент, шток гидроамортизатора, вал ротора нагнетателя, ось центрифуги, шестерня привода, крестовина карданного вала, кулачковые валы)

Жесткие и маложесткие оси, валы, трубы и штоки гладкие и ступенчатые (торсионные и фланцевые валы автомобилей, штоки гидроцилиндров дорожных машин, оси колесных пар вагонов и локомотивов, трансмиссионные валы прокатных станов)

Нежесткие гладкие оси, валы, штоки и трубы, ось центрифуги

Нежесткие оси, штоки, валы гладкие и ступенчатые, длинные штоки гидроцилиндров

1

Формообразование обкатыванием жестким многороликовым обкатником

Комбинированная фрезами и накатками

Обкатывание однороликовым обкатником

Обкаты валие двухроликовым обкатником

Обкатывание трехроликовыми упругими обкатками

Обкатывание многошариковыми обкатниками

Обкатывание жесткими и дифференциальными много роликовыми обкатниками

Продолжение табл. 9.1

Улучшаемые эксплуатационные свойства

Износостойкость, фреттинг-стойкость, контактная и усталостная прочность

Износостойкость, контактная и усталостная прочность, внешний вид, отражательная способность

Износостойкость, контактная прочность, фреттинг-стойкость, внешний вид, отражательная способность

Износостойкость, коробление, усталостная прочность

Усталостная прочность

Назначение

Калибрование, упрочнение

Отделка, в том числе декоративная, упрочнение

Отделка, в том числе декоративная, упрочнение

Предварительная обработка, снятие остаточных напряжений

Отделка, упрочнение и снятие остаточных напряжений

Область применения

Небольшие маложесткие оси и валики

Оси, штоки, валы и трубы гладкие и ступенчатые (шток гидроцилиндра, прецизионные цилиндрические направляющие, плунжер, направляющая барабана видеомагнитофона, прокатные валки, каретка направляющая, калибр-пробка, поверхности валов под уплотнения, поршни, шарниры, вальцы и др.)

Маложесткие оси, валы, штоки и трубы гладкие и ступенчатые (штоки гидроцилиндров и амортизаторов, поверхности валов под уплотнения, золотники распределительных устройств, плунжеры гидросистем, кулачковый вал, поршневые кольца, поршни, прокатные валки, ролики подшипников качения, шаровые опоры и крестовины карданных валов, вал водяного насоса и ротора нагнетателя, шарнирные пальцы, пробки, штоки бурового насоса и др.)

Крупногабаритные оси и валы

Жесткие оси, валы гладкие и ступенчатые (крестовины, пальцы траков, штоки амортизаторов и оси шасси самолетов и вертолетов, крупногабаритные поршневые кольца)

Метод обработки

Обкатывание между роликами

Виброобкатывание

Алмазное выглаживание и вибровыглаживание

Дробеструйная

Инструментом центробежно-ударного действия

Продолжение табл. 9.1

4

Износостойкость

Износостойкость, усталостная прочность

Износостойкость, усталостная прочность  посадок

Внутренние поверхности вращения

Износостойкость

То же

Износостойкость,  герметичность

Износостойкость

То же

3

Отделка, упрочнение, калибрование

Упрочнение, калибровка

Отделка, упрочнение

Отделка, упрочнение

То же

Упрочнение, калибрование

Отделка

То же

2

Маложесткие оси, валы, трубы и штоки, штоки гидроцилиндров, поворотные кулаки автомобиля, вытяжные пуансоны, поршневые пальцы, опорные шейки валов под подшипники, крестовина, валики рессорных подвесок, втулки и пальцы траков, поршневые кольца

Малогабаритные цилиндрические детали (поршневые пальцы)

Оси, валы и штоки (поршни тормозного цилиндра и валов комбайнов, штоки гидроцилиндров, плунжер, оси колесных пар)

Для отверстий большого диаметра, малой и средней длины (втулки подшипников скольжения, корпус пневмопривода)

Для отверстий среднего диаметра и длины (цилинд¬ры поршневых насосов и гидрозажимов)

Для отверстий d > 20 мм средней длины (гидравлические цилиндры автопогрузчиков)

Для отверстий большого диаметра, средней и большой длины (станина, рабочей клети промывочного стана трубопрокатного агрегата)

Для отверстий среднего диаметра и неограниченной длины (гидроцилиндры, гильзы двигателей)

1

Электромеханическая

Формообразующая калибрующая

Комбинированная

Раскатывание одношариковым раскатным устройством

Раскатывание многошариковым раскатником упругого действия

Раскатывание много- шариковым жестким раскатником

Раскатывание однороликовым раскатным устройством

Раскатывание многороликовым раскатником упругого действия

Продолжение табл. 9.1

Улучшаемые эксплуатационные свойства

Износостойкость, герметичность

Износостойкость, прочность посадок

Износостойкость, контактная прочность

Износостойкость

Износостойкость, герметичность

Износостойкость, герметичность, прочность посадок

То же

Назначение

Отделка, упрочнение

Упрочнение, запрессовка, калибрование

Упрочнение, калибрование

То же

Отделка, упрочнение, калибрование

Упрочнение, запрессовка, калибрование

Отделка, упрочнение

Область применения

Для отверстий d > 20 мм и неограниченной длины (гидроцилиндры, гильзы)

Для тонкостенных втулок

Для отверстий малого диаметра и малой длины (отверстия проушни)

Для отверстий d< 100 мм и малой длины (/ < 50 мм) (втулки подшипников скольжения, поршневые пальцы. корпус распылителя, гильза плунжера, седло нагнетательного клапана)

Для отверстий d < 200 мм и неограниченной длины (гильзы гидроцилиндров, пневмоцилиндров и двигателей, втулки накатных роликов, вариаторов и траков, цилиндры грязевых насосов, амортизаторов, волноводы, несущая труба трактора К-70, крышка чугунного корпуса шприца и т.д.)

