Лабораторна робота
Термомеханічна обробка сталей (ТМО)
Висока міцність у поєднанні з задовільною в'язкістю, ослаблення або навіть усунення відпускної крихкості першого і другого роду досягається застосуванням термомеханічної обробки, яка полягає в пластичному деформуванні аустеніту з наступним загартуванням на мартенсит і низьким відпусткою.
У залежності від температури, при якій деформують аустеніт, розрізняють високотемпературну термомеханічну обробку (ВТМО) і низькотемпературну (НТМО).
При ВТМО деформація аустеніту відбувається вище, при НТМО - при 400-500 ° С, тобто при температурах відносної стабільності аустеніту.
У результаті досягається висока міцність при достатній пластичності і в'язкості.
Причиною зміцнення при ТМО є те, що з попередньо деформованого аустенітного зерна утворюються дрібніші пластини мартенситу. При дробленні зерна аустеніту створюється блокова структура, яка фіксується при загартуванню. Вуглець при відпуску близько 200 ° С виділяється у вигляді дисперсних карбідів.
У порівнянні зі звичайною термообробкою ВТМО підвищує міцність приблизно па 40% при одночасному збільшенні характеристик пластичності в 2 рази. Зростає опір втоми, збільшується ударна в'язкість, зменшується схильність до утворення тріщин і поріг хладноломкости.
Ще більша міцність досягається при НТМО, але НТМО може застосовуватися тільки для сталей з широким тимчасовим інтервалом стійкості аустеніту нижче температури його рекристалізації. Поєднання високої межі пружності і високої циклічної міцності дозволяє використовувати НТМО при виготовленні високоміцних пружин, ресор і підвісок.
Хоча при НТМО досягається найбільше зміцнення, але її проведення більш складно в порівнянні з ВТМО. При температурах 400-500 ° С аустеніт менш пластичний, що вимагає застосування
Зміцнення поверхні методом пластичного деформування
Ефективними способами зміцнення поверхневого шару є дробеструйная обробка, що дозволяє опрацьовувати сталеві деталі на глибину до 0,7 мм і обкатка поверхні роликами на глибину до 15мм. При цьому відбувається наклеп поверхні деталі, що дозволяє підвищити її втомну міцність, не змінюючи матеріалу і її ТО. При дробеструйной обробці на поверхню деталей із спеціальних дробеметов з великою швидкістю направляють потік сталевий або рідше чавунної дробу діаметром 0,5-1,5 мм. Удари дробу викликають пластичну деформацію поверхневого шару, внаслідок чого він стає більш твердим, в ньому залишаються залишкові напруги стиску і тим самим підвищується втомна міцність. Такий обробці піддаються поверхні ресор, пружин, зубчастих коліс, ланок гусениць, гільз і поршнів.
Обкатку роликами проводять на токарних верстатах за допомогою спеціальних пристосувань. Тиск на ролики здійснюється гідравлічно або за допомогою пружин. Застосовують для обробки шийок валів, осей залізничних вагонів. Колінчастих валів та інших деталей. Крім зміцнення, обкатка підвищує чистоту обробки поверхні.
Поверхневе загартування
Поверхневе загартування полягає у нагріванні поверхневого шару стали вищими Ас 3 з подальшим охолодженням для отримання високої твердості і міцності в поверхневому шарі деталі в поєднанні з в'язкою серцевиною.
Нагрівання під загартування виробляють струмами високої частоти (ТВЧ) - найбільш поширеним способом, в розплавлених металах або солях, полум'ям газових або киснево-ацетиленових пальників, а також лазерним випромінюванням.
При нагріванні ТВЧ магнітний потік, створюваний змінним струмом, який проходить по провіднику (індуктора), індукує вихрові струми в металі деталі, вміщеній всередині індуктора. Форма індуктора відповідає зовнішній формі вироби. Індуктор представляє собою мідні трубки з циркулює всередині водою для охолодження. Швидкість нагріву залежить від кількості виділився тепла, пропорційного квадрату сили струму та опору металу.
Щільність струму по перетину деталі нерівномірна, на поверхні вона значно вище, ніж у серцевині. Основна кількість тепла виділяється в тонкому поверхневому шарі. Глибина проникнення струму в метал залежить від властивостей нагрівається металу і назад пропорційна квадратному кореню з частоти струму. Чим більше частота струму, тим тонше виходить загартований шар. Зазвичай застосовують машинні генератори з частотою 500-15 000 Гц і лампові генератори з частотою дою 6 Гц. При використанні машинних генераторів товщина загартованого шару становить 2-10 мм, лампових - від десятих часток міліметра до 2 мм.
Після нагрівання в індукторі деталь охолоджується за допомогою спеціального охолоджуючого пристрою. Через наявні в ньому отвори на поверхню деталі розбризкується охолоджуюча рідина.
Структура загартованого шару складається з мартенситу, а перехідної зони - з мартенситу і фериту. Глибинні шари нагріваються до температур нижче критичних і при охолодженні не упрочняются. Для підвищення міцності серцевини перед поверхневої загартуванням деталь іноді піддають нормалізації або поліпшення. Нагрівання триває зазвичай до 10 с, причому швидкість нагрівання становить 100-1000 ° С / с.
