Аносов Ю.М. и др. Основы отраслевых технологий и организации производства

Подождите немного. Документ загружается.

ычная ТО

втмо

втмо + нтмо

8,

Па

1040

1155

1295

т

Па

447

430

745

о, %

53,3

33,5

,%

37,5

36,6

30,6

3.12.2. Мехапико-термическая обработка

HRC

При ТМО фазовые и структурные превращения происходят

после пластического деформирования. Однако, если изменить

последовательность: вначале превращения, а потом деформаци

онное

упрочнение (наклеп), то это будет новый

вид упрочняю

щей обработки, называемый механико-термической обработкой

(МТО).

Если, например, сталь закалить, то она имеет большую проч

ность и относительно малую пластичность. Однако закаленная

сталь обладает способностью дополнительно упрочняться в ре

зультате

небольтих деформаций. Оказалось, что достаточно про

деформировать

закаленную сталь на 2-5 %, чтобы увеличить ее

прочность

на 10-25 %.

МТО, состоящая из закалки на структуру мартенсита с последу

ющей малой пластической деформацией и низким отпуском, имеет

и иное (специальное) название - марформинг. Марформинг оз

начает, что деформации подвергается сталь со структурой мар

тенсита.

МТО, при которой обычной термообработкой получают тонко

пластинчатый перлит (троостит охлаждения, а не троостит отпус

ка) с последующей холодной пластической деформацией, носит на

звание патептировапие. Такому упрочнению подвергают обычно

тонколистовой прокат и проволоку. При патентнравании дают боль

шую

степень деформации (до 95 % ). В результате достигается на

инструментальных сталях самая высокая для них прочность

4500 МПа (это почти 1/3 значения теоретической прочности

стали).

Установлено, что методом деформационно-термической обра

ботки

можно в 2-3 раза повысить прочностные свойства сталей

по

сравнению с нетермообработанным или отожженным состоя

нием (табл. 3.4).

Та

бли

ца

3.4

Влияние наи

олее распространенн

ых

способов упрочня

ющ

их обработок

на механические свойства стали

ерми

еская обработка

Про

ность

Пл

асти

ость

Вязкость

Отжиг

Самая низкая

Самая высокая

Средняя

Нормализация

Низкая

Высокая

Вы

окая

Ул

учшение

Средняя

•

Самая высокая

ВТМО

(

аусформинг)

Высокая

• • •

тмо (•

)

Самая высокая

Самая

низкая

Средняя

МТО (ма

рформинг)

• • • •

Самая низкая

Описа-н ные

вы

ше способы ТМО и МТО являются относительно

новыми, высоэфив и прогрессивными :(перспективны

ми для примен в производстве ).

3,&. ПОРХНОСТНОЕ УПРОЧНЕНИЕ

ЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Поверхностны ушрочнением называется упрочнение поверх

нос

ного слоя де1али за счет изменения его химического соста

ва и (или'): структур1.

Для повышения прочностных свойств (твердости, износостой

кости, прочности, соnротивления усталости и т. д.) поверхностных

слоев деталей машин обычно применяют следующие методы:

- поверхностное деформационное (механическое) упрочнение;

- поверхностная закалка;

- химико-термическая работка.

Дефор

мационлое упрочнение поверхности или поверхностное

пластическое деформирование.

Упрочнение (наклеп) порхностного слоя пластическим дефор

мированием осуще€т

ляетс дробеструйным воздействием или

обкаткой твердым роликом под давлением.

Поверх

ностная закалка - поверхностный слой изделия нагре

вают до заданной температуры. При этом глубина закаленного

поверхностного слоя составляет 1-5 мм. Поверхность детали мо

жет быть нагрета до температуры закалки различными способами:

кра.

тковременным помещением детали в расплавы металлов, со

лей или· электролитов; горелками, лазерным лучом, плазмотроном

или токами высокой частоты (ТВЧ

)

. Наибольшее применекие име

ет поверхностная закалка ТВЧ.