Для запрессованных втулок подшипников скольжения

Для отверстий различных диаметров и небольшой длины (втулки и вкладыши подшипников скольжения, крышка маслонасоса, шестерня промежуточная, крышка лабиринта корпуса подшипника, отверстие шатуна, передний гидроцилиндр, диск компрессора)

Метод обработки

Раскатывание многороликовым жестким раскатником

Раскатывание с запрессовкой

Калибрование шариками

Прошивка выглаживающими прошивками

Дорнование

Дорнование с запрессовкой

Алмазное выглаживание и вибровыглаживание

Продолжение табл. 9.1

4

То же

Износостойкость, контактная и  усталостная прочность

Износостойкость

То же

То же

То же

Фасонные поверхности

Износостойкость, усталостная прочность

Усталостная прочность

3

То же

Упрочнение

Отделка, упрочнение

Формообразование, отделка, упрочнение

То же

То же

Отделка, упрочнение

Упрочнение

2

Для отверстий d > 20 мм и неограниченной длины (гильзы двигателей МЧ12, ЗИЛ-130, M3-236, корпус пневмопривода, станок арматуры, втулки гидропередач, втулки шарнирных соединений)

Для отверстий d > 70 мм и неограниченной длины (барабаны, гидроцилиндры летательных аппаратов, втулки лонжеронов)

Для отверстий d> 50 мм и неограниченной длины (цилиндры двигателей внутреннего сгорания УД-2, гильзы гидроцилиндров, блок цилиндров автомобиля ГАЗ-51)

Для отверстий d < 200 мм и неограниченной длины (гидроцилиндры, волноводы втулки траков, цилиндровые гильзы и кольца, шестерни, звездочки, ступицы)

Для отверстий d> 50 мм и неограниченной длины (корпус редуктора, цилиндры, гидроцилиндры, отверстия под поворотный кулак)

Для отверстий d> 100 мм и неограниченной длины (гидроцилиндры)

Галтели г > 1 мм (валы, штоки, плунжеры, торсионы, оси колесных нар)

Галтели валов г > 2 мм (валы, плунжеры, лонжероны, ось шасси вертолетов и самолетов)

1

Виброраскатывание

Инструментом центробежно-ударного действия

Электромеханическое раскатывание

Комбинированная протяжками-дорнами

Комбинированная(растачивание + раскатывание)

Комбинированная ротационным инструментом

Обкатывание, выглаживание, ЭМО галтелей и сферических канавок

Дробеструйная пентробежно-ударная обработка галтелей и сферических поверхностей

Продолжение табл. 9.1

Улучшаемые эксплуатационные свойства

Износостойкость, контактная прочность Износостойкость, усталостная прочность

То же

То же

Износостойкость

Червяки и наружные резьбы

Износостойкость и уменьшение трения

Прочность

Назначение

Отделка, упрочнение Отделка, упрочнение, снятие остаточных напряжений

Упрочнение, отделка, формообразование

То же

То же

Отделка, упрочнение,

Упрочнение

Область применения

Сферические и фасонные поверхности тел вращения d > 10 мм и неограниченной длины (сфера шарнирного пальца и дифференциалы, сферическая опора гироскопов, стабилизаторов, пружины) Лопатки и сопла турбин, лопасти вертолетов, самолетов, траки

Сферические и фасонные поверхности вращения d > 50 мм и d < 80 мм

Детали типа тонкостенных втулок d < 200 мм и 1 < 100 мм

Шаровой палец, чашка дифференциала

Крупномодульные червяки

Червяки и наружная резьба авиационной техники

Метод обработки

Обкатывание, виброобкатывание, выглаживание, дробеструйная и центробежно-ударная обработка, ЭМО: сферических и фасонных поверхностей вращения Неосесимметричных фасонных поверхностей

Формообразующее обкатывание

Формообразующее раскатывание

Комбинированная обработка

Обкатывание и ЭМО роликом

Обдувка дробью и обработка инструментом центробежно-ударного действия

Продолжение табл. 9.1

4

Статическая, динамическая и усталостная прочность

То же

То же

Внутренние резьбы

Статическая, динамическая и усталостная прочность, износостойкость

То же

Зубья зубчатых колес

Усталостная прочность

Износостойкость, контактная  прочность

Износостойкость

Усталостная и контактная прочность

3

Формообразование, упрочнение

То же

То же

Калибрование, отделка, упрочнение

Формообразование, упрочнение, отделка

Упрочнение

Отделка, упрочнение

Отделка

Упрочнение, снятие остаточных напряжений

2

Мелкие резьбы на деталях d < 20 мм (шпильки, болты)

Резьбы шагом Р  <  2 мм на деталях с d > 10 мм и d < 20 мм

Резьбы шага Р < 2 мм на деталях d > 5 мм и неограниченной длины

Крупные резьбы и гайки ходовых механизмов

Отверстия d < 50 мм в деталях из алюминиевых, латунных и медных сплавов, титана, пластичных сталей, ковкого чугуна

Впадины зубьев тяжело нагруженных зубчатых колес

Боковые поверхности крупномодульных т > 3 мм зубчатых колес

Боковые поверхности мелко- и среднемодульных зубчатых колес

Впадины и боковые поверхности средне- и крупномодульных зубчатых колес

1

Формообразующее накатывание плоскими плашками

Формообразующее радиальное накатывание резьбовыми роликами

Формообразующее продольное накатывание резьб

Раскатывание резьб

Формообразующее раскатывание резьб раскатниками

Накатывание роликами

Обкатывание и ЭМО червячно-роликовыми обкатниками

Обкатывание и ЭМО червяками

Обдувка дробью и обработка инструментом центробежно-ударного действия

Продолжение табл. 9.1

Улучшаемые эксплуатационные свойства

Усталостная и контактная прочность, износостойкость То же

Шлицы

Усталостная прочность

То же

Статическая, динамическая и усталостная прочность, износостойкость

То же

Прочность соединения

Назначение

Формообразование, упрочнение То же

Упрочнение, снятие остаточных напряжений

Формообразование, упрочнение

Формообразование, упрочнение, отделка

То же

Сборка

Область применения

Для накатывания зубьев мелкомодульных зубчатых колес (т <3 мм) (цапфа трамвайного вагона) Для накатывания зубьев с  m >2 мм

Шлицевые валы авиационной техники

Шлицы небольших размеров

Отверстия с d > 50 мм в деталях из алюминиевых, медных и титановых сплавов

Отверстия с d < 50 мм и резьбой шагом Р > 1 мм в деталях из материалов с невысокой пластичностью

Шпильки с d < 20 мм и гладкие отверстия в деталях из алюминиевых и медных сплавов

Метод обработки

Формообразующее накатывание зубьев зубчатыми роликами: радиальное продольное

Обдувка дробью и обработка инструментом центробежно-ударного действия

Формообразующее накатывание шлицов

Формообразующее раскатывание резьб роликовыми резьбораскатными головками

Комбинированная обработка резьб

Сборка гладкорезьбовых соединений

Рис. 9.2 Схема выбронакатывания

 

Рис. 9.3. Различные профили поверхности после вибронакатывания:

а - сглаживание исходной шероховатости; б - формирование регулярного микрорельефа; в - нанесение системы масляных каналов

Рис. 9.4. Схема обработки центробежно-ударным инструментом:

1 - обрабатываемая деталь; 2 - инструмент центробежно-ударного действия; 3 - рабочие шарики; 4 – сепаратор

Электромеханическая обработка - это процесс накатывания, обкатывания, раскатывания, выглаживания с наложением электрического тока большой силы и низкого напряжения (рис. 9.5). Повышенное сопротивление в месте контакта рабочего элемента обрабатывающего инструмента и детали создает локальный нагрев и облегчает деформирование металла поверхностного слоя и его структурные изменения. При этом требуются значительно меньшие рабочие силы. Обработку производят на универсальных, специально оборудованных станках.

