Защита металла от коррозии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Опишите причины естественного и аварийного видов износа

Металлургическое оборудование работает в условиях интенсивного воздействия разрушающих факторов технологии - больших нагрузок, высокой температуры, влажности, запыленности, агрессивных сред.

В чрезвычайно тяжелых условиях работает оборудование, непосредственно контактирующее с жидким металлом и шлаком: шлаковые чаши, мульды разливочных машин, изложницы и др. В этих деталях возникают глубокие трещины, выгары внутренних стенок, сетки разгара, раковины. Многие узлы и детали подвергаются одновременному циклическому воздействию больших механических нагрузок и высоких температур. К ним относятся тележки агломерационных машин, детали загрузочных устройств доменных печей, ролики МНЛЗ, прокатные валки, ролики рольгангов и др. Такие условия нагружения вызывают усталостные и термоусталостные разрушения, появление микротрещин, прогаров и оплавления деталей. Большие нагрузки вызывают поломки деталей и приводят к аварийным простоям агрегатов; высокая температура, влажность, запыленность и агрессивные среды вызывают повышенный абразивный, окислительный и коррозийный износ деталей и конструкций оборудования.

Все встречающиеся разрушения и износы деталей металлургического оборудования могут быть разделены на две группы: естественные и аварийные.

Естественные являются следствием длительного воздействия факторов, возникающих при нормальных условияхэксплуатации без рарушения правил технической эксплуатации (ПТЭ), - механических нагрузок, сил трения, высоких температур и др. Такие разрушения и износы обычно нарастают медленно и постепенно, характеризуются постепенным изменением размеров деталей и до известного предела не влекут за собой качественных изменений в работе машины. Они обуславливают появление постепенных отказов.

Аварийные разрушения и износы характеризуются высокой скоростью нарастания и зачастую возникают после непродолжительной эксплуатации оборудования без заметного изменения размеров деталей. они являются причиной внезапных отказов. Аварийные разрушения, как правило, вызываются нарушениями ПТЭ, низким качеством проектирования, изготовления или технического обслуживания и ремонта, поэтому в принципе такие разрушения не должны иметь места.

Правильный выбор конструкции, материала и технологии изготовления деталей, при котором обеспечивается заданный уровень их надежности, в значительной мере зависит от знания физической природы и характера разрушения и износа деталей.

Наибольшее распространение получила молекулярная теория трения и износа. Согласно этой теории трущиеся поверхности покрыты множеством микровыступов различной высоты. При сжатии двух шероховатых поверхностей выступы упруго деформируются. В процессе трения происходит последовательный отрыв находящихся в контакте молекул и образование новых молекулярных связей. Так как поверхности контактирую лишь небольшим колличестом выступов, то фактическая площадь контакта очень мала. в этих условиях даже при небольших нагрузках местные давления на площадках фактического контакта могут достигать больших значений и вызывать пластическое деформирование контактирующих площадок. При пластической деформации разрушаются поверхностные пленки и облегчается адгезия (молекулярное притяжение) металла, приводящая к холодной сварке на участках поверхности, сближенных на расстояние действия молерулярных сил. Возникает молекулярное схватывание, разрушающее поверхности трения.

Различают следующие виды разрушения и износа деталей: изломы и деформация, корозийное и корозийно-механическое разрушения, механический износ, кавитационная и газовая эрозия.

По внешнеми виду и характеру разрушения различают изломы динамические, усталостные и полидеформационные.

К динамическим относятся изломы происходящие внезапно при однократном приложении силы под действием перегрузки или удара. Динамические изломы бывают хрупкие и с крупнозернистой поверхностью у практически не деформируемых материалов и гладкие от сдвига у мягких материалов, происходящие по направлению максимального касательного напряжения и связанные со значительной пластической деформацией.

К усталостным относятся изломы, происходящие под действием переменных нагрузок после приложения большого числа циклов нагружений при напряжениях ниже предела текучести. Усталостью называется изменение состояния материала под действием многократного деформирования, приводящее к прогрессивному образованию трещин и его разрушению.

Профессор В.М. Гребеник предложил классификацию изломов в зависимости от вида и характера нагружения деталей. Строение усталостных изломов показано на рисунке 1. Буквенные символы на этом рисунке обозначают: А - естественный локальный концентратор напряжений - усталостная тращина; Б - слабый концентратор на окружности детали; В-сильный концентратор на окружности детали. Стрелками на рисунке показанно направление распространения фронта трещины. Заштрихованные площади соответствуют стадии долома.

Полидеформационные изломы являются результатом многократного деформирования металла, вызывающегоостаточные искажения решетки. В отличие от усталостных полидеформационные изломы происходят при напряжениях в поверхностных слоях, превышающих предел текучести. При этом виде разрушения наблюдается постепенная потеря пластичности и переход материала в хрупкое состояние (малоцикловая усталость).

