Способы упрочнения деталей. Поверхностное упрочнение стальных деталей

Настоящее изобретение относится к способу нанесения на поверхность металла, например металлическую поверхность инструмента или сельскохозяйственных орудий производства, твердого износостойкого покрытия. Задачей изобретения является создание износостойкого покрытия, имеющего однородную плотность, преимущественно не содержащего включений. Предложен способ, включающий нанесение суспензии из порошкового износостойкого сплава и раствора поливинилового спирта (PVA). По другому варианту раствор связующего покрытия PVA может быть нанесен на поверхность металла с последующим нанесением слоя порошкового сплава. После того, как покрытие из суспензии или связующего агента PVA высушивают с остающимся при этом слоем сухого покрытия из сплава в матрице из PVA, поверхность металла нагревают в вакууме, в атмосфере инертного газа или в атмосфере водорода до температуры плавления сплава. Металлическую деталь с расплавленным покрытием подвергают термической обработке для придания нужных механических свойств основному материалу. Техническим результатом данного изобретения является обеспечение получения гладкого, плотного покрытия, придающего износостойкость и упрочняющего поверхность, без неметаллических включений. 3 с. и 14 з.п. ф-лы, 1 табл.

Предшествующий уровень техники Настоящее изобретение относится к способу нанесения на поверхность металла, например металлическую поверхность инструмента или сельскохозяйственных орудий производства, твердого износостойкого покрытия. Покрытие поверхности металлов другим металлом или металлическим сплавом для улучшения внешнего вида, защиты от коррозии или повышения износостойкости хорошо известно в области металлургии. Покрытие инструментов, в частности режущих кромок инструментов, твердым износостойким сплавом является общепринятой практикой, особенно в области производства сельскохозяйственного оборудования, и часто упоминается как "упрочнение поверхности" или "поверхностное упрочнение". Например, см. патент США Re.27852, автор Alessi, патент США 5027878 и 5443916, автор Revankar, патент США 4682987, Brady с соавторами и патент США 5456323, автор Hill. Упрочнение поверхности часто осуществляют посредством плавления твердого порошкового металлического сплава на поверхности металла. Этот способ включает, как правило, покрытие поверхности металла водной суспензией порошкового гомогенного сплава, порошкового флюса, связующего агента и суспендирующего агента; высушивание суспензии для образования твердого слоя и нагрев поверхности металла до достаточно высокой температуры для плавления сплава на поверхности. Флюс предназначен для защиты сплава от взаимодействия с газами в атмосфере плавильной печи во время нагрева сплава. Суспендирующий агент способствует получению однородной суспензии. Связующий агент удерживает порошки сплава и флюса на месте, пока суспензию сплава высушивают на поверхности металла. Одной из проблем этого способа упрочнения поверхности является то, что флюс, связующий агент и суспендирующий агент, добавляемые в суспензию, остаются в расплавленном покрытии как нежелательные неметаллические включения и уменьшают количество эффективного износостойкого покрытия при данной толщине покрытия. Эти включения рассредоточены в покрытии, что увеличивает хрупкость и способствует выкрашиванию материала покрытия, но не за счет разрушения, а скорее из-за абразивного износа, что приводит в результате к преждевременному износу и сокращению срока службы покрытия. Другой проблемой способов предшествующих технических решений является неоднородная толщина покрытия. 1) Покрытие суспензией способствует ее стеканию, пока она влажная, по вертикальным и наклонным поверхностям, с образованием при этом неоднородного распределения порошкового сплава. 2) Смесь флюс/связующий агент, используемая в суспензии для покрытия, плавится раньше порошкового покрытия, и образующаяся жидкость имеет тенденцию к перемещению порошковых частиц по вертикальным и наклонным поверхностям и вызывает их неоднородное распределение до того, как порошковый сплав начнет плавиться. В патенте Японии JP-A-60089503 предложен способ получения износостойкого материала. Порошок абразивного материала, такого как сплав на никелевой или кобальтовой основе, который содержит менее 5% железа, и органический связующий агент, например поливиниловый спирт, смешивают для образования суспензии, которой покрывают поверхность деталей машин. Детали нагревают в условиях вакуума или в неокислительной атмосфере для получения агломерированного слоя износостойкого материала, который связан с деталями через диффузионный слой. В патенте США 3310870 предложен способ получения стали с никелевым покрытием, в котором используют состав суспензии, включающей никелевый порошок в связующем агенте, например раствор поливинилового спирта, который может содержать диспергирующий или дефлоккулирующий агент, для обеспечения диспергирования связующего агента в суспензии. Суспензию наносят на металлическую основу посредством разбрызгивания или накатки роликом, высушивают, спекают в неокислительной для стали атмосфере, подвергают горячему компактированию и охлаждают. В Европейском патенте ЕР-А-0459637 предложен способ нанесения покрытия, содержащего твердый сплав, на металлический или керамический предмет. Твердый сплав содержит лишь небольшое количество железа. Его смешивают с органическим связующим агентом, например полихлорвинилом, и наносят на предмет посредством погружения, разбрызгивания, накатки роликом или с помощью других способов. На первой операции нагрева связующий агент разлагается, а на второй операции при высокой температуре в условиях избыточного давления происходит уплотнение. В патенте США 4175163 предложен способ покрытия изделия из нержавеющей стали коррозионно-стойким поверхностным слоем. Металлический порошок, содержащий в основном хром и никель, смешивают с органическим растворителем, например водным раствором поливинилового спирта. После распыления смеси на поверхности изделия его подвергают нагреву токами высокой частоты в условиях неокислительной атмосферы, например азота или аргона, что должно обеспечить образование у материала промежуточного диффузионного слоя между поверхностным слоем и стальным изделием. Задачей данного изобретения является создание способа однородного упрочнения поверхности металла износостойким сплавом по существу без неметаллических включений. Второй задачей является получение суспензии износостойкого сплава для использования при упрочнении поверхности. Краткое описание изобретения Первый аспект настоящего изобретения представляет собой способ упрочнения поверхности металла износостойким покрытием. Первый вариант способа включает следующие операции: a) получение преимущественно однородной водной суспензии поливинилового спирта и предназначенного для плавления твердого металлического сплава, содержащего, по меньшей мере приблизительно, 60% железа, в виде мелкодисперсного порошка и одной или более добавок из группы, включающей диспергирующие агенты, дефлоккулирующие агенты и пластификаторы, без флюса; b) покрытие поверхности металла водной суспензией; c) сушку водной суспензии для образования на поверхности металла затвердевшего слоя предназначенного для плавления твердого металлического сплава в матрице из поливинилового спирта; d) нагрев поверхности металла со слоем предназначенного для плавления твердого металлического сплава в матрице из поливинилового спирта до температуры плавления сплава в условиях защитной атмосферы при давлении приблизительно от 10 -4 Торр (1,33310 -2 Па) до 2 фунтов на квадратный дюйм (13,79 кПа) до тех пор, пока сплав не расплавится на поверхности металла; е) охлаждение поверхности металла с расплавленным упрочняющим покрытием до температуры окружающей среды. Операции b) и с) могут быть повторены один или несколько раз для образования более толстого слоя покрытия сплав/матрица из поливинилового спирта. Второй вариант способа упрочнения поверхности металла включает следующие операции: a) покрытие поверхности металла водным раствором поливинилового спирта; b) распределение преимущественно однородного слоя, предназначенного для плавления, твердого металлического сплава в виде мелкодисперсного порошка по покрытию из раствора поливинилового спирта, выполняемое на этапе а) перед сушкой раствора поливинилового спирта;
c) сушку покрытия из водного раствора поливинилового спирта для образования затвердевшего слоя предназначенного для плавления, твердого металлического сплава, связанного с поверхностью металла с помощью покрытия из поливинилового спирта;
d) нагрев поверхности металла, покрытой слоем предназначенного для плавления твердого металлического сплава, связанного с поверхностью металла с помощью покрытия из поливинилового спирта, до температуры плавления сплава в условиях защитной атмосферы при давлении, приблизительно, от 10 -4 Торр (1,33310 -2 Па) до 2 фунтов на квадратный дюйм (13,79 кПа) до тех пор, пока сплав не расплавится на поверхности металла;
е) охлаждение поверхности металла с расплавленным упрочняющим покрытием до температуры окружающей среды. Этапы а), b) и с) могут быть повторены один или несколько раз для образования слоев сплава, каждый из которых связан с лежащим ниже него слоем с помощью покрытия из поливинилового спирта, причем самый нижний слой связан непосредственно с поверхностью металла. Второй аспект настоящего изобретения представляет собой водную суспензию поливинилового спирта и предназначенного для плавления твердого металлического сплава, содержащего, по меньшей мере приблизительно, 60% железа, в виде мелкодисперсного порошка, используемого в первом варианте способа. Предпочтительно, чтобы средний размер частиц сплава составлял около 200 меш (соответствует ситу с количеством ячеек, равным 200 на 25,4 мм длины) или меньше. Износостойкие покрытия, которые наносят в соответствии с настоящими способами покрытия суспензиями для упрочнения поверхности, имеют однородную плотность и преимущественно не содержат включений, в отличие от покрытий суспензиями, наносимыми способами согласно предшествующим техническим решениям. Поэтому покрытия согласно изобретению являются менее хрупкими и более долговечными, чем покрытия, наносимые посредством способов, известных в данной области техники. Подробное описание изобретения