Комбинированная обработка совмещает резание и ППД. Это совмещение осуществляется с помощью специального комбинированного инструмента, объединяющего режущие и деформирующие рабочие элементы (рис. 9.6). Благодаря такому совмещению она переходит в разряд размерных обработок, так как позволяет повысить исходную точность.

Калибрование применяют для обработки наружных и внутренних поверхностей вращения заготовок; оно позволяет повысить исходную точность за счет объемных пластических деформаций материала. При небольших натягах пластические деформации могут носить локальный характер, т.е. распространяться только в поверхностном слое. Рабочим инструментом является шарик, деформирующая прошивка или пуансон, калибрующие фильтры или вогнутые эллипсообразные ролики. Процесс осуществляется на оборудовании для обработки давлением

Рис. 9.5. Схема ЭМО:

1 – обрабатываемая деталь; 2- рабочий ролик; 3 – трансформатор

Рис. 9.6. Комбинированный инструмент для обработки отверстия:

1 – режущий элемент (резец); 2 –деформирующий элемент (ролик)

Дорнование применяют для обработки различных отверстий, в том числе и шлицевых. Процесс дорнования заключается в том, что инструмент (дорн) определенной формы протягивается через обрабатываемое отверстие, имеющее меньшие размеры по сравнению с размерами дорна. При этом вследствие пластического деформирования диаметр отверстия увеличивается, поверхностный слой металла в отверстии упрочняется, а неровности поверхности сглаживаются. Причем, в зависимости от натяга пластические деформации могут носить локальный поверхностный характер или распространяться на весь объем заготовки, изменяя ее диаметральные и линейные размеры, Дорны могут быть комбинированными с режущими и деформирующими рабочими элементами. Для уменьшения трения при дорновании применяют различные смазочные материалы и СОЖ. Процесс осуществляется на протяжных станках,

Дорнование с запрессовкой осуществляется при натягах, обеспечивающих распространение пластического деформирования на весь объем запрессовываемой и обрабатываемой втулки. Это приводит к увеличению ее наружного диаметра, ликвидации зазора и созданию натяга в соединении для обеспечения требуемой прочности.

Накатывание зубьев модулем до 2 мм может осуществляться в холодном состоянии. Все основные схемы накатывания зубьев основаны на принципе обкатывания. Обработка может осуществляться одним или несколькими зубчатыми роликами при радиальной или осевой подачах. При этом может происходить накатывание с одновременным калиброванием. Кроме того, накатывать можно и зубчатыми рейками. Для этого используют специальные гидравлические зубонакатные станки, работающие в автоматическом режиме.

Накатывание зубьев роликами, как правило, осуществляют на универсальных токарных, револьверных, горизонтально-фрезерных, резьбонакатных и других станках с использованием специальных приспособлений. Схема накатывания зубьев двумя роликами с радиальной подачей приведена на рис. 9.7.

Рис. 9.7. Накатывание зубьев двумя накатными роликами с радиальной подачей:

1 – заготовка; 2 – накатные ролики; 3 – калибрующие ролики; 4 – ведомая шестерня;       5 – ведущая шестерня

Рис. 9.8. Продольное накатывание шлицев:

а – без деления; б – с маятниковым делением; в – с круговым делением;                              г – охватывающими роликами

Накатывание шлицев можно производить как методом обкатки (мелкие шлицы), так и методом копирования (средние и крупные шлицы) с продольным перемещением роликов относительно оси обрабатываемой заготовки (рис. 9.8). Такое продольное накатывание шлицев может осуществляться путем накатывания двух (или трех) противоположных впадин шлица или одновременного действия всех накатных роликов, образующих впадины всех шлицев (шлицы средних размеров). Накатывание может производиться за один или несколько рабочих ходов. Методом обкатки шлицы формообразуют плоскими и круглыми зубчатыми рейками, круглыми профильными роликами, червяками и т.д.

Шлицы накатывают на универсальных станках, прессах и специальных шлиценакатных станках.

Рис. 9.9. Накатывание резьб рейками:

1 – заготовка; 2 – резьбонакатные рейки

Накатывание и раскатывание резьб осуществляют методом пластического выдавливания материала заготовки, имеющей определенный диаметр, с помощью специального резьбового инструмента. Наружные резьбы накатывают резьбовыми рейками или роликами. Накатывание рейками (рис. 9.9) производят на специальных резьбонакатных станках, работающих в автоматическом режиме. Резьбу роликами (одним или несколькими) накатывают как на универсальных токарных стайках, так и на специальных резьбонакатных станках. Внутренние резьбы раскатывают, как правило, бесстружечными метчиками- раскатниками на обычных универсальных станках (токарных, токарно-револьверных, сверлильных, станках с ЧПУ, болторезных и резьбонарезных автоматах и др.).

Крупные резьбы в отверстиях деталей из малопластичных материалов можно обрабатывать комбинированными метчиками-раскатниками.

Формирование гладкорезьбовых соединений осуществляют путем вворачивания резьбовой шпильки в гладкое отверстие определенного диаметра. Пластически выдавливаемый материал заполняет впадины резьбы шпильки, формируя достаточно прочное резьбовое соединение. Для улучшения пластического течения материала и уменьшения момента ввинчивания, как правило, применяют шпильки специальной конструкции. Процесс осуществляют на универсальных токарных и сверлильных станках, станках с ЧПУ, а также с использованием шпильковертов (при малых диаметрах).

9.2. Ионная имплантация

В последние годы для повышения долговечности ряда деталей начинает применяться ионная имплантация.

Ионная имплантация заключается во внедрении в поверхность ионизированных атомов легирующего вещества, ускоренных электрическим полем до нужной энергии. При этом происходят процессы нарушения исходной структуры поверхности от создания в ней радиационных дефектов до распыления, а также процессы взаимодействия внедряемой примеси с атомами исходной кристаллической решетки от получения твердых растворов до образования химических соединений и выделения новых фаз.

Важнейшими параметрами ионной имплантации с прикладной точки зрения являются: распределение легирующей примеси и радиационных дефектов по глубине, максимально достижимая доза легирования, ограниченная распылением поверхности, состав и структура модифицированного поверхностного слоя.

При легировании ионами средних масс с энергией в сотни килоэлектронвольт максимум концентрации легирующей примеси находится на глубине в десятые доли микрометра. Высокоэнергетическая имплантация с энергией ионов в несколько мегаэлектронвольт обеспечивает легирование на глубину, исчисляемую микрометрами. Но при этом токи пучков не достигают высокой интенсивности (до 10 мА/см2) как при низкоэнергетической имплантации, что увеличивает время обработки.

Распыление поверхности изменяет гауссовый профиль распределения примеси по глубине на плитообразный с максимумом концентрации на поверхности. Распыление наиболее велико при имплантации низкоэнергетических ионов (около 10 кэВ;                          1 эВ = 1,6 ... 10-19 Дж) и при косом падении пучка на поверхность (под углом 70 ... 80°).