Механнческие хрупкие разрушения деталей могут происходить вследствие значительного снижения пластичности материала деталей при определенных температурно-скоростных условиях работы, в частности, при воздействии высоких температур. В этом случае в материале происходит интенсивное развитие межзеренного смещения, вызывающее зарожденне и развитие микротрещин, приводящих к межкристаллитному разрушению.

Под действием внешних нагрузок и высоких температур в деталях может возникать явление ползучести, представляющее собой изменение во времени деформаций и напряжений в материале деталей. Ползучесть для каждого металла возникает при определенной температуре и характеризуется появлением остаточных пластических деформаций.

Коррозионное разрушение деталей возникает вследствие их физико-химического взаимодействия с окружающей средой. Различают химическую и электрохимическую коррозию. Химическая коррозия возникает в электрически нейтральных средах в результате реакции материала детали с химически активными элементами окружающей среды (кислород, сернистый газ, пары кислот и др.). При этом образуются неустойчивые пленки оксидов, разрушение которых приводит к изменению геометрических размеров деталей. Электрохимическая коррозия возникает в случае появления на поверхности деталей точек или участков с различными электрохимическими потенциалами (граница и сердцевина зерна, чистый металл и оксид и т, п.). В этом случае возникает электрическая токопроводящая среда и происходит разрушение участков с более высоким электрическим потенциалом.

В зависимости от свойств окружающей среды различают коррозию в электролитах, атмосферную и газовую. Атмосферная коррозия протекает при нормальном давлении и температуре не более 80 єС. Электролитная коррозия обусловленна наличием в среде металлургического производства солей, щелочей и кислот, водные растворы которых прадставляют собой электролит. Газовая коррозия протекает под воздействием газов, пара и нагретого воздуха, образующихся при различных металлургических процессах.

При одновременном воздействии на детали коррозии и механических факторов на их поверхностяхпоявляются коррозийно-механические повреждения (коррозийная усталость, коррозийнок растрескивание и фреттинг-коррозия).

Коррозийная усталость возникает при одновременном воздействии коррозии и циклических нагрузок. Коррозийное растрескивание возникает под действием коррозии и статических нагрузок. Фреттинг-коррозия образуется в основном в неподвижных соединениях деталей (прессовой и горячей посадкой), подверженных воздействию вибраций и совершающих относительно малые взаимные перемешения. Механизм износа заключается в переодическом образовании на площадках контакта поверхностей неустойчивых оксидных пленок и их разрушении.

Механический износ представляет собой процесс постепенного изменения размеров и формы деталей при их взаимодействии с другими деталями и материалами в следствии отделения с поверхности трения материала.

Существуют различные классификации видов механического износа, однако наиболее отвечающей сущности явлений, происходящих при работе взаимодействующих деталей машин, является классификация, предложенная Б.И. Костецким. Согласно этой классификации различают следующие виды износа: износ схватыванием I рода; окислительный износ; износ схватыванием II рода или тепловой износ; абразивный износ; осповидный износ.

Износ схватыванием I рода (холодный задир) возникает при трении скольжения, малой скорости относительного движения (для контактирующих стальных деталей до 1 м/с), больших удельных давлений, превышающих предел текучести на участках контактов, отсутствии смазки или защитной оксидной пленки и низкой температуре поверхностных слоев (до 100єС).

Большинство узлов трения скольжения, применяемых в металлургическом оборудовании, состоит из деталей, имеющих разную твердость (сталь-бронза, сталь-чугун, сталь-текстолит и т.д.). На рисунке 2 представленн механизм разрушения поверхностей при схватывании I рода для таких узлов.

