Методы повышения прочности деталей. (Лекция 4)

1. Методы повышения прочности

2. Методы повышения прочности

Термические, химико-термические и пластические методы повышения прочности деталей.
Значительное количество деталей ДВС подвергается термической и химико–термической
обработке, поверхностному упрочнению.
Наибольшее распространение в машиностроении получили процессы термообработки
(отжиг, нормализация, отпуск, закалка объемная или ТВЧ местная), цементации,
цианирования и азотирования.
Использование этих методов обеспечивает значительное повышение контактной прочности
поверхностей, износоустойчивости с сохранением пластичности по основному материалу.
Для механического упрочнения поверхностного слоя может применяться обработка дробью
и накатка.

3. Методы повышения прочности

Термические, химико-термические и пластические методы повышения прочности деталей.

4. Методы повышения прочности

5.

Методы повышения прочности

6.

Методы повышения прочности

7.

Методы повышения прочности

8. Методы повышения прочности

Термические, химико-термические и пластические методы повышения прочности деталей.

9.

Методы повышения прочности

10. Методы повышения прочности

11. Методы повышения прочности

12. Методы повышения прочности

Закалка ТВЧ
Закалка ТВЧ - поверхностный нагрев участка детали токами высокой частоты с
последующим резким охлаждением для обеспечения твердости поверхностного слоя более
HRC 45
Закалке ТВЧ подвергаются шейки опорные и кулачки распределительных валов, опорные
поверхности роторов, шестерни, шейки стальных коленвалов, гильзы и другие детали.
Требование к материалу – содержание углерода не менее 0,42% (стали типа 45) или стали
дополнительно легированные хромом (40Х, 45Х, 40ХНМ и другие).
Глубина закаленного слоя - в пределах 1,5…3,0 мм.
Возможности закалки ТВЧ ограничиваются мощностью используемых генераторов.
Например, мелкие шестерни могут калиться по всей поверхности зубьев одновременно, а
шестерни маховиков подвергаются закалке участками. Установки закалки ТВЧ коленчатых и
распределительных валов встраиваются в технологические линии механической обработки
с последовательной закалкой каждой шейки.
Метод закалки ТВЧ достаточно экологически чист в сравнении с объемной закалкой и при
встраивании установки ТВЧ в технологическую линию, позволяет снизить общее цикловое
время изготовления детали за счет сокращения времени транспортных перевозок.
Поверхностная закалка ТВЧ обеспечивает также значительно меньшие деформации
деталей, чем объемная.

13.

Методы повышения прочности

14. Методы повышения прочности

Цементация.
Цементация - процесс насыщения поверхностного слоя материала углеродом и придания ему путем
последующей термообработки (закалка + отпуск) высокой твердости.
Цель цементации – повышение износоустойчивости поверхности и предела усталости с сохранением
достаточной пластичности сердцевины.
Цементация может проводиться:
- в твердой среде (твердом карбюризаторе) в смеси древесного угля или кокса с CaCO3 и ВаCO3;
- в газовой среде (газ NН4);
- в жидкой среде (расплавы солей Na2CO3+NaCl+SiC).
Температура при цементации зависит от выбранного метода и находится в пределах 850…980 °С
Глубина цементации:
- в твердом карбюризаторе - 0,4…2,5 мм при длительности процесса от 5 до 24 часов;
- в газовой среде- до 1,8 мм при 12 часовом режиме.
При изготовлении крупных деталей глубина цементированного слоя может доходить до 6 мм. Твердость
поверхностного слоя после закалки составляет HRCэ >50.

15. Методы повышения прочности

Цементация.
Под воздействием высокой температуры свободный
углерод проникает в кристаллические решетки металла
с образованием карбидов (FeC).
Карбиды образуются в химическом соединении
углерода с железом, хромом, молибденом, вольфрамом,
ванадием, которые после последующей термической
обработки и обеспечивают твердость поверхностного
слоя HRCэ >50.
Цементации подвергаются поверхности деталей :
- из малоуглеродистых сталей ( Ст3, Ст10, Сталь 20);
- из малоуглеродистых легированных сталей типа 20Х,
20ХМ, 12ХН3А и подобных.