Ионную имплантацию можно использовать как способ изменения механических и химических свойств поверхности детали в нужном направлении. К ее преимуществам относится то, что имплантация приводит к образованию таких сплавов, которые невозможно получить в обычных условиях из-за ограниченной растворимости или диффузии компонентов. Состав получаемых сплавов управляем, причем объемные свойства материала не затрагиваются из-за малой глубины проникновения пучка ионов. Имплантация может быть финишной операцией технологической обработки, поскольку осуществляется в широком диапазоне температур, вплоть до отрицательных и без заметного изменения размеров детали. Чтобы время обработки было не слишком большим (до 30 с/см2), необходимо обеспечивать силу тока пучков примерно 1 мА. Так как не существует явно выраженной границы раздела между получаемым поверхностным сплавом и основным материалом, то явление адгезии не играет большой роли.

Имплантацией можно обеспечить нужный профиль залегания примеси по глубине, причем процесс является высокопроизводительным. Метод является вакуумно чистым и экологически безвредным. Основным недостатком ионной имплантации является высокая стоимость оборудования и отсутствие мощных источников среднеэнергетических ионов. Малая глубина проникновения ионов сужает область применения имплантации, однако во многих случаях действие имплантированных ионов распространяется гораздо глубже, чем первоначальное их проникновение.

Ионная имплантация и ее влияние на трение, изнашивание, твердость. Легкие атомы внедрения N, С, В обладают свойствами сегрегации к дислокациям, что блокирует движение последних и упрочняет поверхностный слой. Износостойкость при этом растет, а возникновение и развитие усталостных трещин ограничивается малой подвижностью дислокаций. Простое эквивалентное нарушение структуры, например, атомами Аr, не обладающими такими свойствами взаимодействия с дислокациями, как вышеуказанные атомы, не приводит к повышению износостойкости.

Влияние имплантации в условиях изнашивания при трении на слой, намного больший глубины проникновения ионов, объясняется увлечением их в глубь материала плотной сеткой дислокаций, постоянно возникающей под изнашиваемой поверхностью, а также диффузией вдоль линий леса дислокаций вследствие больших температурных градиентов, возникающих из-за локального разогрева микронеровностей. Коэффициент трения под действием ионной имплантации снижается также благодаря охрупченности мостиков сварки в контакте поверхностей из-за заторможенности движения дислокаций и более стойкой оксидной пленки, которая уменьшает адгезию.

Свойства азота способствовать переходу мартенсита в аустенит может привести к потере твердости аустенитных сталей при имплантации. Это было обнаружено при обработке заготовок из коррозионно-стойкой стали. Нестабильность образовавшихся при имплантации нитридов из-за высоких температур на режущих кромках делает неэффективной имплантацию азота для повышения износостойкости инструментальных сталей при обработке черных металлов.

Использование для повышения износостойкости малоуглеродистых сталей имплантации ионов титана оправдано при нагрузке Р меньше предела прочности на сжатие σсж, а твердых сталей при Р ≤ 1 ,56 σсж. Легирование азотом повышает износостойкость малоуглеродистых или отпущенных высокоуглеродистых сталей при Р ≤ 1,56 σсж. Особенно эффективна ионная имплантация азота в стали с содержанием хрома более 12 %.

В табл. 9.2 приведены примеры повышения износостойкости деталей машин ионной имплантацией.

9.2. Эффективность обработки деталей ионной имплантацией

Материал заготовки	Имплантируемые ионы и параметры имплантации	Оказанное влияние
1	2	3
Цементированная сталь	Доза имплантации 1016-1017 см-2 Кr+ Рb+ Sn+ Мо+ + 2S+	Испытание при трении с шариком из карбида вольфрама при давлении 10 МПа Не влияет на силу трения Сила трения возрастает Сила трения снижается в 2 раза Сила трения снижается значительно, причем образование дисульфида молибдена MoS2 (хорошего смазочного материала) не наблюдалось
Подшипниковая сталь	Большая доза имплантации Ti+ или Ti++ С+	Снижение коэффициента трения Увеличение износостойкости. Имплантированный титан захватывается углеродом и образует аморфную фазу Ti - С - Fe в поверхностном слое. Износ уменьшается, так как износостойкость такого квазитугоплавкого карбида в 6 - 7 раз превышает износостойкость мартенситной стали. Имплантация существенно удлиняет инкубационный период изнашивания
В+ или N+	Испытание по схеме палец (из той же стали) - диск показали, что положительного эффекта не обнаружено
Hf+	Предполагается положительное влияние из-за большей жаропрочности карбида гафния, чем жаропрочность карбида титана
Аг+ нли Fe+	Износостойкость возрастает
Среднеуглеродистая сталь с HV 230	N+ при дозе имплантации 1018 см '2 и напряжении 35кВ	Испытания по схеме палец- диск при смазывании уйат-спиритом. Снижение коэффициента износа по Арчарду от 5 до 10 раз при увеличении нагрузки на палец от 10 до 40 Н
С+, N+ или В+ при дозе имплантации 1017см-2	Эффективное снижение изнашивания, причем повышенной износостойкостью обладают слои, толщина которых в 2 - 3 раза больше длины пробега иона
Ne+ или Аr+	Создаются напряжения сжатия в поверхностном слое, хотя снижение изнашивания не происходит
Коррозионно-стойкая сталь	Большая доза имплантации ионов N+, В+, С+, Ti+, Ti++ S+ или Ti+ + В+ при напряжении 10 - 100 кВ	Трение со сталью того же класса в воде показало снижение износа в 10 - 100 раз. Микротвердость возрастает в 1,3 - 2 раза при имплантации В+, N+