В начальный момент относительного скольжения деталей со скоростью ?? под действием нормальной нагрузки микронеровности мягкого металла пластически деформируются на микроскопических пятнах контакта с твердым металлом и обтекают микронеровности твердого металла, образуя пластические области А (рис. 2, а). Вследствие больших удельных давлений на отдельных микронеровностях образуется контакт с прочной адгезионной (молекулярной) связью. Если такая связь достаточно прочная, обтекание мягким металлом прекращается и перед микронеровностями, связанными адгезионной связью, образуется зона заторможенного (налипшего) металла (рис. 2, б). При дальнейшем относительном движении заторможенный мягкий металл Б заполняет пространство между микронеровностями, что приводит к увеличению площади отдельных пятен касания, причем в зоне контакта мягкий металл будет более прочным, чем лежащие ниже слои, за счет поверхностного уплотнения (наклепа). При последующем относительном движении пластическая деформация возникает на некоторой глубине от зоны контакта в еще не упрочненных слоях мягкого металла. В результате увеличивается глубина застойной зоны упрочненного мягкого металла, который движется как одно целое с твердым металлом (рис. 2, в). Так как глубина слоя заторможенного упрочненного металла велика, за зоной контакта возникают растягивающие напряжения, что приводит к появлению трещины и выкалыванию или выдиранию мягкого упрочненного металла застойной зоны. Вырванная частица вследствие холодного сваривания удерживается на поверхности твердого металла в виде нароста и упрочняется. Этот нарост при дальнейшем относительном движении деталей играет роль твердой микронеровности, которая выцарапывает поверхность более мягкого металла. Процесс схватывания между наростом и поверхностью более мягкой детали повторяется, в результате чего заторможенный мягкий металл деформируется в стружку и удаляется из зоны трения в виде продуктов износа. При износе схватыванием I рода коэффициент трения достигает 4-6.

Окислительный износ - процесс постепенного разрушения трущихся поверхностей деталей при их взаимодействии с кислородом окружающей среды.

Этот износ возникает при трении скольжения и качения со скоростями относительного движения деталей 1,5-4,0 м/с (без смазки). При граничной смазке окислительный износ возникает при скоростях до 20 м/с. Коэффициент трения составляет 0,3-0,7.

Окислительный износ является наиболее предпочтительным из всех видов износа, так как его скорость является минимальной по сравнению с другими видами и составляет 0,1-0,5 мкм/ч. Он присущ узлам трения, детали которых изготовлены из материалов с высокой твердостью и повышенным пределом текучести.

Механизм разрушения поверхностей при окислительном износе заключается в сложном сочетании процессов насыщения их кислородом при химических реакциях (хемосорбции), диффузии кислорода в поверхностные слои или растворении кислорода в поверхностных слоях (адсорбции). В зависимости от характера и интенсивности этих процессов на поверхностях деталей образуются пленки оксидов, твердые растворы или химические соединения металла с кислородом, которые отделяются с поверхностей трения в виде продуктов износа.

Износ схватыванием II рода (горячий задир) возникает при трении скольжения, высоких удельных давлениях и скорости относительного перемещения более 4 м/с, сочетание которых приводит к большим потерям энергии на трение, высокому градиенту и росту температуры (до 1600єС) в поверхностных слоях.

Различают три стадии износа схватыванием II рода. Первая стадия соответствует интервалу температур от 0 до 600 є С, при которых механические свойства контактирующих деталей снижаются не значительно, С ростом температуры механические свойства стали понижаются и удельные давления могут превысить предел текучести. Взаимодействие площадок контакта деталей приводит к разрушению пленок оксидов и образованию адгезионных связей. Дальнейший процесс разрушения поверхностей аналогичен разрушению при схватывании I рода.

Вторая стадия соответствует интервалу температур 600-1400 єС, при которых заметно снижаются механические свойства и происходит размягчение металла. Возникают адгезионное контактное схватывание и пластические разрывы ме6таллических связей. В более твердом металле, на который происходит налипание более мягкого, образуются два характерных слоя - закаленный и отпущенный.

Третья стадия наблюдается при температуре плавления. Расплавленные слои металла уносятся со смазкой и на поверхности трения появляются оплавленные бороздки.

Скорость износа деталей при схватывании II рода составляет 1-5 мкм/ч. Коэффициент трения 0,1-0,5.

Абразивный износ возникает при трении скольжения и наличии между контактирующими поверхностями твердых абразивных частиц (окалины, пыли и др.), вызывающих пластическую деформацию и микрорезание поверхностных слоев трущихся деталей. Скорость износа 0,5-5 мкм/ч. Это один из наиболее распространенных видов износа деталей металлургического оборудования, определяющий срок их службы. Абразивный износ возникает так же при трении металлов о сыпучие материалы, однородные по составу (руда, уголь без породы и др.) или тела представляющие собою конгломерат твердых частиц, например, агломерат. Такому износу подвержены зубья ковшей экскаваторов, броневых плит бункеров и желобов трактов сыпучих материалов и др.

Разновидностью абразивного износа является абразивная эрозия, возникающая при воздействии на поверхность детали движущихся в потоке газа или жидкости абразивных частиц. Абразивной эрозии подвержены детали загрузочных устройств доменных печей, трубопроводы запыленного газа, лопасти насосов и др.

