Астафьева Е.А. Технология конструкционных материалов

Подождите немного. Документ загружается.

ГЛАВА 12. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ФОРМИРОВАНИЯ ЗАДАННЫХ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ И

ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ

12.1. Наплавка и газотермическое нанесение покрытий



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -421-

Нанесение покрытий в жидкой фазе осуществляют также погружением

в расплавленные среды, электролитическим осаждением металлов и хими-

ческой обработкой (нанесение покрытий и поверхностное легирование).

Методами химико-термической обработки металлов достигается изме-

нение свойств поверхности, обеспечивается поверхностное упрочнение

металлов и сплавов (повышение поверхностной твердости, износостойкости,

усталостной прочности, теплостойкости и т. д.), а также повышение стой-

кости металлов и сплавов против воздействия внешних агрессивных сред при

нормальных и повышенных температурах (коррозионной стойкости в атмо-

сферных условиях, стойкости к кавитационной эрозии, кислотостойкости,

жаростойкости, окалиностойкости и т. д.).

Из метод

ов химико-термической обработки наиболее распространены

методы насыщения поверхности металлических изделий неметаллами.

Такими неметаллами являются углерод, азот, бор, сера. Поэтому способы

химико-термической обработки металлов и сплавов получили следующие

названия: науглероживание (цементация), азотирование, борирование,

сульфидирование. Насыщение может проводиться одним неметаллом,

комплексно двумя или тремя неметаллами.

Насыщение металлами в

ключает следующие процессы: алитирование

(насыщение алюминием), хромирование (диффузионное насыщение хромом),

силицирование (насыщение поверхности кремнием).

Насыщение проводят путем нагрева обрабатываемых изделий в хими-

чески активной среде, содержащей насыщающий компонент. В результате

нагрева во внешней среде образуется насыщающий элемент в атомарной

форме, он адсорбируется насыщаемой поверхностью и диффундирует в глубь

изделия, приводя к его упрочнению.

Цементации обычно подвергают углеродистые и легированные стали с

малым содержанием углерода (как правило, не более 0,20–0,25 %). После

цементации и окончательной термической обработки обеспечивается полу-

чение поверхностной твердости 56–64 НRC при сохранении вязкой сердце-

вины (рис. 12.3

), что определяет высокую конструктивную прочность изделий,

благоприятное сочетание износостойкости поверхности с высокой сопротив-

ляемостью динамическим разрушениям.

ГЛАВА 12. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ФОРМИРОВАНИЯ ЗАДАННЫХ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ И

ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ

12.2. Виды химико-термической обработки



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -422-

Рис. 12.3. Толщина цементованного слоя зубчатого колеса

Цементацию проводят в твердом карбюризаторе, в газовых средах и

иногда в расплавах солей (жидкостная цементация).

Поверхностный слой после цементации еще не обладает высокой

твердостью и износостойкостью. Для создания этих качеств требуется

окончательная термическая обработка (закалка и отпуск).

Азотирование – поверхностное насыщение стали азотом применяется,

как и цементация, преимущественно для повышения поверхностной

твердости, износостойкости деталей машин и механизмов.

Азотирование ведут путем нагрева заготовок в газовой среде аммиака,

который под воздействием температур процесса разлагается и таким образом

обеспечивает насыщение поверхности заготовок азотом.

Кроме того, азотирование обеспечивает повышение коррозионной

стойкости материала, а также теплосто

йкость упрочненного поверхностного

слоя. Характер упрочнения в результате азотирования принципиально иной

по сравнению с цементацией. Высокая твердость и износостойкость слоя

достигается при образовании сплошной зоны нитридов легирующих

элементов, содержащихся в стали на внешней поверхности изделия.

Для повышения коррозионной стойкости азотированию подвергают

углеродистые стали. Для повышения поверхностной твердости и износостой-

кости используют комплексно-легированные стали, содержащие хром,

молибден, алюминий и другие компоненты, например 30ХМЮА, 38ХЮА,

34ХН1М и др. Азо

тированию подвергают наиболее ответственные детали:

гильзы цилиндров двигателей внутреннего сгорания, шестерни, детали топ-

ливной аппаратуры. Азотирование также проводят для нержавеющих сталей

ферритного или аустенитного класса: 30Х1З, 40Х13, 40Х14Н14В2М и др.

