Методы восстановления структуры и физико-механических свойств материала деталей механического оборудования

Для получения нужных физико-механических свойств детали подвижного состава в процессе изготовления подвергают различным видам обработки, получившей название упрочняющей технологии. В процессе эксплуатации под действием нагрузок и влияния факторов среды (температуры, влаги, химических примесей в смазке и пр.) происходит не только поверхностный износ, но и структурные изменения материала, приводящие к снижению прочности и работоспособности деталей.

Для восстановления структуры и физико-механических свойств материала деталей в ремонтной практике используют те же виды упрочняющей технологии, что и на заводах-изготовителях. Для деталей механического оборудования этими видами обработки являются: термообработка, химико-термические методы обработки, гальванообработка и методы механического наклепа деталей.

Термообработка. Она является основным методом восстановления структуры и физико-механических свойств материала деталей механического оборудования. Общее повышение механических свойств, снятие внутренних напряжений и выравнивание состава по всему объему достигается такими видами термической обработки, как отжиг, нормализация и так называемое улучшение. Отжиг заключается в нагреве детали до температуры перекристаллизации, выдержке ее при этой температуре до окончания структурных превращений в металле и медленном охлаждении вместе с печью. Нормализация отличается от отжига тем, что деталь в этом случае охлаждается на воздухе, а не вместе с печью. Применяют несколько видов отжига в зависимости от требований, которые к нему предъявляют: так называемый фазовый, рекристаллизационный, гомогенизирующий, умягчающий и др.

Повышение механических свойств металлов при отжиге и нормализации связано в основном с получением более, мелкого зерна в результате перекристаллизации, что приводит к значительному повышению ударной вязкости при той же твердости. Улучшением называют процесс термообработки, состоящий из закалки с последующим высоким отпуском. Стальные детали, работающие на истирание и ударную нагрузку (шестерни, валики, втулки), для повышения твердости, износостойкости и ударной вязкости подвергают различным видам закалки. Закалка заключается в нагреве детали, выдержке ее при той или другой температуре для получения нужных фазовых превращений в металле и быстром охлаждении для закрепления этих превращений. В результате закалки получаются различные неравновесные структуры, обладающие заданными физико-механическими свойствами.

Для повышения твердости и износостойкости поверхностных слоев деталей, работающих на истирание, применяют поверхностную закалку, химико-термические методы обработки, электролитическое хромирование и различные методы поверхностного наклепа.

Схемы основных способов поверхностной закалки показаны на рис. XII.13. При газопламенной закалке поверхность детали нагревают до закалочной температуры пламенем кислородно-ацетиленовой газовой горелки с последующим охлаждением струей воды или масла. На рис. XII.13, а показана газопламенная закалка зубьев шестерни. Шестерню 2 устанавливают на специальной оправке в закалочном баке 4 и фиксируют упором 3. Горелке 1 дают перемещение вдоль оси шестерни на ширину зуба. Пламенем горелки обрабатывают поверхность зуба, наполовину погруженного в охлаждающую среду. После перемещения горелки на всю ширину зуба шестерня поворачивается на один зуб так, что обработанный пламенем зуб опускается при этом в охлаждающую среду. Обработка остальных зубьев производится в том же порядке. Процесс перемещения горелки и поворота шестерни автоматизирован.

При закалке токами высокой частоты (ТВЧ) нагрев обрабатываемой поверхности осуществляется токами, индуцируемыми в металлической детали быстропеременным магнитным полем. В качестве источников питания в этом случае используют машинные и ламповые генераторы: первые — когда требуемая частота не превышает 10 000 гц, вторые — когда необходимы более высокие частоты. Частотой тока определяется глубина слоя закалки, так как 85% индуцированного тока сосредоточены на глубине

где р — удельное электрическое сопротивление материала;
μ — его магнитная проницаемость;
f — частота индуцированного тока.