16. Методы повышения прочности

Цементация.
В связи с длительной выдержкой заготовки при высокой температуре структура материала
получается крупнозернистой.
Операция цементации никогда не проводится на окончательно готовой детали. Деталь
направляется в цементацию после предварительной механической обработки в размеры,
обеспечивающие необходимые требования ЧТД по глубине слоя готовой детали.
Для получения необходимой твердости и структуры заготовки после цементации подвергают
двойной закалке и отпуску, уменьшающему остаточные напряжения и сохраняющему
необходимую твердость стали.
Характерным дефектом цементированной поверхности является появление на ней трещин,
возникающих в процессе закалки или в процессе шлифования, при значительных режимах
обработки и недостаточном охлаждении. Это связано с пересыщением углеродом поверхностного
слоя и появлением значительных внутренних напряжений.

17. Методы повышения прочности

Цементация.
Обычно цементации подвергают не все, а лишь отдельные поверхности заготовки, которым должна быть придана
высокая твердость. Поверхности, не подвергаемые цементации должны быть изолированы.
Способы защиты нецементируемых поверхностей:
-
гальваническое меднение,
применение различных обмазок,
предохранение с помощью медных пробок,
надевание на наружную поверхность колпачков.
припуск, удаляемый с заготовки после цементации до закалки.
Технологический процесс изготовления детали:
1. Обработать поверхности заготовки подлежащие цементации с припуском под обработку после закалки.
2. Остальные поверхности заготовки либо не обрабатывать, либо обработать с припуском в 1,5…2 раза
превышающим заданную глубину цементированного слоя.
3. После цементации накладной припуск с поверхностей удалить и заготовку направить на закалку, в результате
которой высокую твердость приобретут только цементированные поверхности.
Основной класс деталей подвергающихся цементации – шестерни. Цементируются также отдельные поверхности
валов, цапф, втулок, работающих на трение.

18. Методы повышения прочности

Азотирование
Азотирование - процесс насыщения поверхностного слоя детали азотом для повышения
поверхностной твердости, износостойкости, усталостной прочности и коррозионной стойкости.
Твердость азотированной поверхности НV 1000…1150
До азотирования детали подвергают термообработке, проводят чистовую обработку заготовки, а
после азотирования – отделочную обработку (тонкое шлифование, притирку, доводку и т. п.)
Азотирование проводится в специальных печах в среде диссоциированного аммиака (NH4) при
температуре 480…650º С.
Различают два вида азотирования:
-
Прочностное ( длительный процесс, глубина слоя 0,5…0,8 мм при выдержке 50…60 часов);
Антикоррозионное (кратковременный процесс, глубина слоя 0,025…0,06 мм)

19. Методы повышения прочности

Азотирование
Разновидностью газового азотирования является ионное азотирование. При ионном азотировании
процесс насыщения идет быстрее, что значительно снижает поводки детали, но процесс требует специальной
установки ионного азотирования. Азот, проникая в металл, образует химические соединения – нитриды.
Твердость азотированной поверхности >76 HRA.
Методы защиты поверхностей от азотирования:
- лужение (слой 0,01… 0,02);
- гальваническое никелирование или цинкование (слой 0,04…0,06 мм),
- специальными обмазками:
а) свинцово - оловянистая пыль в смеси с растительными маслами, стеарином и свиным салом;
б) жидкое стекло с сушкой при 100…120 °С

20. Методы повышения прочности

Азотирование
Недостатки азотирования:
1.
Для сложнолегированных сталей характерно «разбухание», т.е. увеличение диаметральных
размеров валов либо уменьшение диаметров отверстий в пределах 5…20 мкм;
Решается корректировкой размеров опытным путем.
2. Пересыщение азотом поверхностного слоя в результате чего поверхность «шелушится».
Решается подбором режимов азотирования: степень диссоциации аммиака, температура, время
выдержки)
Из деталей ДВС азотированию могут подвергаться шейки коленчатых валов, поверхность
зубьев шестерен, стальные гильзы цилиндров двигателей В2, Д6. Материал Сталь38ХМЮА.
Проводится двухстороннее азотирование: внутренней поверхности гильзы ф150 наружной
поверхности ф163,5 в зоне охлаждения водой для предохранения от коррозии.

