Технология конструкционных материалов

      Высокий отпуск (450—650 °С) обеспечивает получение наиболее вязкой структуры, обладающей достаточно высокой прочностью и твердостью (НВ ≈ 350). Такому отпуску подвергают обычно детали машин валы, шестерни и т. д.

ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ  ОБРАБОТКА

      Химико-термическая  обработка — это процесс поверхностного насыщения стали химическими  элементами (углеродом, азотом, алюминием, кремнием и др.) для повышения износостойкости, твердости, жаростойкости и других свойств.

      К химико-термической обработке относят  цементацию, азотирование, цианирование и диффузионную металлизацию.

      Цементация  — процесс поверхностного науглероживания стальных изделий для придания им высокой поверхностной твердости при сохранении вязкой сердцевины.

      Цементации  подвергают такие детали, как поршневые  пальцы, зубчатые колеса, кулачки распределительных валиков и др. Для изготовления цементируемых деталей применяют низкоуглеродистые и легированные стали с содержанием углерода 0,15...0,35%.

      Цементацию  выполняют после окончательной  механической обработки с небольшим припуском на шлифование

      Глубина науглероженного слоя тем больше, чем выше температура цементации и чем больше время выдержки изделия в печи. Содержание углерода в цементованном слое уменьшается от поверхности к сердцевине.

      Цементованный слой изделия приобретает требуемую  высокую твердость и износостойкость только в результате термической обработки в виде закалки и низкого отпуска.

      Азотирование — процесс насыщения поверхности стали азотом для повышения твердости, износостойкости и устойчивости против коррозии.

      Азотируют детали машин, работающих при высоких  температурах (гильзы цилиндров, клапаны), а также измерительный инструмент. Процесс азотирования проводят в специальных герметических печах при температуре 500...600°С. Через печь пропускают аммиак NH₃. Образующийся азот в атомарном состоянии поглощается поверхностью стали и проникает в глубь детали, образуя твердые растворы и химические соединения, называемые нитридами.

      Для изготовления деталей, подвергаемых азотированию, применяют легированные стали марок 35ХМЮА и 38ХМЮА. Результаты процесса зависят от температуры, состава стали, времени выдержки и степени диссоциации аммиака. Чем выше температура азотирования, тем глубже слой, но меньше его твердость. Продолжительность процесса зависит от требуемой глубины азотированного слоя. Например, для получения азотированного слоя 0,3... 0,6 мм выдержка составляет 30...60 ч.

      Перед азотированием изделия обязательно  подвергают термической обработке, которая сводится к закалке и последующему отпуску. Это придает сердцевине изделия высокие механические свойства.

      Цианирование — процесс одновременного насыщения поверхности стали углеродом и азотом для повышения твердости и износостойкости, а также для увеличения сопротивляемости коррозии. Чем выше температура цианирования, тем сильнее поверхностный слой насыщается углеродом, чем ниже — азотом. Цианирование бывает высокотемпературным при 800...950°С и низкотемпературным при 500...600°С.

      При высокотемпературном цианировании получают твердый поверхностный  слой глубиной до 2 мм, обладающий высокой износостойкостью. После цианирования изделия непосредственно из ванны или печи закаливают, а затем отпускают. Данную обработку используют для увеличения срока службы шестерен и других деталей.

      Низкотемпературное  цианирование применяют для инструмента  из быстрорежущей стали, прошедшей термообработку. Толщина слоя составляет 0,02...0,07 мм и зависит от режима цианирования.

      Диффузионная  металлизация — процесс насыщения поверхностного слоя различными металлами (алюминием, хромом, кремнием и др.) для придания окалиностойкости, жаростойкости, коррозионной стойкости, твердости и износостойкости.

      Насыщение изделий из стали и чугуна алюминием (алитирование) придает им высокую жаростойкость. На практике процесс применяют для обработки газоотводных труб двигателей, колосников и других изделий, работающих при высоких температурах. Для устранения хрупкости алитированные изделия подвергают диффузионному отжигу.

