м.с. поляк

ТЕХНОЛОГИЯ

УПРОЧНЕНИЯ

Том 2
поляк м.с.

Член-корреспондент Международной и Российской
Инженерных Академий

ТЕХНОЛОГИЯ

УПРОЧНЕНИЯ

Том 2

Я

ЗОУНБ
им. А. М. Горького
РАЗРЕШЕНО К
ПРОДАЖЕ
Акт .4 г z у;_

Подпись	____

Москва
“Машиностроение"
“Л.В.М. — СКРИПТ"
1995
1154

11оляк M. С.

Технология упрочнения. Технол. методы упрочнения. В 2 т.
Т. 2. — М.: “Л.В.М. — СКРИПТ", “МАШИНОСТРОЕНИЕ",
1995. — 688 с.: ил.

ISBN 5-900583-02-3, ISBN 5-217-02810-6.

По мнению Почетного Президента Международной Инженерной Ахаде-



ББК 34.4

ISBN 5-900583-02-3

ISBN 5-900583-04-Х

ISBN 5-217-02810-6

ISBN 5-217-02812-2

© Поляк М.С., 1995
1.	Роль дислокаций в упрочнении
металлов и сплавов

1.1.	Атомно-кристаллическая структура металлов

Металлами называются кристаллические вещества, обла-
дающие высокой ковкостью, теплопроводностью и электропро-
водностью, металлическим блеском в изломе и некоторыми
другими полезными для практики свойствами. В процессе
кристаллизации при достаточном сближении металлических ато-



руются. Эти электроны принадлежат одновременно всем взаимо-
действующим атомам, образуя электронный газ.

Поскольку коллективизированные электроны не связаны с
определенными атомами, их называют свободными.

Вследствие разнозначиости зарядов электронного газа и
решетки, состоящий из ионов, между ними возникают силы
электростатического притяжения.

Анализ традиционных методов упрочнения поверхностей
(химико-термическая обработка) и вновь разработанных (ионное
легирование, плазменная обработка и др.) показывает, что в

ное легирование. При этом все большее число элементов
периодической системы, которые до недавнего времени представ-

Прн разработке научных основ создания высокопрочных
материалов следует, очевидно, направить усилия на установление
связи между прочностными характеристиками и основными
физическими свойствами кристаллов. Критическое рассмотрение
различных подходов к оценке прочности идеальных кристаллов
привело к выводу о том, что наиболее целесообразно прочность
кристаллов связывать с энергией решетки. Для оценки величины
теоретической прочности (оо) при хрупком разрушении на основе

Ц,-расстояние между атомами, начиная с которого
можно пренебречь взаимодействием между ними.

Вычисленная по формуле (1.1) прочность кристаллов удов-

летворительно согласуется с прочностью


или “усов", а также с рассчитанной другими методами теорети-

Сопоставлеиие теоретической прочности (а^, рассчитанной
по формуле (1.1) с энергией решетки (Ц). показывает, что по
виду зависимости a0(l)j среди металлов можно выделить две
большие группы. В первую группу входит в основном щелочные
и благородные металлы, а также переходные элементы группы
железа. Они имеют квадратичную зависимость теоретической
прочности от энергии решетки: а„-Ч),075 UJ. Ко второй группе
относятся переходные элементы группы палладия и группы
платины и редкоземельные металлы - ланданиды и актиниды.
Для них также характерна квадратичная зависимости теорети-

структурн

менее, влияние энергии решетки на эти характеристики оказы-
вается определяющим, если сравнить их для кристаллов одного
типа с заметно различающимися Uo. Так, при сопоставлении с
U„твердости по Бринеллю (НВ), твердости по Виккерсу (HV), а
также относительной износостойкости (е) для металлов всегда
выделаются по типу зависимости указанных свойств от Ц,тс же

мость, близкая к у= с U’. где у - прочностная характеристика.
Подобные выделенным выше связи механических свойств с
энергией решетки можно установить для ряда оксидов, карбидов
и боридов. При этом чем выше энергия решетки соединения, тем
больше его прочность.

Таким образом, при выборе леги|
создания новых материалов или то



повышенной прочностью и износостойкостью нужно исходить,
во-перовых, из величины энергии их решетки и, во-вторых, из
величины энергии решетки образующихся при легировании
твердых растворов или соединений второй фазы. При этом чем
больше энергия, тем более прочным и износостойким при прочих
равных условиях будет создаваемый материал.

Существует известная аналогия между процессами по-
глощения энергии кристаллической решеткой при механическом
нагружении до разрушения и при нагреве металла до состояния
полного расплавления. В обоих случаях нарушение межатомных
связей наступает в результате поглощения предельной для данной
кристаллической решетки величины энергии. При нагреве ме-
талла от заданной температуры Ти до температуры плавления
Тр и в процессе плавления поглощаемая предельна удельная
₽=J4dr + Lb-

<ая энергия

Q;P« = FV = V(ffr|,dT+Lo„) ,

(1.2)

(1.3)

V - объем расплавляемого металла.

Энергия, равная изменению теплосодержания металла при

нпрсве от заданной температуры до температуры плавления

(Jc^dT), расходуется на возбуждение атомных колебаний крити-

ческой величины. При поглощении этой энергии металлом
межатомные связи еще не нарушаются. Нарушения возникают,
когда кристаллическая решетка поглощает дополнительную эиер-

При механиче

до разрушения, как и при

шшвлении, процессу нарушения межатомных связей предшест-
вует процесс искажения кристаллической решетки до критиче-
ской величины, однако при нагреве предельное искажение
кристаллической решетки вызывается возбуждением атомных
колебаний, в результате чего кинетическая энергия атомов
достигает критического значения, а при механическом нагруже-
нии - скоплением в локальных объемах металла критической
плотности дислокаций (под критической плотностью дислокаций

приводит к нарушению

Если удельная энергия, затрачиваемая на предельное иска-
жение кристаллической решетки и нарушение межатомных
связей, не зависит от вида подводимой энергии (тепловой или
механической), то предельная удельная энергия, которую спо-
собна поглотить кристаллическая решетка, должна равняться Г.
Тогда н при механическом нагружении удельную энергию
предельного искажения кристаллической решетки можно принять

ровной JCdT, а удельную энергию нарушения межатомных
Оптимальным структурным состот

большему упрочнению металла, является создание такой струк-
туры, которая обеспечивает наибольшую равномерность по-
глощения энергии кристаллической решеткой и максимальную
энергоемкость отдельных объемов металла в процессе деформи-

Структурно-энергетическая теория постулирует независи-
мость энергии разрушения металла от вида подводимой энергии.
Под общей энергоемкостью при этом подразумевается количество
энергии, необратимо поглощаемой металлом при механическом
нагружении до разрушения.

Образов

Как уже было сказано ранее, атомы металлов, расположенные
в пространстве строго закономерным образом, образуют кристал-
лическую решетку. При сближении одинаково заряженных ионов,
которые как бы стягиваются электронным газом, силы их

Очевидно, что при сближении ионов должен наступить такой
момент, когда силы притяжения, вызванные взаимодействием с
электронным газом, и силы отталкивания должны уравновеситься.

В противном случае, под воздействием неуравновешенной

Следовательно, все ионы (атомы) рассматриваемой массы
металла должны расположиться на таких расстояниях друг от
друга и в таких точках пространства, в которых силы притяжения
и отталкивания, действующие на них, равны.

Следовательно, атомы должны распологаться в пространстве

решетку. Атомы металлов в пространстве расположены в опре-
деленной последовательности, образуя в трехмерном пространстве
14 возможных геометрических фигур - пространственных кри-
сталлических решеток, которые отличаются симметрией сле-
дующих классов или сингоний: I) триклинная; 2) моноклинная;
3). орторомбическая; 4) гексагональная; 5) ромбоэдрическая; 6)
тетрагональная; 7) кубическая.

В кубическойобъемноцентрированной решетке, кроме восьми
атомов, находящихся в вершинах куба, имеется один атом внутри

Таким образом, на каждую элементарную ячейку приходится два
атома, т.е. g -8 + 1 = 2. Следовательно, плотность упаковки

равна двум.
ковки равна четырем: j  8 = 1 атом от числа атомов, располо-
женных в вершинах куба и плюс ^-6 = 3 атома от числа
атомов, расположенных в центре граней куба. Атомы в кристал-
лах находятся на определенных расстояниях друг от друга,

Пространственная кристаллическая решетка любого метал-
ла слагается из бесчисленного множества сопряженных друг с
другом элементарных ячеек, внутри которых в известном порядке
размещаются отдельные атомы (ноны).

Элементарная ячейка простой кубической решетки состоит
из восьми атомов, расположенных в вершинах куба. Расстояние
а между центрами атомов, расположенных в узлах ячейки,
называют параметром решетки.

Важными характеристиками элементарной ячейки кристалли-
ческой решетки являются плотность упаковки и координационное
число. Под плотностью упаковки понимают число атомов,
приходящееся на одну элементарную ячейку решетки.

Гексагональной решетки, которую определяют два периода а
и с. Период а колеблнтся от 2,28 до 3,98  10^*°, период с - от
3,57 до 6,52 • 10~'°. Гексагональная решетка характеризуется

р Если это отношение равно



или близко к 1,633, то получим гексагональную плотноупако-
ванную решетку с координационным числом 12 и базисом,
равным 6 атомам.

Тетрагональной решетки. Она характеризуется тем, что ребро
а не равно ребру с. Отношение периодов решетки называется
степенью тетрагональности. При £ = 1 получаем кубическую
решетку. Тетрагональная решетка, так же как и кубическая,
может быть простой или объемоцентрированной.

Отдельные плоскости пространственной решетки образуют
кристаллографические плоскости. Наименьший комплекс атомов,
образующих при многократном повторении (трансляции) про-
странственную решетку, называется элементарной кристалличе-
ской ячейкой.

Каждая элементарная кристаллическая ячейка имеет сле-

1.	Тип элементарной ячейки. Большинство металлов кристал-
лизуется в объемоцентрированную кубическую (ОЦК), граиецен-
грированную кубическую (ГЦК) и плотиоупакованиую гексаго-
нальную кристаллические решетки (ГПУ). Наиболее платную
2.	Параметры (периоды), т.е. расстояния а и с между
ближайшими атомами вдоль кристаллической оси. Для большин-
ства металлом параметр кристаллической решетки измеряется от

3.	Координационное число, или число атомов, равноотдален-
ных и находящихся на наименьшем расстоянии от одного
(“базисного”) атома.

4.	Атомный диаметр. Атомным диаметром d называется
наименьшее расстояние между центрами атомов.

5.	Индексы кристаллической решетки. При изучении свойств
металлов, при действии на них деформацией, магнитного поля
и т.д. необходимо с помощью отсекаемых отрезков или индексов
Миллера обозначить кристаллографические плоскости (чтобы
определять их положение, кристаллографические направления
внутри данного кристалла, ориентировку отдельных кристаллов
относительно друг р друга. Индексы - это числовые обозначения
кристаллографических плоскостей и направлений внутри кри-

Кристаллографической плоскостью называют прямую пло-
скость, проходящую через группу атомов кристаллической решетки.

fCTBO, в которых

распологаются ионы (атомы) металла.

Строго говоря, более правильно последние определить как

точки наиболее

(атомов)

пространстве. Дело в том, что ионы (атомы) всегда совершают
колебательные движения (с частотой 1013 сек'1) около упомянутых

Отметим, что лишь в том случае, когда атомы находятся в
узлах кристаллической решетки, они, т.е. атомы, а следовательно
и вся кристаллическая решетка как физико-механическая систе-
ма, обладают минимальной свободной энергией.

Любое искажение решетки, т.е. смещение атомов из положе-
ний равновесия (или узловых мест) потребует выполнения
определенной работы, на преодоление внутренних сил.

Искаженная решетка будет находиться в неустойчивом состо-
янии, так как в результате искажений, происшедших не зависимо
от природы сил, вызвавших искажения, запас потенциальной
энергии увеличился.

Вследствие неустойчивости такая кристаллическая решетка
будет стремиться перейти в состояние устойчивое, равновесное,
имеющее минимальный запас энергии.

кристаллической решетки, - может быть вызвано не только
действием внешних сил, но и некоторыми другими причинами.
U. Сведения о пластической деформации металлов

Опят показывает, что деформация металла возможна двумя
путями - путем смещения зерен металла друг относительно друга
и путем смещения частей зерен (см. рис. 1.1).

Возможность реализации того или иного пути смещения
зависит от конкретных условий деформации и свойств кристаллов
металла. Нас интересует случай деформации металла, когда
перемещаются части зерен, т.е. когда деформация в основном
п|н1ходит по телу зерен (рис. 1.2.).

Подобная деформация имеет место при обработке металлов
давлением, при деформации постоянной нагрузкой, при дефор-
мации постоянной нагрузкой при обычных температурах, под
действием кратковременных нагрузок при высоких температурах
и в некоторых других случаях. Перемещения по границам зерен
при этом практически не имеют значения, так как они происходят
лишь потому, что зерна при этом меняют свое расположение
относительно друг друга и форму.

1.	Субструктура металлов

С помощью специальных мет

электронномикроскопического и др.) можно наблюдать детали
зеренного и межзеренного строения, т.е. так называемую суб-

структуру металла. Монокристаллы (или

ческого металла) не представляют собой равномерно чере-

дующиеся ряды атомов, а состоят из отдельных блоков, обра-

зующих мозаичную структуру. Ориентация кристалла в пределах

блока постоянна, а от блока к блоку изменяется мало (порядка
По границам блоков скапливаются дислокации. Свойства
металлов зависят от размера блоков и угла разориентировхи
между блоками. Границы блоков являются областями с повышен-
ной поверхностной энергией, вследствие чего превращения в
металлах и сплавах начинаются преимущественно по границам
блоков.

В некоторых случаях объединенные между собой блоки
образуют фрагменты тонкой структуры или полигональную
структуру.

Наиболее важными поверхностными дефектами являются
большеутловые и малоугловые границы, дефекты упаковки,
границы двойников.

Поликристаллический сплав содержит в себе огромное число
мелких зерен. В соседних зернах решетки ориентированы
различно и граница между зернами представляет собой переход-
ный период, слой шириной 1 -5 мм. В нем нарушена правильность

концентрация примесей.

Границы между зернами называются большеугловыми, так
как собственные кристаллографические направления в соседних
зернах образуют углы в десятки градусов. Каждое звено, в свою
очередь, состоит из субзерен или блоков.

Субзерно представляет собой часть кристалла относительно
правильного строения. Границы субзерен представляют собой
стенки дислокаций, которые разделяют зерно на отдельные
субзериа или блоки.

Вдоль границ и субзерен быстро протекает диффузия (во
много раз быстрее, чем сквозь кристалл), особенно при нагреве.
Взаимодействие между дефектами, перемещения их в кристаллах,
изменение концентрации дефектов - все это отражается на
свойствах и имеет большое практическое значение.

2.	Скольжение и двойникование

Поскольку атомы в решетке расположены строго закономерно,
и смещение частей зерен относительно друг друга должны
происходить также закономерно.

Практика полностью подтвердила это предположение:
смещение в кристаллической решетке осуществляется по опре-
деленным плоскостям и направлениям.

Различают два вида смещения: Скольжение и двойникование.
Плоскости и направления смещений называются соответственно

темные прямые линии, пересекающие некоторые зерна, представ-


стыо шлифа,
двойникования с плоскостью шлифа.

Внутри отдельных зерен следы смещений располагаются в
определенном порядке: они образуют систему параллельных
линий или несколько таких систем, пересекающихся под опре-
деленным углом.

Очевидно, что закономерность расположения линий опреде-
ляется особенностями строения зерен, т.е. особенностями распо-
ложения атомов в кристаллической решетке (рис. 1.4)

Исследования показали, что скольжение в кристаллической
решетке происходят по плоскостям и направлениям, вдоль

Важной характеристикой этих плоскостей и направлений
является величина наименьшего сдвигового напряжения - т,р,
вызывающего скольжения. По сравнению с другими возможными
плоскостями и направлениями для плоскостей и направлений
скольжения, усеянных атомами наиболее плотно, т имеет
наименьшее значение.

На рисунке 1.4 изображены направления (плоскости) сколь-

Из сказанного очевидно, что для направления (системы
плоскостей) I сдвигающее напряжение а для направления

IV т,у-гж[1) из ЧИС/
рисунка 1.5.

Очевидно, что

(и плоскостей) скольжения, по которым возможно смещение
частей кристаллов (зерен).

Это объясняется огромным количеством атомов, содержащихся
н I см3 металла (так, например, в решетке железа вдоль базового
сдвиговое напряжение.

будет наименьшей вдоль направлений I по сравнению с направ-
лениями П.Ш и IV. а также возможными другими направлениями.
дующее <см. рис. 1.4 и 1.5):

I.	Расстояние между соседними плоскостями тем больше, чем
больше атомов находится на плоскостях. Так, на плоскостях I
атомов больше, чем на плоскостях П н, соответственно, рассто-
яние между соседними плоскостями I больше, чем на плоскостях

Хорошо известно, что, чем больше расстояние, тем меньше
связь между атомами. Следовательно, при смещении части

кристалла по плоскостям I





2.	При перемещении по плоскостям и направлениям с
наименьшей плотностью атомов (в случае, изображенном на рис.
1.4) эта система плоскостей IV (атомы в наибольшей степени
сближаются с ионами в соседних плоскостях, т.е. перемещение
по этим плоскостям связано с необходимостью преодоления
наибольшей величины потенциальных барьеров, препятствующих
сближению одинаково заряженных ионов (положительных).

Изменение формы зерен при деформации скольжением схе-
матически представлено на рисунке 1.6.

На рисунке 1.6,6 представлена схема смещения частей зерна
двойникованием. При двойниковании перемещение частей зерен
относительно друг друга под действием касательных напряжений
сопровождается изменением ориентировки кристаллической ре-
Смещенная часть кристалла становится как бы зеркальным
отражением оставшейся неподвижной части кристалла (рис.

1.6,6).

Преи

двойникованием харак-

черно для деформации металла в условиях пониженных темпера-
тур, при ударных или циклических нагрузках.

(зерен) достаточно ясен. Однако, установив, что деформация

тнлась с явлениями, которые для своего объяснения требовали
глубоких и длительных исследований, которые продолжаются и
сегодня.

тельных напряжениях: алюминия ткр"1,2-2,4-10*Па, а наимень-
шая теоретическая величина равна 9,0 10* Па, т.е. в 500 раз
больше; для железа - соответственно 2,910* Па и не менее 2310*
Па, т.е. почти в сто раз больше; для меди теоретическая величина
в 1540 раз больше реального т^.

Таблица 2.1
Тот факт, что на практике наблюдаются случаи, когда след
скольжения не доходит до границы зерна поставил под сомнение
представление об одновременном смещении всех атомов от одной
рапицы кристалла (зерна) до другой.

Из этого экспериментального факта следовало предложение о
том, что смещение атомов вдоль плоскости скольжения под
действием сдвигового напряжения происходит не у всех атомов, а
у части их. При этом перемещение передается не методом

Перечисленные выше противоречия привели к появлению
предположения о наличии в кристаллическом строении металлов
различных отклонений от идеального строения.

Начало этому направлению в физике твердого тела было
положено советскими учеными Обреимовым И.В., Бриллианто-
вым, Френкелем Я.И. и Которовой Т., н английскими физиками
Тейлором и Орованом.

позволили установить, что в кристаллическом строении реальных
кристаллов металлов имеются несовершенства или дефекты.
1.3. Виды несовершенств кристаллической решетки.

строению кристаллические фазы. Фазой называется однородная

состав, строение и свойства. Эти кристаллы в зависимости от
атомно-кристаллической структуры принято делить на два ос-
новных вида: твердые растворы и промежуточные фазы. Тверды-
ми растворами называют кристаллы, в которых сохраняется
кристаллическая решетка одного элемента-растворителя. В про-
межуточных фазах образуется новый тип кристаллической
решетки, отличающийся от решеток элементов, его образующих.

Таким образом, помимо классификации по видам связи
используют классификацию по типам кристаллической решетки.
Такая классификация позволяет прогнозировать характер изме-
нения свойств сплава в функции состава.

Такие растворы являются кристаллическими фазами перемен-
ного состава. Атомы растворенного элемента В размещаются в
кристаллической решетке растворителя - элемента А, либо
замещая атомы в узлах решетки, либо внедряясь в междоузлия-
поры. В первом случае кристаллы называют твердыми раство-
рами замещения, во втором - твердыми растворами внедрения.

внедрения и вычитания.

Они возникают при полной или частичной замене атомов
растворителя А в узлах его решетки атомами растворенного
элемента В. В первом случае образуется твердый раствор с
неограниченной растворимостью компонентов (неограниченные
твердые растворы), во втором - с ограниченной растворимостью
(ограниченные твердые растворы).

Многие твердые растворы при низких температурах приобре-
тают упорядоченную структуру, при которой атомы занимают
места в кристаллической решетке, а при температурах выше
точки Курникова вследствие развития диффузионных процессов -
неупорядоченную структуру. Структура упорядоченного раствора
называется также сверхструктурой.

Ут

вор образуется при понижении
ювождающимся более сильным
компонентов, чем однородных

При более высоких температурах вероятность того, что узлы
подрешеток будут заняты только атомами одного компонента,
понижается до величины р (р < 1). что дало возможность Брэгту и

Уильямсу ввести понятия параметра дальнего порядка

S =	(1.4)

«е г - содержание атомов А в сплаве. Таким образом, при
уменьшении степени порядка S изменяется от единицы до нуля.

В некоторых случаях, однако, упорядочен
ограничивается локальными зонами криста/
вует понятие параметра ближнего порядка

тому сущест-

где q - число ближайших соседей атомов другого сорта по
отношению к данному атому, a q, и q^-доли ближайших соседей
атомов другого сорта для случай максимальной неупорядоченно-

порядка ?=1,при полной неупорядоченности q=0. Таким образом,
дальний порядок характеризует распространение упорядоченного
анутрикристаллического строения на всю решетку, тогда как
ближний порядок характеризует состояние порядка только в

Твердые раствоы внедрения

Он образуется тогда, когда атомные размеры растворимого
вещества значительно меньше атомных размеров растворителя,
т.е. при условии, когда атомы растворимого элемента (В)
способны внедряться в межатомное пространство кристаллической
решетки растворителя (А).

Твердый раствор вычитания или растворы с дефектной
решеткой. Они образуются на основе некоторых химических
соединений и, в частности, у фаз внедрения с кристаллической
1>ешсткой типа NaCI, например у VC, TIC, NbC, FeO, CoAl, NiAI.
II кристаллической решетке твердых растворов вычитания неко-
торые атомы отсутствуют (возникают вакансии); при этом
избыточные атомы растворенного элемента по отношению к
составу соединения занимают нормальные положения.

Различают следующие виды несовершенств кристаллической
1нчистки:

и)	точечные, т.е. малые во всех измерениях; к ним относятся
птомы растворенных элементов и примесей и вакансии (или
мкпнтные места-узлы кристаллической решетки) - пустые, не
заполненные атомами узлы решетки;

б)	линейные, т.е. малые в двух измерениях, ио относительно

Ь эЬ151
в)	поверхшктные-малые лишь в одном измерении, т.е.
имеющие форму тонких листов.

Атомы растворенных элементов находятся в междоузлиях, они

Поэтому подобные атомы называются также внедренными
(если он не чужеродный). Вакансии и дислоцированные атомы
вызывают искажения кристаллической решетки, распростра-
няющейся приблизительно на 5-6 периодов решетки во все
стороны от дефекта. Следует иметь в виду, что дислоцированный
атом и вакансия не остаются неподвижными, они (при благо-
приятных условиях) перемещаются по решетке путем диффузии

Вследствие флуктуации энергии между атомами соседний с
вакансией атом, обладающий повышенной энергией, может
занять ее место (совершить так называемый диффузионный

Время существования вакансии в одном узле решетки зависит
от температуры. Так, для кристалла кадмия при t=2O‘C оно

(ЗОО’С) всего лишь 0,0004 сек.

Вакансия будет перемещаться до тех пор, пока не выйдет на

перехода блуждающего дислоцированного атома на вакантное

Разумеется, что и атомы, растворенные по принципу за-
мещения, также вызывают искажения кристаллической решетки.
Однако эти искажения малы но сравнению с искажениями,
вызываемыми вакансиями и дислоцированными атомами.

Каждой температуре нагрева металла соответствует опреде-
ленное соотношение между количеством исчезающих и вновь
образующихся вакансий. Количество вакансий возрастает с
повышением температуры и при температуре, близкой к темпе-
ратуре плавления, оно равно примерно 0,01% по отношению к
числу атомов в решетке (1 вакансия на 104 атомов).

кадмия при ЗОО'С количество вакансий достигает Ю13.

• О том, сколь велико это число, можно судить хотя бы по
тому, что делая иглой два укола в секунду, чтобы нанести такое
же количество уколов понадобилось бы сто тысяч лет непрерыв-

Количество вакансий и число дислоцированных атомов нс
соответствуют друг другу. Так, например, у меди при комнатной
температуре вакансий больше, чем дислоцированных атомов, в
10s0 раз, а при 1027’С-в 10“ раз.
Дело в том, что их зарождение может происходить независимо
друг от друга, причем механизм независимого зарождения вакан-
сий имеет преимущественное значение.

Перемещаясь беспорядочно по кристаллической решетке,
вакансии могут встречаться (т.е. вакантные места образуются в
соседних узлах решетки). В результате их скопления возникают
дефекты кристаллической решетки более крупного размера от
субмикроскомических до микроскопических.

Групповое взаимодействие вакансий может привести также к

3.Примеси

Получить

Какой

ни была бы технология получения металла, в его состав всегда
попадает то или иное количество чужеродных атомов-примесей.

Одной из форм взаимодействия между веществами, вхо-
дящими в состав сплава, является твердый раствор. В зависимости
от характера распределения атомов растворимого элемента
различают твердые растворы внедрения, замещения и вычитания.
Независимо от типа твердого раствора общим для них является
располагаются в узлах кристаллической решетки растворителя,
т.е. образуют твердые растворы замещения (рис. 1.8,6).

Поскольку чужеродные атомы по своей физической природе
и размерам отличаются от атомов растворителя, то их присут-
ствие вызывает искажение кристаллической решетки. Эти иска-
жения тем существеннее, чем значительнее различие атомов (и
чем больше чужеродных атомов).

Подсчитаем количество мест нарушения строения кристалли-
ческой решетки в 1 мм3 алюминия, содержащего 0,3% ЗИобычнос
содержание кремния в технически чистом алюминии).

Вес одного кубического миллиметра алюминия равен 0,0012,8
г/см3 (2,8 г/см3 -удельный вес алюминия).

При содержании 0,3% S1H абсолютном весе его атома 28 1,65
КГ34 г количество атомов Si в одном мм3 алюминия составит

(0,003-0,001-2,8) .ют	(1.6)

(2,8 -1,65 -НГ34)

Таким образом количество мест нарушения строения кристал-

лической решетки Al

огромно.

Поскольку, присутствующие в металлах, примеси вызывают
проявление искажений кристаллической решетки, то очевидно,
что растворение примесей не может не сопровождаться измене-
нием физико-механических свойств металлов и, в частности,
прочностных свойств.

тутре

пости раздела

К внутренним поверхностям раздела относятся поверхности
границ между зернами, а также между блоками. В частности
блок может быть представлен микрообластью внутри зерен
металла повернутые относительно друг друга на небольшие углы
(1О'-15’). Размеры блоков находятся в пределах 10"4 до 1O'S см.
В пределах каждого блока кристаллическая решетка имеет
правильное строение и может содержать, как правило, лишь

Границы зерен содержат большое количество несовершенств
исталлического строения (линейных и точечных).

5.	Дислокации

Различают следующие виды дислокаций:

I)	краевая дислокация

2)	винтовая дислокация

3)	дислокации смешанной ориентации

дующим образом: в раздвинутую часть кристалла с совершенной
Плоскость PQ называется зкстраплоскостью. Она перненди-
1 ударна плоскости чертежа. Из схемы видно, что число атомов

ряд.

Линией дислокации называют край экстраплоскости, пред-
> (являющий собой в действительности “нитку", поперечное
I янские которой состоит из наиболее упруго искаженной области
яристаллической решетки размером в несколько (2-5) периодов
Это наиболее упруго искаженная область дислокаций носит
название ядра дислокации. Дислокацию, изображенную на схеме
рисунка 1.9, принято называть положительной дислокацией - а,
отрицательную дислокацию - т (экстраплоскость расположена
ниже линии АО.

Длина линии дислокации может насчитывать много десятков
тысяч периодов решетки, а форма может изменяться от прямо-
линейной до спирали, замкнутой петли, клубка и т.д. (дислокации
смешанной ориентации).

2)	Образование винтовой дислокации можно представить себе
следующим образом. Нарежем кристалл по плоскости Q (рис.
1.10) и сдвинем одну его часть относительно другой по этой
плоскости на один период решетки, параллельно краю надреза СД.

При этом горизонтальные атомные плоскости несколько
прогнутся и край каждой из ап сомкнется с краем ближайшей
соседней плоскости. В результате кристалл кажется образованным
«пк бы единой атомной плоскостью, закрученной по винту.

мктору сдвига (обозначенному стрелкой) в отличие от краевой
дислокации, линия которой перпендикулярна вектору сдвига.

3)	Частичные дислокации. Перемещение атомов не вдоль
единичного вектора тождественной трансляции, а вдоль вектора

ции (рис. 1.11). На рисунке 1.12 представлена частичная
дислокация, полученная путем формирования в гранецеитриро*
клиной решетке лишней плоскости А. Остальные плоскости
решетки раздвинуты, что потребовало значительно большей
энергии. По этой причине такая дислокация не может скользить
(это так называемая сидячая или полузакрепленная дислокация

путем изъятия из гексагональной решетки слоя А и В.

'Гак как простое соприкосновение двух слоев АЛ не образует

1ЛОТ1ЮЙ упаковки, то в данном случае необходим еще и

* > га частичная дислокация также не может скользить. Поэтому
ее называют (сидячей) дислокацией Френеля (рис. 1.12,а). На

рис. 1.12,6 изображена части

Она

получена путем смещения левой части кристалла относительно
нижней части по плоскости, показанной жирной линией,
перпендикулярную плоскости рисунка.

)та дислокация легко подвижна, так как для ее передвижения
нг т|>сбуется сближения или раздвижки атомных плоскостей.

4) Дефекты упаковки. Прослойку с нарушенным чередова-

ых слоев называют дефектом упаковки.

Дгфскт упаковки можно создать сдвигом в плоскости плотнейшей
упаковки, удалением или внедрением одной плотноупакованной
нашкости (или части ее) или другими способами.

Появление дефект упаковки не изменяет ни числа ближайших
«кедей, ни расстояния до них. Но, как показывает зонная теория,

из-ш изменения в раса

(не блнжай-

называкгт энергией дефекта упаковки. Под ней подразумевают
избыточную свободную энергию единицы площади дефекта

Тсория показывает, что у одновалентных непереходных
металлов (Си, Ag, Аи) энергия дефекта упаковки мала, а у
многовалентных (Al, Mg, Zn, Cd) - велика. Экспериментально

23
a

------ —- в


инргии двойниковой границы. В Г.Ц.К. решетке одно нарушение
в |||»|ВИЛЬНОМ порядке чередования плоскостей может дать
двойниковую границу. Легирование может плавно изменить
ш-ргию дефекта упаковки. В растворах на основе меди у
итжается при росте электронной концентрации. Например, у
меди у- 60-10’3 Дж/м2, у бронзы у- 40-10’6 Дж/м2 в зависимости

". % AL

оооооооо
1)0000000
ОО ооооо
1)0000000
OOOOOJDOO
оооооооо
оооооооо
оооооо
б

оооо

ОООО ООО
оооооооо
ОО ооооо
ООООО ОО
ОО ооооо
оооооооо
оооооооо

Рве- 1.12 - Дефекты Френкеля в Шатткв.
1.4. Движение дислокаций.

Дислокации перемещаются в

решетке кристалла двумя путя-

ми: а) путем скольжения и 6) путем диффузии.

1. Скользящее движение дислокации

на рис. 1.13.

ски изображено
оскость PQ Под

перестановка атомов - это указано пунктирной линией, а новое
положение дислокации обозначено P’Q.

Р' Р

Следует отметить, что экстраплоскость PQ при этом не
переместилась, а передала свои функции по эстафете соседней
плоскости PQ. В новом положении дислокация опять находится
в равновесном состоянии.

Если касательные напряжения будут продолжать действовать,
то дислокация будет перемещаться влево указанным методом
эстафеты и дойдя до границы кристалла, образует на нем
ступеньку высотой в один период решетки - в кристалле
Благодаря наличию экстраплоскости, атомы решетки немного
смещены из центров равновесия, и они стремятся занять
положение, соответствующее совершенной решетке: атомы, рас-
положенные впереди дислокации, стремятся вернуться в исходное
положение и потому они препятствуют продвижению дислокации:
атомы же сдвинутой части кристалла, т.е., расположенные позади
дислокации, стремясь занять положение, соответствующее сдвигу
на целый период решетки, будет способствовать продвижению
дислокации.

томов, расположенных впереди и позади
ьно равны, то дислокация может пере-

дислокации,

мещаться при минимальном воздействии напряжений от внешних

ЗОЙ

чем краевой,

атомов очень мало. Поэтому критическое напряжение сдвига
винтовой дислокации также сравнительно невелико.

Диффузионное движение дислокации. Одной из форм тепло-
вого движения в кристаллической решетке является перемещение

сти будут присоединяться дислоцированные атомы (или сосед-

Возможен и обратный процесс - от края экстраплоскости и
межузлия будут уходить атомы, образуя дислоцированные атомы.

сок ращаться -краевая дислокация пере-

Как при расширении, так и при сокращении экстраплоскости
линейная дислокация переходит или, как говорят “переползает"
из одной плоскости скольжения в другую (выше - или нижесле-
дующую).

Диффузионное движение дислокации связано с переносом
массы и потому оно происходит медленно.

Характерным для диффузионного движения является также и
то, что оно направлено перпендикулярно к плоскости скольжения

Диффузионное движение наблюдается только у краевых
дислокаций. Винтовые дислокации диффузионным способом пе-
ремещаться не могут.

На основании изложенного можно отметить, что как линей-
ные, так и винтовые дислокации способны двигаться по плоскости
скольжения в идеальной решетке при весьма малых сдвигающих

Сказанное подтверждается исключительно малыми величина-
ми напряжений, при которых наблюдается пластическая дефор-
мация у очень чистых металлов.

Например, значение вызывающего пластическую дефор-

мацию равно:

для алюминия 1,2-2,4106 Па
для серебра 0,6-10* Па

для меди 1,0-10* Па
для золота 0,9-10* Па
для железа 29-10* Па

Различие между фактической и теоритической прочностью
металлов объясняется следующими причинами: - при пере-
мещении дислокации через решетку в каждый момент этого
движения нарушаются связи лишь ограниченного количества

местах нахождения

дислокаций.

Следовательно, прочность металлов может быть повышена
одним из двух путей:

- либо устранением дислокаций;

- либо пое

ения их движению.

Первый путь означает приближение к теоретической прочно-
сти металлов. При отсутствии дислокаций для смещения частей
кристалла относительно друг друг пришлось бы нарушить
одновременно связь всех атомов, расположенных вдоль деформа-
ции в сотни и даже тысячу раз.

Вторая возможность упрочнения реализуется в современных
методах обработки металлов и сплавов:

-	введением в них специальных примесей

-	термической обработкой:

-	холодной деформацией и др.

Таким образом, из сказанного следует два очевидных вывода
о роли дефектов кристаллического строения металла в его
упрочнении:

Первый вывод. Дефекты кристаллического строения снижают
прочность металла. Поэтому для повышения прочности металла
вплоть до его теоретической прочности необходимо устранить

Второй вывод. Дефекты кристаллического строения повышают
прочность металла. Так, при пересечении дислокаций и их
накопления движение дислокации прекращается. Следовательно
затормаживается деформация, повышается прочность.

Поэтому для упрочнения металлов необходимо накапливать
в их решетке заторможенные дислокации.

Как же увязать два диаметрально противоположных свойства
дислокаций: их способность упрочнять и ослаблять металл? Какие
же рекомендации для практики можно сделать: увеличивать или
-Теоретическая прочность

I Количество дефектов в современных
1 металлах и сплавах

1
л



Практически
реализуемая
прочность

Количество дефектов кристалического

строения

уменьшать количество дефектов в металле для его упрочнения?
Следует подчеркнуть, что в данном случае в очень наглядной
||»рмс проявляется диалектическая природа явлений, сформиро-
ванная в известных законах диалектики: Закон единства проти-

мшоложностей и закон перехода количества

тс м самым носителями единства противоположностей.

Оба присущих им качества проявляются одно сильнее, другое
слабее и наоборот в зависимости от конкретных условий.

Основным условием, определяющим величину ослабляющего
или упрочняющего действия дефектов, является их количество в
металле, а именно:

-	когда дефектов сравнительно много они мешают друг другу
пг|>емсщаться, проявляется главным образом, упрочняющее воз-
действие, т.е. металл упрочняется;

-	когда их мало и они имеют возможность проходить через
решетку, то они разупрочняют металл.
Схематически указанный закон представлен на рисунке 1.14.
Если количество дефектов меньше некоторой величины т, то
дальнейшее уменьшение их количества в металле приводит к
упрочнению. При этом прочность металла быстро возрастает
достигая теоретической прочности.

Увеличение количества дефектов приводит к резкому сниже-
нию прочности. Таким образом, разупрочняющее действие де-

Если общее количество дефектов превышает т.то дальнейшее
1.5.	Дислокация в недеформированных металлах

Ранее мы говорили о дислокациях, возникающих в металле
при пластической деформации. Однако дислокация имеются и в
недеформированных металлах, например, в литых.

Образование краевых (а в некоторых случаях винтовых)
дислокаций при затвердеваний кристаллов на их границах -
процесс естественный и практически неизбежный.

Действительно, если растущие при кристаллизации кристаллы
(зерна) повернуты друг относительно друга на небольшой угол,
то при сращивании этих кристаллов на границе их раздела
неизбежно образуются дислокации (рис. 1.16).

Таким образом, из анализа кристаллогеометрии процесса
соединения (срастания) соседних зерен при кристаллизации

tи сплавах,

следует, что в |

виду исключительно большой протяженности границ зерен и
блоков плотность дислокаций достигает больших значений. Плот-
ность дислокаций есть суммарная их длина в единице объема и
измеряется в см/см’-см'. Согласно экспериментальным данным,
плотность дислокаций в хорошо отоженных металлах достигает
IO6—107 см/см3.

лоследующей обработке (любой) плотность дислокаций возраста-
ет. Скопления вакансий могут перерождаться в дислокации: на
рисунке 1.15 показана схема, иллюстрирующая один из подобных

Такое перерождение скопления вакансий в дислокации воз-

меньше поверхностной энергии скопления вакансий, (иными
словами - в том случае, когда свободная энергия системы в

результате такого перерождения уменьшается.

31
1.6.	Дислокации в деформированных металлах

В результате холодной пластической деформации происходит
увеличение плотности дислокаций на несколько порядков как

металлы при плотности дислокаций около 1О‘-1О7 см"2. С
уменьшением количества дислокаций сопротивление деформиро-
ванию, т.е. прочность металла, возрастает и может достигать
теоретического значения. Убедительные доказательства справед-

я при исследовании
толщиной 0,5-2 мкм

и длиной до 10 мм с практически бездефектной, бездислокацн-
онпой кристаллической структурой). Усы железа толщиной 1 мкм
имеют предел прочности т - 13500 МПа, т.е. почти теоретическую
прочность. Ввиду малых размеров усы в тех применяют огранн-

ческой де<|

гея увеличение количества (плотности)

заторможенных дислокаций и создание таких условий, при
которых затрудняется свободное перемещение порожденных в
ходе деформирования дислокаций.

Предельная плотность дислокаций для упрочнения составляет
примерно I012 см"2. При небольшой плотности в металле
образуется субмикроскопические трещины, вызывающие разру-

Итак, в процессе деформирования образуется большое число
новых или, как иногда говорят, “свежих" дислокаций.

Франк и Рид предложили весьма остроумный и простой
механизм размножения дислокаций в процессе пластической
деформации.

Источником дислокаций является сама же дислокация, концы
которой закреплены. Источник Франка-Рида может генерировать
неограниченное число петель дислокаций в одной плоскости
скольжения и создавать в этой плоскости значительный сдвиг
(рис. 1.17). Источник Франка-Рида может порождать до 50
дислокаций на каждый процент деформаций. Источник Франка-
1*идд генерирует дислокационные петли в одной атомной плоско-

малогичный по своему механизму

ом, был постулирован
ранственный источник
। или спиральным. Этот

источник генерирует;

распространяется в плоскости, которая отстоит от плоскости
предыдущей петли на одно межатомное расстояние.

Простейший и весьма эффективный механизм размножения
дислокаций - множественное поперечное скольжение, которое

гой линии большой протя-

приводит к

ионности, переходящей из одной параллельной плоскости в
д>у|ую.
1.7.	Механизм упрочнения металла дефектами

Упрочняющее влияние дефектов обусловлено особенностями
взаимодействия дислокаций, как между собой, так и с другими
дефектами кристаллического строения.

Сущность этого влияния заключается в торможении дислока-
ций, в создании препятствий для перемещения.

Механизм торможения дислокаций.

Взаимодействие дислокаций друг с другом очень сложно и
многообразно. Следует учитывать возможность встречи дислока-
ций противоположных знаков - разноименных, и одного и того
же знака - одноименных. Они могут находиться в одной
плоскости и в различных плоскостях: параллельных и пересе-
кающихся.

При качественном рассмотрении взаимодействия дислокаций

Решетка вокруг дефектов искажена, ее строение нарушено.

Поэтому атомам и участку решетки вокруг дефектов, в целом.

Это означает, что при сближении дислокаций (например, при
деформации) друг с другом возможны два случая:

1)	при взаимодействии дислокаций между собой (или с другим
дефектом) имеет место увеличение искажений кристаллической
решетки. В этом случае сопротивление деформаций возрастает,
что будет означать повышение прочности металла;

2)	при взаимодействии дислокаций (или других дефектов)
между собой может иметь место уменьшение искажений кристал-
лической решетки. В этом случае сопротивление деформации
уменьшится, т.е. металл разупрочиится.

Примеры: I) При взаимодействии дислокаций одинаковых
знаков степень искажения кристаллической решетки увеличива-
ется. Дислокации будут отталкиваться (слишком велик градиент
деформации или искажений решетки - растяжение по одну
сторону плоскости скольжения и сжатия по другую).

Их сближение потребует увеличения внешних сил.

2)	При взаимодействии дислокаций противоположного знака
искажения решетки будут устраняться, т.к. будут совмещаться
сжатая и растянутая области. Такие дислокации будут притяги-
ваться и взаимоанигирировать.

3)	При взаимодействии линейных дислокаций разного знака,
расположенных на двух смежных параллельных плоскостях может
привести к образованию либо ряда вакансий, либо ряда дисло-
цированных атомов.
Так, если дислокации обращены друг к другу растянутыми
участками решетки, то в месте их слияния зона, в которой был
Недостаток атомного слоя, превращается в ряд вакансий, распо-

Если же дислокации обращены друг к другу экстраплоско-
стью. то последняя в месте слияния вырождается в один ряд
(Томов, внедренных в междоузлие, т.е. в ряд дислоцированных

4)	При пересечении дислокаций, в особенности винтовых,
Возможно образование неподвижных порогов, которые будут
тормозить движение дислокаций, т.е. упрочнять металл. Следует

мресечении дислокаций) буде иметь место торможение сколь-
жения дислокаций, т.к. при наличии пересечения движение
требует больших энергетических затрат.

Таким образом, при пересечении дислокации теряют подвиж-
ность, что и приводит к упрочнению.

5)	Граница зерна останавливает дислокацию.

6)	Граница блока также останавливает либо тормозит дисло-

Вообще в обоих случаях это объясняется различной ориенти-



болсс высоких напряжений, т.е. упрочняют металл. Они, кроме
того, притягивают дислокации, служа для них стоками.

7)	Пленки оксидов, неметаллические включения также тор-
мозят перемещение дислокаций, т.е. упрочняют металл.

Однако дислокаций может огибать подобные препятствия,
либо "переползать" через них.

Но это приводит к увеличению длины дислокации, на что
требуется дополнительная работа деформации.

Следовательно, с увеличением числа включений (т.е. с
увеличением их количества) сопротивления движению дислока-
ций будет возрастать.

8)	“Облака" примесей (атмосферы Коттрелла Сузуки)

Взаимодействие дислокаций с атомами примесей сводится к
тину, что последние “притягиваются” к дислокациям, образуя
вокруг них скопления, называемые “облаками" или “атмосфера-

В случае образования растворов замещения, атомы меньших
размеров (по сравнению с атомами основного металла) накап-
ливаются в сжатой зоне решетки, а атомы больших размеров -
• растянутой зоне решетки.
В растянутой зоне решетки будут также накапливаться и
атомы, образующие с основным металлом растворы внедрения.

Если скопление примесных атомов вокруг дислокаций пре-
взойдет предел растворимости то, при благоприятных условиях,
будет иметь место зарождения соответствующих частиц. Эти
частицы можно наблюдать с помощью микроскопов.

При своем движении дислокаций ими тащит “облако” за
собой (малые скорости перемещения) или вырывается из него и
дальше перемещается вне “облака" примесей, если скорость
перемещения достаточно велика.

Возможность реализации того или другого случая зависит от
конкретных условий деформации: от скорости деформации, от
природы основного металла и примесных атомов.

При малых скоростях деформации, соизмеримых со скоростью
диффузии растворенных атомов, определяемой при данной тем-
пературе природой основного металла н примесей, дислокаций
будет перемещаться вместе с “облаком” (т.е. будет тащить
“облако” за собой).
1.8. Современные представления о физической при-
роде прочности металлов и сплавов

Понимание природы прочности металлов и сплавов, как и
других твердых тел, имеет исключительно большое значение не

Теоретическая прочность металлов почти на два порядка

В результате исследований выяснены причины низкой реаль-
ной прочности (по сравнению с теоретической) кристаллов
различных металлов.

Химико-термическая и термическая упрочняющая поверхно-
стная обработка позволяет резко изменить качество поверхности
деталей машин и обеспечить требуемые эксплуатационные свой-
ства (износостойкость, сопротивление усталости, жаростойкость
и др.), поэтому ее применение оказывается не только эффектив-
ным, но в ряде случаев единственно возможным средством для
повышения надежности работы деталей. Расширение области

поверхностной

термической и химико-термиче

вонана технология процессов поверхностной закалки, цемента-
ции, азотирования, цианирования, нитроцементации, а также в
|>е:»ультате разработки процессов диффузионной металлизации
поверхности сплавов (алитирование, диффузионное хромирова-
ние, борирование, сульфоцианирование и др.).

существенно повышены при нанесении на рабочие поверхности
деталей металлических и неметаллических покрытий с высокими

применяют композиционные материалы

пы, полученные плазменным напылением, когда соединение двух
материалов происходит в результате молекулярной диффузии при
температурах в несколько тысяч градусов.

Особенное внимание уделяется направке металлических по-
верхностей высокотеплостойкими материалами, нанесению ке-
рамических материалов и др.

Использование современных методов получения исходных и
спеченных керамических материалов (плазменная технология и



(позировать создание и успешное внедрение в ближайшем
будущем в промышленных масштабах высокотемпературных
материалов в упорядоченным макростроением, что даст возмож-
ность повысить температурный потолок использования конструк-
ционных материалов до 2000е и более.
твующих механизмов уп-

Технологическая

рочнения металлических материалов может быть осуществлена
по двум основным направлениям:

1. Изменением дислокационной структуры, количества точеч-
ных дефектов и дислокационных барьеров во всем объеме
материала путем осуществления легирования, термической, тер-
момеханической, механотермической обработок и различных их
сочетаний.

облегчена вследствие:

<ся наиболее вероятными местами накоп-
юкольку пластическая деформация в них

на свободную поверхность;
ствия источников франка-



Рида, т.к. в поверхностных зернах источники дислокаций имеют
преимущественно форму петель, закрепленных одним концом;

-	облегченного выхода вакансий на поверхность. На этом
основании методы упрочнения путем химикотермической обра-
ботки, поверхностного пластического деформирования, нанесения
различного рода покрытий плакирующих слоев, плазменной и
лазерной обработки поверхности и т.д.

-	сочетанием методов объемного и поверхностного упрочне-
ния, при проведении химикотермической обработки;

металлической основе с упроч

их материалов на
нами или пласти-

Механизмы всех существующих методов технологического
упрочнения металлов и сплавов могут быть объяснены с единых
позиций, вытекающих из основных положений теории несовер-
шенного кристаллического строения.
2. Упрочнение металлических материалов
методом поверхностного пластического
деформирования (ППД)

2.1.	Общие положения

Надежность и ресурс деталей машин в основном определяется
качественным состоянием их поверхностного слоя, являющимся
шкителем конструктивных, технологических и эксплуатационных
концентраторов напряжений, величина и характер которых



Наиболее существенными с точки зрения эксплуатации
свойствами поверхностного слоя деталей являются шерохова-

Требуемые параметры качества поверхности и практически
же важнейшие эксплуатационные свойтсва деталей машин могут

гтного пластического деформирования, максимально прояв-
ляющими потенциальные возможности материала. Упрочнение
методом ППД приводит к повышению поверхностной твердости,

жений сжатия и благоприятному изменению микрогеометрии
поверхностей. В результате в зависимости от функционального

усталостная и контактная прочность, износостойкость и сопро-
тивление коррозии, гидроплотности и маслоудерживающей спо-
собности.

Эффективность способов упрочнения методом ППД в сочета-
нии с высокой производительностью и экономичностью делает
их перспективными во всех отраслях промышленности - от
приборостроения до тяжелого машиностроения.

Номенклатура деталей в машиностроении, подлежащих уп-

лающее большинство деталей приходится на долю автотрактор-
ного, авиационного, сельскохозяйственного и тяжелого машино-
строения.

Анализ использования метода ППД для упрочнения деталей
машин в отечественной и зарубежной практике показал много-

:>ффсктивность использования метода ППД для упрочнения
деталей с концентраторами напряжений, подтвергающихся зна-
копеременным, циклическим нагрузкам и дает возможность
определить основные направления развития и расширения обла-
сти внедрения метода ППД в отечественной промышленности,
включающие:

I.	Создание научно-общественной теоретической базы для
углубленного исследования механизма ППД и его влияния на
напряженно-деформированное состояние материала детали в
очаге деформирования с целью интенсификации процессов
пластичного деформирования, оптимизации режимов упрочнения,
повышения производительности и эффективности процессов уп-
рочнения и создания для разработки системы управления каче-

2.	Разработка новых способов упрочнения деталей методом
ППД, в том числе комбинированных, предусматривающих соче-
тание упрочняющего воздействия метода ППД с эффектами меча,
лазера, электронного луча, химикотермической обработки, элек-
трохимического нанесения композиционных покрытий и др.

3.	Создание новых конструкций высоэффективного деформи-
рующего инструмента и устройств (раскатки, дорны), где
величина усилия деформирования может регулироваться, вместо

деформирования обеспечивается за счет жестких требований к
точности обработки упрочняемых поверхностей.

4.	Создание гаммы специализированного упрочняющего обору-
дования, в том числе и ЧПУ, встраиваемого в автоматизиро-

технологические комплексы упрочне-



нная деталей узлов в условиях серийного и массового производ-
ства, а так же средств иеразрушающего контроля
напряженно-деформированного состояния детали до и после
упрочнения, встраиваемых в упрочняющее оборудование.

5.	Организация систематизированных предприятий по раз-
работке и централизованному изготовлению промышленных
образцов упрочняющего инструмента, оборудования и средств
контроля, отличающихся высоким качеством и надежностью в

штабов применения и повышения эффективности процессов упроч-
нения деталей методом ППД в отечественной промышленности.

В настоящем материале рассматриваются практически все
способы упрочнения методом ППД, применяемые в промышлен-
ности, показаны высокоэффективные способы упрочнения ППД
в сочетании с термической, химической и другими видами
обработки, расширяющими реальную возможность применения
высокопрочных сталей с мартенситной структурой для изготов-
ления деталей с конструктивными и технологическими концент-
раторами напряжений, к которым предъявляются повышенные
требования по статической прочности и сопротивлению устало-

стиым разрушениям, нзносо- и I



Показано, что высокая живучесть деталей, упрочняемых методом
ППД достигается при комплексном подходе к выбору тех или
иных способов, которые обеспечат наилучшие усталостные

алов, уровня и характера распределения наследственных оста-
точных напряжений 1-го рода, конструктивных особенностей
деталей, наличия концентраторов напряжений.
2.2.	Систематизация способов упрочнения методом
ППД

Все существующие и перспективные (разрабатываемые или
подлежащие разработке) способы упрочнения с применением
ППД в зависимости от формы и размеров детали, их прочности

обработки, требований к точности и качеству обрабатываемых
поверхностей, вида деформирующих элементов, характером их
контакта с обрабатываемой поверхностью и характер производ-
ства подразделяетса, с определенной степенью условности, на
3 укрупненных класса - статичесикие, динамические и комбини-
рованные способы упрочнения.

К статическим относятся процессы упрочнения локальных
рабочих (сопрягаемых) поверхностей деталей машины, методом

бами обкатки, раскатки, дорнования с применением мерного или
регулируемого упрочняющего инструмента, деформирующими
элементами которого является шарики или ролики, обеспечи-
вающие непрерывное воздейтсвие на обрабатываемую аоверх-
ность и постоянство усилия деформирования.

К динамическим относятся процессы упрочняющие методом
ППД всех обработка “кругом" или большинства поверхностей

деталей и узлов,

>иттиых, например,

силовые детали планера самолетов типа панелей, ланженоров,
шпангоутов, нефтюр; лопасти силовых гребных и воздушных
винтов, работающих в условиях знакопеременных нагрузок,
выполняемые “ударными" способами с применением деформи-
рующих элементов в виде сыпучего рабочего тела (дробь
стальная, дробь стекляная, абразив...) и специализированного

К комбинированным относятся комплексных процессы упроч-
нения, объединяющие различные методы упрочняющей техноло-
гии, тка как химихо-термичееккие, термо-механические, гальва-
нические и др. в сочетании с статическими или динамическими
способами упрочнения металлов методами ППД.

Применяются около 30 способов упрочнения с применением
метода ППД внедренных или осваиваемых в производстве.
Продолжаются работы по совершенствованию существующих
способов и разрабатываются новые, более эффективные на базе
создания оригинальных конструкций упрочняющего инструмента
и оборудования. Особые надежы возлагаются на высокую рента-

нения на основе различных ком
упрочняющими технологиями.

> ППД с другими
наружных и плоских поверхностей тел i



конической, сферической и другой сложной формы, обеспечи-
вающие непрерывное деформирующее воздействие на обрабаты-

шариковые и роликовые деформирующие элементы, встроенных
в специальный упрочняющий инстумент. К ним относятся
способы накатывания (раскатывание внутренних, обкатывающие
наружных и плоских торцевых поверхностей деталей или
вращения и др.), дорнования, выглаживания, в том числе
алмазного, голтовки. За последнее время класификационные
состав статических способов упрочнения значительно пополнился
в количественном и качественном отношениях за счет создания

новых высокоэффективных ci
использованием эффекта нал
на деформирующие элементы

в процессе раскатывания, обкаты-

вания, дорнования и др., что создает предпосылки управления
качеством и надежностью изделий в зависимости от их функци-
онального назначения.

1.	Обкатывание и раскатывание шариковым и роликовым
инструментом

Сущность процесса.

вым и шариковым инструментом в серийном и массовом

Сущность способов накатывания состоит в том, что по

ся шары или ролики и сглаживают микронеровности предшест-
вующей обработки. Шары (ролики) снимают и осаживают
выступы и заполняют ими впадины профиля. При этом высота
микронеровностей существенно уменьшается и образуется мик-
ропрофиль, отличающийся плавностью форм неровностей и их
однородностью, сравнительно большим отношением шага к их
высоте и большими радиусами скругления выступов и впадин.
Получаемая форма неровностей увеличивает фактическую не-
сущую площадь поверхности и соответственно уменьшает удель-
ное давление сопрягаемых пар, а образованный рельеф с
большими радиусами выступов и впадин способствует удержанию
смазки между поверхностями.

Накатыванию подвергаются детали из разного материала,
пластически деформированного в холодном состоянии (стали,
чугуна, цветных металлов и сплавов).
Процессы накатывания в большинстве случаев осуществля-
ются на универсальных металлорежущих станках. Эти процессы
уменьшают шероховатость от Ra 6,3 мкм до Ra 0,1 мкм.

Эффективность способов накатывания как по качественным,
гак к по экономическим показателям зависит от многих факторов
и,  первую очередь, от применяемого способа и схемы обработки,
конструкции инструмента, его геометричесикх параметров, ре-
жимов накатывания, предварительной обработки и других.

Схемы процессов.

Накатывание (раскатывание, обкатывание) любой формы
наружной и внутренней поверхностей в принципе может быть
осуществлено по многим вариантам кинематеических схем,
ралли чающихся количеством ведущих звеньев; состоянием звень-
ев в процессе обработки и принципом их взаимодейтсвия со
станком; направлением вращения звеньев и их взаимным
вращением, соотношением угловых скоростей ведущих звеньев.

В зависимости от конструктивного исполнения рабочей части
инструмента рабочие тела (шары или рлики) в процессе
обрибот.1 и могут иметь две или три дорожки качения, по которым
взаимодействуют с накатываемой поверхностью и опорной де-
талью инструмента.

Кинематические схемы, принимаемые для накатывания кон-
центрических поверхностей (цилиндрической, конической, про-

при определенной их ориентации к направлению осевого движе-
ния инструмента относительно изделия, независимо от того, с
кикой целью совершается данное движение, для подвода инст-
румента или для осевой подачи. Это условие особенно необходимо
соблюдать для определения на инструменте направления наклона

случае их наклонного расположения, т.к. направление наклона
лависит от применяемой схемы накатывания.

Обработка роликами (шарами) используется в маишностро-
ени для повышения сопротивления усталости и износостойкости,
увеличения поверхностной твердости деталей машин.

Обкатыванию и раскатыванию подвергаются цилиндрические
поверхности,., ллсокости канавки, галтели, а также плоские и
Цтсонные поверхности, предварительно обработанные резанием.

Обрабатываемую поверхность вращающейся или поступатель-
но движущейся детали обкатывают или раскатывают. Иногда
поступательное движение совершают ролики (шары), а деталь
неподвижна.

Под действием давления ролика на обкатываемую поверхность
в наружных слоях ее происходит остаточная пластитческая
Основные факторы, от которых зависит величина пластиче-

упрочнения металла,



1) давление ролика на обкатываемую поверхность (удельное
давление);

2)	геометрия ролика (его форма, размеры);

3)	качество материала ролика;

4)	химико-физические свойства обкатываемых изделий;

5)	исходная шероховатость обкатываемой поверхности;

6)	подача;

7)	скорость.

Преимущество чистовой сделки обкатыванием роликами
(шарами) перед другими методами заключается в том, что после

этой обработки неi

ки и полировки, а

также то, что она повышает сопротивление усталости и
износостойкость. Обкатывание роликами (шарами) обеспечивает
уменьшение шероховатости.

При применении обкатывания роликами в качестве способа
чистовой отделки поверхности детали необходим подбор соответ-
ствующих технологических параметров. Шероховатость после
обкатывания зависит от исходной поверхности.

3.	Технологические параметры процессов

Удельное усилие при обкатывании.

Обкатывание с целью повышения изностойкости сопротивле-
ния, усталостной или контактноой выносливости может сыграть
большую роль только в том случае, когда установлены оптималь-
ные параметры, которыми определяется эффект поверхностного
упрочнения.

Известно, что на качество обработанной поверхности оказы-
вают влияние следующие элементы режима обкатывания: со-
противление деформированию, или что все равно, среднее
давление в зоне деформации, площадь контакта, подача, скоро-
сть, геометрия и размеры деформирующего инструмента.

В зоне деформации возникает сложное объемно-напряженное
состояние. При этом закон распределения напряжений в зоне
контакта при обкатывании роликами неизвестен.

Процессы, происходящие в зове деформации при обкатыва-
ний, определяются характером распределения и величиной
нормальных и касательных напряжений. Так как обкатывание
деталей происходит в условиях трения - качения, то основное
значение имеют нормалыше напряжения.

Усилие деформирования и удельное давление при обработке
деталей ППД характеризует силовое воздейтсвие рабочего инс-
трумента (ролики, шары) на деформируемую поверхность детали.
Величина и направление усилия деформирования зависят от
впюры (распределения) контактных нормальных напряжений и

СК их свойств поверхностного слоя деталей. Поэтому определение
удельного давления в различных технологических процессах
обработки ППД - одна из основных задача анализа силовых

построены исходя из качества поверхности таким образом, чтобы
мпкеимально использовать кинематику и динамику обкаты-
вающего инструмента при обработке устойчивых изделий.

Выбор силы обкатывания зависит от следующих факторов:
физико-механических свойств обрабатываемого материала (пре-

дел текучести,

допустим*

состояния обкатываемой поверхности и ее микрогеометрии,

Величина।

тных давлений при обкатывании
остей разных материалов опре-

делляются по формулам 2.1, 2.2, 2.3, 2.4.

Для определения максимально допустимой силы обкатывания

следующие формулы:

I)	при обкатывании шариками без учета образования волн

Р= 2'7₽R7^ ((ДЛ + е) + ^(Д* + е)е].	(2.1)

2)	при обкатывании шариками с учетом образовании волн

Р= 1,45ярКУ^- (Ah + Ah,)(Ah + KAh, + е),

(2.2)

3)	при обкатывании роликами без учета образованна волн

(2.3)

зования волн

зи с учетом обра-

1,45TtpV^&E(Ah + Ah,) (Ah + KAh, + е).	Q.4)

Влияние подачи.

Подача при обкатывании устанавливается, исходя из требу-

атости. При этом необходимо отметить.



no на шероховатость изделия после упрочнения большое влияние
оказывает обрабатываемый материал, профильный радиус сфе-

рического шарика и число проходов, что очень важно при
отделочных работах.
Данные о величине подачи на ролик Sp при обкатывании
различных обрабатываемых материалов приведены в табл. 3.1

Таблица 3.1

Подача на ролик Sp

		n«~S
	0.1 Rt	0,1-03
мАгкевые сплавы		
Бронза , латунь	33* 1.6 R,	O.2-O.4
Сталь	10* 63	O.4-O.5
Чугун	Ю * 33 R,	0.1-O.2

ство поверхности. С увеличением подачи увеличивает расстояние
между вершинами выступов за счет уменьшения кратности
приложения давления на единицу площади, что вызывает

можно сделать вывод о том, что при увеличении подачи в 16
раз шероховатость поверхности повышается на один класс для

при этом уменьшается на 37% чугуна и в 2,5 раза у стали 45.

Степень наклепа уменьшается в среднем на 11%.

В соответствии с данными, приведенными в табл. 3.3, можно
рекомендовать следующие наиболее рациональные подачи:

для стали 45 - 0,05 мм/шарик.
Зависимость шероховатости поверхности (Ra мкм), глубины наклепанного слоя ф. мм) и
степени наклепа от подачи

Обрабатываемы*	Подача, км/шриа														
	0.05			0.2			0Л2			041			о.и		
	Я		с	а	ь	с	Я		С	Я	h	с	к	ь	с
Чугун СЧ 21	0.40	0.37	137	0,61	0.47	143	0.82	0.37	137	0.90	0.30	133	1.10	0,27	125
Сталь Ст.З	0.31	1.55	135	0.47	1.60	134	0,62	1.10	124	0,67	0.80	121	0.72	0.62	120
Сталь 45	0.20	1.10	126	035	0,90	121	0.50	0.70	119	0,58	0.63	117	0,65	0.60	115

Таблица 3.3

Зависимость шероховатости поверхности <Ra мкм), глубины наклепанного слоя (h,мм) и
степень наклепа от диаметра шарика

	Диамет}»» иаригов. мм											
	ил			1».7			10.0$					
	а		С	К					с	R	а	
Чугун СЧ 21	0,75	0,47	144	0,61	0.47	143	0,57	0.37	132	0.50	о..и	
Сталь СтЗ	0.56	1,65	132	0,47	1,60	134	0.28	1,28	123	0.20	1.12	
Сталь 45	0,50		127	0.35	0,90	121	0,29	0.80 |	118	0,27	0.60	
Величина шероховатости, подачи и диаметра шариков взаи-
мосвязаны: за один оборот шарика вокруг оси головки деталь
перемещается на величину подачи Sm- Минутная подача при
известном числе оборотов шпинделя станка пет, числе шариков
в головке z, диаметре шарика dm, диаметре окружности беговой
дорожки d. величине шероховатости Rz и подаче на шар Sm

(2.5)

где i - передаточное отношение, равное c^/dji

К-0,94+0,96 - коэффициент проскальзования шариков при

Размеры шариков: 15,08; 16,7; 19,05; 22 мм. Усилие пружин
подбирается таким образом, чтобы удельное давление во всех
случаях было примерно равным и находилось в пределах 250-300
н/шарик.

При увеличении диаметра шариков от 15,08 до 22 мм и
прочих равных условиях шероховатость поверхности чугуна

соответственно для чугунных поверхностей на 47% и 14%, для
остальных - 48% и 11%, т.е. уменьшение характеристик наклепа
почти одинаковое.

Можно сделать вывод, что при увеличении диаметра шариков
повышается класс шероховатости обработки поверхности, но

слоя. Это объясняется следующим: при неизменной подаче и
удельном давлении с увеличением диаметра шарика возрастает
кратность воздейтсвия его на единицу площади поверхности.
Шероховатость поверхности при этом уменьшается.

Уменьшение глубины и степени наклепа объясняется тем, что
при малых диаметрах (на 40-50% меньше указанных) под
шариками при их качении по поверхности образуется упруго-
пластический клин, влияние которого распространяется на
большую глубину и в большей степени, чем при больших
диаметрах.

ить шариками диаметром



16,7 мм, а для получения шероховатостей стальных поверхностей,
соответствующей Ra 0,2 мкм шариками с большими диаметрами
(<1ш-10+22 мм).

Если необходимо получать большую глубину наклепанного
слоя и степень наклепа, то диаметр шариков следует уменьшить
приблизительно до 15-16 мм.
В случае применения шариков больших диаметров необходимо
создавать большие давления, а следовательно, требуется обрудо-
рание с повышенными силовыми характеристиками.

Усилие давления шариков на поверхность.

Изменение давления шариков оказывает значительное влияние
на характеристики наклепа и меньшее - на шеероховатость
поверхности, особенно при обкатке стальных поверхностей. С
увеличением давления с 250 до 750 Н/шарик шероховатость
чугунной поверхности остается без изменения. При дальнейшем
увеличении давления до 1250 Н/шарик шероховатость резко
увеличивается, происходит перенаклеп поверхности, т.е. отслаи-
вание, шелушение тончайших частиц металла.

Оптимальное давление при обкатывании поверхности - не

волсе 750 Н/шарих, что прибт
прочности чугуна на сжатие.



При обкатывании стальных поверхностей необходимо увели-
чить давление, так как шероховатость поверхности при этом не
увеличивается, а характеристики наклепа заметно возрастают.
При увеличении давления в слчае обкатывании стальных повер-
хностей с 250 до 1250 Н/шарик шероховатость поверхности
остается практически постоянной Ra 0,2, а глубина наклепа стали
Ст.З увеличивается при этом с 1,3 до 2,1 мм,т.е. на 62%, стали

в среднем на 11%.

Оптимальным давлением для стальных поверхностей следует
считать 1000-1250 Н/шарик. Лучшие результаты достигаются
при обкатывании стальных поверхностей с давлениями, нс
превышающими предел прочности материала более чем на
|М2%, в противном случае возникает переиаклеп и местные
очаги разрушения.

Число проходов.

тельное влияние оказывает число проходов, которое устанавли-
вается обчно опытным путем. Чаще всего оно находится в
пределах от одного до трех. Это зависит от выбранных величин
остальных параметров режима обкатки.

Чрезмерное увелич

кию степени деформации, но одновременно ухудшает качество
обкатываемой поверхности. В то же воемя твердость поверхно-
стного слоя и глубина распространения деформации немного
увеличивается. Чтобы избежать ухудшения качества поверхности
обкатываемой детали, рекомендуется применять один-два допол-
нительных прохода с меньшей подачей и меньшим давлением на
ролик. Это улучшает шероховатость обкатываемой поверхности.
При увеличении числа прохолов до трех шероховатосп-
поверхиости чугуна СЧ 21 несколько снижается, ио все же

нежелательно, так хак вследствие многократного воздействия
шариков тонкий поверхностный слой начинает разрушаться,

Стальные поверхности менее чувствительны к перенаклепу.
Поэ'ому увеличение числа проходов не оказывает существенного
влияния на чистоту поверхности.

Для повышения производительности обкатывание плоских
поверхностей шариковыми головками следует производить за
один проход. При чистовой обкатке стали Ст 3 за один и за
пять проходов обеспечивается шероховатость поверхности Ra 0,4
мкм. При обкатывании стали 45 за один проход получается
шероховатость поверхности Ra 0,35 мкм, а за пять проходов Ra
0,3 мкм, т.е. уменьшается на один класс.

Глубина наклепанного слоя и степень наклепа чугуна СЧ 21
с увеличением числа проходов до четырех и более уменьшаются
вследствие нарушения целостности тонкого поверхностного слоя,

прочных сталей (типа стали 45) увеличение числа проходов
целесообразно, так как при этоом указанные характеристики
существенно повышаются.

Влияние скорости обкатывания.

При увеличении скорости обкатывания шероховатость повер-
хности несколько увеличивается. Это объясняется тем, что при
малых скоростях обкатывания происходит более полное смятие
неровностей. Пластическая деформация преобладает над упругой
вследствие того, что воздсйтствие шарика на единицу площади
при малых скоростях более продолжительно. С ростом скорости
время воздействия шариков на поверхностный слой уменьшается,
упругая деформация преобладает над пластичной. Рост пласти-
ческой дефорамации отстает от роста скорости приложения
нагрузки. Однако увеличение скорости обкатки оказывает иезна-

чительное влияние на шероховатость.

Можно сделать вывод о том, что увеличение скорости
обкатывания в 6,35 раза незначительно влияет на изменение,
чистота поверхности из стали Ст. 3 остается неизменной, а
чистота поверхности из чугуна СЧ 21 и стали 45 понижается.
Следовательно, в целях повышения производительности обкатку
можно производить на больших скоростях.

только получить более высокую чистоту обработки поверхности.
Исли в процессе обкатывания необходимо получить более
•мсокую степень и глубину наклепа, то скорости должны быть

дуется выбирать максимально возможную скорость обкатывания.
'1нлчсния скоростей обкатывания ограничиваются значительным
naipcBOM и повышенным износом деформирующего инструмента,
в также возможностями применяемого технологического обору-
дования и не превышает 200-300 м/мин.

11о данным практики, рекомендуются для деталей диаметром
II, S 100 мм, V - 15-40 м/мин, при D > 100 мм, V -
М-120 м/мин.

Установлено, что скорость обкатывания практически не
окапывает влияние на шероховатость поверхности.

Методика выбора параметров ППД при обкатывании и раска-
тывании.

Итак, основными параметрами режимов обработки ППД
являются силы деформирования, величина осевой подачи и скоро-
сть обработки.

В основу методики положено ограничение величины обжатия
(натяга) при обработке однороликовыми и многороликовыми
инструментами предела, гарантирующими накатанную поверх-
ность детали от недопустимой волнистости. Выбор величины
обкатывания для обеспечения требований к качеству поверхности

влсмого материала, исх

ью поверхности, ре-

жимами обработки, геометрическими параметрами деформи-
рующих роликов и устанавливается экспериментально для кон-
кретных условий обработки.

Поэтому при выборе режимов обработки рекомендуется:
контактное удельное давление назначать с учетом критерия
работоспособности деталей в условиях эксплуатации; при вы-
бранном контактном удельном давлении размеры площади кон-
такта рассчитывать в зависимости от размеров и формы
деформирующего инструмента, диаметра детали, величины уп-
ругой и пластической деформации с учетом волны пластически
де<|х>рмированПого металла впереди ролика для низкой твердости
сталей и сталей средней твердости и без учета волны для твердых
сталей и чугунов.

При установлении режима обкатывания сталей в первую
очередь должна быть установлена максимальная технологически
допустимая сила обжатия с учетом упругой деформации, с

которой надлежит вести работу.
Упругая часть упруго-пластич

uimna Герстнера может быть рассчитана по формуле 2.1 или в
зависимости от предела текучести материала по формуле 2.2,
которые позволяют определить величину сил обктывания деталей,
изготовленных из углеродистых и легированных сталей с разным
пределом текучести, при разных величинах обжатия (ЛЬ + е).

При чистовой обкатке следует принимать ЛЬ - (0,6 + 0,7) RXHat
где Rz исх - высота шероховатостей в мм.

При упрочняющей обкатке принимать ЛЬ > R, исх.

Расчет величины силы Р рекомендуется прооизводить по
формуле

P=P,F,-	(2.6)

контактное удельное давление при обкатывании;

• площадь контакта деформирующего инструмента с

Величина контактного давления, при чистовой и упрочняющей
обработке роликами стальных и чугунных деталей может быть
определена по формулам приведенным в табл. 3.4.

Таблица 3.4

Значения удельных нвгрузок при обкатывании деталей

Маеаюстроигсдыые стаж	Формулы
I. Углеродистые стали: 10. 15, 20, 25, 30. 35. 40 - в горячекатанном  обработки (Г); 45. 50 - в	-«Л - 4.66 - 0.019 О'
(термообработка: закалка в воде):5	- 3.56 - 0.05 О'
3. Марганцовистая сталь <Г>; 15Г. 20Г. ЗОГ, 40Г, 50Г. 60Г. 65Г, 10Г2. ЗОГ2. 35Г2.40Г2. 45Г2. 50Г2	 53 - 0.02 О,
4. Легированная сталь (термообработка: Н; 3; 0. в): 20ХН. 40ХН, ЗОХНЗ. 18ХНВ, 35ХНМ.  35ХН2М. 45ХН2МФ)	= 3,48 - 0,005 я.
П; ^“1^М5хГмХ?30хГКа’ 40Х. 45Х. 50X	£агз - 3,42 - 0,007 а.
6. Чугун: СЧ 21; СЧ 22; СЧ 28; СЧ	iea . з,2 - 0.01 ов

По заданному диаметру детали и окончательно выбранной
величине обжатия определяется сила обкатывания, для каждого
материала в отдельности, в зависимости от пределов текучести,
радиуса шарика или диаметра ролика и профильного радиуса

Номограммы позволяют решать и обратную технологическую
задачу: выбор ролика или шарика при заданном (допускаемом
станком или жесткостью детали) усилии обжатия.

шариками обеспечивающие повышение изностойкости (при
All - 0,73 R, иех.), изностойкости и усталочтной прочности (при
All - R, мо(.), либо только усталостной прочности деталей машин
(при Ah > RtHCX.) в зависимости от характсристтик качества
поверхности.

Общая деформация (Ah + е) в зоне контакта складывается
из пластической деформации микронеровностей Ah и упругой
деформации нижележащего слоя е.

В случаях обкатывания (раскатывания) роликовым инстру-
ментом без смазки величины радиального удельного давления
определяется выражением

1 + м.л-

а.т>

Входящая в это

сенная величина угла вдав-

Удельное давлние при постоянных по дуге контактах и силах

P, = (2,85-1.15MtJl<|>1)n„ct<p,

(2.8)

- фактические сопротивления формоизмененного при

простом сжатии с У'

4, скорости дефо-

Давление при обкатывании роликами с жидкостным трением
рекомендуется определять по формуле

pi = 2.85а,(2.9)

Dp - диаметр ролика, мм,
Ол - диаметр детали, мм,
то - касательные напряжения.