Издели

я после азотирования без дополнительной термической и меха-

нической обработки сразу подаются на сборку. Размеры изделий при

азотировании не изменяются, поэтому азотированию подвергаются готовые

детали без припусков на окончательную механическую обработку. В связи с

этим свойства, которыми должна обладать сердцевина изделия, должны быть

сформированы до азотирования. Поэтому заготовки для изготовления

ГЛАВА 12. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ФОРМИРОВАНИЯ ЗАДАННЫХ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ И

ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ

12.2. Виды химико-термической обработки



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -423-

азотируемых деталей подвергают предварительной термической обработке

(улучшению), включающей закалку и высокотемпературный отпуск.

Совместное насыщение поверхности деталей азотом и углеродом

предусматривает возможность реализации принципиально различающихся

способов в зависимости от того, какой из этих элементов является основным,

а какой − дополнительным. В соответствии с этим различают цианирование и

нитроцементацию. Цианирование ведут в жидких средах – расплавах солей, а

нитроцементацию − в газовой среде.

Цианирование и нитроцементация обеспечив

ают получение слоя,

аналогичного получаемому при цементации. Азот увеличивает прочностные

свойства слоя, его износостойкость. Основное применение низкотемпера-

турного цианирования – дополнительное упрочнение режущего и штампо-

вого инструмента, изготовленного из быстрорежущих и других теплостойких

сталей. Инструменты после окончательной термической обработки на

максимальную твердость и после шлифовки и заточки насыщают углеродом

и азотом, при этом формируется тонкий (0,04–0,

09 мм) карбонитридный слой

высокой твердости и износостойкости, увеличивающий режущую стойкость

инструмента в 1,5–2,0 раза. Термообработки после насыщения, как и после

азотирования, не требуется.

Металлами можно насыщать стали и чугуны, алюминиевые и медные

сплавы, а также многие другие металлические или керамические материалы.

К настоящему времени созданы следующие технологически

различающиеся группы процессов, способных обеспечить создание

диффузионных покрытий металлами:

•

насыщение в порошковых твердых смесях;

•

диффузионное насыщение из газовой фазы циркуляционным методом;

•

погружение в металлические расплавы;

•

диффузионный отжиг изделий с ранее нанесенной различными

методами тонкой пленкой насыщающего вещества;

•

диффузионное удаление из поверхности компонентов сплава путем

нагрева его в вакууме либо иной контролируемой среде.

Наибольшее распространение имеют процессы насыщения в порош-

ковых твердых смесях. Для их проведения насыщаемые изделия упаковы-

вают в порошковые смеси в герметичных стальных ящиках аналогично

цементации.

В качестве примеров насыщения металлами рассмотрим процессы

алитирования, силицирования и диффузионного хромиров

ания.

ГЛАВА 12. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ФОРМИРОВАНИЯ ЗАДАННЫХ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ И

ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ

12.2. Виды химико-термической обработки



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -424-

Алитирование применяется с целью повышения стойкости к атмосфер-

ной коррозии, особенно при повышенных температурах, и, следовательно,

для повышения жаростойкости и окалиностойкости стали, меди и медных

сплавов. Для алитирования стали используют порошкообразный ферроалю-

миний (49 %), окись алюминия (49 %) и хлористый аммоний (2 %). В

результате алитирования образуется слой глубиной от 0,15 до 0,50 мм.

Силицирование – процесс насыщения поверхности стали кремнием

применяется с целью повышения кислотостойкости поверхности, например,

стальных емкостей для перевозки концентрированных кислот, за исключе-

нием плавиковой. В состав порошковой твердой среды вводят 60 % ферро-

силиция, 39 % глинозема (окиси алюминия) и 1 % хлористого аммония.

Глубина формирующегося слоя − от 0,3 до 1 мм. В таком состоянии силици-

рованный слой обладает высокой устойчивостью к коррозии в морской воде,

а также в азотной, серной и соляной кислотах.

Диффузионное хромирование ведут для повышения поверхностной

твердости, износостойкости деталей из стали и чугуна при одновременном

увеличении коррозионной и кислотостойкости поверхности. Для

хромирования используют металлический порошок хрома или феррохрома в

количестве 50 % от состава смеси, 47 % окиси алюминия и 3 % хлористого

аммония. Образующийся слой глубиной от 0,02 до 0,12 мм обладает высокой

твердостью, что обеспечивает высокую износостойкость поверхности детали.



