Методы восстановления деталей

12.1.4.Упрочнение наклепом.

    Местное уплотнение металла с помощью специальных отбойных молотков, приводящее к возникновению внутренних напряжений сжатия при ударе рабочего инструмента по поверхности детали называется наклёпом. Твердость поверхности детали возрастает на 30…50 %. Глубина наклепа достигает 20…25 мм, сопротивление усталости повышается на 50…90 %, долговечность увеличивается в два раза и более.   Наклепом упрочняют как плоские поверхности (зубья колес, сварные швы), так и поверхности сложной формы (например, галтели коленчатых валов).

   Упрочнение галтелей  выполняют специальным пневматическим  молотком КМП-14М с энергией  удара 0,25…0,5 кНм или ручным слесарным  молотком массой 0,8 кг со специальными бойками, размеры которых должны соответствовать размерам галтелей.                                        
1. Дробеструйная обработка стальной или чугунной дробью диаметром 0,4—2 мм с помощью механического или пневматического дробемета. 
2. Центробежно-шариковый наклеп с помощью специальной установки. 
3. Обкатка свободно вращающимися роликами путем прижима роликов к обрабатываемой поверхности силой 1,5— 4 кН. Припуск на обкатывание 0,01—0,02 мм. 
4. Виброобкатывание шариком, роликом или алмазным наконечником, одновременно перемещающимся относительно детали и совершающим синусоидальное колебательное движение. Позволяет получить на поверхности различные виды микрорельефа с некасающимися, касающимися, пересекающимися канавками. Обычно осуществляется на токарном станке. Повышает износостойкость в 1,5—2 раза, сокращает время приработки, обеспечивает высокую герметичность, исключает ряд финишных операций. 
5. Механическая чеканка специальными бойками, роликами, шариками. Ударным воздействием на упрочняемую поверхность за счет местного наклепа повышает твердость на 30—50 %. 
6. Дорнование (продавливание) дорном или стальными шариками отверстий. Повышает точность отверстия и уменьшает в 4—10 раз шероховатость поверхности. 
7. Раскатывание отверстий роликовыми раскатниками или вальцовками при изготовлении гидроцилиндров, корпусных деталей и др. Повышает точность и уменьшает шероховатость поверхности отверстия.

12.2.Химико-термическое  упрочнение поверхности.

                                                             Способы: 
   1.Цементация — насыщение углеродом до 1 % поверхностного слоя глубиной до 1 мм углеродистой и легированной стали с содержанием углерода до 0,25 %. После закалки твердость цементированной поверхности до HRC 60. Цементации подвергают зубчатые колеса, валы, оси, и шпиндели. 
    2.Азотирование — насыщение азотом поверхностного слоя до 0,5 мм легированных сталей (38ХМЮА, 35Х10А и др.). Твердость азотируемого слоя до HRC 78. Вместе с износостойкостью и усталостной прочностью резко возрастает коррозионная стойкость. Азотированию подвергают шейки шпинделей, зубчатые колеса, измерительные инструменты и др. 
    3.Термическое упрочнение состоит в поверхностной закалке углеродистой стали марок 40, 45, 50 и низколегированной хромистой и марганцовистой сталей. Нагревание поверхности детали до температуры закалки производят кислородно-ацетиленовым пламенем (пламенная закалка) с помощью горелки со специальными закалочными мундштуками различных размеров и профиля и токами высокой частоты (закалка твч). Охлаждение детали производят в воде, масле и др. Детали, прошедшие поверхностную закалку, подвергают низкому отпуску при температуре 180—200 °С в масляных ваннах. Закалка повышает в несколько раз износостойкость деталей, работающих с динамическими нагрузками и высокими удельными давлениями (зубья колес, шлицы, резьба, шейки валов и осей, кулачки и др.). 
      4.Закалке твч подвергают чугунные направляющие металлорежущих станков: твердость поверхности до HRC 56, глубина закалки до 3,5 мм. 
      5.Пескоструйная обработка представляет собой особый технологический процесс, который нужен для очистки поверхности и предварительной подготовки к нанесению специального защитного покрытия или краски. Обработка выполняется при помощи направленной подачи абразива – а именно песка. 
Пескоструйная обработка применяется для того, чтобы обрабатывать камень, бетон, кожу, древесину, металл. При помощи сжатого воздуха пескоструйное оборудование обеспечивает высокое ускорение, направляющее песок на обрабатываемую поверхность. 
   Сегодня данная технология активно используется для очистки металла – у поверхности появляется особая шероховатость, и это позволяет обеспечить идеальное сцепление с защитным строем. Пескоструйная обработка – нужный этап в ходе целого художественно-оформительских работ, к примеру, декоративного матирования (мраморные или стеклянные изделия). Пескоструйная обработка используется как в качестве промежуточного технологического этапа, а также как вариант непосредственной очистки объекта (к примеру, очищение внутренней поверхности трубы). 
   При помощи пескоструйной обработки выполняется целый ряд работ:

1. снятие окалины;

2. снятие ржавчины;

3. шлифование поверхностей (как правило, при помощи кварцевого песка);

4. предварительная обработка поверхности перед покраской.