Для деталей с криволинейной образующей вместо профильного
радиуса ролика при выборе силы по номограмме следует
учитывать приведенный радиус:

(2.10)
Подачу при обкатывании можно определить, исходя из шероховатости вновь создаваемого микрополя. С увеличением блюдается при большем числе повторных проходов ролика, поэтому при обкатывании поверхностей и исходной шероховато- стью Rz=40mkm целесообразны повторные продольные проходы: при Rz=32+40mkm принимаются три прохода; при Rz=20+32mkm -  за один проход. Подачи, установленные с учетом указанных условий, приведены в табл 3.5.  Таблица дает возможность выбрать подачу в зависимости от  поверхности. При обкатывании деталей с криволинейной обра- зующей подачу выбирают по приведенному радиусу.  Таблица 3.5							
•mil	Подача S. мхи/об. м* омусаиха Е<рохо»атоспс						
	я -Мххм					1	
	оря исходном маем шероховатости						
	К .44юм	Я .2«мхи	Я - И «04	Я >2»юм	Я >10 мхи	я .10 ИКИ	Я .Ми»
s	0,07	0.15	0,30	0.07	0,15	0.07	0,15
6.3	0.09	0,18	0,36	0,09	0,18	0,09	0.17
8	0,12	0.23	0,46	0.12	0,23	0,12	0,19
10	0.15	0,29	0.56	0,15	0,29	0,15	0,21
12.5	0,18	0.37	0,64	0,18	0,34	0.18	0.24
16	0,23	0,47	0.72	0,23	0,32	0.23	0,27
20	0,29	0,58	С. ,41)	0.29	0,42	0.29	0,30
25	0,37	0.83	0,88	0,37	0,48	0,35	0,35
32	0.47	0.94	1,00	0,47	0,54	0.39	0.39
40	0.58	1.12	1.12	0,58	0,60	0.43	0.43
50	0,74	1.24	1.24	0,66	0,66	0,48	0.48
63	0,92	1.40	1,40	0,72	0,72	0.54	0,54
80	1.17	1,60	1.60	0,84	0,84	0.60	0,60
100	1,45	1,80	1,80	0.96	0,96	0.66	0,66
125	1,80	2.00	2,00	1.05	1,05	0,75	0,75
160	2,25	2,25	2,25	1.23	1.23	0.85	0,85
54							
Сводная таблица расчета режимов чистовой и
упрочняющей обработки роликами внутренних и
наружных цилиндрических поверхностей

			
1	Определение  удельного давления.	формулы 2.7, 2.8. 2.9	а“ - предел теку- чести обрабатывав-
	Расчет величины обжатия в очаге деформации.  при числовом обкатывании	Ah, - (0.66 - 0.73)1^ e	
	^.тХ^Гием		приведены средние
	б) Глубина канавки: при чистовом	Д\ - ДЬ2 - 0.73 RJ>KZ	
			
	при упрочняющем	Ч - «•» - » ".ж.	



г			
	Определение подачи  мм/рол. при обкатке		Обрабатываемый материал. Требова-  поверхности. Угол наклона оси враще-  оси обрабатывания  обрабатываемой
	при обработке с принудительной  подачей для  при обработке с  подачей для  инструментов с ф- 0*;		Z - число роликов обкатке (раскатке).
		St=Spx.MM/o6	- подача на
	окружной скорости раскатывания V и  а) выбор окружной  рекомендуемого  относительно	для деталей диамет- ром D $ 100 мм;  V - 15-40 м/мин; при  D > 100 мм;  V - 25-60 м/мяи.	D - диаметр
			
**			
	Определение окружной скорости при обкатывании и  инструментом.  Определение подачи So в мм/об, (когда принудительно	Л - н./п	Dg - диаметры S$-подача на
	б) расчет подачи на оборот шпинделя с уточнением ее по паспорту станка	S.-S/	
	рекомендуемого числа оборотов шпинделя с	где / = Dp/Dj	Sheina obnboiki. Од. D - диаметры обрабатываемой детали и ролика; S - подача на оборот сепаратора относительно детали.
	Машинное время:  движением Тм в мин.	т (LOW.  т . св±ак «	nS	обрабатываемой  п - число оборотов в минуту; !=!♦!,- вели- чина входа в перебега

в следующей последовательности:


Производительность процесса накатывания.

Производительность процесса накатывания является одним из
ювных факторов, определяющих его технико-экономическую

При накатывании цилиндрических и плоских линейчатых

поверхностей с

мем инструмента про-

изводительность процесса определяется окружной скоростью
деформирования и скоростью относительного движения инстру-
мента и изделия и выражается площадью или длиной обработки

Производительность накатывания цилирндрических поверхно-
стей разных диаметров, а также плоских поверхностей инстру-
ментом разного диаметра рекомендуется определять по площади

м2/мин). При накатывании цилиндрических поверхностей равных
диаметров и плоской поверхности инструментом одного диаметра
производительность может быть выражена длиной обработки в
единицу времени (осевой минутной подачей инструмента в

При накатывании конических, радиусных, шаровых и других
н|юфильных поверхностей, а также плоских торцовых, произво-
дительность процесса определяется количеством обработанных
деталей за единицу времени (шт/ч или шт/мин) или временнем,
утраченным на обработку одной детали.
Определение отношения частоты вращения сепаратора пс относительно детали к частоте
вращения шпинделя станка н (А = пс/п)

	Р.СХГИ1.ЮИ	Обитым аж
Деталь не вращается, опорный конус	А.	ft	Л» 0J777; %- ft П,- »
свободно**’ Се',араТОр враии,ется		
шпинделем. опорный конус инструмента	А-0-5ГТ	°	А- ftj£|; п,. к п,- 0
Деталь вращается заодно со шпинделем, опорный конус инструмента вращается свободно, сепаратор не	А = 1: пд=п; пс=0	
Деталь не вращается, опорный конус сепаратор вращается заодно со	А = 1;пд = 0; п£=п	
вращаются в одном направлении.		
Деталь н опорный конус инструмента вращается в противоположных направлениях.	VM ".'“J	
В зависиммости от заданных исходных параметров произво-
дительность накатывания цилиндрических и плоских линейчатых
поверхностей определяется по нескольким различным формулам
2.13-2.24. Для этих поверхностей определяемая по площади
обработанной за одну минуту, производительность nt (мм2/мин)
расчитывается по формулам:

для отверстия

п. - 4s«n«.;

(2.14)

для плоской поверхности

ni “ ”<У.П=

(2.15)

Производительность, выражаемая в мм/мин, для вала, отвер-

стия и плоской поверхности,

вращения шпинделя станка на осевую подачу за оборот того же
шпинделя:

«,’ПД

(2.16)

Если заданы диаметр d, и количество рабочих элементов в
инструменте, осевая подача Sz на .один рабочий элемент, а также
угловая скорость рабочего элемента или скорость V накатывания,
то производительность Пр

при накатывании отверстия и вала

П)== 103vS^Z;	(2.17)

при накатывании плоской поверхности

n^S^n,

При тех же заданных парамеп

1O\SZ

n, = S1Znli1 = -

(2.19)

Пг = 8/"Л = -

(2.20)

„ с • ^vSZ
n2 = S/nlh = —

(2.21)

Если на инструменте ролики наклонены на угол ф и задана
скорость накатывания V, производительность П(:

для отверстия


для вала

П, = кЛтИДО;

(2.22)

П, = 103vnd4tJ<p1

(2.23)

и производительность Пг при накатывании отверстия или вала
n^ltfvl^.	(2.24)

В общем случае производительность процесса накатывания
с поступательным движением инструмента независимо от ее
размерности (мм2/мин или мм/мин) прямо пропорциональна
окружной скорости накатывания, количеству рабочих элементов
в инструменте и осевой подаче на один элемент.

При постоянных значениях скорости пш (об/мин) шпинделя
и осевой (продольной) подачи SD (мм/об) на оборот шпинделя
производительность больше при обработке цилиндрической по-
верхности большего диаметра, а плоской поверхности при
использовании инструмента большего диаметра (см. формулы

2.13-2.15).

Если производительность определяется по площади обрабо-
танной поверхности (мм2/мив), то при обкатывании валов и
раскатывании отверстий при постоянных значениях параметров
V.Zh S,OHa одинаковая независимо от диаметра обрабатываемой
поверхности и диаметра рабочих элементов инструмента (см.
формулу 2.17).

В случае определения через длину обработки, при постоянных
значениях тех же параметров (V, к, S,) производительность Пг
(мм/мнн) обкатывания вала и раскатывания отверстий при
равенстве их диаметров также одинаковая (формулы 2.19 и 2.20).

:тров отверстий

При том же условии и неравеист

(валов) производительнее накатывание поверхности меньшего
диаметра (формулы 2.19 и 2.20).

При накатывании плоской линейчатой поверхности и посто-
янных значениях параметров V, Z, Sx, производительность П,
(мм2/мин) одинаковая независимо от рабочего диаметра инстру-
мента и диаметра его рабочих элементов (формула 2.18), а
производительность П2 (мм/мин) зависит от рабочего диаметра
d3 инструмента. В этом случае производительнее процесс обра-
ботки инструментом, имеющим меньший рабочий диаметр d3
(формула 2.21).

На производительность процесса накатывания существенное
влияние оказывает конструктивное исполнение инструмента и
его геометрические параметры.

Блоее производительным является инструмент, у которого
большее количество роликов (шаров), так как для такого
иструмента возможно увеличение осевой подачи Sra на оборот


Если на инструменте ролики наклонены под углом <р, а осевая
подача 5Ш согласуется с величиной самоподачи, получаемой в

роликов более производителен тот инструмент, у которого
больший угол ф (формулы 2.22-2.24).

Более производителен также инструмент, у которого приме-
няются ролики (шары) большего диаметра, т.к. для него
принимается большая окружная сторона накатывания.

Производительность шарикового инструмента при постоянном
значении угловой скорости пш шпинделя станка зависит от
величины углов ₽ и р0. Более производительными являются
инструменты с большим углами ₽ и инструменты с меньшим
углом ₽ .

Из формул 2.13-2.24 видно, что кинематические схемы на
производительность не влияют. При постоянном значении

кружной

формирования и прочих равных условиях
от количества ведущих звеньев и других

признаков, по которым они разделяются на отдельные варианты

инструменты (шары, ролики) при обработке по любой схеме
находятся в одинаковых условиях и за равные промежутки
времени выполняют одну и ту же работу.

Схемы образования микропрофиля поверхности отличаются
между собой величиной подачи на один деформирующий элемент.

Н-высота микронеровностей нового рельефа.

S - подача, обеспечивающая требуемую Н.

При обкатывании роликами с закругленной деформирующей
частью и для бочкообразных роликов:

(2.25)

R - радиус закругленного ролика,
а - угол наклона ролика.

S = 2^RH

приааагсак(1 -Н).

Для роликов с конической деформирующей частью
S = Н (etg а + etg у).

а - передний угол,

у- задний угол.

При обкатывании сферическими роликами (шариками)
н- s

H’8R

S„„ = 2.82 VHR.

При упрочняющем обкатывании в соответствии с расчетами
И.В.Кудрявцева, обеспечение достаточной глубины пластически
деформированного слоя ми.

а-1Лй;

глубина канавки (в мм) h =	d - диаметр отпечатки (лунки)

D - диаметр вдавливаемой

Эу - энергия,
г — радиус отпечатка,
к - коэффициент, зависящий от наклепа.

Давление на ролих (шарик) определяется по формуле
ЦНИИТМАШ в зависимости от заданной глубины наклепа:

В табл. 3.8 даны способы обкатки галтелей большего радиуса,
получившие применение в тяжелом машиностроении.

Таблица 3.8

Способы обкатывания галтелей большего радиуса

Способ обс.тммххя	I Радиус галтели R. мм	Примеры оримапш
Обкатывание роликом с по- дачей по дуге образующей	Более 50	
		устройства' экскаваторов
Обкатывание роликом с подачей по хорде	Более 23 ©j-Dp	Валы конусных дробилок (R=225 мм)
	Более 4 (D*-D^	
подачей по оси вала		
Применительно к условиям обкатывания цилиндров:  D=2R, h=02R  тогда сила  JM.2HBR1.  Сила (^направленная под углом 45’ при обкатывании галтелей  Q = PV2 = 1.4P  Q=1,7HBR2  Величина подачи при обкатывании определяется по формуле:  S_ = s—• 4, “ 2it Д		
где S-подача мм/об,

иатриваемому

d- диаметр ролика.

При контактных погрешностях q-2000-2250 МПа достигают
RQ=0,32-0,04.

Чрезмерно большая сила ухудшает качетсво поверхности, при
меньших можно достичь качества большим числом проходов.

При обработке многороликовым инструментом усилие обкатки
регулируется величиной натяга i.

С увеличением i от 10 до 40 мкм шероховатость поверхности
уменьшается с 5 до 0,2 мкм, т.е. в 25 раз.

Шероховатость поверхности после 2-3 проходов улучшается,
затем - с увеличением свыше 8... 10 числа проходов наступает
перенапряжение поверхностного слоя - шелушение, ухудшение
шероховатости.

Скорость обкатывания не оказывает заметного влияния на
шероховатость и ограничивается нагревом изделия.

vmw “ 200-300 • 0,077 м/с

Таблица 3.9

Сила и размеры роликов для обкатывания0

		Римеры ролпо*. мм			
		уврояаюопего		актового	
		лшктр	рвдаус	денег?	рмяус орофк.»
40-69	6-7	110	9-15	ПО	50
70-89	8-9	110	9-15	110	50
90-129	10-12	по	9-15	по	50
130-159	14-22	по	9-19	110-150	50
160-194	16-24	110-150	9-19	110-150	50
195-239	22-26	130-150	12-19	130-150	50
240-285	24-28	130-150	12-19	130-150	50

В табл. 3.9 даны рекомендации для выбора рабочего усилия
и размеров упрочняющих и чистовых роликов при обкатывании
деталей железнодорожного подвижного состава.

В таблице 3.10 приведены данные, показывающие, что при
обкатывании галтелей малого радиуса сопротивление усталости
валов из среднеуглеродистых сталей повышается на 30-86%.
и цилиндрическая часть на 150-170 мм выше запрессовки,
обкатывание производят однороликовым приспособлением в
иаправлени уменьшения конуса.

Величину давления выбирают в зависимости от диаметра
штока, например, шток диаметром 180 мм (для молота весом
падающих частей 3 т) упрочняют по следующему режиму:

давление обкатывания Н,

профильный радиус ролика, мм

1100

80
число оборотов в мин,
подача, мм/об

142

Накатывание ведется при смазке машинным маслом. По мерс
обкатывания конического хвостовика давление поддерживается

та. Вблизи окончания зоны обкатывания давление плавно
снижается, а приспособление отводится. При такой технологии

Уменьшение диаметра штока составляет 0,02-0,03 мм, чистота
поверхности К, 63+3,2 мкм глубина наклепанного слоя 4,5-5 мм.
Надежность упрочненных штоков увеличилась более чем в два
раза. На заводе упрочняют крупногабаритные колонны, стяжные
шпильки и другие ответственные детали, благодаря чему увели-
чилась их прочность.

Оптимальная величина силы обкатывания выбирается в
зависимости от диаметра обкатываемых деталей и предела
текучести материала (см. табл. 3.11).

Таблица 3.11

мп.	10»	1 *»	1	1	1 т 1 ’» 1 *“			1 ™
	ош •uruaiMB. Н							
200	иго	12000	19000	300000	S	38000	60000	60000
250	9500	]5(ХХ)	моо	38000	зоооо	60000	60000	60000
320	12000	19000	30000	48000	38000	60000	60000	60000
400	15000	24000	38000	мото	«ООО	60000	60000	60000
500	19000		«ОГО	60000	60000	60000	60000	60000
630	24000	38000	бХ	мото	60000	60000	60000	60000
800	30000			60000	60000	60000	60000	60000
1000	38000	60000	Хо	«000	60000	60000	60000	60000

•елкчшю» 60000 Н.
После определения силы обкатывания выбирают радиус
профиля ролика и подачу (табл. 3.12).

Таблица 2.12

Ски сбитимкив. Н			м	40		й
Радиус профиля ролика, мм	3	4	6	8	10	12
Подача, мм/об	0.2	0,3	0.4	0.45	0.5	0.5

3.Технологическая оснастка и оборудование
Конструкции инструмента.

Накатывание какой-либо одной наружной или внутренней
поверхности (цилиндрической, конической, профильной, плоской
и др.) может быть выполнено пятью разными типоконструкци-
ями инструмента.

Конструктивное исполнение рабочено узла инструмента,
состоящего из рабочих элементов (роликов, шаров), сепаратора
и опорной детали, зависит в основном от формы применяемых
рабочих элементов

В раскатниках и обкатниках для обработки цилиндрических
поверхностей рабочими элементами могут быть шары и ролики
различной формы: цилиндрические, конические, бочкообразные и
др. Для нецилиндрическнх поверхностей вращения конструкция
рабочих элементов определяется профилем обрабатываемой по-

Для накатывания цилиндрической поверхности с осевой
подачей многороликовый инструмент по расположению роликов
относительно его центральной оси вращения может иметь два
разных конструктивных исполнения. В одном их них оси
вращения роликов располагаются вдоль оси инструмента (в одной
плоскости, проходящей через их оси), а в другом они наклонены
под углом к указанной оси. В последнем случае возможны два

Угол наклона роликов называется углом самоподачи.

С правым наклоном осей роликов принято считать такой
инструмент, у которого ролики относительно его оси установлены
в направлении воображаемых правых винтовых линий.

Противоположное направление роликов является левосторон-

Напрааленис наклона роликов зависит от направления их
собственного вращения на кинематической схеме. На раскатниках
оно совпадает с направлением вращения роликов, а на обкатни-
ках - противоположно направленное. Это значит, что если на
схеме направление вращения роликов левое, то направление их
нвклона должно быть на обкатиике положительным, а на
раскатнике - отрицательным.

Инструмент, у которого ролики расположены вдоль оси,
может работать только с принудительным его осевым перемещени-
ем. При этом осевая подача на оборот шпинделя станка может
иметь любое значение.

Наиболее технологичные конструкции деформирующих инст-
рументов успешно применяются в машиностроении в зависимости
от вида обрабатываемых поверхностей: наружных цилиндриче-
ских, внутренних цилиндрических, конических, сферических,

плоских, торцевых и др.

Выбор конструкции деформирующего инструмента для кон-
кретных условий обработки в основном определяется: размерами
и формой обрабатываемой детали, требованиями к точности и
качеству обработки, жесткостью детали и применяемым обору-

Конструктивно деформирующий инструмент непрерывного
действия можно разделить на две группы:

1.	Инструмент бессепараторного типа.

2.	Инструмент сепараторного типа.

Инструмент бессепараторного типа конструктивно выполнен
по схеме простого обкатывания, при котором деформирующие
элементы инструмента совершают вращательное движение только

выполнен по схеме как простого, так и планетарного обкаты-
вания Планетарное обкатывание осуществляется инструментом,
деформирующие элементы которого под действием вращающейся

вокруг собственной оси и планетарное движение вокруг оси

Основным элементом ротационных инструментов непрерыв-
ного действия являются деформирующиероликиразличнойформы,
которые обычно устанавливают под некоторым углом к оси
обрабатываемой детали, при этом в зоне контакта возникает
отпечаток, форма которого зависит от конфигурации ролика,
кривизны обрабатываемой поверхности и угла установки обра-
зующей ролика к обрабатываемой детали.

Гидравлическая и пневматическая оснастка для обкатывания.

Гидравлическая и пневматическая оснастка для обкатывания

и характеру образования

поверхностей по

поверхностей относится к группе ротационного инструмента
непрерывного действия.

Она характеризуется постоянством контакта деформи-
рующих роликов и обрабатываемой поверхности. Металл под
лс<|юрмирующим роликом находится в состоянии всестороннего
сжатия и, следуя закону наименьшего сопротивления, течет из
области максимального давления в область минимального давле-
ния, т.е. область не подвергнутую действию деформирующего

Течение металла возможно в направлении подачи инструмен-
та и в обратном, т.е. в направлении обкатанной поверхности.
Образование волны металла сзади ролика является нежелатель-
ным явлением и применение специальных форм роликов (напри-

мер с каплевидным контактом)
сторону обкатанной поверхности.

Пневматические и гидравлические приспособления по своей
конструкции относятся к инструментам бессепараторного типа,
особеностью которых является то, что конструктивно он может
быть выполнен только по схеме простого обкатывания, при
котором деформирующие элементы инструмента совершают
вращательное движение только вокруг своей оси.

Особенностью конструктивного выполнения всякого простого
обкатывающего инструмента бессепараторного типа независимо
от количества роликов, является наличие вспомогательной
поверхности у рабочего ролика, посредством которого он удер-
живается в приспособлении и воспринимает основные нагрузки.

В ротационном инструменте рабочие ролики выполнены в виде

Достоинством ротационного инструмента бессепараторного
типа является простота конструкции и дешевизна, возможность
обработки большого ассортимента изделий и простота перена-

В пневматических приспособлениях нагрузка на рабочих
роликах создается за счет сжатого воздуха. В условиях массового
и серийного производства этот метод наиболее приемлем, т.к.

на предприятиях.

Наиболее существенным недостатком пневматического при-
вода является его громоздкость при необходимости создания
больших усилий вследствие постоянного давления в сети сжатого



однако для работы гидравлиш
требуется обязательное наличие

регулировка рабочего усилия, возможность быстрого нагружения
и разгружения рабочих роликов в процессе их работы, универсаль-
ность приспособлений, также возможность механизации и про-
граммирования процесса обкатывания.
В комбинированных обкатывающих устройствах объединяются

Наиболее удобны и надежны в эксплуатации обкатывающие
приспособления с несколькими роликами. Чаще для создания в
них необходимого усилия деформации- используются пневмати-
ческие и гидравлические приводы.

При обкатывании деталей с помощью гидравлических и
пневматических приспособлений достигается наиболее точный
контроль и плавное регулирование рабочих усилий.

Производственный опыт.

а)	. Конструкция пневматического приспособления для обка-
тывания плунжеров автопогрузчиков. Сварной корпус приспособ-

ления устанавливается на нижнюю часть суппорта токарного
станка. Между щеками корпуса вставляется нижний рычаг с
двумя роликами. Верхний рычаг, в котором закрепляется третий
ролик, шарнирно связан с нижним и создает усилие на роликах
посредством откидывающегося иневмоцилипдра. Для повышения
производительности при обработке плужнеров используют не-
сколько приспособлений, одновременно обрабатываемых равные
участки деталей.

6)	. Гидравлическое трехроликовое приспособление для обра-
ботки наружных цилиндрических поверхностей представляет

:шмкнутый контур гидравлической системы, в результате чего
отпадает необходимость в индивидуальной насосной станции. Это
значительно упрощает конструкцию и снижает затраты на
изготовление и эксплуатацию приспособлений. Хорошие резуль-
таты дает накатывание на 3-х роликовом приспособлении
композиционных материалов.

в)	. Чистовая обкатка сферических поверхностей достаточно
большого диаметра может успешно осуществляться применением
|нггационной самоподающей головки, особенностью которой (авт.
спид. № 185724) является простота конструкции и универсаль-
ность: параметры обрабатываемых сфер могут изменяться в

Кроме того, деформирующие ролики в корпусе головки

елмоподачу инструмента.

Работает головка следующим образом: обрабатываемую де-
гпль устанавливают на линии центров токарного станка. Ось
вилки пересекает линию центров станка под углом менее 90*.
Осн ролика параллельны друг другу и скрещиваются с осью
и|шщения вилки под углом, отличным от прямого на некоторый
угол. В начале устанавливают ось вилки так, чтобы она прошла
через центр сферы. Затем винтом поперечной подачи токарного
станка подводят деформирующие ролики к сфере для создания
натяга. При вращении обрабатываемой детали ролики обкатыва-
ют сферическую поверхность и вращаются вокруг своих осей.
На каждый ролик начинает действовать боковое усилие, вслед-
ствие чего вилка совершает поворотное движение самоподачи

вокруг продольной оси головки.

I до своего

крайнего положения, реверсируется вращение шпинделя токар-
ного станка и направление самоподачи изменяется на противо-

Хорошо себя зарекомендовали универсальные и удобные в
эксплуатации гидравлические и пневматические приспособления.
Они состоят из цилиндра с поршнем и штоком, рабочих роликов,
скобы коробчатого сечения и головки, скользящей по Т-образному
пазу направляющей.

Давление на ролик обеспечивается с помощью обычной
пуско-регулирующей аппаратуры.

В гидравлических приспособлениях создается сила обкатыва-
ния порядка 50-100000 Н, в пневматических - 1000-2000 Н.

Поверхность под упрочняющую обработку должна быть
ровной, на ней не должно быть рисок, вырывов и микротрещин.
В результате обработки высота неровностей поверхности умень-
шается, а глубина наклепа повышается по мере снижения
твердости и увеличения пластичности металла заготовки.

Пример. Успешные результаты получены при упрочнении
таких крупных деталей ках валы барабана моталки 20-валикового

прокатки. Износостойкость валков на Старо-Краматорском ма-
шиностроительном заводе увеличилась на 40%. Причиной повы-
шения износостойкости является то, что в результате обработки
и достигнутого ею наклепа в поверхностном слое ликвидирована
структурная неоднородность, появляющаяся при предварительной

обрабтки.

Режим обработки:
давление ролика, Н
подача, мм/об
частота вращения валов, мин'1
число проходов,
диаметр ролика, мм

800
0,08

230

80

Упрочняющее обкатывание подступичных и гладких частей
валов на Уральском машиностроительном заводе обеспечило
повышение твердости поверхностей на 60%.

Обкатывание выполняло»
60 м/мин с усилием 60 кН.
На Мариупольском металлургическом заводе обкатывание
роликами штоков штамповочных молотков производили с по-
мощью гидравлического приспособления при режиме:

подача роликов, мм/об

сила на ролик, Н
число проходов,
При этом срок слу

0,45

45 • 0,017

35



ri . Ротационный инструмент сепараторного типа выполнен
по схеме как простого, так и планетарного обкатывания.
Последнее осуществляется инструментом, деформирующие эле-

менты которого под;

ейся детали или оправки

совершают сложное движение: вращение вокруг содстенной оси
и планетарное движение вокруг оси детали.

Ротационный инструмент сепараторного типа состоит из
рабочего деформирующего элемента, сепаратора, опорного кону-
са, державки или корпуса. Констурктивное исполнение этих
деталей определяет разновидности инструмента.

Отличительной особенностью сепараторного инструмента яв-

обстоятельства позволяют выбирать размеры ролика исходя из
оптимального отношения его диаметра к диаметру детали.
Применение рабочих роликов малого диаметра повышает дефор-
мирующую способность инструмента. Наиболее экономически
выгодно применение многороликового сепараторного инструмен-
та. Для обработки отверстий большого диаметра в упор приме-
няется раскатывание роликом аналогично процессу расстачивания
одним резцом.

По виду нагрул

щионные

сепараторные инструменты делятся на жесткие и копирующие
или упругого действия. Давление на деформирующие элементы
в конструкциях жесткого инструмента передается жесткими,
малодсформирующимися деталями. Ротационный инструмент по
форме деформирующего элемента можно разделить на шарико-

обработки роликовым и шариковым инструментом одинаковы,
однако каждая группа имеет свои особенности, обусловленные
1сометрией деформирующего элемента.

д). Конструкция жесткого шарикового (

)го дорна,

предназначенная для чистовой обработки отверстий диаметром
<гг 40 до 300 мм. Данная конструкция шарикового инструмента,

снмоподающей. Однако при1
гвлсн и применительно к

। оси вращения шара, не является
самоподачи может быть осущес-
дающего шарикового дорна необходимо деформирующие шарики
инструмента выполнять с лыской и установить в сепараторе
таким образом, чтобы лыски составляли с осью дорна некоторый
угол не равный П/2. Благодаря такому расположению шариков
инструмента отсутствие принудительной оси вращения шара
обеспечивает его самоустановлеююсть, что полностью исключает
проскальзывание между шаром и обрабатываемой поверхностью
и обеспечивает высокое качество обрабатываемой поверхности.
Малая, по сравнению с роликом, площадь контакта с обрабаты-
ваемой поверхностью позволяет создавать высокое контактное

возможность обрабатывать с большей точностью детали типа
тонкостенных втулок, цилиндров, шатунов и т.п., а также
обеспечивает высокую эффективность процесса при обкатывании
закаленных сталей. Для обработки цилиндрических отверстий

е)	. Рациональной областью использования шарикового инст-
румента следует считать и чистовое раскатывание чугунных
цилиндров, т.к. применение роликового инструмента в этих
случаях нецелесообразно, вслсдствии малой пластичности и
повышенной склонности чугуна к переваклепу. Однако ролико-
вый инструмент, в сравнении с шариковым, за счет увеличения
подачи повышает производительность процесса в 6-10 раз, что
обусловливает его преимущественное распространение.

ж)	. По форме рабочего ролика роликовый сепараторный
инструмент можно разделить на две группы:

1.	Инструмент с подшипниковыми коническими или цилинд-
рическими рабочими роликами.

2.	Инструмент со специальными фасонными роликами.

Инструмент первой группы широко используется в практике

простота конструкции и



эксплуатации, взаимозаменяемости и дешевизне роликов, что
устраняет необходимость их переточки.

С применением специальных фасонных роликов (вторая

рню, размеры деформирующих элементов, отвечающие данным
условиям обработки, интересными по конструкционному испол-
нению являются вальцовки со специальными роликами, разрабо-
танные и успешно внедренные на Минском автомобильном
заводе. На обоих концах ролики имеют опорные цапфы одина-

Экоиомичностью, производительностью и сравнительно про-
стой кинематической схемой отличается новый процесс ротаци-
онной обработки - ротационное протягивание. Для этого
необходимо обеспечить лишь осевые перемещения инструмента.

Необходимость вращения детали в этих процессах отпадает.

Дальнейшее расширение и эффективное использование мето-

фичсских требований к деформирующему инструменту:

-	инструмент должен иметь способность к быстрой перена-
ладке с учетом возможного изменения типоразмеров обрабаты-
ваемых деталей и легко встраиваться в многооперационные
станки типа “Срабатывающий центр”;

-	по технико-экономическим показателям: производительно-
сти и себестоимости должен быть выше известных в настоящее
время типовых конструкций.

Указанным требованиям в наилучшей мере удовлетворяют
1в>вые конструкции пружинных инструментов, технологические

возможности которые
ботка деталей типа

из стали 12Х18Н10Т с наружным

диаметром 40 мм позволила получить шероховатость обработан-
ной поверхности в пределах Ra = 0,08+ 0,16 мкм достигается при
подачах инструмента S, = 0.6+1.2мм/об, что в 10-12 раз выше
соответствующих значений подач для алмазного выглаживающего

раза выше обкатного шарикового нвстру-

ииструмента и

В качестве деформируемого инструмента используется пру-
жина, изготавливаемая из стали 50ХВФА с закалкой до твердости
HRC, 49+53 с диаметром проволоки 3 мм. Витки пружины
полировались до шероховатости Ra 0,16 мкм. Использовались
также пружина из стали 65Г (HRC, 53 + 60), хромированная с
последующим полированием до шероховатости R„ 0.08+0,16 мкм.

Инструменты таких конструкций могут работать по кинема-
тическим схемам сверлильной и токарной обработки Создано
несколько вариантов конструкций пружинных инструментов для
упрочняющей обработки наружных, внутренних и плоских по-

Ролики для обкатывания и раскатывания бывают двух видов -
стержневые я кольцевые; их подразделяют на 15 типов, причем
некоторые типы имеют несколько исполнений.

цилиндрическими <тип 6), могут иметь торцовую и коническую
входную поверхность или их выполняют без заходной поверх-
ности, с хвостовиками или с цапфами с одной или с двух сторон.
Кольцевые ролики (типа 7-15) имеют посадочное отверстие, их

цилиндрической, ассиметричной с заходной поверхностью или
без нее. Поверхность кольцевых цилиндрических роликов может
иметь регулярные элементы или может быть выполнена в виде
ыступающих синусоид. Это обеспечивает на обрабатываемой
поверхности получение заданного микрорельефа.

Ролики 1-го и 2-го типов применяют для накатывания с осевой
подачей цилиндрических непрерывных поверхностей, ролики 3-го
типа поз - для обработки поверхности до упора в бурты или
галтели. Ролики 4-го и 5-го типов применяют главным образом
для обработки с радиальной подачей. Ролики 6-го типа -
цилиндрические, стержневые ролики остальных типов - кониче-
ские. Ролики некоторых типов и исполнений могут быть
использованы из стандартных роликоподшипников. Кольцевые
ролики 7-го и 9-го типов предназначены для сглаживающс-уп-
рочляющего накатывания с осевой подачей, а 12-го типа - с
радиальной подачей. Ролики 8-го и 13-го типов применяются для
упрочняюще-калибрующего накатывания соответственно с осевой
и радиальной подачами.

Коническими роликами < 10-го типа) можно накатывать
канавки и создавать регулярный микрорельеф. Для получения
полного или частичного регулярных микрорельефов предназна-

У поверхности роликов твердость должна быть HRC 63-66,
поэтому из изготовляют преимущественно из сталей ШХ15 и
ШХ15СГ.

У накатывающих роликов и заходных поверхностей роликов
R, S 0.10 мкм, у трущихся поверхностей роликов R, £ 0.40 мкм,
у посадочных нетрущихся поверхностей роликов R, £ 0,08 мкм,
у нерабочих поверхностей роликов RB 51,5 мкм.

Для повышения эффективности обкатывания предпочтительно
применение роликов с малым профильным радиусом, поскольку
заданная степень и глубина наклепа достигается при наименьших
усилиях обкатки. Если упрочняющая обкатка успешно выполня-

ется роликами с малым профильным
то чистовая обработка обеспечивает
зультаты при больших значениях пр
35-75 мм).

радиуса (К,*

При обкатывании роликами со сферическим профильным
радиусом допустимая продольная подача колеблется в пределах
до 2-2,5 мм/об. Наличие цилиндрического пояска дает возмож-
ность увеличить подачу до 6 + 9 мм/об. Ширина пояска
выбирается в пределах 2 + 6 мм, для крупных и жестких деталей
может быть увеличена до 10-15 мм. Каплевидная форма пятна

на угол <р “ О"4**' относительно обрабатываемой поверхности)
ограничивает допустимую подачу до 0,1-0,5 мм/об. Поэтому для
ротационного инструмента с малым числом роликов (Z «1 * 4)
каплевидная форма пятна контакта почти не применяется.
Для обеспечения требуемой чистоты и степени упрочнения
поверхности при минимальных усилиях диаметр ролика следует
выбирать минимальным, исходя из условия размещения подшип-

Выбор количества и диаметра роликов (таблица 3.13> инст-
румента сепараторного типа (многороликовые инструменты для
чистовой обкатки и раскатки деталей) определяется требованиями
к качеству поверхности и производительности обработки.

Таблица 3.13

Диаметры и количество роликов многороликовых
обкатников и раскатников

		
10-16	£4	
16-25		4-6
25-50	ад	6-8
5O-7S		8-10
75-100	и	10-12
100-150		1.2 .-,18
150-200		

Таблица 3.14

Типы многороликовых дифференциальных жестких
раскаток
				
1	24-44	6	20	ИЗО*
2	45-95	8	24	1*30*
3	100-250	П.5	29	изо*
В зависимости от формы обрабатываемых поверхностей и				

четыре группы:

1.	Однороликовые инструменты для обкатывания наружных
цилиндрических, плоских и торцевых поверхностей.

зультате одностороннего приложения нагрузки способствуют
прогибу изделия и создают неблагоприятные условия для работы

Инструменты и приспособления с двумя, тремя и большим
количеством деформирующих роликов создают радиально урав-
новешенную систему сил, действующих на изделие и исключают
тем самым возможность его изгиба.

Системы обкатывания одним, двумя и тремя роликами

инструментах и приспособлениях.





В условиях единичного и мелкосерийного производства нашли

применение инструменты с

Конструкция однороликового обкатывания без материальной
оси деформирующего ролика позволяет применять ролики раз-
личных диаметров, что достигается сменой сепаратора и ролика.
Конструкция однороликовой обкатки может выполняться и с

|ками. Необходимые усилия деформирования
м упругого элемента, например, тарирован-

создаются

кого диаметра камертонного типа. Усилия отсчитываются по
прибору индикаторного типа.

боткн деталей с диаметром более 30 мм в условиях единичного
и мелкосерийного производства. В условиях серийного, крупно-
серийного и массового производства целесообразно применять
многороликовые дифференциальные обкатные головки.

2.	Двухроликовые приспособления для обкатывания наружных
цилиндрических поверхностей.
При обкатывании длинных валов, а во многих случаях и
обычных заготовок, рационально применять многороликовые
приспособления охватывающего типа. Их конструкция сложнее
однороликовых, но они более удобны и надежны.

При создании больших сил обкатывания слабым звеном
обкатных устройств являются места крепления (опоры) роликов.
Применение двухопорных и консольных роликов специальной
конструкции повышает надежность устройств.

В двухроликовом приспособлении роликовую головку, непос-
редственно связанную со штоком гидроцилиндра, размещают
сзади суппорта. Державку с передним роликом крепят непосред-
ственно в резцедержателе. Силу контролируют по манометру, а
рабочий размер регулируют винтом.

Недостаток двухроликовых приспособлений - возникновение
изгибающих моментов при несоосной установке роликов и
обрабатываемой детали, в результате чего под действием неу-

нарушает жесткость системы СПИД и резко ухудшает условия
протекания процесса обработки. Поэтому более целесообразно
использовать многороликовые приспособления.

Рабочее усилие при обкатывании валов ограничено не только
возможностями станка, но также и жесткостью детали. По мере
увеличения длины вала возрастает опасность недопустимого
прогиба его под действием радиальной силы. До некоторой
степени можно избежать прогибов постановкой люнетов. Но
люнеты сокращают технологические возможности обработки,
увеличивают вспомогательное время. Более рациональным для

Характерным примером обработки валов малой жесткости
является обкатка шеек трансмиссионных валов рольгантов про-

Приспособление для обкатывания трансмиссионных валов
имеет разъемную обойму с роликами, расположенную в вилке,
которая устанавливается в резцедержателе станка.

Вилка жестко крепит обойму в направлении оси вала и
предоставляет ей свободу установки в радиальной плоскости.
Благодаря этому при биении вала обойма плавает в вилке, не
предавая поперечную нагрузку на суппорт станка. Необходимое

пружину.


Обкатывание повышает производительность чистовой обра-
ботки валов на токарных станках в 2-4 раза в зависимости от

Обкатывание на карусельных станках в принципе не отлича-
ется от обработки валов на токарных станках. Однако на
карусельных станках не удается использовать большие рабочие
усилия. Наиболее крупные карусельные станки позволяют при-
менить усилия обкатывания не более 20-30 кН. В связи с этим
на карусельных станках используются ролики с относительно

4. Многороликовые инструменты для чистового обкатывания

Многороликовые импульсные обкатные головки не нашли
столь широкого применения, как многороликовые головки непре-

рывного ,

более сложны, чем обкатные головки непрерывного действия, и

Кинематика обработки инструментами непрерывного действия.

Обработка

рывного действия может

производиться по различным схемам, отличающимся положением
детали в процессе деформирования, выбором ведущих звеньев и
их количеством.

Производительность обработки простым и дифференциаль-

ным дефор»

тру»

определяется угловой

скоростью обкатывания (раскатывания), а для инструментов,
работающих с осевой подачей - величиной осевой подачи в минуту.

Угловая скорость обкатывания (раскатывания) представляет
алгебраическую разность угловых скоростей вращения изделия и
центра деформирующего элемента

(2.26)

мирующего элемента относительно оси инструмента.

Окружная скорость обкатывания (раскатывания) находится
по формуле

1000'

(2.27)

где d3 - обрабатываемый диаметр для цилиндрических поверх-
ностей и удвоенное расстояние от оси вращения

инструмента до центра дефор>



Минутная подача определяется из выражения
S = Ь5к, „/„
“ 1000

(2.28)

W S - подача на один деформирующий элемент, мм/рол (шар);
Z - число деформирующих элементов в инструменте.

Для инструмента, имеющих самоподачу, угол самоподачи
определяется по формуле

(2.29)

Подача на оборот шпинделя станка выражается:

(2.30)

где п - частота вращения шпинделя, мин1.

Простыми деформирующими инструментами производил
/Юриботку по трем схемам:

I)	вращается изделие, инструмент от вращения закреплен;

2)	вращается инструмент, изделие от вращения закреплено;

Скорости обкатывания (раскатывания) при этом будут
следующими:

Дифференциальные деформирующие инструменты позволяют
обрабатывать изделия по девяти схемам:

I	- ведущее звено - нажимной конус, сепаратор от вращения
закреплен, изделие - ведомое;

111	- ведущее звено - сепаратор, нажимной конус от вращения
закреплен, изделие - ведомое;

Ш - ведущие звенья - нажимной конус и сепаратор, изделие -
ведомое;

IV	- ведущее звено - изделие, сепаратор от вращения
закреплен, нажимной конус - ведомый;

V	- ведущее звено - изделие, нажимной конус от вращения
закреплен,-сепаратор - ведомый;

V!	- ведущее звено - нажимной конус, изделие от вращения
скреплено, сепаратор - ведомый;

VU	- ведущие звенья - нажимной конус и изделие, сепара-
тор - ведомый;

VDI	- ведущее звено - сепаратор, изделие от вращения
закреплено, нажимной конус - ведомый;
IX - ведущие звенья - изделие и сепаратор, нажимной конус -
ведомый.

Необходимые для расчета скорости обкатывания (раскатыва-

таблице 3.16, где коэффициенты

рости обкатывавния (раскатывания) рассматриваемой схемы к
максимальной величине, обеспечиваемой наиболее эффективной

К).

Машинное время при обработке по
может быть рассчитано по формуле

где к - число проходов;

1 - длина обработки, мм.

За счет рационального выбора схемы обработки при одном и
том же числе оборотов ведущего звена скорость обкатывания
(раскатывания) может быть увеличена в 2-10 раз.

Положение изделия в процессе обработки существенно влияет
на точность размеров деталей, стабильность шероховатости
поверхности и удобство автоматизации.

направлении только до захвата деформирующими роликами,
которые приводят деталь во вращение и сообщают за счет угла

самоподачи <р осевую подачу.

Группа II (схемы обработки IV. V, VII, IX) - изделие ведущее,
приводится во вращение от шпинделя станка, осевая подача
сообщается инструменту и может быть принудительной или за

Группа III (схемы обработки VI, VIII) - изделие не вращается,
ведущее звено - нажимной конус или сепаратор, подача
принудительная или за счет угла самоподачи.

Применение схем группы I целесообразно при обкатывании и
раскатывании деталей типа гладких и ступенчатых валов, а также
сквозных и глухих отверстий в небольших деталях. К подобным
изделиям относятся штоки гидро- и пневмоцилиндров, клапаны

а требуемое оборудование отлича-

чается необходимость в приводе подач, механизме зажима
изделия, а при сквозной обработке напроход - в механизме съема
деталей.
На основе схем группы I НИИтракторосельхозмашем разра-
Hirtaiia гамма высокопроизводительного оборудования для обка-
тывания деталей.

Схемы обработки группы II целесообразно применять для
нАклтывиния деталей значительной длины, когда имеется воз-
можность их установки в центрах станка, и раскатывания деталей
тиол цилиндров.

Схемы обработки группы 111 позволяют производить обкаты-

1М1ЩС11ИС которых с

иадолий, базирование которых в центрах и в патроне невозможно
или неудобно. Это рычаги, эксцентрики, блоки цилиндров.
Шатуны и другие изделия сложной формы.

Таблица 3.16

Угловые скорости обкатывания (раскатывания)
поверхностей

		——	—	
1	Ц	1Д	
11		W	
ш			Dj + 2D2
IV	%		1/2
v	-">р^	D)-2D, 4(D, -D2)	1 Di  4Dl + D2
VI	’“'оД		
VII		°.-2рг  2(», -Л>	
инструментами по схемам VI и УШ.

Деформирующие инструменты с радиальной подачей могут
производить обработку по тем же схемам, что и инструменты с
осевой подачей. Скорости обкатывания (раскатывания) рассчи-
тываются по тем же формулам, что и для инструментов

8(S, + N)Z n,.

(2.31)

где 8 - радиальное перемещение деформирующего элемента до
создания требуемой нагрузки, мм;

S, - радиальная подача деформирующего элемента на деталь,

N - количество циклов деформации каждой точки поверх-

Эффективность процесса раскатывания определяется конст-
рукцией деформирующего инструмента. Выбор типа инструмента
зависит от конструкции и материала изделия, диаметра отверстия
и масштаба производства.

Детали с отверстиями с диаметром от 15 до 250 мм в серийном

ференциальными раскатками. Для деталей с отверстием диамет-
ром более 250 мм в серийном и массовом производстве применяют
раскатки с роликами, имеющими материальную ось вращения.

Детали с отверстиями диаметром до 200 мм в единичном и
мелкосерийном производстве обрабатывают одно-двухроликовыми

выми раскатками с материальной осью вращения роликов. Для
маложестких деталей от 30 до 300 мм нашли ограниченное

и двухшариковые

применение в еда

раскатки, а в серийном производстве - многошариковые раскат-
Раскатка непрерывного действия.

И)М1цсния: с механическим, гидравлическим и пневматическим
не кт шумами нагружения.

I In Уральском автозаводе для обработки отверстия тормозного
Пйрпбииа из чугуна СЧ15 используют однороликовую раскатку,
установленную на одной из позиций восьмишпиндельного полу-
автомата мод... 1284В.

11н державнике по двум направляющим перемещается корпус,
в котором на подшипниках установлен вал с деформирующим
|юликом. Сила деформирования (Р-700-900 Н) создается за счет
трех пружин, находящихся между корпусом и державкой.

Рксклтка позволяет обрабатывать п<

II..IK мм, длиной 125 мм. При исхс

420 +

Rx = 40

Г/>жимы обработки: п = 86 мин-1, подача S = 0,18 мм/об.

Шариковая жесткая раскатка конструкции физико-техниче-
iNoni института АН Белоруссии характерна тем, что в процессе
обработки рабочий диаметр инструмента, без учета контактных

Поэтому при отклонениях размеров обрабатываемого изделия
усилия деформирования, а следовательно, шероховатость и
упрочнение поверхности переменны. Такие инструменты, разра-
ботанные для отверстий диаметром от 40 до 300 мм, рекомен-

Н раскатниках непрерывного действия типа I деформирующие
ролики расположены равномерно по окружности в сепараторе.
(Жорой роликов является конус, установленный на оправке.
Осевое смещение сепаратора ограничено, с одной стороны, буртом
Ы1|швки, а с другой - конструктивными элементами, предназна-

возврат сепаратора с роликами в исходное положение после
вывода раскатки из обрабатываемой детали осуществляется
нружной. Для уменьшения трения сепаратора об оправку и
исключения возможности задиров в сепараторе установлена
втулки. Основные усилия при обработке воспринимаются под-
шипником. От выпадения ролики предохраняют крышкой. Сма-
шчпо-охлаждающая жидкость подается через отверстия,
имеющиеся в оправке и гайке, которая кроме того, предназначена

। крепления опорного конуса.
Перед обработкой раскатник

<ой гайкой настра-

ивисгся на определенный размер и сепаратор с роликами
пружиной отводится до упора в крайнее, правое положение. Затем
1НЛГДИЮ или инструменту сообщают вращение и раскатник
вводят в обрабатываемое отверстие. Осевая подача инструмента
или изделия происходит за счет самоподачи или принудительного
перемещения.

После обработки при i

та или изделия ролика.

сжимая пружину, смещают на меньший диаметр опорного конуса,
и инструмента свободно выходит из обработанного отверстия.

Раскатники типа П, предназначенные для обработки отвер-
стий диамером от 45 до 95 мм, отличаются от предыдущей

для автоматической

конструкции расположени
установки сепаратора в исх

вается на регулировочной гайке и одним концом упирается в
бурт гайки, а другим - в дно станка, закрепленного винтами на
сепараторе.

Такая конструкция позволяет более точно производить на-
стройку пружины возврата и исключает влияние на нее регули-
рования размера инструмента.

Раскатники типа Ш, применяемые для обработки отверстий
диаметром 100-150 мм, имеют измененную по сравнению с
раскатникамн типа П конструкцию крепления опорного конуса.

Диапазон регулирования раскатнихов каждого типоразмера
лежит в пределах 0,5± 0,2 мм от нормального диаметра и может
быть увеличен до 2 мм за счет установки нового нажимного
конуса без замены других элементов раскатки.

В раскатниках применены конусные ролики с I = 3dp.
централизованно изготавливаемые на подшипниковых заводах/

емое прочностью лепестков сепаратора, ролики равномерно
расположены по окружности. Угол наклона образующей ролика
а0 = 0'4ff, во может быть изменен перешлифовкой нажимного
конуса от 0’10' до ГЗО'.

Конусность (половина угла конуса Ц) нажимного конуса

самоподачу, обеспечивающую получение шероховатости поверх-
ности ^=0.8 мкм. Подача станка при настройке может быть
найдена из соотношения

Если требуемая шероховатость обработки ниже R;=0,8, то
эффициент принудительной подачи может быть соответственно
Таблица 3.17

	
	рабочего оргжжд стами
_ 10 0 мкм	1.15  1.30  1.50  1,60

Для обработки

до 50-70 мм рекомендуется

прнменять раскатки с радиальной подачей роликов. Деформи-
рующие ролики, расположенные по окружности в сепараторе,
опираются на конус. Радиальное перемещение роликов обеспе-
чивается оправкой. Для проведения обработки раскатка вводится
в отверстие детали, сепаратор доводится до упора, чего осевым
перемещением опорного конуса создается необходимая нагрузка

посредством та

Опорный конус

имеет возможность самоустановки относительно обрабатываемой
детали благодаря двум рядам шаров, расположенных в двух
взаимно перпендикулярных пазах. Сепаратор самоустановлива-
егся относительно обрабатываемого изделия благодаря примене-
нии) колец, опорные поверхности которых выполнены сфернче-

Деталь в процессе обработки закреплена; вращение сообщает-
ся опорному конусу, который передает движение деформирующим
|и>лнкам. Мяогороликовыс дифференциальные раскатки с ради-
альной подачей работают по тем же кинематическим схемам, что
и инструменты с осевой подачей. Такие инструменты целесооб-

подшипники.

II). Универсальное оборудования. В большинстве случаев для
обкнтываиия используют универсальные металлорежущие станки,
ня которых иногда возможно совмещать подготовительную обра-
ботку резанием и обкатывание. Наибольшее применение для
обкатывания наружных и внутренних цилиндрических, торцовых,
<<|к'ричссккх и конусных поверхностей получили станки токарной
группы: токарно-винторезные, револьверные, карусельные, токар-
ные автоматы. Затем идут вертикально-сверлильные, фрезерные,
расточные и строгальные станки. Используют агрегатные станки
и станки некоторых других типов. Во многих случаях универ-
сальные станки модернизируют, увеличивая силы нагружения,
шпащая их механизмами быстрого подвода и отвода инструмен-
тов. ориентирования, а также оснащения зажимными и другими
ус цюйствами.
б)	. Специальное оборудование. Станки для чистовой и
упрочняющей обработки ППД наружных поверхностей

В массовом, крупносерийном, а в ряде случаев в серийном
производстве изделий внедрение прогрессивных методов обработ-
ки ППД эффективно лишь при наличии специального станочного
оборудования.

Наибольшее распространение получили станки с бесцентро-
выми обкатными головками, имеющими деформирующие элемен-
ты в виде роликов с материальными осями вращения или без
них (таблица 3.18).

Для наружных цилиндрических поверхностей фирмой “Hegen-

Scheldt” (Герь

ряд моделей станков,

используется трехроликовая схема бесцентровой обработки ро-
ликами, имеющими материальные оси вращения. Деформи-
рующим, как правило, является один ролик, который получает
вращение от электродвигателя через карданную передачу, два
других ролика устанавливают в общей обойме, которые служат
для опоры и самоподачи изделия и передачи усилий от
гидравлического цилиндра на приводной ролик.

В РФ нашли широкое применение станки конструкции
НИИтракторосельхозмаша, в основу которых положены диффе-
ренциальные многороликовые устройства с роликами, не
имеющими материальных осей вращения, с заторможенным или
свободно вращающимся сепаратором.

НИИтракторосельхозмашем создан ряд станков для обработки
наружных цилиндрических деталей с использованием жестких
обкатных головок (таблица 3.19). Исследованиями состояния
поверхности после ППД и создаваемых остаточных напряжений
установлено, что наиболее высокий эффект обработки достигается

при работе с постоянными

усилиями

деформирования и заданном количестве циклов нагружения. Эти
условия становятся обязательными при обработке материалов,
весьма чувствительных к перенаклепу (чугун, алюминий и его
сплавы), а также при обработке изделий, в которых создаваемые
остаточные напряжения могут существенно влиять на изменения

геометрической формы и размеров изделия.

Жесткие деформирующие устройства, не обеспечивающие
постоянство усилий деформирования, получили промышленное
распространение вследствие их конструктивной простоты и
подлежат в большинстве случаев замене инструментами с
регулируемым усилием деформирования. Следует считать весьма
эффективным применение деформирующих устройств с програм-
мным регулированием усилий деформирования и количеством
циклов нагружения, в особенности при обработке изделия с сож
и переменной жесткостью в направления приложения усилий
деформирования.
Технические характеристики
бесцентровых обкатных станков

				Бесцентровые о«ипшс стами М образки							
	в проход		в упое		а магрвх			
	74М	7447	74Н	740)	71IJ	7*21	74U	7MJ
Диаметр обрабатываемого изделия, мм	10-100	2-60	6-20	6-15	5-50	5-250	5-250	50-300
Длина обрабатываемого изделие, нм	300'	2000'	60-S00	70-150	300	2450	1200	2600
Высота центров, мм					225	300	300	450
Расстояние между центрами, мм					350	2500	1350	2700
Скорость подачи, мм/мвн	2200 ’	3STO	3500	3000	30^	30-660	2'Д%">	25-530
Скорость обкатывания, н/мии	«7	59 тп	lit	S5				
Л^Хоига^Хм’и'^		3	4	з	3.2	м		19
Габаритные размеры, мм	xSOOk	S	МА2Ь		Ж		ИН-	7400*’

Технические характеристики станков для обработки напроход

	Бсакятроамс обытпк стяига дм обработки						
	ипрскод			• уоор			
	•ос-20	•ос-25	ос-44	4400	4«Т2	4402	440
Диаметр обрабаты- ваемого изделия, мм	и	25	60	15-40	8-15	8-15	8-15
Длина обрзбзты-	260/410	380	580	200-500	70-300	90-160	150-399
изделия диаметром 10	1000	1000	1200	4SOO	4500	4500	4500
Скорость обкатывания.				125	160	160	160
Мощность, потребляв-	3,2	3.2	2,2	5,5	3,0	м	3,0
Габаритные раачеры.	1800x1200х	1800х1200х	850хД200х	2000х500х	2000x500*	1800х800х	1800х800х
Масса, кг	900	900	500	1300	1200	1100	1110
НИИтракторосельхозмашем была разработана и использована
в ряде станков схема обработки ППД наружных поверхностей с
постоянными усилиями деформирования. На базе бесцентровой
схемы обкатывания с заторможенным сепаратором инструментом
были разработаны две конструкции головок для обработки

напроход и в упор и соз;

tecxue и полуавтомата-

веские станки мод. 4492 и 4489 для обработки штоков гидроци-
линдров, техническую характеристику которых см. в табли-

В НИИтракторосельхозмаше созданы и внедрены на заводах
отрасли бесцентровые обкатные станки мод. 4483 для обкаты-
вания стержней и мод. 4482 для одновременного обкатывания
стержней и галтелей клапанов автотракторных двигателей.

Значительный интерес представляют специальные станки, в
которых совмещены операции резания и ППД, делающие
значительный экономический эффект и улучшающие условия
обработки по сравнению с раздельным осуществлением этих
операций.

Английская фирма “Farmer Norton" выпускает автоматиче-
ские станки, одновременно производящие обточку и обкатыва-

В результате обработки достигается точность в пределах 7-9
квалитета, шероховатость поверхности - R^^-0,7 мкм. Произ-
водительность станка характеризуется осевой подачей и состав-

Ставки этой фирмы предназначены в основном для изготов-
ления высокоточных прутков, используемых в качестве заготовок,
в процессе обработки пруток не вращается. Резцовая головка с
жестко установленными в ней деформирующими роликами
получает вращение от отдельного электродвигателя через кли-
ноременную передачу. В резцовой головке установлены резец
тангенциального резания и три ролика с материальной осью
вращения диаметрами 30-40 мм. Деформирующие ролики выпол -

аботки ППД, для повы-

получили ставки для ул

шения усталостной прочности и износостойкости деталей.

НИИтракторосельхозмашем создан специальный станок мод.
4485 для обкатывания конуса тарелок клапанов автотракторных
двигателей. Обкатная головка станка выполнена по бесцентровой

<ся сепаратором при неподвижной

схеме со св

Станки оснащают роликовыми головками различных конст-
рукций в зависимости от обрабатывемой детали. Усилия дефор-
мирования создаются посредством гидроцилиндров. Станки имеют
гидравлическую подачу, регулируемую бесступенчато в широких
ним. Достоинством станков является возможность изменения
режимов обкатывания, что позволяет производить на одной

предъявляемых требований.

Поверхностный наклеп галтелей позволяет повысить сопро-
тивление усталости коленчатых валов тракторных двигателей в
1,5-1,8 раза. Введение операции упрочнения галтелей обеспечи-
впет возможность повышения нагруженности коленчатого вала

галтелей коленчатых валов может осуществляться различными
способами: дробеструйной обработкой, чеканкой и обкатыванием
|хм1иками или шариками. Для крупногабаритных коленчатых
валов весьма эффективен метод упрочнения галтелей вибри-
рующим роликом. При такой обработке к деформирующему
ролику, помимо статической нагрузки, осуществляемой сжатой
пружиной при помощи пневматического молотка или эксцентри-
кового устройства, прикладывается дополнительная ударная на-

Наиболее производительным методом упрочнения галтелей
коленчатых валов является их обкатывание роликами. Для
коленчатых валов автомобильных и тракторных двигателей
рекомендуется применять роликовые упрочняющие устройства с
роликами, не имеющими материальной оси вращения. Такие
головки компактны и удобны для применения в условиях, когда
шейки вала имеют относительно небольшую длину - 35-100 мм.

Лучшими зарубежными станками для упрочнения галтелей
коленчатых валов автотракторных двигателей являются станки
фирмы “Hegenscheidt". Станок оснащен обкатными головками.

в)	. Станки для обработки ППД отверстий. На Брянском
автомобильном заводе создан специальный станок мод. ОС-1 для
бесцентрового раскатывания отверстия диаметром 72 мм брон-
зовых втулок длиной 50 и 64 мм.

На станке могут обрабатываться втулки диаметром от 60 до
120 мм и длиной до 250 мм.

Фирмой “Hegenscheidt” выпускается несколько станков для
раскатывания отверстий. Раскатной станок - автомат мод. 7913
предназначается для одновременной обработки двух соосных
отверстий под подшипники в ступице колеса легкового автомо-

Рас кат ной двухшпиндельный полуавтомат мод. 7915 создан
для обработки внутренней поверхности тормозного цилиндра из
серого чугуна, предварительно обработанного с точностью
0,03 мм, и шероховатостью поверхности R* = 10 мкм.

Для обработки труб гидрав

туры диаметром

от 30 до 150 мм и длиной от 300 до 2500 мм этой же фирмой
создан станок мод. 7921.
Типовые конструкции инструмента для чистовой обработки

Накатывание (раскатывание и обкатывание) поверхностей
возможно различным по конструктивному исполнению многоро-
ликовым и многошариковым инструментом.

Типовые конструкции деформирующего инструмента рекомен-
дуются для чистового накатывания в серийном и массовом
производстве наружных н внутренних цилиндрических, кониче-
ских, профильных и плоских торцовых поверхностей тел
вращения на деталях, изготавливаемых из стали, чугуна, цветных
металлов и сплавов. Обработка этим инструментом может
выполняться на вертикально и радиально-сверлильных станках,
токарно-винторезных, токарно-расточных, токарно-револьверных,
токарно-карусельных, одно- и многошпиндельных полуавтоматах

Указанным инструментом возможно накатывание по кинема-
тическим схемам с одним ведущим звеном, с двумя ведущими

Данный инструмент является специальным и изготавливается
для определенного номинального размера обрабатываемой повер-

1)	Инструмент для раскатывания цилиндрических отвер-

Применяются типовые конструкции многороликовых жестких
регулируемых раскатников, предназначенных для обработки
отверстий с осевой подачей и прямым рабочим ходом.

для отверстий диаметром от 8 до

предаа

25 мм и глубиной до 200 мм. Есть раскатники для глухого и
сквозного отверстий диаметром от 25 мм.

В этих раскатниках применяются стандартные стержневые

конические ролики.

В раскатниках для отверстий диаметром от 8 до 15 мм
применяются ролики диаметром 3-4 мм. Такими раскатниками
возможна обработка сквозного отверстия, а также глухого, у
основания которого допускается небольшой участок нераскатан-
ной поверхности, или отверстия, имеющего канавку шириной 3-4
мм для выхода роликов.

Раскатниками возможна обработка как глухого, так и сквоз-

нее применять ролики с цапфами, т.к. инструмент с такими
роликами имеет более высокие технико-экономические характе-
ристики.

Предел регулирования раскатников зависит от их номиналь-
ного рабочего диаметра. Для диаметров от 8 до 15 мм он равен


0,2 мм; от 15 до 150 мм - 0,4-0,5 мм; от 150 до 250 мм - 0,5-0,7

В раскатниках ролики в сепараторе по отношению к оси
вращения (к оси оправки 1) могут иметь разное расположение:
прямое (вдоль оси сепаратора) и наклонное к ней под углом
самоподачи.

Перед раскатыванием раскатники настраиваются на рабочий
диаметральный размер, который должен быть больше исходного
диаметра обрабатываемого отверстия на величину натяга.

Дефе

чи осущес-

твляется только при их одностороннем прямом рабочем ходе.
При обратном ходе раскатники выводятся из отверстия без
нагрузки роликов на поверхность.

Раскатииками может осуществляться как жесткое, так и
упругое воздействие шаров на обрабатываемую поверхность.

лируемый раскатник для радиального раскатывания отверстия по
всей длине его образующей (без осевой подачи роликов).

Данным раскатником целесообразно обрабатывать отверстия
6-8 квалитетов, имеющие небольшую глубину и диаметр до 100
мм, в частности, отверстия с прерывистыми поверхностями,
прерывающимися радиальными отверстиями, окнами, вырезами,
пазами, канавками и т.п.

В раскатнике применяются ролики тип 3. Конусность роликов
1:200, а опорной поверхности оправки - 1:100.

2)	Инструмент для обкатывания наружных цилиндрических
поверхностей.

Применяются многоролиховые жесткие регулируемые обкат-
пики для обработки с осевой подачей и прямым рабочим ходом.

Обкатником возможна обработка поверхности напроход и до
уступа. Ролики расположены в лазах сепаратора, имеющих
незамкнутый контур. Регулирование обкатника на рабочий
размер производится гайками 15. Предел регулирования 0,4 мм.

В данном обхатнике ролики могут быть расположены вдоль
оси сепараторов и наклонно под углом.

Обкатником с расположением роликов вдоль оси возможно
обкатывание детали при правом и левом вращении шпинделя
стопка, принудительно вращающего обрабатываемую деталь или
обкатиик. При наклонном расположении роликов направление их
наклона зависит от применяемой кинематической схемы накаты-
вания. Деформирование поверхности этим обкатником осущест-

। ходе. При

иляется только при его i

инструмента без нагрузки роликов на ее поверхность.
Обкатник предназначен для обработки на токарно-винторез-
ном станке незакрепляемых деталей типа гладких стержней
(бесцентровая обработка).

Принцип работы обкатниха заключается в следующем. Со-
общают принудительное вращение корпусу, а обрабатываемую

отверстие сепаратора до соприкосновения ее с



роликами. В этот момент происходит заклинивание роликов
между вращающейся вместе с корпусом опорной втулкой и
обрабатываемой деталью. В результате контактного трения
ролики под действием опорной втулки начинают вращаться
вокруг своих осей и вращать при этом обрабатываемую деталь.

Одновременно с этим ролики вследствие их наклонного
расположения относительно оси перемещают деталь в осевом

направлении. Процесс обка

одит до выхода детали

3)	Инструмент для накатывания конических поверхностей.

Применяются полноконтактные раскатники и обкатники для
обработки конических внутренних и наружных поверхостей
одновременно по всей длине.

В раскатнихах и обкатниках применяются цилиндрические и
конические ролики.

Раскатники и обкатники с цилиндрическими роликами при-
меняются для накатывания корпусов с углами до 15', а с
коническими роликами - свыше 15*.

При накатывании раскатником и обкатником ролики упруго

раскатнихах и обкатниках с коническими роликами ролики

установлены так, что вершины их ко
опорного конуса. Углы конусов роли

। с вершиной

юти от углов и диаметров обрабатывае-

мых конусов.

4)	Инструмент для обкатывания плоских торцовых повер-
хностей.

Обкатники применяются для обработки плоской торцовой

поверхности, представляющей круговой пояс (уступ), ограничен-
ный двумя окружностями и расположенный в глубине отверстия
(авт. свид. № 500049). Такого типа обкатниками возможна
обработка внешних и внутренних поясов шириной до 25 мм. В
этих обкатниках применены специальные ролики, которые со-
держат рабочий конус и цапфу с дополнительным упорным



установлены так, что вершины

их рабочих конусов расположены на оси вращения обкатниха.
Угол рабочего конуса, диаметры роликов и размеры обраба-

Конструкция

одновременно с

обработкой плоской поверхности уступа накатывать поверхность
радиусного скругления (галтели) в зоне пересечения уступа с
ц|М|ктисм большего диаметра. Для этого внешний (больший)
горец ролика выполняется выпукло-сферическим с радиусом
сферы, равным радиусу большей окружности, а кромка скругля-
впк радиусом, равным радиусу заданной галтели.

гадного инструмента и применяются для обработки торцовых
поверхностей при прямом и обратном рабочем ходе шпицделя

5> Инструмент для раскатывания шаровых поверхностей.

Применяются многороликовые раскатники для обработки
шаровых сегментов и поясов диаметром от 20 мм. В раскатниках
применены профильные бочкообразные ролики с радиусом про-

Раскатник выполняется как жесткий инструмент. При необ-
хадимости упругого воздействия роликов на обрабатываемую
поверхность раскатник соединяется со шпинделем станка через
упругий элемент. Совмещение поверхностей роликов с обраба-
тываемой поверхностью производится осевым перемещением
опорной втулки. Это выполняется путем шлифования торца

6)	Инструмент для раскатывания внутренних торовых
поверхностей.

Применяются раскатники для обработки внутренней торовой
поверхности (скругления кромки) небольшего радиуса, в частно-
сти радиуса 1,6 мм в деталях соединения трубопроводов с
конусными муфтами (ниппели, штуцеры, тройники, угольники).

Раскатники предназначены для обработки радиуса в отвер-
стиях с номинальными диаметрами от 8,3 мм (для диаметров

свид. № 738848.).

Раскатниками возможна обработки радиусов в отверстиях
диаметром от 15 мм.

При обработке деталей ролики рабочими радиусными участ-
ками раскатывают обрабатываемую поверхность, стержневыми
участками катятся по направляющей поверхности стержня, а
упорными взаимодействуют с конической поверхностью упорной
втулки, насаженной на сепаратор с возможностью вращения.

7)	Автоматические линии и станки с использованием
обработки ППД.
Использование обработки ППД создает удобства для автома-
тизации технологических процессов механической обработки ряда
деталей. Это объясняется высокой размерной и выглаживающей
стойкостью деформирующих инструментов и надежностью про-
текания процесса ППД.

Примером удачного решения технологического процесса с
применением методов ППД может служить типовая автоматиче-
ская линия для механической обработки корпусов гидроциливдров
конструкции НИИтракторосельхозмаша. Для размерно-чистовой
обработки на линиях, работающих на Мелитопольском заводе
тракторных гидроагрегатов, используются операции дороновання
и обкатывания.

Фирмой “Kieserling" (ФРП создана высокопроизводительная
автоматическая линия для обработки пруткового материала и
труб диаметром 12-53 мм и длиной 1600-6000 мм, состоящая из
станка для обточки валов модели WDH 50. станка для одновре-
менной правки и полировки валов модели WRPTN 65 и транспор-
тных устройств.

Обработка на линии производится следующим образом.
Прутки или трубы загрузочным устройством, имеющим бессту-
пенчатую регулировку, подаются в револьверную головку, снаб-
женную резцами с пластинами из твердого сплава. Обточенные
прутки имеют большую точность и шероховатость 10-20 мм.
Транспортным устройством прутки подаются в разгрузочное
устройство правильного станка, снабженного двумя роликами
большого диаметра, выполненными в виде однополостного гипер-
болоида, которые производят одновременно правку и обкатыва-
ние. Правильный станок позволяет получать прутхи с кривизной
0,5 мм и шероховатостью поверхности в пределах 1-3 мкм, в
зависимосит от механических свойств материала.

8)	Оптимальные кбнетрукции инструмента и схемы нака-
тывания.

Из типов принципиальных конструкций обкатников и раскат-
ннков для накатывания одной и той же поверхности более
широкие технологические возможности имеют инструменты с

одним приводным элементом, т.к. каждый из них может приме-
няться для обработки по схемам с одним и двумя ведущими

Обкатники и раскатники с коническими роликами конструк-
тивно выполняются так, что обеспечивают возможность осевого
самоперемещения сепаратора вместе с роликами относительно
опорынх элементов (в обкатннках относительно втулки, а в
раскатниках по отношению к валу), необходимого после завер-
шения обработки в момент переключения рабочего осевого хода
М обратный. Такое

!ков и сепаратора

Позволяет автоматически без использования каких-либо допол-
нительных средств изменять рабочий диаметральный размер
Инструмента и тем самым снимать или уменьшать давление
|И1Ликов на поверхность и производить свободный отвод инстру-
мента от обрабатываемой детали.

СЯ в закрепленном положении. В связи с этим инструменты,
тущссталяющие обработку таких деталей, являются широкоуни-
верспльными и имеют наибольшее практическое применение.

Кинематические схемы с одним ведущим звеном имеют
большие технологические возможности, чем схемы с двумя
ведущими звеньями. Обработку по указанным схемам можно
П|и>изводить практически на всех универсальных металлообраба-
тывающих станках (сверлильных, токарных, расточных, токар-
но-револьверных, токарных полуавтоматах и автоматах и других
станках), т.е. на станках, имеющих по крайней мере один
Приводной шпиндель для вращения детали или инструмента.

В связи с этим, а также с учетом того, что схемы с одним
и двумя ведущими звеньями по производительности одинаковые,
более рационально обработку деталей производить по схемам с
одним ведущим звеном, поскольку она может быть выполнена

более простого по конструкции инструмента, что не требует
больших материальных затрат при освоении процесса.

может быть экономически оправданным лишь в том случае, если
будет производиться на имеющихся в наличии станках с двумя

втоматах, где возможно

Выбор схемы обработки
производить исходя из коне
влемых деталей с учетом о

каждом конкретном случае нужно

тей необходимого для этой

цели оборудования и инструмента, а также практических воз-
можностей их применения.

Проектирование процесса накатывания поверхностей

Порядок проектирования процесса предопределяется заданны-

ния и анализа исходных данных.

Основными исходными являются данные, характеризующие
обработываемую деталь (вид, форма и размеры накатываемой
размеры и



вращении; геометрическая точность и шероховатость поверхности
после накатыания).

Дополнительными исходными данными (если они заданы)
могут быть: припуск на накатывание, допуск на предварительную
обработку и шероховатость исходной поверхности. При отсутст-
вии этих данных их определяют при разработке процесса.

Кроме перечисленных исходных данных для проектирования
процесса необходимо иметь дополнительные сведения о характере
производства деталей (единичное, серийное, массовое) и произ-
водительности процесса, а также сведения о наличии металло-
обрабатывающего оборудования (тип, модель) для накатывания

При наличии чертежа инструмента необходимо в исходных
данных указывать его кнетруктивиые параметры соответст-
вующего рабочего узла, а также количество роликов (шаров) и
принцип их воздействия на накатываемую поверхность (жесткое
или упругое).

В случае применения упругого инструмента следует указать
также рабочее усилие и величину хода упругого элемента
(пружины).

Если для обработки цилиндрической поверхности с осевой

подачей приме

то в исходных

данных необхоидмо указать расположение роликов в сепараторе
(прямое вдоль оси или наклонное под углом).

При проектировании процесса высота шероховатости повер-
хности (исходная и после накатывания) принимается по пара-
метру ^(таблица 3.20).
Таблица 3.20

Определение параметров процесса

		
		По табл. 2.1  Изделие маложесткое
	Состояние изделия при	Деталь закрепляется на столе
	Направление перемещения роликов	Осевое
•	Принципиальная конструкция	Рвскетквк
s	Базовое звено инструмента	Опорная деталь - вал
	Конструкция рабочего узла	
7	Диаметр d роликов	<1,-8 мм
»	Форма роликов	Ролики стержневые конические
•	раскатываемую поверхность	Жесткое
10	Кол»ч“”° ZpMUKOD	Z-= 1.6 SJzdt =.8.8  Принимается Z = 8
II	Расположение роликов в сепараторе относительно его оси	Наклонное под углом ф
12	Угол у между роликами в раскатываемой поверхностью	Принимается у - <ГЗ(Г
13	после	По л.5 исходных данных R, - 0,32 мкм.
14	Исходная шероховатость R	Rx “ 20 мкм
	Оорежмош* с»р1мстры	
	Припуск а на раскатывание	.М1.^^^о.О36мм  ЖП« “ *4 • U73 • °-036" 0.046мм
16	Допуск 5. на предварительную	0.06 + о“мб -*0,036 - 0.07 мм
		
17	Предельные размеры отверстия на предварительную обработку	- 52 - 0.046 - 51,954 мм  - 51,954 + 0.07 - 52.024 мм
11	Допуск 52 на разноразмерное™ диаметров отверстий перед раскатыванием	$2 " 0.06 мм
19	Натяг 1 при раскатывании	’=»=^™, = 3  0.036 = 0.11 мм  lw=l„. б, =0.11 ♦0,07 = 0.17мм
20	Рабочий диаметр D раскатника	D = dae»*l.au-5,'954>0.17 =  52.12 мм
	в раскатываемую поверхность	b-0^+Sjj-  - 0.5 О.^йЦ + О.Об)  0.055 мм
	Величина со упругой (местной)	кж  -0.055.0.042мм
	поверхности	
		
		
	Ч'У’«‘Ц»«	M	Рв - 0,5xblq- 0,5 • 3,14 • 0.63 •5,15 • 72 - 3670 Н  .8^0,М2. 063мм  |.Л+^-^£е.+3,1 -0,035 = tgy	0.0087  q «2а,-720 МПа  Р «0.! PMs367N м-^- . 0^-67,7-32-8с76н.м  1000
	06WW.H»	
u	c,aL	Г	1J”	Прямя
lb	Количество ведущих звеньев	Одно
	Наименование звеньев: ведущего (Вщ). ведомого (Вм) в	Не - обрабатываемая деталь
2»	инструмента и изделия	Прямой ход
w	Коэффициенты 1. в I,	
JO	Окружная скорость v	»-К,<11Л7-1Л5-»-7»» 28 м/ивн
3>	“,р°лжо’'	^.^>.-а.11Ии11-
32	“““	
33	станка, предварительно	Ии = 1^(1, ♦19« 1115(0,154 ♦ 0.222) =
M	п„ шпинделя	°и " 400 мин’1
в/a	ода—«о. =—	Ода———
35	окончательно	'	“	 0.1S4T0.222 1064	1
36	Окружная скорость v раскатывания, окончательно	,,„*||“|,3.14«-1064 „
		1000	1000
37	Наплавление наклона осей вращения роликов	Левое <- ч»
38	Подача SfHa ролик осевая, предварительно	Условие выполнено
39	Угол ф наклона осей вращения	й 1
40	Подача SB инструмента осевая на	з^ка^фК-  3.14  52 - 0.0073 0.41 -0,49мм/об;  к»* Ц+V o.is°+ 0.222“ 0,41
«1	Подача SB осевая на оборот	Принимается SB - 0.56 мм/об
42	Подача Sf на ролик осевая.	
«	Угол ф наклона осей вращения	i ? S-liCg
		
44	.Маиутнвя подача S„ осевая	S-S. • “ - °-56 400 ’ -^"мм/мин
«	Длина осевого рабочего хода инструмента Ц>х,мм	Lpx = L + Ux - 80 + 30 - ПО мм
46	раскатывания, мм	T=teS=^=0.49 min
47		Эмульсия или сульфофрезол
	жидкость	
2> Примеры проектирования процесса.

В данном разделе приведены примеры проектирования про-
цессов для обработки поверхности многороликовым инструментом
по кинематическим схемам с одним и двумя ведущими звеньями.