21. Методы повышения прочности

Особенности построения технологических схем обработки деталей при
наличии химико–термической обработки (ХТО)
При наличии ХТО цементации или азотирования техпроцесс условно
можно разделить на 2 этапа:
1. обработка заготовки до ХТО;
2. обработка после ХТО.
При этом если для предохранения поверхностей от цементации
используется накладной припуск, то заготовка после цементации возвращается
на механическую обработку для снятия накладных припусков.
Мех. Обр.
До цементации
Цементация
Снятие накл.
припусков
Закалка
отпуск
Оконч. Мех.
обработка
При использовании защиты нецементируемых поверхностей
Мех. Обр.
До цементации
Предохранен
Нецементир.
Поверхност.
Цементация
Закалка
отпуск
Оконч. Мех.
обработка
Для деталей с азотированием
Мех. Обр.
До азотирования
Предохране
ние не азот.
Поверхн.
Азотированиев
Оконч. Мех. Обраб.

22. Методы повышения прочности

Цианирование.
Процесс насыщения поверхностных слоев заготовки одновременно азотом и углеродом.
После цианирования твердость выше, чем при цементации (НV 1000…1100)
Цианированию подвергают детали, работающие на износ при динамических нагрузках, а также
инструмент.
Глубина цианированного слоя в пределах 0,015…0,03 мм.
В зависимости от вида карбюризатора цианирование проводится в жидкой, газовой или твердой
средах в интервале трех температурных режимов: 540…560 °С, 820…860 °С, 920…960 °С
В деталях ДВС используют крайне редко в узле регулировки подачи топлива.

23. Методы повышения прочности

Обработка деталей ДВС дробью.
Назначение дробеструйной обработки (ДО):
- удаление окалины после ТО и травления для повышения размерной стойкости инструмента и снижения
износа направляющих станков;
- увеличение площади контакта поверхностей перед покрытием ЛКМ с одновременным удалением
возможных следов коррозии;
- повышение конструкционной прочности деталей, работающих при циклически меняющихся
нагрузках (дробеструйный наклеп).
Процесс ДО применим к деталям сложной формы, отличается высокой производительностью и
экономичностью.
ДО снижает чувствительность к конструктивным и технологическим поверхностным концентраторам
напряжений (галтели, надрезы и т.д.) .
Дробеструйный наклеп для деталей ДВС: пружины клапанов и форсунок, рессоры, рычаги, тяжело
нагруженные шатуны.

24. Методы повышения прочности

Обработка деталей ДВС дробью.
Дробь:
- чугунная литая;
- стальная литая;
- рубленная из проволоки стальная.
Режимы дробеструйного наклепа:
- скорость движения дроби (60…100 м/с);
- диаметр дроби (от 0,4 до 2 мм);
- угол атаки;
- продолжительность обработки (50…250 кг/мин.)
Эффективность дробеструйного наклепа оценивают по
повышению срока службы детали в эксплуатации или по ее
долговечности (в часах или циклах нагружения) на
испытательных стендах.
Перенаклеп деталей менее опасен, чем недоклеп, однако
излишнее время обработки вызывает разрушение(шелушение)
поверхностного слоя.

25. Методы повышения прочности

Обработка накатыванием.
Обработка накатыванием используется в основном для
снижения шероховатости и создания наклепа поверхностного
слоя.
В качестве инструмента используется ролики, шарики или
алмазные накатники, установленные в оправку.
Детали ДВС подвергаемые обкатыванию: круглые рессоры,
галтели коленчатых валов, клапаны, отверстие под палец в
поршне и т.д.
Усилие, припуск под раскатывание и величина подачи обычно
устанавливаются опытным путем.
В качестве СОЖ используется минеральное масло для стальных
деталей и деталей из цветных сплавов и керосин при обработке
чугунов.

26. СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