Лекция№12 химико-термическая обработка деталей

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СП О С О БЫ П О ВЫШЕНИЯ ИЗН ОСОС Т О ЙК ОС ТИ ДЕТАЛЕЙ

Взадачу технологии входит придание материалам и заготовкам заданных свойств, обработка заготовок для получе­ния деталей требуемой формы и надлежащей точности, упрочнение рабочих поверхностей деталей, их сборка в агрегаты и ис­пытания узлов и машин.

Проблема разработки материалов для изготовления машин и оборудования слагается из: а) получения уже известных ма­териалов, удовлетворяющих техническим условиям, с наимень­шими затратами; б) создания новых материалов, удовлетворяю­щих тем или иным специфическим условиям работы; изыскания новых материалов ведутся непрерывно как вследствие повыше­ния требований к материалам в связи с созданием новых конструкций машин и модернизацией старых, так и вследствие необходимости замены дефицитных материалов и удешевления пе­реработки сырья в изделие.

Создание материала с малым рассеянием показателей его свойств должно начинаться с соблюдения стабильного состава исходных материалов определенного качества, например, шихты. Нарушение этого положения зачастую не может быть в даль­нейшем компенсировано. Известно, что чугуны обладают на­следственными свойствами: в то время как из одних доменных чугунов в составе шихты при плавке в вагранках или печах можно получать отливки желаемой структуры, из других чугу­нов того же химического состава это делать затруднительно или совсем невозможно. В алюминиево-железисто-никелевой бронзе при 4% Ре и 4% № увеличение содержания алюминия с 10 до 11% резко снижает сопротивление изнашиванию пары бронза — сталь.

Структура полиамидов состоит, как известно, из аморфной массы и кристаллических образований. Существенное влияние на структуру оказывают скорость процесса охлаждения рас­плавленной массы полиамида и последующая термообработка. Чем больше в полимере кристаллической структуры, тем он бо­лее износостоек. Литье под давлением, обработка детали в во­дяной ванне при температуре 80°С и последующая закалка при —40^СС дают мелкозернистую структуру с незначительным коли­чеством аморфного вещества. Спеченный полиамид имеет поч­ти однородную кристаллическую структуру. Отлитые полиамид­ные детали могут оказаться покрытыми оболочкой чисто аморф­ного вещества меньшей твердости, чем твердость сердцевины. Эта оболочка быстро изнашивается, обычно в процессе прира­ботки детали. Снизить износ в процессе приработки можно, ес­ли деталь изготовить из медленно охлажденной заготовки пу­тем механической обработки при минимальных усилиях реза­ния.

Способ получения заготовки имеет прямое влияние на из­носостойкость и общую ее прочность.

Ориентировка волокон металла влияет на прочность. Харак­терны в этом отношении опыты А. С Шейна над прямоуголь­ными образцами (рис. 10.1, а),из стали ШХ15. Режим термооб­работки: закалка при температуре 850°С, отпуск при 150°С Волокнистость структуры обусловлена заметной карбидной полосчатостью. Отношение значений предела прочности при изгибе образцов 1—3 в порядке их изображения на рис. 10.1, а состав­ляет 1,0: 0,72:0,56. Значительно меньшая прочность при торцо­вой ориентации волокна объясняется, по-видимому, увеличени­ем глубины и числа дефектов, выходящих на поверхность.

Рис. 12.1. Ориентировка волокон в образцах (а) и кольцах (б) подшипника

Внутренние кольца подшипников качения можно изготовить из горячекатаной штанги на горизонтально-ковочных машинах. Волокна в этом случае (рис. 12.1, б) выходят под разными уг­лами к дорожке качения, имея местами ориентацию, близкую к торцовой. Если заготовку кольца выполнить из короткой тру­бы с образованием желоба в горячем состоянии, то волокна рас­положатся под небольшим углом к рабочей поверхности. Испы­тания подтвердили большую долговечность подшипников с внутренними кольцами, изготовленными последним способом. Эти результаты закономерны, если учесть, что внутреннее кольцо является наиболее слабым элементом шарикоподшипника.