Широко используемый способ упрочнения поверхности металлов, в частности сельскохозяйственных орудий, предложен в патенте США Re.27852, автор Alessi (присоединенный к данному описанию в качестве ссылки). Этот способ включает: а) приготовление водной суспензии порошкового твердого сплава, связующего агента и флюса; b) нанесение суспензии на поверхность металлической детали, подлежащей упрочнению; с) удаление воды из суспензии при слабом нагреве для получения в остатке сухого слоя сплава, связующего агента и флюса на металлической поверхности и d) нагрев всей целиком металлической детали, предпочтительно, до высокой температуры плавления сплава и образования упрочняющего покрытия, прочно связанного с поверхностью металлической детали. Способ согласно изобретению представляет собой усовершенствование способа Alessi и используемых в настоящее время способов, основанных на способе Alessi, например способа, названного "Dura-Face" ("Стойкая поверхность") в патенте США 5456323. В способах упрочнения поверхности в данной области техники, основанных на патенте Alessi, смесь флюса и связующего агента (флюс/связующий агент), используемая для приготовления суспензии для покрытия, плавят до получения жидкого состояния при значительно более низкой температуре, чем температура плавления порошкового сплава, содержащегося в суспензии. Флюс/связующий агент продолжает существовать в виде жидкости даже при более высокой температуре плавления порошкового сплава. Однако жидкий флюс/связующий агент не успевает подняться на поверхность расплавленного сплава полностью за краткое время плавления и перед затвердеванием металла. Поэтому флюс/связующий агент остаются в сплаве покрытия как мелкие неметаллические частицы, известные как "включения". Включения являются относительно мягкими и хрупкими, ослабляя таким образом покрытие из сплава и снижая его износостойкость. Даже если времени будет достаточно, чтобы жидкие флюс/связующие агенты успели подняться на поверхность сквозь слой расплавленного сплава, флюс/связующий агент не удаляется с покрытия, а образует часть верхнего слоя покрытия. Кроме того, поскольку температура плавления флюса/связующего агента является существенно ниже, чем у сплава покрытия, то вязкость жидкой среды флюс/связующий агент становится низкой задолго до достижения температуры плавления сплава. Здесь термин "плавление" используют для обозначения того, что мелкодисперсные частицы сплава размягчаются, а отдельные частицы плавятся и объединяются с образованием сплошного покрытия. Жидкая среда флюс/связующий агент имеет тенденцию к легкому стеканию по наклонным поверхностям, унося с собой некоторое количество частиц порошкового сплава до того, как произойдет плавление порошкового сплава. Таким образом, плавление флюса/связующего агента приводит в результате к неоднородной толщине затвердевшего покрытия, вызывающей ухудшение характеристик износа покрытия из сплава. В первом варианте способа согласно изобретению водный раствор поливинилового спирта (PVA) используют как связующий агент в водной суспензии сплава без флюса. При нагреве PVA не плавится до термопластичного состояния, а распадается при температуре выше 150 o С за счет потери воды из двух соседних гидроксильных групп. Когда покрытие сплав/PVA нагревают до температуры плавления сплава, то PVA почти полностью испаряется из покрытия, после чего остается агломерат чистых порошковых частиц сплава с достаточной прочностью когезии, при плавлении которых образуется чистое и плотное покрытие без включений. Однако, поскольку PVA разлагается и улетучивается при температуре существенно ниже температуры плавления упрочняющего поверхность порошкового сплава, он не защищает сплав по мере нагревания до температуры плавления от химического взаимодействия с атмосферными газами, например с кислородом, азотом и двуокисью углерода. Такая защита является функцией материала флюса, который преднамеренно не включен в способ согласно изобретению. Поэтому в процессе нагрева, плавления и охлаждения, предпочтительно, использовать защитную атмосферу, если сплав при повышенной температуре склонен к взаимодействию с воздухом. В лабораторных условиях и при малых объемах производства плавление сплава удобно выполнять в печи при высоком вакууме (около 10 -4 Торр или 1,33310 -2 Па), эффективно удаляя атмосферные газы. Приемлемым является также эксплуатировать печь при низком давлении инертного газа (100-200 мкм [рт. столба] = 13,33-26,7 Па/м 2), например аргона или гелия. Можно также использовать азот при низком давлении, хотя и не с такими преимуществами, как аргон или другие инертные газы. Однако работа при высоком вакууме и низком давлении инертного газа в вакуумной печи в условиях производства является относительно дорогостоящей и малопроизводительной. Инертные газы, т. е. аргон и гелий, только при более высоком атмосферном давлении и восстановительные газы, такие как водород, также только при более высоком атмосферном давлении могут быть использованы в качестве защитной атмосферы в процессе плавления при приемлемой скорости производства. Водород, поскольку он является менее дорогим, чем аргон или гелий, предпочтителен в качестве защитной атмосферы при больших объемах производства. Печи, в которых используют водород в качестве защитной атмосферы, известны в области металлургии и имеются на рынках сбыта. Суспензию, используемую в настоящем изобретении, получают посредством тщательного смешивания порошкового упрочняющего сплава с раствором PVA в качестве связующего агента для получения нужного весового отношения сплава к раствору связующего агента. Составы суспензии, описываемой здесь, обозначают с помощью восьмизначного кода. Например, для суспензии "0550/0750" первые четыре цифры "0550" обозначают весовое отношение порошкового сплава к раствору PVA, равное 5,5 к 1, а последние четыре цифры "0750" обозначают 7,5 вес. % водного раствора PVA как связующего агента. В этом обозначении принято, что десятичная точка (запятая) находится посредине каждой группы из четырех цифр. Так, "1075/1025" означает отношение сплава к PVA 10,75 к 1, а водный раствор PVA содержит 10,25 вес.% PVA в воде. Специалистам в области металлургии будет понятно, что для получения однородного износостойкого покрытия поверхность подлежащего упрочнению металла должна быть ювенально чистой металлической поверхностью, свободной от окислов. Предпочтительно, чтобы перед использованием описанных здесь способов упрочнения поверхность металла, подлежащая упрочнению, была подготовлена посредством очистки до металлического блеска. Желательно, чтобы металлическую поверхность можно было подготовить к нанесению упрочняющего покрытия посредством промывки горячим моющим средством, а затем посредством пескоструйной обработки. Предпочтительно, чтобы размеры частиц при пескоструйной обработке составляли, приблизительно, от 80 до 120 меш. Если покрытию подлежат только несколько деталей, то оксиды с поверхности можно удалить зачисткой мелкой абразивной шкуркой на бумажной или тканевой основе, например абразивной шкуркой на бумаге или ткани с размером абразива 120 [меш] . Абразивный материал, предпочтительно, представляет собой любой твердый порошок с частицами, имеющими острие кромки, например окись алюминия, "стальной абразив" и многие другие имеющиеся на рынке сбыта абразивы. В первом варианте способа согласно изобретению предпочтительная процедура нанесения суспензии на подлежащую покрытию металлическую поверхность зависит от формы и размера металлической детали, имеющей металлическую поверхность, а также от соотношения сплава и концентрации связующего агента PVA в растворе. Как правило, суспензию для покрытия наносят обливанием, с помощью щеток или разбрызгиванием на подлежащую нанесению защитного покрытия металлическую поверхность либо подлежащую защите деталь, имеющую металлическую поверхность, можно окунать в суспензию. Такая процедура подходит для относительно тонких покрытий, например, приблизительно, вплоть до 0,030 дюйма (0,75 мм), однако, иногда трудно получить и сохранить однородную толщину покрытия. Предпочтительно, чтобы отношение количества сплава к раствору PVA при этой процедуре находилось в диапазоне, приблизительно, от 4:1 до 8:1 и чтобы концентрация PVA в растворе составляла, приблизительно, от 1 до 15 вес. % PVA. Например, для этой процедуры подходящими являются 0500/0500, 0600/0150, 0700/0150, 0500/0750, 0600/0750 или аналогичные суспензии. Нанесение покрытия распылением требует, чтобы суспензия имела низкую скорость оседания частиц сплава. Согласно закону Стокса конечная скорость (т. е. скорость без ускорения) "Vt" оседания порошковой частицы через столб жидкости прямо пропорциональна квадрату радиуса "r" частицы, принятой за сферическую, и обратно пропорциональна вязкости жидкой среды , т.е. Vt r 2 /. Следовательно, чем меньше размер (выраженный в меш) частицы порошкового сплава и чем больше вязкость связующего агента, тем ниже скорость оседания частиц порошкового сплава. Размер радиуса, поскольку он в квадрате, оказывает более сильное влияние, чем вязкость на скорость оседания. Например, радиус частиц 200 и 325 меш составляет 75 и 45 мкм соответственно, а вязкость 5 и 7,5% растворов PVA составляет 15 мПас и 70 мПас. Величина Vt для частицы 325 меш при 7,5%-ном растворе PVA в качестве связующего агента тогда будет в 13 раз меньше, чем для частицы 200 меш в 5,0%-ном растворе PVA. Таким образом, скорость оседания можно регулировать посредством правильного выбора комбинации концентрации связующего агента и размера порошковых частиц. Например, оседание частиц порошкового сплава в неперемешиваемой суспензии 0500/0750 порошка размером минус 200 меш пренебрежимо мало спустя 20 минут. Более высокая концентрация связующего агента, например 10% (вязкость связующего агента 250 мПас), приведет к дальнейшему снижению скорости оседания, однако, соответствующее большое увеличение вязкости суспензии сделает суспензию непригодной для разбрызгивания. Тем не менее, суспензию с высокой вязкостью можно использовать для других способов процедуры нанесения, т.е. в виде паст или лент, описанных ниже. Композиции густых суспензий, т.е. при высоком соотношении сплава к раствору PVA, могут наноситься как пасты на водной основе или из них прокаткой могут быть получены ленты для наложения на поверхность металла, однако, как правило, они требуют особых добавок для выполнения функции диспергирующих агентов, дефлокулирующих агентов и пластификаторов. Для таких процедур предпочтительное весовое отношение сплава к раствору PVA находится в диапазоне приблизительно от 8: 1 до 15:1, а концентрация PVA в растворе составляет, приблизительно, от 6 до 15 вес.%. Типичными примерами густых суспензий являются 1000/1000, 1200/1500 и 1500/1200. Способы нанесения в виде паст и лент могут быть использованы для густых суспензий. Однако эти процедуры трудны при использовании в условиях производства с высокой производительностью. Если необходимы толстые покрытия, то надежной и экономически выгодной, альтернативой пастам и лентам является процедура многократного нанесения покрытий, которая обеспечивает однородную толщину покрытия суспензией даже на больших поверхностях. Нужная толщина может быть получена посредством повторного разбрызгивания, перемежаемого циклами сушки. Сушку можно выполнять при температурах, приблизительно, от 80 до 120 o С в печи с принудительной циркуляцией воздуха. Для этого способа особенно подходит суспензия 0500/0750, хотя могут быть использованы и другие составы. Способ согласно изобретению подходит, в частности, для упрочнения поверхностей стальных деталей, подвергаемых высоким ударным воздействиям, коррозии и абразивному износу, включающим, но не ограниченным этим, инструменты (особенно режущие кромки инструментов), подшипники, поршни, коленчатые валы, шестерни, детали машин, огнестрельное оружие, сельскохозяйственные орудия и хирургические инструменты. Способ может быть использован для покрытия поверхности пластичного чугуна и серого чугуна, часто используемых для отливки деталей, например блоков цилиндров двигателей и корпусов агрегатов. Сплав можно плавить на поверхности детали из литого чугуна при температуре лишь незначительно ниже температуры плавления чугунной детали. Кроме того, способы согласно изобретению могут быть использованы для покрытия нежелезных металлов и сплавов при условии, что сплав для упрочняющего покрытия совместим с поверхностью металла, подлежащей покрытию, а температура плавления сплава для упрочняющего покрытия значительно ниже температуры плавления металла, поверхность которого подлежит упрочнению. Помимо этого, используя второй вариант настоящего изобретения, поверхность металла можно покрывать водным раствором PVA (приблизительно от 1 до 15 вес. % PVA) для образования связующего покрытия, с последующим распределением сухого порошкового сплава по покрытию из раствора связующего агента PVA, пока он еще влажный, предпочтительно, с помощью устройства для распыления порошка. Предпочтительно, чтобы как водный раствор PVA, так и порошковый сплав были нанесены на металлическую поверхность распылением. Раствор связующего агента PVA затем высушивают для образования связи твердого слоя порошкового сплава с поверхностью покрытия PVA. Можно получить несколько слоев порошкового сплава путем последовательного нанесения покрытия раствором PVA и слоев порошкового сплава и последовательного высушивания покрытия из раствора PVA, связывающего слой порошкового сплава, перед нанесением следующего покрытия PVA. Этот вариант устраняет проблемы оседания порошка в суспензии и стекание суспензии при наличии толстых покрытий. Кроме того, этот вариант хорошо подходит для производства с высокой производительностью. Термическая обработка металла для изменения или улучшения его свойств хорошо известна и широко практикуется в области металлургии, а именно, см. Heat Treating Hand book, ASM International, Metals Park, OH (1991). Процесс термической обработки включает, по существу, однородный нагрев металла до температуры его аустенизации (закалки), затем быстрое охлаждение, т.