2020-01-14
143
В процессе эксплуатации данная фреза подвергается воздействию статических, динамических, в том числе, знакопеременных нагрузок. В связи с этим эксплуатационная надежность инструмента находится в прямой зависимости от их прочности, износостойкости, термо- и коррозионной стойкости. Выберем наиболее подходящий метод улучшения поверхностного слоя.
Цементация. Наибольшее распространение получили газовая цементация и цементация в твердом карбюризаторе. Процесс проходит при нагреве в соответствующей среде – карбюризаторе. Окончательные свойства изделия их конструкционных сталей приобретают после закалки непосредственно с температуры цементации или после подстуживания до 800 – 850°С и повторного нагрева выше температур Ас3 сердцевины. После закалки следует отпуск при 160 – 180°С.
Цементация применяется для низкоуглеродистых сталей, реже для высокоуглеродистых и высокохромистых коррозионных сталей.
Назначение цементации и последующей термической обработки – придание поверхностному слою высокой твердости (HRC 58–62) и износостойкости, повышение пределов контактной выносливости при изгибе и кручении. Как правило, цементацию применяют для повышения работоспособности деталей, испытывающих в процессе эксплуатации статические, динамические, переменные нагрузки и подверженные изнашиванию.
|
|
|
Нитроцементация. Основное назначение нитроцементации – повышение твердости, контактной выносливости, износостойкости и предела выносливости. При оптимальных условиях насыщения структура нитроцементованного слоя состоит из мартенсита, небольшого количества равномерно распределенных карбонитридов и 25–30% остаточного аустенита, обеспечивающего хорошую прирабатываемость.
Содержание углерода на поверхности 0,7–0,9% и азота до 0,3–0,4%. При более высоком содержании азота в структуре слоя образуется темная составляющая, представляющая собой поры, образовавшиеся в результате выделения молекулярного азота. Эффективная толщина нитроцементованного слоя не должна превышать 1 мм, так как при большей толщине в структуре также возникает темная составляющая, резко снижающая предел выносливости стали на 30–40%, а контактную выносливость в 5–6 раз. Для нитроцементации применяют то же оборудование, что и для газовой цементации. По сравнению с газовой цементацией нитроцементация, проводящаяся при более низкой температуре, обеспечивает меньшее коробление изделий и повышает сопротивление износу и предел выносливости.
Цианирование. Цианирование проводят, как правило, при 800–950°С в расплаве, содержащем цианистые соли. Цианирование используют для повышения твердости поверхности, износостойкости, предела выносливости и контактной выносливости. Структура диффузионного слоя после цианирования аналогична получаемой после нитроцементации. С повышением температуры содержание азота в слое уменьшается, а содержание углерода возрастает, поэтому по своим свойствам слой приближается к цементованному.
|
|
|
Достоинства цианирования: небольшая продолжительность процесса; малые деформации и коробление (важно для деталей сложной формы).
Недостатки цианирования: трудно поддерживать постоянный состав ванны; большие потери теплоты (излучение с поверхности ванны); токсичность и высокая стоимость применяемых солей.
Работа с ядовитыми солями, их транспортировка, хранение, загрузка ванны, нейтрализация солей и т.д. Требуют особых мер предосторожности, что стало основной причиной ограниченного применения этого процесса в промышленности.
Азотирование. При азотировании происходит диффузионное насыщение поверхностного слоя стали азотом (или азотом и углеродом) при нагреве в соответствующей среде.
Азотирование – процесс многоцелевого назначения, используется для упрочнения конструкционных, коррозионно-стойких и жаропрочных сталей, сплавов тугоплавких металлов, спеченных металлокерамических материалов, разнообразных гальванических и диффузионных покрытий.
В результате азотирования сталей возрастают: 1) твердость поверхности; 2) стойкость к возникновению задиров; 3) предел выносливости; 4) кавитационная стойкость; 5) сопротивляемость коррозии в атмосфере, пресной воде и в водяном паре.