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -425-

Под

служебным назначением машины понимают максимально уточ-

ненную и четко сформулированную задачу, для решения которой пред-

назначена машина. Формулировка служебного назначения должна отражать

не только общую задачу, для решения которой создается машина, но и все

дополнительные условия и требования, которые эту задачу количественно

уточняют и конкретизируют.

Важнейшими характеристиками при оценке машин являются: надеж-

ность, работоспособность, производит

ельность, экономическая эффектив-

ность, металлоемкость, энергоемкость, степень автоматизации, простота и

безопасность обслуживания, удобство управления сборки и разборки.

Надежность (по ГОСТ 27.002−89) – это свойство объекта сохранять во

времени в установленных пределах значения всех параметров, характери-

зующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и

условиях применения, технического обслуживания, ремонта, хранения и

транспортирования.

Надежность в зависимости от назначения объекта и условий его

применения может включать такие показатели, как отказ, безотказность,

долговечность, ремонтопри

годность и работоспособность, в отдельности или

в их определенном сочетании.

Надежность деталей машин, механизмов и приборов во многом зависит

от того, насколько близки предельные запасы основных расчетных критериев

работоспособности (прочность, скорость, температура, износостойкость и

др.) к действительным рабочим режимам. Когда специалисты говорят о

надежности конкретного объекта, они должны ясно представлять, о каких

свойств

ах идет речь для данного объекта. Надежность не может быть общей

для всех видов техники. Она всегда конкретна, особенно в отношении

численных значений показателей частных свойств надежности.

Отказ – событие, заключающееся в нарушении работоспособности

машины (полной или частичной). По своей природе отказы бывают: полные

и частичные; внезапные (например, поломка) и постепенные (изнашивание,

коррозия); опасные для жизни человека; тяжелые и легкие, устранимые и

неустранимые. В зависимости от причин возникновения отказы подразде-

ляются на конструкционные, производственные и эксплуатационные.

Безотказность – свойство объекта непрерывно сохранять работо-

способное состояние в течение некоторого времени или наработки.

ГЛАВА 13. ОСНОВЫ СБОРОЧНЫХ РАБОТ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКИ ПРОИЗВОДСТВ

13.1. Машина и ее служебное назначение



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -426-

Долговечность (ресурс) – свойство объекта сохранять работоспособное

состояние до наступления предельного состояния при установленной системе

технического обслуживания и ремонта.

Ремонтопригодность – свойство объекта, заключающееся в его

приспособленности к поддержанию и восстановлению работоспособного

состояния путем технического обслуживания и ремонта.

Работоспособность − состояние изделия (привода, узла, детали,

машины), при котором оно способно нормально выполнять заданные

функции в соответствии с параметрами, установленными нормативно-

технической документацией.

Основными критериями работоспособности машин являются:

прочность, жесткость, износостойкость, виброустойчивость, теплостойкость

и стойкость против коррозии и старения. Эти критерии обеспечивают

безотказное функционирование машины в пределах заданного ресурса.

Так как любая машина предназначена для выполнения какого-либо

процесса, полезного челов

еку, изучение ее служебного назначения следует

начинать с ознакомления с намечаемыми результатами. Например, если в

результате должна быть получена продукция надлежащего качества, то

формулировка служебного назначения производящей машины должна

содержать сведения о виде, качестве и количестве продукции.

Другую группу данных по служебн

ому назначению машины могут

составлять показатели производительности, которой должна обладать

машина. Формулировка служебного назначения машины должна включать

перечень условий, в которых ей предстоит работать и производить

продукцию требуемого качества и в необходимых количествах.

Условия работы таких машин вытекают из описания технологического

процесса изготовления продукции и включают комплекс показателей с

допускаемыми отклонениями, ха

рактеризующими качество исходного

продукта, количество потребляемой энергии, режимы работы машины и

состояние окружающей среды.

Формулировка служебного назначения машины может содержать

также ряд дополнительных сведений, которые необходимо учитывать при ее

проектировании и изготовлении (например, требования к внешнему виду,

безопасности работы, удобству и простоте обслуживания и управления,

уровню шума, КПД, степени механизации и авт

оматизации).