Разрушение поверхности может произойти и при отсутствии абразивных частиц при обтекании деталей потоком жидкостей или газа. Разновидностями эрозийного износа в этом случае являются кавитационная и газовая эрозия. Кавитационная эрозия возникает при обтекании металла потоком жидкости и образовании кавитационных (парагазовых) пузырьков. В момент завершения кавитации (при соединении пузырьков) металл испытывает местные гидравлические удары. В результате многократно повторяющихся ударных деформаций в поверхностных слоях деталей возникают наклеп и усталость материала, приводящие к хрупкому разрушению поверхностных слоев. Кавитационной эрозии подвержены главным образом детали гидравлического оборудования - клапаны, золотники, колена трубопроводов и др.

В основе явления газовой эрозии лежит удар газовых молекул о поверхность металла и разрушения кристаллитов поверхностного слоя. Скорость износа зависит от кинетической энергии газового потока и существенно возрастает при повышении температуры газов.

Осповидный износ (питинг) возникает при трении качения и мешанном трении, переменных и знакопеременных нагрузках и высоких удельных давлениях, достигающих предела выносливости.

Так как металлургическое оборудование работает в условиях одновременного воздействия различных разрушающих факторов технологии, в поверхностных слоях детали происходят несколько различных процессов износа, которые протекают с разными скоростями. Однако один из них является преобладающим и протекает с большей скоростью, чем другие. Такой процесс называется ведущим. Для достижения высокой долговечности деталей необходимо обеспечивать такие условия их работы, при которых ведущим видом износа будет окислительный, обладающий минимальной скоростью по сравнению с другими видами. Этого можно достигнуть уменьшением скорости окислительного износа путем применения различных методов упрочнения, соответствующей смазки и конструкции деталей.

2. Опишите методику пластического поверхностного деформирования

Поверхностное пластическое деформирование (ППД) - это обработка деталей давлением (без снятия стружки), при которой пластически деформируется только их поверхностный слой. ППД осуществляется инструментом, деформирующие элементы которого (шарики, ролики или тела иной конфигурации) взаимодействуют с обрабатываемой поверхностью по схемам качения, скольжения или внедрения.

ППД используют для повышения сопротивления усталости и твердости поверхностного слоя металла, а также для формирования в этом слое направленных внутренних напряжений (преимущественно напряжений сжатия) и образования регламентированного рельефа микронеровностей на поверхности.

Эффективно применение упрочняющей обработки ППД на финишных операциях технологического процесса изготовления деталей машин взамен операций окончательной обработки резанием лезвийным или абразивным инструментом. При обработке нежестких в сечении тонкостенных деталей наиболее пригодна динамическая обработка ППД инструментами ударного действия, ультразвуковое или импульсное обкатывание.

Наклеп. Пластическое деформирование, выполняемое без использования внешней теплоты для обеспечения нужного комплекса свойств поверхностного слоя, называют наклепом, а слой металла, в котором проявляются эти свойства, соответственно - наклепанным.

В результате наклепа повышаются все характеристики сопротивления металла деформации, понижается его пластичность и увеличивается твердость. Упрочнение незакаленной стали происходит в результате изменения структурных несовершенств (плотности, качества и взаимодействия дислокаций, количества вакансий и др.), дроблением блоков и созданием микронапряжений. При упрочнении закаленных сталей, помимо этого, происходит частичное превращение остаточного аустенита в мартенсит и выделение дисперсных карбидных частиц. Поверхностная деформация приводит к образованию сдвигов и упругому искажению кристаллической решетки, изменению формы и размеров зерен.

Интенсивность наклепа тем выше, чем мягче сталь. У закаленных сталей в результате поверхностного деформирования можно получить увеличение твердости более чем на 100%, а у закаленных - только на 10-15%. Прирост твердости определяется структурой деформируемой стали. Наибольшее повышение твердости наблюдается у сталей с аустенитной, ферритной и мартенситной структурами, наименьшее - с перлитной и сорбитной структурами. Абсолютный прирост твердости в результате наклепа составляет: для мартенситных структур 180-320 НВ; для сталей, содержащих избыточный феррит, 60-120 НВ. Значительное увеличение твердости мартенситных структур объясняется тем, что, помимо упрочнения пластическим деформированием, происходит частичное превращение аустенита в мартенсит и выделение высокодисперсных карбидных частиц.

Наклеп поверхности выполняют бомбардированием ее струей стальной или чугунной дроби и шариков, а также суспензией, содержащей абразивные частицы; обкатыванием роликами, шарами или ротационным инструментом; чеканкой. Дробеструйный наклеп обеспечивает неглубокую пластическую деформацию до 0,5-0,7 мм. Применяют для обработки поверхностей небольших деталей сложных форм, а также деталей малой жесткости типа пружин, рессор, мембран и др.