Перевагами поверхневого гарту ТВЧ є регульована глибина загартованого шару; висока продуктивність і можливість автоматизації; відсутність зневуглецювання і окалиноутворення; мінімальне жолоблення деталі. До недоліків відноситься висока вартість індуктора, що є індивідуальним для кожної деталі, і звідси мала застосовність ТВЧ до умов одиничного виробництва.
Для поверхневого гарту застосовують звичайно вуглецеві сталі, що містять близько 0,4% С. Глибока прокаливаемость при цьому методі не використовується, тому леговані сталі зазвичай не застосовують. Після гарту проводять низький відпустку при 200 ° С або навіть самоотпуск. Після гарту і відпустки твердість сталі HRC 45-55 на поверхні і HRC 25-30 у серцевині.
Високочастотної загартуванню піддають шийки колінчастих валів, кулачкових валів, гільзи циліндрів, поршневі пальці, деталі гусениць, пальці ресори і т. д. Вибір товщини зміцнюваного шару залежить від умов роботи деталі. Якщо від деталі потрібно лише висока зносостійкість, товщина зміцнюваного шару складає 1,5-3 мм, у випадку високих контактних навантажень і можливої перешліфовки оптимальна товщина зростає до 5-10 мм.
Для поверхневого гарту може використовуватися нагрів лазером. Лазери - це квантові генератори оптичного діапазону в основу роботи яких покладено посилення електромагнітних коливань за рахунок індукованого випромінювання атомів (молекул). Лазерне випромінювання поширюється дуже вузьким пучком і характеризується високою концентрацією енергії. Джерелами генерованого випромінювання служать тверді тіла (рубіни, алюмінієві граніти, ітрій, скла) і гази (Не, Ne, Аг, СО 2).
Під дією лазерного випромінювання поверхню деталей за короткий проміжок часу (10 -3 -10 -7 с) нагрівається до високих температур. Після припинення опромінення нагріті ділянки швидко охолоджуються завдяки інтенсивному відведенню тепла холодними обсягами металу. Відбувається гарт тонкого поверхневого шару.
Лазерна обробка поверхні сталевих та чавунних деталей істотно збільшує їх зносостійкість, межа витривалості при згині і межа контактної витривалості. Лазерна обробка - перспективний метод поверхневого зміцнення виробів складної форми, що працюють в умовах зносу і втомного навантаження.
Термомеханічна обробка сталей (ТМО)
Висока міцність у поєднанні з задовільною в'язкістю, ослаблення або навіть усунення відпускної крихкості першого і другого роду досягається застосуванням термомеханічної обробки, яка полягає в пластичному деформуванні аустеніту з наступним загартуванням на мартенсит і низьким відпусткою.
У залежності від температури, при якій деформують аустеніт, розрізняють високотемпературну термомеханічну обробку (ВТМО) і низькотемпературну (НТМО).
При ВТМО деформація аустеніту відбувається вище, при НТМО - при 400-500 ° С, тобто при температурах відносної стабільності аустеніту.
У результаті досягається висока міцність при достатній пластичності і в'язкості.
Причиною зміцнення при ТМО є те, що з попередньо деформованого аустенітного зерна утворюються дрібніші пластини мартенситу. При дробленні зерна аустеніту створюється блокова структура, яка фіксується при загартуванню. Вуглець при відпуску близько 200 ° С виділяється у вигляді дисперсних карбідів.
У порівнянні зі звичайною термообробкою ВТМО підвищує міцність приблизно па 40% при одночасному збільшенні характеристик пластичності в 2 рази. Зростає опір втоми, збільшується ударна в'язкість, зменшується схильність до утворення тріщин і поріг хладноломкости.
Ще більша міцність досягається при НТМО, але НТМО може застосовуватися тільки для сталей з широким тимчасовим інтервалом стійкості аустеніту нижче температури його рекристалізації. Поєднання високої межі пружності і високої циклічної міцності дозволяє використовувати НТМО при виготовленні високоміцних пружин, ресор і підвісок.
Хоча при НТМО досягається найбільше зміцнення, але її проведення більш складно в порівнянні з ВТМО. При температурах 400-500 ° С аустеніт менш пластичний, що вимагає застосування
Зміцнення поверхні методом пластичного деформування
Ефективними способами зміцнення поверхневого шару є дробеструйная обробка, що дозволяє опрацьовувати сталеві деталі на глибину до 0,7 мм і обкатка поверхні роликами на глибину до 15мм. При цьому відбувається наклеп поверхні деталі, що дозволяє підвищити її втомну міцність, не змінюючи матеріалу і її ТО. При дробеструйной обробці на поверхню деталей із спеціальних дробеметов з великою швидкістю направляють потік сталевий або рідше чавунної дробу діаметром 0,5-1,5 мм. Удари дробу викликають пластичну деформацію поверхневого шару, внаслідок чого він стає більш твердим, в ньому залишаються залишкові напруги стиску і тим самим підвищується втомна міцність. Такий обробці піддаються поверхні ресор, пружин, зубчастих коліс, ланок гусениць, гільз і поршнів.