Продолжение табл. 9.2

1	2	3
Сталь, содержащая: 0,35 % С, 0,82 % Ni, 0,72 % Сr, 0,2 % Мо, 0,73 % Мn, 0,2 % Si	N+ при напряжении 30 кВ и силе тока 80 мкА при дозе имплантации: менее 1017 см-2 2-1017 см-2                                             N+ при дозе имплантации 5∙1016 см-2 после Аr+ при дозе 2∙ 1017 см-2	Вибрационное трение без смазочного материала с цементированной сталью Износостойкость не изменилась Износ снизился до 3 раз. Обнаружено присутствие 20% имплантированных атомов азота в подповерхностном слое после удаления изношенного слоя толщиной 5 мкм, что на несколько порядков больше глубины имплантации Обнаружено незначительное снижение износа
Сплав Ti + 6 % Аl+4 % V с поверхностным слоем Sn 700 А     (1 А = 104 мкм)	При напряжении 150 кВ имплантировался N+	Коэффициент трения и износ снизились в 5 - 10 раз. Олово обнаружено на глубине 3 ... 5 мкм, хотя глубина проникновения ионов азота составляла доли микрометров. Обнаружена диффузия образующихся пар из имплантированных атомов азота и олова в ассоциации их с вакансиями, образовавшимися в результате бомбардировки. Имплантация отдельно ионами азота или олова не оказывает заметного влияния на фрикционные характеристики
ВТ18У	В+ при дозе 1017 см-2 + N+ при дозе 3∙1017 см-2, плотность тока 20 мкА/см2 при напряжении 40 кВ      В+ или N+ при дозе 3∙1017см-2	Испытания на усталостную долговечность при амплитуде напряжения 370 МПа и частоте 3300 Гц. Долговечность возрастает в 4 раза Долговечность возрастает в 8 раз
Низкоуглеродистая сталь, закаленная и отпущенная	N+ при дозе имплантации 1017 см-2 и напряжении     40 кВ	Возрастает абразивная износостойкость в 1,5 -2 раза. Микротвердость возрастает в 1,5 раза
Сталь Ст2	С+ при напряжении         100 кВ	Износостойкость возрастает
Сталь 17-4РН	N+ при напряжении         100 кВ	Возрастание износостойкости до двух порядков
Сплав WC - Со	N+ при напряжении           40 кВ	Возрастание износостойкости, микротвердость увеличивается в 1,5 раза
Инструментальная сталь, содержащая 1 % С	При дозе имплантации 2∙1017 см-2; N+	Возрастание абразивной износостойкости. Микротвердость увеличивается в 1,5 раза
Сталь 38ХМЮА	N+	Микротвердость увеличивается в 1,8 раза
Сталь 40Х или сталь ХВГ	N+	Микротвердость увеличивается в 2 раза
Сталь 30ХГСНА	N+ или С+	Микротвердость увеличивается в 5 раз
Сталь Fe+ 18W+4Cr+lV	В+	Микротвердость увеличивается в 1,8 раза

Продолжение табл. 9.2

1	2	3
Титан	N+ или В+	То же
Титановый сплав ВТ1 - О	С+ при напряжении            100 кВ	Износостойкость увеличивается в 5 раз
Сплав                     Ti + 6А1 + 4V	N+, С+, Аu+ или Rf+ при напряжении от 40 до 200 кВ  Be+ и В+ при напряжении от 25 до 200 кВ А1+ и Сu+ при напряжении 300 кВ	Износостойкость возрастает То же Возрастание износостойкости в 3 раза
Пермаллой	В+ при дозе имплантации 1015см_2	Возрастание износостойкости
Сталь, содержащая: 1 % С,                      6 % Сr 4% Ni, 1% Сr 2% С, 12 % Сr	N+ при дозе 8∙1017 см_2 Со+ при дозе 4 ∙ 1017 см_2 N+ при дозе 4∙1017 см_2	Увеличение долговечности режущей кромки ножа для бумаги в 2 раза Снижение налипания на штампе в 3 раза Снижение адгезионного износа формообразующего штампа
Быстрорежущая сталь Р18	N+ при дозе 8∙1017 см_2	Увеличение долговечности сверл и метчиков при обработке пластиков в 5 раз Возрастание стойкости резцов в 3 раза
Высокоуглеродистая сталь с хромовым покрытием	N+ при дозе 4,5∙1017 см_2	Снижение интенсивности изнашивания прессформы для пластмасс в 4 раза. Улучшение качества продукции при штамповании ацетатной целлюлозы
Сплав Т5К10	N+ при дозе 8∙1017 см_2	Возрастание стойкости резцов в 7,5 раза
Твердый сплав ВК6	N+ при дозе 8∙1017 см_2 С+ или N+ при дозе 5∙1017 см_2 Со+ или N+ при дозе 2∙1017 см_2Со+ или N+ при дозе 3∙1017 см_2	Увеличение долговечности режущей кромки для искусственной резины в 2 раза Повышение долговечности волочильной фильеры для медных прутков в 5 раз Повышение долговечности вытяжного штампа Снижение интенсивности изнашивания волочильной фильеры для стальной проволоки в 3 раза. Износостойкость штампа для вырубки пластин ротора электродвигателя из углеродистой стали повышена в 6 раз

Рис. 9.10. Влияние имплантации на усталостную долговечность:

1 – без имплантации; 2 – после имплантации

Влияние имплантации на усталостную долговечность. Имплантация азота приводит к заметному повышению долговечности низкоуглеродистой стали. Усталостная долговечность коррозионно-стойкой стали, титана и мартенситно-стареющей стали повышается после имплантации азотом в 8 - 10 раз. Имплантация азота с энергией 150 кэВ в сталь с содержанием 0,18 % С при дозе 2∙1017 см-2 приводит к повышению предела усталостной долговечности. Наилучшие результаты получены при дополнительном старении образцов (рис. 9.10).

Ионная имплантация скорее воздействует на зарождение трещин, чем на процесс их развития. Содержащиеся в имплантированной азотом стали мелкие кристаллы Fe16N2 одновременно упрочняют ферритную фазу и облегчают движение дислокаций, соответственно и выход полос скольжения на поверхность более однороден. Усталостная долговечность повышается. Имплантация 2∙1017 см-2 ионов азота и углерода в сплав на основе Ti с 6 % А1 и 4 % V положительно влияет на его усталостную долговечность (рис. 9.11). Наибольшее количество трещин зарождается па расстоянии 25 - 150 мкм от поверхности. Подповерхностные трещины с точки зрения сопротивления усталости считаются менее опасными для данного материала в противоположность трещинам, зарождающимся на поверхности. Поскольку ионная имплантация на глубине 1 мкм не способствует зарождению трещин, то естественно, что имплантация тормозит рост трещин к поверхности.

Это положение подтверждается исследованиями испытанных на усталость медных образцов, в которых отсутствие зон экструзии и интрузии свидетельствует о блокировании движения дислокаций через имплантированную поверхность и ограничении образования устойчивых полос скольжения. Увеличение долговечности было отмечено при имплантации ионов бора, хлора, гелия, никеля, азота и неона.

При фреттинг-усталости, в отличие от усталости, отмечено зарождение трещине в титановых сплавах с поверхности. Положительный результат дала имплантация ионов Ва+ при дозе 1016 см-2 на нагартованный сплав Ti + 6%Al + 4% V, что обеспечило 55% долговечности от ее уровня фреттинга.

Рис. 9.11. Усталостные кривые для сплава на основе титана:

1 – без имплантации; 2 – после имплантации N2+; 3 – после имплантации C+

Причиной усталостного разрушения титановых сплавов в условиях высоких температур является охрупчивание поверхности из-за перехода β-фазы в α-фазу под действием кислорода. Усталостные трещины зарождаются у дефектов хрупкого поверхностного слоя. Положительное влияние на стойкость к окислению и высокотемпературную усталость сплава Ti с 6 % А1, 2 % Sn, 4 % Zn и 2 % Мо оказала имплантация платины с дозой 2∙107    см-2 и энергией 150 кэВ, а также имплантация бария с дозой 2∙107 см-2  и энергией 125 кэВ.