После поверхностной закалки и последующего низкого отпус

ка деталь имеет твердую, износостойкую и прочную поверхность,

вязкую и достаточно пластичную сердцевину. Такое сочетание

свойств необходимо во многих случаях,

частности, для деталей

работающих в условиях динамических и переменных нагрузок,

изнашиваемыми поверхностями (шестерни, втулки, валы и т. п.).

При поверхностной закалке токами высокой частоты деталь

помещают внутрь специального индуктора из медной охлаждае

мой трубки. Индуктор имеет вид петли, спирали или другую более

ложную форму. Через индуктор пропускают электрический ток

высокой частоты (от 500 Гц до 10 МГц) и большой силы. Возника



ющие

при этом вихревые токи (токи Фуко) в

поверхностном слое

детали быстро разогревают его. Глубина нагреваемого слоя зави

сит

в основном от частоты тока и определяется по формуле

8 = 5030

,

v�

где"{ - частота тока, Гц; 8-глубина пнновения тока, см;

р -- .удельное элетросопротивление, Ом .. см;  - магнитная

цроницаемость, ГсjЭ

·изменяя частоту тока и время нагрем, достигают требуемой

температуры и глубины нагрева, а после быстрого охлаждения по

лучают соответствующую глубину зааленног слоя.

Технология обработки деталей заккой с нагревом·-токами вы

сокой часты и последующим низкотемпературным (180-200 °С)

отпуском обеспечивает высокую производительность термообра

ботки; ТВЧ не сопровождается окислением и обезуглероживани

ем поверхности; отсутствует оробление детали

;

получается :бо

лее высокая твердость поверхности, чем после обычной закалки

и отпуска.

Хи

мик

о-термической обработкой (ХТО) называется техноло

гия насыщения поверхности детали углеродом, азотом, алюмини

ем, хромом и другими элементами вещества. ХТО заключается

в нагреве и выдержке детали в соответствующих химических ре

агентах для изменения состава и структуры поверхностных сло

ев. После химико-термической обработки проводят соответству

ющую термическую обработку.

На пратие широко используют следующие способы ХТО:

цементацию, азотирование, нитроцементацию (цианирование), си

лицирование, диффузионную металлизацию и др.

Цементацией называется высокотемпературная ХТО с насы

щением поверхностного слоя стальных, чугунных и иных изде

лий углеродом для повышения их твердости и износостойкости

после закалки и низкого отпуска или после двукратной закалки

и низкого отпуска.

Различают два вида цементации: твердую и газовую, т. е. в твер

дом и газообразном арбюризаторах (древесный уголь или при

родвый газ). Карбюризатор - это среда

высоким углеродным

содержанием, в оторой происходит насыщение поверхности ста

ли углеродом.

Цементацию производят при температурах 930-950 ос, огда

сталь имеет структуру аустенита с высокой растворимостью в нем

углерода. При высоких температурах углерод арбюризатора всту

пает в химическую реакцию с ислородом воздуха и образует

окись углерода по реакции

2С

О2 = 2СО.

Но окись углерода при температуре цементации неустойчива,

при онтакте с железной поверхностью разлагается на углекис

лый газ и атомарный углерод

2со -со2 +с.

Атомарный углерод диффундирует вглубь поверхности детали,

так ак ристаллическая решетка  (Fey) легко растворяет (по

глощает) в себе до 2 % углерода.

После науглероживания поверхности детали из малоуглистой

стали ее подвергают окончательной термической обработке. Для

ответственных и тяжелонагруженных деталей осуществляют двой

ную закалку: первая (для материала под нацементованным сло

ем) с нагревом выше температуры

• т. е. до температур 850-

900 ос, а вторая - с нагревом на 30-50°С выше температуры Acl•

т. е. до 760-780 ос. Охлаждение производится в воде или масле

(для легированных сталей). Менее ответственные детали подверга

ют

закалке с температур нагрева выше Acl· Во всех случаях пос

ледней операцией термической обработки является низкотемпера

турный (180-200 °С) отпуск.