Пример 1. Раскатывание сквозного цилиндрического отверстия
в детали типа втулки на сверлильном станке многороликовым
инструментом по схеме с одним ведущим звеном и осевой подачей
роликов.

Исходные данные:

I. Диаметр раскатываемого отверстия

I. Допуск на раскатывание 8, мм

.1. Длина раскатывания L, мм

4.	Толщина стенки детали С, мм

5.	Шсроковатость поверхности после

52
0,06

80

Диаметры роликов, коэффициенты для определения припу-
сков, допуски для определения припусков на накатывании,
коэффициент для определения величины натяга, окружной
скорости, расчета осевой подачи на шар, осевая подача на ролик,
кинематические коэффициенты определяются по таблицам

К. Предел текучести материала ат МПа
9. Радиальная уравновешенность детали
10. Характер производства

НВ 207
360
уравновешена
серийное

сверлильный станок

12.	Наличие чертежа инструмента

13.	Шероховатость исходной поверхности, R,mkm

Таблица 3.21

Кинематические коэффициенты Кр и Ко

Исходные данные:

2. Допуск на обкатывание S, мм

4.	Шероховатость поверхности после

5.	Материал изделия

6.	Твердость материала, НВ

7.	Предел текучести материала о,, МПа

И. Шероховатость иходной

поверхности R,, мкм

9.	Характер производства

10.	Применяемое оборудование

0,050

35

167-217

240

30

токарный
6-шпиндельный
прутковый

сновного шпинделя станка,

автомат
мод. 2Б240-6
600

12 Направление вращения шпинделей станка:

основного дополнительного	правое и левое
13. Наличие чертежа инструмента	чертежа нет
14. Подача инструмента	осевая
15. Место установки инструмента	в дополнительный
а/а		0‘Геакм.иев.рмтро.
4	^5катннкаЛИИ роабочего ума	
7	Диаметр djроликов	d. = 8мм
8	Форма роликов	Ролики стержневые конические
	Принцип воздействия роликов на	Жесткое
10	Качество Z ростов	Z - 1,25 	-1Д5 • Д±8 - 32
Ч	Расположение роликов в сепараторе относительно его осн	Наклонное под углом
12	Угол у между роликами я обкатываемой поверхностью	Принято у - О’ЗО"
13	Шероховатость после	Rg = 0,63 мкм, по таблице 2.4
14	Исходна, шероховатость R,	R,-3»
	Припуск а на обкатывание	Hi § 5	'  f
	Допуск 8j на предварительную	5,-5°'05 * + 0,05 - 0,037 - 0.063 мм
		d”Z" ♦ WK “ 12403 “м апийв = daBM-8, = 12.03 - 0,063 =
	предварительную обработку	
	диаметров перед обкатыванием	82 - 8> - 0,063 мм
1»	Натяг t при обкатывании	h h
*	Опрмслмом «растры	=Р-"Т~
»	Рябочвй диаметр Вобитиика	D = deaM-1^=12.03-0.119 =
21		« 0,5 0.8(0,056 + 0.063) - - 0.048 мм
22	обкатываемой поверхности	ш-Ь - 0,5^es - 0.048 - 0.019 -
	Рв. касательное Pt. осевое Ро) в крутящий момент М	Р„ - 03aHq=03-3.l«7-334 48 =  Ь>Л/^. « 'Д <и»9- 037мм  1, “..ЙЙГмЛОМ .2 0,048.  tgy	0.0087  q = 2o »2-240 = 480 МПа  Р1а0.1Рж=102Н  М>°^=Р/Ж:^,2Нм  1000	1000
	Оборудование	(исходные данные, п.10)
	шпвидеией <«,»«,на ™«е>	Встречное н попутное
27	шпинделей станка, возможное	Два
28	Наименование ведущих звеньев (Вщ) и ведомого (Вм)	Вщ - обрабатываемая деталь (звено 4) и опорная деталь  Вм - сепаратор
29	Направление относительного рабочего хода инструмента и	Прямой ход
п/з	=»-М	О»»—-
30	Приводные шпиндели станка	Основой - №1; дополнительный
31	чащ"ш“	Втулка 2 инструмента шпинделем Ы» 2, а вал 4 (обрабатываемая
	Коэффициент Ц и i2	i, - d| - в  0.29
		
33	Окружная скорость v обкатывания,	V" Kvd]'ld^ -1-8-/8 = 22,6м/мм
34	Частота вращения в( роликов.	1*0^.900
33	относительное, предварительно	0 = 1», б,♦ ip = 900(0Д9*0.67) =
36	Коэффициент А	A-i.22-o.43
3’		Встречное
	ведущих звеньев, предварительно	
	Частота вращения пи приводных	Основного шпинделя (по дополнительного шпинделя (по формуле таблицы 1.2 для  864 - 600  -2о4 мин'1, принимается по стенку Пи2 - а,=230 мин'
		
39	Частота вращения в	
40		Встречное
	ведущих звеньев, окончательно л	
41		Основного (Ne 1) - правое, дополнительного <Ы» 2) - правое
		
«	Коэффициент К	К-Ь-2зй-И2-0.42
N.		Оцреаыовм офшетроа
«3	Отношение коэффициента К с коэффициентом А и чалом I	К<А<|
«	обкатывания (номер)	Схема 14Н
45	^еГвГм"'₽алм“>’'			п ,	850 ,м5мни-> i,ti; 0,29+0.67
46	Р“’Ь	..“("-3.14.8.885.  1000	1000
«’	вращения роликов под углом Ф	Левое
48	Подача Sx на ролик осевая, предварительно	rfposepxa по условию  S,; 03<W_l?. 0,32
49	роликов, предварительно	Ф - Г2Г
50	вращающего деталь (звено 4).	- 3,14 • 12 • 0.0239 • 0.99 - - 0.89 мм/об  ij + i, 0,29 + 0.67
51	оборот шпинделя*1Nt 1 по станку	SB - 0,8 мм/об (по паспорту станка)
52	Подача Sf, на ролик осевая,	
53	роликов, окончательно	зд.^.О^-З.одаз  W wd4 3.14 -12  Ф - 1*14'
«	Минутная „«она S_ осаааа	Sm адЛу" 0,8 600 "
55	Длина осевого рабочего ходз Lpx	Lpx«L+Lflx =35 + 5 = 40 мм
Окрс^.^мс	
56 *“*т	Т-^.^. = 0,08мм
57 ^“““’ощ'-охлажл”ю,иа’	Масло индустриальное

При обработке пло

и одношариковы-

ми инструментами не всегда обеспечивается получение требуемых
микро- и макрогеометрии поверхности. Так как рабочие органы
(ролики и шарики) таких инструментов находятся под действием

пружин,

процессе обкатки копируются оставшаяся от

предыдущей обработки волнистость и
лонения поверхности.

Шариковые головки напоминают по своей конструкции тор-
цовую фрезу, где вместо ножей установлены в сепараторах
рабочие шарики, которые во время обработки оставляют на
поверхности круговые, пересекающиеся следы.

Накатывание шариковой головкой дает получить новую
поверхность с шероховатостью, зависящей от исходной шерохо-
ватости поверхности и технологических параметров обработки.

Существующее представление о технологическом рельефе
поверхности как следе рабочего движения шарика является

Для выявления условий получения требуемой шероховатости
определяются параметры и режимы упрочнения с учетом меха-
нических свойств обрабатываемого материала и его упрогопла-

ствующая переходу в пластическое состояние может быть
выражена следующей зависимостью:

(2.32)

удельного давления, соот-
ветствующего переходу в пластическое состояние;

от - предел текучести материала;

С - коэффициент, учитывающий степень наклепа, равный
10.

Величина упругого востановления определяется по фор- •
муле Тейбора

(2.33)

. 0.7Р
Ed ’
: Р - сила на шарик;

Е - модуль упругости деформирующего материала. МПа;
d- диаметр пластического контакта, мм;

Величина R, в общем виде может быть выражена уравнение

°-34)

гае RIpK4 - высота микронеровностей, равная глубине внедрения
шара при обкатывании;

hj„ - величина упругой деформации стайка и иструмекта.

В настоящее время для расчета высоты микронеровностей
без учета искажения микропрофиля используется формула

(2.35)

(2.36)

(2.37)

Эта форммула приближена и более или менее справедлива
только для случая полной деформации исходных шероховатостей.

Из теории упругости известно, что при упругом контакте двух
тел смещение to, и <о2) от местной деформации точек первого
и второго тела в направлении действия силы определяется
следующим образом:

(2.38)

гае Ц - расстояние точек от оси (0 центра) шарика;

₽ - постоянная величина, зависящая от радиуса кривизны;

В точке А расстояние 1-0 и, следовательно, ш, + а>г = а .

При одинаковых упругих свойствах тел, что вполне справед-
ливо для обкатки ш| + (вг = ши2<о=а. Поэтому ш = а/2.

“л-шв=

, = S/2, го

'шл-ш|,= р (S')2/8.

(2.40)
Вследствие упругого восстановления, происходящего за де-
формирующим инструментом, радиус впадины R, больше радиуса

(2.41)

Величину R, представим R,=KR, где К - коэффициент,
характеризующий увеличение радиуса впадины. Тогда

:2KR„

и разница в величинах упругой деформации вершины и
впадины гребешков

(2.42)

К 16R„/

Подставляя в формулу (2.36) выражения (2.37-2.42), пол-

Подставляя значения h“0 и в выражение (2.34), получим
г - 1	(2.45)

Подставляя выражение (2.32) в формулу (2.45), а также

получим

24OaJ'

(2.46)

Из формул (2.45) и (2.46) следует, что высота микронеров-

ностей при <

хностей шариковыми головками

зависит от давления на шар, подачи, геометрических параметров
инструмента и различных технологических условий процесса
упрочнения (величина обжатия, физико-механические характе-
ристики материала). Выражение (2.46) учитывает конкретный
металл и может быть использовано для более точного определения
микронеровностей при отделочно-уплотняющей обработке дета-
шероховатостью поверхности,

(2.46) введены величи!

и инстру-

При отдслочно-уплотняющем обкатывании незакаленных де-

ховатости, наибольшего
ни поверхностного слоя

тдлей получение и минималъ
упрочнения и оптимальной на
достигается при следующих

1600-1800 • 106 Па для деталей из стали (сталь 20); 1900 -
2100 10‘ Па для деталей из стали 45; 2000-2200 10‘ Па для
деталей из стали У8, У10. Для обкатывания шарами диаметром
10-20 мм рекомендуется подаче 0,1-0,20 мм/об, а скорость
обкатывания 50-100 - 0,017 м/с. При обкатывании шаром
диаметром 10 мм с указанными давлениями глубина упрочненного
слоя составит 1,2-2,3 мм, а при обкатывании шарами диаметром
20 мм - 2,0-2,8 мм. Если производится только отделочная
обработка, то давление в контакте могут быть снижены на
2181-500  10‘ Па.



закаленных деталей

целесообразно производить шарамми диаметром 4,0-10 мм, с
подачей 0,06-0,10 мм/об и со скоростью 50-80 • 0,017 мм/с
1>скомендуемые оптимальные давления в контакте приведены в

Таблица 3.23

Средние контактные давелния для обкатывания
закаленных деталей

		
111X15, ЭИ347Ш, Р18, Р9х5. У8. У10	63 и выше	2800-3000
111X15, 14Х2НЗМА, ЭИ736Ш, PI8, Р9К5 55С.МА: 40ХВА. 29ХНЗА, У8. У10. 60Г	39-М	2700-3900
4ОХ. 50Г2, 142X23МА, 55СМА. 20ННЗА, 4ОХНВА. 60Г	53-59	2500-2800
4ОХНВА. 60Г, 40Х, 45, 50Г2, ШХ15, У8	46-53	2300-2500
4ОХ. 45. 50Г2. ШХ15. У8. 60Г	ниже 45	2100-2400
Обкатывание с рекомендованными режимами обеспечивает создание упрочненного слоя глубиной 0,6-1,2 мм.  Определение нормальной силы производится в зависимости <гт выбранного давления и размеров инструмента. На основании опытных данных для отделочно-упрочняющего обкатывания де-		
талей из титановых сплавов ВТЗ-1, ВТ8, ВТ9 и жаропрочной
стали 12Х18Н9Т и близким к ним по свойствам материалов
можно рекомендовать нормальную силу 500-1000 Н при диаметре
деформирующего шара 4-7 мм и нормальную силу 1000-1500 Н
при диаметре шара 8-12 мм.

4. Алмазное выглаживание

Впервые метод предложен фирмой “Дженерал Электрик”. Его
сущность заключается в пластическом деформировании поверх-
ностных слоев обрабатываемых деталей кристаллом алмаза,
рабочая часть которого выполнена в виде сферы или боковой
поверхности цилиндра.

Алмазный инструмент, прижимаемый с определенной силой
к поверхности детали, скользит по ней, сглаживая микронеров-
ности и упрочняя ее.

Уступая по производительности обкатыванию шариками и
роликами, алмазное выглаживание обладает целым рядом пре-
имуществ. Благодаря высокой твердости и износостойкости

успешно упрочнять закаленные

стали. Небольшая шероховатость поверхности рабоче части
кристалла и его низкая адгезионная способность позволяет
достигать при алмазном выглаживании весьма малой высоты

Применени алмазного инструмента с малым радиусом рабочей
части позволяет эффективно проводить упрочнение, используя
небольшие давления на обрабатывающий инструмент (50 + 400),
а следовательно упрочнять маложестские детали с неравномер-
ной жесткостью, которые невозможно обработать другими
методами ППД без нарушения их геометрической формы.

Аллмазным выглаживанием можно обрабатывать наружные и
внутренние цилиндрические, плоские и фасонные поверхности.

и Упругое" выглаживание.

При упругом закремлении радиальная сила выглаживания
обеспечивается каким-либо упругим элементом, например график

ится-график в координатах “сила - перемещение”. Далее силовой
режим поддерживают в заданных пределах и контролирует по

перемещению упругого элемента.

При жестком креплении инструмента упругим элементом
являются непосредственно элементы системы СПИД.

Инструмент для выглаживания представляет собой металли-
ческую оправку, в которой с помощью пайки крепится кристалл


IIPt-45. Конструктивное исполнение инструмента может быть
раоличное.

Форма огранки рабочей части алмаза бывает сферической,
цилиндрической, торообразной.

('барический инструмент более универсален. Им можно

выглаживать внутренние и наруа

ческие поверхно-

ИИ. плоскости.

Величину радиуса рабочей части инструмнта выбирают в
мвисимоти от твердостии обрабатываемого материала.

Основываясь на накопленном зарубежном и отчественном
опыте в области алмазного выглаживания можно рекомендовать
(лсдующие значения радиусов рабочей части инструмента.

Таблица 3.24



1>1»мообработанные стали с HRC, 46



Рабочая поверхность алмаза должна иметь шероховатость
К «0.1-0,06 мкм.

рукций державок для крепления выглаживающего инструмента.

Алмазное выглаживание производится обычно на универсаль-
ных станках нормальной и повышенной прочности.

Однако применяются и специальные станки, в основном для
беепцентрового выглаживания деталей типа коротких цилиндров
модей 36810, 38830, 115 ФСС разработки Толыггинского пол-
итехнического института.

В случае малой виброустойчивости системы СПИД может
возникать вибрация инструмента; более часто при упругом
выглаживании.

Прсдсльныс числа оборотов шпинделей при выглаживании
пружинной державкой в зависимости от величины биения деталей
диаметром 20 + 65 мм приведены в таблице 3.25.
Бмеюм обрабатываемой аэвгрхвостм. мм	Частота цмпаяиа шпхвдела, мхм ’’
0,2	200
0,2-0,1	200-400
0,1-0,05	400-630
0,05-0,03	630-1000
0,03 в менее	1000

На шероховатость выглаженной поверхности влияет радиаль-
ная сила выглаживания и подача. С увеличением силы выгла-
живания высота микронеровностей уменьшается до определенного
предела, а затем может несколько возрасти за счет перенаклепа
поверхности и ее разрушения.

Оптимальную рациональную силу при выглаживании сфери-
ческим инструментом можно найти по формуле

Ру = (0,015 ♦ 0.013) В • 1.8С 2 itR.

(2.47)

где В и С - коэффициенты, определяемые экспериментально

R - радиус рабочей части инструмента.

При выглаживании инстументом с цилиндрической рабочей
частью можно определить оптимальную силу по упрощенной
формуле

Ру = bVrDo?RBO..

(2.48)

оэффициент, зависящий от метода обработки исходной
поверхности и равной для точения 21, для шлифова-

предел текучести обрабатываемых материалов,

х - высота профиля исходной поверхности по 10 точкам,

Значение оптимальной подачи зависит в первую очередь от

радиуса инструмента. При

«та с радиусом

1-1,5 мм можно рекомендовать подачу 0,02-0,04 мм/об, а при
радиусе 2,5-3,5 мм - 0,06-0,08 мм/об.

Скорость выглаживания мало влияет на шероховатость
выглаженной поверхности. Однако скорость может ограничивать-
ся такими факторами, как изностойкость инструмента, а также
температурой процесса, которая увеличивается с возрастанием
скорости и может привести к ухудшению физического состояния
поверхностного слоя.
Практически скорость выглаживания назначают в пределах
* 150 м/мин из условий получения максимальной стойкости

инструмента.

Применение оптимальных режимов выглаживания позволяет
уменьшить шероховатость исходной поверхности при выглажи-

н цветных сплавов Rx=40-6,3 мкм.

Выглаживание закаленной стали с исходной шероховатостью
Rm-6,3mkm малоэффективно.

Алмазное выглаживание приводит к повышению твердости

лгнной стали 45 твердость HV поверхности увеличилась с 7000
до 1000. Причем максимальное значение поверхностной твердости
достигалось при силе выглаживания 1660-200. Дальнейшее
увеличение силы приводило к падению твердости вследствие
нг|х.ч1аклепа.

Величина максимальных напряженний в закаленных сталях
может достигать 1100 МП.

до 400 мкм в зависимости от режимов обработки. Увеличение
силы выглаживания приводит к возрастанию глубины распрост-
ранения остаточных напряжений.

В поверхностных слоях закаленных сталей, содержащих
остаточный аустенит при алмазном выглаживании происходит
распад последнего.

После алмазного выглаживания поверхностные слои приобре-
тают более однородное строение, резко сокращается количество
поверхностных дефектов, концентраторов напряжений.

ныглаживанием обладает хорошими эксплуиациоиными свойства-
ми при различных видах износа.

В таблице 3.26 приведены результаты сравнительных испы-
таний роликов, изготовленных из различных материалов и
обработанных различными методами. Шероховатость поверхности
до испытания соответствовала R2=0,8mkm.
				
		М°	то	
Сталь 45, закаленная	'Гонкое шлифование	600	ю°	то
Сталь 40 X, закаленная  HRC, 59	Выглаживание	-		
Сталаь 18 ХГТ, цементированная	Выглаживание	«00		и
Сталь 12X114 А. цементированная	Тонкое шлифование Выглаживание		то	S

Алмазное выглаживание так же как н дробеструйная обра-
ботка, обкатка шариками и роликами, благодаря созданию в
поверхностном слое остаточных напряжений сжатия, устранению
резких концентраторов напряжений, повышает сопротивление
деталей усталостному разрушению, а также контактную вы-

Алмазное выглаживаниее нашло применение в автомобильной,
авиационной, подшипниковой и других областях Промышленно-



выглаживания прежде всего нужно выбирать форму рабочей части
инструмента и его размеры. Наиболее универсальным является
выглаживатель сферической формы, применяемый для обработки
наружных, внутренних и плохих поверхностей, в то время как
выглаживатели цилиндрической формы используеются только для
обработки наружных поверхностей тел вращения. Величина
радиуса сферы рабочей части выглаживателя зависит от свойств
обрабатываемого материала детали и требуемой глубины упроч-
ненного слоя. Однако при этом необходимо учитывать приемле-

предельную величину радиуса сферы 365 мм. При силах боле
350Н, вследствие увеличения трения и роста температуры,
стойкость алммаза снижается.
На основания производственного опыта для обработки образ-
ую из сталей рекомендуется следующие радиусы рабочей части
алмаза: 0,5-1,5 мм для образцов из закаленных сталей твердости
ИКС, 59-65; 1,5-2,5 мм для образцов из закаленных сталей с
твердостью HRC, 41-59; 2,5-3,5 мм для цветных металлов и
сплавов. При выглаживании маложесткнх деталей для снижения
силы радиус сферы следует уменьшить по сравнению с указан-
ным. Наоборот, если необходимо увеличить глубину упрочненнго
слоя, то при достаточной жесткости детали надо применять
инструмент с большим радиусом сферы; однако сила выглажи-
вания при этом не должна превышать предельного значения.

.заживания применяется способ, по которому силу определяют
л зависимоти от относительной глубины внедренного алмаза в
обрабатываемую поверхность. В этом случае сила выглаживания
I', рассчитывается по формуле

PB = 7teHVR2,	(2.49)

где относительная глубина алмаза е - 0,0015 - 0,007;

IIV - твердость по Виккерсу в зависимости от величины
относительного внедрения с.

Выглаживание производится с подачей от 0,02 до 0,1 мм/с.
При радиусе сферы инструмента 0,75-1,5 мм рекомендуется
подача от 0,02 до 0,05 мм/с, а при радиусе сферы 2-3,5 мм -
подача 0,05-0,1 мм/с. Применять подачу менее 0,02 мм/с не
рекомендуется. В производственной практике выглаживание про-
изводится со скоростью 20-200 10,017 м/с.

В табл. 3.27 приведены режимы выглаживания образцов из
стали Х12Н2ВМФА и хромового покрытия, а также предела
выносливости полированных и выглаженных образцов.

Таблица 3.27
		Насорим	’и	%		>11	
Панирован-	Х12Н2ВМФА	R,= 3.2					
	Х12Н2ВМФА  ♦хром	R =зл	130	14	0.0S	V0-1	

Производственный опыт

1.	Аалмазное выглаживание пробок диаметром от 14 до 27
мм из стали У10А (HRC, 50-64) производили выглаживателсм
радиусом 1,2 мм с силой 150-180 Н при подаче 0,03-0,05 мм/об
на токарном станке. Шероховатость выгглаженной поверхности
понижаллась, тврдость возрастала с ИУ=832до HV=1144.Диаметр
пробок уменьшался на 1-3 мкм, точность формы практически не
изменялась. В результате шероховатости и увеличения твердости
изностойхость выглаженных снижения калибров повышается в
2-3 раза. Алмазное выглаживание позволило сократить в несколь-
ко раз время обработки.

2.	Алмазное выглаживание поршевого пальца из цементиро-
ванной стлан 20 НИС, 57-63 производили алмазным наконечни-
ком с радиусом сферы 1,3 мм, с силой 120 Н и подачей 0,04 мм/с,
а сальниковую шейку из стали 45 (НВ 179-229) выглаживали
алмазом с радиусом сферы 3,4 мм, с силой 183 и подаей

Испытывали ролики из стали ЗОХГСНА в паре с бронзовой
колодкой при удельном давлении 500 Н в жидкости АМГ-10 в
течение 3 ч. Колодка вырезалась из втуулки после окончательной
обработки отверстия. Испытания проводились после различной
обработки трущихся пар (табл. 3.28)

Таблица 3.28

Результаты испытаний на износ пары сталь-бронза

ОбрЛоты трустас» помржжхп*	С редкий	ияшк, мг
	холмы	роя»
	43	3,0
Выглаженный ролик и расточенная втулка	46	0.8
Выглаженный ролик и выглаженная втулка	26	0.2
Для повышения эффективности применения процессов ППД,
гом числе выглаживание деталей машин инструментами из

сверхтвердых материалов (СТМ) разработана оригинальная ме-
тодика выбора оптимальных пар трения конструкционных

гемая деталь.

материалов и пар инсп

Методика учитывает особенности трибологических явлений в
эоне контакта и базируется на основных положениях молекуляр-
но-механической теории трения. Известно, что коэффициент
внешнего трения	определяется, как суммма деформационной

и адгезионной (молекулярной) составляющей fMr:

Для определения составляющих коэффициента трения раз-
работана оригинальная установка, включающая системы фикса-
ции и перемещения образца, устройство нагружения, приборы
1>сгистрации. По результатам расчетов определяют коэффициент
отнеительной адгезии - отношение адгезионной составляющей
Гмг * общему значению коэффициента внешнего трения

Рассматриваемые методика и аппаратура, в частности, были
использованы для оптимизации процесса выглаживания сплавов

(АСПК) алмазов с модификацией обрабатываемой поверхности
путем химико-термической обработки, нанесения покрытий и др.

Важным вопросом в процессе разработки и внедрения техно-
логического процесса является прогнозирование и предваритель-
ная оценка эффективности упрочнения деталей, работающих при
переменных нагрузках, с учетом концентрации напряжений и
масштабного фактора.

Математическую зависимость между коэффициентом упроч-
нения и комплексами величин, определяющих процесс алмазного
выглаживания, можно найти с помощью теории подобия и
анализа размерностей.

Поцесс алмазного выглаживания характеризуется сле-
дующими основными факторами: радиальной составляющей силы
выглаживания Р, площадью контакта между обрабатываемой
поверхностью и поверхностью алмазного инструмента F, про-

дольной подачей S,

слоя обрабатываемой детали, НВ, радиусом галтели или надреза
образца р, диаметром детали в опасном сечении d.

Функциональное соотношение между этими величинами со-
гласно теории размерностей можно представить безразмерными
комплексами и оценочным критерием р.
Статистическая обработка результатов испытаний на уста-
лость деталей позволила получить параметры корреляционного
уравнения для оценки коэффициента упрочнения:

(2.50)

где ₽ = <3^|/о., - коэффициент упрочнения,
а - полуось эллипса касания в зоне контакта,
G - относительный градиент первого главного напряжения

(G - 0, 5 для гладких образцов, d - 7,5 мм и р - 10 мм).
Отверстия малого диаметра во многих крупногабаритных

и могут быть причиной

усталостного разрушения.

Алмазное выглаживание позволяет в достаточно широких
пределах регулировать основные качественные характеристики

определяется размерами отверстий, свойствами материала и

Алмазиым выглаживанием можно повысить предел выносли-
вости образцов с отверстиями из стали 12Х18Н9Т до 30% и
увеличить изностойкость поверхности.

Предложена расчетная методика определения границы обла-
сти пластических деформаций под движущимся по поверхности
отверстиям алмазным индентором. В основу разработанной

методики положена тес

ской деформации идеально упру-
стического тела. Интегрирование

уравнений плоской деформации осуществляется с помощью
двойных степенных рядов.

жги обработки выглаживанием при

Техн

использовании оборудования с ЧПУ.

Применение оборудования с ЧПУ класса CNC позволяет
существенно расширить технологические возможности выглажи-

мещений выглаживающего инструмента и закономерного изме-
нения силы выглаживания в процессе обработки, что позволяет
обрабатывать детали сложной конфигурации, выполнять упроч-
нение локальных участков, формировать на поверхностях регу-
лярные микрорельефы со строго заданными параметрами, опти-
мизировать эпюры контактных давлений деталей с регламенти-
рованной упругостью, исправлять погрешности формы деталей.

Управляющие программы могут носить универсальный харак-
тер и быть пригодными для упрочнения деталей различных
типоразмеров. Такие программы позволяют формировать регу-
лярные микрорельефы практически любой конфигурации на
поверхностях сложной формы. Эта возможность обусловлена
математическим обеспечением УЧПУ с применением макрофув-
кций, позволяющих выполнять логические и арифметические
операции по командам управляющей программы.

Установлено, что основную роль в процессе формообразования
при выглаживании выполняет плостическая волна материала,
перемещаемого инструментом. Доказано, что степень исправле-
ния продольной волнистости возрастает в условиях пониженной

жесткости при использс

путос в направлении вектора скорости пятно контакта, а в
условиях повышенной жесткости - вытянутое в направлении
подачи. Причем, во втором случае достигается большая степень
исправления волнистости, чем в первом.

Выглаживание поверхности твердыми сплавами.

При упрочн
(гладилки) пр»

слаживанием в качестве инструмента
твердосплавные пластики из сплава

1 обеспечивает максимальную стойкость

 сравнении с другими твердыми сплавами Т5К10, ВКЗМ, ВК6,
TTI0K8A и др.

Применение при выглаживании инструментов из титановых

из-за их высокой теплостойкости и меньшего коэффициента
трения. Представляется возможным использовать твердосплавные
пластинки стандартной формы, если па одной из граней можно

5 мм. Заточку такой пластинки производят на универсально-за-
точном станке. Доводку инструмента выполняют на вращающем-
ся чугунном диске, на который предварительнно наносят алмаз-
ную пасту. Процесс выглаживания можно проводить на токар-
но-винторезном станке 1К62. Детали, закрепленной в патроне
или центрах станка, сообщается вращательное движение, гладил-
ки, закорепленная в пружинной державке, перемещается с
продольной подачей.

Основным технологичеким фактором, влияющим на качест-
венные показатели процесса выглаживания - шероховатость,
степень и глубину наклепа, является сила выглаживания.
Начальное увеличение силы выглаживания вызывает уменьшение

мере заполнения микропрофиля, увеличения поверхности контак-

та рабочей части гладилки с





замедляется. Когда происходит полное заполнение неровностей
микропрофиля, шероховатость выглаженной поверхности практи-

Рекомендуется применять подачи: 0,07 мм/с для “твердых’
покрытий и 0,И мм/с для “мягких" и оптимальные скорость

Большие возможности повышения изностойкости твердосплав-
ного инстумента в процессе выглаживания заключены в исполь-
зовании высокоэффективных СОЖ.

В теории трения указывается, что в условиях гидродинами-
ческой смазки происходит снижение трения с повышением
вязкости жидкости. С увеличением вязкости масла коэффициеннт
трения снижается, достигая минимума при использовании

высоковязких минеральных масел.

В процессе выглаживания важное значение для защиты
инструмента от преждевременного износа имеет использование
эффекта Ребиндера, сущность которого заключена в способности
поверхностно-активных веществ (ПАВ) абсорбционно снижать
прочность поверхностного слоя обрабатываемого материала. Нс
меньшее значение для повышения стойкости инструмента имеет
способность ПАВ снижать величину непосредственного контакта
между инструментом и деталью. ПАВ оказывает заметное
влияние на снижение коэффициента трения при выглаживании.
Наибольшую эффективность при этом проявлют введенные в
состав масла следующие активные присадки: хлоропарафин -
25%, дипроксид- 3,75%, хлорсульфид хлопкового масла - 16%.

Использование смазочно-охлаждающей жидкости ВК-3 при
выглаживании металлопокрытий позволяет уменьшить коэффи-

использовании минерального масла индустриальное И-20А; при
этом стойкость инструмента возрастает примерно пропорциональ-
но снижению коэффициента трения. Шероховатость поверхности
при использовании СОЖ ВК-3 уменьшается.

Входящие в состав СОЖ ВК-3 поверхностно-активные вещес-

тва такие как, хлорсульфид хлопкового масла, хлорированная
стеориновая кислота и хлорпарафин - способствуют уменьшению
коэффициента трения в зоне контакта инструмент-деталь; дип-
роксид уменьшает вероятность задира гладилки; присадка ПМСя

ювый спирт

улучшает i

увеличивает проникающую способнось жидкости, его применяют
для стабилизации системы и для улучшения взаимной раствори-
мости компонентов. В процессе выглаживания эффективность
использования СОЖ очевидна по сравнению с обработкой “без
смазки”, т.к. с увеличением рабочего пути, скорости и силы

гладилки - размеры площадки, интенсивность износа уменьша-
отся, а износотойкосгь рабочей части гладилки увеличивается.

СОЖ



детали сохраняется и рабочий путь гладилки достигает до
1-1500-2500 м, а без СОЖ - 500-800 м. Допустимая величина
размера площади износа (большая ось эллипса) гладилки с
использованием СОЖ составляет 1,0-1,2 мм, при обработке без
смазки 0,5-0,8 мм. Для повышения стойкости твердосплавной

ростью обработки до 1,2 м/с с силой выглаживания до 500 Н.

Стоимость твердосплавной гладилки из Т30К4, путь, прой-
денный ею, число переточек и перестановок инструмента меньше,
чем инструмента из кристаллического алмаза. Выглаживание
твердосплавным инструментом деталей машин эффективно и
почти не уступает по производительности алмазному выглажи-
НШ1ИЮ.

Выглаживание инструментами из минералокерамики.

Выпуск новых видов минералокерамики с относительно

высоким пределом выносливости на сжатие (до а, - 250кг/мм2)
и высокой твердостью (до HRC* 94) дал возможность применить
:»тот материал в качестве выглаживающих инструментов.

Минералокерамика ОНТ-20 показала наилучшие результаты
но стойкости. При уменьшении скорости до 0,33 м/с стойкость
всех инструментов возросла примерно в 4 раза. Эксперименты

по шероховатости дали такие результаты. С увеличением
скорости выглаживания от 0,33 до 0, 83 м/с начальный параметр
R, ухудшился с 0,2 до 0,37 мкм, оптимальное усилие выглажи-
вания составило 500 Н.

Сконструированы комбинированные инструменты для реза-
ния - выглаживания, пригодные к эксплуатации при обработке
стали и цветных сплавов на автоматических линиях и в гибких

Пути повышения производительности выглаживания.

Отделочио-упрочняющая обработка выглаживанием обеспечи-
вает хорошее качество поверхностного слоя и высокие эксплу-

живания невысокая, особенно при обработке поверхностей боль-
шой длины. Это связано с тем, что площадь и ширина контакта
стандартных выглаживателей с обрабатываемой поверхностью
малы. Для увеличения производительности обработки необходимо
увеличивать размер пятна контакта в направлении подачи. Это
позволяет при постоянстве кратности нагружения увеличить
подачу и тем самым, производительность обработки. Для этого
разработаны модифицированные конструкции выглаживающего
инструмента, например, с тероидальной рабочей поверхностью.
направлении подачи, форму пятна
|чить подачу в 1,5 ... 2 раза. Размеры

и ширину пятна контакта и, тем самым, подачу можно
существенно (в 1,3 ... 1,8 раза) увеличить при согласованном
увеличении силы выглаживания, радиуса выглаживающего инс-

выглаженной поверхности сохраняется. Второй путь повышения
производительности - увеличение скорости выглаживания. При-
пятствием к этому является нагрев в зоне контакта выглажи-
вающего инструмента с заготовкой. Разработаны конструкции
выглаживающих инструментов и технология скоростного выгла-
живания, позволяющие путем снижения теплонапряжекиости
процесса обработки увеличить скорости выглаживания с 1 ...2 до
4...6 м/с при сохранении качества выглаженной поверхности и
стойкости инструмента.

Третий путь повышения производительности - применение
многоэлементных выглаживающих инструментов. На их рабо-
чих поверхностях расположено большое число сверхтвердых
выглаживающих элементов. Применение многоэлементных вы-
глаживателей резко увеличивает площадь контакта инструмента
с заготовкой и, тем самым, величины подач. Это позволяет
существенно увеличить производительность выглаживания при
обработке протяженных поверхностей заготовок.

5. Низкочастотное виброобкатывание (накатывание)

Направление колебаний перпендикулярно обрабатываемой
поверхности.

Процесс виброобкатывания производят при помощи специаль-
ных приспособлений, сообщающих деформированному элементу
низкочастотное колебание в направлении перпендикулярном
подачи инструмента. В качестве деформирующего элемента в
простейшем случае поверхностного обкатывания применяется
обыкновенный ролик. Для того, чтобы повысить степень упроч-
нения материала и одновременно уменьшить рабочие нагрузки
на деформирующий элемент, он прижимается к поверхности под
действием пульсирующей силы.

Последняя представляет собой сумму двух сил: постоянной
статической и переменной динамической, возникающей при
ударах, сообщаемых инструменту со стороны вибратора. Стати-
ческая нагрузка создается пружиной.

Если менять форму деформирующего элемента, то можно
обрабатывать при помощи таких приспособлений и детали
сложной конфигурации, даже уплотнять дно впадин резьб
различного профиля. Режим обкатки для разных материалов
чистоту ударов, скорость вращения детали и продольную подачу
инструмента. Частота ударов колеблется в пределах 15-30 Гц.
Скорость вращения детали на 1 удар ролика, варьируется из

ударов с целью образования на

условия

обрабатываемой поверхности непрерывного следа от движения
ролика. Величина продольной подачи должна быть такой, чтобы
соседние витки винтовой траектории движения инструмента
относительно обрабатываемой поверхности перекрывали друг

Наиболее рациональная область применения виброобкатыва-
пия - упрочнение крупногабаритных деталей, т.к. энергия удара
поглащается в данном случае самой деталью и не оказывает
вредного влияния на работу узлов станка. Низкочастотное
аиброобкатывание получило большое применение и имеет перс-
пективу дальнейшего расширения использования. На Старо-Кра-

рено для упрочнения посадочных мест валов диаметром 288 мм.
Внедрение процесса позволило значительно повысить срок служ-
бы ответственной детали и применять для ее изготовления вместо
стали 40ХН более дешевую сталь 40Х.

Обкать

ется для обработки коленчатых

валов на Харьковском тепловозхостронтельном заводе. Процесс
обкатывания вибрирующим роликом применяется также для
упрочнения крупных упорных резьб, при этом ролику придают
фасонный профиль, соответствующий впадине резьбы.

Ниже приводятся некоторые данные об увеличении предела
выносливости резьб, который после упрочнения достигает 150-
300% (в зависимости от марки стали) (таблица 2.29 )

Таблица 2.29

Увеличение предела выносливости при переменном
изгибе (данные ЦНИИТМАШ)

ДХ,					
					
78	35	235	185	15ГНЧМ	275
78	18ХНВА	280	185	34XH3M	145
78	34XHIM	155	215	40	85
					тки вибри-
рующим инструментом обладает и рядом недостатков, к ним					
относятся:					
1. значительный шум при работе;					
2. необходимость применения специального вибратора;					


3.	невозможность обработки деталей с малой жесткостью;

4.	трудоемкость создания многороликовых приспособлений

Колебания по направлению подачи инструмента.

С целью повышения износостойкости и получения желаемой
текстуры поверхностного слоя в процессе обкатывания, инстру-
менту сообщается возвратно-поступательное движение вдоль оси
обрабатываемой детали при ее вращении, вследствие этого на
поверхности изделия создается сетка углублений, параметры
которой (глубины впадин, их ширина, шаг) зависят от режимов
обработки - скорости вращения детали, скорости движения
инструмента и радиальной оси обкатки.

Сетка канавок представляет собой новый микропрофиль
поверхности. Одно из преимуществ данного метода состоит в
том, что он позволяет производить тончайшую регулировку
характеристик микрорельефа поверхности (путем изменнеия
параметров режима обкатывания).

Решающим условием повышения износостойкости поверхно-
сти является не достижение минимальной шероховатости, а
получение оптимального микрорельефа. Шлифованные поверхно-
сти хуже сопротивляются схватыванию, чем виброобкатаниыс.
Для каждого конкретного случая эксплуатации следует создавать
оптимальный микрорельф, позволяющий достигнуть максималь-

Образующаяся при вибрационной обработке сетка канавок
помогает удержать достаточное количество для нормальной
работы пары трения, количество смазки, а также обеспечивает
благоприятные условия для восстановления масляной пленки в
случае ее разрыва.

Твердость поверхности и образующиеся при обработке сжи-
мающие напряжения создают дополнительные предпостылки для
увеличения изностойкости.

В качестве инструмента применяют подшипниковые шарики
4-10 мм и сферические наконечники из натуральных синтетиче-
ских алмазов и твердых сплавов.

В настоящее время этот процесс нашел широкое применение
в промышленности для обработки деталей двигателей внутрен-
него сгорания (шатунная втулка, поршень, зеркало цилиндра), а
также деталей инструментального производства (матрицы, ка-
либры-пробки, колонки штампов, пуасоны).

Сущность процесса состоит в протягивании шарика или дорна
через отверстие, диаметр которого несколоко меньше диаметра
инструмента При протягивании происходит пластическое де-
формирование стенок отвсрстиея, в результате чего изменяется
форма и размеры отверстия, проиехдит упрочнение поверхност-
ного слоя и уменьшается шероховатость. Основным параметром,
определяющим результаты обработки отверстий является натяг.
Величина его равна разности диаметров дорна и отверстия до
обработки, с ростом натяга возрастают твердость наклепного
слоя и уменьшается шероховатость поверхности. Следует отме-

рлэмср их выбирают несколько больше заданного диаметра
отверстия. Величины этого превышения зависят от материала,
толщины стенок и размера обрабатываемой детали. При дорно-
впнии, особенно с большими натягами, предъявляются высокие
требования к равномерности механических свойств на всем
протяжении обрабатываемого отверстия. Обработка отверстий

И со степенью наклепа до 60%; при работе дорнами с
цилиндрическим пояском достигается шероховатость Rx=0,8-

При обработке деталей из высокопрочных сталей

родистых сталей - индустриальные смазки, а из чугуна -
очищенный глицерин.

Алюминий и алюминиевые сплавы удовлетворительно обраба-
тываются со смазками: мыльной водой, смесью минеральных и
растительных смазок и жиров (ланолин, сало), добавляемых до
30%, минеральными маслами с наполнителями (графит).

Сплавы на медной основе целесообразно обрабатывать с
некоторыми сортами минеральных масел или эмульсиями. При
обработке вязких материалов скорость дорнования должна быть
2-5 м/мин, а при дерновании менее пластичных материалов

Дориование является высокопроизводительным процессом,
обеспечивающим высокое качество обрабатываемых поверхностей

ихз при цикли-

и повышение долговечности
ческой нагрузке.

Инструментом для калибровки служат оправки (дорны) с
деформирующими элементами или шариками.

Дорны имеют различные конструкции, однако у них есть
общие для всех конструкций части. Дорн в пределах рабочей
чрети своего профиля имеет заборную часть, производящую
основную работу деформирования металла; цилиндрическую
часть, повышающую износостойкость дорна и улучшающую
качество обработанной поверхности; заднюю часть, предназна-
ченную для уменьшения сил трения при дорнованин, т.е. для
уменьшения силы тяги.

Дорны, применяющиеся на практике, отличаются друг от
друга не только размерами, маркой стали, общей формой, но и
формой рабочего профиля, которая оказывает существенное
влияние на окончательный вид обрабатывемой поверхности и на
силы, возникающие в процессе дорнования.

По форме рабочего профиля дорны могут быть подразделены
на конусообразные с цилицдричческой ленточкой и без цилинд-
рической ленточки, сферические, криволинейной формы, сдвойкой

Исследованиями Ю.Г.Проскурякова установлено, что для
дернования наиболее целесообразно применять дорны, имеющие
заборную и обратную части в виде конуса и цилиндрическую

При дерновании сталей и чугуна наиболее целесообразно
применять дорны с конусообразным профилем заборной и задней

Для повышения стойкости дорна, кроме того, рекомендуется
месте перехода конической части в цилиндрическую обра-

кие материалы (твердые сплавы, минералокерамику и т.п.),
производить дернование деталей с возможно малыми натягами.

Натяг оказывает непосредственное влияние и на точность
обработки как по поверхности обрабатываемого отверстия, так и
по торцам.

Для автоматизации процесса применяют приспособлениядля
возврата шариков, оправок и для загрузки деталей.

Оптимальную величину натяга назначают по наибольшему
предельному размеру отверстия в партии заготовок.

В сравнимых условиях усилие при калибровании отверстий в
чугуне на 30-35%, в бронзе и алюминиевых сплавах на 60-65%
меньше, чем при обработке деталей из стали. Прилагая к

и ударные импуль-

сы с частотой порядка 20 Гц и амплитудой 0,3-1.5 мм усилие

 Как показали работы Ю.Г.Проскурякова эффективно также
применение вибродорна при обработке деталей из вязких мате-
риалов (стали 10, 20, нержавеющие стали), так как при этом не
образуется нароста на инструментах, и при обработке глухих
отверстий.

Обработку сопрягаемых поверхностей шлицевого отверстия,
имеющих твердость HRC, 57-S3, при центрировании по наруж-
ному диаметру можно производить дорнованием с помощью
Для обеспечения лучшего центрирования и большей точности
наработки отверстий деталей однозубые и многозубые дорны чаще
веет имеют переднюю и заднюю направляющие. Такими
Лорнами можно обрабатывать отверстия с профилем, рамполо-
ягпиым по винтовой поверхности.

получили достаточно большое распространение детали с кониче-
скнмн отверстиями, имеющими остроугольные шлицы. Обработка
таких отверстий с конусными шлицами успешно осуществляются
методом дорнования.

Так как на дорн в процессе работы передаются значительные
нагрузки, его длина выбирается минимальной.

материалов, как и дорны для

тий. Конст-

рукция посадочных и подсоединнтсльных элементов фасонного
/юрки аналогична конструкции цнлидрического дорна. При
дорновании со сравнительно небольшим натягом предварительно
обработанных фасонных отверстий целесообразно применять

отверстий.

и при дерновании цилиндрических

Дорнование - один из методов сглаживающе-упрочняющей

обработки цил

и приборов.

позволяющий заменить тонкое растачивание и шлифование.
Однако, в некоторых случаях, для получения малой шерохова-
нкти поверхности отверстия применение дорнования сдержива-
ется появлением значительных отклонений геометрической фор-
мы и изменением размеров обработанных отверстий с течением

Стабилизация размеров отверстий деталей обработанных
лпрпованием (уменьшение величины изменения размеров с
течением времени) достигается за счет выдержки деталей в
течение S...7 минут в жидком азоте (-196°С). В результате
величина изменения размеров с течением времени для традици-
онной схемы дорнования уменьшается в 2,5 ... 3 раза, а для

рпссматриваемой схемы

...2 раза при одновременном

увеличении упругого восстановления размеров после дорнования
до 15%.

Таким образом, применение технологического приема для
стабилизации размеров отверстий деталей позволяют значительно
повысить качественные характеристики деталей и расширить

область применения дорнования.

При дорновании важным является

румента и определения параметров режима обработки. Для
обеспечения наименьшей шероховатости поверхности следует

принимать углы а

1 2...6*. Диаметр рабочего пояска
где - наименьшее значение диаметра отверстия детали по

i, - абсолютный натяг,мм , (i - X,D3 , здесь X, - относи-
тельный натяг, Xj=i,/D3;D3 - диаметр отверстия перед
дернованием, мм).

Значение относительного натяга зависит от отношения D /D3.
Например, при дорновании деталей из легированных сталей

	= X х А'ГВ7 о;	= Д'ГВ7

- допуск на диаметр отверстия;

теризуется отношением наружного DH и внутреннего

С - коэффициент, учитывающий твердость материала детали.
Значение коэффициент А' при отношении О, к О, > 3,3

"коэффициент С при НВ 277 ... 368; 166...269; 131...168 и
128 равен соответственно 1,2; 1,0; 9,85 и 0,7.

Допуск на изготовление дорна по диаметру может принимать-
ся равным ± 1/8 допуска на доронуемое отверстие. Ширина
цилиндрической ленточки дорна Ьл -1/13 и +0,3 мм. Диаметр
отверстия под дорноваиие D3 - (DM - iH) - 0,007 мм.

В качестве СОЖ при дерновании могут применяться сульфоф-
резол, масло индустриальное 20 с серой (10%), смесь сурепного
(50%) к касторового (25%) масел с добавлением 25% талька,
смесь машинного масла с олеиновой кислотой (10... 20%) и другие

Расчетное определение глубины наклепа целесообразно про-

(2.51)

В указанной формуле величины, стоящие под корнем, могут
быть выражены через размеры вдавливаемого шарика и остаточ-
ной глубины вмятия.

Принимая во внимание, что

и НВ = 6 ат (может быть приближенно принято для широкого
круга конструкционных сталей), получим

а-ДД'/ЙГ

Расчеты по приведенным формулам дают достаточно хорошие
совпадения с опытными данными при вдавливании шарика в
плоскую поверхность. Применительно к лорнированию отверстий
шариком указанная формула подтверждена экспериментальной
проперкой.

( огласно данным М.С. Дрозда, упругое восстановление глубины
пластического отпечатка зависит от степени деформации.

оп|»сделсния глубины наклепанного слоя при дорнировании
мгнерстий шариком может быть использован не только для
i лучам, когда шарик поступательно продвигается по всей высоте

находящимися в оправке, а также для дорнирования отверстий
|юп1ционным способом многошариковым сборным дорном.

Разработана диалоговая система проектирования на ЭВМ
процессов объемного дорнования отверстий. Проектирование
процессов дорнования отверстий на основе формализованных

ученных решений с целью обеспечения всех требований к
н.нотовлясмому изделию. Поэтому проектирование целесообразно
нести в интерактивном режиме с реализацией оперативного
доступа к нормативносправочным и расчетным данным, хра-
нящимся в памяти ЭВМ.

выбора заготовок из банка диалоговой системы. Решение о
назначении заготовок принимает пользователь на основе спра-
вочной и расчетной информации с ограничением предельных

|>сжнмов и деформаций при дорновании. Выб
гс размерные характеристики дополняются сс

iiyio и графическую инфомацию о физических константах,

ской деформации. Эти данные используются в дальнейшем для
|М1Счета конструкции дорнирующего инструмента, причем по
ходу решения сохраняется возможность целенаправленного из-
менена расчетных параметров с учетом особенностей проектиру-
емого процесса и опыта проектировщика. Если полученное
liciiiciiHe не удовлетворяет техническим требованиям к детали и
условиям обработки, производится повторное проектирование.
Например, в случае неудовлетворительных результатов по точ-
ности могут быть изменены требования к заготовке, применена
новая схема дорнования, перераспределены натяги на зубья
дорна, исследована возможность использования более пластично-
го металла и другое мероприятия.

На завершающем этапе проектирования используются элемен-
ты интерактивной графики на аппаратно-ориентированном
уровне путем вывода и последующего преобразования геометри-
ческих символов зубьев дорна, оправки, хвостовиков, распорных
в гулок и поддерживающих колец.
2.4. Динамические способы упрочнения методом
ППД

Динамические процессы упрочнения получили самое широкое
распространение в машиностроении вследствие большого их
разнообразия, сравнительной простоты в освоении и внедрении
уточняющей технологии и оборудования, высокой эффективности

t и абразивные

широкую

способы, деформирующими элементами которых является сыпу-
чая рабочая среда в виде абразивных гранул, дроби стальной,
стекляной и др. Обеспечивающие обработку наиболее массовой
номенклатуры деталей машин практически любых габаритов (в
том числе крупногабаритных с L * В х Н =30000 х 2500 х 200
мм), матернлов и сложности форм. Универсальность динамиче-
ских способов и высокая их эффективность проявляется в плане
возможного совмещения в одном процессе зачистных и упроч-
няющих операций (гидро-вибро-абразивная обработка).

В последнее время получили развитие высокопроизводствен-
ные процессы и дробематные установки с УЧПУ типа
УДП 2 х 3,5 обеспечивающие возможность автоматизации и
совмещения процессов формообразования и упрочнения деталей
по упрочняющей программе.

1. Обработка дробью

Для повышения усталостной прочности и изностойкости
деталей из листового материала, работающих при знакоперемен-
ных нагрузках, широко применяются дробеструйные способы
упрочнения, сущность которых заключается в том, что поток
дроби направляется на обрабатываемую деталь со серостью
соударения, достигающей до 100 м/сек в результате чего
определяется пластическое деформирование ее поверхности по
заданной программе.

Главным преимуществом указанного способа является его
высокая технологичность и универсальность, обеспечивающие
возможность обработки любых сложнофасонных поверхностей
деталей, режущего, штампового и т.п. инструмента без точного
базирования и применения дорогостоящего оборудование.

К ОД следует отнести все процессы, связанные с соударением
твердых частиц о поверхность тела преимущественно под

Построена физическая модель пластической деформации
металла в зоне лунки от удара шаром дм случаев ДО и ГДО,
которая учитывает влияние контактного трения на процесс
Разработана математическая модель процесса ОД:

Э _ ОДбпОЬ^п^М	(2.52),

те:	Эу - энергия удара шаром диаметром D, необходимая для

создания толщины накоепанного слоя h„.

пластическую деформацию при ударе шаром;

пда, х, Кн - постоянные величины, учитывающие коэффици-
енты трения

К, - коэффициент пропорциональности.
Разработана методика определима динами

коэффици-

rirrn трения при прямом ударе шаром f^. Установлено, что при
использовании для ГДО рабочей жидкости - трансформаторного
масла 1^, почти в 3 раза меньше по сравнеию с применением
воды и в 6 раз по сравнению с ДО.

Протяженность распространения теплоты от энергии удара,
.Я1траченой на преодоление контактного трения нс превышает
O.OSh,, когда максимальная температура от преодоления трения
и пластической деформации составила для случая ударом шаром
с одинаковой энергией об образцы из материалов Д16Т, сталь
45 и ВТ8 величину, соответственно, для условий ГДО 166, 385,

В то же время далее по глубине температура возникает только
как результат пластической деформации и величина их для тех
же материалов составила 60, 15 и ЗО’С.

Примером может служить использование дробеструйной об-
работки для повышения долговечности рессорного проката или
турбинных лопаток из жаропрочного сплава. Долговечность этих
деталей повышается в 2-3 раза.

Для повышения усталостной прочности и живучести деталей
широко применяется обработка дробью. В основе процесса лежит
поверхностная пластическая деформированная ударами дроби по
обрабатываемой поверхности (ГОСТ 18296-72).

Такие конструктивные элементы деталей машин, как галтели,
канавки, отверстия, снижают предел выносливости.

Детали после механической и термической обработки подвер-
гаются "бомбардировке" дробью. Последняя, отбрасываемая ло-
патка воздушной струи (дробейструйная обработка), ударяется о
поверхность детали с очень большой скоростью (20 ♦ 90 м/с).
В результате такой бомбардировки поверхность становится
"шероховатой", так как под действием каждой дробинки обра-
зуется небольшое углубление. Его величина зависит от твердости
материалов, размеров дробинок и скорости их полета.

Вследствие пластической деформации в поверхностном слое
детали возникают не только параллельные, но и ориентирован-
ные в разных плоскостях и направлениях несовершенства кри-

Такие дислокации мешают

друг другу перемещаться и реальная прочность металла возра-
стает. Кроме этого, образуется большое количество линий сдвига,
происходит дробление блоков мозаичной структуры. Это вызывает
упрочнение поверхностного слоя металла на глубину 0,2-0,б мм.

В процессе дробеударной обработки создается благоприятное

Поэтому обработка дробью наиболее эффективна для деталей,
работающих при циклических нагрузках в условиях коррозион-
ного воздейтсвия внешней среды.

Напряжения растяжения, возникающие в поверхностном слое

Концентрация напряжений у отверстий в зоне резких перехо-
дов сечений и канавок также устраняется после обработки дробью.
Следует отметить, что при значительных конструктивных кон-
центраторах важную роль, кроме сжимающих напряжений, играет
глубина наклепанного слоя вне зависимости от размеров детали.

Детали из высоколегированной, закленной стали очень чув-
ствительны к надрезам и резким переходам после обработки
дробью в значительной мере избавляются от этого недостатка.

В деталях после закалки (.нагревом
слое на границах перехода от закаленнь
ным могут возникать напряжения растя:

поверхностном
ов к незакален-

турными превращениями. Обработка дробью в значительной мере
устраняет эти явления.

Для осуществления обработки дробью в настоящее время
получили широкое распространение дробеметы различных кон-
струкций (2М392, 2М393, ДУ-1, 87053, 378, Б-6 и Б-9, ДК-10М,
372, 323М и др.).

Эффективность во многом зависит от угла падения дроби на
обрабатываемую поверхность, а это часто определяется конфи-
гурацией детали. Изделия могут представлять собой всевозмож-
ные сочетания плоских, выпуклых и вогнутых поверхностей.
Кроме того, детали могут находиться в поступательном и
вращательном движении по отношению к потоку дроби.

Оптимальным углом падения, при котором достигается наи-
высшая эффективность обработки считается угол, близкий к 90*.

“Насыщение” обработкой достигается, когда остаточные
напряжения сжатия и глубина наклепанного слоя уже больше не

возрастают. Начиная с некоторого момента
становятся постоянными. Это время и составляет продолжитель-
шкть обработки дробью.

Равномерность наклепа устанавливают визуально, простым
осмотром поверхности. Интенсивность упрочнения определяют по
величине прогиба контрольных пластинок, обрабатываемых
д|юбью, в течение различного времени.

Для определения времени t. потребного на обработку детали,
и расхода дроби Q.B зависимости от других параметров процесса,
применяется формула:

(2.53)

t=K--------

V  g • sin2«
К - коэффициент, определяющий условия получения опти-
мальнных результатов;

4 - расстояние детали от дробемета;

V	- скорость полета дроби;

а - угол атаки;

g - пропускная способность дробемета (по весу дроби).

Нремя “насыщения” зависит также от формы и кривизны
обрабатываемой поверхности.

При выпуклой конфигурации (по данным Н.В. Фомичевой) с
увеличением кривизны время обработки уменьшается, а при
вогнутой наоборот возрастает.

М.М. Саверин получил теоретическую зависимость между
дикторами, влияющими на процесс дробеударного наклепа:

"	'J НМ	'

где 5МХД - эффективная глубина наклепанного слоя;

D - диаметр дроби;

V	- скорость дроби;

а - угол наклона обрабатываемой поверхности к направле-
нию потока дроби;

НМ - ударная твердость обрабатываемого металла;

К - коэффициент пропорциональности.

Твердость материала обрабатываемой детали оказывает зна-
чительное влияние на эффективность дробеударного наклепа,
(кобенно на глубину слоя и возникающие в наклепанном слое
т таточные напряжения. Средняя величина последних пропор-
циональна ударной твердости обрабатываемого материала и
<>п|юделяется по формуле:

°н.кл= т' НМ-
где т - коэффициент пропорциональности.
Эта формула может характеризовать напряженное состояние
металла лишь приближенно. Как известно, со временем, даже в
иенагруженных деталях и при комнатных температурах остаточ-
ные напряжения в наклепанном слое изменяют свою величину,
как за счет объемных изменений, связанных с продолжающимися
фазовыми превращениями, так и за счет процессов релаксации
и диффузии.

В таблице 4.1 показано влияние увеличения одного из
технологических параметров при постоянном значении остальных
на результаты дробеструйной обработки. Видно, что увеличение
размера дроби приводит к повышению шероховатости поверхно-
сти и росту остаточных напряжений сжатия, глубины наклепа и
механических свойств поверхностного слоя. Шероховатость по-
верхности увеличивается с ростом скорости и диаметра дроби с
увеличением твердости обрабатываемой детали. Практически в
результате дробеструйной обработки может быть получена ше-
роховатость R, = 20-6,3 мкм. Применение стальной дроби обеспе-
чивает получение лучшей микрогеометрии поверхности. Исходная
шероховатость поверхности практически не влияет на эффектив-
ность дробеструйной обработки.

Таблица 4.1
Таблица 4.2

				П’~~~
				
ХЛ.К.ННЫ. прухи,,ы	0.6-0.8	60	100	Продолжительность наклепа 10-12 мин.
П|'У,""“ n«P«w"	0.6-0.8	90	100	наклепа 4-6 мин.
Листовые рессоры	0,8-1.2	90-100	120-140	5^22*4 м/мин
Г1.ИУО..	0.8-1.2	90	120	Частота вращения полуоси 30-50
				продолжительность
				двусторонней
Контроль процесса обработки заключается в том, что вместо детали под поток дроби помещается эталонная контрольная				
комендовали себя контрольные пластинки ВИ АМ для длиномер- пых деталей (им адекватны в определенной степени пластинки Алмана - США).  Типо-размер контрольных пластинок ВИАМ:  1)	тип - толщина - 0,8 мм;  2)	тип А - толщина - 1,3 мм;  3)	тип С - толщина - 2,4 мм.  Изготавливаются они по определенной технологии, делают их из сталей 65Г и У8А.				
мм, ширина - 19 ± 0,05 мм, толщина - допуск ± 0,025 мм, не параллельность сторон равна 0,1 мм, шероховатость повер- хности Rf" 2,5 мкм.  Пластинки под действием возникающих в поверхностных				
гая выплуклость в сторону наклепанной поверхности.  Однако, следует заметить, что стрела прогиба контрольной				
судить о глубине наклепанного слоя и характере распределения в кем остаточных напряжений, такой контроль дает возможность только определить стабильность процесса.				
Измерение глубины наклепанного слоя и средней величины
остаточных напряжений в слое, а также установление опти-
мального режима наклепа дробью можно производить путем
односторонней обработки двух пластин разной толщины, нахо-
дящихся в свободном состоянии, или двухсторонней последова-
тельной обработки одной пластины. Пластины изготавливаются
из материала, из которого изготовлена обрабатываемая деталь.
Стрелы прогиба при этом измеряются последовательно после
первой и второй обработок дробью.

Если применят две пластины, то величину глубины наклепан-
ного слоя и среднее напряжение, возникающее в нем, определяют
ло формулам М.М. Саверина:

(2.54)

В - отношение толщины первой пластинки к толщине второй,
т.е. В=—;

a - отношение стрел прогиба первой и второй пластинок,

4Eh 1-31

3(a2 + b»(l-g) t

a.55)

где E - модуль упругости металла;

g - коэффициент Пуассона;

Си h - соответственно стрела прогиба и толщина пластинок;
у - отношение глубины наклепанного слоя к толщине той

же пластинки;

а и b - параметры базы прибора, на котором измерялась
стрела прогиба.

При двухсторонней обработке пластинки дробью глубину
наклепанного слоя определяют по формуле'.

где f и f, — соответственно стрела прогиба пластинки;

h - толщина пластинки. Среднее сжимающее напряжение в
наклепанном слое определяется формулой:
(2.56)

Первый метод контроля с двумя пластинками является более
надежным, так как позволяет более точно производить измерения
прел прогиба со стороны необработанной дробью поверхности.

Учитывая все перечисленные обстоятельства, дробеударнос
ун|м>чнение можно эффективно использовать как массовый
|||их|)илактический метод применительно к бывшим в эксплуата-
ции, по сохранившим необходимые размеры деталям. Обработка
Л|юбьк> разко повышает коррозионностойкость в нейтральном
растворе и в соленой воде, устраняет вредное влияние гальва-

Однако не во всех случаях целесообразно использовать
об|»аботку дробью. Так, например, для деталей, подверженных
статическим напряжениям растяжения или сжатия, такая
обработка малоэффективна, так как в этих случаях неибольшис
рабочие напряжения распределяются по всему сечению детали и
роль остаточных напряжений сжатия в поверхностном слое
становится незначительной. Резко повышается предел выносли-
вости у цементированных деталей, подвергнутых обработке

Частично или полностью устраняется при обработке дробью
м|м.'дпое влияние на выносливость металла начальных трещин
усталости: их развитие замедляется или приостанавливается.

Влияние дробеструйной обработки на коррозионную стойкость

Таблица4.3

Влияние дробеструйной обработки на коррозионную
стойкость хромистой стали 45Х

						хг
		МП.	’	мп.		
11«>рмали.чацмя	Воздух	239	1	265	1	10,8
То же	Вода	122		250		104.9
Чикалка и отпуск	Воздух	451	1	599	1	32,8
	Вода	101	4.46	455	1,32	350,5

В таблице 4.4 приведены результаты определения влияния
иерхностного наклепа на предел выносливости углеродистой
Таблица 4.4

Влияние поверхностного наклепа на предел
выносливости углеродистой стали 45 в морской воде

	Предел выносливости fiax жакпххй  107 шало*			
		a S-x	а %	
				НЕ
Шлифованные	255	100	100	39
Наклепанные дробью	297	202	116	79
Обкатанные роликами	282	252	111	99

обработка дробью мало эффективна.

Обработка дробью по сравнению с другими видами провер-
хностного упрочнения имеет ряд технологических и экономиче-
ских преимуществ. Наиболее важными из них являются: высокая

эксплуатации, значительная эффективность процесса. Все это
вместе взятое обусловили широкое распространение этого метода
упрочнения в промышленности.

В настоящее время дробью обрабатывают следующие детали:
клапанные пружины, рессоры автомобилей, шестерни коробок
передач и заднего моста (конические и цилиндрические), пру-
жины подвески, всевозможные валы, полуоси, штанги, шатуны
поршневые пальцы, коромысла клапанов, пальцы, поворотные
кулаки, крестовины кардана, звенья цепей, поршни, картеры,
блоки цилиндров, гильзы, сварные соединения, болты, шпильки,
втулки, подшипники, режущий инструмент, штампы и т.д.

Наиболее эффективна дробеструйная обработка деталей после
цементации, цианирования или после закалки с нагрева токами
высокой частоты. Такое сочетание обработки обьычно называют
комплес-упрочнением.

.Эффективно применение дробеструйной обработки и для
упрочнения зубьев зубчатых колес, нагреваемых под закалку
токами высокой частоты в петлевом индукторе. При такой
закалке у основания зуба возникают остаточные напряжения
растяжения. Дробеструйная обработка способствует устранению
этого недостатка.

Дробеструйная обработка, как и другие способы упрочнения
наклепом, находит широкое применение для повышения надеж-
ности сварных узлов различных машин, особенно работающих в
условиях вибрации. Известно, что отпуск после сварки низкоуг-
Лвродистой стали понижает предел выносливости сварных сое-
динений с поперечным швом, а последующий дробеструйный
Наклеп шва и околошовной зоны значительно повышает надеж-
ность сварных соединений.

Упрочнение дробеструйным наклепом позволяет увеличить
Срок службы сварных швов на 310%, коленчатых валов двига-
телей - на 900%, спиральных пружин - на 137%, рессор - на
JOO %, крупномодульных зубчатых колес - на 1400%. Эффек-
тивность наклепа таких деталей, как листовые рессоры, повы-
шается при обработке нх в напряженном состоянии, совпадающем
с тем, которое имеет место в эксплуатации.

Применение дробеструйного наклепа позволяет повысить
предел выносливости при симметричном изгибе у деталей без
концентраторов напряжений на 20-30%, а у деталей с концен-

траторами на 40-60%.

Эффективность обработки дробью во многом определяется
правильным выбором режима, который устанавливается в зави-
симости от вида дробемета, материала, габаритов, термообра-
ботки деталей, их размера, качества и скорости полета дроби.

Выше были рассмотрены процессы упрочнения сухой дробью,
осуществляемые на дробеструйных и дробеметиых установках.

Наряду с преимуществами обработка сухой дробью имеет
существенные недостатки как эксплуатационные, так и связан-
ные с физическими условиями протекания процесса упрочнения.
К недостаткам последнего относятся:

1)	высокие локальные температуры (до 600-650’С);

2)	относительно высокая шероховатость обработанной повер-

3) активный перенос материала дроби на обрабатываемую
поверхность, особенно опасный с точки зрения коррозионной
стойкости для некоторых цветных сплавов;

4> нестабильность режима упрочнения из-за интенсивного
ииноса сухой дроби.

В последние годы получили развитие разновидности обработки
дробью с СОЖ, лишенные указанных выше недостатков.

Наибо/

интерес



тическое применение гидродробеструйное упрочнение деталей

жидкостью.

Обработка производится на специальных гидродробеструйных
установках эжекторного типа (ГДЭУ).

Эффективно также использование обработки стеклянными
Шираками разнообразных деталей в авиационной, автомобильной,
производстве.

Так например, обработка стеклянными шариками диаметром

вибрационная обработка в среде стальных шариков. Обрабаты-
ваемые детали укладываются в специальные контейнеры и
пересыпаются шариками различного размера. Контейнеры по
мешаются на вибростендах, где им сообщаются низкочастотные

мм), обработка происходит при соударении за счет разности
ускорений движения деталей и обрабатывающей стеды.

Номенклатура деталей, подвергающихся этому виду ППД
охватывает многие отрасли машиностроения.

Пример. На ВАЗе упрочнение пружин обработкой дробью
производится на автоматической дробеметной установке фирмы
“Карло Банфи”, встроенной в поточную линию. Пружина,
скатываясь с подвесного конвейера на вращающиеся в одном

ерез дробен

направлении два

установки, получает от них вращение и перемещается вдоль
камеры с помощью салазок, двух вертикальных и одной гори-
зонтальной вилок. Последние имеют эксцентриковые валы,
которые получают вращение от электродвигателя.

В результате салазки совершают возвратно-поступательное
движение в вертикальной плоскости от эксцентрикового вала
через вилку и в горизонтальной плосткости от эксцентрикового

Дробеметная установка имеет три пары центробежных
крыльчаток, которые расположены в плоскостях под углом +-20"
от вертикальной плоскости, проходящей через ось пружины.

индивидуальным электродвигателем. Дробь в крыльчатке пода-
ется из бункера по трубам. После упрочнения дробь скатывается
в нижний дробесборник со шнековым транспортером, который
обеспечивает сбор дроби в нижней части, откуда дробь транс-
портируется в бункер. В процессе упрочнения дробь разрушается

ром через патрубок, подается в трубопровод н далее в тару.

Для упрочнения пружин подвески автомашины “Жигули"
применяется следующий режим:

диаметр крыльчатки



80 с;

0 0,6-0,8 мм;

3000 0,017 с’1

400 мм;
частота вращения пружины

скорость продольного перемещения

0,017 м/с;

стрсла прогиба контрольной пластины 46—47,0,38—0,52 мм.
76x19x1,2 мм из стали У7.НИС,

В результате упрочнения изменяется как качество поверхно-
стного слоя, так и геометрия пружин.

Например, у пружины передней подвески (диаметр проволоки
№ стали 60С2Г, 0 13 мм) после упрочепеиия наружный диаметр
уменьшается до 1 мм (D = 117-116 мм) а длина в свободном
состоянии увеличивается до 2 мм (Н - 390-392 мм), что
объясняется действием неравномерного распределения остаточных
Напряжений сжатия, выэникающих при упрочнении по внутрен-
ней и наружной поверхности полного витка. Твердость пружин
ИКС, после упрочнения повышается от 42—44 до 45—46. В то
я время шероховатость поверхности Rz ухудшается от 3,2—10

сортируются по жесткости.

Обработка дробью повысила надежность пружин более чем в
* раз.

2. Гидродробеструйное и пневмодинамическое упрочнение

Розиовидностью дробеструйной обработки является гидродро-
беструйное упрочнение. Рабочей средой служит трансформатор-
ное масло в смеси с подшипниковыми шариками. Способ широко
Применяется для упрочнения витых цилиндрических пружин,
надежность котолрых повышается в результате обработки в 7-8
цяз. Релаксационная стойкость пружин возрастает при этом в

Сущность способа ГДУ заключается в обработке деталей
стильными шариками диаметром 0,6-1,0 мм, эжектируемыми
подающейся под давлением смазывающе-охлаждающей жидко-

Для осуществления этого способа разработан тип установки -
еидродробеструйная эжекторная установка ГДЭУ. Обрабатыва-
ямую деталь устанавливают на шпинделе, разделенной сеткой

на две половины. В сетке
полостей - смазывающе-oi

ки), в одной из
В другой уста-

нонлспо сопло-эжектор (от одного до нескольких десятков). В
него насосом подается струя смазывюще-охлаждающей жидкости,
которая подхватывает дробь и направляет ее на обрабатываемую

пг дроби сеткой жидкость сливается по патрубку в бак. Фильтр,
расположенный в баке, отделяет мелкие частицы материал !
детали, образующиеся при “шелушении" поверхностного слоя, и
изношенные дробинки, прошедшие через сетку. Затем носос снова
засасывает жидкость, и процесс продолжается.

Гидродробеструйный способ упрочнения - процесс, отли
чающийся от дробеструйного следущими преимуществами.

с) остаточные напряжения только сжимающие, равные 400 
500 МПа, и, как правило, нс имеют практически подслойного
максимума, глубина их распространения 180 + 200 мкм.

б)	сравнительно низкая шероховатость (Ra = 125 + 0,16 мм>
поверхности сохраняется, высокая (Ra=10+ 2,5 мкм) повышается

в)	микрогеометрия улучшается, так как радиусы закругления
впадин (лунок от шаров) и выступов, определяющих опорную
поверхность, увеличиваются;

г)	предел выносливости повышается на 15 + 20%;

температуры в зоне контакта и наличием изоляции поверхности
нога слоя детали от атмосферы напрерывной жидкостной плеп-

е) на деталях из цветных металлов практически отсутствует
вкрапление частиц железа, что определяется высокой прочностью

наличии разделительной прослойки СОЖ.

деталей, прошедших гидродробеструйное упрочнение, выше, чем
после упрочнения сухой дробью. Это подтверждается тем, что
предел выносливости деталей, прошедших ГДУ, выше, чем после
ДУ.

Качество деталей более стабильно, так как:

I)	поле рассеяния показателей качества деталей после
процесса ГДУ меньше, чем после ДУ;

2)	размеры и микрогеометрия у точных инструментов прак-
тически ие изменяются (например, у модульных, затылованных
фрез), что обеспечивается отсутствием сухого трения, адгезион-
ного эффекта, усиленного шелушения и других причин возмож-

ДУ.

Таким образом, повышение и стабилизация качества деталей

при ГДУ

для широкого применения этого

метода обработки в промышленности как более качественного и
надежного.
установки (ГДЭУ) имеют

ИРУЙиыми элеваторными установками.

По стабильности качества упрочнения; применяют наиболее
ИЧвствсппый вид инструмента - шарики от подшипников со
ФМплмппюще-охлаждающей жидкостью. Высокая стабильность
режима упрочнения обеспечивается за счет выдерживания с
Милыми отклонениями (0,5 - 10* Па) постоянного давления
ИДк<х'ти, размеров шариков (до 5%) и заданного времени
упрочнения с помощью реле времени, отключающего насос.

II связи с тем, что минутный расход дроби через каждое
еопло-эжектор составляет более 500 Н/мин и в несколько раз
(волге пяти) превышает подобные данные для дробеструйных
установок, условия, обеспечивающие равномерность упрочнения,

Стойкость шариков от подшипников при работе с трансфор-
маторным маслом в тысячи раз выше, чем у дроби при ДУ. В
результате, несмотря на высокую стоимость шариков по сравне-
нию с литой дробью, использование их обходится в несколько
рва дешевле. Стойкость сопл ГДЭУ исчисляется годами при
двух трехсменной работе. Повышение стойкости объясняется
Исключением сухого трения дробинок как между собой, так и о

во контролю процесса упрочнения: введен визуальный конт-
риль работы всех сопл-эжекторов по отпечаткам струй рабочей
(рецензии на прозрачной крышке установки, что особенно важно
дим миогосопловых установок.

Но производительности: например, установка модели ГДЭУ-
ЛК обеспечивает одновременное упрочнение шести лопаток
компрессора, каждая тремя соплами в течение 8 мин, т.е. для
Каждой лопатки Тшш" 1,3 мин при незначительном вспомога-

(шитом времени, а на ГДЭУ-П

для упрочне-

иия пружин в поточном производстве, предусмотрено уменьшение
тнкта выпуска деталей почти в 2 раза при увеличении энсрго-
МПЩНОСТИ установки от 132 кВт, которая имеется на сущест-

вующсй дробеметной установке i

I Carlo

II ГДЭУ искл

и воздухоосуши-

тельные устройства. Упростилась задача по автоматизации
п)юцссса дробеструйного упрочнения, так как питание приводов
для перемещения детали относительно сопла и вращения инди-
видуального насоса осуществляется от одного источника -
электросети. Дальнейшая разработка конструкции этих установок
обеспечивает возможность создания гидродробеструйных автома-
тов с применением их в автоматических линиях, в том числе с
применением копировальных устройств.

Обл

ГДЭУ трудно ограничить

в настоящее время на них упрочняются в серийном производстве
такие разнохарактерные детали, как лопатки компрессоров из
титановых и алюминиевых сплавов, стальные шестерни, трубоп-
роводы, пружины, шатуны, крупномодульшяе крупногабаритные
шестерни, режущий инструмент.

Применение ГДУ шариками с СОЖ дает возможность вместо

а в ряде случаев

ухудше

мкм до R,=2.5 + 1,25 мкм. Это позволяло наряду с дальнейшим
повышением выносливости деталей применять процесс обработки
дробью как окончательную операцию, без дополнительной пол-

малой, например, лопаток компрессора из титановых и алюми-
ниевых сплавов (R„=0,63 + 0,16 мкм после ГДУ), трубопроводов
(R,= 125 ♦ 0,32 мкм), модульного инструмента (R, = 0.32 + 0,16

Режим ГДУ в конечном счете определяют следующие Крите-

1)	кинетическая энергия дробинки Э перед ударом о деталь

2)	вид и толщина слоя жидкости между шариком и деталью,

3)	приведенный диаметр поверхности внедряемой части
дробинки;

4)	число ударов, приходящихся на единицу площади детали.
Эффективность метода обусловливается следующими его

а)	упругий удар,

слой от разрушения и обеспечивает его боле мелкодисперсную,
равномерной плотности текстуру;

б)	микронеровности поверхности сглаживаются потоком жид-
кости-ускорителя и чистота поверхности улучшается;

в)	грязь и другие инородные частицы с поверхности детали
удаляются потоком жидкости-ускорителя, и таким образом.