е. закалка, в закалочной среде, такой как вода, закалочное масло или полимерная закалочная среда либо даже воздух. Металлическая деталь, имеющая поверхность, упрочненную способом согласно изобретению, может быть подвергнута термической обработке путем извлечения детали из печи после плавления сплава покрытия, медленного охлаждения до температуры закалки металла, а затем быстрого погружения в подходящую закалочную среду. Как один из вариантов, металлическую деталь, имеющую предварительно упрочненную поверхность, можно подвергнуть термической обработке путем нагрева до ее температуры закалки и быстрого охлаждения. Как связующий агент PVA, в отличие от флюсов/связующих агентов, известных в данной области техники, не плавится с образованием жидкости перед плавлением или в процессе плавления покрытия и поэтому не позволяет порошковому покрытию "мигрировать" до того как начнется плавление порошка. Это свойство PVA позволяет обеспечить, чтобы конечная толщина расплавленного покрытия соответствовала исходной толщине покрытия суспензией в любом месте покрытия. В покрытиях суспензиями толщиной вплоть до 0,040 дюйма (1,016 мм), расплавленных на вертикальной стальной поверхности, не обнаруживается никакого смещения порошкового металла до плавления или в процессе плавления. Покрытие толщиной вплоть до 0,060 дюйма (1,54 мм) на поверхности с наклоном в 60 o также не обнаруживает стекания металла. Таким образом, PVA как связующий агент сводит к минимуму проблемы, связанные с неоднородностью покрытия, присущие способам упрочнения, известным в данной области техники. В патенте США 5027878 используется PVA в качестве испаряющейся модели при литье или в процессе ЕРС (литья по выплавляемым моделям) как средство для удержания керамических частиц, например частиц металлических карбидов, вместо полимерной модели, которую затем помещают в песчаную форму, в которую заливают расплавленный чугун. Однако в патенте США 5027878 утверждается, что керамические частицы, подлежащие пропитке чугуном, не должны расплавляться на поверхности металла, как частицы сплава в способе согласно изобретению. В патенте США 5027878 кроме того утверждается, что размер керамических частиц составляет, предпочтительно, около 30 меш; более предпочтительно, около 100 меш, тогда как размер частиц сплава по настоящему изобретению составляет, предпочтительно, около 200 меш или менее. PVA, используемый в настоящем изобретении как связующий агент, является недорогим и экологически безопасным полимером. При отсутствии кислот или оснований водный раствор PVA является стабильным даже после хранения в течение нескольких месяцев при комнатной температуре. Стабильность растворов PVA является преимуществом при применении в производственных условиях. Когда эмульсию порошкового сплава с PVA в качестве связующего агента нагревают до температуры плавления порошкового сплава в защитной атмосфере, например в атмосфере аргона или гелия, или в восстановительной атмосфере, например атмосфере водорода, оказывается, что PVA полностью испаряется, с получением в результате плотного покрытия сплавом, без включений. Сплав, подходящий для использования в способе согласно изобретению, является существенно более твердым и более износостойким, чем сталь, как правило, используемая для инструментов, шестерен, деталей двигателя и сельскохозяйственного оборудования, например сталь марки 1045. Предпочтительно, чтобы сплав имел величину твердости по Knoop"y в диапазоне приблизительно от 800 до 1300. Сплав имеет температуру плавления около 1100 o С или ниже, например, которая является ниже температуры плавления металла, на который он подлежит нанесению. Предпочтительно, чтобы порошковый сплав имел достаточно небольшой размер частиц для образования однородной суспензии и однородного упрочнения. Предпочтительно, чтобы сплав был однофазным и предпочтительно также, чтобы он имел температуру плавления, приблизительно, от 900 до 1200 o С. Он представляет собой мелкодисперсный порошок, имеющий размер частиц в диапазоне приблизительно от 90 до 400 меш. Предпочтительно, чтобы средний размер частиц был менее, приблизительно, 200 меш, а более предпочтительно, менее, приблизительно, 325 меш. Сплавы, подходящие для настоящего изобретения, предпочтительно содержат, по меньшей мере, 60% переходного металла 8-й Группы Периодической системы элементов, например железо, кобальт или никель, т.е. их основой является железо, никель или кобальт, однако, их основой могут быть и другие металлы, например сплавы, имеющие описанные выше физические свойства. К компонентам с меньшим содержанием (приблизительно от 0,1 до 20%), как правило, относятся бор, углерод, хром, железо (в сплавах на никелевой и кобальтовой основе), марганец, никель (в сплавах на железной и кобальтовой основе), кремний, вольфрам или их комбинации, см. [патент] Alessi. Элементы в количестве на уровне следов (менее приблизительно 0,1%), например сера, могут присутствовать минимально в виде примесей. Хотя и можно получить сплав, содержащий радиоактивные, высоко токсичные или редкие элементы, чтобы обеспечить нужные физические и химические свойства, описанные выше, такие сплавы могут присутствовать в ограниченном количестве или практически отсутствовать, с учетом их влияния на здоровье, безопасность и из экономических соображений. Способы получения мелкодисперсных порошковых сплавов хорошо известны в обрасти металлургии. Информацию и предшествующие сведения о сплавах, подходящих для использования в способе согласно изобретению, можно найти в сборниках стандартов, например Hausner H.H. and Mal M.K. Handbook of Powdered Metallurgy (Справочник по порошковой металлургии), 2 nd Ed. (особенно, начиная со стр. 22) Chemical Publishing Co., Inc. (1982). Порошковые сплавы, подходящие для настоящего изобретения, имеются на рынках сбыта у таких поставщиков, как Wall Colmony Corporation, Madison Heights, MI и SCM Metal Products, Inc., Research Triangle Park, NC. Следующие далее примеры представляют собой дополнительную иллюстрацию данного изобретения и не должны рассматриваться как его ограничение. Пример 1. Сплавы
К сплавам, подходящим для использования в способах согласно настоящему изобретению, относятся сплавы, приведенные в таблице 1, но не ограничены ими. Пример 2. Нанесение износостойкого покрытия на образец в атмосфере аргона
Поливиниловый спирт (PVA) (75-15 Elvanol (торговая марка), поставляемый фирмой DuPont) смешали с достаточным количеством воды для получения 7,5% раствора PVA. Порошок сплава 3 (см. таблицу 1, пример 1) со средним размером 200 меш, поставляемый фирмой SCM Metal Products, Inc., добавили к раствору PVA при весовом отношении 5,0 частей сплава 3 на 1 часть раствора PVA для получения суспензии типа 0500/0750. Образец промыли горячим раствором моющего средства и зачистили поверхность, подлежащую покрытию, с помощью пескоструйной обработки с размером абразива 100 меш до получения матовой поверхности. На поверхность подлежащего покрытию образца посредством разбрызгивания нанесли слой суспензии сплав/PVA толщиной 2 мм, а образец нагревали в печи с принудительной циркуляцией воздуха при температуре около 120 o С в течение 30-60 минут, пока суспензия не высохла с образованием слоя сплав/PVA. Затем шаблон перенесли в вакуумную печь, работающую при парциальном давлении аргона 100-500 мкм (13,33-66,65 Па). Образец нагрели, приблизительно, до 1100 o С и выдерживали при этой температуре до тех пор, пока не закончилось плавление покрытия на поверхности образца (приблизительно, от 2 до 10 мин). Затем образец медленно и однородно охлаждали при сохранении атмосферы аргона до тех пор, пока температура не достигла, приблизительно, 300 o С или ниже, после чего образец извлекли из печи и оставили охлаждаться до температуры окружающей среды (как использовано здесь, "температура окружающей среды" является синонимом понятия "комнатная температура", т.е. приблизительно от 15 до 35 o С). Пример 3. Нанесение износостойкого покрытия на образец в атмосфере водорода
Износостойкое покрытие нанесли на образец, как в примере 2, за исключением того, что его нагревали в вакуумной печи при небольшом избыточном давлении водорода (приблизительно от 1 до 2 фунтов на квадратный дюйм (6895-13790 Па). Пример 4. Термическая обработка металлической поверхности
Износостойкое покрытие нанесли на образец, как в примере 2. Затем образец подогрели до температуры аустенизации (закалки) стальной основы (а именно 845 o С для стали 1045), затем закалили в закалочном масле, имеющемся на рынке сбыта. Затем образец подогрели до температуры, приблизительно, от 275 до 300 o С для отпуска мартенсита, образовавшегося при закалке, и дали охладиться на воздухе до температуры окружающей среды. Пример 5. Нанесение износостойкого покрытия на рашпильный вал зерноуборочного комбайна
Износостойкое покрытие нанесли на поверхность рашпильного вала посредством разбрызгивания по его очищенной поверхности суспензии сплава 2 (таблица 1, пример 1), а именно, весовое отношение сплава к раствору PVA составляло 6,0:1, а водный раствор PVA содержал 5,0% PVA для получения суспензии типа 0600/0500. После высушивания эмульсии на поверхности рашпильного вала таким же образом, как в процедуре примера 2, сплав на рашпильном валу расплавили в печи конвейерного типа в атмосфере водорода при избыточном давлении водорода и температуре около 1100 o С. После нанесения покрытия рашпильный вал охладили до температуры закалки, которую выбрали в соответствии с маркой стали основы, как описано выше в примере 4, а затем подвергали закалке в закалочном масле, имеющемся на рынке сбыта, или в полимерной закалочной среде, в зависимости от марки стали. Закаленный рашпильный вал затем можно было подвергнуть дополнительной термической обработке, как в примере 4. Пример 6. Нанесение износостойкого покрытия на кромку лезвия газонокосилки
Лезвие газонокосилки упрочнили посредством нанесения износостойкого покрытия в соответствии с процедурой примера 2, за исключением того, что использовали сплав 1 (таблица 1, пример 1) вместо сплава 3. Затем его подвергли термической обработке, как в примере 4. Пример 7. Нанесение износостойкого покрытия на отливку корпуса держателя питателя сельскохозяйственного комбайна, сделанную из пластичного чугуна
Поверхность корпуса держателя подготовили для нанесения износостойкого покрытия, как в примере 2. Затем на поверхность подлежащей упрочнению детали нанесли разбрызгиванием 10%-ный водный раствор PVA. Сразу после этого на поверхность, покрытую раствором PVA, нанесли напылением сплав 4 (таблица 1, пример 1) и корпус нагревали в печи с принудительной циркуляцией воздуха до температуры около 120 o С до тех пор, пока не высушили связующее покрытие PVA для образования слоя сплав/PVA. Участок детали, не подлежащий упрочнению, оставили без покрытия связующим агентом PVA и сплавом. Следует отметить, что в этом втором варианте способа по настоящему изобретению нет необходимости получать суспензию перед нанесением порошкового сплава. Затем корпус нагрели до температуры около 1100 o С для плавления покрытия. Нагрев осуществляли в печи конвейерного типа при избыточном давлении водорода (приблизительно от 1 до 2 фунтов на квадратный дюйм (6895-13790 Па)), и выдерживали корпус держателя при температурах, приблизительно, от 1065 до 1075 o С в течение, приблизительно, 2-5 минут. Затем корпус поместили в солевую ванну для аустенизации, нагретую до температуры, приблизительно, от 275 до 325 o С, и выдерживали в ванне в течение 4-6 часов при этой температуре до тех пор, пока не закончилось структурное превращение материала. Затем его извлекли из ванны и охладили на воздухе до температуры окружающей среды.