результате цементации и термообработки поверхность дета

ли имеет большую твердость

(HRC 58-62)

сердцевина остается

достаточно вязкой и пластичной, что обеспечивает высокую со

противляемость динамическим и переменным нагрузкам.

Азотирование - это технология ХТО с насыщением поверх

ност

ого слоя стали, чугуна и сплавов

угоплавких металлов азо

том при температурах 500-600 ос в течение 20-60 ч.

Обычно азотирование осуществляется в нагретой печи, через

пространство оторой пропускается аммиак. При этом аммиак

разлагается

с выделением атомарного азота по следующей реакции:

2NH- 3Н

+ 2N (атомарный).

Атомарный азот диффундирует в поверхностные слои детали и

образует там нитриды.

Заготовки деталей, подлежащих азотированию, подвергаются

термическому улучшению, т. е. закалке с высоким отпуском.

После черновой и получистовой механической обработки детали

азотируют.

Глубина и твердость азотированного слоя зависят от ряда фак

торов, из оторых основными являются следующие: температура

и продолжительность азотирования, химический состав азотиру

емой стали.

Азо'l

рование деталей п

именяют для повышения твердости

и износостойкости; усталостной прочности и сопротивления :кор

розии.

Обычно азотированный слой имеет глубину 0,25-0,65 мм. Твер

дость азотированного с

лоя в 1,5-2,0 раза выше твердости цемен

тированного слоя и составляет 69-72 HRC. Теплостойкость азо

тированного слоя сохраняется до температуры 500-600 ос, а твер

дость цементированного слоя снижается, начиная уже с

250 ос.

Нит

роцементацией, или цианированием, называют процесс од

новременного и омбинированного насыщения поверхности детали

углеродом и азотом с целью наибольшего повышения твердости,

износостойкости, а также :коррозионной стойкости методом ХТО.

Существуют про

ессы жидкостного, газового и твердофазного

цианирования. Наибольшее распространение получило цианиро

вание в жидких и газовых средах.

Жидкостное цианирование производится в расплавленных ци

анистых солях (NaCN, KCN, Ba(CN)2 и

др.).

При расплавлении

цианистые соли разлагаются с образованием атомарного азота и

углерода, оторые диффундируют в поверхность изделия. Газовое

цианирование осуществляют в смеси науглероживающих и азо

тирующих газов (например, смесь светильного газа и аммиака).

Твердое цианирование осуществляют аналогично твердой цемен

тации, только в состав твердого арбюризатора вводят цианистые

соли.

Цианирование бывает низкотемпературным (при температуре

500-600 °С) и высокотемпературным (при 800-950 °С). Процесс

насыщения длится от 0,5 до 3,0 ч. Глубина получаемого нитроце

ментированного слоя - 0,2-0,5 мм и твердости HRC 55-57.

Силицированием называется химико-термическая обработка

стали, чугуна, а также тугоплавких металлов и сплавов, залючаю

щаяся в насыщении поверхности ремнием (Si)

с ц

елью повыше

ния оррозионной стойкости, жаростойкости, твердости и износо

стойкости.

Силицирование деталей осуществляют в газовой и жидкой сре

дах, или в окружении порошов из ремния, ферросилиция, арби

дов ремния и т. п., а также 80-90 % инертных добавок. Газовое

силицирование происходит из газовой среды, содержащей рем

ний. Жидкостное силицирование осуществляют в расплавах сили

катов щелочных металлов. Процесс силицирования идет при тем

пературах 900-1100 ос.

Диффузионная

металлизация - процесс насыщения поверх

ностных слоев стальных деталей различными металлами. Если

поверхность насыщается хромом, то этот процесс называется хро

мированием, алюминием - алитированием, бором - борировани

ем. Комбинированные процессы, состоящие в одновременном на

сыщении, например, хромом и алюминием, или хромом и вольфра

мом, называют хромоалитированием, хромовольфрамированием

и т. д. Температура и длительность диффузионной металлизации

зависят от насыщающей среды, природы обрабатываемого мате

риала, а также требуемой глубины насыщенного слоя.