Влияние текстуры при формообразовании рабочей поверх­ности даже в том случае, когда термообработка деталей полностью снимает наклеп, можно показать также на примере пра­вок к нитенамоточным автоматам (правки — это стальные дис­ки малого диаметра, твердостью после закалки НКС 61—63, с несколькими круговыми профильными канавками небольшой глубины). Правки работают при трении без СМ и высокой ско­рости перемещения нити по направляющей канавке. Предложенное Ю. Г. Шнейдером холодное выдавливание канавок ро­ликом повысило износостойкость правок в несколько раз по срав­нению с правками с нарезанными канавками.

Заготовками ходовых колес мостовых кранов могут быть чу­гунные либо стальные отливки, поковки, штамповки без реборд и штамповки с прокатанной беговой дорожкой. Наиболее вы­годно в условиях массового производства использовать штам­повки с прокаткой не только из-за минимальных потерь метал­ла на окалину и стружку и наименьшей трудоемкости изго­товления колес, но и потому, что на беговой дорожке и ребордах образуется весьма благоприятное в отношении износостойкости круговое направление волокон.

Даже хорошо известный технологический процесс необходи­мо варьировать применительно к конкретному изделию. Это можно проиллюстрировать на примере искусственного старения серого чугуна. Низкотемпературный отжиг чугуна применяют для снятия внутренних напряжений. Отливку для отжига за­гружают в холодную или нагретую не свыше 200°С печь. От­жигать рекомендуется при 550—600°С с выдержкой 2 ч при ско­рости нагрева 100°С/ч. Выдержку производить от 1 до 8 ч в за­висимости от размеров и конфигурации изделия.

При длительном воздействии на чугун высокой температу­ры происходит частичная коагуляция цементита в перлите, воз­можна его миграция к границам зерен, намечается переход от пластинчатого перлита к зернистому. Это явление наиболее ха­рактерно для тонкостенных отливок. Перечисленные дефекты снижают износостойкость чугуна.

По данным А. С Венжеги и М. Я. Белкина, последователь­ность операций и режимов обработки деталей непосредственно влияет на их износостойкость. Так, валки холодной прокатки могут обрабатываться по двум вариантам:

1) обтачивание, закалка с индукционным нагревом, грубое шлифование, чистовое шлифование, доводка шероховатости по­верхности до #а = 0,16 мкм; 2) то же, плюс предварительное шлифование перед закалкой. При втором варианте поверхность валка имеет более однородную структуру, что повышает сопротивление усталости.

Одну и ту же поверхность можно обрабатывать разными ме­тодами. Так, методами чистовой обработки прямолинейных на­правляющих может быть шабрение, строгание, фрезерование, шлифование.

Опыты показывают, что скорость изнашивания направляющих зависит от сочетания методов обработки сопрягаемых поверх­ностей. Оказалось, что наиболее износостойкими являются па­ры скольжения, у которых нижние образцы, имитирующие ста­нину, обработаны наклепом шариками, а верхние — шабрением, фрезерованием и шлифованием (М. О. Якобсон).

К уменьшению надежности деталей в эксплуатации может привести нестабильность формы и размеров изделий, не связан­ная с износом поверхностей. Остаточное изменение формы и раз­мера деталей в эксплуатации в условиях нормальной или близ­кой к ней температуры среды при обкатке или даже при хране­нии бывает обусловлено распадом структурных составляющих, переходом одной модификации составляющей материала^ в дру­гую, релаксацией остаточных напряжений и взаимодействием материала со средой. В остальных изделиях сохраняется после закалки некоторое количество аустенита, которое превращается затем при отпуске, обработке холодом или при холодной дефор­мации в мартенсит или троостит. Однако и после этих операций может сохраниться некоторая доля остаточного аустенита, кото­рый со временем распадается. В плунжерных парах, подшипни­ках качения и других деталях в местах распада остаточного аустенита увеличивается объем, что уменьшает зазоры, повыша­ет нагрузку на тела качения и может привести к временному или полному заклиниванию плунжеров. Коробление станин, цилинд­ров, правленых валов — результат релаксации остаточных на­пряжений.