Повышение коррозионной стойкости имплантированных материалов

При имплантации с целью повышения коррозионной стойкости следует уделять внимание снижению загрязнения поверхности углеродом, который может внедряться в подповерхностный слой сплава в результате вторичной имплантации после столкновения с ионным пучком. Загрязнение углеродом способствует образованию коррозионно- ингибирующего слоя на поверхности металла, что подавляет пассивацию и инициирует локальную коррозию с образованием инертных карбидных включений, которые проявляют тенденцию снижать стойкость поверхностных сплавов к питтингу.

Хотя при высоких дозах ионной имплантации возникает большое количество дефектов, предварительно установлено, что дефекты не оказывают существенного влияния на электрохимическое поведение поверхностных сплавов, образованных при имплантации. Значительно большую роль играют различия между другими характеристиками сплавов, Так как многофазные сплавы имеют тенденцию к проявлению очаговой гальванической коррозии между фазами с различной химической реакционной способностью, то желательным является получение однофазных сплавов с наибольшей химической однородностью. Использование имплантации для получения однофазных твердых растворов далеких от равновесного состава определяет перспективность имплантации как метода поверхностного легирования. Аморфные поверхностные сплавы представляют собой особый случай, в котором отсутствие межзеренных границ и других дефектов может оказать значительное воздействие на общее сопротивление коррозии поверхностного слоя.

При имплантации низкоэнергетических (20 ... 25 кэВ) ионов хрома в железо с дозой 1,25∙1016... 2∙1016 см-2 достигается общая пассивация, аналогичная характеристикам обычных двойных сплавов. Однако поведение поверхностных сплавов в отношении питтинга было сходным с их поведением в чистом железе. Среднеэнергетические (150 кэВ) ионы Сr+ также дают наиболее инертные поверхностные сплавы на чистом железе по сравнению с ионами ln+, Ar+, N+, Ni+, Cu+.

Для увеличения износостойкости в коррозионной среде особое значение приобретает возможность получать в поверхностном слое метастабильные соединения со специфическими свойствами и осуществлять экономное легирование дорогими элементами. Также является благоприятным создание аморфных поверхностных слоев металлов при ионном легировании. Так, при облучении ионами диспрозия происходит аморфизация монокристаллического никеля; при облучении ионами Ва+ аморфный слой возникает на поверхности стали 40X13, а при легировании фосфором и бором - на поверхности коррозионно-стойкой стали. Легирование поликристаллического железа ионами Ni+ с энергией 25 кэВ и дозой 1016 см-2 значительно повышает стойкость материала к окислению.

Имплантация ионов Ba+ в сплав Ti - 6AI - 4V с энергией 40 кэВ несколько повысила его коррозионную стойкость. Это объясняется возникновением преципитатов BaTiО3, образующих когерентную границу с TiO и эффективно препятствующих диффузии кислорода.

Ионная имплантация N+ и В+, которую часто применяют для упрочнения поверхности, в целом снижает скорость коррозии в кислой и кислотно-хлоридной среде. Имплантирование тантала при энергии 20 кэВ с дозой (0,5 ... 2) 1017 см-2 способно благоприятно изменить пассивацию железа преимущественно за счет включения в пассивирующую пленку.

Существенное повышение, по данным Хирвонена и Клайтона, активационно- пассивационного состояния и стойкости к питтингу было достигнуто для сталей, относящихся к мартенситному классу, например, сплава М50 (0,8 % С, 0,1 - 0,35 % Мn, 0,1 - 0,25 % Si, 4,0 - 4,5 % Мо, 0,9 - 1,1 % V) и подшипниковой стали 52100 (0,9 % С, 0,36 % Мn, 0,22 %, 1,36% Сr), приведенным в табл. 9.3.

Сочетание имплантации с другими методами. Одним из вариантов сочетания ионной имплантации с традиционными методами упрочнения поверхности является легирование низкоэнергетическими ионами (Е ≤ 1 кэВ) при температурах, вызывающих эффективное перераспределение примеси диффузионным путем. Такое сочетание легирования и диффузионного отжига позволяет получить модифицированные слои толщиной в десятки микрометров, что значительно превосходит этот параметр при ионной имплантации. В отличие от традиционного азотирования обеспечивается отсутствие примесных атомов загрязнения и варьирование структуры и свойств легированного слоя. Износостойкость повышается за счет радиационных дефектов структуры, образования твердых растворов и новых фаз при высоких дозах легирования, изменения кинетики зарождения и движения дислокаций, создания сжимающих напряжений.

9.3 Рекомендуемые режимы имплантации

Материал	Ионы	Доза 1017, см-2	Напряжение, кэВ
М50	Сr+ Мо+	1,5 0,5	150 100
Сталь52100	Сr+	2	150
Р+	5	40
Та+	1	150

При такой обработке быстрорежущих сталей Р6М5 с твердостью HRC3 64 ... 65, полученной закалкой и двухкратным отпуском при 560 °С, повышена износостойкость в 3 раза, микротвердость в 1,8 раза. Процесс проходил при u = 500 В, t = 350 °С в течение 0,5 ... 1,5 ч. Выделение новых фаз в поверхности не обнаружено. Возникающие в поверхностном слое остаточные сжимающие макронапряжения возрастают с увеличением легирования до предела текучести около 700 МПа.

Испытания на износостойкость проводили по схеме цилиндр - плоскость при максимальном контактном давлении 550 МПа. Ионная обработка не сказывается на начальном и установившемся коэффициентах трения, а существенно понижает его лишь в период приработки. Статистически значимых изменений топографии поверхности не обнаружено.

Весьма перспективным для получения тонкопленочный структур, защищающих от изнашивания и коррозии, является сочетание воздействия ионных пучков с традиционными методами нанесения покрытий. Использование метода осаждения с активацией ионным пучком обеспечивает регулирование состава и сцепления с подложкой без каких-либо ограничений на толщину пленки, имеющихся при прямой ионной имплантации.

9.3 Азотирование

Азотированный слой можно рекомендовать для:

1.  упрочнения спеченных металлокерамических сплавов;
2.  деталей, работающих на изнашивание в коррозионной среде при малых контактных нагрузках;
3.  упрочнения углеродистых и легированных сталей, не содержащих алюминия (азо-тированный слой с нитридной зоной);
4.  деталей, работающих при знакопеременных нагрузках в условиях изнашивания при высоких давлениях (азотированный слой с развитой зоной внутреннего азотирования);
5.  режущего и штампового инструмента (азотированный слой без нитридной зоны);
6.  сталей, содержащих алюминий (38Х2МЮА), работающих в режимах динамического изнашивания и при ударных нагрузках, азотированный слой без нитридной зоны.