      Насыщение поверхностного слоя хромом (хромирование) приводит к увеличению коррозионной стойкости, окалиностойкости, твердости  и износостойкости стальных и  чугунных изделий. Данный метод применяют для обработки поршневых колец, режущего инструмента, деталей форсунок и насосов и др.

      Насыщение стали кремнием (силицирование) придает  ей коррозионную стойкость в некоторых  агрессивных средах, несколько повышает ее износостойкость и жаростойкость.

Общая технологическая схема изготовления отливки

      Суть  литейного производства состоит  в том, что фасонные детали (заготовки) получают заливкой жидкого металла в литейную форму, полость которой соответствует их размерам и форме. После кристаллизации металла литую деталь (заготовку), называемую отливкой, удаляют из литейной формы и в случае необходимости отправляют в механический цех для последующей обработки.

      Технология  изготовления отливки начинается с  разработки ее чертежа и рабочих  чертежей модельного комплекта (модели и стержневого ящика).

      В состав литейного цеха входят отделения: модельное, землеприготовительное, стержневое, формовочное, плавильное, выбивное, обрубное, очистное. В модельном отделении по рабочим чертежам изготавливают модельный комплект; в землеприготовительном — формовочную и стержневую смеси; в формовочном — литейную форму, а в стержневом — стержни; в плавильном получают жидкий металл. Готовую литейную форму заливают жидким металлом и после его затвердевания в выбивном отделении удаляют из формы отливку; обрубывают литниковую систему и очищают отливку от пригара в очистном отделении. Заключительной операцией является контроль качества отливки.

СПОСОБЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОТЛИВОК

Классификация способов получения  отливок и разновидности литейных форм

      1. Классификация способов получения отливок. Современное литейное производство располагает следующими способами изготовления отливок: 1) в песчано-глинистых формах с ручной и машинной формовкой 2) в металлических формах; 3) под давлением; 4) по выплавляемым моделям; 5) в оболочковых формах; 6) центробежным литьем; 7) электрошлаковым литьем; 8) под низким давлением; 9) вакуумным всасыванием 10) выжиманием; 11) жидкой штамповкой.

      Область применения этих способов определяется многими факторами: типом производства (единичное, серийное, массовое); массой отливок (мелкие — до 100, средние — до 1000, крупные — более 1000 кг); точностью и чистотой поверхности отливок; литейными свойствами сплавов; экономической целесообразностью использования того или иного способа.

      2. Разновидности литейных форм. Для получения отливок используют различные литейные формы, отличающиеся: сроком службы (разовые, многократные); состоянием перед заливкой (сухие, подсушенные, сырые, химически твердеющие, самотвердеющие) и технологией изготовления (вручную, на машинах, по выплавляемым моделям и др.).

      Разовые формы изготавливают из песчано-глинистых, песчано-смоляных формовочных смесей, и служат они для получения только одной отливки. Разовую форму изготавливают разъемной, состоящей из нижней и верхней полуформ. К разовым формам относят также неразъемные формы, изготовленные по выплавляемым моделям. После заливки разовую форму разрушают для освобождения затвердевшей отливки.

      Многократные  разъемные формы изготавливают из огнеупорных материалов. Такие формы выдерживают несколько десятков и сотен заливок. После заливки многократную форму раскрывают, не разрушая ее, извлекают готовую отливку и снова собирают для очередной заливки.

      Многократные  формы (кокили) изготавливают металлическими: из чугуна, стали и иногда из медных и алюминиевых сплавов. От температуры плавления сплава, из которого получают отливку, зависит срок службы кокиля. Из-за высокой стоимости кокили используют только в серийном и массовом производстве отливок.

СПЕЦИАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ОТЛИВОК

      Изготовление  отливок в разовых песчано-глинистых  формах имеет ряд существенных недостатков: невысокая точность и недостаточная чистота поверхности отливок; необходимость оставлять значительные припуски на механическую обработку; образование крупнозернистой литой структуры и др. Повышение точности и чистоты поверхности отливок достигают, используя специальные методы литья, к которым относят: кокильное, под давлением, под низким давлением, по выплавляемым (выжигаемым) моделям, в оболочковые формы, центробежное, электрошлаковое и некоторые другие.