г)	поглащается тепло, выделяемой жидкостью-ускорителем
при ударе дроби (шариков) об упрочняемую поверхность,
благодаря чему сохраняются достигнутая наклепом величина и
НИй по глубине наклепанного слоя.

Номенклатура упрочняемых деталей гидродробес

дятйли с местными концентраторами напряжений типа сварных
швом, надрезов, галтелей, занижений толщин стенок и т.д.

Об эффективности упрочнения судят (предварительно) по
величине схождения концов разрезанного контрольного кольца

|>и наклепе нарул
Основными пара

требуемой качество поверхности детали,

- расстояние от кромки насадки до упрочняемой поверхности

	время упрочнения;

•	угол атаки потока рабочей среды;

-	расход жидкости-ускорителя;

-	диаметр насадки Фя;

-	диаметр дроби Фш;

В качестве жидкости-ускорителя можно применять эмульсию
( коэффициентом кинематической вязкости |1 - 1,06-1,08

сода кальцинированная
нитрид натрия
Х|ЮМПИК
глицерин

- 0,15-0,25%,
- 0,15-0,30%,
- 0,25 ♦ 0,35%,
- остальное.

мирителя не оказывает коррозирующего влияния на металл
ун|и>чняемой детали и рабочего тела (стальные шарики). Ис-
пользование трансформаторного масла в качестве жидкости-ус-
корителя несколько снижает кинетическую энергию потока дроби,
нп что указывает меньшая деформация контрольных колец.
Кроме того, образование вредных паров в рабочей камере в
процессе работы гидродробеструйной установки создает небла-
гоприятные санитарно-гигиенические условия для оператора.

Наклепанной слой образуется в течение первых 4 минут
обработки. Дальнейшее увеличение времени обработки на степень

наклепе в течение 20 минут может произойти некоторое
шелушение поверхности, что указывает на перенаклеп поверх-
ностного слоя.

Кинетическая энергия потока дроби варьируется диаметром
насадки Дн. С уменьшением диаметра насадки эффективность
наклепа увеличивается. Однако при диаметре насадки менее 18
мм (диаметр сопла Фс - 20 мм) резко падает производительность
процесса обработки, а при диаметре насадки, равном 14 мм.
подача шариков из эжекторной камеры через насадку происходи!
неустойчиво, импульсами по одному с большой скоростью. При
этом шероховатость поверхности повышается, покрытие поверх
пости отпечатками шариков становится неравномерным, с боль
шими пропусками. При выборе диаметра насадки, кроме шеро
ховатости поверхности и полного равномерного покрытия ее
отпечатками шариков, учитывается также и ширина пятна
контакта факела распыла. С увеличением диаметра насадки

этом несколько падает скорость потока рабочей среды.

Фс (Фс - диаметр сопла).

Размер пятна контакта потока рабочей среды в значительной
степени зависит от угла атаки, с уменьшением которого
происходит увеличение пятна контакта. Однако при этом проис-

ходит ун

сти поверхностного слоя

наклепом. Оптимальное значение угла атаки по степени на-
сыщенности поверхностного слоя наклепом находится в пределах
80-90°.

Гвдродробеструйная обработка повышает надежность почти в

Оптимальный режим наклепа гидродробеструйной обработкой
тонкостенных деталей (с толщиной стенки 1,5-2% 6 мм):

 180 мм;
80-90";

1,5-3,2 мм (смесь);

160 278 106 м3/с;

1 = 4 мин;	Ф„ " 35 мин; Фс “ 20 мм.

Гцдродробеструйный наклеп при оптимальных параметрах
режима упрочнения является эффективным средством повышения
качества надежности хак массивных, так и тонкостенных деталей,
работающих в условиях больших циклических нагрузок.

Пример. На ВАЗе организовано ГДУ пружин на эксперимен-
тальной гидродробеструйной эжекторной установке ГДУ-7П.

ГДУ повышает не только надежность пружин в 1,4 раза, а
при г - 0,37 в 4 раза по сравнению с существующей технологией,
но и повышает их релаксационную стойкость.

Повышение надежности и релаксационной стойкости пружин
при ГДУ объясняется созданием остаточных напряжений сжатия
практически без подслойного максимума, значительным улучше-
нием шероховатости поверхности пружин R, до б,3-3,2 мкм
вместо 20-40 мкм, улучшением микрогеометрии дна лунок,
определяемых микрогеометрией поверхности шариков.
3. Пневмоги

Для упрочнения деталей и улучшения шероховатости повер-
хности изделий малых габаритов нашел применение пневмогид-
родробеструйный метод обработки. Сущность этого метода за-
ключается в том, что струя суспензии, состоящая из сжатого
воздуха, дроби и жидкости, направляется на обрабатываемую
поверхность. По сравнению с дробеструйным, эти установки
обладают меньшими габаритами, весом и улучшенными услови-
ями труда (продукты износа собираются в специальные ванны).
Срок службы этих установок увеличивается в десятки раз.

Конструкция гидродробеструйной эжекторной установки
представляет собой быстроснимающуюся приставку к горизон-
тально-фрезерному станку.

Интенсивность упрочнения определяется по прогибу пластин,
которые возникают после одностороннего упрочнения. Надежным
критерием эффективности работы различных установок является
прогиб пластин. На шероховатость поверхности при дробеструй-
ной обработке влияет сила удара дроби, которая зависит от
давления воздуха, размеров дроби и расстояния от сопла до
детали. При наличии жидкости удар смягчается за счет наличия
жидкой пленки.

В результате этого шероховатость поверхности улучшается с

В промышленных установках камера с эжекторами устанав-

поступательное движение относительно вращающихся деталей.
Сжатый воздух к соплам эжектора подается от воздушной сети,

стся за счет нагнетания ее в помпу.

Для деталей, имеющих сложную геометрическую форму, в
качестве упрочняющей обработки в промышленности широко
применяется пневмодробеструйный наклеп.

Основные критерии поверхностного слоя после упрочнения -
глубина наклепа и сплошность покрытия всей поверхности
отпечатками определяются только величиной кинетической энер-
гии шарика в момент удара об обрабатываемую поверхность и
длительностью процесса обработки.

Установлено, что при ударном воздействии шарика диаметр
отпечатка вначале возрастает с каждым новым ударом и
достигает наибольшей стабильности величины после определен-
ного количества ударов.

При проектировании технологического процесса ГДЭУ необ-
ходимо установить расстояние от среза сопла до детали, состав
|шбочей суспензии, расход шариков и жидкости через сопло;
1)	расстояние от среза сопла до обрабатываемой поверхности
1 = 200± 50мм;

2)	рабочая суспензия - стальные шарики диаметром 1,6 1
0,1 мм и трансформаторное масло; допускается в масле содер-
жание во взвешенном состоянии металлических частиц не более
0,01%;

ливастся для конкретной установки при рабочем давлении Р )
Gw ± ЗОН/мин.Ож ± 5  16,7 • 10"4 м3/с; количество шариков в
камере должно быть постоянным для каждой установки.

Расход жидкости Ож измеряется только в процессе доводки
и запуска новой установки для оценки равномерности работы
всех сопел, данные заносят в паспорт установки. Расход шариков
б,,, измеряется при установившемся режиме по Рж с помощью

накладного сетчатого расходомера в течение Т •



шариков устанавливают при отладке установки, исходя из
условий обеспечения (при одновременной работе всех сопел)
наличия дроби около каждого сопла и отсутствия загромождения
сеток. Установленную величину Ущ записывают в паспорт
установки. Шарики просеивают через два сита со сверлеными
отверстиями диаметром соответственно больше и меньше номи-
нального диаметра шариков на 0,1 мм. Номинальный диаметр
шариков разрешается применять больших размеров, чем указано
выше, соблюдая следующее условие:

2 г выкружки г.|«

D шариков (номинальный) ~

При отсутствии шариков малого диаметра (D £ 1 мм)
допускается применение стальной литой или рубленой дроби
такого же диаметра, при этом необходимо учесть, что качество
упрочнения будет хуже.

Изменяемые параметры режима ГДУ задает технолог для
каждой конкретной ГДЭУ, исходя из условия обеспечения

тали. К ним относятся:

1)	давление жидкости Р - определяют исходя из условия
получения заданного прогиба контрольных пластин КП-70Э,
упрочненных дробью с одной стороны, с измерением до и после
обработки на контрольном столике. Величина прогиба пластин в
свою очередь фиксирует режим упрочнения экспериментальных
шестерен или образцов из материала детали, которые в резуль-
тате испытаний на вибаростендах или на износ показали
наилучшие результаты. Прогиб пластин КП-70Э на установлен-
ном давлении жидкости f = 1.1 +0.15мм.
Рсжим по давлению жидкости на новой установке определяют
следующим образом: подготавливают восемь пластин КП-70Э.
Первую пластину устанавливать против сопла по центру на
расстоянии 1и упрочняют в течение 1=2мин. При выдерживании
давления жидкости перед соплом Р - 4 МПа; на этом же режиме
упрочняют и вторую пластину. Следующие пластины нужно

- и,Об И 1U
По полученным

МПа по две штуки,

дпнным строят график зависимости f = f (Ря). Из номинального
значения заданного прогиба на шкале f провести горизонтальную
линию до пересечения с построенной кривой. Точку пересечения
проектируют на ось абсцисс и определяют номинальное давление,
обеспечивающее на данной установке заданный прогиб, которое

2)	время упрочнения Т - задают исходя из условия упрочнения
элементарного (каждого) участка детали в течение оптимального
времени, установленного экспериментальным путем или теоре-

3)	относительное положение сопел и детали’, при выборе
положения детали относительно сопел или наоборот необходимо
стремиться к тому, чтобы угол был наиболее близким к прямому.
После выбора позиций вычерчивают карту технологической
наладки упрочнения.

Время упрочнения каждого участка поверхности детали
определяется аналитически по соотношению:

(2.57)

где — - отношение длины детали к диаметру ядра струи дроби,

kj - коэффициент, учитывающий равномерность перемещения

сопла относительно детали; для привода в виде
винтового, кулачкового и тому подобных механизмов
L * 1, для кулисного kj - 13;

k<p - коэффициент учитывающий неравномерность кривизны
сторон детали, упрочняемых при вращении, для пла-

кг - коэффициент, учитывающий вращение детали, к;=4.для
невращающихся деталей к, = 1.

Давление жидкости Рж на установках ГДЭУ, замеряемое
перед коллектором, непосредственно соединенным с форсунками

упрочнения
параметров.

Давление необходимо оценивать или устанавливать исходя из
условия обеспечения заданного прогиба стандартных КП, упроч-
ненных с одной стороны в условиях обработки детали.

На шероховатость поверхности при гидродробеструйной
обработке влияют сила удара дроби, зависящая от давления
воздуха, диаметра дроби, расстояния от сопла до детали и т.п.,
и форма дроби. Например, при Р - 0,4 МПа стальная дробь в
виде цилиндриков диаметром 0,8 мм обеспечивает шероховатость
поверхности деталей из ВТЗ-14 - Rz=20mkm, а стальные шарики

10 мкм. Чугунная дробь диаметром 0,5-0,8 мм в первые несколько
часов упрочнения детали обеспечивает такую же чистоту повер-

хности, как и стальная дробь,

10 мкм. При более

снижается. При проектировании технологического процесса в
качестве рабочей жидкости преимущественно нужно применять
эмульсию. Машинное масло, хотя и обеспечивает несколько
лучшую чистоту поверхности, чем эмульсия и содовая вода, но
его вредные пары загрязняют рабочее помещение.

В настоящее время преимущественно следует применять дробь
диаметром 0,5-0,8 мм. Для упрочнения деталей, имеющих
канавки или пазы радиусом 0,5 мм, рекомендуется дробь
диаметром 0,2-0,3 мм.

Технологические параметры обработки следующие.

Расстояние от верхней кромки сопла до поверхности детали
200 ± 100 мм. Рабочей суспензией должна служить стальная
дробь диаметром 0,5-0,8 мм + эмульсия. Количество загружаемой
дроби должно быть таким, чтобы уровень дроби во время работы
не опускался ниже верхних кромок окон корпуса сопла. Жидкость
в камере должна находиться на уровне верхней кромки сопла
±	10 мм. Расход дроби и жидкости замеряют при помощи

дробесборника, представляющего собой герметический ящик с
сетчатой крышкой для отвода воздуха, присоединяемый резино-
вым шлангом к соплу-эжектору (длина шланга не превышает
1,5 м, внутренний диаметр 22 мм). Например, при давлении Р
- 2 МПа расход дроби составляет 6 кг/мин, расход жидкости -
2,5 л/мин.

Длительность обработки детали определяется следующим
образом:
тгюн^ ,
2а dj
где Т - время обработки, мин;

I - длина упрочняемой детали, мм;

I - оптимальное время обработки каждого участка, опреде-
ляемое при обработке контрольных пластин, мин;

2а - угол поворота обдуваемой плоскости вращающейся
детали к струе дроби, при котором дробеструйное
упрочнение наиболее эффективно atp - 45";

противоложных повер-

К - коэффициент разности кр

хностей детали (для плоских пластин и тел вращения

h - коэффициент, учитывающий равномерность скорости
перемещения сопла относительно детали. При нулевой

тельно детали h = 1. При переменной скорости пере-
мещения (по закону синуса) время подсчитывается с
учетом условия обеспечения упрочнения каждого уча-
стка детали в течение не менее двух минут, при этом

ного технологического процесса

Для

должны быть приняты следующие параметры пневмодробеструй-
ш>й обработки:

-	коэффициент лобового сопротивления Сх « 0,48;

-	коэффициент расхода сопла ц - 0,65 (для сопла диафраг-
менного типа);

-	скорость истечения воздуха из сопла Vo - 317 м/с
(критическая скорость истечения воздуха из сопла диафрагмеи-

ного типа при абсолютной температуре в котл
- средняя плотность воздушного потока pq

288* К);

кг/м3, для

давления воздуха на входе в камеру, равного 0,6 МПа;

-	диаметр сопла а = 0,025 м;

-	половина угла рассеяния воздушного потока а - 4*;

-	диаметральное сечение шарика 8Ш  0,49 • 10'5 м2 (для
шарика диаметром 2,5 мм);

-	масса шарика т = 0,649- 1О’$кг;

-	расстояние между обрабатываемой деталью и соплами I =
250 мм.

В качестве рабочего тела применяют стальные, чугунные
Давление воздуха 0,4-0,6 МПа, время обработки соответст-
венно при вращении и без вращения детали для алюминиевых
сплавов 2,5 и 8 мин, для сплавов сталей 5 и 20 мин, для
титановых сплавов 6 и 24 мин; расстояние между соплом и
обрабатываемой поверхностью I = 300 мм, приведенный диаметр
сопла Д =0,03 м, весовая загрузка шариков 4-6 кг.

На ВАЗе был разработан следующий оптимальный режим
упрочнения ГДУ:

давление масла Р - 0,6 МПа;

время упрочнения на расстоянии 250 мм от среза сопла t =

угол атаки - 90'.

При упрочнении в этом режиме степень наклепа для стали
Р6М5 составила 36,3%, для стали Х12МВ - 40,2%, высота
неровностей увеличилась у стали Р6М5 от 0,24 до 0,28 мкм, у
стали Х12МВ - от 0,19 до 0,25 мкм.

Результаты

в прессовом производ-

стве ВАЗа штампового инструмента, упрочненного в указанных

1.	Стойкость пуансонов на операции отбортовки крышки
картера рулевого управления 2101-3401047 увеличилась от 500
до 15000 ударов.

2.	На операции пробивки кожуха сцепления 2101-1601125
стойкость пуансонов увеличилась от 3000 до 70000 ударов.

3.	На операции чеканки, формовки, отрубки и отрезки сухаря
клапана 21-1-1007028 стойкость матриц увеличилась от 30...50
тыс. до 110...200 тыс. ударов.

Ка-

ткой

дробью (ОД), включающего такие способы дробеструйной обра-
ботки (ДО) как дробеструйная, дробеметная и т.п., явилось
введение СОЖ в зону ГДО.

Теоретические и экспериментальные исследования процесса
удара шаром при наличии смазки (ГДО) и при сухом трении
(ДО) показали, что на эффективность процесса ОД существен-
ную роль оказывает динамический коэффициент трения при

прямом ударе шаром Ц,.

Так, при ГДО по сравнению с ДО (для
шара и скорости удара об образцы из с
титанового сплава в среднем):



1)	величина меньше в 6 раз, а энергия удара, затрачива-
емая на преодоление трения в зоне контакта, в 2 раза,

2)	объем пластически деформированного металла в зоне лунки
на 31% больше, при этом высота валка около лунки меньше на
К1%, глубина лунки и радиус закругления валка больше,

3)	мгновенная температура в зоне контакта до глубины -
0,112 hH значительно меньше <- в 2 раза), так как определяется
в основном энергией, затрачиваемой на трение, в то же время
м большей глубине мгновенный нагрев почти одинаков, незна-
чителен, происходит только за счет пластической деформации

4)	зона пластически деформированного металла ограиичива-
втси поверхностью, близкой к сферической, а при ДО - к
параболической, при этом она по глубине меньше на 16%, а по
диаметру больше на 13%;

51 коэффициент подслойного максимума остаточных напря-
жений почти на порядок меньше;

6) удельная экспозиция при величине равномерности толщины
наклепанного слоя C/h„ & 10% уменьшается на 40%;

8)	величина к.п.д. процесса, равная отношению работы
пластической деформации металла в зоне лунки к кинетической
виергии шара, выше на 32%;

9)	надежность деталей повышается более чем в 2 раза.

В результате к определяющим ранее процесс ОД параметрам
(диаметр и масса шара, скорость удара и удельная экспозиция),

Наибольшее влияние на твердость деталей после упрочнения
оказывает исходная твердость, наименьшее - величина нормаль-
ной силы деформирования, а остальные факторы несущественны.
Следовательно, и разброс значений исходной твердости влияет в
наибольшей степени на формирование твердости деталей после
упрочнения.

Величину давления в контакте инструмента с деталью следует
увеличивать до значений, обеспечивающих получение максималь-

а контакте инструмента с деталью, а значит и нормальная сила
Сформирования, обычно назначается по среднему значению
исходной поверхностной твердости. Этому давлению соответст-
вует среднее число циклов нагружения, испытываемых каждой
точкой поверхности по линии контакта инструмента и детали в
нагружения п определяются по формулам:

(2.58)

где Р„ - нормальная сила деформирования;

R - радиус инструмента;

h - глубина внедрения инструмента в деталь;

v, - коэффициент, учитывающий увеличение длины контакта
инструмента с деталью при переходе от статистиче-

ского внедрения к качению и изменяющийся
симости от исходной твердости материала;

S - подача упрочняющего инструмента;

1К - длина контакта инструмента с деталью.

Глубина внедрения h инструмента в деталь при прочих равных
условиях зависит от исходной твердости материала.

Поэтому, если учесть, что максимальный наклеп материала
определяется сочетанием оптимального давления в контакте с
оптимальным числом циклов нагружения, т.е.
A HV^,, = f (gonT: hQm). то разброс исходной твердости деталей в
пределах партии приведет к отклонению и от оптимальных
значений, а значит, и к разбросу твердости после упрочнения.

Отсюда следует, что при прочих равных условиях, макси-
мальное упрочнение деталей с минимальной исходной твердостью
в пределах партии может быть достигнуто при меньших средних
давлениях по сравнению с давлениями, необходимыми для
максимального упрочнения деталей с наибольшей исходной
твердостью, что подтверждается экспериментом.

Таким образом, для получения оптимального наклепа в
пределах всей партии деталей величина нормальной силы



раться в соответствии с исходной

твердостью упрочняемых деталей.

Иначе говоря, необходимо обеспечить управление силой
деформирования в функции вида Р„ “ f (HV т).

Величину исходной твердости деталей в процессе упрочнения
можно косвенно оценить путем измерения величины внедрения
упрочняющего инструмента в деталь и по результатам этого
измерения управлять величиной усилия.
4.	Надежность шариков в гидродробеструйных установках

Несмотря на то, что после гидродробеструйной обработки
(ГДО) шариками с СОЖ качество деталей лучше, чем после
дробеструйной обработки (ДО) сухой дробью, особенно литой
Чугунной или стальной (после ГДО предел выносливости деталей
ДМшо, чем после ДО более чем на 30%, надежность - в 1,5-4
(Ийл, шероховатость ниже в 2-3 раза и т.д.), на некоторых
мводих нс внедряют более предовой процесс ППД из-за высокой
ГТоимости шариков по сравнению со стоимостью обычной дроби.
Однако вследствие усиленного износа дроби при сухом трении и
Повышенных скоростях соударения (Vy > 50 м/с) удельная
Ионмость шариков, входящая в стоимость упрочняемых деталей,
При ГДО в 20-80 раз меньше, чем стоимость дроби при ДО.

Ниже приводится теоретико-вероятностная оценка надеж-
ности шариков, используемых в гидродробеструйных эжекторных
установках ГДЭУ, где из-за применения в качестве СОЖ
минимального масла и наличия полужикостного трения перенос

гмсмптнзацим условной задачи рассмотрен случай упрочнения
плоской поверхности детали, где все удары шариками в потоке

(2.59)

площадь области контакта шарика с упрочняемой

К - радиус шарика;

г - радиус круга остаточной деформации;

с - степень деформации, £ = — = —;

q - коэффициент, учитывающий несплошность укладки
отпечаток лунок на поверхности шарика, q • 0,8.

Для выхода шарика из строя необходимо, чтобы он N раз
ударился об упрочняемую поверхность J-тым участком. При этом
пл рассматриваемом участке будет наблюдаться пульсирующий
цикл контактных напряжений. На основе уравнения наклонной
rtrwiHw кривой усталости типа кривых Веллера и полулогариф-
мических координатах получим

(2.60)
ar - предел выносливости при испытании на заданной базе
14,- циклов;

m - показатель степени кривой усталости;

Nj - число циклов до разрушения шарика,

Наибольшие напряжения а., возникающие в зоне контакта
при ударе шариком об упрочняющую поверхность, определяются
по формуле Герца-Беляева. Колебаниями, вызванными соударе

нием, пренебрегаем. Формула для ел;
следующий вцд:

(2.62)



Е - модуль упругости;

R - радиус шарика.

Учитывая, что в данном случае рассматривается упруго-пла-
стическая задача, энергию, затрачиваемую в конечном счете на

создание пластической осп

(лунки), можно

оценить в первом приближении в виде площади фигуры под
кривой «Р-Х», близкой к параллелограмму, как

где X -

глубина остаточной лунки, Х=

Примем энергию пластической деформации Э
приближении равной энергии удара Эу, тогда

Э,=^(1-К2)=РХ.

в первом

(2.63)

где Vy - скорость шарика перед ударом о тело;

Кв - коэффициент восстановления.

Решив уравнение (2.63), получим после соответствующих
подстановок следующее выражение для оценки величины Р,
входящей в формулу 2.62:

P=O,llDyVj(l -К2) Г2.

Подставив его в формулу 2.62, получим формулу для
определения наибольших напряжений в зоне контакта шарика:

Oj= O.XHvJa-Kjje-’iE2 •

(2.64)
Исходя из теории вероятности вычислим количество ударов
Нориком об упрочняющую поверхность, из которых раз шарик
Mlpwica одним и тем же участком. Так как удар каждым из

(Мрикв применяем прием, который называется непосредственным
ИНДСчстом вероятности.

количество участков;

Определим математическое ожидание М количества ударов,

М которых j-тый участок деформируется N, раз
M=Nj/Pj=N.i.

В первом приближении принимаем

(2.66)

Подставим количество ударов, произведенное в
рабочего дня каждым шариком через выражение

(2.67)
течение

(2.68)

g - количество деталей, упрочняемых в смену;

I - время упрочнения одной детали;

С - цикличность работы каждого шарика, равная
G/Q;

С - производительность одного дробемета, кг/мин;

е - коэффициент, учитывающий временный выход части
шариков из работы, е > 1;

К - коэффициент, учитывающий соударения отраженных
шариков, можем, наконец, определить время, в течение
которого каждый шарик работоспособен в (днях):



(2.69)

Подставив в выражение 2.69 значения пи М из формул 2.66
и 2.67, п5 из 2.68, Nj из 2.61, 8j из 264, получим общий вид
формулы для оценки долговечности шариков при непрерывной
/юботе их на ГДЭУ:
4N0o^5lm-3l/3'1

(2.7111

bgtCeK[0.025V3(l -К3УгЕ2)4

Уравнение 2.70 рекомендуется использовать при технологи
ческих расчетах норм необходимого количества шариков Д'ы
осуществления процессов ГДО в производстве.

5.	Упрочнение микрошариками, стеклянными и ледяными
шариками

Для лопаток компрессора среднего и высокого давления

предпочтительнее



менять обработку микрошариками (УМШ), обеспечивающим
небольшую толщину упрочненного слоя с максимумом ежи
мающих остаточных напряжений у поверхности. Заданный
уровень напряжений обеспечивается режимом обработки, перс
наклеп кромок исключается их притенением и прикрытием.

Применение новой технологии отделочно-упрочняющей обра
ботки позволило повысить предел выносливости лопаток КОД и
КВД на 1О...ЗЗ% по сравнению с серийной.

В случае единичного производства основное направление при
реализации методов ППД - обеспечение максимальной универ
сальности.

Так, например, используется установка дробеметкого типа
для упрочнения деталей микрошариками, которая имеет реверс
вращения дробемета и оснащена специальной поворотной головкой
для вращения детали в различных плоскостях. На этой установке
можно упрочнять диски диаметром до 700 мм, внутренние и
наружные поверхности колец диаметром от 500 до 1000 мм.
штуцера, валы и др. детали, а также узлы.

При упрочнении деталей из специальных сплавов, в частности.
титановых и магниевых сплавов используют пневмодробеструй
ную обработку. В качестве дроби при этом применяются
стекло-шарики, диаметром 0,8-1,2 мкм, исключающие коррозии»
обрабатываемых деталей, имеющую место при использвании
стальной дроби из-за возникновения гальванической пары Fe-Mg.
В результате обработки на поверхности создаются сжимающие
остаточные напряжения, улучшается шероховатость поверхности
по сравнению с обработкой стальной дробью, повышается

Разновидностью дробеструйной обработки является обработки
потоком ледяных шариков. Она применяется для деталей и •
легких сплавов для предотвращения повреждения поверхности,
которое может возникнуть при обработке стальной дробью,
разрушающейся в результате многократного использования.
И клмсру, оснаще»

установкой, подается

МММ, которая охлаждается, гранулируется н специальным уст-

(••iiuiix в условиях изгиба с кручением.

GxIr/ixaHoe способа: индукционный нагрев детали и охлаж-
*жиг. совмещенное с пластической деформацией ледяными

MapiMK была достаточной для достижения заданной степени
ЙЫ|к1|1млцни. При контакте с нагретой поверхностью ледяной
BMpiiK гнет и быстро охлаждает ее. В результате структурных и
•Кинических преобразований достигается повышение физико-
•ниинчсскнх свойств деталей - деформирование повышает точку

IMI высокую твердость, износостойкость поверхности в сочета-
нии с пластической сердцевиной, повышение сопротивления
ИТалости на 25-30%. Способ применяется при обработке тел
•(Мщения, плоских и фасонных поверхностей.

6.	Пневмодинамическое упрочнение

Одним из наиболее простых, экономических и универсальных
•толов упрочнения ППД является пневмодинамическое упроч-
Нкпнс <ПДУ).

' )тт метод позволяет выполнять местное упрочнение отдель-
ных концентраторов в деталях на стадии опытного производства
• первых серийных изделий, когда отсутствует необходимое

Местное упрочнение обеспечивает обработку затененных мест
И слабо обработанных участков при общем упрочнении деталей.

Местное упрочнение ПДУ является также эффективной мерой
НИ восстановлению нарушенного упрочненного слоя в условиях
МРППТ1ЮЙ сборки, после снятия уставшего слоя металла в зонах
•ннцептраторов напряжений в условиях эксплуатации и ремонта

Пи основании проведенной классификации конструктивных и
типологических концентраторов напряжений в зависимости от
марки материала деталей, геометрических форм и размеров
мгмеигов поверхностей разработаны простые по конструкции и
пЙ1Лиые в эксплуатации устройства для местного упрочнения.
Ни устройства изготавливаются двух типов' стационарные и в
•чде пневмопистолетов. Пневмокамсры изготавливаются из
налей, алюминиевых сплавов и неметаллов в зависимости от
1К11бсн1юстей и условий выполнения местного упрочнения.
В зависимости от марки материала деталей и особых условий
полнения местного ПДУ в качестве рабочей среды примени

шарики из алюминиевых сплавов диаметром 2,5-4,5 мм.

Упрочнение производится при давлении сжатого воздуха,
подаваемого в устройство, 245-441 кПа.

Продолжительность процесса упрочнения составляет от 1 дп

10 мин

Каче

упро

ия контролируется по величине проги(м
где это возможно - по эталонам качество

образцов-свидетелей,

упрочнения и соблюдением режимов обработки.

Разработанные пневмоустройства обеспечивают упрочнение
отверстий диаметром от 6,5 до 500 мм, вырезов эллипсной и
прямоугольной формы размерами от 36 х 72 мм до 280 х 500
мм, колодцев, сопрягаемых радиусных поверхностей на проуши

ниевых сплавов в 1,4-2,5 раза, из сталей в 3,5-6,6 раза.

Применение местного пневмодинамичсского упрочнения в
условиях эксплуатации изделий и их ремонте позволит сократить
простой изделий, связанные с заменой деталей, отработавших
свой ресурс.

Оборудование.

В зависимости от механизма сообщения кинематической
энергии дроби дробеструйные установки подразделяются на
гравитационные, эжекторные и механические.

Гравитационные установки, в которых кинетическая энергия
дроби сообщается силой земного притяжения, в конструктивном
отношении являются громоздкими, малоэффективными, с низкой
производительностью и не нашли широкого распространения в
промышленности.

за счет эжектирования ее воздухом или жидкостью. На этом
принципе их подразделяют на пневматические, пневмогидравли-
ческие и гидравлические.

В пневматических установках обработка осуществляется сухой
стальной или чугунной дробью диаметром 0,9-0,6 мм. Скорость
полета дроби достигает 70 м/с. При этом получалась глубина
наклепанного слоя 0,2-0,5 мм, шероховатость поверхности Rt =
40-20 мкм. В технологии машиностроения дробеструйные установ-
ки, работающие сухой дробью (включая и роторные), чаще
находят применение для различных видов очистки, а также для
упрочнения деталей, к которым не предъявляются высокие
требования относительно шероховатости поверхности.

Для обработки ажурных деталей сложной геометрической
формы и с высокими требованиями по шероховатости поверхности
(Миитки компрессора ГТД, инструмент и т.д.) используют
Ййи«1ровеструиные установки. Сущность гидродробеструйного
упрочнения состоит в том, что рабочим телам является
Мвкость, которая, эжектируя дробь, придает ей определенную
Мнрость в направлении оси сопла.

Установка состоит из камеры, разделенной проволочной
ИТХой на две части. В полости располагается обрабатываемая
Деталь, имеющая вращательное и возвратно-поступательное дви-
МИие, а также дробь, залитая смазывающе-охлаждающей жид-
МСТью. На дне камеры установлено эжекторное сопло, которое
й является в данной установке движителем. Полость служит
ИЯН(к'|>сдственно отстойником, из которого через слив удаляется

ста в баке имеется фильтр, а для подогрева (охлаждения) -
дмеоаик. Установка приводится в действие от индивидуальной
ВЯЧК11ОЙ станции, состоящей из электромотора и центробежного
Mcik'u, подающего рабочую жидкость в эжекторное сопло.

Рабочей жидкостью служит трансформаторное масло ТМ-1
или вода с антикоррозионными добавками, а в качестве дроби
Используют калиброванные шарики диаметром 2 мм.

Гидродробеструйные установки отличаются компактностью
•инструкции и удобством эксплуатации. Благодаря тому, что в
•ячестве рабочей жидкости используется несжимаемое вещество,
«гнала необходимость в специальном суфлере вентиляцией и
стало меньше неудобств в отношении герметизации камеры.

Вместе с тем они обладают и еще рядом преимуществ по
«равнению с роторными и пневмодрбеструйиыми установками.

ости обрабатываемой

I. При исхс

детали Rt = 3.2-1.6 мкм после гидродробеструйнон обработки
«охраняется та же широховатость с более плавной эпиюрой
остаточных напряжений в поверхностном слое с меньшим
подслойным максимумом. Это объясняется тем, что удар дробинок
происходит через жидкостную пленку.

2.	Они более производительны по общему расходу дроби.

0,2 МПа м2 равен 24 кг/мин.

3.	В силу своей автономии (отсутствие вытяжной вентиляции,
источников сжатого воздуха), лучших условий труда на рабочем
месте и стабильности в работе для данных установок упростилась
Jn/ui'ia по автоматизации процесса дробеструйного упрочнения.
II частности, представилась возможность запрограммировать

давление рабочей жидкости

поворота

изделия и тем самым получить нужный наклеп для различных
участков поверхности изделия. Гидропневмодробеструйные уста-
новки работают на том же принципе, что и гидродробеструйные,
но у них дробь, находящаяся в эмульсионном растворе, эжекти
руется воздухом от заводской сети. Эффективность наклепа здесь
можно получить и большую, чем на гидравлических, но шеро-
ховатость поверхности достигается не выше Rz = 10 мкм при
использовании дроби диаметром 0,8-1 мм и давлением воздух.-!
0,2-0,3 МПа см2. Вместе с тем наблюдается более заметны»:
подслойный максимум эпюры остаточных поверхностных напря-

Роторные дробеструйные установки широко используются в
машиностроении, применяются для большой номенклатуры изде-
лий и обладают некоторыми преимуществами перед другими
видами дробеударных установок.

Следует отметить, как положительное, их автономное исполь-
зование, весьма высокую производительность по расходу дроби
на одно роторное колено (130 кг/мин), широкий диапазон
частоты вращения ротора (600 до 3500 мин-1) и большую
скорость палета дроби (до 75 м/с). Кроме того, дробеударные
установки подобного типа дают большое пятно контакта дроби
с обрабатываемой поверхностью, что создает равномерность при
обработке деталей больших габаритов.

Принцип действия таких установок заключается в том, что
дробь диаметром от 0,4 до 2,0 мм, попадая во вращающееся
роторное колесо, под действием центробежных сил отбрасывается
к его периферии, создавая тем самым направленный поток,
который и наклепывает поверхность обрабатываемой детали.

через дозиметр. Излишек ее ссыпается в полость, откуда
поступает снова под ковш элеватора. Ротор приводится в
движение электродвигателем.

7. Ультразвуковая обработка

Ультразвуковое виброобкатывание является прогрессивным
процессом упрочнения деталей машин ППД. Сущность процесса
заключается в воздействии на обрабатываемую поверхность
стального или твердосплавного шара, прижатого к ней с
постоянной силой и вибрирующего с частотой

f«2-10* Гц.

постоянным давле.

Переменное магнитное поле ультразвуковой частоты создастся
в магнитострикционном преобразователе генератором. Оно пери-
одически намагничивает магнитострикционный накат, вследст-
вие чего изменяется его длина. Укрепленный на пакете акусти-
Мойй трансформатор (концентратор) служит для увеличения

После ультразвукового упрочнения закаленных сталей
U1XI5, У10А, Х12 шероховатость поверхности улучшается,
поверхностная микротвердость возрастает на 30-40%, глубина
Наклепа составляет от 0,65 до 0,3 мм.

УЗО - единственный из способов ППД, который обеспечивает
сильное упрочнение поверхностного слоя деталей (на 40—180%),
малую шероховатость поверхности (Ri=0,8...0,4mkm при исходной
Вт« 2O...6.3 мкм) и большие остаточные напряжения сжатия (до
1100—1200 МН/м2).

Факторами, определяющими относительно высокое качество
поверхностного слоя деталей, сформированное УЗО, являются:
особое напряженно-деформированное и температурное его состо-
яние, многократность деформирования и большая скорость де-
формации. Поверхностный слой при этом характеризуется рав-
номерностью важных физико-механических, геометрических и

эксплуатационных свойств и текстуры дефорь

По1

деталей УЗО специфична плавностью, регулярностью микрорель-
ефь и относительно большой маслоемкостью.

УЗО но сравнению со статическими способами ППД (обка-
тывание шаром и др.) особенно эффективна в условиях деформи-
рования:

I.	Стальных, термически или химико-термически обработан-
ных, а затем шлифованных деталей.

2.	Деталей, термически обработанных лучом лазера или
низкотемпературной плазмой. Это является новым и весьма
перспективным направлением развития комбинированной упроч-

3.	Режущих инструментов и деталей из быстрорежущих сталей
и твердых сплавов.

4.	Деталей с малой жесткостью.

5.	Поверхностей сложной формы.

6.	Деталей с покрытиями разными металлами и сплавами.

По сравнению со многими чистовыми методами обработки
(юзанием и ППД долговечность деталей после УЗО увеличивается

и за рубежом.

В процессе ультразвукового упрочнения возникают сни-
мающие остаточные напряжения.

Испытания на износостойкость при трении качения показали,
что величина износа деталей, обработанных ультразвуковым
упрочнением в 2-5 раз меньше, чем у шлифованных деталей.

Исследо

сь на кольцах под-

шинников из стали ШХ15 по схеме качения шарика диаметром
10 мм при наличии смазки. Количество циклов постоянное - 105
(при п = 1400.0.017 С-1), коктактиое давление 350 Н. За
характеристику сопротивления осповидиому износу был принят
размер канавки, образующейся при испытании. Результаты
исследования приведены в таблице 4.5.

Таблица 4.5

*•**"»	Mpowtocttft R ыты			южхостоаист»
Шлифование	1.05	-	92400	1
	1.00	40	118000	, a
5011	0,92	43	121000	2.7
100Н	0.51	48	126200	3.3
150Н	0.46	52	118200	3.9
200Н	0.35	56	115000	4.6
				

Хотя размер канавки, образующейся при качении шарика, не
может быть однозначно принят за критерий сопротивления
изнашиванию, данные, приведенные в работах весьма интересны
и показывают перспективность применения ультразвукового
поверхностного упрочнения для разработки закаленных сталей.

Характерным при ультразвуковой обработке являются: высо-
кая частота ультразвуковых колебаний (f = 2...10* Гц), незначи-
тельная амплитуда колебаний (А " 10+20 мкм), небольшая
статическая сила (Рст- 30+300 Н), весьма малое время контакта
инструмента с деталью (т - З Ю-5 с), большее отношение
тангенциальной силы к нормальной (PT/PN = 0,7), значительные

рение j=(2nf)2A - 2410*м/с2) и многократность деформирования

(Z а 400 мм'2).

Упрочнение повер>

। слоя в первую очередь определя-

ется действующим напряжением и дислокационной структурой
металла этого слоя. Связь между напряжением течения металла
а и плотностю дислокаций р описывается уравнением

(2.71)

b - вектор Бюргерса, см.
Для УЗО

Из уравнений (2.71) и (2.72) следует

(2.72)
(2.73)

Малые величины А или Рст, т.е. соответственно малое
напряжение, действующее в поверхностном слое, не обеспечива-
йте достаточной пластической деформации, при этом снимаются

только вершины неровностей. При увеличении



величин, которые создают напряжение, при котором плотность
дислокаций близка к критической, Нр увеличивается. Затем при
чрезмерном увеличении А или Рст поверхностный слой начинает
разрушаться и Н уменьшается.

А и статической силой Рст объясняются аналогично, а с
продольной подачей S, скоростью относительного перемещения
обрабатываемой поверхности V. радиусом сферы рабочей части
инструмента г объясняются зависимостью от напряжения в
поверхностом слое, а также геометрическим построением профиля

R,= 12SS2A.

(2.74)

S - продольная подача, мм/об;

г - радиус сферы рабочей части инструмента, мм.

Связи твердости поверхностного слоя с S, V и другими
параметрами режима, кроме того, объясняются многократностью
деформирования единицы обрабатываемой поверхности

z = 0,06f/(VS)

(2.75)
помимо домини-

рующего фактора - действующего напряжения, оказывают вли-
яние температура контакта, время ее действия, скорость дефор-
мации и другие факторы.

Процесс УЗО от статического способа упрочняюще-чистовой
обработки - обкатывания шаром (ОШР) отличается следующим:
- ультразвуковой инструмент пластически деформирует по-
верхностный слой детали импульсно, с большой интенсивностью
колебаний;

-	многократность деформирования этим инструментом повер-
хности детали площадью в 1 мм2 достигает 400 раз и более (при

-	контактирование инструмента с поверхностью детали и ее
деформирование сопровождаются прерывистым и интенсивным
трением скольжения (трение качения отсутствует);

-	статическая сила, действующая на деталь, незначительна;
под действием нормально наплавленной силы, при УЗО в 3-9
раз больше, чем при обкатывании шаром (ОШР);

-	скорость деформирования переменная, ее максимальная
величина достигает 200 м/мин и более;

происходит одновременно в трех направлениях: нормальном к
обрабатываемой поверхности, по направлению относительной
скорости перемещения обрабатываемой поверхности и перпенди-
кулярно ей;

-	УЗО отличается от ОШР скоростью преобразования
энергии. Известно, что не вся работа, затраченная на пластиче-
скую деформацию, переходит в теплоту: часть ее превращается
в скрытую (потенциальную) энергию искажения кристаллической
решетки. Эта часть энергии расходуется на изменения, которые
отличют упрочненный металл от неупрочненного.

Доля энергии на искажение кристаллической решетки возра-

стает при переходе от

к динами-

ческому.

При динамическом воздействии на металл изменяются его
механические свойства (предел текучести и пр.), что обусловлено
уменьшением влияния тепловых флуктуаций, снижающих предел

чением скорости деформирования уменьшается), и увеличением
сопротивления кристаллической решетки перемещению дислока-

Скорость дефс

стся тем определяющим и харак-

терным признаком, который отличает новые импульсные методы
от старых (стал ических).

Скорость деформации (с'1) определяется как

E = dMlT.

(2.76)

т - время деформации, с.

Применительно к УЗО скорость деформации рассчитывается
по методике, в основу которой положена степень деформирования
волокна в зоне пятна контакта (сферической формы) от
единичного удара инструмента:

еср = (1-а)/ат.	(2.77)

где 1 - длина дуги сегмента в плоскости, нормальной к
обрабатываемой поверхности, мм;

а - проекция дуги I на плоскость, перпендикулярную
направлению смещения инструмента, мм.

Расчет по формуле (2.77) показывает, что средняя скорость
деформации при УЗО на два порядка выше, чем при ОШР.
1кта инструмента и детали в зоне дефор-
прочняющий эффект. При УЗО (с опти-



мальным режимом) вследствие больших нормальных и танген-
циальных сил она достигает 660*С, а в процессе ОШР - только
1(Ю-150*С. Время же действия температуры контакта при УЗО
очень мало (~ 3 • 10‘5с), и поэтому нс наблюдается значительного
снижения упрочнения.

В процессе УЗО из-за относительно больших напряжений и
многократности действия нагрузки напряженно-деформированное
с«)стояние различно. Вследствии этого образуются различные
преимущественные ориентировки текстуры деформирования. При
УЗО они более сложные (несколько типов и направлений),
отличатся степенью совершенства, пластическое деформирование
осуществляется множественным скольжением, оно происходит

туры показало, что при УЗО плотность дислокаций и дисперс-
ность блоков больше, чем при ОШР (см. таблицу 4.6).

При УЗО создаются относительно большие остаточные сжи-
мающие макронапряжеиия (см. таблицу 4.7).

В процессе УЗО вследствие значительно большей многократ-
ности деформирования единиц площади обрабатываемой повер-
хности (по сравнению со ОШР примерно в 16 раз) и по другим
причинам равномерность микротвердости по поверхности также
относительно большая.

Градиенты падения твердости по глубине от УЗО и ОШР

параметров большое влияние оказывается пластичностью металла
заготовок.

Процесс УЗО наиболее эффективен при обработке деталей
из закаленных и из высокоулеродистой стали У10А, отпущенной
на различные структуры: мартенситную, трооститную, сорбит-
ную. В результате УЗО у деталей с мартенситной'структурой

следствие упрочнения, вызванного пластическим деформировани-
ем, частичного превращения остаточного аустенита в мартенсит
(содержание аустенита уменьшается в 2 раза) и дисперсионного
твердения мартенсита, т.е. следствие механического и фазового
наклепа одноверменно.

Выбор параметров УЗО.

Микротвердость поверхности слоя после УЗО, как и другие
характеристики, может быть оптимизированная как традицион-
ным методом - по зависимости параметр оптимизации от одного
из влияющих факторов при постоянных остальных, например, от
Ptr, так и методом математического планирования эксперимен-
ства поверхностного слоя, например, микротвердости поверхно-
стного слоя, описывается уравнением 2-го порядка:

У = bo + Ib-Xf + EbX + SXjXp	(2.78)

гае У - значение параметра оптимизации;

Ьо; Ц; Ьй - коэффициенты регрессии;

Xj.Xj - кодированные значения независимых переменных.

Для получения уравнений регрессии микротвердости поверх-
ностного слоя деталей из стали 45, У10А (закаленной) и ШХ15
(закаленной) уровниварьирования приняты на основании пред-
варительных опытов.

Соответственно получены следующие уравнения регрессии

У' = 3780 + 69х1 + 133х2-67х3 + 81х4 - 202х? + 187х^ -
+ 75X1 + 130Х|Х4+eOXjXj + 84xjX4 + 190х3х4;

У" = 7054 + 28х, + 54xj - 40х 3 - 1963x4 + 46xJ + 21xjd
+ З9х3+ 124xJ-6x1x2-2X|X3+4x1x4 +
+ 3XjX3 - 8x3x4+ 16x3x4;

У'" = 10370 - 230x4 - 431x| + 162хЛ + 182x,x4 +
+ 322XjX3 - 182XjX4 - 197x3x4.

(2.79)

(2.80)

(2.81)

(МН/м1) деталей из стали 45, У10А (закаленной) и
ШХ15 (закаленной) соответственно:

х1; хг; х3 - кодированные значения статической силы Рет
(Н), двойной амплитуды колебаний А (мкм) и скорости
V (м/мин);

х4 - кодированное значение продольной подачи S в уравне-
ниях (2.79; 2.81) и температуры отпуска в уравнении
(2.80).

Аналогичным методом можно получить уравнения регресссии
для оптимизации параметра шероховатости R,. остаточных на-
• пряжений сжатия ат, эксплуатационных показателей, например,
износостойкости и др.

По уравнениям регрессии определены оптимальные режимы
УЗО (таблица 4.7) и соответствующие величины параметров
оптимизации; микротвердости поверхостного слоя Нц. шерохова-
тости R, и остаточных сжимающих макронапряжений Oj (табли-

Технологическая оснастка и оборудование.

Инструмент - его рабочая часть н концентратор - наиболее
важные элементы колебательной системы. Рабочая часть инст-

румента в процессе эксплуатации под
характеристик качества поверхностного слоя (R,, Hp, h, А)
обрабатываемых деталей, так и снижению производительности.
Материал рабочей части инструмента из твердых сплавов,
особенно при УЗО термически обработанных деталей, значитель-
но износоустойчивее стального (ШХ15).

Изнашивание рабочей части инструмента из твердого сплава
группы ВК зависит от содержания в нем WGh Сои режима УЗО.

Из установленных зависимостей применительно к рабочей
части инструмента в виде сферы следует:

1.	Наиболее износостойким материалом при УЗО деталей из
Закаленной стали ШХ15 с оптимальным режимом является
твердый сплав ВК8;

2.	Стойкость рабочей части инструмента из ВК8 составляет
4 ч. При этом шероховатость поверхности деталей возрастет (RB
от 0,05 до 0,15 мкм), степень упрочнения уменьшается с 33 до

3.	Необходимо производить смену инструмента исходя из
требования стабильности физико-механического и геометрическо-
го состояния поверхностного слоя.

Концентратор - его форма и размеры определяются формой
и размерами обрабатываемой детали. Для УЗО наружных
поверхностей применяются прямолинейные концентраторы, для
внутренних - криволиненйные.

Концентратор изготовляется из углеродистой или инструмен-
тальной стали, обтачивается примерно до шероховатости R, =
1,6-0,8мкм, затем полируется абразивной шкуркой или подвер-
гается упрочняюще-чистовой обработке.

В существующих конструкциях амплитуда колебаний ограни-
чивается пределом выносливости материала концентратора. Более
высокие значения амплитуды имеют концентраторы, изготовлен-

ные из лег

ей и титановых сплавов.

обработка, особенно УЗО, весьма

существенно "улучшает характеристики концентратора. Так, в
результате УЗО экспоненциального полуволнового концентратора

S = 0,07 мм/об; г = 5мм; i -1) шероховатость поверхности R,
уменьшается от 0,38-0,46 до 0,06-0,07 мкм, а твердость повер-
хностного слоя возрастает HV с 2400 до 3300-3500. При этом
амплитуда колебаний рабочего торца концентратора увеличива-
ется с 32-33 до 42-55 мки, т.е. в 1,3-1,7 раза.
УЗО концентраторов позволяет снизить потери звуковой
энергии, связанные с ее отражением от неровностей поверхностей,
и улучшает их волновые свойства за счет текстурованности
поверхностного слоя. Кроме того, УЗО увеличивает предел
выносливости материала концентратора.

Рабочая часть концентратора соединяется с ним гайкой (если
это шар из стали ШХ15) или припаивается (если она из твердого
сплава). Первый способ соединения позволяет быстро менять
изношенную рабочую зону шара на новую.

В таблице 4.9 приведены технические характеристики серийно
выпускаемых в СНГ ультразвуковых генераторов и магиитострик-
Таблица 4.8

Технологическая эффективность УЗО

	НцМН/м’			К.мхи			9. МН/м*		
	"2-	°№	ЯО	"2"	ОШР	ЯО		ОШР	ЯО
Жа.т.о Арчхо	1100	2360	2800	4.30	0.12	0.13	-		-
(Чаль 45	2180	3900	5000	2.60	0.25	0,20			-1100
	2100	3600	4100	1.90	0.60	0.53		-213	-377
	  Сталь У10А	8600	10100	11800	0.30	0.22	0.18	+30	-600	-900
111X15	8400	9480	10300	0.35	0.23	0.14		-	-
уже находившиеся в эксплуатации, или специальные станки  Таблица 4.9									

Технические характеристики ультразвукового
оборудования

Характер нетто*	УЗГ-1М2	УЗГ-М
Мощность^не^торз. «ВТ:	19,5	4.5
Напряжение, В: выходное (регулируемое) питающее (сетевое)	зв^^гго	380
Ч.сяя, «Гц	(20.5-23.5)	20,5-23,5
Ток подмагничивания регулируемый. А	0 -30	15-30
Водяное охлаждение:	10 1,5-2	
Габаритные размеры, мм	780x885x1850	720x580x1350
Масса, кг	630	300
Преобразомилн	ПМС-15А	ПМС-6-22, ПМС-15А-18
Регулирование характеристик качества поверхности детален
ультразвуковым упрочнением.

Как видно из вышеизложенного, перспективным направлени-
ем в упрочняющей технологии сложных поверхностей является
ультразвуковое упрочнение несвязанными шариками. Разработана
автоматизированная установка для обработки колец, основными
элементами которой являются магнитострикционный преобразо-
ватель и горизонтально расположенный волновод-стакан, раздс-
лениьй на три камеры. В первой камере, назначение которой -

путем смятия микронеровностей, помещаются упрочняющие
шарики диаметром 0,5 мм, во второй камере - диаметром 4 мм
- для создания значительного упрочнения, и в третьей камере
помещаются шарики диаметром 27...2,5 мм - для сглаживающс
упрочняющей обработки оставшихся микронеровностей.

ватость поверхности, волнистость, граниость, остаточные напря-
жения, деформационное упрочнение. Установлено, что при
упрочнении шлифованных деталей происходит уменьшение поля
рассеяния шероховатости и смещение центра поля рассеяния в
сторону меньших значений. При этом параметры точности -
волнистость и граниость также улучшаются. Ультразвуковое
упрочнение формирует в поверхностном слое сжимающие оста-
точные напряжения величиной до 500 МПа и глубиной распро-
странения до 110 мкм. Поверхностный слой значительно упроч-
няется. Контактная выносливость колец подшипников после
ультразвукового упрочнения увеличивается в 2...2,5 раза по
сравнению со шлифованными и в 1,3... 1,4 раза по сравнению с
кольцами после суперфиниширования.

8. Виброударная обработка

Виброударная обработка один из технологических процессов

упрочнения пласп
рочняют в частно
изготавливают

ем. Этим методом уп-

из коррозионностойкой стали ЭИ964

(1Х12Н2ВМФ). Для упрочнения пера рабочей части лопаток с

успехом

шариками. Для осуществления этого процесса созданы специаль-
ные установки, позволяющие обеспечить колебания рабочего
стола в трех взаимно перпендикулярных направлениях. Лопатки

обычно укрепляются в



устанавливается на рабочем вибростоле. Для виброударной
обработки применяют в качестве рабочих тел - стальные шарики
диаметром 2-3,5 мм.
Зл счет ударов шариков о поверхность лопаток происходит
кглиживание неровностей поверхности и происходит ее упрочне-

Кроме того, такого рода обработка обеспечивает стойкость против
цштнктной и химической коррозии и механических повреждений
твердыми частицами, которые попадаются в воздухе, всасываемом
В компрессор.

Кроме того, установлено, что остаточные напряжения сжа-
тии в поверхностном слое лопатки при виброударной обработке
- 400-500 • Юб Па, глубина залегания напряжений 150-200 мкм,
глубина наклепа 30-50 мкм, степень наклепа 15-25%. И как
результат всего этого, если предел выносливости пера лопатки
бил 20 • 10s Па, он повышается на 20-30%.

Электромагнитная виброударная установка ЭМВГУ-1 пред-
назначена для обработки деталей из магнитных материалов с
целью повышения качества поверхностного слоя за счет его
упрочения и снижения шероховатости. Применяются также
вибрационные машины с прямолинейной рабочей камерой, 2-х
камерные, 4-х камерные, с торопдно-винтовой камерой (модели
IM-I2M, ВМП-25 ♦ 100 ВМПН-400-600, МВМ, ВМПВ, ВУД и
Специальные ВСУ, ВСУЛ, УВО, ВГМ, ВГС-250).

Однокоординатные установки рекомендуются для обработки

анутренних и кару»
При этом необходи



лей, помещенных в зону действия электромагнитного поля, и

Поступатель

> оси детали.

Принцип работы установки для обработки внутренних повер-

хностей деталей трубчатой формь

На горизонталь-

ном основании - станине между передней и задней бабками
располагается обрабатываемая деталь. В передней бабке по-
мещается коробка скоростей и подач для вращения детали и
поступательного перемещения электромагнита вдоль оси обраба-
«масмой детали. Инструмент в виде ферромагнитных шариков,
при включении электромагнита под действием сил электромаг-
нитного притяжения, устремляется к полюсу электромагнита и
при соударении с внутренней поверхностью детали совершает
нлклеп. После выключения электромагнита шарики падают вниз
а исходное положение.

Установка для обработки наружных поверхностей деталей
|1аботаст следующим образом.

Обрабатывамой детали, помещенной в контейнер из немаг-

нитного материала, придается вращательное движение вокруг
оси. При выключенном электромагните инструмент располагается
на дне контейнера, при включенном - устремляется вверх и
совершает удары по поверхности обрабатываемой детали.

Скорость перемещения шариков в контейнере и соответствен-
но энергия удара определяются амплитудой и крутизной фронта

Техническая характеристика:

Количество витков обмотки электромагнита - 1000

Сечение обмоточного провода, мм2
Внешний диаметр контейнера, мм
Скорость перемещения шариков
в контейнере, м/с

- 18

- 200

- ДО 3

Частота переключения электромагнита, 1/с - 0,5-1

Скорость вращения детали

- 1-30 • 0,017 С’1
- 10-20

Разработчик - Тольяттинский политехнический институт.

9. Ударная обработка специальным инструментом

Центробежная обработка.

Центробежная обработка является высокопроизводительным

приборов. Для его осуществления создан ряд инструментов,
имеющих в качестве основного конструктивного элемента обойму
в виде диска, по ободу которого выполнены гнезда с утапли-

шариками. Под действием центробежных сил, возникающих при
вращении диска, шарики выступают над периферией обода и

наносят удары по
отпечатки, которые

исходный микрорельеф.

машин упрочненные поверхности с регулярным микрорельефом
(РМР).

Схематично процесс центробежно-ударного накатывания на-
ружной цилиндрической поверхности заготовки заключается в
следующем. Под действием центробежных сил, возникающих при
вращении диска, шарики выступают над периферией обода и

наносят удары по



круглые отпечатки в виде лунок. Полученный в результате РМР
содержит выступы, соединяющиеся в сетку с четырех- или
шестиугольными ячейками, и впадины, находящиеся внутри этих
ячеек. Число отпечатков, укладывающихся на обрабатываемую
поверхность за один оборот заготовки, можно найти по формуле
i=bn)=w+h|.	а.«2)
Где nu - частота вращения диска;

п3 - частота вращения заготовки,
m - число деформирующих шариков;

(Ц - целая часть численного значения i, оказывающая
влияние на размеры ячеек и плотность микронеровно-

(i) - дробная часть i, характеризующая сдвиг в направлении
подачи смежных ячеек, образумых за последовательные
обороты заготовки.

Таблица 4.10
Теоретические и экспериментальные значения сил в
зоне контакта при центробежной обработке

		о». р, н	
			
7,9	0.0005	120	160
12,5	0.0003	230	284
20.0	0.0002	960	1020
25.0	0.000!	2250	2570

От дробной i части зависит форма ячеек.

При {(} - 0 образуются четыреуголытые ячейки, если (i) < 1
- шестиугольные, а если (i} - 0,5, то формируются правильные
шестиугольные ячейки. Для обоих видов ячеек правильной формы

nD3	n^Dj

kdc^T 1,6^'-^'	<2'83)

Где D, - диаметр заготовки;

₽ - угол поворота ячеек относительно оси заготовки;

к, и к, - коэффициенты, зависящие от числа сторон ячейки
(для четырехугольной ячейки к, = к, = 1, для
шестиугольной

к, =>6" и ^=15),

<1 - длина стороны ячейки.

Ныступы РМР имеют вдоль сторон ячеек и плоскости,
перпендикулярной к поверхности детали, седлообразную форму и
соединяются в узлах сетки в прямоугольные пирамиды. Такое
строение микрорельефа обеспечивает его значительную маслоем-
кость и повышенную прочность. При солижении взаимодейст-
вующих друг с другом поверхностей возможно появление в зоне
контакта плотно закрытых ячеек, откуда смазка не выдавлива-
стся. В этом случае внешняя нормальная нагрузка разделяется
на две составляющие, одна из которых определяет внедрение и
деформацию выступов, а другая - гидростатическое давление
внутри ячеек. Положительная роль гидростатического давления
здесь не ограничивается частичной нейтрализацией сжимающих
усилий, оно также создает в поверхностных слоях сопряженных
тел однородное поле сжимающих нормальных напряжений, дей-
ствие которых обладает упрочняющим эффектом. В связи с этим

важно соблюдать
РМР при сближен

и я выступай
до момента.

когда ячейки со смазкой герметично закроются. Для РМР
описываемой конструкции условия отсутствия пластических
деформаций в зонах касания вершин пирамидальных выступов
согласно рекомендациям представим в следующей форме:

____£ Е..............

(I-P2)NB'

(2.84)

соседними узлами;

- коэффициент, учи:

’	(17SV

чу выступов <кф

Е - модуль упругости;

ц - коэффициент Пуассона;

НВ - твердость по Бринслю.

При расчете параметров РМР (см. таблицу 4.10) и режимов
центробежно-ударного накатывания использовались выражения
(2.82), (2.83) и (2.84), а также формулы для определения энергии
соударения деформирующих элементов с поверхностью, диаметра
получаемого отпечатка и глубины наклепа.

Ввиду незначительных размеров и малой массы деформи-
рующих шариков, невелика и сила их отдельных воздействий на
заготовку, что позволяет успешно применить РУН для обработки
поверхностей с твердыми покрытиями небольшой толщины, а
также недостаточно жестких и тонкостенных заготовок.

Рекомендуются определенные соотношения величин частоты
вращения диска и скорости его перемещения относительно
заготовки, когда на обрабатываемой поверхности формируются
регулярные микронеровности, соединяющиеся в сетку с правиль-
ными трех-, четырех- или шестиугольными ячейками. Такой вид
микрорельефа способствует максимально плотной упаковке не-
Шкету пов, а также изотропность образованного поверхностного
Моя в плоскости рабочей поверхности.

Расчет параметров РМР, приведенный в таблице 4.11,
основывается на соблюдении условия упругого контактирования
Выступов микрорельефа при сближении контактирующих повср-
ИИостсй, а также условия предотвращения схватывания на

участках контакта при окислительном механизме износа, что
Можно выразить неравенством

^0,+У(1-п)г а а	(i-n’JHB ’	(2'85)

Где а - длина сторона ячейка РМР,

Z„ - высота контактного зазора,
D - коэффициент диффузии кислорода,

I, и 12 - константы скорости реакции окисления первого и

относительная площадь контакта.

Таблица 4.11

Порядок расчета параметров РМР и режимов
центробежно-ударного накатывания

т			=1СЛ>WU.ua РМР
1		.=0.05	.=одоа0
2	Высота выступов в узлах сетки	о.чт i1 -и1)™ я.	h^.ojoaO^HB^
	Высота выступов в середине между	•>„.0.91^	0.769h^
«	ГЛЙИ'“ юго слоя	Ь,- 2.12 а	И.-Э.
*		S 	”D>  S	S* l|,,‘^o;-235.J
»	Частота вращения		11_т/2Лв	о - >8 лДзАв
т		Расчете формул*	
		терагошьп* РМР	гысагошошЯ РМР
7	Частота вращения		’	”2о?'
шарика с поверхностью заготовки, A«O^(De + Dj)+j - межцентровое расстояние диска и заготовки.  С 0^(D3 + dB) - межцентровое расстояние заготовки и шарика. qw - масса шарика.			

В результате анализа сил, действующих на деформирующий
шарик, и процессов его взаимодействия с поверхностью заготовки

деформирующего ша-

создана математич

рика. Так, траектория его движения в плоскости вращения

coslarctg (— k, Vsinkjtx)]

е - коэффициент сопротивления среды;

К1 и Kj - коэффициенты, зависящие от свойств обрабаты-
ваемого материала;

V и а - скорость и угол встречи деформирующего шарика
с поверхностью заготовки;

Подобные математические зависимости используются при
расчете конструкций инструментов со свободным отскоком
шариков от поверхности заготовки.

Эффективность таких инструментов при обработке изделий
заключается в следующем.

Во-первых, до минимума сокращается время сопротивления
деформирующего шарика с поверхностью заготовки, чем увели-
чиваются точность воспроизведения размеров и правильность
формы отдельных неровностей, улучшаются физико-механиче-
ские свойства упрочненного поверхностного слоя, уменьшаются
энергозатраты привода.

Во-вторых, значительно снижается интенсивность изнашива-
ния деформирующих шариков и внутренних поверхностей гнезд,
что повышает преимущества применения многорядных дисков,
высоких скоростей их вращения, использования твердосплавных
деформирующих шариков.

Пневмоцентробежная ударная обработка.

Пнсвмоцснтробежная обработка (ПЦО) как один из известных

стотой инструмента, дешевизной и общедоступностью дефор-
мирующих элементов (шаров) и рабочейереды (сжатого воздуха),
высокими производительностью и качеством обрабатываемой
поверхности. Пневмоцентробежная обработка не требует точного
центрирования инструмента относительно оси заготовки, не
требует применения СОЖ. Деталь после обработки получается
сухой, чистой и не нагревается. Важный показатель этого
способа - возможность обработки поверхностей с силами, по
крайней мере, на проядок меньшими, чем при жестком деформи-
ровании материала. Создан ряд пневмоцентробежных инструмен-
тов (ПЦИ), реализующих данный способ.

К числу конструктивных параметров ПЦИ, влияющих на
его работоспособность, относятся: диаметр ае. число гс сопел,
наружный диаметр инструмента D)t, зазоры Х2 и X?, а также
осевой 6 и радиальный у зазоры шара в камере расширения Б.

Параметры ас, 8 и у определены с достаточной для практики
точностью, взаимозависимые параметры X,, X, и D„, опреде-
ляющие выход отработавшей среды в атмосферу, не имеют

Конструктивные параметры Хр Х2 D„, а также технологиче-
ские параметры: массовый расход m воздуха и давление Р2
сжатого воздуха в камере расширения Б в зависимости от
давления Р, в осевой полости ПЦИ можно определить теорети-

через местные пневматические сопротивления. Для удобства
расчета принимаем эквивалентную схему (2.85) со следующим

-	установившееся истечение воздуха;

-	массовый расход m. воздуха через входное ш,, и выходное
т2 сечения остается постоянным, в соответствии с чем массовый

расход определяется из ург
m^n^Const;

:менты в камере расширения отсутст-

пневматическое сопротивление;

-	истечение воздуха происходит по политропному режиму,
т.е. с учетом трения, теплообмена и прочих факторов;

-	показатель политропы принимают п= 1,3+ 135.

В общем случае местные сопротивления пневмосистемы
рассчитывают по уравнению для массового расхода

(2.87)

где f - площадь сечения воздушного потока, м2;

К= 1.405 - показатель адиабаты;

Р2и Р] - давление воздуха в конечном и начальном сечениях
воздушного потока, Па;

pt - плотность воздуха в начальном сечении потока, кг/м3.

Принимая во внимание допущения, приведем уравнение (2.87)

l?P>P| I

где f=O,l МПа -

воздуха в атмосфере;

fp f2 - общие площади входного и выходного сечений
воздушного потока, м2:

п = 1J - показатель политропы.

вин 1, - Xj, для определения массового расхода необходимо знать
давление в камере расширения Р2. В результате преобразований
формулы (7.6) получим

(2.88)

Основываясь на уравнении состояния газа P/p=RT, представим
это выражение (Pj/p,) (p/P^T/I^-l (здесь ТРТ2 - соответственно
температуры торможения газового потока входом в камеру и
перед выходом из нес).

Тогда искомое выражение можно записать
(2.89)

Уравнение (2.89) трансцедентно, и его можно решить чис-
ленными методами с помощью программируемых микрокальку-
Л1т0|юв, например, методом последовательных приближений.

Зависимость Р^ЦР,.^) позволяет определить давление Р2 в
камере расширения в зависимости от давления Р, воздуха в осевой
Полости ПЦИ и отношения (J(v

При проектировании ПЦИ следует назначать диаметр DH

душного потока. В противном случае резко падает эффективность

пцо.

, можно определить по формуле
/qp(n-l)fe_pO>-р(п-1>Ь
р(п-

Таким образом, зная диаметр обрабатываемой поверхности
I) 'величину Г2и принимая во внимание X, и Xj для обеспечения
требуемого давления Р2 (заданного массового расхода воздуха ш).
диаметр инструмента определяют по формуле

(2.91)

соответственно для обработки валов и

отверстий.

Пример. Рассчитать диаметр инструмента DM, используе-
мый при обработке гильзы цилиндра тракторного двигателя
СМД-14 (Цд=120 мм). При заданных давлениях Р, = 0,6 МПа,
диаметре сопел ас = 3 мм и числе сопел ге = 21 для получения
скорости истечения воздуха из сопел, близкой к максимальной
(и следовательно, максимальной скорости деформирующих эле-
ментов) давление воздуха в рабочей камере должно быть Р2 =
0,528 МПа, Р, = 03168 МПа. Тогда, вычисляя ^=148.44 мм2 по
формулам (2.90) и (2.91), определяем DM - 119,15 мм.

Предложенная методика определения конструктивных и тех-
1юлогических параметров ПЦО позволяют на стадии проектиро-

и зависимости от заданных диаметра ас и числа Ze сопел,
воздуха в осевой полости ПЦИ.

10. Чеканка yi

Сущность метода заключается в том, что с помощью специ-
ального приспособления по упрочняемой поверхности наносят
удары. При этом достигается повышение исходной твердости на
30-50%, а глубина наклепа составляет от 3 до 35 мм.
Шероховатость поверхности уменьшается. Инструмент состоит
из ударника с бойком, причем приспопоблеиия могут быть
пневматического, электрического и механического типов. Обычно
применяются бойки в виде ролика с профильным радиусом 3-5
мм. шары.

Пневматические чеканочные приспособления изготовляются
на основе пневматических молотков МО-10, СМ-3, РМ-6;
чеканочные приспособления с электромеханическим приводом
устанавливаются на токарных станках.

Для пневматических приспособлений при давлении воздуха
50-550 Па энергия удара составляет 30-50 Дж, а для электро-
механических 20 Дж.

проволочек диаметром 2-3 мм. Они обладают высокой произво-

дительностью и способностью

Применяют кулачковые механизмы (а пружинных устройст-
вах), вибрационные электронные упрочнители.

Способ

был предложен ЦНИ-

ИТМАШем. Для целого ряда практических случаев этот метод
оказывается наиболее эффективным и экономически выгодным.
Это имеет место, к примеру, при обработке сварных швов,
галтелей, впадин крушюмодульных зубчатых колес и др. Раци-
онально после упрочнения чеканкой для уменьшения высоты
неровностей поверхности проводить механическую обработку со
снятием слоя до 0,5 мкм. Чеканка эффективна для крупных
галтелей, так как позволяет получать на упрочняемой юверх-
пости значительную глубину наклепанного слоя без больших
статических усилий с использованием простых приспособлений.

Этот способ поверхностного пластического деформирования
проверхностных слоев деталей обеспечивает повышение их
предела выносливости, позволяет в ряде случаев заменить сталь
25ХНВА сталями 40ХНМА или 35ХГСА, которые почти в 2 раза
дешевле. Чеканка может быть использована для упрочнения
сложных по форме и труднодоступных концентраторов напряже-
Чеканка воздействует не только на поверхностные слои,
устраняя вредное влияние технологических концентраторов на-
пряжения, но и создает в более глубоких слоях металла
благоприятные остаточные сжимающие напряжения, которые
нейтрализуют вредное влияние конструктивных и структурных
концентраторов напряжения, что повышает надежность деталей.

глубину осадки дна галтели,

повышения сопротивления

усталости не происходит. Одновременная или последовательная
по длине чеканка галтелей дает одинаковое повышение надеж-
ности образцов.

Надежность образцов твердостью HRC, 35 повышается, в
|>с:1ультате чеканки на 380%, образцов твердостью HRC, 40 на
500%, а надежность образцов твердостью HRC, 45-50 повыша-
ется соответственно на 1000 и на 1300%.

Метод последовательной по длине чеканки галтелей применя-
ют тогда, когда возникают затруднения в применении одновре-
менной чеканки (малая мощность молотка, большая твердость и
большой радиус галтели, недостаточная жесткость упрочняемых
деталей и т.д.), так как последовательная чеканка галтелей
требует значительно меньшей энергии удара для достижения
одной и той же глубины осадки.

Чеканка повышает сопротивление усталостным разрушениям

определяющим эффективность упрочнения.

цементации, азотированию и другим процессам, создающим
твердый поверхностный слой, который с большим трудом подда-
стся чеканке после термической обработки. В этом случае

дна галтели, но та
упрочняемой детали.

от радиуса галтели и сечения

Для обеспечения высокой производительности чеканки жела-
тельно подбирать возможно большую энергию и частоту ударов.

Упрочняющая чеканка может производиться вручную при
помощи специальных пневматических приспособлений. Примене-

преимущество, что может быть осуществлено на крупногабарит-
ных деталях и в трудно доступных для других инструментов
зонах. Стандартный ручной пневматический инструмент ударного
действия обладает простой надежностью в эксплуатации, уни-
версальностью применения и низкой стоимостью. Применяют
тические молотки МР-4, МР-5, МР-6, 57К, МП-4, МП-б, КМ-5.

Чеканку можно с успехом производить на токарных станках
при помоши специальных механических ударных приспособлений.

вдаль оси изделия. За

ых ударников, работающих с
Такие механические чеканоч-

приводом от кул

ные приспособления употребляются для упрочнения как цилин-
дрических поверхностей, так и плоских.

Одношпиндельное ударное пружинное приспособление УП-0,5
конструкции ЦНИИТМАШа предназначено для поверхностного
наклепа пластинчатых и круглых деталей. Приспособление может
быть установлено на горизонтально-фрезерном станке, а также
на суппорте токарного станка. Оно представляет собой ударный
механизм кулачкового типа с приводом от однофазного электро-
двигателя (W=O.35kBt; V=1400 0,017 - 3000 0,0017 об/мин.).

регулироваться в пределах 750-1500 в минуту путем изменения
скорости вращения ротора электродвигателя вариатором напря-

приспособлением, позволяет осуществлять наклеп на глубину до
3 мм. Приспособление может быть использовано и для рифления
поверхности, повышая этим коэффициент трения. Рифление
поверхности совмещается с ее наклепом. Это дает возможность
путем чеканки одновременно повысить сопротивление усталости.
Такая обработка нашла широкое применение для разных конст-
рукций, собираемых из пластинчатых деталей.

Приспособление УП-0,5 используется также для обработки
галтелей. Технология упрочнения галтелей цилиндров радиусом
35 мм предусматривает чеканку радиусной поверхности галтелей
бойком с радиусом кривизны 15 мм, пригалтельных участков -
бойком с радиусом кривизны 30 мм.

Большое значение имеет чеканка для упрочнения сварных
швов. Испытания, проведенные в ЦНИИТМАШе показали, что
обработка чеканкой зоны сварного соединения повысила его
сопротивление усталости на 13%, по сравнению с прочностью

ных швов конструкций и деталей больших размеров производится
чеканкой пневматическим инструментом.

ботанкых сварных соединений применяют многобойковые чека-
ночные устройства, состоящие из пневматического молотка и
многобойкового наконечника в виде пучка проволочек. Такое

устройство используется при упр<

сварных швов
станциях.

Кроме пс

на многих злектро-

гельиости многобойковые (про-

водочные) упрочнители имеют еще одно очень важное пре-
имущество. Этими инструментами можно обрабатывать сварные
швы с большими неровностями, при этом одинаково хорошо

JX однобойковым

Испытания лопаток

и проволочным инструментом, показали, что последний вид
обработки полностью нейтрализовал неблагоприятное влияние
сварного шва на сопротивление усталости соединения. При
испытании на сопротивление усталости лопатки разрушались по
основному металлу, а не по шву - как после обработки

Особенно эффективным применение упрочняющей чеканки

1.	при упрочнении внутренних углов шпоночных канавок,
шлицевых и других прорезей и подрезов;

2.	при упрочнении галтелей у основания зубьев цилиндриче-
ских, конических и червячных колес;

3.	при упрочнении галтелей, канавок и выточек на внутренних
поверхностях деталей;

тру»

их концентраторов напряже-

Применение упрочняющей чеканки значительно повышает
сопротивление деталей и надежность деталей тракторов и других
сельскохозяйственных машин. Чеканку применяют как при

например, шестерен и шлицев после наварки и т.д.

Используя упрочняющую чеканку, можно значительно умень-
шить габариты деталей, за счет значительного увеличения
допустимых напряжений заменить высокопрочные и дорогие
марки сталей, другими более экономичными марками.

Для

Следует учйтывать, что при данном давлении сжатого воздуха

дна надреза, и дальнейшее пот

ки не увеличивает глубину осадки. Эта закономерность должна
быть основой рационального выбора режимов упрочняющей

К динамическим (ударным) способам относятся различные
виды чеканки, осуществляющиеся статическими бойками, шари-
ками или роликами, закрепленными на штоках ударных приспо-
соблсний зажимного или кулачкового типа. В зависимости от

достигать 15-20 мм, шере

увеличивается. Процесс чеканки сопровождается большим шу-

По

вуют приспособления с вибри-

рующим роликом, изготовленные на базе стандартных пневмо-
молотков, и ротационные упрочнители, использующие центро-

бежную силу

расположенных

вращающегося диска. Приспособления с

периферии

многоободных коленчатых валов и галтелей цилиндров гидрав-
лических прессов. При энергии удара до 5 кг/м1 2 и числе ударов
20-30 в секунду, сопротивление усталости деталей повышается
на 40-50%, поверхностная твердость на 25-30%, глубина наклепа
достигает 10 мм. При увеличении энергии удара можно увеличить
глубину упрочненного слоя до 30-35 мм, при этом, как правило,
возрастает шероховатость поверхности и деформация детали.