Формула изобретения

1. Способ упрочнения поверхности металла износостойким покрытием, отличающийся тем, что он содержит следующие операции: a) получение преимущественно однородной водной суспензии поливинилового спирта и предназначенного для плавления твердого металлического сплава, содержащего, по меньшей мере приблизительно, 60% железа, в виде мелкодисперсного порошка и одной или более добавок из группы, включающей диспергирующие агенты, дефлоккулирующие агенты и пластификаторы, без флюса; b) покрытие поверхности металла водной суспензией; c) сушку водной суспензии для образования на поверхности металла затвердевшего слоя предназначенного для плавления твердого металлического сплава в матрице из поливинилового спирта; d) нагрев поверхности металла со слоем предназначенного для плавления твердого металлического сплава в матрице из поливинилового спирта до температуры плавления сплава в условиях защитной атмосферы при небольшом избыточном давлении до тех пор, пока сплав не расплавится на поверхности металла; е) охлаждение поверхности металла с расплавленным упрочняющим покрытием до температуры окружающей среды. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что операции b) и с) повторяют, по меньшей мере, один раз. 3. Способ по одному из пп. 1 и 2, отличающийся тем, что сплав содержит преимущественно один или более элементов, выбираемых из железа, никеля и кобальта, и два или более элементов, выбираемых из бора, углерода, хрома, молибдена, марганца, вольфрама и кремния. 4. Способ по одному из пп. 1-3, отличающийся тем, что поверхность металла является поверхностью сельскохозяйственного орудия. 5. Способ по одному из пп. 1-4, отличающийся тем, что сплав нагревают до температуры плавления в условиях атмосферы аргона. 6. Способ по одному из пп. 1-5, отличающийся тем, что сплав нагревают до температуры плавления в условиях атмосферы водорода. 7. Способ упрочнения поверхности металла износостойким покрытием, отличающийся тем, что он включает следующие операции: a) покрытие поверхности металла водным раствором поливинилового спирта; b) распределение преимущественно однородного слоя, предназначенного для плавления, твердого металлического сплава в виде мелкодисперсного порошка по покрытию из раствора поливинилового спирта, выполняемое во время операции а) перед сушкой раствора поливинилового спирта; c) сушку покрытия из водного раствора поливинилового спирта для образования затвердевшего слоя, предназначенного для плавления, твердого металлического сплава, связанного с поверхностью металла с помощью покрытия из поливинилового спирта; d) нагрев поверхности металла, покрытой слоем предназначенного для плавления твердого металлического сплава, связанного с поверхностью металла с помощью покрытия из поливинилового спирта, до температуры плавления сплава в условиях защитной атмосферы при небольшом избыточном давлении до тех пор, пока сплав не расплавится на поверхности металла; e) охлаждение поверхности металла с расплавленным упрочняющим покрытием до температуры окружающей среды. 8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что операции а), b) и с) повторяют, по меньшей мере, один раз. 9. Способ по п. 7, отличающийся тем, что сплав содержит, по меньшей мере, около 60% железа. 10. Способ по одному из пп. 7-9, отличающийся тем, что твердый металлический сплав в виде мелкодисперсного порошка получают с помощью распылителя порошка. 11. Способ по одному из пп. 7-10, отличающийся тем, что сплав содержит преимущественно один или более элементов, выбираемых из железа, никеля и кобальта, и два или более элементов, выбираемых из бора, углерода, хрома, молибдена, марганца, вольфрама и кремния. 12. Способ по одному из пп. 7-11, отличающийся тем, что поверхность металла является поверхностью сельскохозяйственного орудия. 13. Способ по одному из пп. 7-12, отличающийся тем, что сплав нагревают до температуры плавления в условиях атмосферы аргона. 14. Способ по одному из пп. 7-13, отличающийся тем, что сплав нагревают до температуры плавления в условиях атмосферы водорода. 15. Суспензия для упрочнения металлической поверхности, отличающаяся тем, что она содержит предназначенный для плавления твердый металлический сплав в виде мелкодисперсного порошка, содержащий, по меньшей мере, около 60% железа, в водном растворе поливинилового спирта. 16. Суспензия по п. 15, отличающаяся тем, что сплав содержит бор, углерод, хром, железо, марганец, никель и кремний. 17. Суспензия по п. 15 или 16, отличающаяся тем, что средний размер частиц сплава составляет приблизительно 200 меш или менее.