Для обработки чаще всего применяют стальную дробь (реже - литую чугунную) диаметром 0,8-2 мм. Глубина наклепа при дробеструйной обработке не превышает 0,8 мм. Поверхность детали приобретает некоторую шероховатость; последующей обработке не подвергается. Режим обработки определяется скоростью подачи дроби (до 90 м/с), расходом дроби в единицу времени и экспозицией - временем, в течение которого обрабатываемая поверхность находится под ударами дроби. Режимы обработки устанавливают экспериментально. Поверхность детали должна быть полностью покрыта следами - вмятинами. Обычно экспозиция равна 0,5-2 мин на обрабатываемую поверхность.

Обкатка. Обкатку роликами или шариками осуществляют с помощью различных приспособлений, устанавливаемых на токарных или строгальных станках. Приспособления изготовляют одно- или многороликовыми. Давление роликов или шариков создают механическим (пружинным) или гидравлическим способом. Пружинящие элементы тарируют, что дает возможность нормировать давление на ролики. Обкатку роликами или шариками применяют при обработке деталей типа осей, валов и других деталей, имеющих форму тел вращения, реже - плоские поверхности. Устанавливают следующие параметры упрочняющей обкатки роликами: давление на ролик, форму и размеры ролика, продольную подачу и скорость обкатки.

Поверхностная твердость обрабатываемого материала и глубина пластической деформации зависят от режимов упрочнения, физико-механических свойств, структуры и химического состава материала. Наибольшее влияние на поверхностную твердость оказывает давление деформирующего элемента в месте контакта с обрабатываемой деталью и кратность приложения этого давления. Значение давления определяется силой обкатывания, геометрией деформирующего элемента и детали, а также физико-механическими свойствами обрабатываемого материала. Кратность приложения давления зависит от подачи, длины линии контакта, числа проходов и деформирующих элементов.

При определенной геометрии деформирующего ролика с увеличением давления и кратности его приложения к поверхности детали степень наклепа возрастает примерно прямо пропорционально только до достижения давлением предельно допустимого значения. Превышение этого давления или числа циклов нагружения сопровождается остановкой роста твердости и ее снижением в связи с перенаклепом, т.е. разрушением поверхностного слоя металла, возникающим в результате наступившего предела пластического деформирования его кристаллической решетки.

Необходимая степень упрочнения достигается выбором одного из множества сочетаний НВ, t (показатель кривой усталости), S (подача), i (число проходов). Конкретные значения указанных параметров определяют, исходя из конструктивных особенностей обрабатываемой детали, произво-

дительности процесса и т.п.

При упрочняющем обкатывании шаром степень пластической деформации е = d/D, где d и D - диаметры, соответственно, лунки на поверхности и вдавливаемого шара; е ? 0,4. 0,5; деформация более 0,5 практически не обеспечивает увеличения твердости деформируемого металла.

При обкатывании роликом степень деформации определяют из соотношения е = b/(2r), где b - ширина единичной канавки, возникающей как след от обкатки роликом; r - профильный радиус ролика; е ? 0,4. 0,5.

Профильный радиус обкатывающего ролика должен быть возможно меньшим для заданной глубины наклепа. Если при обкатывании наблюдается шелушение поверхности, то размер профильного радиуса ролика увеличивают. Для упрочнения деталей малой жесткости необходимо использовать деформирующие элементы с малым профильным радиусом, что позволит получить максимальное увеличение твердости при незначительных усилиях.

При обкатывании роликами достаточно одного прохода роликов по упрочняемой поверхности. Последующие проходы не создают дополнительного наклепа и не увеличивают его глубину.

Формулы для расчета режима упрочнения методом обкатывания роликами и шариками приведены в таблицах 1 и 2; рекомендуемые значения давления на обрабатываемую поверхность применительно к некоторым методам упрочнения поверхностным пластическим деформированием с наклепом - в таблице 3.

Упрочнению роликами подвергают развертки, зенкеры и фрезы, изготовленные из сталей Р18 и Р9, после термообработки и шлифования. В качестве деформирующих элементов используют ролики высокой твердости (из стали ХВ4) с прямолинейной или криволинейной образующей.

Упрочняемый инструмент зажимают в центрах. Приспособление с одним или двумя (рис. 4) роликами устанавливают на резцедержателе токарного станка. Поворот инструмента на шаг между зубьями проводят с помощью делительного приспособления. Фиксирующим устройством, расположенным на заднем центре, удерживают инструмент от проворота.

Развертки и зенкеры упрочняют по задней поверхности режущей и калибрующей частей и обратного конуса; фрезы - по задней поверхности зубьев. Оптимальным можно считать Р = 750.1000 Н при диаметре роликов 35 мм. Диаметр разверток в процессе упрочнения изменяется на 0,05-0,08 мм. Под упрочнение разверток, предназначенных для обработки отверстий с параметром шероховатости Rz = 80.40 мкм, необходимо оставлять припуск 0,04-0,06 мм.