3.14. КАЧЕСТВО МАТЕРИАЛОВ И МЕТОДЫ ОЦЕНКИ

ПОТРЕБИТЕЛЬСКИХ СВОЙСТВ

Под ачеством продукции, в том числе и материала, согласно

международной организации по стандартизации (ИСО), понимает

ся совокупность свойств и характеристик этой продукции, в част

ности материала

, оторая обеспечивает удовлетворение установ

ленных или предполагаемых потребностей (ISO 9000).

Данное определение ачества материала предполагает необхо

димость учета при оценке ачества по райней мере двух фато-

ров� производственного, от которого зависят технические пара

метры изделия, и рыночного, определяющего требования к мате

риалу со стороны потребителя.

Технологические возможности производства проявляются

в уровне аттестуемых характеристик реального материала, по

·ступающего на рыно

. Следовательно, при количественной оцен

е чества материала следует исходить из перечия аттестуемых

ег характеристик и реального значения этих характеристик, до

·стигаемых при данном уровне производства.

Второй (рыночный) фактор при количественной оценке качест

ва материала связан с сегментацией рынка и проявляется в соста

ве .атстуемых параметров по их значимости для данной рыноч

ной <

НИШИ». У потребителей, для которых ориентирован данный

материал, существуют вполне определенные требования к

продукции, которые дают возможность найти уровень так называ

емого «идеального товара». Другими словами, идеальная продук

ция имеет характеристики, в полной мере удовлетворяющие потре

бителя.

Каждая из характеристик материала может иметь вполне оп

ределенные отклонения от номинального показателя. Однако

покупа

тель «чувствует» эти отклонения только в том случае, если

они выходят за рамки четко очерченного диапазона, не восприни

маемого покупателем. Отклонения, превышающие данный диа

пан, певодят товар в другую группу качества.

Таким образом, современная методика оценки качества това

ра должна учитывать основные аттестуемые параметры реально



мариала, их весомость с точки зрения определенного рыноч

ного сегмента, чувствительность рынка к колебаниям нормируе

мых характеристик параметров идеального материала, в полной

мере удовлетворяющего требованиям потребителя.

Потребительскими свойствами промытленных материалов

являются те свойства, которые нужны (необходимы) и использу

юя

при производстве и эксплуатации изделий, т. е. при различ

ном употреблении материалов.

Важнейшими группами потребительских свойств материалов,

наиболее используемых

технике, являются механические и фи

зико-химические свойства.

механическим свойствам относятся: твердость, прочность,

упругость, эластичность, пластичность, вязкость, выносливость,

тепло-

и жаропрочность, хладостойкость, износостойкость и мно

гие другие. Все эти свойства оцениваются соответствующими ха

рактеристиками численно. Таких характеристик, используемых

на практике, насчитывается более 40.

Физические и химические свойства промытленных материалов

такие, как плотность, коррозионная стойкость, магнитные свойства

теплопроводность, электропроводность, светопроводность, цвет и др.,

тоже имеют большое значение в деле создания высококачествен

ных промытленных изделий (товаров).

Стоимость материала и любого изделия ак товара является

денежным выражением потребности и затрат на производство

данного товара. Следовательно-, стоимость (а не цена) состоит · ·

тр

ебительсой стоимости и себестоимости изготовления товара.

В данной работе в ачестве товара рассматриваются промышлек

ные материалы. А их стоимость предопределяется различни

потребительскими свойствами, основными из оторых для техни

ки являются механические свойства.

вердость - это свойство материала сопротивляться внедре

нию в

его поверхность более твердого тела. Наиболее распрост

раненные методы испытания на твердость метаов nриведены

ниже:

вдавливание стального закаленного шарика диаметром 1 О

или 5 мм - способ Бринелля (обозначение по:кателя НВ)

;

вдавливание алмазного

:конуса или маленького шарика -

способ Ровелла (HR)

;

вдавливание алмазной пирамиды - способ Викера (HV).

Пр очность материала

это его свойство сопротивляться де

формации и разрушению под действием внешних нагрузок.