Способ нанесения антифрикционного покрытия при поверхностном пластическом деформировании внутренних цилиндрических поверхностей // 2185270

Изобретение относится к области технологии машиностроения, в частности к способам нанесения антифрикционных покрытий при поверхностном пластическом деформировании, и может быть использовано для обработки высокоточных внутренних цилиндрических поверхностей, например отверстий в стыковых узлах крепления консолей крыла самолета, внутренних поверхностей гидроцилиндров и др

Изобретение относится к области нанесения покрытий фрикционно-механическим способом и может быть использовано для нанесения покрытий на внутренние и внешние цилиндрические поверхности, например гильз и плунжеров пар топливных насосов двигателей внутреннего сгорания, либо вкладышей подшипников скольжения и шеек коленчатых валов, либо плунжерных пар трения компрессоров // 2170286

Упрочнение деталей

Срок службы деталей строительных машин можно увеличить, упрочняя поверхностный слой пластическим деформированием (упрочнение давлением), термомеханической, термической и химико-термической обработкой.

Упрочнение поверхностных слоев металла пластическим деформированием производят дробеструйной обработкой и раскаткой роликами или шариками, чеканкой, дорнированием (упрочнение калиброванием), обработкой резанием специальными резцами.

Пластическое поверхностное деформирование увеличивает предел выносливости детали и повышает чистоту ее поверхности, что позволяет в некоторых случаях отказаться от применения отделочных операций.

Дробеструйная обработка производится на специальных установках стальной или чугунной дробью диаметром 0,4…2 мм. В этих установках дробь с большой скоростью (50…70 м/с) направляется на обрабатываемую поверхность, вызывая в ней напряжения сжатия, достигающие нескольких десятков килограммов на 1 мм2. Такую обработку чаще всего применяют для повышения усталостной прочности и упрочнения термически обработанных стальных деталей, работающих при переменных нагрузках. К числу указанных деталей относятся рессоры, спиральные пружины, зубчатые колеса, шатуны, молотки, щеки камнедробилок и др. После дробеструйной обработки срок службы листовых рессор возрастает в 4…6 раз, а мелкомодульных зубьев шестерен в 2,5…3 раза.

Глубина наклепанного слоя, обычно не превышающая 1 мм, зависит для данной детали от продолжительности обработки (колеблется от 5…10 с до 2…3 мин), силы удара, размера и угла падения дроби (наибольший наклеп наблюдается при угле 75…90 °С).

Накатка поверхности закаленными роликами является эффективным средством упрочнения крупных деталей, имеющих форму тел вращения. Накаткой улучшается микрогеометрия поверхности и создается упрочненный наклепанный слой, что приводит к повышению предела усталости и износостойкости деталей.

Накатка производится свободно вращающимися роликами, приводимыми в соприкосновение с вращающейся деталью, установленной в токарном станке. Ролик на оправке закрепляется в суппорте станка или специальном приспособлении.

Упрочнение чеканкой применяют для значительного местного наклепа участков поверхностей деталей с высокой концентрацией напряжений (галтели, места выхода отверстий, шлицы, сварные швы и т.д.). Чеканка проводится специальными бойками, роликами, шариками путем ударного воздействия на упрочняемую поверхность.

Хорошие результаты в отношении упрочнения поверхности и получения наплавленного слоя без пор и раковин дает термомеханическая обработка. При этом совмещаются наплавка и упрочнение поверхности. Наплавленный слой непосредственно за сварочной ванной подвергается накатыванию роликом или ударом бойка.

Строительные машины имеют много деталей, поверхностные слои которых должны обладать высокой износостойкостью, а сердцевина-достаточной прочностью и вязкостью. Изменение свойств только поверхностного слоя деталей достигается насыщением поверхности углеродом (цементация), азотом (азотирование), углеродом и азотом (цианирование) и поверхностной закалкой.

Цементации подвергают детали, работающие при высоких удельных давлениях и трении, а также испытывающие в процессе эксплуатации ударные нагрузки (зубья шестерен, поршневые пальцы, распределительные валы и т.д.). Цементации подвергаются детали, изготовленные из стали, содержащей не более 0,25 % углерода, - это малоуглеродистые стали марок 0, 8, 10, 15, 20, легированные стали марок 15Х, 20Х и др.

Цементацию проводят в науглероживающей среде (карбюризаторе) при температурах 900…950°С без доступа воздуха. Применяемые для этой цели карбюризаторы могут быть твердыми, жидкими или газообразными. После науглероживания деталей их подвергают нормализации, закалке и отпуску.
Наибольшее распространение получила цементация в твердом карбюризаторе (мелкий древесный уголь в смеси с углекислыми солями бария).

Средняя скорость науглероживания составляет 0,8..0,1 мм/ч, поэтому для получения цементированного слоя глубиной 0.5…2 мм требуется 12…15 ч, что является существенным недостатком.

Цементацию в жидком карбюризаторе применяют для получения неглубокого науглероженного слоя в небольших и тонкостенных деталях. Этот вид цементации производят, погружая детали в ванну, содержащую смесь поваренной соли, углекислого натрия, цианистого натрия и хлористого бария. Процесс ведется при температуре 840…860°G в течение 0,5…2,5 ч. За это время удается получить цементированный слой глубиной 0,2.. 0,6 мм, который после соответствующей упрочняющей термической обработки достигает твердости 40…60 HRC .

Газовую цементацию широко применяют на заводах серийного и массового производства. Она позволяет значительно уменьшить продолжительность цементации и снизить ее стоимость. Газовую цементацию производят в шахтных и муфельных печах, в которые подается газ, содержащий углерод (природный, светильный и др.). За 6…7 ч при температуре 900…950°С этим путем получают науглероженный слой глубиной до 1 мм.

Азотированием удается получить твердость поверхностного слоя стальных деталей, в 1,5…2 раза большую, чем цементированием и закалкой. Причем твердость, полученная без применения термической обработки, сохраняется при нагреве деталей до 500…600 °С. Кроме того, при азотировании резко повышаются коррозионная стойкость, износостойкость и усталостная прочность стальных деталей.

Азотированию подвергают в основном легированные детали, к которым предъявляются особые требования в отношении износостойкости и усталостной прочности, например гильзы цилиндров и шейки коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания, зубчатые колеса, измерительные инструменты и другие детали.

Азотирование состоит в насыщении поверхностных слоев стальных деталей азотом путем длительного нагрева их при температуре 480,..650°С в атмосфере аммиака. Перед азотированием детали подвергают термической обработке (закалке и^ отпуску), затем’ механической обработке (включая шлифование) и после этого промывке бензином. Для этого их помещают в специальную печь, туда же подают аммиак, который при высоких температурах разлагается с выделением атомарного азота и водорода. Азот, диффундируя в поверхностный слой стальных деталей, образует с легирующими элементами (хромом, молибденом) химические соединения - нитриды.

Общая глубина азотированного слоя обычно не превышает 0,5 мм. Скорость диффузии при температуре 500 °С составляет примерно 0,1 мм за каждые 10 ч.
Цианирование применяется для малоуглеродистых сталей вместо цементации и имеет перед ней значительные преимущества (повышается износостойкость и стойкость против ударных нагрузок, большая скорость процесса). Процесс заключается в нагреве деталей до 820 ° С в расплавленных цианистых солях натрия, калия или кальция, содержащих активные углерод и азот, выдержке деталей при этой температуре в течение определенного времени (от 20 мин до 2 ч) и в последующем медленном охлаждении их. По окончании цианирования детали подвергают закалке и отпуску. Толщина цианированного слоя 0,15…0,3 мм, остальная толщина детали остается вязкой.

Существенным недостатком, сдерживающим применение цианирования, является токсичность цианистых ванн, что вызывает необходимость специальных мер предосторожности.

Поверхностной закалкой упрочняют детали из углеродистой стали марок 40, 45, 50, малолегированной хромистой и марганцовистой стали. Детали из этих сталей при обычных способах имеют пониженную пластичность и вязкость, так как прокаливаются по всему сечению.

Чтобы придать твердость только поверхностному слою и в то же время сохранить вязкую сердцевину, необходимо нагревать деталь так, чтобы до температур закалки нагревался только поверхностный слой толщиной 1…6 мм. Тогда в процессе охлаждения сердцевина детали не закалится и сохранит свойства, присущие незакаленному металлу.

Нагрев поверхности детали под закалку производят кислородно-ацетиленовым пламенем (пламенная закалка) и токами высокой частоты (закалка ТВЧ). При пламенной закалке для нагрева могут быть использованы стандартные сварочные горелки, у которых мундштуки заменяют специальными многопламенными закалочными наконечниками. Размеры и профиль таких наконечников зависят от формы закаливаемых деталей.

Рис. 1. Схемы профилей и наконечников

Плоские наконечники (рис. 1, а) применяют для закалки поверхности разных размеров тел вращения (катков, колес и др.). Кольцевые (рис. 1,б) и полукольцевые наконечники предназначены для закалки шеек валов и других цилиндрических деталей. Контурные многопламенные наконечники (рис. 1, в) применяют для закалки зубьев шестерен.

Движение горелки должно быть равномерным. Расстояние между наконечником горелки и закаливаемой поверхностью выдерживают в пределах 10…15 мм. Поверхности нагревают до светло-красного цвета, а охлаждают водой, которая подводится к закалочным наконечникам и, вытекая через специальные отверстия, создает водяной душ, отстоящий на 10…20 мм от пламени горелки.

В зависимости от конструктивных особенностей деталей применяют следующие два способа пламенной поверхностной закалки: циклический и непрерывно-последовательный.