   Сегодня пескоструйные  аппараты или пескоструйные камеры  – важнейшие элементы оснащения  целого ряда промышленных предприятий. Механизмы, предназначенные для  пескоструйной обработки, активно  применяются в автомобильной, приборостроительной, строительной, металлургической и  других отраслях. При помощи пескоструйной  обработки срок службы разнообразных  поверхностей можно увеличить  более чем в пять раз.

   Качество  обработки и производительность  изготовления изделий являются  важнейшими показателями уровня  развития государства.   Поверхностное упрочнение выполняется в качестве заключительной операции на деталях, прошедших механическую и термическую обработку.   Одна из актуальных задач машиностроения – дальнейшее развитие, совершенствование и разработка новых технологических методов обработки заготовок деталей машин, применение новых конструкционных материалов и повышение качества обработки деталей машин.

12.3.Основные методы  упрочнения материалов.

 

   Упрочнение в технологии  металлов – это повышение сопротивляемости  материала заготовки или изделия  разрушению или остаточной деформации.

   Упрочнение материала  заготовок и изделий достигается  механическими, термическими, химическими  и др. воздействиями, а также комбинированными  способами (химико-термическими, термомеханическими  и др.). Наиболее распространённый  вид упрочняющей обработки –  поверхностное пластическое деформирование (ППД) – простой и эффективный  способ повышения несущей способности  и долговечности деталей машин  и частей сооружений, в особенности  работающих в условиях знакопеременных  нагрузок (оси, валы, зубчатые колёса, подшипники, поршни, цилиндры, сварные  конструкции, инструменты и т.п.). В зависимости от конструкции, свойств материала, размеров и  характера эксплуатационных нагрузок  деталей применяются различные  виды ППД: накатка и раскатка  роликами и шариками, обкатка  зубчатыми валками, алмазное выглаживание, дорнование, гидроабразивная, вибрационная, дробеструйная и др. способы обработки. Часто ППД, кроме упрочнения, значительно  уменьшает шероховатость поверхности, повышает износостойкость деталей, улучшает их внешний вид (упрочняюще-отделочная  обработка). Упрочнение при термической  обработке металлов обеспечивается, в частности, при закалке с  последующим отпуском. Улучшению  прочностных свойств значительно  способствуют и определённые  виды термомеханической обработки (в т. ч. горячий и холодный наклёп). Упрочнение химико-термическим воздействием  может осуществляться путём азотирования, цианирования, цементации, диффузионной  металлизации (насыщением поверхности  детали алюминием, хромом и др. металлами).

   Упрочнение обеспечивается  также применением электрофизических  и электрохимических методов  обработки, ультразвуковой, электроэрозионной, магнитоимпульсной, электрогидравлической, электроннолучевой, фотоннолучевой, анодно-химической, электроискровой, а также воздействием  взрывной волны, лазера и др. Упрочняющая  обработка может быть поверхностной (например, пластическое деформирование  с возникновением поверхностного  наклёпа), объёмной (например, изотермическая  закалка) и комбинированной (например, термическая обработка с последующим ППД). Объёмная и поверхностная упрочняющая обработки могут вестись последовательно несколькими методами[3].

12.4.Термомеханическая  обработка стали.

 

   Одним из технологических  процессов упрочняющей обработки  является термомеханическая обработка (ТМО). Термомеханическая обработка относится к комбинированным способам изменения строения и свойств материалов. При термомеханической обработке совмещаются пластическая деформация и термическая обработка (закалка предварительно деформированной стали в аустенитном состоянии). Преимуществом термомеханической обработки является то, что при существенном увеличении прочности характеристики пластичности снижаются незначительно, а ударная вязкость выше в 1,5...2 раза по сравнению с ударной вязкостью для той же стали после закалки с низким отпуском. В зависимости от температуры, при которой проводят деформацию, различают высокотемпературную термомеханическую обработку (ВТМО) и низкотемпературную термомеханическую обработку (НТМО). Сущность высокотемпературной термомеханической обработки заключается в нагреве стали до температуры аустенитного состояния (выше А3). При этой температуре осуществляют деформацию стали, что ведет к наклепу аустенита. Сталь с таким состоянием аустенита подвергают закалке (рисунок 1, а). Высокотемпературная термомеханическая обработка практически устраняет развитие отпускной хрупкости в опасном интервале температур, ослабляет необратимую отпускную хрупкость и резко повышает ударную вязкость при комнатной температуре. Понижается температурный порог хладоломкости. Высокотемпературная термомеханическая обработка повышает сопротивление хрупкому разрушению, уменьшает чувствительность к трещинообразованию при термической обработке.

 

         

           Рис. 17. Схема режимов термомеханической обработки стали:

            а - высокотемпературная термомеханическая  обработка (ВТМО);

            б - низкотемпературная термомеханическая  обработка.