Применяют следующие технологические способы повышения долговечности трущихся деталей: пластическое деформирова­ние, термическая, химико-термическая и химическая обработка рабочих поверхностей деталей, гальванические покрытия, метал­лизация напылением и наплавка поверхностей, электроискровое упрочнение и др. Независимо от способа обработки или нара­щивания поверхностного слоя задача процесса заключается в создании износостойкой рабочей поверхности детали или хоро­шо прирабатывающейся. Эта задача наиболее четко выражена в классификации покрытий, которые разделяются на износо­стойкие и приработочные.

Выбор способа обработки поверхности должен решаться конструктором совместно с, технологом после всестороннего об­суждения и, возможно, после выполнения технико-экономиче­ских расчетов, в особенности для изделий массового производства. Так, поверхностная закалка или азотирование могут ока­заться нецелесообразными, если поверхностный слой детали быстро срабатывается, а деталь, пригодная по остальным пока­зателям, в дальнейшем подлежит восстановительному ремонту. Например, при форсированных режимах работы трактора тон­кий рабочий слой закаленной с нагревом ТВЧ поверхности ци­линдра изнашивается и вступает в работу более мягкий слой с пониженной износостойкостью. В данном случае целесообраз­нее обеспечить требуемую твердость и структуру поверхности цилиндра в литом состоянии, хотя это усложняет механическую обработку.

Хромирование направляющих металлорежущих станков по­вышает срок их службы. Для нанесения слоя хрома требуются гальванические ванны и генераторы большой мощности, что мо­жет оказаться рентабельным при определенных масштабах про­изводства.

Поверхностная закалка более проста по исполнению и более производительна, хотя и затрудняет последующую механиче­скую обработку.

12. 1. О КАЧЕСТВЕ СОПРЯГАЮЩИХСЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ И ТОЧНОСТИ ИХ ВЗАИМНОГО РАСПОЛОЖЕНИЯ В СВЯЗИ С ИЗНОСОСТОЙКОСТЬЮ ДЕТАЛЕЙ

Ш е рохова т ость п оверхн о с т и. При трении скольжения, независимо от исходной шероховатости рабочих поверхностей тел, к концу приработки устанавливается для каждой из по­верхностей пары определенная, свойственная данному сочетанию материалов и условиям трения шероховатость, сохраняющая стабильность при постоянном режиме трения. Независимо от вида трения в процессе приработки исходная шероховатость пе­реходит в эксплуатационную, при которой работают поверх­ности.

Если бы можно было обработать поверхности так, чтобы они в точности совпали с приработанными поверхностями при некоторой характерной кинематике относительного движения и заданном режиме трения, то приработочная стадия была бы не нужна. На самом деле все пары трения для перехода в устано­вившуюся стадию изнашивания требуют приработки. Продол­жительность ее тем короче и объем изношенного металла тем меньше, чем исходная шероховатость ближе к шероховатости после приработки.

Поскольку к установившейся стадии изнашивания одинако­вые пары приходят с соответственно одинаковыми шероховато­стями поверхностей трения, то при прочих равных условиях ско­рость установившегося изнашивания должна быть одна и та же.

Влияние исходной шероховатости поверхности на интенсивность изнашивания и ограничива­ется стадией приработки.

На рис. 12.2 даны кривые изнашивания для одной и той же пары; кривая 1 относится к исходной шероховатости, требующей при­работки меньшей длительности (Л). Начиная с момента 1₂, течение кривых параллельное— скорости изнашивания равны, но сохраняется постоянная разность износов А», обусловлен­ная большей скоростью на приработке (кривая 2). Влияние этой разности заметнее при меньших величинах установившейся скорости или интенсивности изнашивания. Исходная шероховатость поверхностей влияет на ее ве­личину только через износ за время прира­ботки.

Чрезмерная гладкость или шероховатость поверхности отри­цательно сказываются на износостойкости. Шероховатые поверх­ности контактируют на сравнительно малой общей площади при высоких средних давлениях. В связи с необходимостью удале­ния значительных неровностей в процессе приработки началь­ный износ возрастает, может потребоваться больше времени на приработку, не исключается образование крупных частиц изно­са, которые могут вызывать задиры. Слишком гладкие поверхно­сти меньше адсорбируют смазочный материал. С другой сто­роны, из-за большей фактической площади контакта скорость изнашивания невелика и может оказаться недостаточной для такого прирабатывания сопряженных поверхностей, которое не­обходимо для предупреждения опасной концентрации нагрузки. В результате иногда наступает заедание даже после длительной работы.