Время доводки развертки составляет 3-5 мин. На упрочнение развертки при использовании однороликового приспособления затрачивают 8-10 мин, двухроликового - 4-5 мин. Таким образом, время, затрачиваемое на доводку и упрочнение разверток, примерно одинаково, но в последнем случае повышается качество обрабатываемой поверхности и стойкость инструмента, что обусловливает экономический эффект применения метода упрочнения.

В результате упрочнения параметры шероховатости инструмента уменьшаются от Ra = 0,63 до Ra = 0,040 мкм, твердость поверхностного слоя возрастает, количество остаточного аустенита в слое значительно уменьшается.

В процессе упрочнения возникает скругление радиусом r (рис. 5) при переходе режущей части развертки в калибрующую, что является положительным фактором, так как предотвращает быстрое изнашивание инструмента, изменяется геометрия его передней поверхности (рис. 6), образуется передний угол г = 8.10°, который увеличивается при возрастании силы Р. Радиус скругления режущих кромок в этом случае получается несколько меньшим, чем при шлифовании, и составляет 15-20 мкм. Указанные изменения геометрии инструмента оказывают благоприятное воздействие на процесс резания.

Обработка инструмента и деталей технологической оснастки методом алмазного выглаживания. Эту операцию применяют для упрочнения изделий твердостью до 65 HRC, а также вместо операции окончательного шлифования, полирования, доводки и суперфиниширования поверхности. Метод универсален и широко применяется для обработки стальных закаленных или термически неупрочненных деталей, с поверхностными покрытиями и без них, а также деталей из цветных металлов, их сплавов, высокопрочных чугунов. Выглаживание выполняют специальными инструментами - выглаживателями, оснащенными сфероидальными, трапециевидными или конусообразными деформирующими элементами, изготовленными из синтетических сверхтвердых материалов - карбонада, гексанита-Р, эльбора-Р и других материалов, реже - из природных алмазов или твердых сплавов.

В инструментальном производстве алмазное выглаживание используют при обработке колонок и направляющих втулок штампов для холодной штамповки, пуансонов, вкладышей пресс-форм, формообразующих поверхностей вытяжных штампов, зубьев круглых деформирующих, уплотняющих протяжек, прошивок, мерительных поверхностей и калибров-пробок. Износостойкость выглаженной поверхности увеличивается в 2-3 раза по сравнению со шлифованной и на 20-40% по сравнению с полированной; износостойкость и контактная выносливость выглаженной хромированной поверхности на 35-50% выше полированной.

Гидроабразивное упрочнение. Наклеп поверхностного слоя струей сус- пензии (жидкость с абразивными частицами) применяют для случаев, когда необходимо получить упрочненный слой небольшой глубины. Подача абразивной суспензии к соплам установок для гидроабразивной обработки осуществляется в зависимости от конструктивных особенностей и типа установки самотеком, инжекцией сжатым воздухом или под давлением с помощью насоса.

Гидроабразивное упрочнение стальных и твердосплавных инструментов. На поверхностях и гранях твердосплавных пластин и инструментов после спекания могут образоваться специфические дефекты, из которых наиболее характерными являются рваные кромки, заусенцы (наплывы), микротрещины и микропоры, неравномерность химического состава, оксидные пятна, неравномерность распределения твердости (пятнистость), ликвация и зоны высокой концентрации металлов (например, кобальта), входящих в состав сплава в качестве наполнителя и связки и отличающихся повышенной вязкостью. По этим причинам могут возникать «вторичные» дефекты - внутренние напряжения, вспучивания, искажения геометрических форм и т.п. Дефекты снижают прочность поверхностного слоя, увеличивают силу трения, создают условия для возникновения нежелательного эффекта «схватывания» металла стружки с вязкими участками на поверхности твердого сплава. Эти участки служат очагами концентрации напряжений и центрами разрушений, преобладающей причиной поломок и преждевременного изнашивания твердого сплава при эксплуатации инструмента. На поверхностях стальных, окончательно обработанных инструментов, также имеется большинство перечисленных дефектов. Кроме того, поверхностный слой металла закаленного инструмента часто содержит в себе скрытые дефекты - зашлифованные прижоги, растягивающие внутренние напряжения, зоны водородного насыщения, зоны повышенной концентрации аустенитных структурных включений.