Ротационные шариковые упрочнители характеризуются не-
большой энергией частых ударов (до 1 млн. в минуту),
рекомендуются для выглаживающей обработки.

Для упрочнения галтелей коленчатых валов в условиях
серийного производства предназначена специальная установка,
работающая по принципу гидроимпульсной чеканки. Упрочнение
осуществляется виброголовками, устанавливаемыми на токарном

1. Обработка механическими щетками.

Один из методов ППД, обеспечивающий повышение работо-
способности деталей машин и сварных конструкций, является
обработка поверхности механическими щетками. Обработка
осуществляется с частичным удалением поверхностного слоя
металла, сопровождающимся пластическим деформированием
поверхности. Для упрочнения щетками обычно используют
универсальные металлорежущие станки. В качестве деформи-
рующих элементов применяется проволочный ворс, процесс
характеризуется параметрами ворса - материал, свободный
вылет ворса, диаметр проволока и силовым режимом - натягом,
окружной скоростью щетки, частотой вращения детали. Обраба-
тываемые материалы - стали и сплавы цветных металлов.
Поверхностная твердость повышается на 80-150%, глубина
упрочненного слоя достигает 50-100 мм.

При кажущейся простоте процесс обработки щетками является
сложным и в значительной степени зависит от конструктивных
особенностей инструмента и свойств обрабатываемого матери-
При обработке крупногабаритных изделий могут использо-
ваться переносные устройства с вращением щетки от пневмоп-
ривода. Применяются кольцевые, дисковые, цилиндрические, тор-
цевые и концевые щетки.

За параметр <

сжимающих напряжений.

Рациональными режимами обработки следует считать скоро-
сть вращения щетки 16-28 м/с при натяге 1-3 мм. В результате

обработки

поверхности

10-20% при толщине упрочненного слоя 0,09-0,12 мм. В
формированном слое формируются остаточные напряжения сжа-
тия с максимальным значением у поверхности 600-700 МПа.

Применение в щетках ударных злел

дефор-

нацию в поверхностном слое, что приводит к повышению
поверхностной твердости на 20-25% при увеличении толщины
упрочненного слоя до 0,3 мм. Максимум залегания остаточных
напряжений находится в подповерхностном слое и достигает
величины 800-900 МПа. Сравнительные многоцикловые испыта-
ния на усталость показали увеличение предела выносливости на
18-65%.

Механические щетки используются для упрочнения поверх-
ностей, для повышения износостойкости, сопротивления устало-

Щетками можно получить поверхности, шероховатость кото-
рых составляет = 0.8-0.2 мкм.

В процессе вращения щетки проникают во впадины миропро-
филя. При этом все риски, царапины и микротрещины поверх-
ностного рельефа сглаживаются, металл в местах концентрации
напряжений упрочняется, что приводит к значительному повы-

При обработке щетками применяются смазочно-охлаждающие
жидкости (вода, эмульсия, мыльный раствор, раствор пивных
дрожжей, квас и др.). Это снижает шероховатость обрабатывае-
мых поверхностей. Обработка механическими щетками осущест-
вляется на специальном оборудовании или на универсальных
металлорежущих станках (шлифовальных, заточных, токарных

Этот метод

и др.), подвергнутых ।

обработки нс требует сложного оборудования и может быть легко
осуществлен как в поточных и автоматизированных производст-
вах, так и в небольших мастерских.

Физико-механические свойства поверхностного слоя, обрабо-
танного проволочными щетками, значительно отличаются от
свойств основного металла. Основными особенностями поверхно-
стей, обработанных щетками, являются повышенная химическая
поверхностей окисных плевок и ярко выраженное течение (сдвиг)
поверхностных слоев металла. В результате обработки на

твердой окисной пленки и смеси окислов с деформированным
металлом.

В процессе обработки металлическими щетками происходи !
значительное повышение исходной твердости, а максимальное
значение ее в несколько раз превышает твердость, получаемую
при упрочнении другими методами пластического деформирова

Окружная скорость вращение щеток при выполнении различ-
ных операций обработки поверхностей находится в пределах V1M
- 19-60 м/с. Для обеспечения нормальных условий работы

Проволочные щетки используют на

рациях при обработке деталей на универсальных или специаль-
ных станках и установках или ручными машинами с механизи-
рованным приводом. В последнем случае к щеткам прдъявляют

балансировке. Обработка деталей вращающимися металлически-
ми щетками позволяет механизировать и автоматизировать ряд

условия

ручных трудоемких операций, зна
труда, улучшить качество деталей.

Области применения проволочных щеток для механической
обработки достаточно широки: снятие заусенцев, скругление

деталей от ржавчины, зачистка сварных швов, подготовка
поверхностей под сварку, пайку и окраску. Щетки применяют
также для очистки окрашенных деталей от краски, зачистки
концов проводов (удаление изоляции), полирования, подготовки
деталей под металлопокрытия, иногда их используют для удале-
ния заусенцев и притупления острых кромок зубчатых колес
после зубофрезерования или долбления и т.д. При размерной
обработке применение щеток не практикуется.

Данный метод имеет свою рациональную область применения:
он эффективен при обработке грубых поверхностей, более
универсален и мобилен, характеризуется высокой стойкостью и
низкой стоимостью инструмента, имеет высокую производитель-
ность, не загрязняет окружающую среду.

Применяемые щетки весьма разнообразны по типам, разме-
рам и материалу рабочей части. Их подразделяют на кольцевые
(диаметром 400-500 мм), дисковые цилиндрические (большой
сти проволока обычно гофрируется. Используется проволока из
иизкоуглеродистой, пружинной коррозионностойкой стали и цвет-
ных сплавов. По расположению проволочного ворса могут быть
сплошными, состоящими из пучков, жгутов, секций и т.д. Для
придания щеткам более высоких технологических свойств в
некоторых случаях их заливают резиной и различными плимер-
ными материалами. Имеются щетки специальной конструкции.

Технология изготовления щеток состоит из рубки проволоки,
набора се в пучки или секции, закрепления (вязания) и установки
в ступицу.

Щетки выбирают исходя из назначения, материала обраба-
тываемых деталей, применяемого оборудования и требований,
предъявляемых к обрабатываемой поверхности. Щетки большого
диаметра (400-500 мм) используют для обработки деталей на
бссцентровошлифовальных или специальных станках. Дисковые
щетки применяют на специальных кругло- и плоскошлифоваль-
11ЫХ станках. Чашечные проволочные щетки и щетки разнообраз-
ных типов с хвостовиками применяют при обработке деталей

ных станках или специальном оборудовании. Некоторые щетки
выполняют с осевым и радиальным направлением ворса и
применяют для чистовой обработки внутренних (цилиндрических,

резьбовых) поверхностей, а

для зачистки торцовых

поверхностей, прилегающих к отверстиям.

Наиболее совершенны щетки с резиновой ступицей. Эластич-

нос закрепление ворса с применением вулканиз
износостойкость и режущую способность щеток.

Щетки из прямой и витой радиально направленной проволоки
диаметром 0,4 мм и более применяют для грубой зачистки
поверхностей - удаления окалины, грязи, формовочной смеси,
притупления острых кромок, снятия заусенцев. Более мягкие
щетки (из проволоки диаметром 0,12-0,05 мм) используют для

полирования.

удаления небольшой окалины и

цветов полежалости. В некоторых случаях мягкие проволочные
щетки применяют при полировании с использованием абразивных

Качество поверхностей, получаемых при обрабокс щетками,
производительность процесса и его экономическая эффективность
в большой степени зависит от режимов обработки. Оптимальные
1>сжимы (скорость, давление, продолжительность обработки) и
параметры щетки (диаметр щетки и ворса, длина его вылета,
плотность и т.д) для каждого вида работ назначаются обычно

после предварительных

при выполнении-.различных операций 20-60 м/с, подача 0,05-5


Давление рабочей поверхности щетки в зоне контакта с
деталью определяется жесткостью ворса <при рабочей частоте

вращения) и вел:

кностей. Оптимальное

давление зависит от типа щетки, ее размеров, частоты вращения,
площади контакта щетки с деталью и других факторов, а
оптимальная продолжительность обработки - от частоты
вращения, типа щетки, материала детали и т.д.

Применение СОЖ при обработке щетками снижает шерохо-
ватость обработанных поверхностей, уменьшает нагрев в рабочей
зоне и способствует удалению образующихся при обработке
частиц металла. Небольшая стоимость инструмента и отсутствие

затруднений при

сса позволяют применять

его в индивидуальном, крупносерийном и массовом производстве.

На Крс

и специальных приспо-

соблений организован серийный выпуск проволочных щеток на
специальной линии, оснащенной импортным оборудованием.
Изготовляют щетки средних и небольших размеров.

2. Радиальные проволоки из гофрированной проволоки.

из гофрированной проволоки диаметров

и трехрядными. Основой щетки является диск (секция), со-
стоящий из ворса, охватывающего кольцо, и каркаса, который



каркас укладывают кольцо с ворсом, затем в штампе его
завальцовывают. Далее один, два или три диска устанавливают
между двумя фланцами и все соединяют втулкой-скрепкой, одна
сторона которой развальцовывается (замыкается) за один переход
с установкой фланца, прикрепляемого к пуансону с помощью
магнитного захвата. Собранный таким образом блок запрессовы-
вают в диск, а с другой стороны на этот узел напрессовывают

диск.

3. Радиальные пленки с витыми прядями.

выполняют одно- и двухрядными. Щетка состоит из ворса,
обоймы, фланцев (накладок) и заклепки. Основой щетки является
диск, включающий обойму с 26-ю отверстиями диаметром 5 мм,
через которые пропускается ворс. Ворс завивается в пряди на
полуавтомате для колосообразного скручивания, время скручива-
ния ворса на одном диске примерно 8 мин. Сборку производят
на прессе за два прохода: при обжиме формируется пакет из двух
дисков и двух фланцев. Упоры штампа выдавливают с двух
сторон вмятины, которые скрепляют пакет с наружной стороны
по окружности. Затем выполняется окончательная сборка, при
которой развальцовывается наглухо заклепка, скрепляющая пакет
виутренней стороны. Аналогично собирают однорядную шетку,

4.	Торцовая щетка с витыми прядями.

Торцовая щетка с витыми прядями состоит из диска,
яключающего ворс в обойму, чашек (накладок) и кольца, которое
при износе ворса снимают, в результате чего увеличивается срок
службы при заданной длине свободного вылета ворса. Диски
торцовых и радиальных щеток полностью уницифированы. Щетку
собирают следующим образом. Предварительно смонтированную
чашку с кольцом устанавливают в формующий штамп, в котором
пив удерживается захватывающими магнитами. Верхняя штампа
опускается, при этом свитые пряди проволоки отгибаются
кольцом и чашка с кольцом прижимается к диску. Затем с
помощью штампа отбортовывается заклепка.

Щетки достаточно долговечны (стойкость колеблется от 50
до 400 ч непрерывной работы). Щетки небольших размеров

мм, они более компактны и в 2-2,5 раза дешевле.

5.	Обработка механическими щетками с применением отража-
тельного устройства.

Назначение отражателя состоит в том, чтобы при подходе
проволочек к обрабатываемой поверхности обеспечить принуди-
тельное отклонение их концов в сторону, противоположную
направлению вращения. Сжато-изогнутые проволочки, скользя по
рабочей поверхности отражателя, срываются затем в точке L и,
разбрызгиваясь, с повышенной скоростью производят удар.

В соответствии и изложенной схематизацией процесса основ-

конца проволочки до удара и угол установки отражателя а.

Для расчета указанных параметров необходимо определить
начальные условия движения проволочки: координату и скорость
конца проволочки в точке L. При этом рабочая поверхность
отражателя может быть плоской, выпуклой и вогнутой.

В качестве примера приведем решение данной задачи Для
плоского отражателя.

Уравнение связи конца проволочки в неподвижной системе
координат ХОУ будет иметь вид

(2.92)

где R-наружный радиус щетки;

i-	наибольший технологический натяг.

Проволочка вместе со щеточным диском вращается относи-

рдинат с угловой скоростью сощ
координат ХОУ приналожснни

связи совершает относительное движение, поворачиваясь вокруг
точки 0. Применяя принцип отвердевания, определим скорость
конца проволочки Vlh ее прогиб в момент времени, заданный
углом р„ (Ро- угол поворота подвижной системы координат
относительно неподвижной). Угол р„ > 0 , если он измеряется
против хода часовой стрелки от неподвижной системы координат,
и наоборот.

Координату XL можно также представить в виде

XL = (R-A±ym„tgP0)cosp„.

Где Д = 0,617 У^/1; - сближение концов пров.
1В « 0,8 I - длина ее изгибающей части;

(2.93)

1 - вылет проволочки.
После подстановки ypf

тносительно У^:

„+ [Rd-cosP^-iJ

(2.94)

В уравнениях (2.93) и (2.94) верхние знаки применяются при
положительных, ниже - при отрицательных углах Придавая
углам Ро различные значения, можно из уравнения 2.94 находить
соответсвенные значения прогибов Уга1, а затем - угол отста-

(2.95)

Знав, что = ₽ ± углы ₽ и Pl необходимы для вычисления
скорости движения ворса в отражателе.

В конечном итоге эти углуы и координата У, могут быть

выражены в фикции угла ₽„ или

времени t, если положить
ут сложными, а уравнение



₽„ = <ош1. Однако эти

для скорости Уь = аУь/а1 - чрезвычайно громоздким.

В этих условиях проще скорость определять приближенным
способом в такой последовательности:



углах р° и ₽в4', мало отличающихся

друг от друга (ДР0 = Рв - рв+*), вычисляют соответственные про-
гибы .У^ и У^‘ из формулы (2.94);

- определяют углы р‘, ₽'*' по формуле (2.95) и углы
Р[. Р[41, а затем координаты У[ и У[41 по формуле
yL=(R-i)tgPL, считая, что за малый промежуток времени
Д( = ДР0/<ощ конец проволочки движется равномерно, получаем




ется начальный
координата -

Решающее влияние на скорость соударения при правильной

скорость движения проволочек, их диаметр и длина. Существенное
увеличение скорости достигается применением выпуклого, напри-
мер, цилиндрического отражателя.

На обработанных щеточным кругом поверхностях при равных
условиях скольжения проволочек величина остаточных наряже-
ний сжатия приблизительно одинакова. За счет дополнительной
кинетической энергии удара, создаваемой отражателем, толщина
поверхностно-упрочненного слоя возрасла в 1,4 раза.

Повышение скорости соударения приводит, прежде всего, к
увеличению толщины упрочненного слоя, а величина поверхности

Наряду с существенными преимуществами данного процесса,
Такими как высокая производительность, возможность получать
шероховатость поверхности до R, - 0,32 в сочетании с упрочне-
нием поверхностного слоя металла, которое пока не достигается
никакими другими методами пластического деформирования,
простота процесса, который может осуществляться на стандарт-
ном оборудовании и легко может быть автоматизирован, деше-
визна и очень высокая стойкость инструмента, возможность
обрабатывать поверхности сложной формы, а также непрочные,
хрупкие детали, имеется и значительный недостаток: невелика
Мубина упрочненного слоя (0,04...0,08 мм). Поэтому, с целью
повышения глубины залегания остаточных напряжений сжатия,
до обработки щетками проводят различные глубинно-у проч-
неющие обработки, что усложняет техпроцесс и не всегда
позволяет обрабатывать поверхности сложной формы, а также
хрупкие и мерочные детали.

В условиях же применения смазки, при обработке на более

жестких динамич

характеристик качества поверхностно-упрочненного слоя, в том
числе и глубины заллегания остаточных напряжений сжатия.

Из многих альтернативных методов для локальных кромочных
поверхностей вне конкуренции стоит упрочнение вращающейся
механической щеткой (ВМШ). Разработана технология, уста-
новка для обработки ВМШ, конструкции инструмента, дающая
ный инструмент для обработки маложестких деталей. Дли
автоматизации проектирования техпроцесса разработаны про
граммы для ЭВМ, позволяющие в зависимости от требуемоп>

трумента, расчитывать режимы, параметры настройки техноло-
гического оборудования.

Обработка ВМШ обеспечивает снижение шероховатости в
1,5-2 раза, приводит к повышению твердости на 17-20%.
формирует остаточные напряжения сжатия до 600-800 МПа.

Эффективность процесса в производстве определяется воз-
можным уменьшением трудоемких операций в 2 -2,5 раза
вследствие снижения требования к шероховатости поверхности
на операциях зачистки. В сфере эксплуатации эффект опреде-
ляется увеличением сопротивления выносливости лопаток по
данным предварительных экспериментов до 18%.

Предлагаемая технология и устройства могут применяться для
обработки кромок на широком спектре деталей.

6. Конструктивное исполнение комбинированных металличе-
ских щеток.

Вращающиеся металлические щетки из проволоки диаметром

но-упрочняющей обработке деталей. С целью улучшения каче-
ства поверхностного слоя применяются два новых вида щеток:

I.	Наряду с проволочным ворсом длиной 70 мм около 25%

из абразивной ленты на тканевой основе.

секторов

2.	Щетка изготавливается из проволочек различного диаметра
по ее ширине. При этом первоначально в работу вступают
проволочки большего диаметра (0.3 мм), а затем меньшего (0,16
мм).

ности Ra-0,63...0,16 мкм при исходной 2,5...1,25, а во втором
случае и более высокую степень наклепа (до 40%).

Обработка велась по следующей схеме: к вращающейся щетке,
с определенным натягом, подводится обрбатываемая деталь,
таким образом, осуществляются удары проволочек (абразивной
ленты) по ее поверхности с нужной интенсивностью. Получается

хностного пластического деформирования создаются сжимающие
остаточные напряжения до 350 МПА.

титановых сплавов: окружная скорость около 20 м/с, натяг
между интсрументом и деталью 1,0...2,0 мм. Время обработки
подбирается экспериментально из расчета размеров детали,
ширины и величины продольной подачи.
После данного вида обработки имеет место некоторое повы-
шение (10-15%) предела выносливости.

Рекомендуемая область применения - отделочно-упроч-
мяющая обработка деталей после шлифования и снятие заусенцев

конструкции).

11. Центробежная обработка
(Ротационная обработка инструментом ударного действия)

В последнее время в нашей стране и за рубежом получили

ного действия, особенности которого является отсутсвие лосто-
внного контакта в процессе обработки между деформирующими
моментами и поверхностью заготовки.

Весь инструмент ротационного действия можно разделить на
две группы: инструмент центробежно-ударного действия и
инструмент кулачково-ударного действия.

Особенностью работы инструмента центробежно-ударного
действия является полное отсутсвие обычного обкатывания:
ролики или шарики инструмента наносят удары по обрабатыва-
емой поверхности, сразу отскакивая от нее. Для создания
необходимой энергии удара используется центробежная сила.

Конструктивно инструмент очень прост и состоит из диска

которого размещены шарики. Диаметр цилиндрических отверстий
под шарик перифирии сепаратора несколько меньше шарика,

Наиболее важная деталь инструмента - сепаратор. Он должен
быть изготовлен таким образом, чтобы шарики выступали из
радиальных пазов на одиноаковую высоту. Имеютмя конструкции
инструмента где шарики установлены между двумя тарелочными
дисками, что облегчает изготовление и повышает точность сборки
инструмента. Расположение деформирующих элементов-шариков

и шахматное.

Под действием центробежных сил, возникающих при
вращении инструмента, шарики перемещаются в радиальном
направлении и занимают крайнее положение, прижимаясь к
сепаратору с некоторым усилием: возникает натяг.

Под натягом в данном случае понимается величина дополни-
тельного сближения упрочнителя и изделия от положения, при
котором шарики, отжатые центробежной силой к периферии

Шарики на большой скорости сталкиваются с обрабатываемой
поверхностью, осуществляя динамический наклеп и сглаживание
микронеровностей. На данном принципе основана работа головки
конструкции ФТИ АН Белоруссии для ротационного ударного
раскатывания отверстий.

В отличии от ранее
рабочими элементами,
а иголки стандартных

ных конструкций упрочнителей
струмснта являются не шарики,
сов, длина их превышает длину

раскатываемого отверстия. Наклеп поверхности осуществляется

В противоположность обработке центробежно-ударным инст-
рументом рабочим роликам кулачково-ударного инструмента
сообщается обкатывающее движение, которое носит ударный
характер.

Совершая быстрое возвратно-поступательное движение роли-
ки перемещаются в радиальном направлении и наносят удары
по обрабатываемой поверхности. При ударной обработке повер-
хность детали испытывает комбинированное действие, обычного
обкатывания и ударного наклепа. Кратковременный характер
приложенной нагрузки позволяет получить высококачественные
поверхности при обработке мало жестких и неравномерно
жестких деталей.

Деформирующие ролики в процессе обработки получают
планетарное вращение, обкатываясь по поверхности детали и
кулачковой оправки.

Обкатывавя выступы и впадины кулачковой оправки они
совершают быстрое радиальное перемещение. Удар ролика

происходит

й поверхностью. Конструкция подобного действия
автоматической линии (АЗЛК) для обработки

внедрена на

отверстий под палей поршня из алюминиевого сплава.

Среди различных методов ротационной обработки импульсное
обкатывание поверхностей имеет ряд преимуществ, которые в
конечном счете положительно влияют на качество деталей.
2.5. Комплексные и комбинированные способы
упрочнения

1.	Введение

Методы ППД развиваются и совершенствуются по следующим
основным направлениям.

I.	Способы обработки:

I)	новые кинематические схемы движения инструмента и

2)	создание специальных условий протекания процесса (по-
догрев и охлаждение, нейтральные и специальные среды, ульт-
развук, облучение и т.д.) и характера воздействия (импульсный,
сплошной с заданной периодичностью);

3)	использование новых источников энергии и новых энерго-
носителей;

4)	использование новых СОЖ и ПАВ;

5)	совмещение различных методов в одном цикле и сочетания
методов ППД, а также методов ППД с методами резания и
другими методами упрочнения (термохимическое, покрытия,

II.	Инструменты и рабочие тела:

1> использование новых материалов со специальными свой-

3)	разработка новых способов крепления и установки;

между инструментами и обрабатываемой поверхностью, между
инструментами и оборудованием;

5) обработка рабочих поверхностей инструментов и рабочих
тел с приданием их рабочим поверхностям заданных свойств.

Иллюстрацией пятого направления развития способов явля-

1) алмазное выглаживание с различными силами инструмен-
тами с различным радиусом.

4)	раскатывание + виброударная обработка;

5)	методы ППД + покрытия + методы ППД;

6)	совмещенная обработка: методы ППД с одновременным
нанесением покрытий;

7)	вибровыглаживанис+хонигование комбинированным хоном,
имеющим режущие бруски из дисульфида молибдена для яапол-
8)	электроисковое микролегирование высокоопрочными мате-
риалами титановых сплавов+накатывание;

9)	совмещенное точение и накатывание (обкатывание, раска
тывание);

10) точение с ।

। деформированием

Дополнительные резервы повышения качества таит в сеГм-
комбинированное упрочнение, в основе которого лежит использо
ванне технологической наследственности. Применение к ом бин и
рованного упрочнения особенно эффективно в тех случаях, когда
по условиям эксплуатации деталей требуется высокая интенчин
ность упрочнение поверхности при достаточной толщине упроч
ненного слоя. Об эффективности комбинированного упрочнения
можно судить по некоторым работам Куйбышевского политехни
ческого института.

щетками подшипников опоры

Обрс

бурового долота после обкатывания шаром обеспечила дополни-
тельный прирост твердости и увеличение напряжений сжатия i
500-600 до 8000-1100 МПа, что повысило работоспособность
подшипников более чем в 2 раза.

Упрочнение стали ШХ15 обкатыванием шаром увеличивает
микротвердость на 60%, а при последующей обработке лучом
лазера она повышается на 340%. При упрочнении только лучом
лазера прирост твердости значительно ниже.

сталью 14ХНЗМА и 40ХН обеспечивает повышение микротвер-
дости более чем в 2 раза и формирует в слое остаточные
сжимающие напряжения, что существенно повышает коррозион-
ную стойкость и сопротивление изнашиванию.

Упрочнение методом обкатывания матриц из стали 4ХЗВМФ
повысило их стойкость при штамповке в 3 раза, а после
комбинированного упрочнения (азотирование + обкатывание) -
в 5 раз. Можно привести много других примеров.

Успешное решение задач, стоящих перед машиностроением
требует самого широкого использования комбинированного уп-
рочнения как эффективного средства повышения качества и
надежности изделий. Поэтому при разработке новых способов
ППД, следует обратить особое внимание на развитие комбини-
рованных способов упрочнения (ППд в сочетании с лучом лазера,
электронным лучом, химико-термической обработкой, электрохи-

При всей разнородности в специфических чертах эти новые
технологии характеризуются рядом общих особенностей.

Во-первых, главную роль в создании новых методов ППД
играют научные принципы, заложенные в основу того или иного
ИйЛооперационный характер и формируются, обычно, на базе
ЙМдинення многих операций в одну. Так, на смену многим
Мараниям резания и шлифования в металлообработке приходят
•нтоды ППД поверхностей, использование которых в ряде

ых температур и

Мучисв связано с

Но-вторых, технологические процессы ППД характеризуются
нвлоотходностью и безотхозностью. Помимо большого экономи-
ческого эффекта радикально улучшает качество изделий.

Методический базой для анализа и синтеза различных
способов ППД, а также разработки перспективных технологиче-
ских процессов может служить построение их структурных и
физических схем, а также математических и конструктивных
Моделей.

Лазерные и электронные лучи, низкотемпературная плазма и
т.д. позволяют создавать новые технологические процессы обра-
ботки материалов.

Повышения качества, надежности и долговечности изделий оте-
«ественного производства, является непрерывное совершенство-
вание методов механической обработки материалов, внедрение в

Процессов и, в в частности, совмещенных и комбинированных
процессов ППД. Совмещение ППД с другими способами упроч-
нения позволяет использовать преимущества и возможности
Каждого из них, оптимизировать процесс поверхностной пласти-
ческой обработки материалов.

Разработаны и применяются следующие группы комбиниро-
ванных методов упрочнения:

I)	ППД в сочетании с покрытиями;

2)	ППД в сочетании с методами механического воздействия;

3)	ППД в сочетании с методами физического воздсйтсвия;

4) ППД в сочетании с термообработкой.

2. Методические основы создания новых

। ППД

При разработке новых способов ППД согласно поставленной
цели и решаемым задачам выделяется шесть следующих этапов'.

1) Анализ известных кинематических схем формообразования
поверхностей эффективного использования существующих гео-
метрических форм деформирующего инструмента, наличия необ-
ходимого количества рабочих движений, непрерывности формо-
образования, возможностей совмещения ППД с другими процес-
сами обработки деталей.
тически предлагаемых схем формообразования (взаимные перс
мешения инструмента и обрабатываемой заготовки): изменений
формы и размеров рабочей части инструмента, величины внед-
рения, свойств среды в зоне контакта; одновременно воздействие
различных видов энергии.

обработки таких, как выбор рациональных траекторий, со-
вмещение во времени и сокращение элементарных движений
цикла формообразования, повышение стойкости инструмента.

ления предложенных способов.

5)	Определение эмпирических моделей технологических по-
казателей в зависимости от варьируемых параметров режимов
обработки и инструмента, постановка и решение задач оптими-
зации способов ППД.

6)	Подготовка програмиого обеспечения расчета и оптимиза-
ции характеристик качества и режимов обработки деталей.

Порядок создания новых способов поверхностного пластиче-
ского деформирования может быть проиллюстрирован примерами
разработки прогрессивных схем алмазного выглаживания и
ротационно-ударного накатывания, в том числе данных способов,
совмещенных с нанесением износостойких покрытий. При этом
возможно использование ЕС ЭВМ для автоматизировнаного
проектирования новых процессов обработки.

Упрочнение ППД в сочетании с покрытиями.

Экспериментально установлено, что при центробежной обра-
ботке одновременно с изменением рельефа обрабатываемой
поверхности и наклепом поверхностного слоя при помощи данного
способа механической обработки можно наносить на изделия
различные металлические покрытия. В этом случае перед
пластическим деформированием на обрабатываемую поверхность

размера чатицы материала покрытия. В качестве таких веществ
можно применять растворы солей материалов или порошковые
материалы. Вследсвие деформирования осуществляется химичс-

частйц с подложкой, а затем и между собой. Это обеспечивает
образование и развитие на обрабатываемой поверхности плот-
ного и прочно сцепленного с основой покрытия. Для повывшения
качества наносимого покрытия в подаваемый на обрабатываемую
поверхность материал добавляются поверхностно активные
вещества, которые удаляют окисные пленки, обвалакивают
частицы, защищая их от окисления, а также способствует
“приклеиванию" частиц одного металла к другому, пока не
дойствует внешняя механическая сила. Эффективен состав для
омеднения стольных деталей, представляющих собой ратвор
хлорида меди в глицерине с небольшой добавкой активатора

СТОЛЬНОЙ подложки. Для

из алюминия,

бронзы и цинка предложены водные растворы органических
кислот, а для смачивания порошка из коррозионностойкой
стало - 5%-ный водный раствор соляной кислоты. При нане-
сении серебра использовалась смесь из порошков серебра и
хлористого натрия, которую перед употреблением смачивают

Опыт промышленного внедрения свидетельствует о широкой
универсальности и эффективности этого метода как средства

рабочих поверхностей деталей машин и приборов.

Установлено, что в зависимости от режимов обработки класс
шероховатости поверхностности после этой обработки повыша-
ется на 2-5 номеров, в десятки раз увеличиваются радиусы
скругления выступов и впадин. В результате пластической
^формации улучшаются физико-механические свойства поверх-
ностного слоя: твердость возрастает на 20...60%, предел вынос-
ливости повышается на 1 S..45, создаются остаточныые наряжения
сжатия величиной 300...950 МПа, глубина наклепа достигает

2,0 мм.

Финишную обработку гильз ППД целесообразно осуществлять
специальной раскатанной головкой, смонтированной на верти-
кально-хонинговальном станке, с одновременной подачей в зону
обработки жидкой металлолакирующей среды на основе солей

Режимы обработки: подача 110...120 мм/об; усилие на ролик
60...80Н. в результате на поверхности трения образуется медное
покрытие толщиной 1...2 мкм, обладающее достаточной адгезией
к основному металлу гильзы, регулярный микрорельеф получен-
ной поверхности характеризуется большим, чем обычно при ППД,
радиусом закруглении микронеровностей.

Сравнительные стендовые испытания гильз, обработанных по

предлагаемой технологии и

оказали, что

средний износ омедненных гильз в верхней части в 2...2,3 раза
меньше чем износ неунрочненных деталей, а износ сопряженных

колец уменьшается на 45%. Время приработки
свой группы в результате применения указанной

компросж»

обработки сокращается в 2...2,5 раза по сравнению с традици-
онной технологией.

Наличие антифрикционного покрытия исключает возникно-
вение задира при трении, особенно при низких скоростях
скольжения, когда несущая способность жидких смазочных
материаллов недосстаточна.

Повышение изностойкости и сокращение времени приработки
достигается за счет пластичности покрытия и быстрого образо-
вания опорной поверхности, уменьшения коэффициента трения,

оптимального микрорельефа и упрочнения поверхностного слоя

гильзы.

Традиционно под покр

шлифуют и

полируют. Процессы трудоемкие, сравнительно малопроизводи-
тельные и экологически вредные, которые с успехом заменяют
ППД.

Весьма интересны и многообещающим является ППД основы
совместно с покрытием. Технологический маршрут при этом
следующий. Деталь, например шток ® *L=86x 1000) протачи-
вается (R, =10), затем гальванически покрывается в один слой,
при этом на вершинах микровыступов толщина покрытия больше,
а во впадинах меньше. Затем в процессе ППД деформируется
не только покрытие, но и основа. Толщина покрытия выравни-
вается, высота микронеровностей его поверхности R, £ 0,2 мкм,
а основы - R, г 2,0. Мягкое покрытие диффундирует в основу,
плотность его и сцепляемость с основой существенно повышается,
как и коррозионная стойкость. Получено существенное повыше-
ние качества детали при более высокой производительности
обработки.

При покрытии совместно с основой проявилась еще одна
интересная особенность. Если покрытие некачественное, напри-
мер, из-за плохого обезжиривания, то оно при ППД в этом месте
отслаивается. Так что ППД можно использовать как надежный
метод контроля качества покрытия.

Разработано финишное антифрикационное дробеударное уп-
рочнение методом поверхностного пластического деформирова-

Предлагаемый способ обработки позволяет совместить процесс

антифрикционного покрытия, существенно улучшающим условия
трения контактируемых покрытий, существенно улучшающим
условия трения контактируемых поверхностей.

Разработа конструкции промышелнных вариантов установок
ФАДО для группы деталей двигателя автомобиля ВАЗ, в
частности, для обработки зеркала цилиндров блока и шеек

Предложен новый технологический процесс финишной анти-
фрикционной обработки с помощью ППД в металлоплаки-
рующей среде, позволяющей одновременно с упрочнением повер-
хностного слоя деталей наносить на них антифрикционные

покрытия с различной толщиной.

иа металлорежущем станке при использовании шарового дефор-
мирующего инструмента (ЩДИ) с бронзовой оправкой и с
подвдом электрического тока, проходящей через зовы контактов.

Слой бронзовой оправки деформируясь при трении с шариком
освобождается от лигирующих элементов и переносится на
рабочую поверхность обрабатыаемых образцов в виде равномер-
ной медной пленки. Явление образования медной пленки при
ППД наблюдалось во всех обрабатываемых материалах. Уста-
новлено, что при нанесении медного покрытия с помощью ППД
очень важно наличие определенного давления прижатия ЩДИ,
благодаря чему в результате адгезионных связей образуется нс

и повышается плотность дислокаций.

Показано, что в результате упрочнения и нанесения медного
покрытия с помощью ППД образуется новый антифрикционный
поверхностный слой, отличающийся от исходной меньшей шеро-
ховатостью, мелкодтсперсной пластически деформировванной

структурой, твердостью, вел

точных напряжений сжа-

тиа, оказывающими благоприятное дейтсвие при эксплуатации.

Полученные результаты свидетельствуют, что применеие
ППД для упрочнения и нанесения медного покрытия на рабочие
поверхности деталей увеличивает их срок службы за счет
реализации в узле трения эффекта избирательного переноса.

Для увеличения надежности пар "винт-гайка” в станках
предложена совмещенная обработка рабочих поверхностей вин-
тов вибрационным натиранием металлосодержазими твердыми
антифрикционными покрытиями в сочетании с вибронакатыва-

натирающий стержень, укрепленный на планке прямоугольного
сечения с малой жесткостью, что обеспечивает возможность его
поворота на определенный угол. В процессе обработки, при
фрикционном взаимодействии натирающего элемента с боковой
поверхностью профиля винта возникают автоколебания его с
ударным воздействием на обрабатываемую поверхность. В ре-
зультате на ней формируется регулярный микрорельеф, образо-
ванный частицами антифрикционное покрытия, переносимого со
стержня. При этом в связи с малой жесткостью планки она имеет
возможность осциллирующего поворота, изменяя траекторию
движения натирающего элемента и обеспечивая одновременную
обработку двух смежных боковых поверхностей профиля винта.
Нанесенное таким способом антифрикционное покрытие под-
вергается вибронакатыванию шариком. Причем, конструкция
предлагаемого устройства позволяет эту обработку совмещать с
процессом вибронатирания. Характерной особенностью виброна-
катывания шариком поверхности, предварительно обработанной
вибронатиранием, является значительное возрастание динамиче

антифрикционным покрытием.

При совмещенной комбинированной обработке в поверхност-
ном слое формируется антифрикционный поверхностный слой,
отличающийся благоприятными с точки зрения эксплуатации
качественными характеристиками (геометрическими, физико-ме-
ханическими, химическими), обеспечивающие повышение изно-
стойкости (в 2-5 раз) деталей и исключение явлений схватывания

Установлено влияние параметров поверхностоного пластиче-
ского деформирования (ППД) торцовым рликом на характери-
стики сопротивления усталостна образцов и трубчатых изделий

из сплава Д16Т. Ограи



которое находится в пределах оп - 4,0 ...4,25 .

Преобладающим на прирост надежность является вклад
сжимающих остаточных напряжений, наведенных в поверхност-
ном слое.

Выбор оптимальных параметров обработки позволяет повы-
сить величину сжимающих остаточных напряжений в 1,5-2 раза
по сравнении с обычной обработкой ППД. Это связывается с
квазиразмерным накоплением пластической деформации в упроч-
ненном поверхностном слое, что обеспечивается специальным
технологическим приемом при ППД.

Показано, что применение ППД после гальванических по-
крытий устраняет их отрицательное влияние на предел вынос-
ливости изделий.

Разработана технология упрочнения методом ППД концент-
рационных зон трубчатых изделий из сплава ДИТ, что позволило
уменьшить разброс характеристик усталостной прочности и
увеличить минимально допустимое значение числа циклов на-
гружения до разрушения при повторно-статических испытаниях
на осеое отнулевое растяжение при уровне напряжения, состав-
ляющего 50% от разрушеющего.

3. Инструмент и технологические возможности совмещенной

Разработаны схемы устройств и способы совмещенной ком-
нированной антифрикциоино-упрочняющей обработки
(СКАУО), основанные на совмещении операций нанесения на
рабочую поверхность детали антифрикционного покрытия (Ag,
Cd, Со, Mo, S2 и др.) и одновременного упрочнения ППД при
использовании энергии удара.

Применение СКАУО расширяет технологические возможно-
сти различных методов финишной обработки поверхностей:
отдел очи о-упрочняю щей, антикоррозионной, антифрикционной, а

Шлицев) холодным пластическим деформированием при одновре-
менном повышении качества и эксплутационных свойств обра-
батываемых поверхностей. Повышается производительность об-
работки в 1,5...2 раза, снижается на 20...3-%расход металла
покрытия, на 1О...2О% расход электроэнергии.

СКАУО при определенных соотношениях технологических
факторов и параметров режима, обеспечивает формирование
антифрикционного поверхностного слоя с регулярным микрорель-
ефом, образованного ячейками пяти типов (3-х, 4-х, 6-ти
угольных), стабильными во времени при эксплуатации( механи-

тоспособносгь и долговечность деталей машин.

Повышение работоспособности деталей с покрытиями метода-
ми упрочняющей технологии.

Повышение предела выносливости валов с электролитически-
ми покрытиями достигается упрочнением до и после нанесения
покрытия, а также в процессе осаждения. Упрочнение валов до
нанесения покрытий можно осуществить поверхностным пласти-
ческим деформированием (ППД), поверхностной закалкой ТВ,
кимико-тсрмическими способами, комбинированными способами,
например, цементация с последующим наклепом.

твердостью HVпокрытия и радиусами ^обрабатываемого вала,
галтели, шарика или ролика. Для сталей с железными покры-



эквивалентный радиус.

процессе нанесения покрытия является их гальвано-механическая
обработка. Дальнейшее повышение предела выносливости дета-
лей с покрытиями возможно за счет сочетания термической или
химико-термической обработки с ППД. Перспективным техно-
логическим приемом повышения контактной выносливости сталей

твердым сплавом Т330К4.

Установлены опт имальные режимы выглаживания для твер
дых (HV=562...6,0) и мягких (HV=2,9...4,0) железных покрытий.
позволившие повысить контактную выносливость изделий i
покрытиями в среднем иа 35...60% (1150...1270 МПа).

дующей термообработкой: низкий отпуск+цементация+закал
ка+низкий отпуск. Существенное увеличение контактной вынос
ливости деталей с покрытиями может быть получено за счет
цементации и нитроцементации с применеием ТВЧ, а также
использованием электронно-плазменного способа.

Применяется сочетание методов антифрикционной об работ

поверхности трибоэлементов, и последующего алмазного выгла
живания с целью формирования параметров состояния поверх-

коэффициент трс-

грузоподъ

ния, температура в зоне контакта и др.) в зависимости от пути
трения, вариантов технологии, режимов алмазного выглажитва

моделируемых условий эксплуатации. Статисический

анализ показал, что нанесение твердого покрытия в вакууме на
основе титана или молибдена на поверхность одного из трибо
элементов, с последующим алмазным выглаживанием, позволяв
повысить изностойкость и грузоподъемность соединения, в усло-
виях граничного трения, в 2,5...4 раза при наличии на втором
трибоэлементе мягкой приработочной пленки из меди. Получен-
ные соответствующие количественные зависимости. Физическая
сущность полученного эффекта заключается в следующем:

- нанесение твердого покрытия в вакууме полностью исклю-

- последующее применен*!

ла жива ния создает

микропрофиль твердого покрытия, параметре которого удовлет-
воряют условию пластического оттеснения металла вкладыша.

Разработаны техническ
зультатов в производство.

для внедрения ре-

4. Механизм синхронного нанесения и упрочнения
гальванических покрытий ППД в электролите

ских покрытий ППД в электролите, так называемое послойное
упрочнение покрытий, как и традиционные методы упрочнения
ППД базируются на теории прочности и эластичности мате-

Механизмы поел

ия осуществляются

дующим образом: детали (катод), помещенной в ванну с
ВЛвктролитом, придается вращательное движение, что позволяет
С одновременным наращиванием покрытия производить упрочне-

Иис ППД методом обкатки i
вращается при достижении покр

их слоев, процесс пре-
обходимой толщины. При

|Гом толщина упрочняемого за одинг оборот детали слоя
Покрытия зависит от режимов электролиза и частоты циклов
Вращения детали. При послойном упрочнении покрытий внешняя
Нагрузка Р должна быть такой, чтобы зона распространения
пластических деформаций S, была равна толщине нанесенного

алия за один оборот детали слоя h((Sg = h,).

При данном способе упрочнения происх
Сформирование слоев покрытия, экранизац

кислорода воздуха, электролитом, активация осаждаемого ме-

ростом числа дислокаций, измельчением блоков (зерен) металла,
увеличением микроискажений кристаллической решетки, получе-

иым кислородом упрочняемых ППД слоев покрытий. Активация
осаждаемого металла, вызванная механическим удалением пу-
ырьков водорода с поверхности осаждения, сопровождается
уменьшением наводораживания и пористости покрытий. Все это
приведет к повышению твердости покрытий, гомогенности
свойств покрытий по всей их толщине, снижению химической
активности при трении и, в конечном итоге, к повышению
Надежности деталей, работающих в условиях трения и износа и
имеющих гальванические покрытия из драгоценных металлов.
Данный способ упрочнения внедрен на предприятиях приборост-
роительной промышленности для изготовления контактных пар

точных приборов. Изностойкость сл

5. Оптимизация процессов ППД при формировании
быстроприрабатываемых металлопокрытии (БПМП)

В последнее время расширяется применение быстроприраба-
тываемых металлопокрытий (БПМП) на основе низкомодульных
материалов (Cn, Sn, Pb, A), MoS, и Т.Д.). Деформационное
упрочнение таких покрытий отличается рядом особенностей.

Для реализации полезных триботехнических эффектов ППД
осуществляется в планетарных центробежных установках
(ПДУ) и в други:
частиц стекла и .

кислотной среде с добавкой ПАН.

Состав рабочей среды и кинематика процессовППД позволяй»
выделить следующие их особенности:

-	стохастический характер взаимодействия иденторов к

-	примерное равенство контактных напряжений сжатия и

-	активизирующее влияние химических реакций на скорость
формирования покрытий и пленок.	t

Оптимизацию таких процессов ППД целесообразно проводить
на основе структурно-логическоно моделирования контактно
фрикционных явлений. Наряду с учетом факторов механического
взаимодействия стеклянных цденторов непостоянной кривизны с
материалами БПМП такое моделирование гиподинамики, адге-
зии, поляризации молекул ПАВ и контактного вытеснения
наносимого материала БПМП.

ния коэффициента трения, температуры, величины износа и
длительности приработки. Основной контролтируемый фак
тор - это момент трения, по его стабилизации можно судить



БПМП

влияния контактного давления на шероховатость и твердость
поверхности. Болес реально управлять данными параметрами за
счет длительности обработки, скорости вращения ПЦУ, рацио-
нального соотношения размеров чатиц стекла и состава рабочей

Упрочнение ППД применяется в частности для сопротивления

изготовленные из высокопрочных сталей, могут работать при
высоких нагрузках, как статических так и динамических.

Но иногда к отдельным их поверхностям прсъявляются особые
требования (высокая износостойкость в сочетании с низким
коэффициентом трения). В этом случае детали подвергают
твердому хромированию. Толщина хромовогко покрытия может
колебаться от 9 до 80 мм. Однако, если хромовое покрытие и
повышает эксплутационные свойства деталей в условиях трения-
скольжсния, то циклическая прочность изделий снижается.

наличие остаточных растягивающих напряжений в слое хрома.

Надежность высокопрочных сталей с хромовым покрытием нс
зависит от остаточных напряжений в слое хрома; трещины в
слое хрома образуются уже в течение первых десяти циклов,
поэтому долговечность определяется надежностью образца с
трещиной. Как известно надежность образцов с трещинами,
Изготовленных из высокопрочных сталей без упрочняющей
обработки составляет 15-25% от общей.

Таким образом повысить усталостную прочность хромиро-

жения, при котором трещина не распространяется. Этого можно
достигнуть действием сжимающих остаточных напряжений, со-
измеримых с напряжениями от внешней нагрузки. Для высоко-
прочных стали единственным технологическим методом, обеспе-
чивающим это положение, является упрочнение поверхности
пластическим деформированием. Хромовое покрытие снижает
циклическуя прочность стали ЗОХГСНА в 1,2-2,2 раза, в
зависимости от базы испытания и способа приложения нагрузки.

Сопротивление усталости деталей с хромовым покрытием
валяется мерой минимального значения интенсивности напряже-

ППД повышет циклическую прочность стали с хромовым
покрытием до уровня, соответствующего усталостной цикличе-
ской прочности шлифованной стали без покрытий.

7.	Упрочнение наплавленных деталей.

ливать до номинальных размеров различными способами наплав-
ки с последующей механической обработкой. От способа зависят
такие характеристики, как износостойкость и сопротивление

снижается обычно на 30%. В связи с этим представляется
интересным возможность повышения сопротивления усталости
деталей, изношенные поверхности которых восстановлены на-

ого пластического
:м влияния этих

деформирования с одновремен:

методов на изностойкость наплавленных металлов.

Из способов пластического деормирования применяют обка-
тывание роликом и упрочняющее точение резцом с отрицатель-
ным передним углом. Результаты видны из таблицы 5.1 (в

сравнении с
Таблица 5.1

		И~х. ыг
Сталь 45, закаленная с нагревом ТВЧ.	Шлифованные  Шлифованные и полированные	2,45 3.60
под слоем легированного	Шлифованные  шлифованные.  Упрочненные резцом, режим II  Упрочненные резцом, режим V Шлифованные	3.50 2,90  2,70 3,40 2,10 2,55 2,85  1,90 2,55 2.40  320
Электродуговая наплавка под слоем легированного	Шлифованные и полированные.  Обкатанные роликом.  Упрочненные резцом по режиму 1	

314 0.017 м/с; S, - 0.26 мм/об.

- 15.7 0.017 м/с; S, - 0,07 мм/об.

режим IV-V4 - 78.5 0,017 м/с; 34 - 0.07 мм/об.

режим V-V9 - 62.8 0.017 м/с; Ss - 0,13 мм/об.

Таким образом изностойкость упрочненных деталей, как
правило выше износостойкости неупрочненных шлифованных.

ленного металла, твердости, остаточнх тангенциальных напряже-
ний при пластическом поверхности деформировании. Кроме того
упрочнение не сопровождается нагревом поверхностных слоев
металла, в них наблюдается тросто-мартенситная структура.

Более износостойкой оказалась поверхность упрочненных
деталей с высотой неровностей больше, чем у неупрочненных
(шлифованных, полированных), так как в результате наклепа
увеличивается микротвердость, образуются остаточные сжи-

видна также из следу»

упрочняющее точение

повышению предела выносливости этих деталей в сравнении с
неупроченными шлифовнными на 20%, что соответствует пред-
елу выносливости новых деталей.

Поверхностное пластическое деформирование наплавленных
деталей изменяет физико-механические свойства и характери-
Пики поверхностного слов наплавленного металла таким обра-



кости и уста-

цветной прочности наплавленных деталей. Проведенные эксплу-
Нционные испытанна деталей, восстановленных наплавкой с
рнменением поверхностного пластического деформировании на-
плавленного слоя, позволяют рекомендовать их применение с
целью повышения сопротивления усталости при сохранении их
Порошей нзностойкости.

Помимо наклепа существуют и другие методы повышения
Сопротивления усталости, например, азотирование. Химико-тер-
иичсская обработка стали азотированием широко применятся для

Ло клена высоким износом, являсннями коррозии, разрушением
Следствие усталости.

8.	ППД + газотермическое напыление покрытий.

Совместное применеие ППД и газотермического напыления
Позволяет достичь комплексного аффекта упрочнения поверхно-
стей изделий, что особенно важно для деталей судоремонта.
Основным фактором, определяющим возможность практического
Применив деталей с покрытиями, является прочность их сцепле-
ния с напыленной поверхностью, которая во многом зависит от
Качества подготовки поверхностей перед напылением. Наиболее

рвспространенным метода

ются нарезка рваной

резьбы и дробеструйная обработка, при этом наибольшую
Прочность сцепления обеспечивает нарезка.

Рваная резьба существенно снижает сопротивление усталости
деталей судоремонта, работающих в условиях значительных
(накопеременных нагрузок.

Обеспечить прочность сцепления покрытия с подложкой без
снижения усталостной прочности позволяет метод обкатывания
профильным роликом, вращающимся вокруг оси, не совпадающей
с его осью симметрии (а. с. №1162576). Обработкой таким
роликом достигается комплексное упрочнение детали в целом. С
одной стороны, увеличение поверхности контакта покрытия и
подложки за счет большей развитости рельефа, повышение
активности подложки в результате пластической деформации ее
повыерхностного слоя, измельчение структуры ведут к тому, что
при обкатывании роликом со сложной кинематикой прочность
сцепления повышается по сравнению с другими методами
подготовки. С другой стороны, обкатывание роликом формирует
в поверхностном слое остаточные сжимающие напряжения,
ведет к интенсивности пластической деформации подложки с

|3ованием волокнистой структуры поверхностного слоя и к
упрочнению. Возникновение волокнистости структуры,
наплавленной параллельно образующимся при накатывании
впадинам, благоприятных остаточных напряжений в поверхност
ном слое обеспечило повышение усталостной прочности образцов,
подготовленных обкатыванием роликом со сложной кинематикой
по сравнению с нарезкой рваной резьбы в 2...2,4 раза. Исполь
зование предложенного метода для подготовки поверхностей
ответственных деталей судоремонта на Клайпедском судоремон
тном заводе позволило получить большой экономический эффект

9.	ППД в сочетании с методами механического воздействия.

Упрочнение ППД в сочетании с ударным воздействием.

Применяется пластическое деформирование поверхности, об
работаниой ударными волнами.

Разработано теоретическое обоснование упрочнения свободной
поверхности твердого тела при ударном воздействии на него

технологических процессах взрывных и ударных воздействий на
металл, а также экспериментально такой эффект упрочнения

буж де нии на тело в нем

волновая картина

деформирования среды, переход ее в другие агрегатные состояния
или ярко выраженное пластическое течение и высокие темпера
туры. Если на пути волн встречаются свободные границы, то
задача сопряжена с проблемой отражения волн. Сами границы
являются источником возникновения целого пакета отраженных
волн, за фронтами которых материал может деформироваться
упруго или пластически в зависимости от интенсивности удара,
углов падения волн и параметров среды. Поскольку достаточно
сложно математически описать физически реальные процессы
превращения вещества под действием приложенного к телу

деформирования, так и реологические свойства материла.

В рамках классической динамической теории пластичности
разработана модель упругопластического тела с линейным изо-
тропным и анизотропным упрочнением, учитывающая физикую
природу пластического деформирования - его дислокационную
кинетику для описания структуры ударных волн.

В этой связи представляет интерес упрочнение деталей

линейных зарядов (ВВ) и электрическим взрывом проводника
(ЭВП). Реализация указанных методов упрочнения представляет
собой комплексную задачу выбора рациональных схем ППД,
определения оптимальных условий энерговыделения при взрыве
линейных источников и формирования нужной картины остаточ-
ных напряжений, а также исследования структуры и эксплута-
Шюнных свойств упрочняемых элементов, успешное решение
которой возможно лишь при использовании системного подхода,

1Сть процесса проектирования
ается в тесной взаимосвязи с

Установлены

стинчатых изделий с отверстиями из алюминиевых и титановых
сплавов. Определены оптимальные размеры линейных импульсов

уров ВЗ и взрывающихся проволок),
возможности методов упрочнения вы-



сокоскоростных ППД.

Технологический процесс совмещения холодной торцевой

внутренний диаметр заготовки со стороны раскатываемого бурта
изменяется.

При получении внутренноего отверстия необходимой точности
используется после раскатки процесс дорнования.

раскатки. При этом значительно улучшиалсть структура металла
на поверхности отверстия.

Сочетание процессов торцевой раскатки с последующим
дорнованием очень удобно на торце раскатных автоматах.
После раскатки дорнование осуществляется при помощи вытал-
кивателя непосредственно в процессе выпрсссовки заготовки из
матрицы. Таким образом время на операцию дорнования тратится
минимальное. Во время дорнования происходит раздача бурта и

етра. При этом сила, приклады-

Такой вариант дорнования целесообразно применять на
деталях, имеющих большой допуск по наружному диаметру бурта.

упрочнения.

гссов поверхностного пластического

Применяется совершенствование методов поверхностного пла-
стического деформирования (ППД) для деталей шасси, изготав-
ливаемых из стали 30ХГС2А, путем применения деформационно
- циклического упрочнения (ДЦУ), включающего циклическую
тренировку (ЦТ) и последующий низкотемпературный отпуск.

Повышение надежности при ДЦУ обеспечивается благодаря
увеличчению глубины упрочненного слоя, если ЦТ производится
знакопеременным изгибом. При ЦТ растяжением-сжатием или

структуры материала по всему сечению детали.

исходной
Для оптимизации режимов ДЦУ по критерию надежности
разработана методика, в основу которой положены уравнения

получення данных, необходимых при разработке методики,
проведено экспериментальное исследование, в результате кото-
рого выявлены оптимальный момент приложения температур-
ного воздействия после ЦТ и закономерности накопления плот-
ности скрытой энергии в стали 30ХГСН2 А при ДЦУ, проведен-
ного после ППД.

Технологические возможности гидроимпульсиого упроч-
няющего обкатывания.

В Карагандинском политехническом институте созданы высо-
коэффективные гидроимпульсные обкатные устройства для уп-

Отличительной особенностью разработанного метода гидроим-
пульсивной обкатки (ГИО) является комбинированное воздейтс-

ударных импульсов, что позволяет значительно снизить усилие
обкатывания, повысить износостойкость и сопротивление устало-
сти деталей машин.

Разработанные конструкции для ГИО деталей машин (а.с.
№ 1031720, 1134355) позволяют создавать значительные усилия
статической обкатки с частотой ударных импульсов 60...100 с'1
и энергией единичного удара 30... 120 Дж, что значительно
расширяет технологические возможности данных устройств.

Разработана и внедряется на Карметкомбинате опытно-про-
мышелнная установка для ГИО опорных валков прокат ного стана
17007. Обкатка опорного валка (материал 9ХМФ, масса 35 т)
производилась роликом (D - 160 мм, - 15 мм). В результате
промышленных испытаний установлено, что шероховатость по-
верхности при ГИО валков составила 9,32 мкм при исходной
шероховатости 6,3 мкм, твердость поверхностного слоя валка
повысилась на 25...30%, производительность чистовой оброаботки
возросла более чем в 4 раза по сравнению с базовой технологией.

Разработаны новыые конструкции устройств для статико-
динамического поверхностного упрочнения прокатных валков.
Отличительной особенностью их является комбинированное воз-
действие усилия статичческого обкатывания, энергии и частоты
ударных импульсов, что позволяет снизить усилие обкатки и
повысить износостойкость и контакную выносливость валков.

В зависимости от характера эксплуатации валков разработан-
ные устройства можно использовать при различных режимах
работы: упрочняющей обработки с глубиной наклепанного слоя
до 10 мм и более, при этом твердость поверхностного слоя
повышается на 60-80%; чистовой обработке, которая характери-
яуется высоким качеством (Ra-0,16 мкм) и однородностью
микроструктуры поверхностного слоя с наличием остаточных
напряжений сжатия.

В настоящее время разработаны и внедрены в производство
ряд конструкций модулей для статико-динамического упрочнения
валков прокатных станов. Обкатку производили роликом диа-
метром 160 мм, профильный радиус 15 мм. Результаты промыш-
ленных испытаний поверхностного упрочнения опорных валков
(сталь 9ХМФ, масса 36 т, диаметр бочки валка 1500 мм)

поверхностного слоя валка повысилась с

НВ до 495 НВ.

Коэффициент расхода стальных валков уменьшился с 0,26 до

лей МГТУ им. Н.Э. Баумана предложен способ и принципиально
новые устройства типа самоходных вибродорнов для калибровки,
выглаживания и упрочнения отверстий, например, гильз гидро-
цилиндров, практически неограниченной длины. Сущность спо-
соба заключается в самостоятельном, без приложения внешней
силы, прохождения трубы специальным вибродорном, выпол-
няющем в процессе своего движения поверхностно-пластическую
деформацию стенок гильзы гидроцилиндров по всей длине. Дви-
жение инструмента осуществляется за счет управления вибраци-

несколько магнитострикционных вибраторов, придающих частям
дорна как продольные, так и поперечные синхронизированные

колебания. Таким

используются

ne только для уменьшения усилия обработки, но и для его
самодвижения. Кроме того, обработанная поверхность наряду с
упрочнением и выравниванием микронеровностей приобретает
регулярный микрорельеф, рисунок которого зависит от конструк-
ции выглаживающих колец, режимов обработки и др.

методов обработки, где
кетелем применяются no-

Использов

следовательно специальные вращающиеся расточные, зенкерные,
развертывающие головки, приводимые в движение гидродвигате-

внутреннюю поверхность гильз гидроцилиндров, в десятки раз
уменьшая металлоемкость и размеры оборудования, повышая
качество обрабатываемых деталей.

Сочетание обкатывания и выглаживания.

Обработку деталей 413 закаленных сталей с мартенситно-аус-
тенитовой структурой целесообразнее всего производить шаром
небольшого диаметра и выглаживателем с меньшим радиусом

дует иметь в виду, что для обкатывания твердых и менее
пластичных металлов давление на шар должно быть большим,
нежели при упрочнении более пластичных и мягких металлов.
Поскольку с уменьшением диаметра шара и радиуса сферы
алмаза при той же нормальной силе увеличивается давление в
контакте, при обработке нежестких деталей рекомендуется
выбирать инструмент меньшего размера. Это позволит при
меньшей силе получить необходимую степень наклепа за счет
более высокого давления. Наоборот, обработку жестких деталей

ватслями с большим радиусом сферы, так как в этом случае
можно получить более чистую поверхность и большую глубину
наклепанного слоя.

При выборе режимов обкатывания и выглаживания следует
избегать низких скоростей и чрезмерно малых подач, так как в

а в некоторых случаях даже ухудшая качество поверхности. В

назначать максимально допустимую подачу и скорость обработки.
При этом нужно помнить, что величина подачи ограничивается
получением требуемой шероховатости поверхности, а скорость
обработки - допускаемой температурой в очаге деформации, и
особенно на поверхности контакта инструмента с деталью.

Практика отделочно-упрочняющей обработки показывает, что
исходная шероховатость поверхности при обработке незакален-
ных сталей, цветных металлов и сплавов должна быть не выше
R,“2,5+5,0 мкм, а при обработке закаленных сталей - не выше
R,-0,7S+l,25 мкм. При более грубой поверхности микронеров-
ностеи деформируются неполностью, и могут быть не выполнены
требования, предъявляемые к шероховатости обрбаотанной по-
верхности.

Анализ технологических возможностей рассмотренных мето-
дов и их влияние на эксплутациониые свойства деталей машин
и инструментов позволяет отдать предпочение обкатыванию
шаров в тех случаях, когда требуется создание более глубокого
упрочненного слоя, при обработке деталей машин и инстументов,
обладающих достаточной жесткойстью, а также для обеспечения
более высокой производительности при обработке крупных
деталей машин и при обработке материалов, например, титана.

жестких требованиях к шероховатости поверхности и повыше-
Нию поверхностной твердости, но при меныией требуемой
Шубине наклепа, при обработке маложестких деталей и инстру-
ментов (например, протяжек и валов малого диаметра), а также

тки деталей приборов. В тех

Аля отделочио-упрочняющей о<
Случаях, когда необходимо пол

При большой степени и глубине упрочненнго слоя, следует
Применять комбинированную обработку, т.е. производить обка-
тывание шаром, а затем алмазное выглаживание.

Выбор режимов обкатывании. При отделочно-уплотняющем
обкатывании незакаленных деталей получение близкой и мини-
мальной шероховатости, наибольшего упрочнения и оптимальной
Напряженности поверхностного слоя достигается при следующих
средних контактных давлениях: 1600-1800 МПа для деталей из
стали 20; 1900-2100 МПа для деталей из стали 45; 2000-2200
МПа для деталей из стали У8, У10. Для обкатывания шарами
диаметром 10-20 мм рекомендуется подачча 0,1-0,20 мм/об, а
скорость обкатывания 50-100м/с- 0,017. При обкатывании шаром
диаметром 20 мм с указанными давлениями глубина упрочненного
слоя составит 162-2,3 мм, а при обкатывании шарами диаметром
20 мм - 2,0-2,8 мм. Если производится только отделочная

200-500 МПа.

Отделочно-упрочняющее обкатывание закаленных деталей

целесообразно производить

шарами диаметром 460-10 мм, с

подачей 0,06-0,10 мм/об и скоростью 50-80- 0,017 м/с. Они
приемлемы и для других сталей, близких по физико-механиче-
ским совйствам. Обкатывание с рекомендованными режимами

обеспечивает созда

слоя глубиной 0,6-1,2 мм.

Определение нормальной силы производится в зависимости от
выбранного давления и размеров инструмента. На основании
опытных данных для отделочно-упрочняюшего обкатывания де-
талей из титановых сплавов (ВТ-1, ВТ8, ВТ9) и жаропрочной
стали (12Х18Н9Т) и близким к ним по свойствам материалов
модно рекомендовать нормальную силу 500-1000 Н при диаметре
деформирующего шара 4-7 мм и нормальную силу 1000-1500 Н
при диаметре шара 8-12 мм.

ППД.

ныс возможности выбирают метод отделочно-упрочняющей об-
рабтки. Проектирование целесообразно осуществляь в следующей
последовательности.

1.	Выбрать оборудование для обрабатывания детали в зави-
симости от консрукции, размера детали и от производственной
В условиях индивидуального и сер.

этого чаше всего используют универсальные токарные станки. II
крупносерийном и, особенно, масовом производстве применяются

^автоматические и автоматические

имеющиеся ст
ставки и специ

2.	Выбрать размер деформирующего инструмента (диаметр
тара, радиус рабочей части выглаживателя).

3.	Подобрать универсальные приспособления и устройства
(обкатки, державки для выглаживателей и др.), необходимые для
обработки на принятом оборудовании.

4.	Определить припуск под обработку по формуле:

«1 = k, (Rz ,сх - RJ,	<2.96)

где R, КО1 - высота исходных неровностей,

। и данных заводской

практики можно принять, что К1 - 1,1 ♦ 1,5.

Меньшие значения К, следует брать для твердых (закален-
ных) сталей, а большие для мягких, пластичных сталей.

5.	Назначить режимы обработки (подача, скорость, число
проходов) и по формуле определить нормальную силу, необхо-
димую для деформирования.

Р,= np(R-sina)2,

где р- среднее контакное давление;



от свойств материла,

размеров детали и инструмента.

Для этого при обкатывании шаром по экспериментальным
данным в зависимоти от свойств материал детали и требованиям,
предъявленным к качеству поверхности, выбирают среднее
давление.

ний при применении этих методов можно производив ренгенов-
ским методом и методом непрерывного травления. Анализ
статической связи параметров ЭДС от скачков Баркгаузена (СБ)
и параметров напряженного состояния поверхностности после
ППД свидетельствует о высокой их корреляции (коэффициент
множественной корреляции достигает 0,95-0,98). Детали из
циклически упрочняемых сталй типа 30ХГСН2А, после отраблтки
30... 40% своего ресурса, необходимо подтвергать повторному
упрочнению. В этом случае в поверхностном слое восстанавли-
ваются высокие сжимающие напряжения (до 1,4 ГПа), а
надежность деталей после многократного упрочнения повышается
в 3-4 раза по сравнению с деталями подвергнутыми ППД только
при изготовлении.
Напряжений позволила оптимизировать многофакторные процес-
сы комбинированного выглаживания и обкатывания одновремен-
иио двумя-тремя инструментами. Разработанные модели позво-
лили создать систему контроля режимов ППД. Такая система
используется при контроле силы обкатывания роликами круп-
ногабаритных валов.

ППД в сочетании с физическими методами.

ППД в сочетании с физическими методами (совместное
воздействие ППД с лазерным излучением, имплантацией, маг-

разрядом.)

Преспективным является использование резонанса в динами-
ческих методах ППД.

Значительная часть динамических методов, применяемых для
упрочнения, предопределяют наличие механизма возвратно-по-
ступательного перемещения деформирующего элемента. Подо-
бные механизмы входят в состав различных устройств, устанав-
ливаемых на металлообрабатывающем оборудовании, являются
источниками вибораций, энергия которых рассеивается в деталях
станков, приводя их к преждевременному выходу из строя и к
избыточному потреблению энергии.

Рассматривая реологическую модель динамической системы
“инструмент-деталь", где под инструментом понимается дефор-
мирующий элемент с его колебательной системой, а под
деталью - упрочняемую деталь с учетом механических свойств
ее материала и жесткости опорных элементов станка, можно

(2.97)

где m^- приведенная масса инструмента;

х. х, х- ускорение, скорость и перемещение инструмента
относительно детали;

f • sin(<o • t) - периодическая возмущающая сила;

ш. t - круговая частота и время одного цикла.

Работу динамических сил можно определить из выражения в
следующем виде:

 [«о?-(ф + 4Н1<а’]

0.98)
Из анализа выражения 2.98 следует, что при согласованна
частоты ш возмущающей силы с частотой ш0 собственных

тываемой поверхности расходуется больше энергии из энергии
движения инструмента, что при нормальном ведении процесса
позволяет снизить общую энергоемкость процесса и количество
энергии, рассеивающейся в деталях станков в виде вибраций.

Повышение требований к эксплутационным характеристикам
деталей машин вызывает необходимость новых перспективных
методов поверхностного упрочнения.

Традиционные методы упрочняющей обработки такие, как
обкатывание шариком и роликом хорошо зарекомсновали себя и

однако они имеют свои предельные уровни упрочнения поверх-

Так, например обкатывание шариком диаметром 5 мм
образцов из стали ШХ15 (скорость 50 м/мин, подача 0,07 мм/об)
с нормальным усилием до 400 Н повышает поверхностную
твердость HV 2000-3200. т.е. на 60%. Последующее увеличение
усилия до 600 Н не вызывает прироста твердости, а увеличение
нормальной силы до 1000 Н вызывает снижение ее до 2500 МПа,
т.к. имеет место перенаклеп поверхности. Поэтому после упроч-
нения ППД целесообразна последующая лазерная обработка на
технологической лазерной установке при мощности излучения

мм). В результате такой комбинированной обработки поверх-

силой 400 Н увеличилась до HV 750, т.е. на 437%, а
поверхность, предварительно упрочненная с силой 600 Н увели-
чила свою твердость HV 9630(на 481%). Лазерное упрочнение
обкатанной зоны с силой 1000 Н дало возможность увеличить
поверхностную твердость до HV 9340.

Таким образом, последующая лазерная обработка дает воз-
можность дополнительно повышать твердость предварительно
упрочненный сетодом ППД поверхности в значительных преде-

тка без предварительной обкатки поверхности

(на 314%) при глубине упрочненныой зоны до 500 мкм. Глубина
Выбор рациональных режимов пластического деформирования

В последнее время в нашей стране и за рубежом интенсивно
бИсдряются разнообразные способы направленного изменения
Свойств поверхностей стальных деталей с помощью лазера.
Однако лазерная термообработка предварительно закаленных
Стилей неизбежно сопровождается появлением отпускных зон

Заниженной твердости на,

Пых без перекрытия, а также формированием в этих зонах

иыж пластическим деформированием (ППД). Для этих целей
дбычно используют сплошное накатывание роликом, что может
Привести к изменению микрогеометрии поверхности образования
белых слоев и, как следствие, к ухадшению антифрикционных
двойств.

Установлена возможность накатывания только отпускных зон
боз повреждения поверхностей лазерных треков. Для этих целей
Используют сдвоенный ролик, устанавливаемый симметрично
Яродольный оси трека. Применяются процессы накатки как
Совмещенные с лазерной термообработкой (при нагретом состо-
нии детсла), что снижает трудоемкость обработки, так и

Тельные операции.

Предложена расчетная методика выбора усилия на ролик при
Накатывании, обеспечивающего задаш|ую протяженной пласти-
чески деформированной области в отпускной зоне с учетом
неравномерности распределения механических характеристик
Металла этой зоны.

Установлено, что дополнительное накатывание отпускных

антифрикционных свойств лазерноупрочненых слоев.

Весьма значительно влиян
рочняющей обработки, вклв

упрочнение с

последующим поверхностным пластическим деформированием, на
параметры качества поверхностного слоя, а также их изностой-
кость в условиях граничного трения. Применение рассматривае-
мой комбинированной обработки позволяет в ряде случаев
повысить изностойхость деталей на порядок.

Физико-

ныхдеталей при воздействии лазерного луча (Л) и ультразвукового
инструмента (УЗО).

Хорошие результаты дает

вне импульс-

ного высокоэнергетического (Л) и поверхностного пластического
деформирования (УЗО) на

Импу;

Л с различной энергией и длители

ностью импульса приводит к скоростному нагреву выше темпе
ратур фазовых превращений, и одновременное скоростное охлаж
дение и деформирование с высокой интенсивностью 230 оказн
вает благоприятное влияние на процессы, происходящие в стали*
При этом от Л смещаются основные фазовые превращения «

зарождению зерен аустенита над процессом их роста. УЗИ
способствует измельчению зерен, искажению кристаллическон
решетки, ускорению диффузионных процессов, созданию ости
точных напряжений сжатия, повышению твердости и уменьше

нию шероховатости.

Особенностью такой структуры стали после Л и УЗО являете*
образование ячеистой структуры с повышенной плотностью
дислокаций, а температурно-динамические условия деформиро
вания УЗО вызывают релаксацию локальных напряжений и
приводят к более равномерному распределению микронапряже
кий, формированию более равномерных дислокационных постро
ений и, следовательно, к повышению эксплуатационных свойстп

Испытания на контактно-усталостную прочность показали
преимущества рассматриваемой обработки. После 107 циклон
нагружения площадь пятен усталости в 4.5 раза меньше, чем
после шлифования закаленной стали 45 и в 1,4 раза меньше,
чем после Л. Уменьшается склонность к хрупкому разрушении'
образцов из стали У8 при статическом изгибе и показывает рост
критерия Ирвина (К1О по сравнению со шлифованием, а тем

Таким образом, совместную обработку Л и УЗО следус»
именять для деталей, подвергающихся усталостному нагружс

Упрочнение ППД в сочетании с лазерным воздействием
металлических поверхностей на алюмооксидной керамике.

В последние годы все большее применение, в качестве

оксидная керамика. Проводятся работы по получению и ППД
металлических поверхностей на деталях из алюмооксидном
керамики, применяемых в прецизионном машиностроении.

Детали из алюмооксидной керамики паялись с металлически
ми деталями различной толщины припоями, содержащими ти
тан. Пайка осуществлялась в вакууме на специальной разрабо
тайной установке для пайки керамических деталей с металличс-

по отдельным участкам поверхности, для этого эти участки
Sвились на глубину до 100 мкм излучением твердотельного
(ульсного лазера ПТИ-П4 с длительностью импульса генера-

ЩИ 10 нс и энергией 0,04- 0,05 Дж. Конструкция лазера
|В1Юляст возбуждать импульсы 1,06 мкм.

Установлено значительное влияние алмазного выглаживания
|ИМо^ом R = 2.5 мм и R = 1,5 мм) и ротационной обработки
фриком (D= 9,6 мм и D=6mm) на шероховатость и коэффициент
НИньшення шероховатости поверхности сырых и закаленных
(Мучением лазера металлических поверхностей на алюмооксид-
(0* керамике. Разработаны инструменты, позволяющие накаты-
Цть металлизированные поверхности керамики шариками и
Миазами. Установлена зависимость шероховатости обработан-
ItfiP шариками и алмазами поверхности от радиального усилия,
Продольной подачи, скорости, числа проходов, исходной шерохо-

В Физико-техническом институте АН Белоруссии решены
Проблемы, связанные с разработкой способов комбинированного
упрочнения путем ЛО и ППД для сталей и титановых сплавов,
ручены основные параметры качества поверхностного слоя.
Когда требуется повысить контактную выносливость и сопротив-

удалось повысить по надежности дополнительно до 2 раз, еще
более существенно в некоторых случаях контактную выносли-

В процессе эксплуатации ГТД (газотурбинных двигателей)
Значительным температурным и силовым воздействием подвер-
Заются диски и дефлекторы турбины. При вращении ротора диск

И дефлектор деформируются под воз,



Тсмлературных напряжений и давления охлаждающего воздуха.
В результате возникают локальные нагрузки в соединении
диск-дефлектор, что приводит к появлению усталостных трещин
В кулачках дефлектора.

Расчеты показали, что при приложении максимальной экс-
плуатационной нагрузки Р  400 Н на 1 мм, напряжения
растяжения а1превышает +700 МПа и сосредоточены в местах
перехода прямолинейного участка дна паза в радиусы. Напря-
жения сжатия достигают максимальной величины - 400 МПа у
основания внешней стороны кулачка.

Для повышения сопротивления усталости кулачков дефлек-
тора использовался метод ТПУ (термо-пластическоеупрочнение)
с нагревом током высокой частоты. При этом в поверхностных
слоях кулачка формировались остаточные напряжения сжатия,
достигающие 400-600 МПа в местах возникновения усталостных
трещнп. Усталостные испытания показали, что сопротивление
усталости термоупрочненных образцов составил 200 МПа, в тв
время как для неупрочненных - всего 120 МПа. Таким образом,

термояда

повышение сопротивления усталости образцов
стического упрочнения составило около 70%.

В Тольяттинском политехническом институте ведутся работы
по расширению технологических возможностей управления ки
честном поверхности электромеханическим выглаживанием.

Сущность метода заключается в пластическом деформирова
нии поверхностного слояметаллических изделий твердосплавным
выглаживанием с использованием тепловой энергии, выделяемой
при пропускании постоянного тока через зону контакта “деталь
инструмент". Разработана электрическая установка, обсспечи
вающая получение требуемых параметров электрического тока,
специальная технологическая оснастка для создания необходимо
го усилия давления.

Анализ сравнения результатов обычного выглаживания <
электромеханическим по таким параметрам, как степень и
глубина наклепа, снижение шероховатости за одни проход,
показывают значительные преимущества данного метода, а
именно:

п-ки как сырых, так и термообработанных

материалов;

- снижение высоты микронеровностей за один проход

деталей за счет использования

небольших удельных давлений.
Благотворно влияние поверхи

-пластического деформиро-

вания (ППД) однороликовым обкатчиком и имплантации высо-
коэнергетических ионов азота на долговечность болтов М6-М12
из титанового сплава ВТ-16 в условиях малоциклового иагруже-

Результаты усталостных испыташ1й показали эффективность
применения ППД для упрочняющей обработки галтелей болтов.
Ионная имплантация резьб азотом обеспечила увеличение сред-
ней надежности изделий на 20%, повышение уровня минималь-
ных значений циклической надежности на 60% и снижение
разброса результатов испытаний на малоцикловую усталость на

Механизм воздействия ионной имплантации связан с взаимо-
действием фронта растущей усталостной трещины с полем

и появлением радиационных дефектов, улучшающих гомоген-
ность деформации. Обнаружен экстремальный характер зааиси-
щемый увеличением глубины легируемого слоя с одной стороны
И увеличением страгглинга ионов - с другой.