Варьируя параметры технологического процесса ионного азотирования (давление, температуру, продолжительность, состав газовой смеси), можно решать вопросы структуры и свойств поверхностного слоя. Лучшей износостойкостью обладают нитридные поверхностные зоны с максимальной пластичностью. Образование в слое большого количества высоко азотистого малопластичного нитрида Fe2N и перенасыщенность слоя азотом ухудшают износостойкость материала. Хорошей износостойкостью обладают материалы, азотированные в смеси 75 % N2 + 25 % Аr. Чем выше температура азотирования, тем больше глубина азотированного слоя (рис. 9.12). Глубина азотированного слоя изменяется в зависимости от содержания аргона в смеси для различных сталей по- разному. Разбавление азота аргоном в насыщенной среде влияет на пластические характеристики (рис. 9.13). Распределение азота по толщине диффузионного слоя показывает, что характер концентрационных кривых низколегированных сталей одинаков при всех способах азотирования. При высоком содержании азота на поверхности (6 - 7 %) имеет место резкое его уменьшение в тонком слое (0,02 ... 0,03 мм), насыщенном нитридами. В зоне твердого раствора с меньшим содержанием нитридов концентрация азота практически не изменяется (рис. 9.14). Для высокохромистой стали 13Х11Н2В2МФ различие в насыщении азотом максимально при ионном азотировании, что коррелирует с данными табл. 9.4 и характером распределения твердости по толщине диффузионного слоя (рис. 9.15).

Рис. 9.12. Влияние температуры на глубину азотирования (по данным В.Г. Каплуна):                                                     1 – сталь 20Х; 2 – сталь 40Х; 3 – сталь 38ХМЮА; 4 – сталь 45Х (среда 100% N2, р=265 Па, =6ч)

Рис. 9.13. Распределение аргона по толщине азотированного слоя:                                                     1 – сталь 20Х; 2 – сталь 40Х; 3 – сталь 38ХМЮА; 4 – сталь 45Х (среда 100% N2, р=265 Па, =6ч)

Рис. 9.14. Распределение азота по толщине диффузного слоя в заготовке из сталей   38ХС (а) и 13Х11Н2В2МФ (б):                                                                                                         h –  расстояние от поверхности; 1 -  вакуумное азотирование; 2 – ионное азотирование;          3 – газовое азотирование

9.4. Твердость азотированного слоя

Материал	Температура азотирования, С°	Скорость насыщения, мм/ч, при азотировании	HV после азотирования
заготовки	газовом	ионном	вакуумном	газового	ионного	вакуум ного
Сталь 38ХС	500... 600	0,010	0,020... 0,045	0,02...     0,04	600...     800	600...     800	520... 890
Сталь	560 ... 600	0,002	0,019	0,02	800...	560...	720 ...
13Х11Н2В2МФ	0,008	0,025	0,01	950	1100	1100

Рис. 9.15. Распределение твердости по толщине диффузионного слоя в заготовке из стали 13Х11Н2В2МФ:                                                                                                                       1 – газовое азотирование; 2 – ионное азотирование; 3 – вакуумное азотирование

Рис. 9.16. Влияние давления на глубину азотирования:                                                            1 – сталь 40Х; 2 – сталь 38ХМЮА; 3 – сталь 20Х (среда 75% N2, Т=520 С°, =4ч)

Максимальная глубина азотированного слоя и нитридной зоны получается при давлении 267 Па (рис. 9.16).

Зависимость глубины азотированного слоя от времени выдержки имеет параболический характер независимо от марки стали и параметров азотирования, они влияют только на абсолютное значение глубины азотированного слоя.

С увеличением продолжительности азотирования твердость увеличивается незначительно. Наиболее интенсивное повышение твердости имеет место в первоначальный период (первые 1 ... 3 ч), а после =6 ч процесса твердость практически не увеличивается. С повышением температуры азотирования твердость конструкционных сталей уменьшается. Распределение твердости по толщине диффузионного слоя в заготовке из стали 13Х11Н2В2МФ представлена на рис. 9.17. При ионном азотировании кривая изменения твердости по глубине азотированного слоя падает менее круто, что свидетельствует о более равномерном распределении микротвердости по глубине слоя, а также неоднородности его фазового состава.

Основным фактором, влияющим на твердость азотированного слоя стали Р6М5, Р18, является состав твердого раствора, прежде всего содержание W, Mo, V. Высокая концентрация легирующих элементов и большое количество дисперсных карбидов в стали Р6М5 уменьшает глубину диффузионного слоя. Повышение температуры и продолжительности азотирования приводит к росту нитридной и диффузионной зон азотированного слоя. Нитриды, осаждающиеся в азотированном слое, обладают повышенной дисперсностью, твердостью и устойчивостью против коагуляции при нагреве. При более высоких температурах и выдержках на поверхности быстрорежущей стали образуется            ε-фаза, обогащенная легирующими элементами и обладающая повышенной хрупкостью. Диффузионная зона имеет высокую твердость и вязкость и обеспечивает повышение сопротивления усталости. Диффузионная зона и зона соединений имеет также высокую теплостойкость (до 500 ... 600 °С).

Для повышения вязкости диффузионного слоя и износостойкости инструмента, работающего в условиях знакопеременных изгибающих нагрузок (сверла, развертки, зенкера), рекомендуется отпуск при 300 °С в течение 1 ч в камере азотирования.

При азотировании конструкционной стали ШХ15 сопротивление контактной усталости (питтингообразование) невелико. Сопротивление контактной усталости может быть повышено созданием азотсодержащих слоев толщиной не менее 0,1 ... 0,5 мм и проведением после азотирования закалки и отпуска. При азотировании в тлеющем разряде следует учитывать, что при температурах, близких к 600 °С, растворимость азота в α-железе повышается до 0,42 %. Микротвердость (700 ... 800 ГПа) и толщину (0,4 ... 0,5 мм) обеспечивает режим ионного азотирования (содержание компонентов в смеси 25 % N2 + 75 % Аr, температура насыщения 580 °С, давление при насыщении 665 Па, длительность процесса 4 ч) и термической обработки (закалка при 860 °С в течение 25 мин, отпуск при 160 °С в течение 30 мин). Возникающие при таких режимах азотирования сжимающие напряжения могут быть понижены варьированием состава насыщающей среды. С увеличением содержания аргона устойчивость γ-фазы возрастает.

Рис. 9.17. Изменение твердости в зависимости от продолжительности процесса азотирования поверхности заготовки их стали 40Х:                                                                 1 – t = 500°С; 2 – t = 550°С; 3 – t = 600 °С; 4 – t = 650°С (среда 75% N2 + 25% Ar, p = 250Па)

Рис. 9.18. Диаграмма режимов ионно-плазменного азотирования поверхностей заготовок из стали ШХ15:                                                                                                                                    1 – область рекомендуемых режимов; 2 – область режимов, при которых образуется тонкий и непрозрачный подслой

На рис. 9.18 приведена диаграмма рекомендуемых режимов азотирования поверхности заготовки из стали ШХ15 в зависимости от температурно-временного фактора, позволяющего определить качество деталей. Для использования температур насыщения достаточно выдержки 4 ч, чтобы получить покрытие со стабильными качественными параметрами.