Гидроабразивная обработка поверхностных слоев инструментальных материалов позволяет ликвидировать большинство из указанных дефектов и тем самым увеличить стойкость инструментов на 25-40%. Процесс проводят либо на гидроабразивных установках, либо с помощью центробежно-планетарных машин. При обработке поверхностей абразивное воздействие оказывают гранулы, бой абразивных инструментов, фарфоровые, стеклянные или стальные закаленные шарики, кварцевый песок. Для обработки пластин твердого сплава успешно применяют абразивный порошок зеленого карборунда марки КЗ 160. Состав рабочего раствора, г/л: триэтаноламин 6-8; калий хромовокислый 9-10 или жидкое стекло 3-4; вода - остальное.

Длительность процесса обработки в центробежно-планетарных машинах 40-60 мин. Целесообразно подразделять цикл процесса на два этапа - предварительную и финишную обработки. На первом этапе (продолжительность 10-15 мин) при частоте вращения рабочей кассеты n = 200 мин-1 притупляются острые кромки на ребрах и вершинах пластин, частично снимается дефектный поверхностный слой. Окончательную обработку выполняют в течение 40-50 мин при n = 300.350 мин-1. На этом этапе скругляются режущие кромки до радиуса 15-50 мкм, полностью снимается дефектный поверхностный слой. В процессе обработки обеспечивается создание упругих деформаций сжатия, оказывающих положительное влияние на стойкость инструмента. Процесс экономически эффективен даже при малых партиях упрочняемого инструмента.

Упрочнение чеканкой. Упрочнение чеканкой состоит в упорядоченном ударном воздействии на упрочняемую поверхность специальными бойками механизированного инструмента - пневматического, электрического или механического.

Применяют инструменты с одним бойком и многобойковые ротационные - шариковые и роликовые. Ударные бойки (шары или ролики) расположены в гнездах дисков-роторов. При их вращении в контакте с обрабатываемой поверхностью бойки поочередно наносят на нее удары, создавая эффект наклепа. Ротационную чеканку используют для упрочнения деталей с малой жесткостью или для обработки внутренних поверхностей.

Вибрационно-упрочняющая обработка (чеканка) является разновидностью метода чеканки деформирующими бойками. При вибрационной отделочно-упрочняющей обработке происходит многократное соударение частиц рабочей среды с деталью, вызывающее поверхностное упруго-пластическое деформирование. Операцию выполняют в среде вибрируемых стальных закаленных шаров или роликов. Применяют для получения наклепа и образования сжимающих остаточных напряжений в поверхностном слое металла детали с целью повышения износостойкости и сопротивления усталости.

Наибольшие значения глубины наклепа и остаточных сжимающих поверхностных напряжений достигаются при виброобработке стальными роликами. При обработке деталей с исходным параметром шероховатости поверхности более Rz = 20 мкм возможно ухудшение качества поверхности.

Лучших результатов достигают при обработке в среде стальных закаленных полированных шаров диаметром 2-16 мм, что позволяет значительно снизить.

В процессе отделки и упрочнения поверхности деталей в среде закаленных тел типа шаров происходит уменьшение шероховатости поверхности, образование наклепа и сжимающих остаточных напряжений. Глубина наклепа и напряжения при этом меньше, чем при обработке поверхностей роликами. После вибрационной обработки в среде стальных закаленных шаров можно получить параметры шероховатости поверхности Ra = 0,63. 0,040 мкм. Значения параметра шероховатости поверхности зависят от исходной шероховатости и твердости материала обрабатываемой детали.

Продолжительность вибрационной обработки не должна превышать 200 мин; ее можно уменьшить, увеличивая частоту и амплитуду колебаний, изменяя характер рабочей среды и искусственно увеличивая массу детали (крепление на специальные оправки; обработка нескольких деталей, жестко связанных одна с другой). Наибольшей интенсивности процесс обработки достигает при неподвижном закреплении детали.

Упрочняющая обработка поверхностей металлическими щетками. Упрочняющая обработка поверхностей металлическими щетками проводится с использованием вращающихся металлических щеток различных конструкций, в том числе с лепестковыми рабочими элементами, иглофрезами, торцовыми щетками, лепестковыми кругами, нейлоновыми вращающимися щетками с ударными элементами в виде шайб, звездочек, пластин, скрепленных прядей троса, а также секционными и пучковыми щетками, виброторцовыми и торцовыми щетками с ударными элементами.

В качестве рабочих элементов чаще всего используют металлическую проволоку диаметром 0,2-0,8 мм, соединенную в пучки и размещенную между фланцами. Дисковыми щетками обрабатывают все виды поверхностей. Режимы обработки такими щетками: скорость обработки 15-45 м/с, скорость подачи (лимитируется исходным состоянием поверхности) 0,5-30 м/мин и более, натяг 0,5-5 мм. Толщина поверхностно упрочненного слоя достигает 0,05-0,1 мм. Микротвердость повышается на 20-50%. В поверхностных слоях формируются остаточные напряжения сжатия.