Сочетание методов поверхностно-пластического деформирова-
ния и ионной имплантации обеспечивает повышение надежности
Крепежа из титанового сплава ВТ16, стабилизирует параметры
Качества поверхностного слоя и тем самым повышает надежность
работы разьбовых соединений в эксплуатационных условиях.

Разработан комбинированный инструмент для накатывания
с нагревом плоских поверхностей деталей. Он состоит из корпуса,
к которому прекреплены раскатная головка с деформирующими
рлсмснтами. С наружной стороны корпус снабжен диском
резания. Комбинированный инструмент крепится в шпинделе
Вертикально-фрезерного станка.

При вращении инструмента диском резания осуществляется
черновая обработка. Сущность термофрикционной обработки
деталей заключается в том, что при окружной скорости диска

происходит размягчение обрабатываемого металла в зоне контак-
та с диском, а затем его резание. Особенно эффективно
применение термофрнкциоиной обработки при резании трудно-

кромок листов под сварку).

Температура контактной поверхности при черновой обработке

стали 12Х18Н10Т 1100-1200*.

ка с деформи-

рующими элементами производит накатывание нагретой повер-
хности, которая имеет температуру 55О...65О*С.

Установлено, что накатка нагретой поверхности позволяет,

"холодной" накаткой, увеличить глубину

по сравнению

вдавливания на 25...30%, снизить высоту микроиеровностей и
увеличить производительность в 1,3...1,5 раза.

10. Процессы поверхностного пластического деформирования
во внешних электрических и магнитных полях

кое влияние на процессы поверхностного пластического дефор-
мирования (ППД). Главная причина активного воздействия
внешних электрических и магнитных полей иа металл в процессе
ППД связана с явлениями упрочнения и разупрочнения. Особен-
ности процессов ППД поверхностей металлов в электрических
полях заключаются в том, что они испытывают ряд влияний

сил Кулона, элсктро-

(электричсскую

стрикцию, изменение внутреннего трения), на формирование
физико-механических параметров состояния поверхностного слоя.
Проведенные экспериментальные работы по ППД металлов
во внешних электрических полях свидетельствуют о возможности
широкого регулирования износостойкости в зависимости от
напряженности и ориентации их.

Установлена зависимость физико-механических параметров
состояния поверхностного слоя от напряженности и ориентации
полей по отношению к зоне деформации. Основными факторами
магнитного поля, которые действуют на металлы, является
магнитострикция, термические явления, токи Фуко, эффект
Холла.

Определена величина локального контактного тока, подчи-
няющегося закону Ома в зависимости от времени.

В целях дополнительного повышения сопротивления усталости

надежности ППД деталей осуществляют
нитном поле.

Эксплуатационные свойства поверхност

пульсирующем маг-

I слоя улучшаются
:йствия дсформи-

рующего элемента пульсирующего магнитного поля, создающего
эффект магнитострикции при циклическом перемагничивании
деталей. При этом необходимая глубина упрочненного слоя
достигается с помощью определенного оптимального эффекта
магнитострикции, который обеспечивается определенными вели-
чинами магнитной индукции и частоты импульса перемагничи-
вания. (а.с. № 835722 СССР).

К вибрационным методам упрочнения и стабилизации дета-
лей относится способ объемнойотделочно-упрочняющейобработ-
ки ППД с использованием низкочастотных вибраций.

Способ применяется с целью упрочнения поверхностного слоя,
снижения и стабилизации остаточных напряжений, повышения
релаксационной стойкости деталей.

Обработка осуществляется в камерах, смонтированных на
пружинах, и имеющих возможность колебаться в различных
направлениях.

Камере вместе с рабочей средой (металлические шарики)
через дебалансный вал сообщается двухкомпанентная вибрация,
масса рабочей среды вращается в одном направлении и каждая
из частиц совершает колебания в различных направлениях с
частотой, близкой к частоте вибраций рабочей камеры. В
результате обеспечивается равномерная обработка всей детали с
созданием поверхностного наклепа и стабилизированных напря-
жений сжатия. Поверхностная твердость увеличивается на 20%,
шероховатость поверхности составляет Ra 0.2-03 мкм. Сопротив-
ление усталости деталей повышается на 12-17%. Одновременно
осуществляется очищение всей поверхности деталей от заусенцев,
окалины и коррозии.

Алмазное выглаживание с электроискровым легированием
деталей машин.
Для технологического управления качеством поверхностей
Нжелонагруженных соединений весьма эффективны алмазное

МИ. Однако при изготовлении деталей чаще используется только
один из указанных способов, либо они применяются на отдельных
(не совмещенных между собой) операциях технологического
Процесса. Это препятствует повышению качества поверхности и
Производительности обработки на основе синергизма технологн-
«вских возможностей алмазного выглаживания и электроискро-
Пого легирования. Установлена возможность совмещаемых во
времени и локализуемых в пространстве процессов выглаживания
и электроискрового легирования цилиндрических поверхностей
деталей кузнечно-прессовго оборудования. Обработку производят
е помощью устанавливаемого на суппорте токарного станка
приспособления, содержащего многоэлектродную головку для
плектроискрового легирования, подключенную к установке по-
стоянного тока, и две вращающиеся с эксцентриситетом оправки
для алмазного вибровыглаживания. Такая схема позволяет ком-
бинировать процессы точения, электроискрового легирования и
алмазного вибровыглаживания, а также нанесения покрытий с

Повышение эффективности дорнования шлицевых отверстий
наложением ультразвука на инструмент.

При статическом дорнования (СД) шлицевых отверстий,
точность и качество их поверхностей в значительной степени
Зависит от пластических свойств обрабатываемого материала,
натяга дорнования, жесткости стенок обрабатываемых деталей,
исходной точности и качества. Отрицательное проявление этих
факторов, отражающееся на показателях качества н точности
отверстий, особенно характерно при СД отверстий в термообра-
ботаиных деталях. Так, СД не позволяет существенно повысить

каленных деталей, а при малых натягах и в деталях, подверга-
емых химико-термической обработке (ХТО). Для последних
отмечается и незначительное уменьшение шероховатости повер-
хностей, ввиду особых условий деформирования при дорновании
отверстий с боверхностным упрочнением. Особенно ощутимо
отрицательное проявление отмеченных факторов при СД мало-
жестких деталей.

С целью снижения отрицательного проявления указанных
факторов, в Могилевском машиностроительном институте иссле-
довалось ультазвуковое дорнование (УЗД). Как показали иссле-
дования УЗД шлицевых отверстий обеспечивает значительное
снижение статических усилий дорнования за счет динамического

характера дефор»
стическому деформированию в очаге деформации и уменьшению

деталях из стали 40Х (НКСэ 45...50) коэффициент уточнения
погрешностей размеров увеличился с 1,54 при СД до 2,35 при
УЗД. При УЗД одинаковое уменьшение шероховатости поверх-

меньших натягах <1 - 0,03...0,04 мм) по сравнению с СД G -
0,20-0,23 мм). Преимущество УЗД перед СД более существенно
проявляется при обработке маложестких деталей.

ультразвука при вибрационном накатыва-



Одним из методов

повышение эксплуатаци-
, является вибрационное
в (тонкостенные детали.

детали с металлическими покрытиями) применение вибронака-
тывания ограничено и малоэффективно. В этих случаях целесо-
образно использовать комбинированные методы, например, уль-
тразвуковое вибрационное накатывание.

что он позволяет формировать на рабочих поверхностях деталей
оптимальный микрорельеф, исходя из конкретных условий экс
плуатации, и в определенной степени управлять физико-механи-
ческими свойствами поверхностного слоя материала.

Введение в зону деформации дополнительной (ультразвуко-
вой) энергии позволяет интенсифицировать процессы вибронака-
тывания, снизить (до 30%) прикладываемые статические нагруз-
ки, что практически исключает искажение геометрических форм
тонкостенных деталей, отслоения покрытий при требуемом
эффекте упрочнения. Сообщение удентору ультразвуковых коле-
баний существенно изменяет контактные процессы, происходящие
в зоне деформирования. При увеличении амплитуды ультразву-
ковых колебаний уменьшается сила трения, последнее оказывает
положительное влияние на процесс формирования напряженно-

деформированного состс

слоя материала.

Установлено, что нанесение на рабочие поверхности деталей
пар трения ультразвуковым вибронакатывапием регулярного
микрорельефа способствует созданию благоприятных условий
трения контактирующих деталей, за счет повышения маслосм-
кости их поверхностей, увеличению михротвердости поверхности
на 20-25% и формированию в поверхностном слое остаточных
напряжений сжатия до 400 МПа.

рельефа позволило уменьшить величину и длительность прира-
ботанного износа, тем самым повысить износостойкость деталей
на 25-30%, увеличить предел выносливости на 10-25% в
зависимости от вида регулярного микрорельефа.

Стабилизация урочняющей дефектности с помощью азотово-
дородной плазмы тлеющего разряда (АПТР).

В последние поды появились работы, в которых интенсифи-
кация процесса ионного азотирования достигается созданием
заданной дефектности в поверхностных слоях металла, реализу-
емая пластическим деформированием при растяжении, прокаткой
или термомеханической обработкой.

Перспективными методами повышения циклической долговеч-
ности является поверхностная обкатка или циклическое упруго-
пластическое деформирование с последующей обработкой в АПТР.

Сущность этой технологии заключается в том, что благодаря
обработке в АПТР закрепляется упрочняющая дефектность,
повышаются остаточные сжимающие напряжения и, в резуль-
тате упрочнения, петля упруго-пластического гистерезиса
трансформируется в петлю упругого гистерезиса.

-пластическое деформи-



рование стали SO чистым изгибом при амплитуде деформации
0,3% с последующей обработкой в АПТР привело к следующим
результатам:

Число циклов предварительного		0 100 4-	ю 4,2  10s	4.10s
Число циклов до разрушение в обработки в АПТР	10s 6		0	220 5	0.64

Результаты экспериментов показывают, что при оптимальном
предварительном деформировании и обработке в АПТР иикли-
ческаядолговечность возрастает более чем в 3 раза по сравнению
с долговечностью после обработки в АПТР я в 11 раз по
сравнению с надежностью нормализованной стали.

Циклическое деформирование в пределах 10-100 циклов
приводит к разупрочнению стали и уменьшению плотности
дислокаций, что в свою очередь, приводит к торможению
диффузионных процессов. Циклическое де4юрмирование от 100
до 470 циклов приводит к постепенному увеличению плотности
дислокаций, ускорению диффузионных процессов и к повышению
циклической надежности.

Электромеханическое упрочнение.

Сущность электромеханического метода выглаживания заклю-
чается в том, что при контакте инструмента с изделием через
них проходит ток большой силы и низкого напряжения, вследствие
чего выступающие гребешки подвергаются нагреву и под давле-
кием инструмента деформируются и сглаживаются. При этом

Теплообраэование в поверхностном слое, расчет глубины
упрочнения.

Для сохранения точности деталей машин в течение длитель-
ного времени необходимо, чтобы глубина упрочненного слоя была
не меньше допуска на односторонний износ детали.

Тепловые явления, происходящие при электромеханической
обработке, связаны с выделением теплоты вследствие прохожде-
ния электрического тока, трения инструмента об обрабатываемую
деталь и деформированием металла в поверхностном слое, а
также с теплообменом между инструментом и поверхностным
слоем и теплопередачей в окружающую среду и во внутрь

Таким образом, общее количество выделенной теплоты
Q=Qt + Q2.	(2.99)

где Q, - количество теплоты, обусловленной трением ннструмен-

Q, - количество теплоты, выделяемой при прохождении тока,

Предполагается, что трущиеся между собой тела должны
иметь одинаковый нагрев контактирующих поверхностей.

Используя известные выражения для определения Q, и Q2
применительно к условиям электромеханической обработки, на
основе метода теплового баланса получили формулу для опреде-
ления глубины упрочнения:

(2.100)

5 = Кц(034пД) + РУ(/427)
GVBpt^

где К - коэффициент, учитывающий количество теплоты, но-

р - коэффициент, определяющий ;
создаваемой в зоне контакта;

Ч - коэффициент, учитывающий по’
трансформатора;

во вторичной цепи

J - сила тока во вторичной цепи трансформатора, Л;

U - напряжение во вторичной цепи трансформатора, В;

Р - сила при сглаживании, Н;

V - скорость сглаживания, см/с;

р - удельная теплоемкость Дж/(г- К);

G - плотность металла, г/см3;

1ф - температура фазового превращени
Для использования формулы (2.100)

Ниже приводятся усредненные значения этих коэффициентов
для наиболее распространенных условий упрочняющей обработки
конструкционных материалов на токарных станках. Такой расчет
относится к глубине высокоупрочнснного слоя, соответствующего
фазовым превращениям. Однако при достаточно высоких темпе-
ратурах, которые ниже температур фазовых превращений, имеет
место горячий наклеп металла, структура которого обладает

Экспериментальное определение коэффициента К для раз-
личных режимов ЭМО показало, что среднее его значение может

Для определения коэффициента трения предложена еле-

f=(a + bv)l<v-

(2.101)

d - постоянные, зависящие от наличия смазочного
материала и давления.

Приближенное значение коэффициента трения для средвеуг-
леродистой стали при средних режимах ЭМО находятся в

Мощность процесса сглаживания, кВт, если пренебречь
работой, совершаемой при подаче, можно определить по формуле:

N, = PfV/(60 120).

(2.102)

гае V - окружная скорость сглаживания, м/мин.

Коэффициент Т|, учитывающий потери во вторичной цепи
трансформатора, зависит от многих факторов и в первую очередь
от конструктивных особенностей вторичного контура, а также от
режимов обработки. Для средних условий ЭМО коэффициент
приближенно можно принять равным 0,42.

Коэффициент распределения теплоты ц между контакти-
рующими телами выражается зависимостью:

(2.103)

гае X, и X, - теплопроводность контактируемых тел;

а, и а, - температуропроводность контактируемых тел.

Недостатком этой формулы является то, что она не учитывает
размеры контактируемых тел и скорость их относительного
перемещения. Многие другие теоретические зависимости также,
недостаточно отражают реальные условия трения.

Сочетание тепловых и силовых воздействий на поверхностный
слой резко изменяет его структуру, твердость, внутренние
Таким образом, электромеханическое сглаживание можно рас-
сматривать как своеобразную термомеханическую обработку
поверхностного слоя. К особенностям теплообразования и тер-
мических процессов при электромеханическом сглаживании сле-
дует отнести следующие:

-	взаимодействие двух основных источников тепла, создава-
емых электрическими током и трением;

удельных давлений. Нагрев и выдержка весьма кратковременны
(в зависимости от режима сглаживания измеряются тысячными
или сотыми долями секунды);

-	высокая скорость охлаждения определяется интенсивным
отводом тепла внутрь детали.

Вели принять, что электрический ток распространяется в
детали прямолинейно во всех направлениях от центра контакта,

бы проводником для данного участка электрической цепи. Имея
в виду, что сечение конуса возрастает пропорционально квадрату
диаметров Д, и Д,, а плотность тока будет уменьшаться обратно
пропорционально сечению, нетрудно видеть, что наиболее интен-
сивно тепло будет выделяться в местах контакта. По мере
удаления от поверхности тепловыделение резко падает ввиду

значительной окружной скорости сглаж
температур, а также тепловыделением в
поверхностном слое можно пренебречь.

Выравниванием

Таким образом остаются два основных источника тепла:
тепло, возникшее в результате трения, и тепло, обусловленное
электрическим током. Эти два источника тепла, накладываясь,
образуют в зоне контакта сверхвысокотемпературный объем
(температура нагрева которого превышает температуру фазового
превращение стали /АС,/) с высотой Н, глубиной 8 и шириной
“в". Условно можно назвать высокотемпературным такой объем,
гае имеются температуры не ниже 600", т.е. температуры,

на пластические свойства

материала.

ваемый до более высоких температур объем. Многочисленные
опыты показывают, что ширина светлого слоя “в" при достаточно
мощных упрочняющих режимах близка к ширине контакта
инструмента с изделием. То же самое относится и к высоте Н.

При электромеханическом сглаживании нормализованной ста-
ли в поверхностном слое образуется светлая нетравящаяся в
обычных условиях зона высокой твердости. Толщина этой зоны
может доходить до 0,20 мм и выше, в зависимости от исходной
структуры металла и

Аналогичные структуры были найдены в поверхностных слоях
деталей из закаленных сталей, обработанных при скоростном
резании и других технологических операциях, которые сопровож-
даются высокой температурой и высоким давлением.

В результате местной деформации по одной плоскости сдвига
Происходит разрушение и размельчение веществ. При очень
быстром скольжении благодаря сильному трению здесь сначала

чайной скоростью отдается основной массе образца. Поэтому в
местах локализации деформации, где температура, вероятно,
выше критической точки, происходит сначала аустенитное пре-
вращение, затем интенсивная закалка. Вещество прослойки
находится в состоянии мартенсита, который только потому не
Имеет характерной игольчатой структуры, что образовался в
особых и еще не изученных условиях сильного давления и
высоких скоростей превращения.

К особенностям электромеханического сглаживания следует
отнести многократность термомеханического воздействия на
каждый из участков поверхностного слоя.

Количество таких повторных воздействий определяется фор-

m={n.

(2.104)

где I - длина контакта инструмента с изделием в направлении

N - число проходов.

Следует отметить, что при прочих одинаковых условиях
увеличение числа проходов способствует упрочнению поверхно-
стного слоя. Последнее можно объяснить тем, что мелкодиспер-

еским сопротивлением, а
сивному тепловыделению

в поверхностном слое и более глубокому проникновению фазовых
превращений. Следует иметь в виду, что повторному термиче-

стный слой.

Для электромеханического сглаживания нормализованной ото-
жженной стали 40Х установлена зависимость между полученными
структурами в поверхностном слое и характером внутренних
напряжений. Светлый поверхностный слой, имеющий мартенсит-
ную структуру, характеризуется внутренними напряжениями



I при понижен-
иых температурах, характеризуется напряжениями сжатия. Как

напряжений, оказывают значительное влияние на усталостную
прочность металла.

Предел выносливости сглаженных образцов повышается на
23,5% в сравнении со шлифованными образцами.

Схема процесса.

Принципиальная схема электромеханической обработки
(ЭМО) на токарном станке такова. От сети напряжения 220...380
В ток проходит через понижающий трансформатор, а затем через
зону контакта детали с инструментом. Сила тока и вторичное
напряжение регулируются в зависимости от площади контакта.

и требований к качеству

поверхностного слоя.

Деталь имеет вращательное движение, а инструмент -
поступательное. При этом грубая поверхность, образованная
резцом, получает профиль после рабочего хода сглаживающего
инструмента. Сглаживающий инструмент представляет собой
пружиннуюдержавку, на которой закреплена пластина из твердого
сплава или роликовая головка. Силу сглаживания регулируют
путем натяга поперечного суппорта. С помощью лимба станка
или специального индикатора, встроенного в инструмент, можно
определить сжатие пружины, а следовательно, и силу, дейст-
вующую на обрабатываемую деталь.

Технология упрочнения деталей машин.

В зависимости от назначения и типа обрабатываемых деталей
для ЭМО могут быть использованы токарные, фрезерные и другие
металлорежущие станки. В качестве источника переменного тока
используют понижающие трансформаторы с питанием от сети
220/380 В. Мощность трансформатора выбирают в зависимости
от технологического его назначения: характера обрабатываемых
деталей, их размеров, конструкции инструмента, серийности
производства.

Для ЭМО деталей типа вращения в условиях мелкосерийного
и ремонтного производства может быть использована установка
типа УЭМО-1. Установка состоит из понижающего трансфор-
матора, токарного станка с злектроконтактным устройством к
патрону, а также из зажимаемой в суппорте станка пружиной
державки. Напряжение от сети 380 В подается через пакетный
выключатель на выходные контакты магнитного пускателя МП,
управляемого кнопочной станцией КС, располагаемой на рабочем



еля напряжение подается

на вилку штепсельного переключателя, позволяющего исключить
Ю или иное число витков первичной обмотки трансформатора
Т,. Второй конец вторичной обмотки соединен с пружиной
даржавкой, укрепляемой изолированно в резцедержателе стайка:
й. - п2 - п3 - п4 - п5 - соответственно числа витков первичной
обмотки трансформатор обеспечивает напряжение во вторичной
цепи в 2...6 В при ступенчатом регулировании силы тока.

Для измерения силы тока вторичной цепи сделаны отводы в
обоих катушках первичной обмотки. При необходимости более
плавного регулирования силы тока в первичную цепь вводят
реостат R. Вторичная обмотка выполнена из медной шины
сечением 640 мм! и имеет три витка (два витка на одной катушке
' и один на другой).

кое применение на ремонтных предприятиях для обработки
деталей типа тел вращения.

В качестве рабочего инструмента могут служить стандарт-
ные инструменты, а также специальные ролики. В зависимости

форм и габаритов

операций,

ут исполь-

- резец чашечный - ГОСТ 25403-82, материал ВК8, Т15К6,

мм, толщина 10...12 мм;

- ролики специальные твердосплавные - материал твердый

толщииа 7 мм (заказываются в цехах и заводах твердых сплавов);
- ролик упрочняющий, вращающийся - материал бронза

БрОЦС5-6-5, БрБТН1,7, БрБТН1,9, нару
мм, внутренний диаметр 15 мм, толщина
размеров могут использоваться ролики из
Р18;

етр 50...80

- вставка цилиндрическая - ГОСТ 10284-74, материал ВК8,
Т15К6, КНТ16, диаметр 12...15 мм, высота цилиндра 16...25 мм;

- резец резьбовой - ГОСТ 25398-82, материал Т15К6, ВК8.

Размеры пластин: ширина 6...10 мм, толщина 4...6 мм, высота

16...25 мм. Эти пластины используют для высадки материала
при восстановлении деталей.

румента. При чистовых операциях ЭМО
вать силу прижима инструмента. Регулир,

: для рабочего инст-

осущес-

твляться самими державками при помощи спиральных пружин,
пневматических н гидравлических устройств, плоских пружин. К
недостаткам первых двух типов державок относится сложность
изготовления пары скольжения, где должно быть гарантировано
постоянство величины зазора при работе деталей в условиях
применяться в тех случаях, когда их конструкция предусматри-
вает тоководвод к рабочему инструменту. При длительной
непрерывной работе необходимо внешнее охлаждение подвижных
сопряжений державки. В качестве охлаждающей среды примеия-

температурным воздействиям.

В ремонтном производстве применяют державку с однопете-
левыми плоскими пружинами. Державку изготовляют из стали
50 или 40х с закалкой пружинной части до 40...48 HRC3.
Подводящий кабель от вторичной обмотки силового трансформа-
тора крепят болтом в хвостовские державки. Специально зато-
ченную н доведенную обрабатывающую пластину из твердого
сплава Т15К6 крепят болтом и прижимной планкой. Боковые
пружины державки предотвращают возникновение вибрации при

При установке в резцедержатель державку необходимо изо-
лировать от станка пластинами из изоляционного материала
(гетинакс, текстолит). Размеры державки указаны применительно
к станку 1К62. Основное назначение плоских пружин - обеспе-

JX сил в процессе ЭМО, а также



гасить возможные вибрации при обработке.

1 = Р/ДУ.

Где Р - максимальная сила обработки;
ДУ - максимальное сближение поло

(2.105)

си на уровне

Для чистовых режимов можно принять Р= 1000 Н и ДУ = 0,3
мм, тогда жесткость J = 3330 Н/мм.

При прочих одинаковых условиях жесткость державки будет
зависеть от модуля упругости ее материала, высоты, ширины и
толщины пружинящей части. Путем градуирования устанавли-
вается зависимостьР= ОДУ).В процессе работы заданная величина
ДУ обеспечивается при помощи индикаторного приспособления,
а на точных станках при помощи лимба поперечной подачи

Преимуществом инструмента с неподвижным креплением
является возможность получения параметра шероховатости
поверхности R,=0A..0,63 мкм. Преимущества ролика по сравне-
нию с плоской пластиной в том, что он обладает большой массой
и гарантирует большую стабильность рабочего профиля. Недо-
статком инструмента, закрепленного неподвижно, является его
сравнительно небольшая стойкость. Поэтому он находит приме-
иение при обработке поверхностей небольших размеров (типа
Шеек валов) в мелкосерийном и ремонтном производстве.

Вращающийся ролик имеет высокую стойкость, ее используют
при упрочнении деталей на большую глубину. Вращающийся
ролик применяют при обработке поверхностей больших размеров,
когда не представляются высокие требования к шероховатости
поверхности, а также при обработке заготовок из чугуна.

При одинаковых режимах ЭМО глубина упрочненного слоя
выше при сглаживании инструментом с неподвижным креплени-
ем, так как в этом случае имеет место трение скольжения, что

приводит к

турь

показывают многочисленные опыты, детали, упрочненные инст-

Как показывает опыт эксплуатации инструмента, закреплен-
ного неподвижно, при обработке валов диаметром 60... 100 мм из
среднеуглеродистых нормализованных сталей для получения
низкой шероховатости ( - 0,80...0,2 мкм) профильный радиус

тока J = 400...450 А, подача S = 0,2i мм/об, сила Р = 500...700 Н.

Для повышения стойкости инструмента подача при ЭМО не
должна совпадать с подачей, применяемой при резании. Целесо-

эмульсией, При внешнем охлаждении эмульсией струя не должна
направляться в место контакта инструмента с деталью.

Двухпетлевая пружинная державка конструкции УСХИ с
вращающимся роликом предназначена для упрочнения поверх-
ностей больших размеров. Двухпетлевые державки имеют луч-
шую стабильность в работе и виброустойчивость. Преимуществом

ции, они вполне могу
предприятиях и цехах.

небольших ремонтных

высаживающим

вращающимся роликом, неподвижными роликами для высажива-

ния и сглаживания поверхности.

В конструкции державки предусмотрена тепловая разгрузка
пружинящей части путем подведения тока непосредственно к
инструменту. При помощи встроенного индикатора контролиру-
ется сжатие пружины и соответственно сила обработки. Особен-
ностью вращающегося инструмента является то, что его вращение
основано на трении скольжения с одновременным центрированием
оси шариками, что улучшает смазывание трущейся пары,
исключает заедание и останов инструмента.
сглаживание имеет для повышения износостойкости деталей
машин. Можно сказать, что злектромеханическимсглаживанием
повышается износоустойчивость конструкционных нормализован-
ных сталей по сравнению с шлифованием в 4-9 раз, в зависимости
от режимов обработки, условий трения и сочетания трущихся

Износоустойчивость нормализованной стали 40Х после элек-
тромеханической обработки превышает износоустойчивость той
же стали закаленной твердости (НВ - 536).

При восстановлении геометрических форм изношенных дета-
лей в условиях ремонта широко применяется наплавка металла.
Несмотря на известную прогрессивность виброконтактной на-
плавки, существенным недостатком этого способа является
неоднородность структуры и твердости поверхностного слоя; в
особенности это наблюдается на стыке наплавленных валиков.
Неоднородность структуры поверхностного слоя приводит к
образованию значительных внутренних напряжений, микро-
трещин и понижению усталостной прочности и износостойкости
детали. Как показывает металлографический анализ, после
электромеханического сглаживания получается однородный уп-

ется на глубину 0,07 мм;

до глубины 0,15 мм идет

низкая твердость которого составляет НВ “ 322, после чего
следует неоднородная наплавленная структура. Следует отметить,
что электромеханическим сглаживанием не только повышаются
твердость и однородность структуры, но также ликвидируются в

дефекты наплавки.

и другие мелкие

Повышение прочности неподвижных сопряжений электроме-
ханической обработкой объясняется устранением дефектов в

упругих свойств. Поскольку электромеханическое сглаживание
относится к чистовой технологической операции, то нельзя обойти
вопросы шероховатости и точности обработки. Шероховатость



от многих факторов. Для

сравнения можно отнести, что при обработке <

конструкционной стали резцом достигается шероховатость Rz
40-10 мкм поверхности, а в результате обработки электромеха-
ническим сглаживанием шероховатость уменьшается до й,6,3-1,6
мкм. Точность обработанной поверхности в основном зависит от
точности предыдущей операции. Нужно только учесть, что
механического сглаживания зависит от первоначальной и конеч-
ной шероховатостей поверхности:

где R, - средняя высота первоначальной неровности, мкм;

Rcra " средам высота неровности сглаженной поверхности;

С - коэффициент, зависяший от формы главной режущей
кромки и радиуса закругления резца при вершине.

При скоростном точении среднеуглеродистых сталей резцами

Следует отметить, что повторные проходы дают возможность
повысить точность обработки. Режимы электромеханического
сглаживания выбираются в зависимости от требований к шеро-

ховатости поверхности, глубине упрочнения и условий работы
деталей. Например, шейки турбинных валов работают в условиях
хорошей смазки при сравнительно небольших допусках на износ
и низкой шероховатости. Здесь может быть применен скоростной
режим сглаживания порядка: J = 350 + 450 A, V = 80 + 130 м/мин,
и S = 0.2+ 0.3 мм/об.

Следует отметить, что при необходимости повышения изно-
состойкости шеек крупногабаритных валов, электромеханическое

реальным способом упрочнения и наоборот; пальцы рессорных
подвесок локомотивов работают в условиях плохой смазки при
абразивном износе, поэтому может быть применен режим такого
порядка:

J = 500 т 600 А; V = 15- 20 м/мин. S, = 0,2-0.3 мм/об.

Сравнительные эксплуатационные испытания рессорных под-
весок локомотива при пробеге 60000 км показали, что при
абсолютном износе 0,4-0,5 мм на диаметр, их износостойкость

Метод электромеханического сглаживания может быть весьма
эффективно применен для восстановления размеров восстанав-
ливаемых деталей неподвижных сопряжений. Этот принцип
может быть также использован для обработки внутренних
поверхностей цилиндров, для обработки плоскостей, обработан-
ных фрезерованием для упрочнения рабочих поверхностей ходо-
вых винтов, для упрочнения зубьев шестерен, изготовленных
накатыванием и во многих других случаях.

Электромеханическая обработка (ЭМО) позволяет решить

поверхности, с одновременным значительным упрочнением рабо-
чего слоя за счет его пластического деформирования и тсрмиче-
ских превращений, под

его электрического

Варьирование параметрами режимов ЭМО позволяет получать
поверхности с различной твердостью, плотностью, характеристи-
ками микрорельефа, повышенной износостойкостью и пределом
выносливости. Рассматриваемый процесс может с успехом ис-
пользоваться при обработке изделий из стали, чугуна, порошко-
вых железографитовых материалов, различных металлопокрытий.

давление и скорость обработки. Подбирая сочетания этих режи-
мов удается получить обработанную поверхность с параметрами
шероховатости Ra 0,1...0,2 мкм, повысить износостойкость в 2...5
раз при незначительной трудоемкости процесса.

Учитывая комбинированное действие при ЭМО силового.

в ИСМ АН Укр

условия проведения ЭМО с целью упрочнения, а также нанесения

групп.

венно уменьшились в 2,5 раза и в 1,5 раза.

ЭМО приводит к заметному повышению усталостной прочно-
сти нормализованных и высокоотпущенных образцов. Применс-

пых сталей оказалось неэффективным, так как приводит к
снижению предела выносливости на 20-25%. Последующее за
ЭМО поверхностное пластическое деформирование, как финиш-
ная операция, ведет не только к восстановлению исходной
усталостной прочности низко- и срсднеотпущенной стали, но и
возрастанию ее по отношению к исходной на 30-35% и по
отношению к упрочненным ППД на 10-15% во всех исследуемых
структурных состояниях.

Таким образом комбинированное упрочнение поверхностного
слоя ЭМО + ППД существенно повышает комплекс требуемых
эксплуатационных свойств (износостойкость, сопротивление ус-
талости) одновременно с улучшением качества поверхностного
слоя. На основании результатов усталостных испытаний, а также
исследований физико-механического состояния поверхностного

Процесс электромеханической обработки (ЭМО) характери-
зуется локальным нагревом и деформированием металла поверх-
ностного слоя изделия на станках с непрерывным контактом
изделия и инструмента, через которые пропускается электриче-
ский ток большой силы и низкого напряжения. Разработанная
установка для ЭМО деталей типа валов применительно к
токарному станку отличается от ранее известных тем, что
подаваемый электрический ток в зону контакта поверхности
детали и инструмента можно регулировать в широких пределах
по величине и по длительности импульса и паузы.

Заготовка закрепляется в патроне, кулачки которого соеди-
нены с помощью медных шин непосредственно с токоприемником,
выполненным в виде медного кольца. Патрон и токоприемник

В резцедержателе суппорта закрепляется накатная головка с
роликом-электродом. Она также изолирована от суппорта станка.
Токоприемник патрона и ролик-электрод с помощью силовых
шин соединены с клеммами силового трансформатора, охлажде-
ние которого автономно и осуществляется гидросистемой.

Подачу смазочно-охлаждающей жидкости непосредственно в

зону контакта ролика-электрода и

осуществляется блоком управления.

Получено резкое увеличение поверхностной твердости. При

этом сталь в наклепанном или частично рекристалл
состоянии претерпевает мартенситное превращение.

ская чистовая обработка внутренних

поверхностей.

Одним из прогрессивных способов обработки внутренних
поверхностей деталей машин, изготовленных из труднообрабаты-

обработки. По этому способу обработку ведут с использованием
комбинированного инструмента, выполненного из изолированных
один от другого инструментов для электрохимической обработки
и для протягивания. При обработке основная часть припуска
снимается электрохимическим способом, а оставшаяся часть
припуска, назначаемая в соответствии с требуемым наклепом,
инструментом для протягивания, например, дорном. Гарантиро-
ванный наклеп достигается за счет получения одинаковой

исходной поверхности и создг

дорн независимо от его величины на заготовке. Для повышения
точности обработки инструменту для электрохимической обра-
ботки задастся осцилляция вдоль оси канала.

В Воронежском политехническом институте, на базе токар-
но-винторезного станка, создана экспериментальная установка,
позволяющая найти оптимальные рабочие режимы электрохими-
комеханической обработки внутренних поверхностей для каналов
круглого сечения. Установка позволяет изменять скорости пере-
мещения комбинированного инструмента при постоянном про-
дольном усилии, которое обеспечивается механизмом подачи

которые, создавая требуемый наклеп, обеспечивают точность в
пределах 7...8 квалитетов при шероховатости R,=0,63...0,32 мкм

Влияние комбинированного упрочнения на вязкость и износо-
стойкость стали (ППД + закалка). Изпользованис конструкцион-
ной стали в высокопрочном состоянии с гарантированной надеж-
ностью возможно или при строгом учете схемы напряженного

в эксплуатации, или путем обес-

печения удовлетворительных вязко-пластических свойств. Совре-
менная практика применения сталей избирает, как правило,
второй путь, как более простой.

Комбинированная обработка, технологически совмещая пла-

I или поверхностную) в аусте-

стнческук

нитном состоянии стали с последующей закалкой, позволяет
сформировать устойчивое субстроение, обусловливающее значи-

Установлена возможность применения комбинированного тер-
момеханического упрочнения на широко распространенных улуч-
шаемых конструкционных сталях, легированных хромом и мар-
ганцем (стали 45Х, 45Г, 45ХГ.)

Выявлено, что комбинированная обработка сталей на высоко-
прочное состояние (40...56 HRC,) позволяет повысить их ударную
вязкость в 1.5...2 раза при практически одинаковых (или
несколько более высоких) твердости, пределе упругости и пределе
прочности, получаемых после обычной закалки. Эффект повы-
шения вязкости стали сильно зависит от степени пластической
деформации. Например, на стали 45 наибольшее повышение
вязкости наблюдается при относительной деформации 45% и
среднетемпературном отпуске, в то время как на легированных
сталях оптимальные степени деформации смещаются в сторону
меньших значений (15...30%) и наибольший эффект проявляется
при низкотемпературном отпуске.

Выявленный эффект повышения

рсализовать при изготовлении деталей, из исследованных сталей,
с использованием их высокопрочного состояния и максимальной
твердости. Износостойкость стали при этом повышается с 25 до
40%.

Выявлен дополнительный эффект упрочнения цементованного
слоя предварительной термомеханической обработкой (ПТМО).

Режим ПТМО включал ППД цементованного слоя, после-
дующий стабилизирующий отпуск и закалку с негревом ТВЧ.
При такой обработке выявлен положительный эффект наследо-
ван ня влияния ППД и стабилизирующего отпуска при ПТМО
цементованного слоя, который обусловлен влиянием этих факто-
ров на образование устойчивых конфигураций дефектов тонкого
строения металла, наследуемых мартенситом после закалки с
нагревом ТВЧ.

Обкатывание проводится однороликовым обкатником и трех-

устанавлива-

После ПТМО детали подвергаются окончательной механиче-
ской обработке шлифованием (R, = 0.25.„0,32 мкм). Твердость
поверхностного слоя находится в пределах 62—64 HRC,.

Получено увеличение надежности по контактной усталости в
2—3 раза и износостойкости в 1,3-1,6 раза за счет замены
дорогостоящей стали 12ХНЗА на сталь 20ХГНР и применение
ПТМО вместо объемной закалки. Установлены оптимальные
значения контактного давления при обкатке (5..Л ГПа) и

(773...923К) при ПТМО.

температуры ста

Предложен способ комбинированной химико-термической об-
работки (КХТО), включающей в себя дорнование отверстий
после первого этапа ХТО, которое позволило повысить точность
размеров и формы отверстий более чем в 2 раза и существенно
улучшить качество их поверхностей по сравнению с традицион-
ным ХТО.

Показано, что дорнование отверстий после термической
обработки “залечивает" поверхностные зоны с пониженной
твердостью и обеспечивает степень наклепа 16...25% при глубине
залегания упрочненного слоя 0,2-0,4 мм.

УЗД (ультразвуковое дорнование) шлицевых отверстий по-

зволило за счет
значительно умен

ификации процесса деформации более
погрешности термической обработки по
ким дорнованием. При этом большие
имели место при дорновании отверстий
2.6.	Новые специальные методы упрочнения

1)	Перспективным является эффективный метой упрочнения
деталей трением быстровращающимися (со скоростью 120
м/сек) стальными дисками - при их прижатии к обрабатываемой

При этом г
ностного слоя

е деформирование поверх-
с сильным его разогревом

и последующим охлаждением путем теплоотвода внутрь детали.
При этом происходит закалка поверхности со значительными

В тяжелом машиностроении и при изготовлении нефтегазовой

эффективностью и производительностью.

трением осуществляют на машине сварки трением при частоте
вращения 600-700 об/мин и давлении сжатия трущеюся повер-
хности 25-35 МПа. Продолжительность процесса для стали - 6-8
сек., для чугунов 12-14 сек. Нагрев прекращается после
достижения установившейся температуры поверхностей трения
950-1200N». Охлаждение производят сразу после разведения

Главным параметром данного процесса является удельное
давление, которое следует строго выдерживать в данном диапа-
зоне. При снижении давления до (15-20) МПа не обеспечивается
эффективный нагрев деталей, твердость мало меняется по
сравнению с исходной, в результате не достигается необходимый
эффект упрочнения. При повышении удельных давлений сверх

35 МПа имеет место повышен



и прогрев большого объема металла. В результате уменьшается

эффективность упрочнения.

Если при упрочнении трением стал

36 HRC,, а чугунных - 38 HRC, с глубиной упрочненного слоя
О, I мм, то при новом способе упрочнения детали из легированной

1-1,5 мм. Чугунные, соответственно 55-60 HRC, с глубиной
упрочненного слоя до 2 мм.

Большая глубина упрочненного слоя позволяет производить
с частичным снятием поверхностного слоя при сохранении
упрочняющего эффекта.

2)	Устранить или нейтрализовать недостатки злектроэрози-
Пластического деформирования. В наибольшей степени для этих
целей пригодно алмазное выглаживание. Это обусловлено высо-
«ой твердостью алмаза, малой площадью контакта инструмента

дающимися следствием скольж<
достигается пластическая дефорк

индентора, при которых
твердого и тонкого леги-

рованного слоя. Выглаживание целесообразно выполнять без
смазки, поскольку попадание смазки в микротрещины и поры,
образующиеся при электроэрозионном упрочнении и после-
дующая пластическая деформация в этих условиях, могут снизить
Эффект, достигаемый выглаживанием.

Выглаживание позволяет снизить шероховатость поверхности
после электроэрозионного упрочнения в 5...9 раз, повысить
сопротивление усталости на 1О...2О%.

Целесообразно использовать технологические возможности

нового способа упрочнения метал

(по а.с. №

Н01339), основой которого является применение ротационной
мпогошариковой головки. Она отличается возможностью одно-
временного, независимого изменения параметров режима нака-
тывания в процессе обработки поверхностей.

Преимуществом нового способа упрочнения поверхностей по
сравнению с известным методом вибрационного накатывания

ся на станках токарной группы, в том числе на станках с ЧПУ.

Несложная конструкция устройства, использование для обра-

го расчета геометрических параметров образуемого микрорельефа
в зависимости от принятых режимов обработки создают предпо-
сылки для широкого применения нового способа упрочнения
поверхностей деталей практически во всех отраслях промышлен-

3)	Одним из перспективных способов упрочняющей обработки
является центробежно-ротационный, при котором обрабатывае-
мые детали погружаются в торроидально-винтовой поток сталь-
ных шариков или дроби. Форма потока этой среды обусловлена
конструкцией рабочего станка.

Высокая плотность и скорость перемещения среды в торои-
дально-винтовом потоке, наличие охлаждающей жидкости обес-
печивают благоприятные условия для бтделочно-упрочняющей
обработки и позволяют получить высокие качественные показа-
тели упрочненного слоя.

Разработанные конструкции центробежно-ротационных стан-
ков, реализующих указанный способ, позволяют автоматизиро-
Этот способ как по качественным показателям, так и по
производительности не только уступает распространенным дро-

беударным способам упроч
некоторые из них.

но даже несколько превосходит

Практика показывает, что известные динамические методы
упрочняющей обработки (гвдродробеструйное упрочнение, упроч-
нение микрошариками и т.п.) вызывают повышение шерохова-
тости, что требует применения последующей отделочной обра-
ботки. Использование нескольких видов упрочнения увеличивает
продолжительность цикла, трудоемкость изготовления и число
обслуживающих рабочих.

Для упрочнения весьма перспективной является обработка на
установке с планетарным движением контейнеров (УПДК).

В поверхностном слое формируются остаточные напряжение
сжатия величиной 500...900 МПа в зависимости от режима
обработки. Сравнительные испытания подтвердили достаточно
высокую эффективность отдслочно-упрочняющей обработки на
УПДК. Лучшими зарубежными конструкциями устройств и
оборудования для упрочнения коленчатых валов являются стан-
ки, созданные фирмой “Хегеншайрт" - ФРГ. Они работают по
схеме однороликового накатывания (каждая деталь обкатывается
одним роликом).

К основным недостаткам этих упрочняющих головок отно-
сится их неуниверсалыюсть - невозможнстъ использования их
для упрочнения неподнутренных галтелей и шеек с большими
колебаниями длины.

Способ накатывания галтели одним роликом использован и

в станках НИИт

песком и динамическом исполнении. Станки обеспечивают воз-

- высокую точность обработки галтелей за счет осевого пере-
мещения роликов, обеспечивающего их самоустановку и компен-
сацию погрешностей линейных размеров вала.

Сопротивление усталости коленчатых валов при статическом
упрочнении повышается на 20-30%, шероховатость поверхности
снижается с R, = 2-2,5 до 0,10-0,15 мкм, глубина упрочненного

елей использу-

ются станки в динамическом исполнении. От существующих
динамических способов заложенный в станке способ отличается
тем, что он осуществляется при непрерывном качении деформи-
рующего элемента по обрабатываемой поверхности с нагружени-
ем в диапазоне усилий, обеспечивющих требуемую шероховатость
поверхности, с приложением к нему в радиальном направлении
дополнительной пульсирующей нагрузки, изменяющейся по оп-
ределенному закону ст минимального до максимального значения.

частоты приложения, величины максимальной нагрузки и амп-
литуды изменения силы. Частоту импульса и амплитуду измене-
ния нагрузки назначают в зависимости от необходимой глубины
упрочненного слоя. Способ позволяет обеспечить все требуемые
Параметры качества поверхности: шероховатость, глубину накло-
на, благоприятные остаточные напряжения, в то время как другие
способы при упрочнении деталей малой жесткости обеспечивают
либо требуемую шероховатость поверхности (большинство ста-
тических способов), либо значительную глубину упрочненного
слоя при одновременном увеличении шероховатости (динамиче-
ские способы типа чеканки). Сопротивление усталости при этом
повышается на 40%, глубина упрочненного слоя увеличивается
до 2 мм, что позволяет производить ремонтное перешлифование

В целях создания замкнутой системы сил, прикладываемых к

детали, для предотвращения изгиба при
ются способы накатывания двумя и трем.

По схеме двухроликового накатывания работают специальные
станки фирмы “Шеренер" (США) для упрочнения галтелей
коленчатых валов малогабаритных деталей. Обработка ведется

роликов заставляет снизить силы деформирования для уменьше-
ния изгиба вала, поэтому глубина наклепа при этом не превышает
0,1-0,2 мм, повышение сопротивления усталости - 15-20%,
шероховатость поверхности составляет RB0.4-0,5 мкм.

на крупногабаритных

четного типа конструкции ЦНИТМАШа. Для повышения
выглаживающей способности ролики, упрочняющие одну деталь,
имеют различные профильные радиусы. Сиды деформирования
уравновешиваются в одной плоскости системы деталь-приспособ-
ление, что позволяет уменьшить деформации при упрочнении.
Обработка осуществляется на токарных станках или на специ-
альных установках.

сокой выглаживающей способностью, и значительными упроч-
няющими эффектами при больших деформирующих нагрузках,
вызывающих повышенный изгиб деталей. Глубина упрочненной)
слоя при этом измеряется десятыми долями миллиметра.

В институте сверхтвердых материалов АН Украины установ-
лено повышение эффективности протягивания за счет холодной»
деформационного упрочнения обрабатываемого материала.

предшествующее процессу резания, позволяет понизить его
напряженность. При этом наблюдается снижение интенсивности
наростообразования, адгезионных явлений, сил и температуры
резания, сужение пластической зоны и увеличение угла сдвига,
уменьшение усадки стружки и площадки ее контакта с передней

поверхностью инструмента, а

ия стру-

жечной канавки и улучшение параметров шероховатости обра-
ботанной поверхности, ее точности, физико-механических и

пластической деформацией.

Соз да н ы основы расчета деформирующе-режущего и нет руме н -
та на прочность и жесткость, разработан ряд оригинальных
конструкций такого инструмента. Результаты работы исполь-

гильза и втулок.

деталей типа

Для дополнительного повышения сопротивления усталости
деталей с концентраторами напряжений в виде галтельных
переходов предложены способы упрочнения ППД, основанные ни
предварительной обработке галтели под ППД с целью увеличения
глубины наклепа перед деформированием.

На поверхности галтели и прилегающей к ней цилиндриче-
ской поверхности ступенчатого вала режущим инструментом
наносится микрорельеф в виде чередующихся впадин и выступов.
Глубина и высота впадин и выступов выбирается в пределах
0,5-1 мм, шаг - 2-2,5 мм, профиль впадин несимметричный.

Последующая обработка осуществляется цилиндрическим ро-
ликом, движущимся по поверхности вала с осевой подачей в
направлении галтели. Обработка производится на токарном
станке, деталь крепится в центрах, инструмент устанавливается

на суппорте.

При обкатывании микрорельефов создаются участки с повы-
шенным удельным давлением, глубина наклепа возрастает в 3-3,5
раза, что обеспечивает значительное повышение сопротивления
усталости (35-40%).


Аналогичный способ обработки деталей с концентраторами

сопротивления усталости также осуществляется в два этапа.

1-ый этап - механическая обработка зоны галтели с образо-
ванием на ней дополнительной ступени. Длина ступени по
образующей равна ее высоте и составляет 0,4-0,5 радиуса
галтели.

2-ой этап - обработка ступени пластическим деформирова-
нием инструментом с профильным радиусом, равным радиусу
галтели. Деформирование осуществляется статическим или ди-
намическим способом путем давления роликом или шариком в
направлении под углом 45* к оси вала до тех пор, пока не будет
сформирован галтельный переход.

Размеры дополнительной ступени определяют из расчета, что
количество металла в ступени должно быть равно количеству
металла в сформированной галтели.

Известно, что эффективность упрочнения галтелей обратно
пропорциональна величине радиуса галтелей. Данный способ
обеспечивает получение упрочненных галтелей большого радиуса
при значительно меньших усилиях на инструменте, чем в
известных способах. Это позволяет избежать искривления оси
вала и снизить требования к жесткости оборудования. Сопротив-
ление усталости валов повышается на 30-35%.

пости машин широко применяемые методы упрочнения ППД
могут оказаться недостаточно эффективными. В первую очередь

валам и другим деталям с концентраторами напряжений.

4)	В современной промышленной практике отношение радиуса
галтелей к диаметру шейки коленчатых и ступенчатых валов
лежит в пределах (0,05-0,09). Для повышения прочности таких
деталей обычно прибегают к увеличению размеров концентрато-
ра. Это оправдано только в том случае, когда галтели не
подвергаются упрочняющей обработке. При упрочнении ППД
галтсльных переходов остаточные напряжения концентририруют-
ся вокруг опасной зоны и чем резче концентратор, тем
эффективнее действие остаточных напряжений.

На этой закономерности основан новый способ обработки,
использующий ППД для одновременного формирования и урочне-
ния галтелей малого радиуса, заменивших концентраторы напря-
жений традиционных размеров. При этом галтель образуется не

резцом, а роликом.

Переход к галтели малого радиуса R = (0,01-0,025) вала
локализует зону пластического деформирования, что повышает
интенсивность воздействия упрочняющего элемента на обраба-
сопротивления усталости детали.

Способ опробирован в тяжелом машиностроении при удар-
ном упрочнении крупногабаритных деталей. При этом предел
выносливости упрочненных деталей повышается на 40-60%, что
в 1,5-2 раза превышает показатели, полученные при использо-

Усталостныс испытания показывают, что использование ППД
для формирования и упрочнения малых галтелей коленчатых и
ступенчатых валов обеспечивает полную нейтрализацию концен-
тратора напряжений и повышает их сопротивление усталости
практически до уровня прочности гладких валов. Увеличение
радиусов галтелей деталей дает несоизмеримо меньший эффект
упрочнения.

позволяет (за счет уменьшения радиуса галтели) значительно
увеличить опорную поверхность шеек и тем самым повысить их
износостойкость.

5)	Перспективными методами упрочнения инструмента и
деталей сложной формы являются методы импульсной обработки
водяными и воздушными струями, а также метод барофрагмен-
тации - объемного обжатия сжатой средой в камере высокого
давления.

В результате деформационной обработки в поверхностных
слоях опасной зоны генерируются остаточные напряжения сжа-
тия, повышающие усталостную прочность на 30-40%.

Создаваемое сжатой средой распределенное усилие прикла-
дывается равномерно по всему периметру галтели, что предотв-
ращает изменение положения геометрической оси вала.

6)	В условиях мелко- и среднесерийного производства
удаление заусенцев и скругление острых кромок на мелких
деталях малой жесткости целесообразно осуществлять на струй-
но-абразивных гидроротационных полуавтоматах. При обработке
на этих полуавтоматах струи сжатого воздуха воздействуют на
детали и абразивный материал, помещенные в рабочую камеру,
заполненную рабочей жидкостью. Поскольку детали и абразивные

сопротивлению, они имеют и разные скорости. Высокоскоростные
воздушный и жидкостный потоки, несущие абразивные зерна,
обеспечивают обработку и интенсивное перемешивание деталей.

Экспериментально установлено, что многие параметры, от
которых зависит эффективность обработки, тесно взаимосвязаны.

Особенно важно учитывать

между'

менно обрабатываемых деталей, их единичной массой, насыпной
плотностью, расходом и давлением сжатого воздуха, подаваемого
[экстремальных значений съема металла при одновременном
[увеличении или уменьшении суммарной массы загрузки и
I давления сжатого воздуха свидетельствует о существовании

ующего условия, когда
। допустимая суммарная

(оптимального их соотношение
[в рабочую камеру загружена I

I масса деталей, которую струи сжатого воздуха способны перс-
[мешивать при определенном давлении. Установленное условие
I максимальной интенсивности может быть использовано при
! проектировании струйно-абразивных гидроротационных устано-

Г перед соплами, диаметром сопел, единичной массой, несыпной
। плотностью и суммарной массой загрузки деталей, при которой
сохраняется максимальная интенсивность обработки.

Связь указанных параметров может быть выражена степенной
 функцией

Q = C’dWp8.

обрабатываемых деталей, отнесенная к одному соплу;

С - коэффициент, численно равный среднему значению
искомого параметра в исследуемой области;

Р - давление сжатого воздуха;

у, X. k, g - показатели степени, учитывающие вклад каждого
из исследуемых параметров в получение максимально
допустимой массы обрабатываемых деталей;

d - диаметр воздушного сопла;

р - насыпная плотность деталей.

После обработки экспериментальных данных получено урав-
нение регрессии, гипотеза об адекватности которого проверена с
помощью критерия Фишера, а значимость коэффициентов ре-
грессии - путем построения доверительного интервала и сравне-
ния сп- критерием Стьюдента.

В результате проверки уравнение регрессии приведено к
следующему виду:

YQ = 1,81 + 0.15х, + 0.0457X2 - 0,15х3 • 0,04х„.

Дальнейшие преобразования позволили представит:
регрессии в виде степенной функции.

(2.106)

(тол  р015)
Зависимость Q от ш носит нелинейный характер. Очевидно,
что экономически выгоднее обрабатывать детали массой до 2 кг.
Поскольку величина р характеризует конфигурацию деталей н
плотность их материала, следует, что обработка деталей сложной
конфигурации (имеющих отверстия, пазы, изгибы), изготовлен

I был устойчи

Чтобы процесс стр

вым, необходимо такое число сопел, которое обеспечит движение
массы загрузки по замкнутой траектории. Поэтому для сохране-
ния условия плавного перехода от одного участка траектории к
другому их должно быть не менее пяти. Размер рабочей камеры
зависит от расстояния между соседними соплами, определяемой»
длиной эффективного участка струи сжатого воздуха, т.е. участка
(от среза сопла), на котором абразивные зерна, захватываемые
струей, обладают достаточным запасом кинетической энергии для
совершения определенной работы.

L=124,3P°'9- du,
где Р - давление воздуха, МПа,

(2.107»

Подставляя значения из уравнения 2.106 в формулу 2.107.
можно определить максимально допустимое расстояние между
соплами, а следовательно, и размеры рабочей камеры. Таким
образом, результаты проведенных исследований можно исполь
зевать при конструировании установок для струйно-абразивкои
гидроротационной обработки.

Инструмент для отделочно-упрочняющей обработки
поверхностей сложной формы

1) Шарико-стержневой упрочнитель (ШСУ) представляв!
собой инструмент для упрочняющей обработки ППД деталей
сложной формы переменного сечения. Конструктивно ШСУ
состоит из 2 узлов: собственно упрочнителя и источника ударных
импульсов, в качестве которого могут быть использованы стан-
дартные пневмо- и электромагнитные молотки, а также специ
альныс источники ударных импульсов.

Новый инструмент позволяет получать параметры наклепан-
ного слоя в широком диапазоне значения глубины залегания и

величины шероховатости поверхности. При этом время получения
необходимых параметров наклепанного слоя в зоне обработки

Предложены и исследованы следующие возможные области
применения ШСУ:

- местное упрочнение участков деталей сложной формы
(места крепления, труднодоступные участки, зоны концентрате


-	полная упрочняющая обработка деталей на универсальных
И специальных станках с подачей инструмента или блока
Инструментов относительно поверхности детали,

-	упрочняюще-стабилизирующая обработка зон сварных шки-

-	отделочно-упрочняющая обработка с образованием регуляр-
ных микрорельефов (РМР),

-	упрочняющая обработка широкой номенклатуры деталей
внутризаводского потребления,

-	упрочняющая обработка штампового инструмента.

Время обработки 1 м2 поверхности одним инструментом
составляет 15...60 мин. Глубина наклепанного слоя от 0,5 до 1,5

450 до 750 МПа.

2)	Для деталей, имеющих сложную геометрическую форму,
в качестве упрочняющей обработки в промышленности широко
применяется пневмодробеструйный наклеп.

Эффективность упрочнения указанным методом зависит от
различных параметров процесса.

Основные критерии поверхностного слоя после упрочнения -
глубина наклепа и сплошность покрытия всей поверхности
отпечатками определяются только величиной кинетической энер-
гии шарика в момент удара в обрабатываемую поверхность и
длительностью процесса обработки.

Среди имеющихся в настоящее время способов повышения
износостойкости гильз ДВС наиболее простым и прогрессивным
является способ пневмоцентробежнойобработки (ПЦО). Способ
не образует наплывов на обрабатываемой поверхности; вскрывает
выход на поверхность зеркала гильзы дефектов внутренней

Исходная шероховатость зеркала гильзы после чистового
растачивания резцом из эльбора - Р достигала Ra = 2,5...L0 мкм.
После раскатывания шероховатость поверхности Rb=1,0...032mkm.

Особенность обработки чугунных деталей способом ПЦО

поверхности, как наименее прочная, под воздействиси деформи-
рующих шаров скалывается и уносится из зоны обработки
потоком сжатого воздуха, а упрочняется только “надежный” слой
металла.

Испытания собранного двигателя по заводской программе, с
установленными на нем нетермообработанными хонингованными
и раскатанными гильзами, показали, что износ раскатанных гильз
на 30% ниже, несмотря на то, что после хонингования гильзы
имели R,» 0.32...0,20 мкм.

3)	Гидроабразивный наклеп заключается в том, что обраба-
тываемая поверхность подвергается воздействию гидроабразивнои
струи, направленной на эту поверхность под определенным
давлением со скоростью 50-70 м/с.

от которой, как и от скорости частиц, зависит шероховатость
обработанной поверхности.

В результате этого вида наклепа появляется небольшой
упрочненный слой металла (от сотых долей мм до 0,2 мм), но
при этом значительно повышается сопротивление усталости и
надежность детали и улучшается чистота поверхности, величина
остаточных напряжений достигает 1500 МПа.

Установки для гидроабразивного наклепа имеют различные
конструкции и по способу подачи рабочих жидкостей делятся на
две группы:

а)	установки, у которых жидкость подается к форсункам под
давлением с помощью насоса;

6)	установки, у которых жидкость поступает к форсункам
либо самотеком, либо засасывается сжатым воздухом.

Широкое применение нашли установки с подачей рабочей
жидкости с помощью насоса.

Предел выносливости деталей, имеющих концентраторы на-
пряжений, в результате гидроабразивной обработки повышается
на 10-15%, а износостойкость при трении скольжения в
результате улучшения микрогеометрии поверхности возрастает
на 25-30%.

Гидроабразивную обработку применяют для обработки ре-
жущего инструмента, зубчатых колес, пружин, рессор, подготовки

поверхностей деталей под

ердости достигает

24-40% и глубина наклепа составляет 0,02-0,04 диаметра детали
(Ори сглаживающих режимах глубина наклепа достигает ас более
0,01 диаметра детали).

4) Пневмогидродробеструйные методы обработки являются
эффективным средством, повышенным сопротивлением усталости
деталей машин.

В таблице 6.1 приводятся данные по влиянию пиевмогидрод-
робеструйной обработки на сопротивление усталости деталей
В настоящее время в промышленности применяют пневмогид-
родробеструйные эжекторные установки для упрочнения малога-
баритных деталей типа лопаток компрессора и турбин, цилинд-
рических и конических зубчатых колес, валов, дисковых деталей

при упрочнении дробью используют жидкость, которую подают
в зону обработки. При таком способе обработки удар дроби
происходит через пленку жидкости, в результате чего нагрузка
распределяется более равномерно, возможность перенаклепа
уменьшается и увеличивается чистота поверхности. Важным
фактором при использовании жидкости является также ее

охлаждающее действие.

В настоящее время известно несколько установок для гидро-
галтовки дробью. Подача дроби с жидкостью на обрабатываемые
детали в этих установках осуществляется при помощи лопастей
ротора под действием центробежных сил.

Степень упрочнения поверхностного слоя деталей, величина
остаточных напряжений и чистота поверхностей зависит от силы
удара дроби об упрочняемую поверхность, диаметра дроби и
состава рабочей жидкости. Чем меньше диаметр дроби, тем
1>авномернее упрочнение поверхности. Лучшие результаты можно
получить при применении стальной дроби диаметром 0,1-1 мм и
миниралыюго масла типа сульфофрезол.

Исследования процесса упрочнения изделий из жаропрочных
сталей и титановых сплавов показали, что наиболее интенсивное
упрочнение происходит в первые 5-8 мин. При упрочнении
виброгалтовкой лопаток компрессора реактивного двигателя из
стали 1Х12Н2ВМФ с оптимальной скоростью соударения дроби
об упрочняемую поверхность 8 м/с в поверхностном слое
возникает напряжение сжатия, равное 300-400 Мпа, а глубина
этого слоя достигает порядка 100 мкм. При этом поверхность
имеет R, = 0.4-0.2 мкм.

Аналогичные результаты дает упрочнение гидрогалтовкой
лопаток из титановых сплавов. Гидрогалтовку целесообразно
применять как завершающий процесс при обработке зубьев
шестерен, крыльчаток, валиков и других деталей, имеющих
высокую чистоту поверхности.

6)	Местное глубокое пластическое деформирование (МГПД).

МГПД является наиболее эффективным методом торможения
усталостных трещин, а также увеличения общей долговечности

В отличие от стандартных методов ППД МГПД создает в
окрестностях концентратора остаточные напряжения сжатия,
распространяющиеся на большую глубину и уравновеши-

концентратора, т.е. в местах, где нс приходится ожидать
разрушения.

Изменяя очертания области, которую подвергают ППД,
геометрию индентора (штампа), а также интенсивность дефор-
мирования, можно получить поле остаточных напряжений, спо-
собное предотвратить разрушение при высокой концентрации
напряжений, обусловленных геометрией тела и типа концентра-

7) Ударно-барабанное упрочнение.

Ударно-барабанный способ упро-

крупногабаритных

деталей заключается в закреплении рабочей полости обрабаты-
ваемых деталей, внутри этой полости находится рабочая среда.
Полость закрывается съемным щитом и приводится во вращение.

В процессе вращения рабочая среда (дробь, шарики, кубики
и т.д.) поднимается на определенную высоту за счет центробеж-
ных сил, после чего отрывается и описывает внутри полости
параболическую траекторию.

гранул (элементов) рабочей среды (дробинок, шариков, кубиков
и т.д.) с упрочняемой деталью. Далее цикл повторяется.
В процессе обработки осуществляется не только реальный

Рабочая полость установки постоянно вентилируется прину-
дительным способом и все мелкие продукты процесса (типа пыли)
через систему фильтров осаживаются в своеобразных ловушках.

Режим обработки регламентируется диаметром барабана или
высотой камеры, скоростью вращения барабана, массой единич-
ного элемента рабочей среды и временем обработки.

Существует несколько разновидностей и схем этого метода:
цилиндрическая, кольцевая, ящечная, многогранная, специальная.

Этот новый прогрессивный метод ППД на ряде сплавов
обеспечивает повышение в 2,5-4 раза усталостной прочности в
зонах нагружения (от нулевых циклов при 40-70%).
2.7.	Совмещенная обработка резанием и ППД
комбинированными инструментами

совмещенной обработки (СО) резанием и ППД различных

(КИ) по сравнению с раздельной обработкой.

схемах, они легко трансформируются один в другой за счет

и придание ему или изъятие у него одной или нескольких
степеней свободы. Исходя из этого, образование способов СО
можно осуществлять, приняв за основу уточненную классифика-
цию формообразования поверхностей, предложеную Е. Г. Конова

Классификация КИ, учитывающая условия работы режущих
и деформирующих элементов (трение скольжения и трение
качения), виды связи между ними (жесткая и упругая), одно-
временность их действия (последовательное и одновременное),
уравновешенность сил резания и деформирования (уравновешен-
ные, частично уравновешенные и неуравновешенные) и др.,
позволяют систематизировать известные конструкции КИ и
создавать новые прогрессивные конструкции комбинированных
инструментов.

Производственный опыт свидетельствует, что, совместив
процесс лезвийной обработки материалов с ППД, представляется
возможность при повышении эксплуатационных характеристик
изготаляемой продукции одновременно повысить точность и

производительность техн

наибольшей экономической

целенаправленно и научнообоснованно управлять упрочнением
поверхностного слоя обрабатываемых деталей как непосредствен-
но при резании, так и при последующем ППД.

Адаптивное управление совмещенной обработкой
резанием и ППД

гке (СО) резанием и ППД комби-
(КИ) точность размеров и геомет-

ватость и физико-механические свойства наклепанного слоя
обеспечиваются примерно такие же, как и при раздельной
обработке. При этом для достижения высокой точности перед СО
необхонмо выполнить операции черновой и получистовой лез-
Мйной обработки поверхности детали и лишь чистовая обработка
И резанием совмещается с обработкой ППД. Таким образом, в

Сокращает технологический процесс обработки поверхности на

одну-две операции.
Разработанные с



(АУТ) при СО позволяют при сохранении всех положительных
свойств совмещенной обработки значительно повысить точность
обработки, совмещая при этом в одну операцию или переход
операции лезвийной черновой, получистовой и чистовой обработ-
ки с обработкой ППД.

АУТ при СО дает возможность получать из заготовки за одну
операцию (переход) точность размеров обработанной поверхности
7...8 квалитетов при соответствующей точности геометрической
формы поверхности.

В основу АУТ положено регулирование усилий деформиро-
вания при изменении силы резания, направленное на сохранение
постоянства величины проекции на ось ОУ суммарной силы,
получающейся при СО от действия силы резания и усилий
деформирования.

Для АУТ разработано три способа повышения точности СО:

иения направления его действия;

2)	изменением направления действия усилия деформирования
при постоянном его значении;

3)	одновременным изменением величины и направления
действия усилий деформирования. Способы АУТ при СО и КИ
для их осуществления защищены авторскими свидетельствами.
2.8.	Производственные примеры применения ППД

1.	Наклеп с рифлением контактных поверхностей

В зонах контакта сопрягаемых деталей разко понижается

первых, контактной коррозией в участках соприкосновения
деталей и, во-вторых, концентрацией напряжений в этих зонах.
Примером резкого понижения усталостной прочности может
служить типовое сопряжение: вал с посаженной на него втулкой.

Однако, например, в рамных конструкциях мощных прессов,
возникает потребность в увеличении сопротивляемости сдвигу
контактирующихся деталей относительно друг друга. ЦНИИТ-
МАШсм был предложен метод обработки контактных поверхно-
стей для увеличения усталостной прочности и повышения
сопротивления относительному перемещению (сдвигу) контакти-
рующих поверхностей. Метод состоит в следующем. На сопри-
касающихся поверхностях осуществляется наклеп с помощью
ударов специального бойка таким образом, чтобы обработанная
поверхность приобрела рифление в виде бороздок высотой

800-900 МПа) и появляются сопутствующие наклепу остаточные
сжимающие напряжения, которые играют чрезвычайно благопри-
ятную роль. Они значительно снижают, а во многих случах
полностью ликвидируют отрицательное влияние концентратов
напряжений. Кроме того, образование рифленной поверхности с
бороздками в значительной степени повышает сопротивляемость
сдвигу контактных поверхностей и нейтрализует вредное влияние
контактной коррозии.

ностей позволяет одновременно повысить и усталостную прочно-
сть и сопротивляемость относительному перемещению сопрягае-
мых деталей.

Указанный метод обработки поверхностей пластин может быть
применен с целью либо одновременного повышения сопротивле-
ния сдвигу деталей и сопротивления усталости, или с целью
повышения только сопротивления сдвигу пластин или их сопро-
тивления усталости.

Такой метод успешно применяется на Ново-Краматорском
машиностроительном заводе рамных конструкций.

2.	Применение ППД для упрочнения резьб и зубчатых колес

Известно, что пределы выносливости деталей с упрочненной
резьбой близки или даже превышают пределы выносливости
Имеются несколько методов упрочнения резьбовых деталей.
Выбор того или иного метода зависит от окружающей среды,
температуры и условий работы. Наиболее простым технологиче-
ским методом, повышающим усталостную прочность резьбовых

кое деформирова-

соединений, является поверх

Возможно два варианта повышения прочности резьбы пла-
стическим деформированием:

1	- упрочнение резьбы без искажения ее профиля;

2	- упрочнение гладких образцов до изготовления резьбы.

В первом случае упрочнение может быть достигнуто сле-
дующими методами:

обкатка впадины резьбы роликом;

Применение токов высокой частоты не дает существенного

растяжении, а при некоторых условиях даже может понизить
выносливость деталей. Поэтому для данного случая наибольшее
распространение получил метод обработки предварительно наре-
занной резьбы, осуществленной устройством с вибрирующим
роликом. По принципу действия эти устройства могут быть
пневматическими, электромагнитными или механическими.

Ролик наносит последовательные удары по обрабатываемой
поверхности. Усталостная прочность при обкатке роликом дна
впадины резьбы увеличивается в среднем на 20%.

Во втором случае упрочнение происходит за счет обкатки
роликом гладких поверхностей деталей до изготовления резьбы
с последующим ее нарезанием.

Для всех резьб, подвергнутых упрочнению вибрирующим
роликом, повышается предел выносливости и сопротивления
усталости. Величина упрочнения будет зависеть от выбранного
способа упрочнения. При упрочнении резьбы вибрирующим
роликом предел выносливости повышается на 150%.

Наиболее эффективным средством повышения усталостной
прочности упорной резьбы деталей, подвергаемых воздействию
пульсирующим растяжением и изгибом, является применение

упрочнения ППД.

от форм и размеров
риемлема обработка

деталей. Для

дробью. Дробь изготавливают из стали (иногда применяют литую
чугунную) диаметром 0,8-0,2 мм. После обработки деталей
дробью дальнейшей обработки не требуется.

для увеличения прочности деталей с различными видами резьб.
используют комбинированны)
сначала рабочие поверхност
затем упрочняют впадины.

хти зубчатых колес в промышленности

Он заключается в том, что

поверхности зуба возникают растягивающие напряжения, кото-
рые снижают сопротивление усталости шестерен. На специальной
установке происходит упрочнение впадин зубчатых колес. Эта
установка создана в ЦНИИТМАШе. Основным элементом этой
установки является упрочняющая многороликовая головка, пред-

цилиндрический стакан

роликовых пружинных упрочнителей, расположенных перпенди-
кулярно оси стакана, при этом каждый ролик обрабатывает
только одну впадину зубчатого колеса с заданным постоянным
давлением. Все впадины зубчатого колеса обрабатываются за
один проход упрочняющей головки. Ролики изготавливаются из
стали Х12М и подвергаются закалке до твердости HRC, 60.

На этой установке могут обрабатываться как прямозубые, так
и косозубые зубчатые колеса. После обработки комбинированным
методом прочность зубьев колес значительно возрастает. Иногда
вместо закалки деталей ТВЧ применяют химико-термическую
обработку. После закалки зубчатых колес при нагреве ТВЧ
предел выносливости повышается на 114%, после деффузиониого

134%, после азотирования - на 240%.

хромирования

Повышение прочности зубьев колес возможно при повторно-из-
гибающем нагружении ударным наклепом, включая черновое
образование профиля зубьев ударами профилированного бойка.

После упрочнения впадин зубьев стальных колес ударной
чеканкой, сопротивление усталостному разрушению от изги-
бающих нагрузок возрастает на 60% по максимальным нагрузкам
цикла и на 160% по предельной амплитуде цикла. Для зубьев
колес из высокопрочного чугуна - на 31% по максимальной
нагрузке и на 64% по амплитуде цикла.

Для зубьев колес с зацеплением Новикова упрочнением
ударной чеканкой достигается минимальное искажение профиля,
существенно повышается сопротивление зубьев износу.

улучшенных сталей может произойти при использовании холод-
ного калибрования, без последующей термообработки. Благодаря
упрочнению поверхностного слоя, значительно повышается изно-

40%, а надежность в два раза. Получение высоких качественных
характеристик рабочих поверхностей зубьев зависит от правиль-
ного определения режима калибрования. При выборе оптималь-
ного режима достигается наибольшее увеличение нагрузочной
способности и долговечности. При нагреве зубчатых венцов в
процессе закалки полностю уничтожается эффект, полученный
от упрочнения зубьев калиброванием. Однако, подвергнутые
тепловой обработке калиброванные зубчатые колеса имеют более
высокий К.П.Д. и повышенную износостойкость, за счет умень-
шения шероховатостей рабочих поверхностей.

Кроме указанных выше способов упрочнения зубьев колес, в
результате которых повышается контактная выносливость, уста-
лостная прочность и надежность, применяется метод пневмодро-
беструйного упрочнения.

В том случае, когда цилиндирческие и конические колеса
высоконагружены, применяются виброшлифование. Рабочим те-
лом является смесь, состоящая из стальных шлифованных
шариков диаметром 2-3 мм, абразивной или алмазной (иногда
заменяется эльбором) пасты в количестве 5-8% или 2-4% от

Виброшлифование длится 90-120 минут. В результате приме-
нения этого метода профиль зуба практически не изменяется,
толщина зуба для конических колес н блочные размеры для
цилиндрических изменяются в пределах 0,001-0,015 мм., улуч-
шается на один класс чистота боковых поверхностей зубьев.

В определенных условиях работы резьбовые детали подвер-
гаются коррозийному разрушению. Увеличение коррозийно-уста-
лостной прочности возможно за счет обкатки роликами впадин

двухроликового обкатывающего приспособления, имеющего пла-

вающую систему,



няющую передачу усилий на станок. Угол профиля ролика
составляет 55%, что меньше угла профиля впадин резьбы. Радиус
же профиля роликов приблизительно равен радиусу впадин

Необходимым условием работы является смазка пред началом
работы резьбы и роликов жидким минеральным маслом. После
упрочнения резьбовых деталей обработкой роликами сопротивле-
ние усталости образцов повышается в 3-4 раза. На эффектив-
ность упрочнения оказывает влияние величина усилия обкатки.

Но при продолжительном испытании этого не наблюдается.
Наоборот сопротивление усталости даже несколько снижается.
Это происходит за счет уменьшения диаметра опасного сечения.
Обкатка роликами не только уменьшает шероховатость поверх-

влияют на повышение антикоррозинной прочности. Оптимальным
при котором не происходи!

Установлено, что оптик



диапазоне 200 + 250 кг. При этом

3-4 раза, при этом профиль резьбы подвергается самым мини*

осуществлено.

или иного метода упрочнения резьбовых деталей положительно
сказывается на работу предприятий нашей страны.

известных методов упрочнения резьбовых деталей. Применение
этих методов создает большую экономию материальных средств,
сталей, за счет снижения веса изделий, повышения их долговеч-
ности. Для упрочнения зубьев колес ряд крупных заводов
использует метод поверхностного наклепа.

Примеры: На

ьном заводе для

обкатки впадин шестерен тепловозов применяют полуавтомати-
ческий гидравлический станок. Упрочнение шестерен тепловоза
ТЭ-3 увеличивает его пробег на 400 тыс.км. На Челябинском

крупномодульных зубчатых колес (закадка зуба и последующий
дробеструйной обработкой) увеличивает их надежность.

Надежность стандартных зубчатых колес обработанных
дробью, на Горьковском автомобильном заводе увеличивается на

Для резьбовых деталей, изготовленных из сталей различных
рок, применение упрочняющего пластического деформирования

для всего народного хозяйства.)

3. ППД титановых и алюминиевых сплавов

В соответствии с ПИ-173-71 для поверхностного упрочнения

вызывающие значительную пластическую деформацию поверх-
ностного слоя без съема металла, - вибронаклеп, пневмодинами-
ческий наклеп, гидродробеструный наклеп, обкатка и раскатка
шариками или роликами’, - обеспечивающие съем металла (от
0,01 до 0,03 мм) при незначительной глубине наклепанного слоя,
- виброшлифование и виброполирование.

Выбор способа упрочнения в каждом конкретном случае
обусловлен не только требованиями к качеству поверхностного
стами самих упрочняеых деталей.

Детали сложной формы целесообразно подтвергать виброуп-
рочнению пли обрабатывать гидродробеструйным методом.

пневмодинамического наклепа.

Для деталей, имеющих форму тел вращения, с цилиндриче-
скими и коническими поверхностями наиболее эффективна
обкатка роликом.

применятся раскатка роликом.

Конструктивные концентраторы напряжений в виде галтелей,
канавок, резьб и т.п. (в случае, если концентратор напряжений
не может быть обработан тем же способом, которым обрабаты-
ваются остальные поверхности детали) обкатываются роликом.