 

   Высокотемпературную  термомеханическую обработку эффективно  использовать для углеродистых, легированных, конструкционных, пружинных  и инструментальных сталей.

Последующий отпуск при температуре 100...200°С проводится для сохранения высоких значений прочности.

Низкотемпературная термомеханическая обработка (аусформинг).

Сталь нагревают до аустенитного состояния. Затем выдерживают при высокой температуре, производят охлаждение до температуры, выше температуры начала мартенситного превращения (400...600°С), но ниже температуры рекристаллизации, и при этой температуре осуществляют обработку давлением и закалку (рисунок 1,б).

   Низкотемпературная  термомеханическая обработка, хотя  и дает более высокое упрочнение, но не снижает склонности стали  к отпускной хрупкости. Кроме  того, она требует высоких степеней  деформации (75...95 %), поэтому требуется  мощное оборудование. Низкотемпературную  термомеханическую обработку применяют  к среднеуглеродистым легированным  сталям, закаливаемым на мартенсит, которые имеют вторичную стабильность  аустенита. Повышение прочности  при термомеханической обработке  объясняют тем, что в результате  деформации аустенита происходит  дробление его зерен (блоков). Размеры  блоков уменьшаются в два - четыре  раза по сравнению с обычной  закалкой. Также увеличивается плотность  дислокаций. При последующей закалке  такого аустенита образуются  более мелкие пластинки мартенсита, снижаются напряжения.

   Механические свойства  после разных видов ТМО для  машиностроительных сталей в  среднем имеют следующие характеристики (смотри таблицу 1)

 

Таблица 1 – Механические свойства после ТМО

	σв, МПа	σТ, МПа	δ,%	Ψ,%
НТМО	2400...2900	2000...2400	5...8	15...30
ВТМО	2100...2700	1900...2200	7...9	25... 40
ТО	1400	1100	2	3
				(сталь 40 после обычной  закалки)

 

 

Термомеханическую обработку применяют и для других сплавов[1].

12.5.Поверхностное  упрочнение стальных деталей.

 

   Конструкционная  прочность часто зависит от  состояния материала в поверхностных  слоях детали. Одним из способов  поверхностного упрочнения стальных  деталей является поверхностная закалка. В результате поверхностной закалки увеличивается твердость поверхностных слоев изделия с одновременным повышением сопротивления истиранию и предела выносливости. Общим для всех видов поверхностной закалки является нагрев поверхностного слоя детали до температуры закалки с последующим быстрым охлаждением. Эти способы различаются методами нагрева деталей. Толщина закаленного слоя при поверхностной закалке определяется глубиной нагрева. Наибольшее распространение имеют электротермическая закалка с нагревом изделий токами высокой частоты (ТВЧ) и газопламенная закалка с нагревом газово-кислородным или кислородно-керосиновым пламенем.

                               12.6.Закалка токами высокой частоты.

   Метод разработан советским ученым Вологдиным В.П. Основан на том, что если в переменное магнитное поле, создаваемое проводником-индуктором, поместить металлическую деталь, то в ней будут индуцироваться вихревые токи, вызывающие нагрев металла. Чем больше частота тока, тем тоньше получается закаленный слой.

   Обычно используются  машинные генераторы с частотой 50... 15000 Гц и ламповые генераторы  с частотой больше 106 Гц. Глубина закаленного слоя - до 2 мм. Индукторы изготавливаются из медных трубок, внутри которых циркулирует вода, благодаря чему они не нагреваются. Форма индуктора соответствует внешней форме изделия, при этом необходимо постоянство зазора между индуктором и поверхностью изделия.

Схема технологического процесса закалки ТВЧ представлена на рисунке 14.

                                          

                   Рис. 18. Схема технологического процесса закалки ТВЧ.

   После нагрева  в течение 3...5 с индуктора 2 деталь 1 быстро перемещается в специальное  охлаждающее устройство - спрейер 3, через отверстия которого на  нагретую поверхность разбрызгивается  закалочная жидкость.   Высокая  скорость нагрева смещает фазовые  превращения в область более  высоких температур. Температура  закалки при нагреве токами  высокой частоты должна быть  выше, чем при обычном нагреве.   При правильных режимах нагрева  после охлаждения получается  структура мелкоигольчатого мартенсита. Твердость повышается на 2...4 HRC по сравнению с обычной закалкой, возрастает износостойкость и предел выносливости.   Перед закалкой ТВЧ изделие подвергают нормализации, а после закалки низкому отпуску при температуре 150...200°С (самоотпуск).   Наиболее целесообразно использовать этот метод для изделий из сталей с содержанием углерода более 0,4 %.

                                           

 Преимущества  метода:

• большая экономичность, нет необходимости нагревать все изделие;

• более высокие механические свойства;

• отсутствие обезуглероживания и окисления поверхности детали;

• снижение брака по короблению и образованию закалочных трещин;

• возможность автоматизации процесса;

• использование закалки ТВЧ позволяет заменить легированные стали на более дешевые углеродистые;