Одним из главных элементов установки для поверхностной закалки ТВЧ является индуктор. Его выполняют по форме закаливаемой поверхности из трубки красной меди прямоугольного или квадратного сечения. Индуктор используют и для нагрева и для охлаждения закаливаемой поверхности: в него подают воду, а на внутренней части Делают отверстия для разбрызгивания ее на деталь. На рис. XII.13, б показана поверхностная закалка ТВЧ зубьев шестерни и положение индуктора во впадине между зубьями. Шестерню 1 надевают на оправку 2 закалочной установки с делительной головкой. Индуктор 3 состоит из магнитопровода 5, боковых 4 и передней 6 медных трубок. Штриховой линией показаны магнитные потоки, создаваемые индуктором в пазу между зубьями при прохождении тока. Технологический процесс закалки включает в себя: ввод индуктора и фиксацию его во впадине между зубьями; нагрев Се ТВЧ до закалочной температуры; отключение нагрева и охлаждение водой; вывод индуктора; поворот шестерни на один зуб; ввод индуктора во вторую впадину между зубьями и т. д. Весь этот процесс может быть автоматизирован.

Рис. XII.13. Схемы основных методов поверхностной закалки

Поверхностная закалка в электролите (рис. XII.13, в) основана на явлении, которое называют эффектом катода. Сущность его состоит в том, что на катоде 4, помещенном в 5-10%-ный раствор 2 кальцинированной соды, при высокой плотности тока (3-4 а/см²) образуется тонкий слой пузырьков 3 водорода, который благодаря плохой электрической проводимости способствует быстрому нагреву поверхности катода до температуры порядка 2000° С. При закалке в электролите детали присоединяют к катоду, нагрев их осуществляется за несколько секунд, после чего ток отключают. Деталь закаливается прямо в электролите, так как последний током почти не нагревается. Таким образом, ванна 1 с электролитом выполняет в этом случае одновременно роль нагревательной печи и закалочной ванны.

Поверхностная закалка дает возможность получения деталей с высокой поверхностной твердостью и износостойкостью при вязкой сердцевине, вызывает значительно меньшее коробление деталей по сравнению с объемной закалкой, легко поддается автоматизации, характеризуется высокой производительностью.

Химико-термические методы упрочнения. В практике ремонта подвижного состава наибольшее распространение получили цементация и цианирование. Цементации подвергают детали из малоуглеродистых сталей, работающие на истирание: валики, втулки, рессорные накладки и т. д. Содержание углерода в поверхностных слоях доводят при этом до 0,8—0,9%, а толщину цементированного слоя — до 1-3 мм. Наибольшее распространение имеет цементация в твердой среде (в твердом карбюризаторе) и в среде газа (газовая цементация). Более прогрессивная, но требующая более сложного технологического оборудования, газовая цементация в природном, светильном или в промышленных газах.

Здесь отпадают операции приготовления карбюризатора и упаковки деталей в ящики, исключается загрязнение цеха, значительно повышается производительность труда, появляются все возможности автоматизации процесса. Газовое цианирование мало чем отличается от газовой^ цементации, но обеспечивает более высокую прочность, износостойкость и коррозионную стойкость обрабатываемой поверхности, вызывает меньшее коробление деталей сложной конфигурации.

Преимущество цианирования перед цементацией и в более высокой производительности: продолжительность цианирования в несколько раз меньше, чем цементации. Цианируют преимущественно низкоуглеродистые цементируемые стали. Газовое цианирование выполняют в тех же печах, что и цементацию, в смеси 70—80% цементирующего газа и 20—30% аммиака. Выдержка в печи при среднетемпературном цианировании (820—680° С) составляет 1 ч на каждые 0,1 мм глубины цианированного слоя. И после цианирования, и после цементации детали проходят термическую обработку.

Механический наклеп. Основным методом упрочнения деталей подвижного состава наклепом является накатывание роликами. Этим способом успешно пользуются для повышения усталостной прочности шеек и подступичных частей осей колесных пар, полуосей троллейбусов и других деталей, имеющих форму тел вращения. Для накатки используют накаточные приспособления или станки. В процессе накатки вращение получает деталь, а приспособление вместе с роликами имеет медленное движение подачи вдоль оси вала. Обкатывание ведется при обильной смазке обрабатываемой поверхности детали. Глубина наклепа при обкатке составляет около 10-14% радиуса обкатываемой оси, а твердость поверхностного слоя возрастает на 25-40%.

Сведения об авторах и источнике:

Авторы: Д. И. Бондаревский, В. М. Кобозев

Источник: Эксплуатация и ремонт подвижного состава городского электрического транспорта