Рис. 10.2. Зависимость интенсивно­сти изнашивания шероховатости поверхности

Определение оптимальных параметров шероховатости по­верхностей трения деталей для реальных условий эксплуатации во многих случаях позволяет понизить требования к шерохо­ватости поверхностей и отказаться от доводочных операций.

Значений параметров шероховатости, однако, недостаточно для оценки эксплуатационных качеств микрогеометрии поверх­ности, так как важным фактором является направление следов механической обработки. Различные ее виды, позволяя получить одинаковую высоту микронеровностей, сообщают им не только различную конфигурацию, но и различное расположение на по­верхности. Казалось бы, что с точки зрения прирабатываемости наиболее рациональным является направление штрихов, парал­лельное относительной скорости поверхностей. Однако это не может служить правилом. По данным П. Е. Дьяченко, наиболее выгодное расположение обработочных рисок на сопрягаемых поверхностях с учетом направления относительной скорости зави­сит от давления, режима смазывания, трущихся материалов и величин параметров шероховатости. При трении без СМ. и больших давлениях штрихи на обеих поверхностях, расположенных перпендикулярно движению, способствуют заеданию.

Предупредить заедание можно взаимно перпендикулярным расположением штрихов на сопряженных поверхностях. Такое же расположение штрихов рекомендуется при трении с гранич­ной смазкой поверхностей малой шероховатости. При трении без СМ и небольших давлениях или при граничной смазке и от­носительно большой шероховатости (Ra = 2,5... 1,25 мкм) целесо­образна параллельность обработочных штрихов в направлении движения.

При абразивном изнашивании приработка непродолжитель­на и метод окончательной обработки выбирают, исходя из тех­нико-экономических соображений.

Эксплуатационная шероховатость поверхностей при качении зависит от исходной. По данным Н. Н. Герасимова, испытания шарикоподшипников с разной шероховатостью обработанных поверхностей желобов колец показали, что при исходной шеро­ховатости ниже Ra = 0,16 мкм микрогеометрия работающей по­верхности улучшается; при исходной шероховатости Ra = 0,16......0,04 мкм — сохраняется в работе; при Ra = 0,04...0,02 мкм — ухудшается. Относительная средняя долговечность при измене­нии исходной шероховатости поверхности дорожек качения от Ra = 0,63 до Ra = 0,04 мкм изменяется на порядок.

Большая высота микронеровностей рабочих поверхностей подшипников качения увеличивает сопротивление вращению.

Согласно опытам Ю. А. Мишарина на роликах в условиях качения с небольшим проскальзыванием период приработки у твердых-сталей невелик, а эксплуатационная шероховатость по­верхностей, определяющая их усталостную долговечность, зави­сит от условий работы материала в контакте и исходной шерохо­ватости. Для повышения нагрузочной способности зубчатых ко­лес из твердых сталей необходимо при прочих равных условиях их рабочим поверхностям придать малую шероховатость при изготовлении. У деталей из сталей средней твердости одна и та же шероховатость у каждой из контактирующих поверхностей устанавливается примерно при одинаковом числе циклов, поэто­му в зубчатых передачах с колесами из сталей мягкой или сред­ней твердости поверхности зубьев шестерни приобретут во вре­мя обкатки меньшую шероховатость. Неприработавшиеся зубья колеса своими неровностями будут концентрировать нагрузку. Поэтому при изготовлении зубчатых колес из этих сталей це­лесообразно рабочие поверхности зубьев выполнять более глад­кими, чем у шестерни (Г. К. Трубин).

Волнистос т ь со прягаемых поверхно ст ей уменьшает площадь их фактического контакта и повышает давление. Второе обсто­ятельство определяется в большой мере изменением характера контакта. Поясним это на примере плоских поверхностей, кото­рые для упрощения принимаем гладкими. Если под нагрузкой контакт нигде не нарушается, то фактическая площадь каса­ния равна номинальной. Наличие волнистости меняет характер контакта: взамен плоских контактируют кривые поверхности со свойственными им значительными напряжениями на малых площадках взаимного касания.