Изготовление  отливок в металлических  формах

      Сущность  метода и область  применения. Сущность заключается в том, что вместо разовой песчано-глинистой используют металлическую форму, называемую кокилем.

      Обслуживание кокилей не требует рабочих высокой квалификации; значительно повышается производительность и уменьшаются необходимые производственные площади. Технологический процесс кокильного литья можно легко механизировать.

      Наряду  с преимуществами у кокильного литья  есть и недостатки: высокая стоимость кокилей позволяет использовать их только в серийном и массовом производствах; опасность образования трещин в отливках из-за неподатливости металлического кокиля; чугунные отливки в кокиле получают отбеленными и требуют длительного отжига, что удорожает их производство.

      Изготавливают кокили из серого чугуна, стали, а также  из цветных сплавов литьем с последующей  механической обработкой.

      Изготовление  отливок литьем под  давлением

      Сущность  метода и область  применения. Сущность состоит в том, что жидким металлом принудительно заполняют металлическую пресс-форму под давлением, которое поддерживают до полной кристаллизации отливки. Давление обеспечивает быстрое и хорошее заполнение формы, высокую точность и малую шероховатость поверхности отливки. Принудительное питание отливки жидким металлом исключает возможность образования усадочных раковин и пористости. Ускоренная кристаллизация металла в металлической пресс-форме под давлением обусловливает образование мелкозернистой структуры. Благодаря внешнему давлению растворенные в металле газы остаются в твердом растворе, что снижает газовую пористость металла. Отливки, полученные этим методом, как правило, не имеют припусков на механическую обработку и после удаления из формы являются готовыми деталями. Литьем под давлением можно получать отливки с толщиной стенки до 0,5 мм, сложной конфигурации и с отверстиями диаметром до 1 мм.

      Высокая стоимость пресс-форм, имеющих сложную  конфигурацию и требующих высокой  точности изготовления, обусловливает целесообразность применения литья под давлением только в крупносерийном и массовом производствах тонкостенных отливок достаточно сложной конфигурации из сплавов цветных металлов массой до 50 кг.

Сущность  обработки металлов давлением

      Пластическая  деформация. Обработка металлов давлением основана на использовании одного из основных свойств металлов — пластичности. Она проявляется в необратимом изменении формы и размеров тела под действием внешних сил без нарушения его целостности, которое сопровождается изменением структуры и механических свойств металла.

      Пластическая  деформация заключается в перемещении  атомов относительно друг друга на расстояния больше межатомных из одних  равновесных положений в новые. При перемещении атомов в одной  кристаллографической плоскости без изменения расстояний между этими плоскостями силовое взаимодействие атомов не исчезает и деформация протекает без нарушения сплошности тела. При перемещении атомов по определенным плоскостям кристаллической решетки происходит скольжение (сдвиг) одной части кристалла относительно другой. Однако этот сдвиг происходит не при одновременном смещении атомов, а путем постепенного перемещения микроскачками вдоль плоскости скольжения несовершенств (дефектов) кристаллического строения.

      При пластической деформации в отличие от упругой нет линейной зависимости между напряжениями и деформациями.

      2. Особенности и  область применения  обработки давлением. Получение заготовок деталей, а в некоторых случаях и самих деталей требуемых размеров и форм при обработке давлением достигается пластическим перемещением (сдвигом) частиц металла. В этом заключается основное отличие и преимущество обработки давлением по сравнению с обработкой резанием, при которой форма изделия получается удалением части заготовки. Поэтому обработка давлением характеризуется малыми отходами металла. Вместе с тем она является высокопроизводительным процессом, так как изменение размеров и формы заготовки достигается однократным приложением внешнего усилия. Указанные особенности обусловливают непрерывное возрастание роли обработки давлением в машиностроении. Обработке давлением подвергают около 90 % всей выплавляемой стали и свыше 50 % цветных металлов.

ОБРАБОТКА КОНСТРУКЦИОННЫХ  МАТЕРИАЛОВ РЕЗАНИЕМ