Прочность, оцениваемую при :кратковременном воздействии

внешних сил на образцы материала, .называют ратковременной,

а при продолжительном - длительной.

Характеристики ратковременной прочности и пластичности

материалов на разрыв находят по диаграмме растяжения до раз

рыва, получаемой в оординатах нагрузка - дермация.

Механическое напряжение характеризуется силой, действую

щей на единичную площадь сечения, расположенного перпендиу



лярно направлению приложенной силы, т. е.



где  - напряжение, Па; Р - сила (нагрузка),

; F - площадь

сечения, воспринимающего нагрузку, м

•

ри испытаниях :кратковременным растяжением образца до

разрыва определяют следующие характеристики прочности и плас-

тичности.

Пр едел текучести т = , где Рт - нагрузка, соотвествую

Fо

щая

площадке текучести; F

0 -

начальная площадь поперечного

сечения образца.

словн

ый предел текучести (при отсутствии площадки теу

Ро

чести на :кривои растяжения) 

, где Ро,

- нагрузка, вы-

зывающая остаточную относительную деформацию 0,2

от

начальной длины образца.

Време

нное сопротивле

ие разрыву или предел прочности





где Рт

ах

- максимальная нагрузка при испытании

на растяжение.

Аналогично определяют предел пропорциональности, соот

ветствующий переходу от линейного участка :кривой << напряже

ние - деформацию> :к :криволинейному, а также предел упругости,

харатеризующийся условным напряжением, при снятии :которого

величина остаточной деформации не превышает тысячных долей

процента.

Относительное удлинение

определяется по формуле

х 1 о о %

где

:конечная длина образца в момент его окончательного

разрыва;

- длина образца до испытания, %.

Относительное сужение определяют по формуле

 

х 100 %,

где F

, F

- площади поперечных сечений образца соответственно

до и после испытаний.

Вязкость твердых тел есть свойство необратимо поглощать

механическую энергию при их пластической деформации. Обыч

но вязкость материала определяют динамическими испытания

ми образцов на изгиб ударом маятниковым опром. Характери

стику ударной вязкости обозначают ак а

или КС (KCU, KCV,

КСТ, где буквы U, V

и Т обозначают форму онцентратора напря

жений у испытываемого образ

ца) и находят по формуле:

p





ocт

а  



--

_

где Ара

р.

- работа разрушения образца; А

- запасенная :коп

ром

энергия (работа); Ао

т - остаточная (неизрасходованная)

часть энергии; F - площадь поперечного сечения образца в месте

надреза.

Выносливость или

сопротивление

усталости

есть способ

ность

материала выдерживать циклические нагрузки. Явление раз

рушения металлов под действием повторных или циклических

знакопеременных напряжений, значительно меньших пределов проч

ности

(



)

и упругости (y), называется усталостью металлов.

Характеристикой циклической долговечности является предел

выносливости (или предел усталости). Пределом выносливости

называется максимальное переменное напряжение, :которое выдер

живает материал без разрушенияN раз нагружений, где N-задан-

ное техническими условиями число циклов переменной нагрузки,

т. е. выбранная база испытаний. Обычно база испытаний устанав

ливается равной

= 10 х 10

циклов для черных металлов (сталей

и чугунов) и N =

(50+100) х 10

- для цветных металлов и спла

вов.

аропрочность - это способность материала сохранять необ

ходимую длительную прочность при высоких температурах.

Длительная прочность оценивается величиной растягивающе

го напряжения, выдерживаемого материалом в течение заданного

времени без разрушения при фиксированной температуре.

Ползучестью называется свойство материалов деформироваться

течением времени под действием постоянного напряжения (на

грузки) и устойчивой температуры. Характеристикой ползучес

ти является скорость равномерной ползучести

�· %/ч,

где О

- относительное удлинение образца на участке

становив

шейся ползучести; p - продолжительность, соответствующая этому

участку.

По показателям механических и других свойств оценивают

качества

материалов, определяют пригодность и экономичность

их использования для производства изделий и обоснованно вы

бирают материал для изготовления продукции, удовлетворяющей

требованиям потребителей.