Несмазанные волнистые поверхности менее стойки против за­едания, чем ровные, при смазанных же поверхностях более стойкими оказываются волнистые, поскольку они удерживают смазочный материал во впадинах между волнами. Иногда пред­намеренно делают волнистыми рабочие поверхности прямоли­нейных направляющих для увеличения их надежности.

Волнистость поверхности отрицательно влияет на свойства деталей, работающих в условиях качения или качения со сколь­жением. Так, волнистость поверхности кулачков может при оп­ределенных скоростях усилить вибрацию механизма. Порок ко-созубых цилиндрических колес в виде полосчатости обусловлен регулярной волнистостью боковых профилей зубьев. Полосчатость наблюдается даже после непродолжительной работы ко­леса в зацеплении.

При зацеплении шестерни и колеса, имеющего волнистость на рабочей профильной поверхности, контактирование зубьев происходит как по вершинам, так и по впадинам волнистости. В отдельные моменты происходит разгрузка вплоть до полного разрыва контакта, после чего под действием крутящего момен­та опять наступает контакт зубьев, сопровождающийся резким возрастанием динамической нагрузки на зуб. В итоге возникают крутильные и поперечные колебания валов и связанных с ними других деталей.

Макроге о ме т риче с к и е о ткл о нения во вза и мн о м ра с п о л о жении ос ей и по верхно ст ей де т алей ухудшают условия контактирования поверхностей: уменьшается номинальная площадь контакта, ли­нейное касание переходит в точечное, как, например, при бочко­образном шипе и цилиндрической поверхности подшипника. Макрогеометрические отклонения изменяют толщину смазочной прослойки. Может качественно измениться сам процесс трения: так, овальность шипа приводит при постоянной нагрузке и рав­номерном вращении вала к периодическому изменению толщины смазочного слоя в подшипнике.

Первичные погрешности при изготовлении и монтаже кри-вошипно-шатунного механизма (неперпендикулярность осей ци­линдров к базовой плоскости, перекос и перекрещивание осей коленчатого вала и осей головок шатуна, конусность поршневого пальца и шатунной шейки) приводят к перекосу поршня в продольной плоскости двигателя и к его повороту вокруг своей оси (В. С. Семенов). Перекосы поршней являются одной из при­чин задиров поршней и цилиндров.

Допустимая величина макрогеометрических отклонений по-, верхностей трения связана со способностью сопряженных деталей прирабатываться. Например, отклонения шейки коленчатого вала более 0,01 мм как по овальности, так и по конусности система­тически приводили к задирам хромированных втулок главного шатуна двигателя. Достаточно было довести эти отклонения до 0,006 мм, чтобы прекратилось образование задиров.

Что касается отклонений во взаимном расположении осей и поверхностей деталей, то в технологических машинах в соот­ветствии с требованиями к точности выпускаемой продукции нор­мируют отклонения положения исполнительного органа относи­тельно базы установки заготовки или, иначе, нормируют инте­гральную погрешность. Что же касается первичных погрешно­стей, то их определяют при расчете размерных цепей.

Кроме отклонений, связанных с неточностями обработки, сле­дует считаться с отклонениями, вызванными рабочими и темпе­ратурными напряжениями неравномерной затяжкой резьбовых соединений и короблением базисных литых и сварных деталей.

Несоосность валов агрегатированных машин — источник до­полнительных нагрузок на подшипники, иногда повышенного их нагрева, износа компенсирующих муфт и вибрации.

Точность изготовления деталей узлов трения влияет на их долговечность. У подшипников скольжения срок их службы при правильно установленном гарантированном зазоре уменьшается с увеличением допусков на диаметр. В подшипниках качения из-за разброса диаметров тел качения нагрузки на них сущест­венно разнятся.

При неодинаковых размерах правых и левых пластин в плас­тинчатых цепях валики перекашиваются в шарнирах, что приво­дит к быстрому изнашиванию контактирующих поверхностей.

При разности диаметров колес ходовых тележек, сидящих на одной оси, качение по рельсам сопровождается проскальзывани­ем и ускорением изнашивания, даже если эти различия нахо­дятся в пределах допусков диаметров колес, что требует пре­дельно ужесточать значения допусков.