Для упрочнения поверхностей заготовок из сталей ШХ15, 30X13 применяют сверхнауглероживание до 3,5 - 5,5 % с последующим азотированием. Азотирование наугле- роженных деталей рекомендуется проводить в безводородной или водородосодержащей среде в плазме тлеющего разряда при 650 °С в течение 1 ... 3 ч при давлении 1 ... 8 ГПа, напряжении 300 ... 700 В и плотности тока 5 ... 20 А/см2. Обработанные детали подвергают закалке (при 830 °С - из ШХ15, при 980 °С - из 30X13) и отпуску в масле (температура 180 °С для ШХ15 и 250 °С для 30X13). Толщина азотированного слоя 0,5 ... 0,6 мм. Ударная вязкость азотированных поверхностей в безводородной плазме на 40 - 50 % выше ударной вязкости поверхностей, азотированных в водородосодержащей аммиачной плазме. Твердость HRC3 67. Абразивная стойкость диффузионного слоя увеличивается в 1,6 раза. Стойкость штампов из стали ШХ15 увеличивается в 2,9 -3,2 раза по сравнению со стойкостью штампов, упрочненных глубинной закалкой.

Износостойкость распространенной стали 45Х5В2ФС с твердостью HRC3 48 ... 50 может быть повышена в 2 раза.

Давление в камере 2,6 Па. Поверхность, подлежащая азотированию, очищается от. оксидов и загрязнения катодным распылением в среде водорода при давлении 13,3 Па и напряжении 1000 В в течение 0,5 ч. Азотирование рекомендуется выполнять в смеси азота с водородом при давлении 665 Па. Рабочая смесь, нагретая до 600 ... 700 °С, должна быть очищена от влаги и кислорода пропусканием через адсорбенты.

Температура азотирования 500 °С, длительность процесса 12 ч. Деталь охлаждают в рабочей камере. ...у

На коррозионную стойкость стали 45Х влияют температура азотирования, состав и давление насыщающей среды. С понижением температуры азотирования и повышением азотного потенциала насыщающей плазмы коррозионная стойкость стали в кислом буферном растворе двухзамещенного фосфорно-кислого натрия (10 г/л) и лимонной кислоты (5 г/л) повышается, С увеличением процентного содержания аргона в азотоаргонной смеси уменьшается процентное содержание ε-фазы в нитридной зоне и увеличивается скорость коррозии. Увеличение давления насыщающей среды при повышении азотного потенциала приводит к уменьшению скорости коррозии.

При температуре азотирования 570 °С, насыщающей среде с объемным содержанием    75 % N2 + 25 % Аr, давление 265 Па следует корректировать время выдержки для образования стойкой пленки оксидного характера. Этот способ повышает износостойкость в 2 - 7 раз, циклическую усталость в 1,4 раза.

9.4. Лазерная обработка

В последние годы для повышения долговечности различных изделий все шире используют лазерную обработку.

Лазерный луч - это мощный и концентрированный поток электромагнитного излучения, отличающийся от других энергетических методов воздействия на вещество особо упорядоченным состоянием. Промышленные лазерные системы делят на три основные группы: твердотельные; газовые, среди которых наиболее распространен СО2-лазер; полупроводниковые. В настоящее время осваивают перестраиваемые лазеры на кристаллах, твердотельные лазеры на кристалле иттрий-литиевого флюорита, легированного эрбием, длина волны излучения которого 1,73 мкм.

Лазерный луч отличается высокой плотностью энергии. Поглощение металлами лазерного излучения приводит к мгновенному увеличению энергии свободных и связанных электронов. Возбужденные электроны сталкиваются с атомами решетки, время их релаксации равно 10-12 с. Энергия лазерного излучения трансформируется в движение атомов и температура поверхностного слоя резко повышается. Этот тонкий поверхностный слой становится интенсивным источником теплоты.

Быстрый теплоотвод в глубь металла приводит к возникновению закалочных структур в поверхностном слое. Преимуществом лазерного термоупрочнения металлов является хорошая управляемость процесса. По сравнению с другими источниками теплоты геометрия лазерного луча легко изменяется оптическими приспособлениями, что позволяет достичь труднодоступные места деталей, включая внутренние поверхности полых валов и отверстий.

После лазерной обработки упрочняется тонкий поверхностный слой. При этом нет необходимости тратить энергию на прогрев всей основы, предотвращается коробление обрабатываемой заготовки. Искажение поверхности при лазерной обработке минимально. Варьируя параметрами лазерного излучения, можно легко управлять тепловыми полями поверхностной зоны, уменьшая температурные напряжения.

Режим лазерной обработки с оплавлением является средством внедрения сторонних элементов в материал заготовки и получения в ней наперед заданных свойств.

Лазерный луч используют для аморфизации поверхности, лазерной наплавки, отжига, шокового упрочнения. Применение лазерной обработки в комбинации с другими методами позволяет либо улучшить качество уже нанесенного покрытия, либо получить новое комплексное покрытие (табл. 9.5).

1. Повесть временных лет относит призвание норманнского конунга Рюрика.1
2. ТЕМА ЗАНЯТТЯ- Спостереження і догляд за хворими на захворювання органів дихання
3.  Helthcre institutions in Kzkhstn
4. РОССИЙСКАЯ ПРАВОВАЯ АКАДЕМИЯ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ РПА Минюста России ИРКУТС
5. История русского быта Галерея Искусств Суханова М
6. Кремень производство Россия; Нижний замок Кале 2000 производство Турция; Ручка Металлическая черная;
7. Классификация табличных процессоров
8. Ці поняття називають категоріями педагогіки
9. Реферат- Как правильно выбрать весы для работы в лаборатории (аналитические и лабораторные весы Госметр)
10. Курсовая работа Проблемы иностранного инвестирования и экономическая безопасность
11. Тема урока- Устройство компьютера Тип урока- комбинированный урок.html
12. Лекция которая знакомит студентов с целью и назначением курса его ролью и местом в системе учебных дисципли
13. О способах обучения младших подростков математике в форме квази-исследовательской деятельности
14. Петербургский государственный инженерноэкономический университет Факультет экономики и управления в
15. Кодирование речи в системах сотовой связи
16. Расплатись по мобильному
17. Доклад- Педагогические рекомендации для родителей, воспитывающих ребёнка с проблемами интеллектуального развития
18. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ по выполнению самостоятельной работы на практическом клиническом занятии 2 с
19. Пусть некоторое фиксированное решение x ~t этой системы существует при всех t t0
20. Биотерроризм

Материалы собраны группой SamZan и находятся в свободном доступе