Контрольны

ро

1. Что представляет собой отрасль машинного производства ?

. Какие отрасли машинного производства Вы знаете?

3. Что такое техника ?

. Сформулируйте определение производства.

5. Что такое технология ?

6. Приведите понятие производственного процесса.

7. Сформулируйте поцятия изделия, узла, детали.

8. Что Вы понимаете под технологическим процессом?

9. Что такое рабочее место?

. Что такое технологическая операция?

11. Что Вы понимаете под техническим прогрессом?

. Что такое машина?

13. Как классифицируют машины в зависимости от функционального на-

значения?

14. Приведите классы машин в зависимости от характера их работы.

15. Как

зделяют машины по уровню их механизации и автоматизации?

16. Каковы жизненные циклы машины?

17. Из каких важнейших блоков состоят машины?

18. Каково

кономическое и социальное значение машин?

19. Как Вы представляете себе осиовные проблемы качества продукции

машиностроения?

0. Приведите основиые термины и определения качества продукции.

1. Каховы общие принци

ценки качества промытленной продукции?

·22. Как �лассифицируют nромытленную продукцию и показатели ее

качества?

23.

В чем ·смысл <(содержание методов оценки качества продукции?

24. Какие основные типы маериалов применяют в промышленности?

·25. иведите понятия о металлах и сплавах, применяемых в промышлен-

ност.н.

.. Кко основные lPИHЦ выбора материалов, :применяемых для про

мышлеинога д. Роизводсва?

.  енивается

ффективность ·использования конструкционного ма-

териала.?

. Привте пон.тия о структуре жонструкционно

о материала.

9. Еаовы свойства конструкционных материалов и как их определяют?

30. Еае превра протеают в материалах цри :изменении термичес

ких параметров?

31. Кахие .поверхностные вления име место в маериалах?

. Цр�ете класснфиющию промытленных матиалов по функцио-

нальном аазначению.

33. ЧQ Вы поним под техиологичностью материалов?

34. � хлассифи

ирт м·атериалы по �мическому ооставу?

35. х классифи

иют омпGзиционные материалы?

36. Ч  черные еталлы и их спл?

37. Kиe типы структур ·ествуют в савах желез.а с углеродом

38. Квн ассифицируют стали no назнаию и качесn?

39. Как есфицируют етали  химическому cocT и структуре?

40. Какие быют КОНКдионные стали ,QкновенGто каества2 При-

в.едите прииеры.

41. Какие Вы знаете конструкционные качnенные цементЬrе .стали?

. Какие Вы знаете рерио-пружииные C?

43. Какие подшипниковые стали Вы знаете?

44. Какие бывают качественные конструкциоые улу

емые е.али'?

45. Какие корзионно-етойкие али Вы знае?

46. Какие теплойкие, жаростойкие и жаропрочные ст примеют в

машинострое нии?

4 7. Какие стали и сплавы для жущего и измерительного инструмеж·та

Вы знаете?

48. Какие стали и сплавы применя для холодкой обработки давлением?

49. Какие стали применяют для ряче

деформирования?

50. Приведите структуры, маркировку и свойства чугунов.

51. Какие основные виды цветных металлов применяют в промышленнос

ти?

. Приведите алюминиевые сплавы, их составы

маркировку и примене

ние.

53. Какие сплавы  нове

еди применяют в машиностроении? Приве-

дите их составы, маркировку.

54. Какие Вы знаете титановые и магниевые сплавы?

55. Какие применяют материалы на минеральной основе?

56. Какие виды продукции химической промышленности Вы знаете?

57. Каковы основные продукты переработки нефти?

58. Приведите природные материалы, применяемые в строительстве.

59. Каковы основные керамические материалы?

60. Какие основные огнеупорные и теплоизоляционные материалы приме-

няют в промышленности?

61. Какие минеральные вяжущие материалы применяют в строительстве?

. Приведите строительные растворы, бетон и железобетон.

63. Какие силикатные материалы применяют в строительстве?

Приведите основные виды термообработки.