Эффективность поверхностного упрочнения зависит от спо-

Влияние способов упрочнения на предел выносливости глад-
ких образцов из сплавов ВТ22 (испытание на машине НУ; изгиб
с вращением; п =3000 0,017; база испытания - 10’ циклов)
показано в таблице 6.2.

Таблица 6.2

СоосЛ упромыежх.	
Шлифование	420
Шлифование+пневмодинамичсскиЙ наклеп	620
иЬнфование+вибрационный наклеп	600
Шлифование+обкатка роликом.	680

Наибольшсе повышение выносливости достигается при обкат-
ке роликом.

Влияние способов упрочнения на долговечность при повторном
растяжении титановго сплава ВТ 22 (образцы гладкие; ат = 840
МПа) показано в таблице 6.3

Таблица 6.3

		
Шлифом-нве	В, “ 0.8 мкм		140И-»ПМ	  24111 (средний показатель)
		
Шлифование +	Жв - 0,4 мкм	
	R# - 0.8 мкм	§§§§§  88888
		
		302 049
		
^Х^РУ»"м« «клеп	Я. - 0.4 и».	88888 §§§§§
Шлифование ♦ кварцевым песком	«.-Мм»	362 360
** Образцы сняты без разрушения.		

Различные способы упрочнения позволяют получить на сплаве
ВТ22 поверхность с шероховатостью выше исходной. Пневмоди-
намический и гидродробеструйный способы упрочнения обеспечи-

вают Rb=0,8...0.4mkm

клеп - КйяО,4мкм (при

нсходной шероховатости R,=166 мкм, а раскатка и обкатка -
Rt=0.8 мкм при исходной шероховатости R,=3.2 мкм). Гладкие
иесопрягаемые поверхности деталей, подлежащие упрочнению,
должны иметь шероховатость не более R,=6.3 мкм. Места
концентрации наряжений должны иметь исходную (перед упроч-

атость R,=362mkm поверхности. Шероховатость

поверхности под раскатывание должна быть не более Rbm1j6mkm,
Поверхность деталей, подлежащих упрочнению, не должна иметь
забоин, закатов, царапин, рисок и других дефектов. Обнаружен-
ные при визуальном контроле риски, царапины, забоины и т.д.
подлежат плавной местной зачистке в пределах допуска по

Перед упрочнением острые кромки должны быть скруглены
радиусом не менее 0,5 мм перед операциями вибрационного и
Очередность операций упрочнения в технологическом процесс

Обработки деталей зависит от конструктивно-технологических

Сущность способов вибрационного, пневмодинамического, об-
итай и раскатки, их особенности, область применения, условия
* порядок ведения процесса изложены в инструкции “Поверх-
ностное упрочнение деталей из алюминиевых сплавов" (ВИЛМ)
И в РТМ-1294 “размерночистовая и упрочняющая обработка
Цилиндрических отверстий в деталях раскаткой роликами"
(НИАТ).

Гидродробеструйных способ может быть использован для
упрочнения деталей сложной формы с примененным сечением по

Основными параметрами гидробробеструйного процесса явля-

-	рабочая смесь (стальные шарики и жидкость);

-	диаметр стальных шариков;

-	расстояние от среза сопла до упрочняемой детали;

-	давление жидкости;

-	продолжительность процесса.

4. Поверхностное упрочнение титанового сплава ВТ22
Параметры	
Диаметр шариков, мм	2-3
Давление жидкости. МПа	30-35
Фокусное расстояние, мм	300-350
Продолжительность обрабоктн точки поверхности, мин	1.5-6,0
	6.6
Количество рядов сопел	6

Рекомендуемые режимы и состав рабочей среды при вибро-
наклепе титанового сплава ВТ22 указаны в таблице 6.6.

Таблица 6.6

рабски			:жкмм офабэп	
			s-r	
диаметром 4.0-6.0 мм	Водный раствор триэтаноламина	21-25	3.5-S.O	20-40

титанового сплава BT22 приведены в таблице 6.7.

					
10*30	0.02-0,03	20-25	0.07-0,1	0.08-0.1	1-2
31—50	0.025-0.035	20-25	0.1-0,15	0,1-0.15	1-2
51-80	0.040-0.050	20-25	0.15-0.2	0.15-0,18	1-2

Рекомендуемые режимы обкатки деталей из титанового сплава

Таблица 6.8
Рекомендуемые режимы упрочнения галтелей, надрезов и
резьбы (последние два см в ПИ-173-1 таблица 6.9 из титанового
сплава ВТ22 и ПИ-173-1, а также из СН-2А, ЗОХГСА и
ЗОХГСНА.

Таблица 6.9

						обр^от». с
0.6-08	6-10	1200-1400	по	радиуса	15-20	3-4
1.0-1.5	20-30	1400-1600	по ।	То же	15-20	10-12

В соответстви» ПИ-173-71 после подтвергаться 100® сплошности o6pa6oi  В случае обнар; зависимости от их можно применить местный наклеп i исправлений.  Обнаруженные плавной местной з  Качество повер: костью процессов  Контроль шере	I с производственной инструкцией НИ АТ поверхностного упрочнения детали должны о-ному визуальному контролю для определения гки и отсутствия рисок, забоин, царапин и т.д. уженных мест, не имеющих следов наклепа, в количества, размера и размещения на детали повторный наклеп всей детали: провести <ли пропустить деталь в производство без риски, царапины, забоинв и т.д. подлежат ачисткс в пределах допуска по чертежу.  и режимов обработки.  >ховатости должен производиться по этало-

Интенсивность упрочнения должна контролироваться по де-
формации образцов-свидетелй различной формы: при вибронак-
лспе, пневмодииамическом наклепе и гидродробеструйной обра-
ботке - по величине пластинок-свидетелей, которая должна
находиться в следующих пределах: после вибронаклепа - 0,6 ±
0,1 мм; после пневмодинамического наклепа - 1,6 мм; после
гидродробеструйной обработки - 2,0 ± 0,1 мм.

Интенсивность раскатки должна контролироваться по увели-
чению диаметра колец-свидетелей после разрезки их вулканито-
вым абразивным диском толщиной 1 мм.

телей при этом должно быть



0,4 - при диаметра обрабатываемого отверстия 10-30 мм;

0,9 - при диаметре обрабатываемого отверстия 31-50 мм;
1,45 - при диаметре обрабатываемого отверстия 51-80 мм,
Образцы-свидетели должны изготовляться для определенной
партии однородных деталей из одного и того же материала.

Кольца-свидетели перед разрезкой нужно протачивать ни

раскрываемого отверстия 30-80 мм).

Количество образцов-свидетелей зависит от формы обрабаты
ваемой детали, требований чертежа к упрочняемым поверхностям

Контроль качества галтелей, канавок, резьб производимы м
на проекторе.

Критерием качества при упрочнении галтелей является
поднутрение, величина которого должна быть не более 0,03 мм;
канавок и резьб - изменение геометрии, которое должно
находиться в пределах допуска по чертежу.

Контроль деталей в серийном производстве выборочный.

Упрочненные детали должны иметь паспорт, в который
вносятся следующие данные:

-	режимы обработки и состав рабочей среды;

-	наименование установки или инструмента для раскатки;

-	класс чистоты поверхности до и после упрочнения;

-	величина деформации образцов-свидетелей.

сплавов разрешается использовать бразцы-свидетели из сталей
ЗОХГСА и ЗОХГСНА размерами 100 х 19 х 1,3 мм. Прогиб

Повышение предела выносливости на 22-24% после дробест-
руйной обработки гладких образцов диаметром 10-12 мм было
выявлено С.И.Кишкиной для алюминиевых сплавов АК4-1 и
ВД-17. Аналогично стальным деталям эффект упрочнения накле-

напряжений. Так, для надрезанных образцов указанных алюми-
ниевых сплавов повышение предела выносливости от дробест-
руйного наклепа составило 75-112%.

По данным Д.Д.Папшева и Ю.Г.Голубева упрочнение нака-
тыванием повышает выносливость образцов из сплавов ВТЗ-1 и
ВТ 9 при повторно-ударном нагружении и износостойкость на
25-30%.

Из табл. 6.10 и 6.11 видно, что между выносливостью, уровнем
остаточных напряжений и физическими параметрами не наблю-
дается пропорциональной зависимости, а так же, что механи-
ческая обработка поверхности существенно изменяет выносли-
вость деталей. При упрочнении обдуванием дробью образуются
наиболее высокие микроискажения (табл. 6.10), сопротивление
5. Упрочнение ППД деталей тепловозов.

овозов, оборудованных



дизелем типа ППДГ, наблюдаются случаи распрессовки деталей
узла вал-шестерня привода механизма газораспределения, со-

бранных по посадке с натягом. Контактяру

сопрягаемых деталей обработаны шлифованием. С целью повы-
шения надежности соединения указанных деталей применяются
методы ППД, которые, как известно, наряду со снижением

тационные свойства.

ют их эксплу-
Методика базировалась на математическом планировании
эксперимента. Образцы из стали 40Х обрабатывались с разлил

ариком. При этом
частности, натяг

ными режимами дорнования и

посадки, диаметр сопряжения и температура. Прочность соеди
нений оценивали по усилию сдвига от крутящего момента.

Прочность соединений возрастает в 1,5...1,8 раза по сравни
нию с соединениями, детали которых обработаны шлифованием.

Оптимальные режимы: натяг дорнования в пределах (0,005..

поверхностей после дорнования и обкатывания соответственно
R, = 1.5...0.7 мкм и R, = 1.0...О Л мкм. Большие остаточные
напряжения и высокая плотность дислокаций в поверхностных
слоях после ППД с течением времени приводят к рекристалли
зации деформированной структуры материала, вследствие чего
наблюдается увеличение объемов поверхностных слоев и повы
шение их пластичности. Происходит процесс приспосабливания
микрогеометрии поверхностей сопрягаемых деталей, который при
регулярном микрорельефе и значительной относительной опорной
длине профиля поверхности, получающихся при ППД, приводит
к увеличению коэффициента трения и фактической площади

Таким образом, применение методов ППД при изготовлении

ки посадочных

поверхностей.

Применение на ряде заводов МПС только таких методов ППД
как накатывание, алмазное выглаживание и обработка дробью

раз увеличить срок их службы.

Одним из экономичных методов упрочнения твердосплавных
резцов и фрез, как напайных, так и с механически закреплен-
ными режущими пластинами является обработка дробью.

пластины упрочняют после заточки и доводки. Упрочнение
состоит в обработке режущей части потоком стальной или
чугунной дроби, создаваемым быстровращающимся ротором. При
соударении дробины с твердым сплавом происходит пластическое

деформирование и

Удаление твердого сплава идет в основном на режущей кромке,
что обеспечивает ее округление. Увеличение радиуса округления
режущих кромок чернового и получистого инструмента повышает
•го прочность и износостойкость. Пластическая деформация
поверхности приводит к наклепу и возникновению остаточных

дого сплава, особенно усталостной, пластически деформируются
•се фазовые составляющие твердых сплавов.

Для обработки дробью напайных резцов, и механически
закрепляемых пластин создана гамма установок центробежного
действия с вертикальной, а также с горизонтальной осью ротора.
2.9. Методы определения оптимальных параметров
и режимов обработки

Важным критерием является надежность технологического
обеспечения параметров качества деталей такими методами
ППД, как алмазное выглаживание и электромеханическая обра-

цилиндрических

Важными являются параметры шероховатости, волнисто
сти, макроотклонений, остаточной напряженности и наклепа,
а также показатели износостойкости и контактной жесткости
обработанных поверхностей. Оценка указанных параметров
осуществляется програмным методом, новизна которого заклю-

программного обеспечения с использованием модульного прин-

ципа реализованы системы для ;

юго определения

для определения остаточных напряжений и стенд исследований
контактного взаимодействия, в которых в качестве вычислитель-
ного модуля могут быть использованы ЭВМ типа СМ-1 или

ДВК-1(М)|

дельного обмена И2-15КС-180-32,

или одноплатная микроЭВМ на базе микропроцессора
КР1801ВМ1.

Кроме того, прогнозирование параметров остаточных напря-
жений и наклепа осуществляется рассчетным путем с исполь-
зованием метода конечных элементов.

Показатели

гссов обработки ППД опредсля-

ются по результатам машинных экспериментов над имитацион-
ными моделями формирования состветсвующих параметров ка-
чества в зависимости от условий обработки, которые получены
методом активного эксперимента. Машинные эксперименты
осуществляется по схеме Монте-Карло с использованием веро-
ятностных характеристик условий обработки и параметров ими-
тационных моделей.

Применение программного метода исследований на базе

микроЭВМ позволяет пол

ский эффект.

Разработан экспериментально-аналитический метод опреде-
ления режимов обкатывания деталей.

Метод основывается на установлении закономерностей фор-
мирования контактной площадки при вдавливании и качении



ласти ППД по g, напряжением, выявлс-

нии основных параметров оптимизации процесса и определения
их значений, соответсвующих максимальному приросту эксплу-
тационных характеристик упрочняемой детали или изделия за
♦чет ППД. Область ППД является упруго-пластическая область
Нагружения, лежащая между реперными значениями напряжений
в,-лк (предпластическое состояние равномерно нагруженного
онтакта) и ап=(1C+2)к (пластическое состояние), где к-предел
текучести обрабатываемого металла на сдвиг.

Площадка состоит из псевдоупругого пара (.рассчитывается
по Герцу) пластического приращения опорной поверхности,
впределяемого в соответствии с критерием самоорганизации
упруго-пластического процесса вдавливания, и на порядок мень-

шего по величине пластического приращения за счет волны.

Критерием самоорганизации, определяющим долевой вклад
упругого и пластического деформирования и формирования
опорной поверхности и смещенного объема, вытесняемого в
волну, являются отношение объемов полной и предельной упругой

рпюр напряжений при



Основным параметром, от которого зависят упомянутые
соотношения, а также остаточные напряжения, накопленная
деформация, усилие обкатывания и пр., является безмерное
напряжение 30= an/k. оптимизация по этому параметру с
использованием установленных связей между геометрическими,
физико-механическими и технологическими параметрами позво-

максимальному приросту долговечности обкатываемых деталей.
В этом диапазоне остаточные напряжения сжатия достигают
максимального значения, близкого к сопротивлению сдвига
упрочненного ППД материала.

Одной из важных технологических задач является выбор
предпочтительных (приоритетных) технологических процессов
отделочно-упрочняющейобработки из числа возможных методов
обеспечения заданных эксплутациоиных свойств деталей. Для
решения такой задачи разработана общая методология и алгоритм
ее реализации. Основными моментами решения такой задачи
являются:

1.	Наличие нескольких уровней иерархии при выборе опти-
мального варианта. Предполагается, что таких уровней - четыре:
первый уровень, определяет характер упрочняющей обработки:
статический, динамический или комбинированный; второй уро-
вень - вид процесса (например, обработка дробью, раскатываине,
выглаживание и т.п.); третий уровень - схема реализации
(например, для дробеструйной обработки - устройства без вывода
или с выводом се из рабочей зоны и т.п.); четвертый уровень -

реализующего процесс

конструктивное исп
(например, для алм

одним или несколькими инструментами и т.п.).
2.	Наличие на каждом уровне различных критериев опти
м аль ноет и; к ним относятся показатели качества обрабатываемо!»

процесса: производительность, себестоимость, приведенные затри

3.	Выбор приоритетного варианта производится для конкрс»
пых производственных условий единичного, серийного и др
производства. При решении задачи со многими критериями
использована методика, основанная на выборе компромисса
между различными критериями, а также целенаправленны»
поиск, основанный на методе динамического программирование

Для реализации процедуры поиска на ЭВМ разработ.»»
программный комплекс, содержащий три подпрограммы.

Автоматический банк данных (АБД) прогрессивных техно/» >
гий предназначен для решения задач оперативного выбор.»
наиболее прогрессивных методов обработки (МО) и выдач»
технологических режимов и рекомендаций по ним. Наибол<-<
удобной формой для подготовки информации являются бланк»
паспортов МО. Они включают ряд разделов условно-постоянно»
информации в формализованном виде: виды обрабатываемых
материалов, виды, размеры, характеристики качества обрабаты
васмых поверхностей, режимы обработки, схемы формообразовл
ния, математические модели МО. Разработаны паспорта »
внесены в АБД следующие методы ППД: обкатванис шарикам».

тывание роликами, динамическое (ударное) обкатывание рол»
ками, выглаживание, дорнование, вибровыглаживание, протяги

технологий,

неопределенность многих

характеристик МО при обеспечении параметров качества »
точности, выявил необходимость использования аппарата теории
вероятностей и математической статистики. Это позволило боле»-
обоснованно выбирать МО с учетом вероятности обеспечения все»
совокупности характеристик МО.

Основными критериями оптимизации выбора МО приняты
производительность, энергозатраты, или комплексный показа
тель, полученный сверткой этих критериев. АБД предусматривав
возможность наращивать, изменить организацию и структуру ба i

ввод и вывод информации в удобной для пользователя форме,
возможность использования АБД с другими автоматизированным»

Изменение режимов в процесса ППД, повторное ППД несет
огромный резерв повышения надежности за счет более точного
управления распределением физико-механических свойств повср
костного слоя. Поэтому, для создания технологического способа
Оптимального управления свойствами поверхностного слоя, целе-
сообразно использовать программное изменение режимов в
Процессе обработки.

При дробеструйной обработке непрерывно или дискретно
Осуществляется программное изменение давления воздуха. Пред-
положены модели, позволяющие разрабатывать дискретные и
Непрерывные программы нагружения поверхностей при ППД для

слоя деталей. Для деталей, работающих в условиях трения
Скольжения, создается максимальная степень и толщина упроч-
ненного слоя с минимальным градиентом упрочнения. В повер-
хностном слое деталей силовых конструкций создается эпюра
распределения остаточных напряжений и твердости наиболее
благоприятно взаимодействующая с усталостными растяги-

В простейшем случае, при двухэтапной обработке деталей из
стали 30ХГС2А дробью диаметром 2 мм сначала при давлении
0,4-0,5 МПа 1,5-2,5 мин, затем при давлении 0,2 МПа 0,5-0,75
мин, в поверхностном слое толщиной до 100 мкм формируются
остаточные сжимающие напряжения величины не менее 1,2 ГПа.
При традиционном способе реализации ППД обеспечить такое
распределение напряжений не удается из-за снижения сжи-
мающих напряжений в поверхностном слое.

Интенсификация программного ППД способствует повыше-

позволило в несколько раз повысить безотказность изделий,
практически полностью исключить усталостное разрушение де-
талей из высокопрочных сталей.

надежности и ресурса изделия. Поэтому их прогнозирование при
обработке деталей ППД является актуальной задачей теории и
практики технологии поверхностного упрочнения. Для ее реше-
ния предложена расчетная модель. Согласно этой модели деталь
расчленяется на два слоя - пластически и упруго деформируемые.

Остаточные напряжения в пластически деформированом слое
определяются первичными напряжениями, т.е. вносимыми обра-
боткой дробью, и вторичными, устанавливаемыми из условия
равновесия внутренних сил. Остаточные напряжения в упруго-
деформированном слое находятся по результирующим изменени-
ям форм и размеров обработанных деталей. Это позволяет
выявить влияние на напряженное состояние поверхностных слоев
материала при циклическом деформировании, наследственных
остаточных напряжений, различных схем обработки, предвари-
тельного объемного деформирования, а также тепловых процес-
сов, сопутствующих поверхностному наклепу.

Сопоставление расчетных и экспериментально построенных
эпюр остаточных напряжений в пластинах и закнутых цилинд-
рических оболочках, обработанных дробью доказывает удовлет-
ворительное соответствие, что предопределяет возможность прак-
тического использования предложенной модели.

Разработана методика определения оптимальных способов и
режимов упрочнения по оптимальным остаточным напряжениям,
интегральную величину которых находят до допускаемой вели-
чине деформации. Для практического применения методика
разработана номограмма, позволяющая по допускаемой деформа-
ции сразу определять оптимальные режимы упрочнения.

Для облегчения использования способа упрочнения разрабо-
тана методика построения номограммы, позволяющая по вели-
чине прогиба определять режимы упрочнения.

Изложенный подход к оптимизации режимов упрочнения
позволит полнее реализовать возможности упрочняющей техио-

деталей.

Величина и характер распределения остаточных макронапря-

жсний, а, следоательно, и ;

еняемого процесса

ППД предопределяются формой и параметрами очага деформа-
ции в контакте деформирующего элемента с упрочняемой

метров очага деформации и нахождения по ним оптимального
усиличя упрочнения деталей накатыванием, раскатыванием и

Для определения усилия производится упрочнение ряда
участков длиной 20-30 мм при различных усилиях на цилинд-

няемых деталей. Затем определяются параметры очага деформа-
ции и по ним находится усилие упрочнения, обеспечивающее
предельный уровень деформации материала поверхностного слоя
и максимальное приращение предела выносливости за счет
упрочнения. В этих условиях достигается оптимальное сочетание
значения остаточных макронапряжений сжатия, глубины и ин-
тенсивности упругопластическои деформации.

В случае применения для упрочнения деталей машин уст-
ройств с пружиной сжатия простым и высококачественным
оказался способ определения предельного уровня деформации и
соответствующего усилия посредством обработки эксцентриче-
ского образца. Он изготавливается из материала детали с

устройства :

упроч-

нения. При обработке ППД поверхность эксцентрического образ-
ш упрочняется с переменным усилием. Последующее снятие
профнлограмм очага деформации на восходящей ветви эксцент-
рического образца через определенные промежутки позволяет
определить заданные параметры области деформации и соответ-
ствующее усилие упрочнения.

С целью повышения пределов выносливости метрических и
упорных резьб и галтелей стальных валов с диаметром шейки
до 250 мм предложена единая методика выбора оптимальных
режимов упрочнения.

верхностой пластической деформацией (ППД), которые опреде-
ляются с учетом механических свойств материала.

Увеличение предела выносливости зависит также от механи-
ческих свойств материала детали и эффективного коэффициента
концентрации напряжениий, который корректируется с учетом
характера нагружения и диаметра детали.

Применение ППД может полностью нейтрализовать действие
концентратора напряжений, что легче осуществить при умень-
шении глубины этого действия.

Предложены формулы для расчета увеличения пределов
выносливости при ППД роликами, которые получены с исполь-
зованием статистических моделей, обработанных по данным
экспериментальных исследований. Отклонение расчетных значе-
ний увеличения предела выносливости при упрочнении резьбовых
деталей и галтелей валов соезмернмо с разбросом эксперимен-

тальных результатов при ус

приемлемо для практических целей, что позволяет исключить
дорогостоящие работы по выбору режимов упрочнения и оценка
их эффективности.

Контроль режимов упрочнения роликами впадин резьб и
галтелей валов осуществляется по величине их деформации.

Для широкого внедрения упрочняющей технологии с целью

и снижения их веса разработаны РД

ресурса

для выбора режимов упрочнения резьбовых деталей и галтелей
валов методами ППД и оределения повышения предела их
выносливости.

В технической литературе нет единого мнения о степени
влияния поверхностного пластического деформирования (ППД)
деталей на их износостойкость.

Разработана методика назначения оптимальных режимов
ППД по критерию Кр1 представляющему собой отношение
поверхностной плотности дислокаций материала деталей после
ППД р к исходной плотности материала детали pra. Величиной
Кр задают в зависимости от требуемой износостойкости поверх-
ности детали. Установлено, что при трении сопряженных повер-
режиме установившегося износа для всех сталей с одинаковой
кристаллической структурой и одинаковой плотностью упаковки
решетки существует такое значение (Vp) опт, при котором
обеспечивается минимальная скорость изнашивания, испытания

обкатных

из стали 203Н па

истирание показали зависимость скорости изнашивания ДО <л
величины Кр.

Разработанная методика назначения оптимальных режимов
ППД внедрена при изготовлении направляющих роботов моделей
КМП, 25Ц4201, МА2, 5Ц4201 и др. Ожидаемый экономически
эффект от внедрения методики, позволяющей повысить износо-
стойкость деталей, составит около 60 тыс.рублей в год.
»•	2.10. Эффективность ППД

Эффективность обработки поверхностным пластическим де-
формированием зависит от режима и характера деформации,
Щстояпия и свойств материала обрабатываемой детали, формы
И размеров деформирующего инструмента, степени нагрева. При

главным образрм от удельных напря-

гом уг

(Юний и разменов контактной площади между инструментом и
•брабатываемой поверхностью, с повышением давления дефор-
мирующее напряжение возрастает, увеличивается скорость раз-
множения дислокаций, что в конечном счете приводит к более

Увеличение скорости сокращает время действия деформи-
рующих иаряжений. Следовательно, пластическая деформация
из-за недостатка времени протекает в меньшем объеме металла.
Вследствие этого при неизменном давлении повышается величина

вефс

Последнее

кость размножения дислокаций и ускоряет процесс образования
тонкой структуры (раздробление кристаллов на блоки), что
вызывает более сильное упрочнение. Глубина упрочненого слоя
в этом случае снижается. Необходимо иметь в виду, что влияние
Скорости деформирования резко проявляется при переходе к
удару (чеканка, обработка дробью, ударное накатывание). Уве-

применяемых на практике, приводит главным образом к измене-
нию градиента наклепа.

Из составляющих режимов обработки на эффективность
упрочнения существенное влияние оказывают: усилие деформи-
рования, подача, количество проходов, геометрические параметры
деформирующего элемента, скорость обработки. На физико-ме-

Р наибольшее влияние оказывает усилие упрочнения. Увеличение
Р происходит до определенного значения Р, с превышением
которого наблюдается уменьшения предела выносливости. Ос-
тальные параметры режима обработки оказывают влияние на
взаимосвязи с величиной Р.

Для нахождения режима упрочнения, обеспечивающего пол-
учение оптимальной интенсивности деформации поверхностного
слоя деталей с точки зрения достижения предельного значение
показателя, используют выражение

£*♦325.

(2.108)

руюших поверхностей.
Имея представление о массе инструмента, схеме его действия
и величине прилагаемой силы, можно подобрать метод и способ
обработки конкретной детали с учетом ее конфигурации, мате-

упрочняемой части. Например, для упрочнения геометрически
правильных поверхностей массивной детали, где требуется пол-
учить значительные глубины наклепа, необходимо применять
вдааление или чеканку. В то же время для упрочнения ажурных
деталей или сложнофасонных поверхностей любых деталей
приемлемы лишь методы обработки дробью. Оценив потенциаль-
ную энергию дробинки, зависящую от скорости потока, можно
предварительно подобрать и способ.

рованяый участок по упрочнению различными методами ППД
всех основных деталей и инструмента, изготоавлнваемых на
заводе, например оснащенный несколькими тидродробеструйными
электронными установками (двух-трех типо-размеров), дробест-

ными установками; токарным станком для обкатки и раскатки;
протяжным - для дорнования и т.д.

При серийном и массовом производстве установки для ППД
обычно размещают непосредственно на участках или линиях,
связанных с изготовлением данных деталей.

Эффективность упрочнения поверхностным пластически де-
формированием (ППД) зависит от условий экепплуатации дета-
лей и их конструктивных особенностей. При нормальной и

от ППД наблюдается в деталях с концентраторами напряжений.

Для деталей, относящихся к классу

[ЯСНЫХ сосди-

нений и подверженных фрегтинг-коррозии, применение поверх
костей пластической деформации в опасной зоне детали весьма
эффективно при различных методах ППД на всех видах
материалов. Увеличение сопротивления усталости деталей в этих

условиях наблюдается и при повышен



этом следует отметить, что в пластически деформированном ППД
поверхностном слое детали всегда имел место процесс фреттинг-
коррозия, но интенсивность его была уменьшена присутствием в
3.	Упрочнение различными процессами
термобработки

3.1.	Направления развития процессов

сам являются: надежность обеспечения требуемых свойств,
акономичиость, безопасность при минимальном воздействии на
окружающую среду. Эти требования определяют формирование
основных тенденций развития термической обработки.

На ближайшее двадцатипятилетие намечено резкое увеличе-

особенно в защитных

атмосферах и вакууме, что обеспечивает экономию металла

качество термической обработки. Наметилась общая тенденция

расширения области

ов локального упрочнения

изделия (всей поверхности или отдельных ее частей), в том числе
индукционного, лазерного, плазменного и т.д., а также методов
дифузионного насыщения в строго контролируемых условиях
(цементация, нитроцементация, азотирование и др.).

Относительный объем закалки, отпуска, отжига и нормали-
зации с нагревом в воздушной среде будет уменьшаться.
Ожидается увеличение объемов термической обработки полуфаб-
рикатов с применением термомеханической обработки, а также
быстрое развитие процессов нагрева и охлаждения в псевдожи-
женном кипящем слое.

В стуктуре объемной термической обработки в защитных
средах предполагаются существенные изменения. При резком
снижении доли отжига и нормализации конструкционных сталей
прогнозируется более широкое применение отжига (после пла-
стической деформации) и спекания деталей из металлических
порошков, закалки быстрорежущих сталей.

В последние годы расширяется применение более простых и
, дешевых методов получения безгенераторных атмосфер на базе
горючих газов и органических жидких смесей.

Представляет интерес получение регулируемых атмосфер

юда газообразных углеводородов (ме-
газа) в смеси с воздухом в рабочее



пространство печи. При определенных соотношениях воздух -
углеводородный газ можно получать атмосферу нужного состава
непосредственно в печном пространстве без применения генер-
аторов. Развитию этого метода препятствует отсутствие надеж-
ных средств регулирования углеродного потенциала в таких
средах, так как из-за нарушения термодинамического равновесия
между составом газовой фазы и концентрацией углерода на
поверхности металла обычные средства контроля (по точке р<х ы.
по содержанию СО2) не могут применяться. Решением проблем"
регулирования углеродного потенциала в термодинамически п<
равновесных средах является применение кислородного датчика
с твердым электролитом.

Фирма Воте! (Швейцария) выпускает конвейерные печи, п
которых газогенераторы заменены капельными инжекторами

введения органического соединения (например, метанола) нет*
родственно в печь, предназначенную для светлого отжим,
закалки в масле, цементации, нитроцементации.
3.2.	Термомеханическая обработка стали

Представления о решающей роли структуры в формировании
|Кдп важнейших, так называемых, структурно-чувствительных
Двойств развились к настоящему времени в экспериментально
доказанные положения о влиянии на эти свойства несовершенств
(Троения реальных кристаллов. Показано, что несовершенства
кроения во многом определяют механизм и кинетику фазовых
Й структурных превращений при термической обработке, т.е.
характер окончательной структуры, задающей свойства метал-
лического сплава. Отсюда вытекает, что целесообразно управлять
Плотностью и распределением несовершенств (главным образом
дислокации) в металле на разных стадиях термической обработки

оптимальные свойства. Одним из основных

пластическая деформация. Эти соображения приводят к выводу
о целесообразности соединения пластической деформации и
фазовых (структурных) превращений в единой технологической
схеме обработки сплавов.

сплава и составляет суть термомеханической обработки (ТМО).

Термомеханническую обработку надо понимать как совокуп-
ность операций деформации, нагрева и охлаждения ( в различной
последовательности), в результате которых формирование окон-
чательной структуры металлического сплава, а следовательно, и

соответствующего распределения несовершенств строения, со-
зданных пластической деформацией.

При термомеханической обработке обычную операцию закал-
ки как бы разрывают /и две отдельные операции - деформацию
аустенита с образованием определенной субзеренной и дисло-
кационной структуры и закалку с образованием мартенсита.

Основными параметрами термомеханической обработки, от
которых зависит ее эффективность, является температура,
скорость, степень, дробность и схема (способ) деформации, а
также продолжительность пребывания стали в аустенитном
состоянии после деформации. Чем ниже температура и больше
степень деформации аустенита, тем больше повышается прочно-
сть после термомеханической обработки. Существует приблизи-
тельно линейная зависимость между упрочнением аустенита при
деформации и приростом образовавшегося из него мартенсита.
После деформации при относительно высоких температурах,
когда деформационное упрочнение аустенита в той или иной
мере снимается быстро протекающими процессами разупрочн.
ния, достигается значительно меньшее повышение сопротивления
деформации.

В зависимости от требуемого уровня свойств и состава стат
температура деформации принимается от 950-900’С до 500*. .i
степень - от 15-20 % до 90%. При сравнительно высоки»
температурах (700-950’0 степень деформации обычно не превм

цию, суммарная степень деформации может быть увеличена
Термомеханическая обработка с деформацией аустенита приводи 
к повышению степени упрочнения по мере повышения степени
деформации (обычно принимается степень деформации до 75
90 %).

Такой вид обработки приводит к существенному упрочненнии*
материалов.

Рост прочности стали после термомеханической обработки
объясняется повышением плотности дислокаций в мартенсите .

в доли микрона, разделенные дислокационными границами или
скопленный дислокаций.

Технологические процессы ТМО применяются в маишностри
ении и металлургии. При этом деформирование выполняется
путем прокатки, волочения, выдавливания, выкаткой в ковочных
вальцах или штамповкой.

Особенно сильно ТМО сказывается на кратковременных
прочностных характеристиках, в меньшей мере - на параметрах
длительной высокотемпературной прочности. Однако практически
для каждого материала, который может быть подвергнут термо
механической обработке, существует область рабочих темпера
тур, где ТМО может быть эффективна и при длительной
эксплуатации.

Термомеханическое упрочнение, как это следует из резуль
татов промышленных испытаний изделий, является в настоящее
время наиболее эффективным способом экономии широко рас
пространенных в технике сталей. Использование ТМО позволяет
уменьшить расход металла при производстве массовых видов
металлоизделий, уменьшить сечения, сократить количество за-
пасных частей (в связи с увеличением надежности, заменить

При определенных условиях проявляется так называемый
эффект наследования. Он выражается в том, что упрочненная
ТМО сталь может быть подвергнута высокому отпуску и затем
обычной термической обработке, закалке и отпуску. При этом

ТМО частично сохраняется.
Мультате термомеханической обработки, заключаются в том,
•Уо тс изменения в строении аустенита, которые создаются при
во деформации, “наследуются" образующимся при последующей
Мкалке мартенситом.

При деформации аустенита увеличивается число (“плот-
ность") дислокаций в нем, кристаллы аустенита дробятся на
•Удельные фрагменты. В зависимости от температуры деформа-
ции формируется та или иная субструктура (внутризеренная
•Уруктура) аустенита. При относительно низких температурах
МЦюрмации плотность дислокаций больше; при более высоких
Температурах - меньше, но их расположение более упорядочен-
ное. и внутри зерен аустенита образуются дислокационные
«убграницы; при еще более высоких температурах нагрева
де<|юрмации, уже в ходе ее начинается рекристаллизация. Если
деформация аустенита осуществляется при таких температурив-

без роста зерен, может быть получено весьма мелкое зерно
аустенита (диаметр зерна 10'1 мкм), а при последующей

Это приводит к повышению значений временного сопротив-
ления, предела текучести и понижению критической темпера-
туры хрупкости.

Опыт показывает, что ТМО применима, в первую очередь,
Для получения упрочненных стальных изделий сравнительно
простой геометрии с минимальной последущей механической
обработкой (лист, полоса, лента, рессоры).

ТМО приводит к улучшению свойств стали по одной из трех
следующих схем:

-	“наследование" мартенситом дефектов дислокационной
структуры аустенита, сформировавшихся в ходе деформации
выдержки перед закалкой;

-	измельчение мартенсита, образующегося в измельченном в
ходе рекристаллизации аустенитном зерне;

-	уменьшение доли немартенситных продуктов превращения
благодаря повышенной устойчивости деформированного аустени-

та в промежуточной (бейнитной) области температур.

Теория ТМО базируется на современных положениях метал-
лофизики о структурной чувствительности механических свойств
и о дислокационном механизме пластической деформации.

ТМО позволяет повысить механические свойства как сталей
с низким, средним и высоким содержанием углерода, так и низко
и средне и высоколегированных сталей.
Так, например, обкатка роликами и немедленная закалки
нагретого Т.В.Ч. поверхностного слоя валкое холодной прокатки
позволяет повысить их износостойкость в 2-3 раза.

Наиболее широкой группой материаллов, упрочняемых тер
момеханической обработкой, являются стали с различным содер
жанием углерода.

В результате нагрева до температур выше точки АС3 сталь
переходит в состояние аустенита, зерна которого при правильно
выбранном режиме пластического деформирования дробятся на
фрагменты. Благодаря наличию высокой температуры параллель-
но с деформацией проходят диффузионные процессы, направлен

и образование

субструктуры. (Участков с незначительной разориснтировкой
решетки, разделенных субграницами дислокационной природы
Величина этих субзереи и их взаимная разориентировка является
переменной функцией температуры, степени, скорости пластиче-
ской деформации и времени выдержки в диапазоне температур
интенсивного прохождения диффузионных процессов.)

Размеры субструктурных элементов, формирующихся при
ТМО, в 2 + 4 раза меньше аналогичных элементов, образующихся
при обычной закалке. При последующей закалке такого дефор-
мированного аустенита образуются более мелкие пластинки
мартенсита, снижается уровень микронапряжений, что положи-
тельно влияет на пластичность и вязкость.

Такая схема ТМО называется высокотемпературной (ВТМО)

Время

Рис. 3.1. ВТМО и ИТМО

Исследование субструктуры ренгенографическим методом по-
зволяют оценить средне-статические изменения в субструктуре.
Наиболее полно субструктура выявляется методамизлектронной
Микроскопии. Резкое охлаждение (закалка) позволяет фиксиро-
вать при низкой температуре структуру аустенита, образовавшу-

I при высокой температуре.





После достижения точки Мн (начало мартенситного пре-
вращения) происходит образование мартенсита по обычной схеме.

пиша проводить в температурных условиях, когда он является
переохлажденным (ниже точки Ас3 и обычно при Т • 500°С или
щс ниже), происходят анонимные описанные процессы и
материал значительно упрочняется. Это объясняется тем, что
веление возврата в таких условиях протекает со значительно
меньшими температурами, чем в случае высокотемпературной

ессы вообще исклю-

деформации, а

чаются. Такая схема ТМО называется низкотемпературной.

Проведение ТМО обеспечивает получение высоких характе-
ристик прочности стали при испытании на растяжение. Это
достигается при высокотемпературной (ВТМО) и низкотемпера-
турной (НТМО), предусматривающих закалку на мартенсит
после теплой или горячей деформации аустенита.

Применяются и другие схемы условно названные изотериче-
скими, которые связаны с получением окончательной ферритно-
перлитной, перлитной (ВТМизО) или бейнитной (НТМизО)
структур, обеспечивающих более высокую вязкость стали при

Появились различные варианты контролируемой прокатки,
применимые к низкоуглеродистым сталям, которые, как правило,
вообще нс закаливаются на мартенситную структуру.

Все эти обработки, конечно, следует относить к ТМО. Сюда
же относятся и технологические процессы, обеспечивающие
получение высокой пластичности, наведенной превращением
(ПНП-эффскт) и сверхлластичного состояния металлов, так как
нужные свойства аустенита в НПН сталях или необходимое

На окончательные свойства стали после термомеханической
обработки большое внимание оказывает степень чистоты исход-
ного материала. С увеличением чистоты повышается общий
запас пластичности, что дает возможность увеличить предшест-

вующую деформацию.

цента. Повы-

шение общего запаса пластичности уменьшает вероятность
образования и развития микротрещин при проведении ТМО и в
последующей эксплуатации материала.

Проводимая при различных видах ТМО пластическая дефор-
мация и последующее охлаждение сопровождаются значительны-
ности дислокаций. Эти дефекты решетки частично сохраняются
и в новой фазе после протекания полиморфного превращения
Пути свободного пробега дислокаций в такой структуре стано
вятся короче, а число элементарных актов пластической дефор
мации в единице объема материала - больше. Благодаря
увеличению степени одновременности работы межатомных связен
прочность материала возрастает при сохранении удовлетвори
тельной пластичности. Другими словами, при проведении термо
механической обработки рост прочностных характеристик реали
зуется за счет второго пути повышения прочности: накоплении
в материале возможно большего числа искажений кристаллине
ской решетки.

При ТМО материал приобретает такое структурное состоят!
ние, при котором поглощение подводимой извне энергии (напри-
мер, в виде механического нагружения) становится более равно-

При достижении определенной плотности дислокаций, назы-
ваемой критической, решетка столь значительно разрыхлена, что
элементарные акты скольжения оказываются затруднительными
и материал приобретает склонность к хрупкому разрушению.

При проведении ВТМО термомеханической обработки оста-
ются в силе и другие факторы увеличения прочности, имеющие
место при обычных видах упрочняющих обработок:

ления напряжений за счет различия
мартенсита и аустенита.

2.	Искажение решетки железа за счет увеличения концент-
рации внедряемых атомов угрерода.

3.	Торможение движения дислокаций двойниковыми граница-

Существуют четыре основных вида термомеханической обра
ботки сталей, два из которых уже были названы:

1)	Высокотемпературная (ВТМО), когда деформация
осуществляется при температурах выше температуры рекристал-
лизации аустенита: обычно это - температура, которая лежит

стабильного аустенита, (рис.3.1).

2)	Низкотемпературная (НТМО), при которой деформация
проводится при температурах ниже порота рекристаллизации
аустенита; обычно это соответствует температурной области
неустойчивого аустенита (метастабильного), то есть ниже точки
АСр но выше температуры начала мартенситного превращения
(рис. 3.1). Этот метод обработки получил за рубежом наимено-
вание “аусформинга”.

3)	Предварительная термомеханическая обработка (рис. 3.2
и 3.3) (ПТМО).

4)ТМ0 с деформированием мартенсита.


Применяются различные
комбинации этих 4-х схем и
появившиеся новые схемы.

Ниже будут рассмотрены
различные виды термомеха-
нической обработки, а также
некоторые другие пути уп-
рочнения материалов, при-

Классификация видов
термомеханической обработ-
ки: имеются в виду основные
операции обработки, форми-
рующие окончательную
структуру сплава, которая в
дальнейшем нс меняет свое-

турная термомеханическая
обработка с закалкой на
мартснит и отпуском; б -
ВМТО поверхностных слоев
деталей; в - высокотемпера-
турная тсрмомсханическая
изотермическая обработка с
распадом в перлитной (I)
или в бенитной (2) области;
г - низкотемпературная тер-
момеханическая изотерми-
ческая обработка с деформа-
цией в процессе аустенито-
перлитного превращения -
изоформинг (1) и в процессе
аустенито-бейнитного пре-
вращения (2); е - наследст-
венная термомеханическая
обработка с предваритель-
1Юй ВТМО и высокотемпе-
ратурным смягчающим от-

пуском; ж - наследственная термомсханическая обработка с
предварительной ВТМизО (с распадом в бейнитной области); и
- наследственная термомсханическая обработка с предваритель-
ной НТМизО; к - предварительная термомеханическая обработка;
л - обработка на деформационное старение мартенсита (марфор-
минг); м - то же после ВТМО; н - обработка на деформационное
старение бейнита путем его теплой деформации или холодной
деформации и отпуска; п - патентирование.

Примечание. Применение указанных процессов предпочти
тельно для сталей и сплавов, испытывающих полиморфные
превращения, но допустимо и для других сталей и сплавов, и*-
испытывающих эти превращения.

обработка (ВТМО) сталей

Сущность ВТМО заключается в осуществлении пластической
деформации при температуре выше температуры рекристалли
зации, обычно выше температуры критических точек и после
дующей закалки. При этом в зернах аустенита формируется
развитая полигональная структура, фиксируемая в низкотемпе
ратурной области быстрой закалкой.

ВТМО закаливающихся сталей проводится по следующей

-	нагрев до температур 1050-1100 ’С целью перевода стали
в аустенитное состояние;

-	подстуживанис до температур несколько выше точки Ас,
(900-950’0;

-	пластическая деформация в этих условиях на 25-40 %;

При высоких температурах с довольно большой скоростью
происходят процессы возврата и полигонизации, контролируемые
диффузионными перемещениями атомов основы, легирующих
элементов и примесей. Для подавления рекристаллизации, сво-

кую деформации!

дящсй на нет результаты нагартс

следует производить при возможно более низкой температуре -

после чего необходимо сразу

осуществлять быстрое охлаждение (в некоторых случаях требу-
ется небольшая последеформационная пауза).

После проведения ВТМО значительно возрастают пластич-
ность, сопротивление усталостному разрушению и распростране-
нию трещин и оказывается возможной наиболее полная реали-
зация высокопрочного состояния при циклической нагрузке,
понижается температурный порог хладноломкости. При необхо-
димости нужно давать стали средне- или высокотемпературный
отпуск. Практически не неблюдается склонности стали к разви-
тию отпускной хрупкости: хрупкое разрушение не происходит до
температуры - 195 ’С, межкристаллитный хрупкий излом
заменяется, становится вязким, волокнистым. Например, пара-
метры ударной вязкости для легированных конструкционных
♦талей, в общем возрастают примерно в 1,5-2 раза, а в отдельных
Мучаях (для стали 20ХНЗА) - в 5 раз. Благотворное влияние
ВТМО отмечено и на усталостные характеристики сталей,
особенно после применения последующего отпуска при темпера-
турах порядка 250*С, хотя более высокий отпуск уменьшает
•ффект упрочнения при ВТМО.

Такой рост структурно-чувствительных свойств не сопровож-
дается каким-либо заметным “измельчением зерен”, будто бы
присущим ВТМО. Прочность возрастает с повышением степени
обжатия, которая для обеспечения рекристаллизации должна
составить 25-30% за один проход, а также с понижением
температуры деформации.

В результате ВТМО наряду с общим подъемом прочности на
40% и более происходит вызрастание пластических характери-
стик, примерно в 1,5-2 раза. Такое благоприятное воздействие
ВТМО объясняется рядом исследователей сохранением субструк-
туры, созданной в горячедеформированном аустените, и измене-
ниями структуры вблизи границ исходного аустенитного зерна,
в результате которых появляется характерная “зубчатость”
границ.

Таким образом, увеличивается суммарная протяженность

границ аустенитных зерен, а после отпуска в интервале температур развития обратимой отпускной хрупкости характер разрушения вместо обычного межкристаллитного становится транскристаллитным, уменьшается чувствительность к концеп-								
шения стали, находящейся в высокопрочном состоянии.  Эти факторы оказывают существенное влияние на распреде- ление примесей и характер сегрегаций, вызывающих развитие отпускной хрупкости: новые границы оказываются более чистыми и возрастает прочность сцепления между соседними зернами.  Таблица 2.1  Влияние рижимов ВТМО на прочность								
Термзпем». обреботы	%	%		1 '		1 «. 1	1	
	МП»		а %		МП.			Н/ы
Закалка от 850* С	2150	1750	3.5	24	1500	960	1040	40
ВТМО (е). нагрев	2270	1820	8.0		1770	1250	1360	86
ВТМО (е), нагрев	2240	I7S0	7.»	39				85
Примечание. £ -	степень деформации.							
Сопоставление (табл. 2.1 и 2.2) размеров зерен и прочности
после ВТМО с одной степенью обжатия, но при разных
температурах, показывает, что после обжатия при 950* получено
более крупное зерно, а прочностные характеристики не измени-

В табл. 2.2 приведены средние значения зерен аустенита. Из
этой таблицы видно, что ВТМО влияет на величину зерна.

Таблица 2.2

Влияние режимов ВТМО на размер зерна аустенита

имеет ряд существенных преимуществ.

Во-первых, ВТМО можно применять как на конструкционных
сталях, так и на аустенитных стареющих сплавах, причем обычно

углеродистые стали для получения оптимальны:
закаливать немедленно после окончания высо
деформации, так как рекристаллизация в э


Температуре горячего деформирования проходит сравнительно

во-вторых, создается непрерывный термо-деформационный
технологический цикл изготовления изделий, когда вслед за
операцией формообразования следует термическая обработка.

в-третьих, проведение деформации при высоких температу-
рах в области существования аустенита позволяет производить
кс операции формообразования при низких удельных давлениях,
что дает возможность наравне с прокаткой использовать прессо-
вание, ковку, штамповку, и т.д.

низкие удельные давлении не требуют создания новых специаль-
ных видов оборудования.

Таким образом, ВТМО является вполне технологичной с точки
зрения используемого оборудования, схемой обработки, и позво-
ляет существенно повышать прочностные и пластические харак-

Преимуществом ВТМО является также отсутствие ограни-
чений по химическому составу', накладываемых недостаточной
устойчивостью переохлажденного аустенита, поскольку в общем
случае деформация осуществляется в области стабильного аус-
тенита, хотя м при ВТМО следует считаться с возможными
изменениями прокаливаемое™ стали.

При проведении ВТМО охлаждение сжатым воздухом при
различных температурах отпуска влияет на прочность, что
показано в табл.2.3.

Таблица 2.3

Механические свойства труб из стали 38ХНМ после
ВТМО с охлаждением сжатым воздухом

	о,. МПа	«. МП.	и	т. X	... Н/ы	гас
400	0130/1443)	(92ОАОЗО)	11.6 (10Л/13Л)	44.5 (41/47)	63 (57/68)	37
S00	(1070/1160)	865 (845/880)	12.4 (10.8/14)	(53.5/57)	97 (90/102)	30,5
600	(985/1030)	(805/830)	(12.4/14,5)	58 (56.5/62)	104 (99/112)	29.5
Таблица 2.4

Механические свойства труб из стали 38НХМ после
различных вариантов обработки

	ДГ...	...МП.	..МП.	...мп.	5. %	**	..н/“	юс,
ВТМО	юо	2370	1990	1940	9	41	73	54.5
TOj_		2270	1780	1620		36	69	53.5
		2150	1750	1570	7,5	31	67	52
ВТМО	200	2170	1840	1780	10,5	51	102	51.5
		2040	1660	1560	9.5	46	93	51.5
		1980	1630	1500	9.0	44.5	75	51.0
ВТМО	300	I960	1770	1660	9.0	55.5	87	48.5
то		1820	1610	1520	8.5	51	74	47
		1770	1540	1430	8	49.5	6S	
ВТМО	400	1590	1490	1450	8	50.0	76	42
То-		1490	1370	1320	8.5	54.5	68	41.5
		1450	1300	1250	8	52.5	67	41
ВТМО	S00	1320	1280	1230	8.2	52	95	38
то,		1280	1210	1160	8.7	53,7	110	37.5
		1270	1180	11306	8,4	52	88	37,5
	«ю	1250	1180	1140	9.0	55	116	35.5
то.		1190	1090	1040	10.5	56.5	152	35,5
		ИЗО	1070	1020	10	56	146	35,5
ТО2-закалка предварительно отоженных (Зч при 880'С) труб.  Из табл. 2.4 ясно прослеживается закономерность что при всех вариантах отпуска (Т-100*С последовательно до Т-600*С)								

наивысшие значения прочности - ок а, ащ у труб из стали
38ХНМ достигаются при проведении ВТМО, наинизшие при ТО,
(закалка предварительно отоженных труб), сресдние (промсжу-

ТО (закалка охлажденных на рольганге после прокатки труб).

Сопоставление табл. 2.3 и 2.4 показывает что при проведении
ВТМО с охлажденным сжатым воздухом (при температурах
отпуска от Т-400*Сдо Т-600°С) значения о, и <тг значительно
«иже, чем при режимах ВТМО, принятых в табл. 2.4. Эта
Нкономерность прослеживается для значений HRC3.

Данные приведенные в табл. 2.5 показывают, что ВТМО
позволяет получить высокие механические свойства.

Таблица 2.5

Изменение механических свойств стали 30РХ2МА
после обычной термической обработки и ТМО
с деформацией в области стабильного
или метастабильного аустенита

ОСра&ли1	в. мп»	8.»	а	Обра&пы	О . м::.!	8. %	5 . •.
ТМО при VOO'C, £-85%. .шкалкэ в воде	2046	9.8	5.7	ТМО при 900*С. е-85%.	1956	9.9	6.3
900‘С в воде	1900	9.3	5.3	закалка при 900’С в масле	1811	10,0	7.0
550* С. £-70%. закалка в воде	2100	9,2	5.7	550*С. £-70%.	1742	10.4	7.4
закалка при	1960	11.6	8.0	Ступенчатая  550*С в масле	1829	9.6	7.9

<nnyc« npw 100'C

обеспечивает получение высоких значений прочности и пластич

пости, причем при небольших срав>
(35%).

деформации

Таблица 2.6

Результаты испытаний хромоникельмолибденовой стали
50ХР4М после термомеханической обработки по
различным режимам

		"'и*”"	мп»	МПа	КХ	•«	
		Ъхлаждение в	2400	1750	6	9	20
900	40		2700	1900		22	20
			2550	1700	7.5	17	35
500	35		2600	1750	8	18	30
5Х			мп.	мп.	*«	**	а, ИЛ.
900	35	Изотермическая	2100	1500	5	8	15
500	35		1400	1000	5	14	20

Н После аустенизации при 900’С.

Из табл. 2.6 также следует, что для стали 50ХР4М значения
прочности (ав, а,) при всех температурах деформации значи-
тельно выше при последующей обработке после ВТМО с



охлаждением
обработке.

Понижение температуры деформировании от 850"С до 550”С
не приводит к изменению прочности. Величина зерен аустенита
мало зависит от температуры деформирования.

С повышением степени деформации до 50% прн ВТМО

скис свойства, что видно из табл. 2.7.

Таблица 2.7

Механические свойства стали 40ХН5СМ после ВТМО

Режим ВТМО:	Плавка 1 Плавка ИИ		
температур* нагрева. *С	1000	1000
температура деформирования. *С	900	750
степень обжатая (за один проход). %	15-30	35
закалочная среда	Вода	Масло
температура отпуска. *С	350	200
Свойства:		
предел прочности. МПа	2050-2150	2500
предел текучести, МПа	-1900	2200
удлинение, %	. 7	4-5
сужение. %	- 30	25
ударная вязкость. Н/м	25-30	20-25
твердость, HRCt	53	59

Механические свойства образцов, вырезанных из отпрессо-
ванных прутков и труб стали 40ХН5СМ с обжатием 73% при
разных скоростях прессования (табл. 2.8) свидетельствуют о
Перспективности деформирования прессованием при тсрмомеха-
ИИческом упрочнении в условиях ВТМО.

Таблица 2.8

Зависимость механических свойств стали 35ХГР от
условий ТМО и последующего отпуска

		о. МП.	..МП.	КХ	•»	икс,
100	0	1795		0	4.5	60.5
	15	1700		0.9	8.5	32
	25	1840				64
	50	2440		2.25	13.8	63
	IS	2110				63
200	0	1785		0	5.9	60
	15	2340	1815		8.9	59.5
	25	24(H)	1780		14	60
	50	2400	1760	5.6	18	59.5
	75	2300	1740	2.5	9	60
“°	15	2150	1845	2.57	13	54.0
	25	2150	1872	4.6	20,0	54.0
	50	2140	1862	3.2	19	54,5
	75	2110	1834	4.0	21	56
300	0	1870		2.0	9.5	44.8
	15	2060	1770	3.7	14.0	51
	25	2070	1840	5.0	25	52
	50	2000	1760	4.12	24	53
	75	2030		3,20	22	54,7
'Мр!	15	2180	1815	3.4	16	
	25	2100	1850	4.86	18.5	-
	so	21S0	IIS	S.I	21	

" Предварительная обработка ВТМО с отпуском при 600'С <32 НРС,)
Таблица 2.4

Влияние холодной пластической деформации на
свойтсва стали 55 ХГР, подвергнутой ВТМО и отпуску

	»с	..мп.	,.ип.	...мп.		•«	
ВТМО	56	2160	1945	1900	6.5	36	
деформация без отпуска	37,6	2340	2325	2235	3.0	21,6	0,»75
100	57,3	2335	2310	2265	3.7	28.1	0,972
250	56	2225	2180	2130	3.6	27.6	0,957
300	54	2020	1960	1910	4.5	28.9	0.945
350	46,2	1560	1490	1445	6.7	31,1	0.925

Таблицу 2.10

Механические свойства стали 55ХГР после ВТМО на
Челябинском заводе в зависимости от режима
последующего отпуска

	Охлаждсмм • воде				Охлаждение и воздухе			
			п		о,. МП.			..
ВТМО								
Без отпуска	2740	2600	4.5	13,0	2400	2180	6.5	1 18
240. 1ч	2580	2350	7,0	18,5	2370	2230	6.0	19
240. 4ч	2630	2440	6.5	18,0	2530	2280	6.0	19
400, 40 мин	1920	1720	7,0	34	1800	1670	6.5	1 33
650. 30 мин	1560	1400	П.5	39	1560	1300	11.0 1	48
Обычная закалка								
SoYh'	после				'то		1-2	0.8-15
650. 1ч	-	-	-	-	1020	870	8.5	40
650. 30 мин		-	-	-	1260	890	8.0	42

Влияние на свойства стали 55ХГР холодного пластического
формирования, подвергнутого ВТМО и отпуску рассмотрено в
табл. 2.9, влияние температуры и продолжительности отпуска в
Табл. 2.10, а механические свойства стали после ВТМО в табл.
2.II(при различных режимах термообработки).

Таблица 2.11

Механические свойства стали 55ХГР при различных
режимах обработки

				с,. МП.	т-М".	*•*	Т.В
Прутка	810		(ТО,)	2150-  2210	ИМ	8.0	35
	700	30	crop	aw	1820	7,8	37-47
	530	55	crop	2490	2230	7,0	30.5
	530	42	crop	2520	2310	5.8	23
Трубы	810	120		120	'i860	7.5	30
	«0	120		120	'|Х	7.0	40
термической				2060	1640	9.0	М

Влияние степени деформации при ВТМО иллюстрируется
данными табл. 2.12. Существенное повышение механических
свойств достигается уже при ВТМО с деформацией (осуществ-
ленной в условиях горячей прокатки) на 25%.

Механические свойства труб из стали 36Г2С после различных
вариантов обработки приведены в табл. 2.13
Таблица 2.11

Влияние степени деформации при ВТМО на
механические свойства сталей типа 55С2' (по данным

И.В.Паисова и Р.И.Щукюрова)

Марка стаж	с «	О. МПа		1 ч	1 „х
		Xp-V,"“ разрушение			
	25	2300	2050	5	10
	50	2320	2060	7	9
	75	2200	2020	6	10
	тертиюбрз-	Хрупко, разрушение			
	25	2480	2250	9	18
	50	2540	2310	9	18
	75	2500	2290	10	19
		Хрупкое разрушение			
	25	2440	2220	8	25
	SO	2520	2300	7	20
	75	2470	2250	Я	27
	0	2200	1980	4	10
	25	2500	2290	13	26
	50	2600	2330	10	24
	75	2520	2300	12	25
	тс£бара'	2300	2030	»	12
	25	2520	2300	9	18
	SO	2580	2330	8	18
	75	2540	2310	9	20

' - Отпуск при 250’ С, температура аустенизации 960‘С.
Таблица 2.13  Механические свойства труб из стали 36Г2С после различных вариантов обработки								
		«.МП.	«.МП.	«..МП.		V.X	Л,. .Л.	кжс
ИТМО		2210	1900	1810	8.5	46	38	56
		2030	1780	1690	9.0	51.5	30	54,5
		1770	Хрупкое разрушение				20	55,5
		1780					20	55
		1670					20	55
ВТМО		2020	1670	1600	9,5	48.5	106	53
		I960	1650	1570	9.0	51.5	112	52,5
		1820	1630	1570	7.5	45.5	92	52,5
		1840	1650	1570	7.5	44.5	85	52,5
то4		1720	1480	1420	5	42	79	52,5
ВТМО		1870	1630	1580	8.5	46	67	50,5
		1840	1590	1510	8,5	50	66	49
		1700	1550	1490	8.3	45	40	49,5
		1690	1560	1500	8.3	43.5	30	49,5
		1640	1510	1420	6.7	43	40	49,5
ВТМО		1540	1370	1300		•'.ь,5	68	43,5
		1500	1360	1300	9.5	51	96	42,5
		1430	1290	1220	9.5	51	52	
		1470	1360	1310	8.6	52	50	42
		1360	1250	1200	9.5	46	52	43
ВТМО		1150	1030	990	11.2	50	97	37
		1210	1110	1070	11.8	51.5	11	37
		1090	980	940		53	87	37
		1060	980	940	11.0	53	93	36
		1040	950	910	11.4	52	85	36
Механические свойства труб из стали 36Г2С после
ВТМО с охлаждением сжатым воздухом и после
обычной нормализации

	,.чо.	в. МПа		••		
						
400	<1245/1635)	(985/1145)	<7,2/13>	(15,6/31,5)	<1з“б>	33.5
S00	(1040/1200)	(760/895)		(37/43)	<60%2>	30.5
600	(830/875)	(665/705)	20 (18.5/22,5)	57,5 (513/60.5)	(88* ПО)	24.5
Нормализация						
<00	(855/890)	(515/540)	(16,5/21)	(57.5/9.5)	(74/104)	20.S
500	(835/860)	(510/535)	(17,5/24)	58.5 (56/613)	(86/100)	20
отпуска	(850/870)	(525/550)	(2М23)	56,5 (55/573)	(82/97)	20.5
и верхний пределы значений.  На механические свойства стали 55С2 влияет температура аустенизации при ВТМО, что видно из табл. 2.15						
Таблица 2.15

Влияние температуры аустенизации при ВТМО на
механические свойства сталей типа 55С2"

	ау^Х^'с	«.МПа	•. мп.	1 -	
	термообрз-	хрупкое разрушение			
	900	2370	2110	5	7
	960	2320	2060	7	9
	1050	2280	2030	7	10
		хрупкое разрушение			
	900	2540	2310	5	10
	960	2540	2310	9	18
	1050	2480	2250	9	25
	термообра-	хрупкое разрушение			
	900	2580	2200	5	12
	960	2520	2300	7	20
	1050	2500	2290	9	25
		2230	1030	«	10
	900	2610	1360	5	II
	960	2600	2330	10	24
	1050	2550	2390	9	24
Исследование влияния температуры отпуска показывает, что:
а) преимущество ВТМО перед обычной закалкой сохраняете*

значительно при температурах 300е С (сталь 50ХГА0) и
400*С (сталь 55С2), когда после обычной закалки пластичность
невысока;

б) в результате ВТМО на стали 55С2 можно получить высокий
комплекс свойств.

Таблица 2.16

Механические свойства труб из стали ДБ после ВТМО
с охлаждением сжатым воздухом и после обычной
нормализации

	1 ...МП.	11 -		1 ••	|	
						
400	930			53,5	75	26,5
500	930			51	72	24
600	865			55,5	74	20,5
Нормализация						
400	810	480	22.2	59.5	78	17
500	815	495	21.5	57,5	78	17
600	КОО	470	22,7	60,5	81	17
отпуска	815	490	20.5	50.5	«2	

Механические свойста труб, полученные после ВТМО, срав-
нивались со свойствами труб, охлажденных на рольганге и
подвергнутых термической обработке, предусматривающей лро-
(Ижуточный обжиг в течение 1ч при 880'С для снятия эффекта
Горячего наклепа, повторный нагрев под закалку на 840-850°С,
|0 мин, и отпуск по сходственным режимам. Результаты
Маханическнх испытаний приведены в табл. 2.16, а после
различных вариантов термообработки - в табл. 2.17

Таблица 2.17

Механические свойства труб из стали ДБ после
различных вариантов обработки

	т,^г	«.МП.	...мп.	...мп.		*«	А..Ы»	няс.
		2400	1820	1730	7	27.5	33	57.5
		2130	1780	1730	4	70	27	57
			Хрупкое разрушение					56.5  56.5
mil		2140	1760	1710	я	31,5	50	54.5
		2080	1750	1690	7.5	29	71	53
		1970	1680	1620	6.5	28	55	53,5
		1970	1700	1620	4.5	19	30	53
то		1310					50	54
ВТМО		1840	1620	1530	я	36	55	50
то		1740	1550	1470	7	34	48	48
		1700	1540	1470	6.5	35	42	48
то.		1720	1550	1490	6.0	25	32	49.5
то		1480	1260	1220	5	27	40	49.5
ВТМО		1490	1340	1280	8.5		72	43.5
		1270	1190	1150	11.5	44.5	106	41,5
то.		1320	1210	1170	9	42	50	42
!()		1310	1200	1150	6	44.5	50	42
тод		1270	1120	1080	8	36	46	42
Предварительная термомеханическая обработка - это ТМО с

деформацией исходной структуры и последующей термообработ-

кой (рис. 3.2 и 3.3). Эта схема тер,
сокращенно называется ПТМО.

При проведении ПТМО вначале осуществляется холодная
пластическая деформация, а затем уже проводится термическая
обработка.

Существенно, то, что разрыв по времени между этими двумя
операциями может быть весьма значительным, что определяет
высокую технологичность ПТМО.

ПТМО отличается от других схем ТМО также тем, что при
осуществлении этого процесса обработке подвергается сталь,
имеющая одну из структур “семейства" перлитов.

ПТМО может проводиться по двум вариантам схем:

а)	холодная деформация с последующей закалкой и отпуском,

б)	холодная деформация, затем термическая обработка,
облегчающая сохранение влияния наклепа после двойной пере-

кристаллизации, а уже после этого проводится закалка и отпуск.
При осуществлении холодной деформации дислокационная

Предварительный холодный наклеп приводит к значительному
изменению структуры и субструктуры стали. Задачей является
в максимальной степени сохранить эти изменения при после-
дующей закалхе: тогда будет получен мартенсит с выгодно
измененными механическими свойствами. Этому способствует
образование при наклепе кристаллографических текстур, формо-
образующих текстуры деформаций в расположении дислокаци-
онных стенок и выделений. Благодаря ориентационным соответ-
ствиям при превращениях имеет место наследование дефектов
при переходах а + у -» А + М, что приводит к увеличению
прочностных характеристик.

Положительные результаты в этом

сталях У9, 65Г, 40ХНМ, 45ХГНМФТ, 40Х, 40ХНВ и др.
Прочность этих сталей после проведения ПТМО заметно возрос-
ла, достигнув величины порядка 2300 МПа. Были получены также
положительные результаты, в смысле повышенния конструктив-
ной прочности холоднокатанных труб, изготовленных из сталей
30 ХГСА (табл. 2.18), 20Х и др.

Таблица 2.18
Механические свойства холоднокатанных труб из стали
ЗОХГСА после ПТМО и после закалки отожженных
труб (П-Ш)

	оерхботм	°,. МП.	мп.	КХ	НХС
100	I	2045	1665	8	53
	II	1565	1290	10	50,5
	III	1580	1300		51
2Я0	I	1890	1585	10	51,5
	п	1685	1405		49,5
	m	1680	1380	10	49,5
300	I	1865	1640	9	48
		1560	1415	9	47
	III	1525	1350	10	48
400	1	1560	1490	8.5	45
	II	1250	1170	9.5	433
	ш	1230	1150	9.5	43
	°***”"	в. МП.	о. МП.	ах	кже
	1	1220	1170	11	34.5
	1!	1030	980	12	33
	Ill	995	960	13	33.5
600	I	1005	960	17.5	28.5
	II	915	845	19	27
	Ш	885	785	19	27.5

Использование ПТМО с нагревом под закалку ТВЧ при
производстве холоднокатанных труб из стали ЗОХГСА дало
возможность получить еще более высокие свойства прочности,
особенно предела текучести.

Еще более высокие свойства прочности, применительно к
холоднокатанным трубам из сталей ЗОХГСА, получены при
ПТМО с нагревом под закалку ТВЧ (табл. 2.19). Причиной тому

меньшее разе

1ТВЧ.

благодаря более быстрому нагреву, чем в соляной ванне. Следует
отметить, что при нагреве в соляной ванне нет необходимости
строго контролировать продолжительность выдержки в аустенит-
ной области (она допустима в широких пределах от 2 мин до
30 мин).

Таблица 2.19

Механические свойства холоднокатанных труб из стали
ЗОХГСА после ПТМО с нагревом под закалку ТВЧ.

	«,мп.			нас.		..МП.	МП.	8. %	нас
100	1975	1855	7.3	53	400	1640	1615	8.5	45.5
200	1955	1830	7.3	50.5	500	1250	1215	10,5	35
300	1920	1845	7.3	48	600	905	860	23	29

Особенностью ПТМО является также то, что геометрическая
форма зерна (или его размер) не коррелируют с упрочнением.
Тут это видно отчетливее, чем при ВТМО или НТМО. При
ПТМО размер видимого зерна имеет второстепенное значение в

при ПТМО, в основном, от параметров нагрева, в то время как
при ВТМО и ПТМО размер аустенитного зерна зависит от
ипраметров процесса пластической деформации.

Использование ПТМО обеспечивает, применительно к холод-
нокатанным трубам, изготовленным из стали 20Х и 40Х, более

высокие прочностные показатели в интервалах температур
отпуска 100-600фС. Наличие легирующих элементов в стали
благоприятно влияет на сохранение эффекта холодного наклепа
после последующего нагрева под закалку. Толщина стенок труб
весьма существенно влияет на эффект ПТМО. Чем меньше
толщина стенок, тем эффект ПТМО больше.

Положительные результаты дает ПТМО стали У8.

Предварительный дорекристиаллизационный нагрев t < 400'
холоднодеформированных сталей замедляет процесс последующей
рекристаллизации, что приводит к резкому повышению сопро-
тивления малым пластическим деформациям, твердости и модуля
нормальной упрогости. По-видимому, это объясняется своеобраз-
ной полигонизацией и перераспределением дислокаций.

ка (нормализация или



отжиг при t=850-900'C) между деформированием и окончательной

неотпущенном состояннии.

Повышение механических свойств также может быть достиг-
нуто при проведении двойной печной закалки после промежуточ-
ной обработки деформированной стали. Образование более
стабильных конфигураций дислокаций, по-видимому, обусловли-

мической обработки на стабильность результатов ПТМО.

Для листовой стали 40 ПТМО в сравнении с закалкой ТВЧ
также заметно улучшает механические свойства, что обусловлено
наклепом феррита и унаследованной от нее после двойной
перекристаллизации более развитой субструктуры мартенсита.

от вида исходной структуры. Оптимальной исходной структурой
является тонко-дисперсная феррито-карбидная смесь, получае-

ному изменению распределения плотности дислокаций

присутствие в исходной структуре избыточного феррита и
зернистого перлита.

В качестве метода пластического дефомирования при ПТМО
эффективна применительно к трубам). Эти оба способа дефор
мирования обеспечивают образование дислокационной структуры.

З.ТМО с деформированием мартенсита, его особенности и
сопоставление его с другими способами ТМО

Принцип этой схемы ТМО заключается в том, что пласти
ческая деформация осуществляется после окончания мартенсит
ного превращения, а не до него.

Для некоторых сталей эффективнее пластическую деформа
шло осуществлять после закалки и низкого отпуска. При
осуществлении этой схемы даже небольшая деформация, сопро-
вождаемая дополнительным отпуском, определяет значителььиый
рост пределов прочности и пластичности. Анализ диаграммы
растяжения показывает, что в этом случае шейка образуется
после небольшого удлинения, не при максимальной нагрузке.

При ТМО с дефор»

аием мартенсита происходит час-
твердого раствора; причем проис-

пластической деформации. Одновременно, под влиянием пласти-
ческого деформирования закаленной стали, происходит диспер-
сионное твердение мартенсита. При низком отпуске, в связи с
переходом углерода в участках скоплений дислокаций, происхо-
дит растворение карбидов. Вследствии этого происходит резкое
возрастание предела текучести и понижение пластичности.

деформировании мартенсита, полученного в результате ВТМО.
В результате этой комбинированной обработки получено допол-
нительное повышение прочности. Причины этого заключаются в
увеличении пластичности стали, подвергнутой, предварительной
ВТМО. В основе этой комбинированной обработки также лежат
развивающиеся более интенсивно процессы дисперсионного твер-
дения. Причиной повышения механических характеристик явля-

ется замедление карбидообраз

деленных и более тонких, когерентных с матрицей карбидных
частиц, а также повышение плотности дислокаций. Этот новый
комбинированный способ обработки обеспечивает более высокие
значения прочности сталей также в сравнении с НТМО.

Учитывая большую технологическую сложность НТМО, в
сравнении с этой новой схемой обработки, последнюю рацио-
нально применять вместо НТМО при производстве высокопроч-
ной проволоки или полос.

Новая схема комбинированной обработки в последнее время
усовершенствована за счет применения “теплой" деформации
Мартенсита. Деформация мартенсита при этом осуществляется
при температуре, не превышающей температуру, применяемую
после деформационного отпуска (порядка 1=100-г 150’0, а не при
Комнатной температуре. Это усовершенствование схемы обеспе-
чивает получение более высокой пластичности и прочности, так
как при вей образуются карбидные фазы оптимального размера.

Достижение более высоких свойств при проведении ВТМО с
неоднократной деформацией (когда с большей полнотой проте-
кают процессы динамической полигонизации) по сравнению с

углерода при деформации в процессе ВТМО возникает состояние
наклепа. Поэтому для высокоуглеродистых сталей обязательным
является применение дробной и малой деформации.

Рекристаллизация путем образования зародышей и их роста
может помешать или даже подавить конечную стадию роста
субзерен. Полное снятие созданного при деформации упрочнения

Вторичная рекристаллизация может происходить в случае,
если объемная энергия некоторых зерен будет меньше, чем
остальных зерен. Это наблюдается всегда при небольшом по

Кинетика процесса рекристаллизации определяется стремле-
нием большеугловых границ к миграции в направлении умень-

сталлизованных зерен становится больше, т.е. размер зерна
становится меньше. Первичная рекристаллизация даже после
сильной холодной деформации может быть представлена как
процесс зарождения и роста. С развитием вторичной рекристал-

Рекристаллизация - процесс изменения структуры металлов
и сплавов в пределах данной фазы, связанный с возникновением
и движением (или только с движением) границ с большим углом
разориентировки, который приводит к повышению структурного
совершенства и понижению свободной энергии. Центры рекри-
сталлизации формируются при нагреве деформированного ме-
талла в результате перераспределения и движения дислокаций в
малоугловых дислокационных границах. Рекристаллизация после
горячей деформации и, в частности, рекристаллизация при

скои обработке имеют осо-

татурной

бенности. Начальные стадии рекристаллизации при ВТМО не

рекристаллизации после холодиной деформации.
Процесс рекристаллизации в ходе ТМО заслуживает особой»

том, что благоприятный эффект ТМО устраняется только
собирательной рекристаллизацией.

Такие ражимы обработки сответствуют определению ТМО
лишь формально, так как при этом отпадает структурный фактор
воздействия платической деформации. Если же процесс рекри-
сталлизации нс достигает той стадии, то такая обработка
представляет собой ТМО по существу: формирование окончатель
ной структуры происходит в условиях повышенной плотности
несовершенств строения (к числу несовершенств, конечно,
относятся и границы зерен, которые при обработке на начальные

стадии первичной

основную

Процессы рекристаллизации в ходе высокотемпературной

чаются рядом специфических черт от рекристаллизации при
нагреве холоднодеформированного металла. То, что горячая
де4юрмацня осуществляется при температурах, повышающих
температуру рекристаллизации, еще нс означает неизбежного
получения рекристаллизованного состояния. Процесс идет выше
температуры рекристаллизации, при данной температуре может
быть получено полностью рекристаллизованное состояние. Но
возврат, полигонизация и рекристаллизация - это сложные
многостадийные процессы, идущие во времени; их развитие

высоких температурах. Так, варьируя четыре основных парамет-

пуру и длительность

раде фор л

последеформаццонной паузы, - можно получить полный набор

и до полигонизованного или полного рекристаллизованного (даже
при том условии, что температура деформации выше темпера-
туры рекристаллизации в указанном смысле).

Таким образом, при горячей деформации можно получить
структурное состояние, качественно сходное с тем, которое

ст, что различия между низко- и высокотемпературными
схемами ТМО по существу определяются не положением темпе-

субструктуры. В

ратуры деформации, а док

нистой рекристаллизованной структуры.

Это надо иметь в виду при рассмотрении предлженной ранее
современной классификации методов ТМО. Следует учитывать
также, что конкретное структурное состояние, достигаемое при
тэты могут быть весьма чувст-
вительны к конкретным значениям этих параметров и даже к
Небольшим их изменениям.

Фазовые переходы при термической обработке и пластическое
течение совершаются в результате изменения положения одних
И тех же атомов, связанных не только общими закономерными
построениями, но и определенными, также в известной мере,
закономерными отступлениями от этих построеений, наруше-

Ниями, дефектами кристаллической решетки,
которых являются дислокации.

В современных инженерных конструкциях, в которых неиз-
бежны сложно-напряженные состояния и динамические нагрузки,
предпочтение отдается вязким кристаллическим материалам,
главным образом металлам.