При циклическом способе вначале производят нагрев поверхности под закалку, а затем ее охлаждение. При нагреве деталь может оставаться неподвижной (стационарный способ) или вращаться со скоростью 10… 12 м/мин (вращательно-циклический способ). Циклическим способом производят поверхностную закалку деталей небольшого размера: роликов, мелкомодульных шестерен, шеек валов диаметром до 100 мм и т. п.

Непрерывно-последовательный способ применяют для поверхностной закалки плоских деталей (направляющие станин металлорежущих станков) и деталей большого диаметра (ходовых колес, кранов, бегунов и т.д.).

Рис. 2. Поверхностная закалка непрерывно-последовательным способом
1- сварочная горелка;

При этом способе закалки нагрев поверхности и ее охлаждение протекают непрерывно за счет постоянного перемещения деталей относительно горелки и охлаждающего источника (рис. 2). Скорость перемещения детали относительно горелки выбирают в пределах 60…300 мм/мин.

Детали, прошедшие поверхностную закалку, подвергаются низкому отпуску при температуре 180…200°С в масляных ваннах с электрическим подогревом. Время выдержки деталей при этих температурах определяют из расчета 1 ч на 1 см радиуса детали. Окончательная обработка деталей (шлифование и доводка) производится после термообработки, обеспечивающей требуемую твердость и структуру металла.

Поверхностная закалка деталей при нагреве токами высойЪй частоты (до 106 Гц) применяется в серийном и массовом производстве для упрочнения деталей автомобилей и строительных машин. Нагрев ТВЧ с одинаковым успехом может использоваться для закалки как наружных, так и внутренних поверхностей диаметром более 11 мм.

Сущность поверхностного нагрева токами высокой частоты состоит в следующем. В детали, помещенной в переменное магнитное поле, создаваемое индуктором, возбуждаются вихревые токи. Эти токи под действием магнитного поля оттесняются к поверхности изделия. С увеличением частоты тока эффект оттеснения токов к поверхностным слоям, а следовательно, и плотность тока в них возрастают. В результате теплового действия вихревых токов за 3…5 с поверхностные слои нагреваются до температуры закалки, после чего детали охлаждаются в воде, масле или эмульсии.

Индукторы изготавливают из медных трубок диаметром 4…20 мм с толщиной стенок 0.5…2 мм, в которых циркулирует вода, предупреждающая их нагрев. Для повышения КПД индуктора круглые трубки профилируют, придавая сечению квадратную или прямоугольную форму.

Отдельные участки у крупных деталей (шеек коленчатых валов, зубьев шестерен) нагревают и закаляют частями, чередуя нагрев и охлаждение. При закалке деталей средних размеров применяют непрерывно-последовательный нагрев и охлаждение. После закалки ТВЧ детали обрабатывают так же, как и после пламенной поверхностной закалки.

Высокочастотная закалка обеспечивает высокую производительность, малые деформации закаливаемых деталей, отсутствие окалины на поверхности детали после закалки и значительное улучшение санитарно-гигиенических условий труда рабочих.

К атегория: - Ремонтирование строительных машин

Таблица 1.3.5.1

Упрочнение физическими и физико-химическими методами

Для повышения износостойкости и твердости поверхности деталей машин, работающих в условиях повышенных температур в инертных газах, жаростойкости и коррозионной стойкости поверхности применяют упрочнение методами электроискровой обработки. Этот метод заключается в легировании поверхностного слоя металла изделия (катода) материалом электрода (анода) при искровом разряде в воздушной среде. В результате химических реакций легирующего металла с азотом, углеродом и металлом детали в поверхностных слоях образуются закалочные структуры и сложные химические соединения, возникает диффузионный износостойкий упрочненный слой, имеющий высокую твердость. Для нанесения многослойных покрытий используют методы ионно-плазменной обработки.

Упрочнение методами пластического деформирования

Упрочнение выполняется с целью повышения сопротивления усталости и твердости поверхностного слоя металла и формирования в нем направленных внутренних напряжений, преимущественно напряжений сжатия, а также регламентированного рельефа микронеровностей на поверхности.

Упрочняющую обработку поверхностным пластическим деформированием эффективно применяют на финишных операциях технологического процесса изготовления деталей машин взамен операций окончательной обработки резанием лезвийными или абразивными инструментами.

Поверхностное пластическое деформирование, выполняемое без использования внешнего тепла и обеспечивающее создание указанного комплекса свойств поверхностного слоя, называют наклепом.

Слой металла, в котором проявляются эти свойства, соответственно называют наклепанным.

В результате наклепа повышаются все характеристики сопротивления металла деформации, понижается его пластичность и увеличивается твердость.

Интенсивность наклепа тем выше, чем мягче сталь; на незакаленных сталях в результате поверхностного деформирования можно получать увеличение твердости более 1000 %, а у закаленных только на 10-15%. Прирост твердости определяется структурой деформируемой стали.

Наклеп поверхности выполняют бомбардированием ее струей стальной или чугунной дроби, шариков либо суспензии, содержащей абразивные частицы; обкатывание роликами, шарами или ратационным инструментом, чеканкой.

Дробеструйный наклеп обеспечивает неглубокую пластическую деформацию до 0,5-0,7 мм. Применяют для поверхностей небольших деталей сложных форм, а также деталей малой жесткости типа пружин, рессор и др.

Применяют преимущественно стальную дробь диаметром 0,8-2 мм. Глубина наклепа при дробеструйной обработке не превышает 0,8 мм.

Поверхность детали приобретает некоторую шероховатость и последующей обработке не подвергается.

Режим обработки определяется скоростью подачи дроби, расходом дроби в единицу времени и экспозицией – временем, в течении которого обрабатываемая поверхность находится под ударами дроби. Поверхность детали должна быть полностью покрыта следами-вмятинами.

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 удельное давление деформирующего элемента в контакте с обрабатываемой деталью и кратность приложения этого давления. Превышение предельно допустимого давления или числа циклов нагружения сопровождается остановкой роста твердости и ее снижения в связи перенаклепом, т. е. разрушением поверхностного слоя металла, возникающим в результате наступившего предела пластического деформирования его кристаллической решетки.

Для упрочнения изделий с твердостью до HRC65 применяют метод алмазного выглаживания. Он может заменить операции окончательного шлифования, полирования поверхностей. Метод широко универсален. Рационален для обработки стальных закаленных и термически не упрочненных деталей, с поверхностными покрытиями и без них, па так же деталей из цветных металлов и сплавов.

Наклеп поверхностного слоя струей суспензии (жидкость + абразивные частицы) применяют для случаев, когда требуется наибольшая глубина упрочненного слоя.

Упрочнением энергией взрыва можно повысить износостойкость при истирании, твердость поверхностного слоя, пределы прочности и текучести, статическую прочность (сварных соединений в результате сквозного наклепа сварного шва и зоны термического влияния), циклическую прочность, улучшить качество поверхностного слоя металла.

Упрочнение при импульсных нагрузках взрывом существенно отличается от упрочнения в обычных условиях.

При ударе с большей скоростью, свойственному взрыву, эффект упрочнения возрастает по мере увеличения скорости удара. В металле могут возникнуть высокие локальные температуры, вызывающие фазовые превращения в локальных участках. Одновременно действуют процессы, присущие упрочнению при обычных скоростях деформирования, такие, как двойникование, сдвиги, фрагментация.

Поверхности лопаток подвергаются упрочнению после окончательной механической и термической обработок.

Упрочнение детали микрошариками позволяет:

а) создать тонкий наклеп на деталях, имеющих острые кромки или малые радиусы впадин галтелей, канавок;

б) ликвидировать в поверхностном слое возможные после механической обработки остаточные растягивающие напряжения и создать сжимающие остаточные напряжения;

в) повысить твердость поверхности;

г) повысить и стабилизировать предел выносливости;

д) повысить чистоту поверхности на один - два класса до 0,63 …0,32

В ряду упрочняющих технологий особое место занимает ультразвуковое упрочнение. Упрочнение металла ультразвуковой обработкой обладает рядом особенностей – экспрессностью, высокой эффективностью, возможностью обработки изделий, не поддающихся упрочнению другими способами. Кроме того, совмещение ультразвуковой с какой – либо другой упрочняющей обработкой зачастую может усилить эффективность последней. К достоинствам ультразвукового упрочнения следует также отнести возможность создания для определенного класса деталей поверхностного и объемного наклепа, а так же их комбинаций. При этом достигается выгодное распределение внутренних напряжений в металле и такое структурное состояние, при котором удается увеличить в 2-3 раза запасы прочности деталей, работающих при переменных нагрузках, увеличить срок их службы в десятки раз.

Ультразвуковую упрочняющую обработку можно осуществить либо в жидкости, в которой распространяются ультразвуковые колебания, либо с помощью деформирующих тел, колеблющихся с ультразвуковой частотой.

Ультразвуковой волновой процесс в жидкости сопровождается возникновением большего числа разрывов, в виде мельчайших пузырьков в полупериод растяжения, и захлопыванием их в полупериод сжатия – кавитацией. В момент захлопывания пузырьков развиваются местные мгновенные давления, достигающие сотен атмосфер. Кавитационные пузырьки зарождаются преимущественно на поверхности помещенных в жидкость изделий. При захлопывании пузырьков происходит наклеп поверхности детали. Глубина наклепа, твердость, а следовательно и износостойкость наклепанного слоя.

Ультразвуковое упрочнение деталей с помощью деформирующих тел может осуществляться по двум технологическим схемам:

а) воздействием на обрабатываемую поверхность непосредственно инструментом;

б) воздействием на обрабатываемую поверхность рабочей средой (стальными шариками).