Низкотемпературное <600°С газовое азотирование проводится в частично диссоциированном аммиаке, в смеси аммиака и азота, аммиака и предварительно диссоциированного аммиака. Для активизации процесса в аммиачно-водородную смесь вводят кислород или воздух. Широко применяются атмосферы на основе частично диссоциированного аммиака и углеродсодержащих компонентов: природного и городского газа, эндогаза, эндо-экзогаза, смеси азота (80%), метана (или пропана) и СО2, продуктов пиролиза синтина, керосина и т.д.
Для азотирования применяются и расплавы цианид-цианатных солей (жидкое азотирование).
В последние годы широко применяют ионное азотирование в тлеющем заряде. В этом случае азотирование проводят в разреженной атмосфере аммиака или хорошо очищенного азота. Обрабатываемые детали подключают к катоду. Анодом является контейнер установки. При обработке деталей сложной конфигурации применяют профилированные аноды. Между деталью (катодом) и анодом возбуждается тлеющий разряд, и положительные ионы газа, бомбардируя поверхность катода, нагревают ее. Процесс ионного азотирования проходит в две стадии: 1 – очистка поверхности катодным распылением; 2 – насыщение.
Ионное азотирование (по сравнению с печным) имеет следующие преимущества:
1. ускоряются диффузионные процессы (в 1,5–5 раза);
2. можно получить диффузионный слой регулированного состава и строения;
3. деформация изделия незначительна, высокий класс чистоты поверхности;
4. азотировать коррозионно-стойкие, жаропрочные и мартенситно-стареющие стали можно без дополнительной обработки;
5. сокращается общее время процесса (благодаря уменьшению времени нагрева и охлаждения садки);
6. большая экономичность, выше коэффициент использования электроэнергии, меньше расход насыщающих газов;
7. нетоксично и отвечает требованиям по защите окружающей среды.
Хорошие результаты получены при азотировании в вакууме, позволяющем регулировать фазовый состав и толщину диффузионного слоя и интенсифицировать процесс.
Делаем вывод, что наиболее подходящим методом улучшения поверхностного слоя является нитроцементация. Потому что глубина улучшенного слоя при азотировании в 6–10 раз меньше, чем у нитроцементированного слоя. Азотированный слой плохо подвергается механической обработке. После процесса нитроцементации могут возникнуть поводки, но их можно исправить на последующей операции шлифования. Азотированный слой не предусмотрено обрабатывать шлифованием для устранения коробления заготовки из-за малой глубины (до 0,05 мм). А так как для нитроцементации больше подходит сталь 19ХГН, принимаем решение о замене ранее предложенной стали 38ХМА на сталь 19ХГН.
|
|
|
Сталь 38ХМА.
Назначение – ответственные детали общего назначения в машиностроении. Основной материал деталей, подвергаемых азотированию.
Таблица 3.8.1. Химический состав, % (ГОСТ 4543–71)
| не | более | |||||||
| C | Si | Mn | Cr | Mo | P | S | Cu | Ni |
| 0,35–0,42 | 0,17–0,37 | 0,35–0,65 | 0,90–1,30 | 0,20–0,30 | 0,025 | 0,025 | 0,30 | 0,30 |
Механические свойства (ГОСТ 4543–71)
σВ = 980 Мпа – временное сопротивление разрыву,
σ0,2 = 885 Мпа – условный предел текучести.
Таблица 3.8.2. Механические свойства в зависимости от температуры отпуска
| Температура | Закалка | 850 °С, масло | |
| отпуска | σ0,2 | σВ | HRC |
| 200 300 400 500 600 | 1600 1470 1270 1130 860 | 1860 1670 1420 1250 980 | 61 51 42 38 30 |
Таблица 3.8.3. Предел выносливости
| σ-1, МПа | n | Термообработка |
| 323 | 6·105 | Закалка с высоким отпуском |
Сталь 19ХГН.
Перспективная цементуемая хромомарганцовая сталь, обладающая высокой прочностью, повышенной прокаливаемостью при удовлетворительной способности к сварке и обработке резанием.
Изготовляемые детали: ведущие шестерни заднего моста, скользящая муфта коробки подач, т.е. широко применяется в автомобилестроении.
σТ = 930 МПа; σВ = 1180–1520 МПа.