Обкатку роликами проводять на токарних верстатах за допомогою спеціальних пристосувань. Тиск на ролики здійснюється гідравлічно або за допомогою пружин. Застосовують для обробки шийок валів, осей залізничних вагонів. Колінчастих валів та інших деталей. Крім зміцнення, обкатка підвищує чистоту обробки поверхні.
Поверхневе загартування
Поверхневе загартування полягає у нагріванні поверхневого шару стали вищими Ас 3 з подальшим охолодженням для отримання високої твердості і міцності в поверхневому шарі деталі в поєднанні з в'язкою серцевиною.
Нагрівання під загартування виробляють струмами високої частоти (ТВЧ) - найбільш поширеним способом, в розплавлених металах або солях, полум'ям газових або киснево-ацетиленових пальників, а також лазерним випромінюванням.
При нагріванні ТВЧ магнітний потік, створюваний змінним струмом, який проходить по провіднику (індуктора), індукує вихрові струми в металі деталі, вміщеній всередині індуктора. Форма індуктора відповідає зовнішній формі вироби. Індуктор представляє собою мідні трубки з циркулює всередині водою для охолодження. Швидкість нагріву залежить від кількості виділився тепла, пропорційного квадрату сили струму та опору металу.
Щільність струму по перетину деталі нерівномірна, на поверхні вона значно вище, ніж у серцевині. Основна кількість тепла виділяється в тонкому поверхневому шарі. Глибина проникнення струму в метал залежить від властивостей нагрівається металу і назад пропорційна квадратному кореню з частоти струму. Чим більше частота струму, тим тонше виходить загартований шар. Зазвичай застосовують машинні генератори з частотою 500-15 000 Гц і лампові генератори з частотою дою 6 Гц. При використанні машинних генераторів товщина загартованого шару становить 2-10 мм, лампових - від десятих часток міліметра до 2 мм.
Після нагрівання в індукторі деталь охолоджується за допомогою спеціального охолоджуючого пристрою. Через наявні в ньому отвори на поверхню деталі розбризкується охолоджуюча рідина.
Структура загартованого шару складається з мартенситу, а перехідної зони - з мартенситу і фериту. Глибинні шари нагріваються до температур нижче критичних і при охолодженні не упрочняются. Для підвищення міцності серцевини перед поверхневої загартуванням деталь іноді піддають нормалізації або поліпшення. Нагрівання триває зазвичай до 10 с, причому швидкість нагрівання становить 100-1000 ° С / с.
Перевагами поверхневого гарту ТВЧ є регульована глибина загартованого шару; висока продуктивність і можливість автоматизації; відсутність зневуглецювання і окалиноутворення; мінімальне жолоблення деталі. До недоліків відноситься висока вартість індуктора, що є індивідуальним для кожної деталі, і звідси мала застосовність ТВЧ до умов одиничного виробництва.
Для поверхневого гарту застосовують звичайно вуглецеві сталі, що містять близько 0,4% С. Глибока прокаливаемость при цьому методі не використовується, тому леговані сталі зазвичай не застосовують. Після гарту проводять низький відпустку при 200 ° С або навіть самоотпуск. Після гарту і відпустки твердість сталі HRC 45-55 на поверхні і HRC 25-30 у серцевині.
Високочастотної загартуванню піддають шийки колінчастих валів, кулачкових валів, гільзи циліндрів, поршневі пальці, деталі гусениць, пальці ресори і т. д. Вибір товщини зміцнюваного шару залежить від умов роботи деталі. Якщо від деталі потрібно лише висока зносостійкість, товщина зміцнюваного шару складає 1,5-3 мм, у випадку високих контактних навантажень і можливої перешліфовки оптимальна товщина зростає до 5-10 мм.
Для поверхневого гарту може використовуватися нагрів лазером. Лазери - це квантові генератори оптичного діапазону в основу роботи яких покладено посилення електромагнітних коливань за рахунок індукованого випромінювання атомів (молекул). Лазерне випромінювання поширюється дуже вузьким пучком і характеризується високою концентрацією енергії. Джерелами генерованого випромінювання служать тверді тіла (рубіни, алюмінієві граніти, ітрій, скла) і гази (Не, Ne, Аг, СО 2).
Під дією лазерного випромінювання поверхню деталей за короткий проміжок часу (10 -3 -10 -7 с) нагрівається до високих температур. Після припинення опромінення нагріті ділянки швидко охолоджуються завдяки інтенсивному відведенню тепла холодними обсягами металу. Відбувається гарт тонкого поверхневого шару.
Лазерна обробка поверхні сталевих та чавунних деталей істотно збільшує їх зносостійкість, межа витривалості при згині і межа контактної витривалості. Лазерна обробка - перспективний метод поверхневого зміцнення виробів складної форми, що працюють в умовах зносу і втомного навантаження.