На мировом рынке технологий по упрочнению поверхности инструмента всегда наиболее широко были представлены два метода: метод химического осаждения (Chemical Vapour Deposition - CVD) и метод физического осаждения покрытий (Physical Vapour Deposition - PVD). В нашей стране более широкое промышленное применение получили PVD способы нанесения защитных покрытий. Дело в том, что технологии CVD подразумевают использование дорогостоящих высокочистых химических реагентов (TiCl4, NH3 и т.д.) и прецизионных дозаторов химических прекурсоров, точный контроль продуктов химических реакций в рабочей камере и т.п. А нанесение PVD покрытий при помощи дугового или тлеющего разряда (магнетронa) обладает большей производительностью и не столь чувствительно к незначительным отклонениям технологических параметров.

Помимо нанесения износостойких покрытий на поверхности инструментов существуют еще четыре группы технологий поверхностного упрочнения режущих инструментов:

1. Методы механического упрочнения: вибрационный, дробеструйный, взрывом и т.д. Наиболее часто используют для упрочнения инструментов из быстрорежущей стали и твердых сплавов. Поверхностное пластическое деформирование (ППД) – наклеп поверхностного слоя на глубину 0.2-0.8 мм с целью создания в нем остаточного напряжения сжатия. При наклепе поверхностный слой расплющивается. Удлинению поверхностного слоя препятствует сила сцепления с нижележащими слоями металла. Вследствие этого в наклепанном слое возникают двухосные напряжения сжатия, а в толще основного металла незначительные реактивные напряжения растяжения. Складываясь с рабочими напряжениями растяжения, остаточные напряжения сжатия уменьшают, а при достаточно больших значениях компенсируют первые. Возникающие при наклепе множественные искажения структуры (деформация зерна, местные пластические сдвиги) эффективно тормозят развитие усталостных повреждений и расширяют область существования нераспостроняющихся трещин, увеличение которых обуславливает существование разрушающих напряжений. Эффективен наклеп в напряженном состоянии, представляющий собой сочетание упрочнения перегрузкой с наклепом. При этом способе деталь нагружают нагрузкой того же напряжения, что и рабочая, вызывая в материале упругие или упругопластические деформации. После снятия нагрузки в поверхностном слое возникают остаточные напряжения сжатия. Наклепанный слой чувствителен к нагреву. При температурах 400-500 о С действие наклепа полностью исчезает, из-за наступающего при этих температурах процесса рекристаллизации, устраняющего кристалло-структурные изменения, внесенные наклепом. Основные разновидности упрочнение поверхности пластической деформацией: дробеструйная обработка, обкатывание, чеканка, алмазное выглаживание.

Дробеструйная обработка заключается в наклепе поверхностного слоя потоком закаленных шариков (диаметр 0.5-1.5 мм), создаваемым центробежными дробеметками. Качество поверхности при данном процессе немного снижается. Плоские поверхности упрочняют обкатыванием шариками, установленными во вращающемся патроне. Заготовке придают движение продольной и поперечной подачи, при правильно выбранном режиме обкатывания, остаточные напряжения сжатия в поверхностном слое составляют 600-1000 МПа. Глубина уплотнения слоя 0.2-0.5 мм. Данный процесс улучшает качество поверхности детали. Поверхность вращения упрочняют обкатыванием стальными закаленными роликами. Силу прижатия ролика выбирают с таким ращетом, чтобы создать в поверхностном слое напряжения, превышающие предел текучести материала в условиях всестороннего сжатия (для стали 5000-6000 МПа). Чеканку производят бойками со сферической рабочей поверхностью, приводимыми в колебания пневматическими устройствами. Частота колебаний и скорость вращения заготовки должны быть согласованы таким образом, чтобы наклепанные участки перекрывали друг друга.

Алмазное выглаживание заключается в обработке предварительно шлифованной и полированной поверхности закругленными алмазными резцами (радиус 2-3 мм). Поверхностный слой уплотняется до глубины 0.3-0.5 мм.

2. Методы химико-термической обработки (ХТО) инструментальных сталей: азотирование, цементация, карбонитрация, оксидирование, борирование в газовых и жидких средах, тлеющем газовом электрическом разряде (ионное азотирование). Высокую поверхностную прочность обеспечивает изотермическая закалка, а также термомеханическая обработка поверхности детали. При поверхностной закалке (газопламенная закалка) и химико-термической обработке (цементование) упрочнение обусловлено главным образом возникновением в поверхностном слое остаточных сжимающих напряжений вследствие образования структур большего удельного объема (нитриды и карбонитриды при нитроцементации и азотировании), чем структуры основного металла. Расширение поверхностного слоя тормозит сердцевина, сохраняющая исходную перлитную структуру, вследствие чего в поверхностном слое возникают двухслойные напряжения сжатия. В нижних слоях развиваются реактивные растягивающие напряжения, имеющие малое значение, из-за незначительности сечения термически обработанного слоя сравнительно с сечением сердцевины. Создание предварительных напряжений сжатия снижает среднее напряжение в области сжатия, тем самым повышается предел выносливости. Газовая закалка повышает предел выносливости по сравнению с исходной конструкцией из необработанной стали в 1.85 раза. Наиболее эффективным способом обработки является азотирование, которое практически полностью устраняет внешних концентраторов напряжений. Азотирование не вызывает изменения формы и размеров детали. Азотированный слой обладает повышенной коррозие - и термостойкостью. Твердость и упрочняющий эффект сохраняются вплоть до температур 500-600 о С. Оптимальные толщины слоя уплотнения при цементации 0.4-0.8 мм, цементовании и азотировании 0.3-0.5 мм, закалке с нагревом и газовой закалке 2-4 мм. Качество поверхности значительно улучшается.

Электроискровое, магнитное, ультразвуковое упрочнение. Данные метода редко применяются для обработки режущих инструментов.

Физическое упрочнение: лазерная обработка, ионная имплантация. Технология ионной имплантации является на сегодня одной из наиболее перспективной с точки зрения создания композиционных материалов с оптимальным набором поверхностных и объемных свойств.

Ионная имплантация – это процесс, в котором практически любой элемент может быть внедрен в приповерхностную область любого твердого тела – мишени (подложки), помещенной в вакуумную камеру, посредством типа высокоскоростных ионов, имеющих энергию в несколько мегаэлектроновольт.

Ионы внедряются в материал мишени (подложки) на глубину от 0,01мкм до 1мкм, теряя энергию в процессе столкновений с атомами основы.

Профиль (распределение) концентрации примеси по глубине для большинства комбинаций – внедряемый атом – мишень (подложка) может быть вычислен. Для малой дозы ионов (малого числа ионов на единицу площади) профиль распределения концентрации примеси по глубине обычно хорошо описывается гауссовым распределением с центром в середине области распространения. В результате ионной имплантации образуется поверхностный слой сплава с изменяющимся составом, который не обладает выраженной поверхностью раздела, характерной для осажденного покрытия.

Преимуществом ионной имплантации, как метода модифицирования поверхности по сравнению с другими методами упрочнения поверхности, являются:

Увеличение растворимости в твердом состоянии;

Независимость образования сплавов от констант диффузии;

Возможность быстрого изменения состава сплава;

Независимость от процессов протекаемых в объеме материала;

Возможность процесса при низких температурах;

Весьма незначительное изменение размеров обрабатываемой детали;

Отсутствие проблемы аугезии, так как не существует ярко выраженной поверхности раздела;

Контролируемая глубина распределения концентрации;

Вакуумная чистота;

Высокая контролируемость и воспроизводимость.

Основным недостатком ионной имплантации является обработка только той части поверхности инструмента, которая находится непосредственно в области действия пучка ионов.

38. Охарактеризуйте перспективы развития инструментального производства.

«Как называется наш предмет?! Перспективы развития инструментального производства, а какие тут перспективы? Перспектив - нет» © Кряжев Ю.А.

Состояние отечественного инструментального производства, начиная с конца прошлого века, характеризуется как упадочное, выражающееся в виде морального и физического износа большинства основных производственных фондов, ухудшения качества, увеличенного времени обработки и изготовления, роста уровня брака. В результате сокращения производства инструментальной продукции, ухудшения ее качества, увеличилась доля зарубежных поставщиков на внутреннем рынке, что привело к резкому сокращению объемов заказов у отечественных производителей.

Для снижения зависимости от импорта и наращивания объемов экспортируемой продукции необходимы мероприятия по комплексной реконструкции инструментального производства, с применением инновационных инструментальных технологий, позволяющих сократить себестоимость продукции и получить конкурентные преимущества перед изделиями зарубежных поставщиков в виде экономии времени и ресурсов на производство единицы продукции .

На данный момент ёмкость российского рынка технологической оснастки составляет более 357 млн долл. При этом концентрация производителей и потребителей инструментальной оснастки крайне неравномерна, так наибольшая концентрация инструментальных заводов наблюдается в Центральном, Поволжском и Уральском регионах. Помимо этого, по мнению экспертов, на сегодняшний день рынок инструментальной оснастки является растущим, что обусловлено в первую очередь ростом спроса на технологическую оснастку среди машиностроительных предприятий, ВПК и увеличением количества предприятий, занимающихся производством и перепродажей технологической оснастки. Однако существующие производители инструментальной оснастки не располагают мощностями, способными удовлетворить растущий спрос. Для выхода из сложившейся ситуации возможны несколько вариантов, среди которых :

Стимулирование создания новых предприятий, осуществляющих производство и реализацию инструментальной оснастки с применением традиционных технологий металлообработки: обработка давлением; токарные, фрезерные, шлифовальные и строгальные методы обработки;

Обновление основных средств инструментальных предприятий, в том числе приобретение оборудования для аддитивных технологий.