При контактировании рабочей части проволочного элемента щетки с поверхностью детали возможны три варианта формирования рельефа поверхности: сглаживание, царапание, микрорезание.

Сглаживание поверхности в основном происходит при мягких режимах обработки, т.е. при малой жесткости проволочных элементов, незначительном натяге, больших скоростях обработки и т.п. Притупление вершин микрорельефа обеспечивается в результате ударов проволочных элементов на линии атаки, а также их скольжения, трения по поверхности на линии контакта. Увеличение скорости обработки при прочих равных условиях сопровождается увеличением температуры поверхностного слоя и более активным ее преобразованием, наблюдаются мостики сварки, поверхность приобретает бархатистый вид.

Формирование рельефа поверхности зависит от сочетания направлений вращения инструмента и перемещения детали (инструмента). Обработка вращающимися щетками выполняется по встречной и попутной схемам. При попутной обработке направление подачи детали или перемещения щетки совпадает с направлением ее вращения, а при встречной - нет.

При встречной обработке рельеф поверхности формируется в основном за счет ударов, уколов, создаваемых проволочными элементами на линии атаки.

Обрабатываемая поверхность сначала подвергается воздействию на нее проволочных элементов в процессе скольжения по поверхности, а потом их ударному воздействию на линии атаки. При попутной обработке наблюдается обратное явление.

Микрорельеф поверхности при попутной обработке формируется в результате скольжения и трения рабочих элементов по обрабатываемой поверхности. Царапание поверхности и микрорезание выполняют при повышенной жесткости рабочих элементов щеток.

При попутной обработке щеткой с упругим креплением проволочек наибольшее влияние на качество поверхности оказывают частота вращения щетки идиаметр ударного элемента, а при встречной обработке - натяг и масса ударного элемента; при попутной обработке щеткой со свободным соединением ударного элемента в виде толстой проволочки с корпусом щетки существенное влияние оказывает жесткость зачистных элементов и число ударных секций, а при встречной обработке - частота вращения щетки, натяг, жесткость зачистных элементов и особенно их масса.

Обработка металлической поверхности щетками сопровождается уменьшением микронеровностей; параметры обработанной поверхности зависят от исходной шероховатости, а также жесткости рабочих элементов. Чем тверже обрабатываемая поверхность, тем лучше ее обрабатываемость.

Максимальная толщина упрочненного слоя при обработке конструкционных сталей обычными вращающимися металлическими щетками не превышает 0,02-0,07 мм. При обработке заготовки из стали 14ХН3МА секционной щеткой с коэффициентом плотности набивки 0,12-0,15, натяге 4 мм, времени экспонирования 20 с толщина упрочненного слоя возрастает с увеличением скорости обработки и при х = 38 м/с достигает 0,08 мм, повышается микротвердость поверхностного слоя на 10-30%.

При работе в режиме резания с увеличением подачи микротвердость снижается на 3-6%. Увеличение скорости обработки от 2 до 5 м/с сопровождается повышением микротвердости на 5%. Возрастание микротвердости на 10-12% наблюдается при увеличении силы прижатия от 400 до 1000 Н.

Микротвердость поверхностных слоев убывает по глубине и зависит от подачи. Уменьшение подачи сопровождается увеличением микротвердости поверхности и ее однородности. Увеличение подачи вызывает неоднородность поверхностного слоя, а следовательно, и уменьшение его твердости. Скорость вращения щетки также оказывает значительное влияние на микротвердость - ее увеличение вызывает рост микротвердости.

Повышение натяга и скорости обработки сопровождается уменьшением Ra. Увеличение подачи вызывает обратное явление. С учетом этих зависимостей обработку поверхностей целесообразно выполнять при скорости 15-35 м/с. Натяг не должен превышать 3 мм. Подача зависит от исходного состояния поверхности.

Список использованных источников

деформирование пластический металлургический

1. В.Д. Плахтин. Надежность, ремонт и монтаж металлургических машин-М., Металлургия. 1983 г.

Д.П. Притыкин. Надежность, ремонт и монтаж металлургических машин-М., Металлургия. 1985 г.

Б.Т. Гельберг и др. Ремонт промышленного оборудования - Высшая школа. 1988 г.

В.А. Кружков и др. Ремонт и монтаж металлургического оборудования. - М., Металлургия. 1985 г.

В.И. Цеков. Ремонт деталей металлургических машин. Справочник - М., Металлургия, 1979 г.

Евдокимов В.Д., Клименко Л.П., Евдокимова А.Н. Технология упрочнения машиностроительных материалов. Учебное пособие-справочник. - Одесса. 2005 г.

Размещено на Allbest.ru