Опыт показывает, что каждая ошибка, допущенная при выявлении и

уточнении служебного назначения машины, а также ее механизмов,

приводит не только к созданию недостаточно качественной машины, но и к

лишним затратам труда на ее изготовление и эксплуатацию, а также к

увеличению сроков ее освоения. Нередки случаи, когда недостаточно

глубокое изучение и выявление служебного назначени

я машины порождает

излишне жесткие, экономически не оправданные требования к точности и

другим показателям качества машины.

Первоначально служебное назначение машины формулируется заказ-

чиком и уточняется при оформлении заказа на проектирование. Для кон-

ГЛАВА 13. ОСНОВЫ СБОРОЧНЫХ РАБОТ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКИ ПРОИЗВОДСТВ

13.1. Машина и ее служебное назначение



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -427-

структора формулировка служебного назначения машины является исход-

ным документом, который впоследствии он прилагает к чертежам машины.

От технолога, приступающего к разработке технологии изготовления маши-

ны и являющегося лицом, ответственным за сдачу готовой машины,

требуется изучение служебного назначения машины и критическая оценка

его формулировки.

Разработав конструкцию и сделав необходимые расчеты, конструктор

(разработчик) в описании конструкции дает формулировку служебного

назнач

ения машины и ее сборочных единиц, обоснованно назначает техни-

ческие требования и нормы точности, вытекающие из служебного назна-

чения, указывает методы достижения требуемой точности (в соответствии с

данными по количественному выпуску машины), обеспечивающие более

экономичное ее изготовление.

Любую машину можно разделить на основные части (агрегаты, см. гл. 1

которые, в свою очередь, состоят из сборочных единиц. На рис. 13.1

изо-

бражены детали, входящие в сборочную единицу «масляный насос автомо-

бильного двигателя». Каждая деталь имеет свой номер, который указывают в

Перечне деталей сборочных единиц автомобильного двигателя (табл. 13.1

Каждая из сборочных единиц должна быть технологичной, для того

чтобы обеспечить минимальные трудовые и материальные затраты на ее

изготовление и сборку.

Рис. 13.1. Сборочная единица «масляный насос»

ГЛАВА 13. ОСНОВЫ СБОРОЧНЫХ РАБОТ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКИ ПРОИЗВОДСТВ

13.2. Технологичность сборочных единиц



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -428-

Таблица 13.1

Детали сборочной единицы «масляный насос»

Номер детали Кол-во Наименование

240-1002044 2 Штифт

245-1010010-Б 1 Маслоприемник

50-1402053 1 Прокладка

245-1403010 1 Насос

масляный

50-1403015-А 1 Патрубок

240-1403020 1 Корпус

240-1403025 1 Корпус

50-1403033 2 Прокладка

50-1403052-В 1 Валик

50-1403075-В 1 Шестерня

50-1403115-Б 1 Шестерня

50-1403125-Б 1 Палец

240-1403150 1 Крышка

240-1403155 1 Крышка

245-1403228 1 Шестерня

50-1403233 2 Штифт

А57.03.026-А 1 Втулка

А57.03.027-А 1 Втулка

М8-6gх20.88.35 4 Болт

М8-6gх50.88.35 6 Болт

М12-

6gх30.88.35

2 Болт

8Т.65Г.06 10 Шайба

120Т.65Г.06 2 Шайба

Эффективность выполнения сборочных процессов, качество изделий и

их себестоимость во многом зависят от их конструкции. Одно из основных

требований к процессу сборки – изделие должно состоять из отдельных

сборочных единиц, каждая из которых должна содержать как можно

меньшее число деталей. Их сокращение достигается путем увеличения

функциональности деталей. Это уменьшает объем сборочных операций, а

иногда и полностью исключает необходимость в их выполнении. Например,

винт с буртом выполняет функции в

инта и шайбы (рис. 13.2,

а). При его

изготовлении из капрона обеспечивается также уплотнение соеди-нения.