Тенденции развития металлообрабатывающей отрасли характеризуются переходом к автоматизации всего цикла производства изделий с предварительным проектированием объемных моделей изделий в CAD-, CAM-системах. Применение САПР в сочетании с CAD-системами позволяет осуществить разработку объемной модели продукции, ее быструю правку и доработку. В сочетании с оборудованием, позволяющим воплощать полученные модели в металле, пластике или другом материале, существенно сокращаются затраты времени на технологический процесс производства изделий. Среди оборудования, подразумевающего производство продукции на основе компьютерной модели, можно выделить следующее :

Фрезерные станки с ЧПУ: перемещение фрезы осуществляется вдоль трех осей (X, Y – горизонтальная плоскость, Z – вертикальная) на основании траектории, полученной по объемной модели изделия в CAD-, CAM-системе. В некоторых фрезерных установках добавляется поворотный стол, что позволяет исключить движение вдоль одной из горизонтальных координат и ускорить процесс обработки;

5-ти координатные обрабатывающие центры: существенным отличием данного оборудования от фрезерных станков с ЧПУ является наличие двух дополнительных степеней свободы, позволяющих осуществлять вращательное движение шпинделя или рабочего стола вокруг двух осей, что существенно расширяет возможности оборудования по обработке криволинейных поверхностей;

Станки гидроабразивной резки: предназначены для раскроя листового материала струей жидкости с частицами абразива с давлением до 6000 атм., при этом толщина обрабатываемого металла может достигать 300 мм и более;

Оборудование для электроэрозионной резки: процесс обработки основывается на явлении электрической эрозии – изменение размеров формы и свойств металла под действием электрических разрядом, создаваемых генератором электрических импульсов, с температурой от 8000 до 12000 0 С.

3D-принтеры на базе технологий FDM, LENS, DMD, SLS: осуществляют производство объемных изделий из пластиковых (FDM) и металлических материалов (LENS, DMD, SLS) методом послойного наплавления материала на подложку или заготовку изделия.

Промышленное оборудование на основе аддитивных технологий в сочетании с ЧПУ, как правило, характеризуется более высокой стоимостью, по сравнению с традиционными фрезерными, шлифовальными и прочими системами. Однако более высокая стоимость оправдывается рядом преимуществ и быстрыми сроками окупаемости за счет дополнительных денежных потоков из-за существенного сокращения сроков выполнения заказов .

Преимущества такого подхода:

Сокращение времени производства готовой продукции: применение 5-ти координатного обрабатывающего центра и фрезерного станка ЧПУ приводит к сокращению времени обработки в 1,5–2 раза, повышению производительность в 2–3 раза и сокращению потерь материала на 5–10%;

Повышение прочностных и износостойких свойств изделий за счет нанесения защитного покрытия с возможностью сочетания материалов (LENS, DMDтехнологии);

Возможность быстрого изготовления или моделирования литейных форм со сложными каналами прокачки жидкости, повышающих теплообмен и прочностные характеристики изделия;

Быстрая переналадка оборудования для мелкосерийного и штучного производства;

Возможность быстрого прототипирования, и ряд других положительных сторон.

Таким образом, организация производственного процесса на предприятиях по выпуску инструментальной оснастки на основе аддитивных технологий в сочетание с ЧПУ позволит получить конкурентные преимущества в виде повышения производительности труда , сокращения затрат на цикл тестирования и производства готовой продукции .

Свойства аддитивных технологий позволяют их использовать в различных сферах (рисунок 1).

Рис. 1. Применение продукции на основе аддитивных технологий

Широкое применение аддитивных технологий в сфере инструментального производства позволит упростить процесс производства отдельных видов продукции, отказавшись от некоторых видов оборудования.

Большинство предприятий, изготавливающих технологическую оснастку, ориентируется на изготовление серийной продукции, ограничивая ассортимент выпускаемых изделий, что обусловлено требованием к снижению затрат на организацию технологического процесса серийного и массового производства. В то же время, применение оборудования на основе аддитивных технологий позволяет эффективно осуществлять работы по созданию опытных образцов, а также работы для выпуска небольших партий и единичных изделий.

Таким образом, предприятие, внедрившее в производство новые методы в технологиях металлообработки, имеет преимущество, т. к. практика показывает, что большая часть ассортимента, планируемого к производству на новом оборудовании, будет выпускаться под часто меняющиеся заказы клиентов. Это требует обеспечить определенную гибкость, возможность быстрой переориентации на производство нового продукта, адаптации к изменяющимся рыночным условиям .

Таким образом, дальнейшее развитие, на наш взгляд, в первую очередь связано с переходом (по мере внедрения в промышленность и устойчивой коммерциализации нововведений) на новейшие разработки в области формообразования, таких как: современные 3D-принтеры, новые технологии и оборудование водоструйной резки, лазерно-плазменного раскроя и др.

Основными методами упрочнения поверхности деталей являются химико-термическая обработка, поверхностная закалка и деформирование поверхности в холодном состоянии (поверхностный наклеп).

Химико-термическая обработка состоит в насыщении поверхности детали каким-либо элементом с последующей термической обработкой. Наиболее распространенные виды химико-термической обработки цементация (насыщение поверхности углеродом) и азотирование (насыщение поверхности азотом).

Цементация проводится с целью получения высокой твердости и износоустойчивости поверхности при сохранении более мягкой и вязкой сердцевины детали. Поэтому цементации всегда подвергают малоуглеродистые стали (0,2%С) или легированные с низким углеродом. Наиболее распространенные детали подвергаемые цементации - зубчатые колеса.

Вещество, поставляющее углерод при цементации, называют карбюризатором. Различают цементацию в твердом карбюризаторе (коксик или древесный уголь с добавлением до 30% соды – Na 2 CO 3) и в газовом (СО).

Детали выдерживают в карбюризаторе от 6 до 12 часов (в зависимости от требуемой толщины не углероженного слоя 2-4мм) при температуре 900-950 0 (в аустенитной области). При этом содержание углерода в поверхностных слоях повышается до 1-1,2%.

Толщину неуглероженного слоя контролируют по специальному образцу-свидетелю, который проходит цементацию вместе с деталями.

После цементации детали подвергают термической обработке по одному из вариантов представленных на рис.18. Наиболее часто применяю закалку с

низким отпуском. Вариант с двумя закалками делают для ответственных деталей (первая закалка от температуры 900 0 для измельчения зерна и устранения сетки цементита в поверхностном слое, вторая от 760-790 0 для получения оптимальной твердости поверхности).

Азотирование проводится в атмосфере аммиака, который разлагаясь при температуре 500-550 0 поставляет активный атомарный азот диффундирующий в поверхность детали. В отличии от цементации высокая твердость азотированной поверхности получается не за счет мартенсита, а за счет очень твердых нитридов. Поэтому для азотирования берут среднеуглеродистые стали содержащие сильные нитридообразующие элементы (Al, Cr, Mo). Классическая сталь для азотируемых деталей 38ХМЮА. Продолжительность азотирования составляет до 48 часов, толщина слоя 0,2-0,5 мм.

Азотирование является окончательной обработкой готовых деталей, никакой термической обработки после азотирования не проводят.

В результате азотирования достигается высокая твердость и износоустойчивость поверхности, повышается сопротивление возникновению трещин при знакопеременных нагрузках (усталостная прочность) и коррозионная стойкость.

Поверхностная закалка состоит в быстром нагреве поверхности детали до аустенитного состояния с последующим охлаждением в воде. В результате на поверхности образуется твердая структура мартенсита, а внутри сохраняется феррито-перлитная структура с достаточно высокой вязкостью. После поверхностной закалки детают низкий отпуск, либо оставляют закаленное состояние без отпуска.

Поверхностной закалке подвергают среднеуглеродистые стали (0,4-0,45%С), либо легированные для увеличения прочности сердцевины деталей. Такой закалке подвергают зубья шестерен, звездочек, шейки валов, головку рельсов и др.

Быстрый нагрев поверхности осуществляется токами высокими частотами (до 1 млн.гц). Сущность такого нагрева состоит в том, что через медный индуктор (спиральная или иной формы трубка охлаждаемая внутри водой) пропускают ток высокой частоты. Вокруг индуктора возникает переменное магнитное поле. Закаливаемую деталь помещают в поле индуктора и за счет поверхностного эффекта поверхность детали быстро разогревается (обычно за 10-15 сек.). Чем больше частота тока, тем больше поверхностный эффект, меньше время нагрева и меньше глубина закаленного слоя. Обычно она составляет 1-3 мм. Когда поверхность нагрелась до требуемой температуры (850-900 0), деталь охлаждают погружая в бак с водой или пропуская через специальное душирующее устройство - спреер.

На рис.19 представлено сечение зуба шестерни после цементации и после закалки ТВЧ. Видно, что свойства шестерни подвергнутой цементации предпочтительней, однако, стоимость закалки ТВЧ значительно меньше.

Закалка ТВЧ имеет ряд положительных качеств:

1. Высокая производительность;

2. Высокое качество закалки (не растет зерно, почти нет окалины);

3. Очень малы деформации (уменьшаются пропуски на механическую обработку-шлифовку);

4. Экономно расходуется электроэнергия, которая идет только на нагрев части детали;

5. Процесс хорошо поддается механизации и автоматизации;

6. Улучшаются условия труда;

7. Во многих случаях заменяет более дорогую операцию-цементацию

В ремонтном производстве иногда применяют поверхностную закалку с нагревом пламенем газовой горелки. Однако, такой процесс трудно контролировать и результат при его применении зачастую непредсказуем.