Выполнение на торце бурта зубьев (рис. 13.2,

б) или отгибание края бурта

(рис. 13.2,

в) уменьшает возможность самоотвинчивания. Изготовление винта

с заходной частью, обеспечивающей сверление и нарезание резьбы (рис. 13.2,

ГЛАВА 13. ОСНОВЫ СБОРОЧНЫХ РАБОТ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКИ ПРОИЗВОДСТВ

13.2. Технологичность сборочных единиц



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -429-

г) в сопряженной детали, облегчает процесс механизации и автоматизации

соединения и закрепления деталей.

Рис. 13.2. Технологические конструкции

деталей многофункционального назначения

а б в г

Рис. 13.3. Технологичные соединения изделий с использованием упругих

деталей

Сокращение числа деталей и сборочных операций при изготовлении

приспособлений и многих других изделий машиностроения может быть

достигнуто посредством укладки соединяемых деталей в форму и после-

дующей их заливкой эпоксидной смолой или легкоплавким сплавом,

образующим при охлаждении корпусную деталь.

Штамповкой также возможно обеспечить образование базовой детали

сложной формы одновременно с соединением ряда деталей в сборочную

единицу. Вальцевание позволяет образовывать неразъемные соединения.

Другой эффективный путь сокращения числа деталей, особенно

крепежных (винтов, штифтов и шпонок), и, следовательно, уменьшения

трудоемкости изготовления изделий − применение упругих крышек, втулок,

упорных колец и пальцев, которые к тому же устанавливать проще. Перед

сборкой размеры таких деталей увеличиваются за счет растя

жения или

уменьшаются путем сжатия для увеличения зазора в процессе сборки

соединения.

1 2 4 3 2 1 1 2 1

ГЛАВА 13. ОСНОВЫ СБОРОЧНЫХ РАБОТ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКИ ПРОИЗВОДСТВ

13.2. Технологичность сборочных единиц



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -430-

Обычную прижимную крышку крепят к корпусу винтами. Для ее

установки необходимо сверлить отверстия и нарезать резьбу под винты в

корпусе, обрабатывать его торцовую поверхность под крышку, а затем

завинчивать и затягивать винты. В измененной технологичной конструкции

(рис. 13.3,

а) для сборки достаточно установить только упругую крышку 1.

При этом значительно сокращаются затраты времени на изготовление

деталей и сборку изделий, а отсутствие отверстий в корпусе

2 под винты

позволяет уменьшить толщину его стенок. Все перечисленное выше

обеспечивает экономию материальных средств и материалов.

Изменение конструкции карданного вала

4 (рис. 13.3, б) комбайна, в

котором подшипник

3 в осевом направлении крепят с помощью упорного

кольца

1 вместо крышки с прокладками, винтами и контрящими шайбами,

позволило сократить число крепежных и других деталей. Такой же эффект

достигается при замене этих деталей упругими пальцами

1 и втулками

(рис. 13.3,

в). При использовании упругих пальцев и втулок отверстия в

сопряженных деталях могут быть выполнены пониженной точности (после

обычного сверления). Гофрированные кольца из пружинной стали также

имеют большую упругость (рис. 13.3,

г). Упругое сжатие рифлений и опреде-

ленная форма кольца обеспечивают необходимую силу для закрепления

детали в сборочной единице. Изготовляют рифления прокаткой. Для

регулирования направления сжатия и обеспечения заданной жесткости

кольца

1 снабжены по краям цилиндрическими кольцевыми участками.

Кольца

1 применяют для валов 4 и шестерен 2 при передаче значительных

крутящих моментов вместо шлицевых и шпоночных соединений, а также для

установки в отверстия под подшипники корпусных деталей из легких

сплавов. Точность цилиндрических посадочных поверхностей сопряженных

деталей обычно 7-го квалитета.

Гофрированные кольца компенсируют тепловые деформации деталей,

возникающие в процессе работы изделия, гасят вибрации и тем самым увели-

чивают срок служб

ы изделия.

Упругие детали одновременно обеспечивают соединение и закрепле-

ние деталей разборных изделий. Для неразборных соединений целесообразно

применять штифты с прорезями (рис. 13.4

). Такие штифты вводятся в отвер-

стия деталей со значительными зазорами, а в завершающий период сбороч-

ного процесса деформируются, создавая необходимый натяг в соединении.

Использование переходных посадок в изделиях при автоматической сборке

невозможно из-за заклинивания деталей при их установке.