Известно, что разница между теоретической и реальной
прочнномтью металлических кристаллов определяется наличием

любом твердом металле в количестве, зависящием от его чистоты
и способа получения. Таким робразом, металлические кристаллы
в отличие от хрупких тел являются природнонепрочными, однако

ций (обычно дислокации перемещаются при воздействии весьма
малых напряжений).

Термомеханическая обработка (ТМО) позволяет получить на
технических сплавах значения прочности, большие, чем дости-

сравнимой прочности после ТМО по оптимальным режимам
достигается более высокий уровсень пластичности и вязкости,
уникальное сочетание повышенной прочности и повышенного
сопротивления разрушению, чем при легировании и обычной
термической обработке.

Особенностью термомеханического способа упрочнения явля-
ется то, что он соединяет обработку металлов давлением и
термическую обработку; при этом создается непрерывная тех-

зботка.

за пластической деформацией следуе
Деформация, при которой металличес

опредслснная форма, должна обеспечить заданную форму и
изменить структуру металла в желаемом направллении.

иные схемы термомсханической обработки, которые определяют-

ся, в частности, многообразием

Вы-

явление ниаболсе перспективных областей использования ТМО
возможно при сравнительно широком исследовании с примением

Решающая роль несовершенств реального строения в кинетике
и механизме фазовых и структурных превращений наводит на
мысль о целесообразности сознательного использвания и регули-
рования плотности и характера распределения несовершенств и
металле для управления результатами процессов термической
обработки.

Рациональное регламентирование несовершенств строения «
сочетании с термической обработкой по специальным режимам
приводит к созданию оптимального тонкого строения металла
ческих сплавов, что, в конечном счете, определит их более
высокие эксаплутационные свойства. В этом преимущество
термомеханической обработки, когда наличие несовершенств нс
игнорируется, а они в той или иной мере сознательно использу-

Наиболее удобный технологический способ управления несо-
вершенствами - пластическая деформация.

ния несовершенств в том, что при этом способе создается их

зависит от схемы деформации. В результате превращений при
последующей термомеханической обработке созданные структур

отличающееся тем, что элементы его строго ориентированы. Н
случае зависимости ориентированности от схемы напряженного
состояния, действующего на сплав извне, можно достичь
максимального упрочнения, если “отодвинуть'’ плоскости легкого
скольжения в ориентированной структуре от направления внеш-

них касательных напряжений и, наоборот,
пластичность сплава даже в упрочненном

выбраны оптимальный способ пластической дефориацни; наибо-
лее эффективная степень деформации; наилучшая схема сов-
мещения термической обработки и пластической деформации;
скорректированные режимы термической обработки.

Сделать это - означает создать термомеханическую обработку.

Представляется целесооюразным составить классификацию
способов термомеханической, обработки, выбрав в соответствии
с изложенными принципами в качестве классификационного
признака последовательность операций деформирования и тер-
мической обработки (рис.3.4).
Итак, фор!

в результате совмест-

ной» влияния на него пластической деформации и превращений

в твердом состоянии отлично от
структурообразования при обычной
термической обработке. Это объяс-
няется повышенной плотностью не-
совершенств строения и их специ-
фицифичсским распределением.

Общую закономерность разви-
ия структуры и субструктуры при

представление стадий I-IV

сать в связи с диаграммой горячей
деформации следующим образом.
Кривую горячей деформации в со-

ми структурообразования можно
разделить на следующие четыре
стадии, (рис.3.5).

Первые две стадии отвечают
стадия J, аналогичная легкому скольжению; стадия 2 множест

онному упрочнению, но сопровождающаяся и определенным
развитием термически активируемых процессов разупрочнения.
Формирующаяся в результате этих двух стадий дислокационная
структура отличается повышенной плотностью нерегулярно рас-
пределенных дислокаций. Протяженность этих стадий в условиях
горячей деформации обычно невелика. Структуру, характера
зующуюся высокой плотностью нерегулярно распределенных,
образующих сплетения или ячейки дислокаций, классифицирую,
как субструктуру горячего наклепа.

Следующая стадия 3 отвечает однновременному протеканию
деформационного упрочнения и разупрочнения по механизму
динамического возврата, характеризуемого в условиях горячен
деформации развитием как поперечного скольжения, так и

относительно невысоких напряжениях и соответственно дсфор
маниях. Как правило, на этой стадии до пика напряжении
образуется ячеистая субструктура или полигонизрованиая с
вытянутыми (особенно при сравнительно низких температурах
деформации) субзернами с высокой плотностью свободных, не-
связанных в субграиицы дислокации. По мере накопления
деформации (в области пика или за пиком напряжений) эта
структура трансформируется в конце стадии 3 и при переходе к
стадии 4 в динамически равновесную полипэнизованную суб*
структуру с равноосными субзернамн и сравнительно невысокой
плотностью свободных дислокаций.

Установившаяся стадия 4 - специфическая стадия горячей
деформации, она характеризуется наличием постоянного по
величине (или малоизменяющегося) значения или среднего (в
случае осциллирующего хода кривой на этой стадии) напряжения.
при этом непрерывно набирается деформация. Основными раз-
упрочняющими процессами па этой стадии являются процессы
динамической полигонизации.

Стадия 4 существует и на более общей кривой горячей
деформации, разупрочияющим процессом может быть не только
динамичееккая полигонизация, но и динамическая рекристаллн
зация. Вероятность протекания того или иного процесса опреде-
ляется условиями деформации (температура, скорость и степень
деформации), составом сплава (энергия дефекта упаковки и
диффузионная подвижность атомов) и соответственно получаемой
на наиболее ранних стадиях деформации структурой. Фиксиру

труктура будет

емая на этой стадии
Мисм на этой стадии, размером и разориентировкой субзсрен, а

Ммния с равновесным размером зерен (также как для субзерен,
пп|>сделяемым напряжении на этой стадии) и субструктурой
Горячего наклепа и полигонизации внутри этих зерен. Развитие

уры внутри

зчески рекристаллизо-

винных объемов зависит от степени последующей (после рекри-
сталлизации) деформации.

Прочностные свойства гетерогенных материалов связаны с
ри/мерами элементов структуры соотношением тина Холла-

пробега, определяющая “мощность” опасного скопления дисло-
каций - опасного в связи с вероятностью образования трещин

|И1зрушения. Роль j

структуры играют зерна и

в случае ТМО субзерна металла (d - среднее расстояние между
их границами), частицы выделений.

Субграницы же в полигонизованной при ТМО структуре,

дислокаций, “разряжая" их опасные скопления и пропуская в
(< кед и ис объемы. Во-вторых, в связи с увеличением числа

барьеров (за счет

туры) уменьша-

ется “мощность” концентратов напряжений (скоплений дислока-

Естественно, что структурное состояние (в результате
юрячего наклепа, полигонизации или рекристаллизации), сфор-
мированное в результате горячей деформации в высокотсмпера-

/чющим (само по себе или через изменения, вызываемые им в
структуре продуктов превращения) конечную структуру и свой-
ства стали. При этом, если при охлаждении до комнатной
температуры фазовые превращения не происходят, то эта
структура- влияет на свойтсва непосредственно. Если же при
охлаждении развиваются фазовые превращения (аустенит -
мартенсит, аустенит - перлит, аустенит - бейнит), то влияние
исходной де4х>рмационной структуры будет проявляться через
изменения в структуре продуктов превращений аустенита: “на-
следование" конечной структурой субструктуры исходной дефор-

составляющих.
Большой интерес представляет явление наследования (“обра
тимости”) упрочнения от ВТМО при повторной термическом
обработке. Оказалось, что упрочнение от ВТМО сохраняется.

температуре нагрева под закалку или если упрочненную ВТМО

Эффект наследования упрочнения при повторных кратковре

ВТМО. Например, сталь можно закалить с прокатного нагрева.

ность проводить обработку резанием или другую механическую
обработку. Полученное изделие после закалки с небольшой
выдержкой приобретает повышенную прочность, которая как бы
была “заложена" в металл при ВТМО. Эффект наследования
весьма устойчив.

В работе Д. А. Прокош ина, А. Г. Васильевой и В.А.Акимов;!
получено подверждение эффекта наследования упрочнения, со-
зданного ВТМО, на стали 40Х2Н4СМ.

М.В.Приданное и Э.И.Иванцова при исследовании стали типа
50Х2ГС2 также обнаружили сохранение упрочнения, созданной)
ВТМО, последующей кристаллизации.

обработки, использующий эффект наследования ВТМО, приве-

Таблица 2.20
шеские свойства труб из стали ДБ после
различных вариантов обработки.

		..МП.	..мп.			**		“С.
ВТМО	100	2400	1820	1730	6.8	27.5	33	57.5
Вариант!		2370	1790	1740	6,5	35	20	58.5
Вариант?		2360	1800	1720	6	25.5	20	58.5
ВариантЗ		1990			азрушен!		20	58.5
ВТМО	200	2140	1760	1710	8	31,5	50	54.5
Вариант!		2080	1790	1700	8	36	57	54
Вариант?		2090	1760	1690	7.5	36	65	54,5
ВариантЗ		1940	1630	1550	5.5	24.7	62	54
Свойства труб из сталей ДБ и 36Г2С после ВТМО (А)

-=Щ| Ч Ч Ч “ i ч
Сталь ДБ

Сталь ДБ							
д	100	2400	1820	1730	7	27	38
г,	100	2370	1790	1740	6.5	35	49
А	200	2140	1760	1710	8	31	50
в	200	2080	1800	1700	g	36	57
i А		1840	1620	1530	8	36	55
Б		1820	1600	1560	8	40	57
			МП.		Г		L-
	Сталь 36Г2С								
А	100	2210	1900	1810	8	46	38
Б	100	2250	1930	1850	8	48	32
А	200	2020	1670	1600	9	48	|(>$
Б	200	2010	1740	1690	9	49	105
А	300	1870	1630	1590	8	46	67
Б	300	1840	1680	1600	8	55	94

Перекристаллизация может в ряде случаев привести к сии-
большей фрагментации структуры, в этом случае нс толы»,
сохраняются высокие механические свойства, полученные и
результате ВТМО, но и достигается еще большая пластичное и.

ВТМО способствует существенному повышению пластичное!и
и прочности стали после низкого отпуска. Повышенная плотноси.
дефектов, созданная деформацией аустенита, фиксируется п
мартенсите при закалке, что подтверждается ренгеиоструктурным
анализом.

Механические свойства труб из стали 36Г2С после
ВТМО и после обработки по варианту 2 с
использованием эффекта наследования ВТМО

		..мп.	..мп.		ах		л.ы»	икс
ВТМО	100	2210	1900	1810	8.5	46	38	56
Варнан»2		2250	1930	1850	8.0		32	56
ВТМО	200	2020	1670	1600	9.5	48,5	106	53
Вэрнанг2		2010	1740	1690	9.0	49.5	105	52.5
ВТМО	300	1870	1630	1590	8.5	46	67	50. S
ВариантЗ		1840	1680	1600	7,5	55.5	94	49.5
ВТМО	400	1540	1370	1300	9 5	46.5	68	43.5
ВариантЗ		1540	1440	1400	9.0	55.5	82	44
	cSSS*.	...МП.	..мп.		**	*«	Л.ЫЬ	к»с.
Варит1т2	500	1150	1030	990	11.2	50	97	37
		1140	1040	1000	11.0	56.5	100	35

Таблица 2.23

Механические свойства труб из стали 38ХНМ после
ВТМО и после обработки по варианту 2 с
использованием эффекта наследования ВТМО

		..МП.	..«в.	...мп.	«.X	,.х		кяс
ВТМО	ИХ)	2375	1990	1940	9	41	73	54.5
		2335	1895	1775	10	41	70	54.5
и гм о	200	2170	1840	1780	10,5	51	102	51.3
Нарнант2		2150	1780	1645	10	51.5	101	51.5
ВТМО	300	1960	1770	1660	9	55.5	87	48.5
!1приант2		1945	1715	1590	9	55.5	80	47.5
ПТМО	400	1590	1495	1455	8	50	76	42
		1560	1440	1380		51.5	73	42.5
вгмо	500	1325	1280	1230	8.2	52	95	38
Вариант?		1280	1210	1180	8.5	52.5	110	39



упрочне

ния на механические свойства термомсханически обработанных
цилиндрических образцов из стали 37XH3A и 40Х1РИФ, при-
целены в та§л. 2.24.
Таблица 2.24

Свойства сталей 37XH3A и 40X1 НВ А после ВТМО
и ВТМО с дополнительной термической обработкой

Стал	Рсхих обработки	S. МПа	в. МПа	о. МПа	о . МПа	ж. t	».
	ВТМО: 950’С. £-25%	3110	2160	1740	1310	29	
	то же + д.о.	-	2470	1710	1300	-	5
	ВТМО: 950*С.	ИТО	2450	1750	1320	20	«
	то же * дл>.	2940	2450	1600	1330	24	S
	9ЯМ7О*С £-25%	ИЮ	2550	1670	1270	ю	
	то же + д.о.	2600	2450	1700	1280	6	4
40X1 ИВА	ВТМО 950*С £-25%	3000	2330	1740	1320	32	
	то же + д.о.	2520	2360	1740	1400	9	7
	ВТМО: 950’С, £-50%	2910	2400	1790	1400	26	»
	то же * д.о.	2600	2380	2650	1160	0	S
4OX1HBA	95СМ70’С.	2700	2450	1730	I3S0	10	4
	то же * д.о.	2950	2370	1650	1310	26	ь
Влияние различных вариантов обработки па свойства сталей показано в таблицах 2.25-2.30.							

Таблица 2.25

Влияние ТМО на механические свойства стали 55ХГР
		.,ип.	..МП.			V.X
В, Нагрев на 900 ‘С,	15	2180	1815	34	17	52
wtuvcK при 600 ‘С.	25	2100	1850	49	18,5	53
!?(»•(’ (3 мин.); отпуск При 250фС. 40 мин.		2150	1«15	Я	21	52
Умолка н отпуск при		1750-1850	20	40		7

Таблица 2.26

Механические свойства стали 40Х2Н4СМ после
различных видов обработки

Яш с^вботш	Температур!. ‘С	в . МПа	ад	а . Н/м
йкалка пои 900'С	170	2000	8	36
	220	1950		42
	260	1880	И	35
	300	1840	12	42
1П МО с 900‘С,	170	2700	12.5	45
	220	2600	13	47
	260	2480	14	47
	300	2380	15	53
при 65О‘С,иУ мкалка с 900‘С	170	2500	13	36
	220	2350	14,5	43
	260	2200	16	48
	300	2060	17	71

Таблица 2.27
Механические свойства стали 50Х2ГС2 и 50Х2ГС2Ф
после различной обработки
		МПа	1	...ип.	1 *«
	Сталь 5ОХ2ГС2Ф				
30	А	2370	2100	9.0
	Б	2155	1810	II 7
60	А	2340	2040	
		2210	1890	7.5
83	А	2530	2200	8.7
	Б	2270	1920	9.0
* * В™°’ Б ' В™° ‘	°6|х,бо'“ ' Перем’»				

Таблица 2J.s
Механические свойства сталей 40Х и 40ХН после
различной обработки

Ст»»	Режим обработки	а . МПа	0 . МПа	Ъ. %	
40ХН	Улучшение, холодный при 65О*С 1.5чСЯе' ‘ППуеК		из	3	й
0.3 % Мо	Тоже	W		1	й
0.63 % W	Тоже		Из	16 2Г	63.5
«ох	наклеп (е-35%), закалка с 800'С и масле. отпуск при	Т55		та	е
40Х	То же. отпуск пр» SOO'C	1(Ш)			таг
40Х	То же. отпуск пр» ЫХГС	935  845	%		60
Таблица 2.29

Уменьшение линии (ПО) образцов стали типа 40ХН
после термической и термомеханической обработок

	ХЕТ “хн	
	0.3% м«	о.«з% w
’йвллка и отпуск про 650*С	0,66	0.54
||Я1|Х-О на 1200*С. подстужнвание 900‘С, прокатка с закалка, отпуск при 650*С	0.79	0.81
Холодная прокатка с €-40%. закалка, отпуск при 650*С	0.77	0,81

Таблица 2.30

Свойства стали 65Г после различной обработки

		МП.	мп.		V. %
Ьучше"».. »пли прн 87О'С	4.6	780	470	18.5	55.5
ИИ п! !П §||		SIS	380		52
Улучшение, холодная прокатка (1-12.5%). закалка прн 870’С	’°	8S0		13	30
Погрев на 1000*С. горячая прокатка (е-12.5%).  немедленная закасха в масле		870	730	13	40
* - После указанной обработки  Совмещение деформации и  ческих свойств сталей. В ча  Сработка (ВТМО), заклю аустенита и последующей зс монтированных условиях гор п|»сменному росту прочности ном мартенситном состоянии Эффект ВТМО может быт.	фазовых превращений водном цикле  щающаяся в горячей деформации гкалке на мартенсит - при рсгла- ячей деформации приводит к одно- и пластичности стали в высокопроч- но сравнению с обычной закалкой.  ь связан с влиянием созданной в ните и унаследованной мартенситом				

ззз
субструктуры самой по себе; измельчением мартенситных кри
сталлов с изменением субструктур и морфологии мартенсита;
изменением состояния и распада твердого раствора в процессе

I и морфологии

мартенсита; изменением процесов арбидообразования при оглу

Структурное состояние аустенита является первичным фак
тором, определяющим (само по себе или через изменения,
вызываемые им в мартенсите) конечную структуру и свойства
стали, подвергнутой ВТМО. Устанолена возможность прямой»
наследования мартенситом дислокационной структуры аустенита.

Мартенситные кристаллы

и модельных

объединенные в пакеты рейки с высокой плотностью дислокаций
внутри них. Пакетный мартенсит наследует дислокационную
субструктуру горячедеформированного аустенита, в том числе
субгранницы и отдельные дислокации. Под влиянием ВТМО
плотность дислокаций в несостаренном мартенсите возрастает.

После ВТМО уменьшается и ширина и размах функций
распределения пакетов по размерам, т.е. структура мартенсита
после ВТМО более однородна.

Наследование мартенситом развитой субструктуры аустенита
наряду с уменьшением размеров и доли крупных пакетов (а
также аустенитного зерна в результате частитчной рекристалли-
зации стали ВНС-2 создаст условия для сохранения пластичности
и вязкости на высоком уровне).

Видимое отличие мартенсита после ВТМО от мартенсита
после обычной закалки - это наличие в мартенситных кристал-
лах дислокационной структуры, унаследованной от аустенита.

Влияние горячей деформации аустенита на структуру мар-
тенсита не исчерпывается одним только прямым наследованием
субструктуры того или иного типа. Статистический анализ
размерных и структурно-морфологических характеристик кри-
сталлов пластичного и смешанного мартенсита выявил сущест-
венные отличия его структуры в случае образования из горяче-
деформированного аустенита, от структуры, полученной обычной
закалкой.

Определяющее влияние на положение мартенситного интер-
вала и количество остаточного аустенита в случае ВТМО
оказывает плотность дислокации в горячедеформированном аус-

Если в аустените была создана субструктура горячего наклепа
с высокой плотностью свободных дислокаций, то мартенситный
интервал повышается, а количество остаточного аустенита умень-
Шлется в связи с not

Н случае формирования развитой субструктуры, особенно при
малых размерах субзерен и уравновешенных (устойчивых)
субграпицах, благодаря затруднению развития мартенситного
||рс1ч«1щения из-за повышенной прочности аустенита и частого
разрыва когеретностн, мартенситный интервал будет снижаться,
л количество остаточного аустенита увеличивается.

Во всех случаях, благодаря повышенной плотности дислока-
ций (связанных в субграницы или свободных), когда начинается
нпртенситнос превращение при переходе через Мн — количество
мартенсита, разрушенного в верхнем районе мартенситного
интервала больше в случае ВТМО, чем в случае обычной закалки.
Но обусловлено и большим числом мест зарождения и, возможно,
большим расслоением по углероду в горячедсформированиом

Если существует ориентированность субструктуры горячеде-
формированного аустенита - то и первые кристаллы, обра-

В результате ВТМО имеет место появление структурной
тнтотропии, которая наряду с анизотропией дислокационной
пруктуры обусловливает появление анизотропии структурно-
чувствительных свойст. При этом обнаруженный, близкий к
поперечному, характер ориентировки кристаллов может служить
причиной обычно более сильного повышения прочностных и
нлнетичесикх свойств прокатанной полосы при испытании про-
лильных образцов по сравнению с образцами, вырезанными в

Можно назвать следующие отличия структуры стали после
НТМО по сравнению со структурой обычно закаленной стали.

I.	Структура, созданная в аустените при ВТМО (полигональ-
ные субграницы, ячеистая субструктура, повышенная плотность
дислокаций), практически полностью наследуется. Плотность
дислокаций, в мартенсите, образовавшемся из аустенита с
1ИГ.1ВИТОЙ субструктурой, больше, чем при контрольной закалке.

2.	Высокотемпературная деформация аустенита в условиях
юздания развитой дислокационной субструктуры приводит к
измельчению и большей однородности размеров пластинчатых
кристаллов и пакетов кристаллов реек и не меняет коэффициент
их формы независимо от субструктуры аустенита и структурно-
морфологического типа мартенсита.

3.	В стали со смешанной морфологией мартенсита (линзовид-
пый) двойниковой и пакетной диалокациоиной, под влиянием

 'отношение между кристаллами мартенсита разных типов может
меняться. Наблюдается уменьшение доли двойниковых криста»
лов мартенсита в случае создания развитой субструктуры при
горячей деформации аустенита в цикле ВТМО. Толщины двои

ной обработки аустенита не зависят.

4.	В результате ВТМО формируется регулярное расположсшк
грулировок крупных (первых) линзовидных двойниковых крн

Низкотемпературный отуск является важной, часто заклю
чительной операцией при термомеханической обработке, опредс
ляющей конечный комплекс механических свойств высокопроч
ной стали.

При низкотемпературном отпуске протекают следующие
процессы:

-	релаксация остаточной (закалочных) макронапряжений и

растрескивания и преждевременного разрушения изделия;

-	распределение дефектов в результате процессов возврата п
мартенсите;

-	перераспределение атомов углерода и распад твердой)
раствора.

Для углеродистых и обычных умеренно (концентрация лет
рующих элементов Мп, Cr, Ni £ 10%, А1 $ 1%) легированных
сталей с содержанием углерода до 1,6% состояние мартенсита
после закалки и не слишком длительного пребывания при
комнатной температуре отвечает упорядочению по углероду.

уста1
зотрс

атомов железа в тетрагональ-

ной решетке мартенсита к начальной стадии распада.

Для реальных конструкционных сталей с Мн 100’С -
первичные процессы перераспределения могут завершиться, н
этих случаях основным процессом при низкотемпературном
отпуске является двухфазный распад.

ВТМО до более высоких температур отпуска.

Для реализации эффекта сверхпластичности обычно различ-
ными способами получают мелкую и сверхмелкую структуру.
При этом существенным должно быть требование термической

обильности структуры.

Использование эффекта

позволяет приме-

нить новые технологические схемы формирования, а в регламсн-
I

fcиllыx условиях осуществить регулирование механичесикх
 промышленных сплавов.

• Предварительная высокотемпературная термомеханическая
/работка увеличивает дисперсность структуры (причем не

МЙпкотемпературном отпуске (нагреве). Поэтому применение
])ТМ1> целесообразно в качестве подготовительной обработки,
*аи не для достижения сверхпластичности, то, во всяком случае,
|М получения повышенной пластичности сталей, достаточной
|Да реализации ряда сложных процессов формоизменения.

Сюда же, вероятно, относятся и технологические процессы,
(tnпочивающие получение высоккой пластичности, наведенной
Превращением (ПНП - эффект) и сверхпластичного состояния
Ниаллов, так как нужные свойтсва аустенита в ПНП сталях
(Ии необходимое мелкозернистое строение сверхпластичных
(Плавов достигаются термодеформационым воздейтсвием. Про-
Щит рткристаллизции в ходе ТМО заслуживает особого внимания.

Процессы рекристаллизации в ходе высокотемпературной

(уличаются рядом специфических черт от



Нагреве холоднодеформированного металла. В этой связи требуют
Ирьезиого уточнения различия между высоко- и низкотемпера-
турными схемами ТМО и само понятие горячей деформации.

Особое место среди схем ТМО занимают так называемые
цетт>ы наследственного термомеханического упрочнения.

Одним из важных преимуществ ВТМО перед другими схемами

наиболее широкому ряду материалов. ВТМО по сравнению,
Например, с НТМО не накладывает ограничений на выбор марки
(тили в связи с недостаточной устойчивостью переохлажденного
аустенита. ВТМО приводит к существенному повышению пла-
стичности и прочности стали после низкотемпературного отпуска.
ВТМО срене- и выожоуглеродистых нелегированных сталей
мтчительно улучшает механические свойства.

В настоящее время ВТМО должно широко внедряться в
промышленность, причем особое внимание уделяется обработке
металлопроката из массовых сортов (углеродистой или низколе-
гированной конструкционной) стали.

Если при ВТМО среднеуглеродистых сталей тип мартенситной
структуры не меняется (меняются лишь ее размерные характе-
ристики), то при переходе к высокоуглеродистым сталям наблю-
дается несколько иная картина. В структуре таких сталей, наряду

кристаллы; после ВТМО стали У8 доля пакетного
мартенсита увеличилась до 60 % по сравнению с 40% п<н
контрольной закалки. Размер пакетов, как и при ВТМО ста ни
38ХС, несколько уменьшается, а распределение становится бплег
однородным за счет уменьшения доли крупных пакетов. Учашка
же пластинчатого мартенсита в структуре стали У8 в резулы.и.
значительно измельчаются. Такой характер структурных и.!м<
нений при ВТО высокоуглеродистых сталей, естественно, об»<
лавлввает улучшение их механических свойств.

Увеличение доли пакетного мартенсита в структуре стлан УН
после ВТМО может быть связано с повышением температур
мартенситного интервала в результате горячей деформации
аустенита. Заметное упрочнение легированных сталей при ВТМ<>
сопровождается ростом их вязкости.

ческой обработки легированной машиностроительной стали об»,
ясняют следующими особенностями структурных изменений:

1)	повышением плотности дефектов кристаллического строг
ния (дислокаций);

2)	иным, чем после обычной обработки, строением мартен

3)	иным характером процесса карбцдообразования при заклю
чительном низком отпуске.

ческой обработки обусловлено нс только повышенной плотаосты»
дислокаций, но и изменениями процессов карбидообразованич.
приводящими к получению после низкого отпуска более тонких
и более равномерно распределенных, когерентных с матрицей
карбидных частиц, а также сегрегаций углерода на дефектах
строения.

Наиболее сильно ВТМО влияет на важнейшие для работы
конструкции механические свойства, а именно на характеристп
ки сопротивления малым пластическим деформациям. Положи
тельное влияние ВТМО на механические свойства связано i

влияет на формирование мартенситной структуры при закалке
Определенную роль в повышении комплекса свойств оказывая!
и большая плотность свободных дислокаций, и более мелкодш
персная и однородная структура мартенсита, образовавшаяся »
аустените, имеющем субструктуру.

Посредством высокотемпературной обработки машинострои
тельных сталей с 0,4% С, легированных Cr, Ni, Мо и Si можно
повысить прочностные и пластические характеристики, ударную
вязкость, вязкость разрушения, а также свойства стали н

упругопластической области.
Следует отметить, что роль легирующих элементов в сталях,
Мйльзуемых для термомеханического упрочнения, может быть
Баплько иной, чем в случае обычной термической обработки.
Ьиенты, кроме их известного влияния на распад аустенита при
.(НЛхлснии их мартенсита и при отпуске в случае ВТМО во
1&1ГОМ определяют структурное состояние горячедеформирован-
МЧ> аустенита перед закалкой, а следовательно и эффект ВТМО.
свидетельствует о том, что необходим особый подход к
Мору системы легирования сталей, подвергаемых ВТМО.
ИЙмй подход к принципам выбора химического состава сталей
IIAacii основываться на современных методах оценки конструк-
Ь«|ио« точности, и, в первую очередь, учитывать такую
•рактеристику как вязкость разрушений.

Оптимальные составы сталей для обычной термообработки и
|ТМ(> окажутся различными. Это отражает влияние легирующих
ЙМмсптов в случае ВТМО, связанное с их воздействием на
Кроение горячедефорировавного аустенита. Оптимальный для
Первой механической обработки состав сталаи с содержанием
С (сталей типа 40ХСГ2НМКФ и 40ХНМКФ).

ВТМО повышает устойчивость сталей повышенной и обыч-
ней чистоты по примесям против точечной и межкристалитной
Нрршии вследствие равномерного распределения не только
Датирующих элементов, но примесей, особенно фосфора, вслед-
Ггвис его перераспределения между границами и созданными при
ITMO субграницами внутри зерна. Различия в склонности сталей
I точечной и межкристаллической коррозии, имеющих динами-
чески полигонизованную и динамически рекристаллизованную
структуру, несущественны.

11овышение жаропрочных свойтв - релаксационной стойкости
И длительной прочности аустенитной хромоникелевой стали
обычной выплавки определяется субструхтурным упрочнением,
реализуемым при ВТМО. Это повышенние наиболее существенно
При оформлениии динамически полигтонизованной структуры.

Для получения жаропрочности альтернативной созданию
новых сплавов, количество компонентов которых иногда доходит
до двухзначной цифры, является применение новых обработок.

улучшающих свойтсва сплавов. Одной из

обработок жаропрочных материалов является высокотемператур-
ная термомеханическая обработка ВТМО.

Использование эффекта повышеенной пластичности позволяет

при регламентированных условиях - осуществить регулирование
механических свойств промышленных сплавов.

Анализ механнических свойств стали в условиях сверхпроч-
ное™ показал, что после достижения максимального значения
напряжения течения при дальнейшем возрастании Деформаш»!
значения напряжения падают тем быстрее, чем больше скорость
деформации.

При обработке по режимам ТМО имеется реальная возмо»

стичности структуры двухфазной стали, а также возможшни »
практического использования эффекта повышенной пластичности
при структуре с достаточно крупными зернами а и у ф»т.
обеспечивающей получение деформации (удлинения) 100-20(1"...
достаточной для изготовления деталей сложиной конфигурации

Меха

стической деформ-i

ции могут быть сохранены на требуемом уровне, если предо»-
ствующая обработка структуры была проведена по регламент
рованным режимам горячей деформации в цикле ВТМО.

4.	Изотермические процессы ТМО (НТМизО и ВТМизО)

Если при равной степени деформации осущетвлять деформ.i
цню непрерывно или разбивать ее на несколько этапов, пр»

имеет важное значение для разработки технологических режим»»
НТМизО, так как установлено, что несмотря иа то, что особен»

увеличение дробности деформации в процессе НТМизО оказываю
весьма благоприятное влияние на уровень механичческих свойств
сталей (табл. 2.31); на растяжение испытывали продольны»
поперечные образцы - цифры в знаменателе; на ударную вязкосп-
испытывали продольные образцы, в надрезном, перпендикуляр
иым направлению прокатки.

Видно, что НТМизО с деформацией прокаткой значительно
увеличивает предел текучести и относительное сужение; при этом
временное сопротивление изменяется слабо (табл. 2.32).

Такой характер изменения механических свойств вполне
понятен, если исходить из основных положений субструктурног»
упрочнения, реализуемого в цикле НТМизО. Образующаяся при
тепловой деформации субструктура будет определять главным
образом повышение сопротивления малым пластическим дефор
нациям, пока субграницы являются эффективными барьерам»
для движущихся дислокаций (повышается предел текучести).

НТМизО вызывает заметное возрастание ударной вязкость и

наиболее важной составляющей вязкости с точки зрения надеж-
ности деталей, работающих в сложных условиях нагруженностн.
Твердость сталей в результате НТМизО увеличивается па
несколько единиц HRC,, однако не достигает таких значений,
при которых заметно усложняется механическая обработка
Rjtobok (все последующие операции механической обработки
Щцсствлялнсь обычным инструментом при нормальных режимах

Увеличение дробности деформации в процессе НТМизО
L (взывает благоприятное влияние на уровень механичесикх
ЦВойст сталей. Наилучший комплекс свойств был получен при
1ШММ(1рной деформации 70% за 9 проходов при 650* С.

Представляют интерес результаты воздействия деформации,
 также дробной деформации на кинетику бенитного пре-
Мащения. В процессе деформации превращение идет с повы-
шенной скоростью, но после снятия нагрузок быстро затухает,
^обновление деформации вызывает новое ускорение пре-
вращения. Такой характер распада делает возможным осущест-
вление НТМизО с использованием деформации прокатной (или
ругими широко распростарненными в промышленности метода-
ми) за несколько пропусков, при этом превращение практически
Полностью совмещено во времени с деформацией, так как доля
распада при необходимых для соблюдения изотермичности вы-
держках между проходами относительно невелика.

Преимущество НТМизО связано как с большей дисперсно-
ГГью стурктуры так и с повышенным содержанием остаточного

’ Существует еще одна причина изменения механических
СВоЙст сталей при НТМизО. Эта причина связана с уже
отмеченной возможностью превращения остаточного аустени-

немонотонное изменение механических свойств, в частности,

цлпстичности.

Так, сталь 35ХГ2СВ после изотермической закалки (850*С с
распадом при 350° имеет о02-110 МПа, 6*9%, у-45%; после
рппшда при 400’С о02-800 МПа, 6-15%, у-40%). Как видно,
При изменении температуры изотермической выдержки на 50‘С

удлинение заметно возросло; при этом резко понизился предел

Влияние НТМО н контрольной изотермической обработки
Таблица 2.11

Механические свойства стали 38ХВА после НТМизО и
контрольной изотермической обработки (ИЗО)

£		раоим.	МП.	...ИП.	6. %	V. %	
1.	изо	700	450	760	25,0	53.0	20Н»
	НТМизО, 6 проходов. 1.-60%	700			21,0	63,5	27
3-	ИЗО	6S0	590  580	920  850	Ж	Ж	1,
«•	НТМизО, 6 проходов. Z-60%	650	800	1024	22.0	62.0	*
5.	НТМизО.  9 проходов. 1.-70%	650	Я5	1040  W	ж	Ж	27  27
6.	ИЗО	625	580	920	21.0	60.5	2.4
’•	6 проходов. 1.-60%	62S	890	1070	19,0	60.0	»

Таблица 2..U

Влияние режима обработки и температуры испытания

на вязкость стали 38ХВА

	KCV. кДж/м1		в  кДж/м1	
	♦20*	.«•	♦20*	40*
1	560	300	100	50
2	1170	860	700	80
з	560	450	130	50
4	1120	900	780	ПО
5	1200	1010	840	130
6	920	570	170	50
7	ИЗО	760	780	100
Сталь, подвергнутая НТМизО, обладает в 3-4 раза боьшим ки. Важным является то обстоятельство, что при НТМизО резин повышается сопротивлеение материала распространению трещин				
г

НИК температурах, увеличивается во много раз.

НТМизО при резком <в 1,5-2 раза) повышении предела
(Нучссти увеличивает вязкость сталей, причем особенно сильно
(* ряде случаев в 10 раз) - сопротивление распространению
Машин. Само сочетание свойств, достигаемое в результате
НТМизО, следует признать необычным для стали с феррито-пер-
ДИУНОЙ структурой.

Тикое изменение механических свойств при НТМизО опреде-

fieppume и резкое изменение формы и характера распределения
МрЛи<1|М.

Именно эти структурные изменения можно считать опре-
даляющими значительное повышение предела текучести, вяз-
Вос I и и сниждения порога хладноломкости сталей в результате

НТМизО

Сильно вираже»

обуславливает анизотропию свойств, которая осообенно резко
Проявляется при ударных испытаниях. Следовательно, при прак-
Мчсском использовании обработки схема деформации должна
вы ti. согласована с характером напряженного состояния при
мужбе изделия.

Изменение комплекса механичеких свойств при НТМизО
дя<|юрмацией прокатной связано с уменьшением количества
нруктурно-свободного феррита, образованием слоистой структу-
ры. <|юрмированием тонкой полигонизованиой субструктуры и
1р|ц галлоп>афической текстуры феррита и резким изменением

Сими значения механических свойств не оставляют сомнений
в целесообразности практического освоения этой новой разно-
видности ТМО.

1ЮЧучения большой равномерной пластичности при деформирова-
нии « процессе перлитного превращенная. Однако следует
подчеркнуть, что этот эффект имеет мало общего с явлением
"структурной сверхпластичности". Скорее он является еще одним
нримстюм “сверхпластичности превращения”.

НТМизО не вызывает столь резких структурных изменений,
ьак НТМизО, но все же приводит к заметному улучшению
симплекса механических свойств стали. Основной причиной
уау....синя свойств является измельчение субколоний перлита при

•п> ренте и горячсдсформированном аустените. Этот эффект
может быть emcuiii с большей вероятностью разрыва фронта
субструктурой.

НТМизО с деформацией в процессе бейнитного превращение
приводит к получению дисперсной структуры и высокого комн

При переходе к бшмч

влияния деформации на полноту распада. От степени развивы
бейнитного превращения зависит содержание углерода в раэрл
стающемся непревращенном аустените и, следовательно, <•»••
стабильность по отношению к мартенситному превращению при
последующем охлаждении до комнатной температуры. В резуж.
тате НТМизО легированных сталей может резко измени и.
количественные отношения между структурными составляющими
(бейнит, мартенсит, остаточный аустенит) в сравнении с кош
рольной изотермической обработкой. НТМизО увеличивает bjx-
менно и прочность (на 250-300 МПа), и пластичность (удлинешк-
на 7-12% стали).

На трубных сталях 36Г2С, 30Х2ГМТ, 35ХГ2СВ так ж.
получено значительное улучшение комплекса механических
свойств при НТМизО. Положительный ээффект НТМизО о(л.
ясняется формированием более дисперсной и однородной структу
ры бейнита, а также некоторыми изменениями тонкого строения
бейнитных кристаллов. К наиболее важным результатам, отт>
сятся следущие:

I)	ускорение бейнитного превращения под влиянием низко
температурной деформации;

2)	замедланне бейнитного превращения под влиянием пред-
варительной высокотемпературной деформации;

3)	измененние механических свойств сталей прии НТМизО

и ВТМизО.

Обе обработки - НТМизО и ВТМизО с распадом в бейнитной

зованию для улучшения комплекса механических свойств сталей
средней прочности. Причины улучшения механических характе-
ристик в результате НТМизО сводятся к общему диспергирова-
нию структуры (измельчение самих кристаллов в карбидных

ВТМизО также значительно улучшает механические свойства
стали, что подтверждается работами других авторов. Эта обра-
ботка, несомненно, более технологична, чем НТМизО, и ее

ми трудностями. В промышленных условиях металлургических
заводов она заключается в ускоренном охлаждении проката,
которое прекращается по достижению температур 300-450° С.
Иированиый аустенит в обычных низколегированных сталях
(Ивпример, трубных) превращается в бейнит в условиях, близких

Основной причиной повышения механических свойств при
ITMuM является значительное уменьшение размеров пакетов

5. Стали для ТМО

Термомеханическая обработка - один из наиболее эффектив-
ных методов получения в условиях массового производства сталей
С высокой конструктивной прочностью и целого ряда других

Легированных сталей.

ВТМО малоуглеродистых или низколегированных сталей, не
Содержащих сильных карбидообразующих элементов, вряд ли
Может дать положительный эффект.

Строительная сталь, предназначенная для термомеханиче-
ского упрочнения, должна содержать сильные карбонитообра-
лующие элементы (Nb, V), эффективность действия которых
повышается за счет специального введения в состав стали азоте.
Особо эффективно действие ниобия.

В результате проведения горячей деформации малоперлитной

прокатки легко создастся развитая и устойчивая субструктура.
Поэтому даже при охлаждении на воздухе полуфабрикаты из
прслитиых сталей имеют высокий комплекс механических свойств

Положительное влияние небольших добавок сильных карбн-
«юбразующих элементов иллюстрируется данными, праведенны-
ми в табл. 2.33, где приведены свойства сталей 09Г2 и 09Г2БФТ,
содержащие 0,037% Nb, 0.053% V. 0,022% Ti, после нормализации
и горячей прокатки с суммарным обжатием 70% при температуре
конца деформации 800“ с охлаждением на воздухе.

Таблица 2.33

Влияние сильных карбидообразующих элементов на
свойства строительных сталей.

Стмь '	(ХфьСотм	• . *с	в, МП*	а . МП*	а мга	Т ,*С
ООП	I	930	294	397	14.1	-90
	1!	1050	336	482	15.0	-100
09Г2БФТ		930	350	503	14.3	-90
	11	1050	430	572	8.0	-100
Особенно сильным оказался эффект ВТМО на сталях •
молибденом и карбонитридным упрочнением 12ГН2МФАЮ. а
также на стали 18Г2АМФ.

ТМО с охлаждением на воздухе (контролируемая прокатка)
сталей с нитридным упрочнением легированных молибденом
обеспечивает в ряде случаев улучшения прочностных пластине-

аботку можно рекомен

ских свойств и,

довать для получения сталей класса С70/60 (ота 600 МПа, os>
700 МПа, 5 > 12%).

ВТМО (ТМО с охлаждением в воде). В результате термомс
ханического упрочнения сталей 12ГН2МФАЮ и 18Г2АМФ
достигается заметное повышение механических свойств. Этот
эффект наблюдается уже после закалки.

Эффект упрочнения при ВТМО сильнее проявляется на стали
12ГН2МФАЮ. Для этого материала пределы текучести и
прочности после всех режимов ВТМО увеличиваются на 150 МПа
по сравнению с контрольной обработкой.

Наилучшие результаты получаются после ВТМО с деформа-
цией 50% при 800"С.

Таким образом, ВТМО является эффективным методом уп-
рочнения, применительно к строительным низколегированным
сталям с молибденом и нитридным упрочнением, которые после
охлаждения в воде приобретают структуру мартенсита, морфо-
логия которого изменена в связи с особенностями тонкого
строения исходного горячедеформированиого аустенита.

ТМО также эффективна для хромированных сталей с
0,4 -«-0,5% С. Полосы такой стали повышенной чистоты (содер-
жание фосфора и серы суммарно не более 0,015%) после ТМО
на прокатном стане с обжатием 35% за три прохода имеют
следующие механические свойства: временное сопротивление
230-240 МПа; предел текучести 180-1900 МПА; относительное
удлинение 8-12%; относительное сужение 40-50%; ударная
вязкость 60-70 МПа.

После ВТМО сортового проката из хромоникелевой стали
(круг 20-40 мм; температура деформации 800-850* С; степень

обжатия 30-40%)

ности, ударной вязкости и усталостной прочности по сравнению
с обычной термической обработкой.

ВТМО значительно повышает усталостные характеристики
стали 55ХГР. Деформация при 905*С прокаткой в один проход
со степенью обжатия 15-30% с последующей закалкой и отпуском
повышает предел выносливости на 10%, а предел выносливости
в несколько раз по сравнению с обычной термической обработкой.

Применение ВТМО на сталях 38ХС, 40С2Х, 60С2Ф, 60С2,
55ХГР, ЗОХГСА и др. для изделий различного, в том числе и
ответственного, назначения показало, что термомеханическое
упрочнение резко повышает работоспособность узлов и деталей
в разных областях маштностроения.

Выбор легирующих элементов диктуется необходимостью
получнения достаточно стабоильного аустенита для обеспечения
протекания деформации. Имеются данные, свидетельствующие о
том, что кремний оказывает желаемое воздействие, так как

молибден, в то время как никель улучшает ударную вязкость.

6. Практика ТМО

Применение ТМО в промышленных условиях имеет ряд
особенностей.

Главные из них: повышение температуры аустенитизации,
применение высоких скоростей деформирования, ограничение
степеней деформации в связи с условиями формообразования при
прокатке (особенно сложных профилей), дробность деформации,
применение соответствующих прокатных станов (по примерам

Для осуществления ТМО на Челябинском металлургическом
заводе применяется сортопрокатный стан непрерывной прокат-
ки, на Чусовском металлургическом заводе - линейный сортоп-
рокатный стан, на заводах “Днепросталь ” и “Красный Ок-
тябрь” - сортопрокатный стан 325, на Златоустовском метал-
лургическом заводе - стан 400, на заводе “Серп и молот" -
сортопрокатный стан 300, на Ижевском металлургическом
заводе - двадцативалковый стан 400 (с деформацией попереч-
но-винтовым протягиванием).

Таблица 2.34

Механические свойства штангового проката диаметром
(9 мм) из стали 40 после ВТМО и обычной
термической обработки
	«.. МП.	•„.МП.	9. %		А,. ИЛ.'
SOO	135  102	120 IO	м		та
600		1s		60,0 60,0	130 200

Механические свойства металла, прошедшего ВТМО превос-
ходят его свойства после обычной обработки (табл. 2.34)

Одним из примеров практического использования такой схемы
устройтсва является промышленная установка Старо-Краматор-
ского машиностроительного завода (СКМЗ) для высокотемпера

еской поверхностной обработки (ВТМПО)

турной

валков (диаметром 38 мм), станов холодной прокатки.

По данным Э.А.Венжеги, для ВТМПО валков большого
диаметра (до 160 мм) на СКМЗ успешно применена сравнительно
простая по конструкции однороликовая установка, в которой
деформирующим органом служит подпружиненный полый обкат-

Для ВТМПО валков, изготовленных из стали 9Х и подвергнутых
предварительной термической обработке, использовано приспособ-
ление на агрегате для горизонтальной непрерывной последователь-
ной закалки или индуки/юнном нагреве.

тора - обкатывающий ролик - дотирующее устройство -
180 мм/мин., частота вращения валка 320 • 0,0017 с’1., темпера-
тура аустенизации 950е С.

Схема установки для ВТМПО пальцев звеньев гусениц, создан-
ная на Луганском заводе коленчатых валов такова.

Механическая часть установки состоит из следующих основ-
ных узлов: деформирующего устройтсва, редуктора привода

устройт

устройства

для контроля стыка деталей. Два нижних ролика в трехроликовом
деформирующем устройтсве приводные, а третий (верхний)
ролик закреплен на подвижной части пневмоцилиндра, со-
здающего заданные усилия обкатки.

В конструкции предусмотрена возможность поворота ролика
относительно оси обрабатываемой детали до 5". Путем регули-
рования угла разворота роликов можно изменять осевую скорость
перемещения деталей. Привод вращенния нижних роликов про-
изводится от электродвигателя через клиноременную передачу,
редуктор и карданные валы.
Загрузочное устройство предназначено для выдачи деталей
М линию обработки. Поступательное перемещение толкающего
упора осуществляется при помощи пневматического цилиндра
«врез систему передач к ползушке. Вращение детали при ее

Поливается от электродвигателя через клииорсменную передачу,
обгонную муфту и приводные ролики. Обгонная муфта позволяет
разрывать кинематическую цепь дополнительного вращения де-
тали при захвате деформирующими роликами.

Цикл обработки начинается с последовательного включения
вращения деформирующих роликов, охлаждения, ходазагрузочного
устройства. Деталь, установленная на призмы загрузочного
устройтсва, передается к механизму привода вращения, на выходе
из которого установлено устройтсво для контроля стыка деталей.
При прохождении через это устройство включается нагрев.
Непрерывно-последовательный нагрев детали и, деформация
поверхностных слоев, осуществляют се вращение и дальнейшее
ксвое перемещение. На выходе из деформирующих роликов
размещено охлаждающее устройтсво - два щелевых спрейера,
рис положенных параллельно оси детали.

Максимальная скорость продвижения через узел обработ-
ки составляет 55 мм/с. Производительность установки 450
деталей в час. Питание установки производится от двух
параллельно подключе1шых машинных преобразователей частоты
IIBB 100/8000.

Для обеспечения в промышленной установке бесцентрового
типа принудительного вращения и постоянной скорости продви-
жения через узел обработки использованы дополнительные
ролики, установленные до и после узгуа горячей обработки (нагрев

и деформация). Tpai
и доминирующими.

г узлы одновременно являются

В конструкцию установки могут быть заложены узлы холодной

Л'форз

ie до и после основного узла ВТМПО.
установки могут быть осуществлены

следующие схемы упрочняющей обработки пальцев:

1)	ВТМПО;

2)	ВТМПО + холодная дефс

с усилием 3000

3> холодная деформация обкаткой с усилием 1000 Н

ВТМПО;

4) холодная деформа
II + ВТМПО + холодная ,

>й с усилием 1000 Н и 3000
обкаткой с усилием 3000 Н.
обкаткой и ВТМПО отпуск

при 400°С. Отпуск перед заключительной обкаткой и оконча-
тельный отпуск при 150"С.
Максимальная глубина слоя, на который воздейтсвует дефор
мация при ВТМПО с усилием обкатки 2400 Н, определяется по
изгибу вставленных в палец контрольных штырей диаметром
1,0 мм из низкоуглеродистой стали, составляет 4,0 мм. При этом
в поверхностном слое наблюдается максимальная дисперсность
мартенсита.

Испытания на износостойкость пальцев, подвергнутых повер
хностной ТМО по указанным выше схемам показали, что во всех
случаях износостойкость пальцев на 35-40% выше, чем после
обычной термической обработки. Благоприятное влияние холод-
ной пластической деформации перед ВТМО оказывается только
на первых стадиях испытаний. Отсутствие положительного
эффекта (и даже некоторое увеличение износа) в случае
применения холодной деформации после ВТМО связано, скорее
всего, с неудачным выбором параметров обработки.

Для ВТМО клапанов применяется специальный бесцентровый
обкатный станок, снабженный узлом нагрева (индуктор с

трансформатором). Кл

упругом зажиме.

расположенном внутри обкатного устройтсва. Во время нагрева
клапан выдвигается из обкатного устройтсва так, что его рабочий
конус располагается в индукторе. По окончании нагрева клапан

на конце штока гидроцилиндра,

вводится приспособлением для обкатывания и прижимается с
заданным усилием к обкатывающим роликам. При нагреве клапан
вращается, и в момент его прижима к вращающимся роликам
вращение передается также сепаратору, а клапан в процессе
обкатки остается неподвижным. Ролики, расположенные в пазах
вращающегося сепаратора, совершают планетарное движение и
обкатывают конус тарелки. Ролики приводятся во вращение
силами трения от вращающегося опорного конуса. Последний
приводится во вращение ременной передачей от электродвигате-
ля. По окончаннии обкатки производится отвод штока гидроци-

впускных клапанов тракторного двигателя Д-37Е были выбраны

атура аустенизации 1250’С, про-



должительность нагрева 5 с, усилие обкатки 380 кге, температура
начала деформации (обкатки) 1200*С, продолжительность обкат-
ки 5-10 с.

В ряде случаев упрочнение цилиндрических деталей может
быть осуществлено с использованием винтового протягивания,
при котором нагретая токами высокой частоты заготовка обжи-
мается роликами, подвергаясь дополнительной вытяжке и закру-
чиванию.
Установка, предназначенная для поверхностной ТМО с дефор-
Нвцией винтовым протягиванием (со степенью деформации от
0 до 30%) длинномерных цилиндрических заготовок валков
(диаметром от 8 до 55 мм), эксплуатируется на Петербургском
Сталепрокатном заводе.

Основные узлы установки предназначены для нагрева, де-
формации и охлаждения. Нагрев заготовки до температуры
М13-108“ С (NMax-100 кВт, (=8000Гц). Индуктор располагается
непосредственно над тремя деформирующими роликами, послед-
ние изготовлены из стали Р18 и имеют 62-65 HRC,. Для
обработки заготовок различного диаметра деформирующий узел
изготовляется сменным. При установке этого узла обеспечивается
необходимый угол разворота относительно оси детали, например,
ГЗО', в случае обработки заготовок под валки диаметром 28-55
мм. Ролики устанавливаются по отношению к плоскости, пер-
непдикулярной оси заготовки, под углом, несколько меньшим (на
0,5'-1,0*), чем угол подъема нарезки ходового винта, специаль-
ными устройтсвами, вмонтированными в роликовой обойме.
Ширина калибрующей части должна превышать шаг ходового
винта нс менее чем на 2 мм. Спрейср, расположенный под
деформирующими роликами, изготовлен так, чтобы угол подачи
охлаждающей среды (воды) на упрочняемую поверхность состав-
лял 65'-70‘. Это предотвращает попадание жидкости в зону

деформирования.

Силовой узел состоит из электродвигателя, червячного редук-

тора, ходового винта, гайки и



Заготовка пропускается через индуктор и ролики и закреп-
ляется за технологический хвостовик шрифтом в соединительной
муфте ходового винта. При достижении заданной температуры
деформации включается силовой привод (вращение и пере-
мещение заготовки). При своем движении нагретая заготовка
обжимается роликами, а затем охлаждается в спрейерном
устройтсве. Скорость протягивания заготовки составляет 0,1-0,7 
0,017 м/с. После соответствующего отпуска, заготовки подвер-
шются механической обработке для получения необходимой
точности и чистоты поверхности рабочих валков.



0,25  0,017 м/с дня всех

исследованных температур деформации получено сквозное упроч-

При скорости деформации 0,5  0,017 м/с поверхностное
упрочнение на глубину около 5 мм обеспечивается при темпе-
ретуре деформации до 900’С, сквозное упрочнение возникает при
температуре деформации 950'С и выше. В случае скорости
протягивания 0,75 • 0,017 м/с для всех исследованных температур
деформации поверхностное упрочнение получается на глубину
до 3 мм. Оптимальная степень деформации при поверхностной
упрочнении 5-10%, при сквозном - 15%.

обнаружено при следующем режиме: скорость протягивания 0,5
0,017 м/с, температура деформации 900“С, степень деформации
10%, температура отпуска 140"С.

указанной выше, установка, в которой вдоль образующей повер
хности упрочняемой детали находятся индуктор и узел, со
стоящий из накатывающего органа и спрейера, расположенных
в одной плоскости, перпендикулярной оси вращения упрочняемой

При использовании этих устройств осуществляется способ
непрерывно-последовательной ТМО поверхностей деталей.

В устройствах для единовременной поверхностной ТМО

в которой

используется так назь

скомпонованы иццуктор, накатывающий орган и спрейер, распо
ложенпые в одной плоскости, перпендикулярной осн упрочняе-
мого изделия.

Такое устройство позволяет реализовать на детали любые
схемы поверхностной термомеханической обработки или их
сочетание путем различной последовательности и продолжитель-
ности включения отдельных элементов устройтсва. Геометриче-
ские параметры индуктора могут быть различны, но должны
обеспечивать равномерность прогрева упрочняемой детали па
требуемую глубину, которую можно регулировать изменением
скорости нагрева и частоты вращения детали.

По достижении на упрочняемом участке необходимой темпе-
ратуры начинается процесс обкатки путем включения деформи-
рующего органа. Число обкатывающих элементов должно обес-

цсссе деформации. В этом отношении предпочтения заслуживает
симметричное расположение деформирующих элементов (роли-
ков, шариков) относительно оси вращения упрочняемой детали.
Регулируемое охлаждение поверхности детали осуществляется

Секторная головка была успешно применена в промышленной
установке ВТМПО коренных шеек (диаметром 102 мм, шириной
34 мм) коленчатого вала дизельного двигателя “ЯМЗ-240”.

Термомехаиическая обработка может быть с успехом исполь-
зована на. машиностроительных заводах для повышения долго-
I

W Пример. ВТМПО жестких пружин содержит узел подачи
'Арутков, индуктор нагрева от установки ЛЗ-67, узел навивки с

►И0- 0,017 С'1 с червячным редуктором, закалочную масляную
Цину.

Оптимальные температурные режимы ВТМПО пружины из
1 (толи 65СВА (диаметр прутков 9мм, средний диаметр пружины
' || мм, полное число витков 6,5): температура нагрева 1050 ±
10‘С, температура деформации 960 ± 10*С, температура отпуска
||0 ± 10’С. Ограниченная долговечность пружин после проведе-
ния указанной термомеханической обработки повышается в 1,5-2

Результаты на углеродистых сталях были получены при
Исследовании сортового проката, подвергнутого ВТМО в про-
мышленных условиях на заводе “Красный Октябрь". ВТМО в

Нительное улучшение комплекса механических свойтсв. Характер
Нвисимости свойств от температуры отпуска - такой же, как и
I лабораторных экспериментах: максимальный эффект ВТМО

После контрольной (стандартной) обработки имеют значительно
более низкую прочность.

Нефтенасосные штанги работают в условиях знакоперемен-
ного нагружения и в агрессивных средах (пластовые воды или
в некоторых случаях морская вода). Исследования влияния ВТМО
на коррозионно-усталостную прочность было проведено на
образцах упрочненного проката, подвергнутых отпуску при 500*С
в течение 2 ч. Одновременно была изучена возможность защиты
упрочненного металла от коррозии в морской воде.

Предел выносливости (в морской атмосфере) и сопротивление
коррозионной усталости (в морской воде) определялись на базе
20 106 циклов (по 7-ЦО образцов на каждую кривую).

Как показали полученные результаты, для стали, упрочненной
ВТМО, оу -300, а 0^-90 МПа. Таким образом, ВТМО повышает
циклическую прочность в обеих средах.

ВТМО увеличивает сопротивление усталости стали 40 в
агрессивной атмосфере, коррозионно-усталостную прочность в
морской воде и значительно расширяет допустимый диапазон
потенциалов при катодной защите, повышая ее эффективность.

Эксперименты по ВТМО стали У9 также были проведены в
промышленных условиях при разработке технологии упрочнения
листовых деталей-сегментов уборочных сельхозмашин. При этом

игу); были
получены такие же по характеру зависимости механически'
свойств от степени деформации и температуры отпусков.

Таким образом, ВТМО средне- и высокоуглеродистых нелеги
рованных сталей значительно улучшает их механические своя
ства. Наибольший эффект ВТМО наблюдается после низкотеч
пературного отпуска и выражается в одновременном повышения
прочности и пластичности.

Механические свойтсва низколегированных сталей, получен
л’ае после ВТМО в промышленных условиях (стали 38Х< .
ЗОХГСА, 55С2 и 60С2) в зависимости от температуры отпуск.!
сравнивали со свойствами после обычной термической обработки

Температурный режим обработки: температура начала П|ю
катки составляла 1030-1050*С; температура прутка перед подвчис
в последнюю клеть 850-950*С (в зависимости от марки стали.
Стали 38ХС и ЗОХГСА предназначались для изготовленния оста
специального назначения; три остальные - для изготовления
буровых штанг (55С2) и автомобильных пружин (60С2, 60СЗс|>>
Все образцы изготовлялись из сортового проката диаметром
16-22 мм, полученного на той же установке, что и прокат стали
40.

Механические испытания показали, что в результате ВТМО.
проведенной в промышленных условиях, заметно возрастаю!
прочностные характеристики исследованных сталей. Так, предо
прочности исследованных сталей 38ХС и ЗОХГСА после ВТМО
по сравнению с его уровнем при контрольной обработке увели
чился (в случае отпуска при температуре 200*0 на 300 и 200
МПа, а предел текучести возрос на 350 и 220 Мпа соответствен!!..
Прочностные свойства сталей 55С2, 60С2, 60С2Ф возрастают и
результате ВТМО на 200-250 МПа (после отпуска при 300*0
При повышении температуры отпуска абсолютный прирост
прочности снижается, однако заметное различие значений этик
характеристик у сталей после обоих типов обработки сохраняется
вплоть до отпуска при высоких температурах (500-600*0.

Важно подчеркнуть, что ВТМО легированных сталей и
производственных условиях обеспечивает "чистое" упрочнение.
ио принципиально отличается от упрочнения после обычное
термической обработки сохранением достаточно высокого уровня

Горячая деформация аустенита с последующим превращением
в перлитной области вызывает изменение комплекса механиче
ских свойств сталей по сравнению с контрольной изотермической

обработкой. Coot

; для трубной стали 36Г2С

ВТМизО приводит к небольшому увеличению прочностью харак
териик (на 50-100 МПа); но важно, что при этом одновременно
возрастает ппластичность стали, ударная вязкость и весьма
(Ствеияо - удельная работа разрушения образцов с наведен-
усталостной трещиной (почти в 2 раза). Еще более

Кктв были получены при ВТМизО трубных сталей 30Х2ГМТ
JJjXI 2СВ

.НТМизО легированных сталей может резко изменять коли-
ЙПеиные соотношения между структурными составляющими
Кйнит, мартенсит, остаточный аустенит) в сравнении с конт-
Ььной изотермической обработкой, поэтому зависимость меха-
Часких свойств от температуры изотермы носит довольно
Жжпый характер. В оптимальном случае НТМизО увеличивает
Повременно и прочность (на 250-300 МПа), и пластичность
удлинение на 7-12% стали).

• Существенное различие в свойствах стали, подвергнутой
Щотсрмической закалке и НТМизО, выявляются и при ударных
Пытаниях образцов с заранее инициированной трещиной.
m-видимому, преимущество НТМизО связано как с большей
дисперсностью структуры, так и с повышенным содержанием
Цтаточного аустенита. Интересно, что увеличение работы
спространения трещины достигается благодаря росту разру-
шающей нагрузки при одновременном повышении динамической
мистичности - величины пластической деформации, сопровож-
дающей рост трещины.

На трубных сталях 36Г2С, 30Х2ГМТ, 35ХГ2СВ также
Выучено значительное улучшение комплекса механических
аалйств при НТМизО. Однако, отмечается довольно сложная
висимость свойств от режимов обработки. Положительный
аффект НТМизО объясняется формированием более дисперсной
й однородной структуры бейнита, а также некоторыми измене-
ниями тонкого строения бейнитных кристаллов.

Важно, что существует еще одна причина изменения меха-
нических свойств сталей при НТМизО, которую следует рассмот-

Возможностью превращения остаточного аустенита, полученно-
го при изотермической обработке, в мартенсит при испытании.
Такое превращение может быть ответсветиным за наблюдаемое

плпстичности, так, сталь 35ХГ2СВ после изотермической закалки
пт 850’0 с распадом при 350’С имеет оог-1100 МПа, 8-9%,
V -45%; после распада при 400’С <Jo2-800 МПа, 8=15%, у=40%.
Как видно, при изменении температуры изотермической выдерж-
ки на 50’С удлинение заметно возросло; при этом резко
понизился предел текучести и несколько уменьшилась величина
относительного сужения.
3.3. Механикотермическая обработка (МТО)

Механикотермическая обработка (МТО) (рис. 3.6.) заклхия
ется в пластическом деформировании материала на определенна
степень деформации (от 5 до 10%) в сочетании с одноврементт
или последующим нагреми

Рис. 3.6. МТО

ниже температур интетт
ного развития процессов рг
кристаллизации.

Такой нагрев называем
полигонизационнымотжи.. »
он служит для окончательной.



ной структуры и ставили Ы
ЦИН созданных субграниц.

Такая обработка особенно
благоприятно влияет на пч
раметры бдительной прочь.-

при высоких температура

На участке установившейся ползучести скорость деформапт!

(примерно в 30-40 раз).

Влияние МТО по различным схемам на пластичность иссл<-
дованных сплавов зависит от двух фактров: упрочнения
уменьшающего пластичность, и особо тонкого дисперсионнш..
твердения при старении со сравнительно равномерным распр
делением по объему зерна честиц вторичных фаз.

Обработка, приведенная по схеме закалка -л старение 
деформация без последующей стабилизации, оказалась наимспе.
благоприятной, особенно для жаропрочности при 650-750'С, что
вероятно, связано с большей термодинамческой нсустойчивост!.!..
структурного состояния и отсутствием эффективных барьеров и
виде четких субграниц.

Увеличение степени деформации от 0,3 до 5% вызывай!
прирост упрочнения при 20 и 550'С, не активизирует диффузп
онные процессы при 750’С. С повышением температуры предва
ригельного деформирования (при соблюдении постоянной степени
деформации) наблюдается тенденция к понижению степени
упрочнения при 20 и 550"С, не отмечается более высока»
жаропрочность при повышенных температурах (650, 700'0.

МТОсакп

ется эффективней при

работе материала в области умеренной температуры (550'0, ..
обработка с замедленной деформацией в процессе ползучести
диапазоне более высоких температур (750-700*0. Это,
мтно, также можно объяснить большей измельченностью
Мирен и искаженностью кристиллического строения после МТО
гднтивным растяжением и более развитой и стабильной
Мвгруктурой с меньшей разориентировкой субзерен после МТО
| Длительным нагружением в процессе ползучести.

I настоящее время разработано еще несклько схем МТО,
Ечающихся по технологии, а также по структурным процес-
сбусловливающим упрочнение и стабилизацию получаемого
турного состояния. Способ стабилизации дислокационных
ур имеет большое значение для повышения жаропрочно-
IM. В зависимости от способа стабилизации Л.К. Гордиенко
(вдлпгает классифицировать виды МТО на следющие две
•уппы:

I.	Высокотемпературная, и низкотемпературная. Это те
М1м МТО, при которых стабилизация строения достигается
Двлигонизацией с последующим блокированием субграниц ато-

2.	Многократная МТО и МТО с программированием упрочне-
Мм. При этих обработках стабилизация достигается путем

ЙОвдание в результате деформации механически устойчивых
Цтсль, а также препятствий для перемещения дислокаций,

ДИимная их

с точечными дефекта-

Схема ВМТО заключается в следующем:

I.	Нагрев до температуры 1050-1100*С для создания твердого
Детвора и последующее подслуживание до 950-1100*С.

2.	Пластическая деформация на 25-30% при температурах
WO-IIOO*C.

3.	Немедленное охлаждение (закалка).

После этих операций иногда производится старение для
Выделения карбидных или интерметаллидных фаз, приводящих
В дальнейшему упрочнению материала.

Проведение ВМТО позволяет в ряде случаев повышать
Прочность на 15-20% и увеличивать срок службы в 3-8 раз, а
Иногда и больше. Например, технически чистый никель удалось
таким методом упрочнить в 20 раз, а на малых базах испытания
- в 100 раз. Скорость ползучести при этом уменьшилась на три

Порядка.

Урове

। и ползучести после

МТО и ВМТО примерно равноценен, хотя МТО дает более
кратковременные свойства стали при растяжении. С другой
гтороны, ВМТО более целесообразно применять для сталей и
сплавов, в структуре которых имеются различные упрочняющие
фазы. Таким обрзом, целесообразность применения той или иной
обработки определяется видом материала, условиями его работ
и возможностью применения того или иного материала.

Представляет известный интерес одна из разновидное н-й
МТО, предложенная в УФТИ и представляющая, по сути дела.
НМТО с программированным упрочнением. Образец нагружаенм
с определенной скоростью до какой-то конечной пластичесм.и
деформации при температуре, когда может проходить образош
ние полигональной структуры. По такой методике урочняющ\»>
обработку деталей можно проводить в процессе пуска агрегат»
по заранее заданной программе с использованием температуры
и деформационных режимов, которые бы иммитировали МТ()
3.4.	Термомагнитная обработка

Сущность термомагнитной обработки заключается в прило-

Дующего, в протекании превращений при полиморфной закалке
(Парамагнитной фазы-аустенита - в ферромагнитную мартенсит).
||пг|>св деталей под закалку можно производить в обычных печах,
А охлаждение осуществляется в бакс, в котором помещен
йнюноид или электромагнит.

Термомагнитная обработка пригодна для материалов, пре-
терпевающих полиморфное превращение с образованием ферро-
магнитной фазы, т.е. практически, например, для сталей

Она осуществляется без

пых методов

Спадания пластической деформации в металле, чем выгодно
отличается от термо-мсханико-магнитной обработки. Тем не

|||к.*дел прочности при изгибе на 65%, а стали Р18 - на 35%.
В ряде случаев упрочнение может достигать 300%. Причины
упрочнения, в общем, те же, что и при термомеханикомагнитной
обработке, но без эффекта пластической деформации.

материалов при обработке этим способом возрастают примерно
ин 350-700 МПа; одновременно увеличиваются пластические
свойства материалов и снижается чувствительность к надрезу.

питном поле, достигаются

Например, сталь после стандартной термической обработки
с от -1600 МПа, ов -1920 МПа и 5 = 10 + 11% после закалки
н электромагнитном поле имеет одинаковые значения ат - ов
-2580 МПа и 6 = 5 + 6%.

Благодаря дестабилизации аустенита под влиянием магнит-
ного поля может быть сокращена продолжительность отпуска
быстрорежущей стали.

В настоящее время термомагнитную обработку магнитных
материалов широко используют, например, для получения ма-

термомагнитной обработки в тонких магнитынх пленках,
ферритах, в мелких частицах, при низких температурах и т.п.
Эффект термомагнитной обработки во всех случаях определяется
тем, что в материале дополнительно возникает внешняя или
индуцированная магнитная анизотропия. Все материалы, pni

гнрующие на

при охлаждении

в отсутствии внешнего поля, подвергаются локальному мапни
ному отжигу, так как каждый домен намагничен до насыщении

Термомагнитную обработку применяют также для создании
одноосной анизотропии в тонких магнитных пленках, исполни
емых в качестве элементов запоминающих устройств электрон
ных вычислительных машин. Было установлено, что в сплавах,
в которых мартенситное превращение происходит в облает
отрицательных температур, наложение импульсного магнитною
поля приводит к значительному повышению мартенситной точки
и общему смешению мартенситной кривой в сторону боле*
высоких температур. В соответствии с этим наложение мапни
ного поля вызывает значительное аустенито-мартенситное пр»
вращение при температурах жидкого азота в сплавах, обычно in-
превращающихся при охлаждении до этой температуры »•

происходят процессы самоотпуска, определяющие уменьшение
среднего содержания углерода в мартенсите.

По-видимому, это так же, как и уменьшение количества

пластичности и прочности сталей с содержанием углерода боле»
0,5% в закаленном и низкоотпущенном состоянии в результат»-
магнитной закалки.

Мапштное поле при наложении его в процессе отпуска
быстрорежущей стали Pi8 вносит существенные изменения и
фазовые превращения. Поле, действовавшее как при выдержке,
так и при охлаждении, существенно ускоряет распад остаточной»

количества распавшегося аустенита, в результате в стали
оставалось менее 3% остаточного аустенита вместо 10% после
отпуска без поля. Оставшийся после магнитного отпуска аустенш
менее стабилизирован, чем после обработки холодом, и распада-
ется при более низких температурах; предел прочности при
изгибе также при всех температурах отпуска остается на более-
высоком уровне.
3.5.	Термомеханикомагнитная
обработка (ТММО) стали

Тсрмомеханомагнитная обработка является дальнейшим раз-
битием термомеханической обработки. Как видно из самого
Названия, в этом новом методе к температуре и давлению,
Видоизменявшим металл, присоединено магнитное поле.
Сущность метода заключается в том, что нагретый до размяг-
чения металл подвергается давлению при одновременном воздей-
ствии сильного магнитного поля, в котором металл выдержива-
ется до затвердевания.

прочиость; значения пределов текучести и прочности на разрыв
сближаются, что позволяет конструкторам более эффективно
использовать металл.

ТММО позволяет поднять уровень прочностных свойств
стилей без изменения принципиальной технологической схемы
ВТМО. Известно, что совпадение текстуры деформации с

чсских свойств. Наложение магнитного поля при превращении
аустенита в мартенсит ориентирует соответствующим образом
новь выделяющуюся фазу.

Рекомендации производству.

В качестве одного из наиболее эффективных методов повы-

следует применять термомеханическую (термопластическую) об-
работку (ТМО). При ТМО нужно совмещать пластическое
Сформирование и фазовые превращения (2,106). Такой вид

обработки приведет к

материалов.

Технологические процессы ТМО целесообразно применять в
машиностроении и металлургии. При этом деформирование
должно выполняться путем прокатки, волочения, выдавливания
(экструзии), выкаткой в ковочных вальцах или обкаткой
поверхности роликами, штамповкой. ТМО эффективно приме-

стик, в меньше мере - для улучшения параметров длительной
высокотемпературной прочности.

Самым эффективным процессом ТМО является ВТМО.

Проведение ВТМО должно заключаться в осуществлении
пластической деформации при температуре выше температуры
1»екристаллизации, обычно в виде температуры критических точек
и последующей закалке.

ВТМО закаливающихся сталей должно проводиться по
следующей схеме: нагрев до температур 1050—! 100°С с целью
Схема классификаций химикотермической обработки
Протекают несколько химических реакций, которые имеют раз-

В связи в этим определение ведущих реакций процесса
диффузионного насыщения металлов является весьма важной
практической задачей, решение которой позволяет управлять

существующие и разрабатывать новые методы.

Более вероятной считается реакция, имеющая более отрица-
тельный изобарный потенциал или большую константу равновс-

Уравнения изотермы химической реакции позволяют вычис-
лить изменение свободной энергии при химической реакции AG

рсикции.

рнтуре и давлении будет

(а'А)‘(а'В)ь

где К - газовая постоянная;

Т - температура (К);

Ка - константа равновесия реакции;

продуктов реакции при данной температуре, соответ-
ствующие любому моменту реакции (неравновесному
состоянию).

Термодинамическое равновесие для химически реагирующей
системы характеризуется минимальным значением G(AG = 0).

составом системы при T=Const и p=Consi.Однако это не означает,
что в системе прекращаются всякие химические взаимодействия;
система находится в “подвижном" термодинамическом равнове-
сии. Если же в газовой смеси преобладают газы А и В, то AG <
0 и реакция должна протекать слева направо. В противном случае

Л<> > 0 и реакция будет протекать

Термодинамическими ресчетами можно определить принци-
пиальную возможность процесса, выбрать некоторые параметры
оптимального режима (температуру, давление, концентрацию
реагентов), а экспериментальным путем найти условия, способ-
Термодинамические расчеты и выявление на их основе
ведущих химических реакций в процессах химикотермическоп
обработки позволяют обоснованно выбирать рациональные среды
и правильно проводить технологические процессы.

Выявление ведущих химических реакций можно осуществлятi.
экспериментальным или расчетным термодинамическим путем
Известно, что более вероятной считается реакция, имеющая
наибольший отрицательный потенциал или большую констант \
равновесия.

Для всех двухатомных и многих простейших многоатомных
газов имеются надежные теоретические данные по термодина
мическим функциям в интервале температур от комнатной
нескольких тысяч градусов, вычисленные статистическими мето-
дами на основе молекулярных параметров (моменты инерции
молекулы, собственные частоты колебаний и т.д.), которые
определены из спектральных данных.

При взаимодействии насыщающей среды с обрабатываемой
поверхностью возникает накопление (повышение концентрации)
диффундирующего элемента (адсорбата) на металлической по
верхности (адсорбенте). В зависимости от характера взаимодей-
ствия адсорбата с адсорбентом различают физическуюадсорбацию
и хемосорбцию.

Адсорбция возникает за счет свободной энергии неуравнове
шенного поверхностного слоя.

При физической адсорбции молекулы или атомы удерживаются
на поверхности ваи-дер-ваальсовыми силами, хемосорбции ад-
сорбат вступает в химическую связь, т.е. осуществляется перенос
электронов. Иногда хемосорбцию рассматривают как адсорбцию
частиц преимущественно в виде ионов (ионосорбцию).

Рассмотрим адсорбционную стадию процесса ХТО на примере
азотирования переходных металлов. Большинство исследовате-
лей сходятся на том мнении, что первоисточником всех процессов
азотирования является молекулярный азот. Примеси и добавки
других элементов в газовой среде могут либо содействовать, либо
препятствовать адсорбции азота насыщаемой поверхностью. Так,

и адсорбируется на поверхности металлов более прочно, чем азот,
препятствует взаимодействию азота с поверхностью. Поэтому при
нагреве металлов в воздушной среде протекает процесс окисления,
а не азотирования. В связи с этим перед азотированием или
другими процессами диффузионного насыщения оксидную пленку
необходимо удалять механическим или химическим путем.

Адсорбция азота на поверхности переходных металлов зна-
чительно ускоряется в присутствии водорода. Этим объясняется
высокая активность диссоциированного аммиака как азотирующей
*1»Мы по сравнению с молекулярным азотом. Так как переходные
Натаяли обладают большим сродством к электрону, чем водород,
а» при наличии достаточной энергии, необходимой для активации,
Молекула водорода прн столкновении с поверхностью диссоции-
рует па атомы, которые отдают свои электроны металлу, облегчая
гам самым образование отрицательных ионов азота.

'Электронное взаимодействие молекулярного азота с переход-
ными металлами значительно уменьшается по мере заполнения

Поверхности марганца и железа нитриды не образуются, а при
влиимодействии азота с гафнием, цирконием и титаном они
Наблюдаются.

Под действием хемосорбции в большинстве случаев происхо-
дит нс только перераспределение электронной плотности, но и
миграция на небольшие расстояния хемосорбированных ионов.

Все более широкое распространение получает ионная хими-
ки термическая обработка металлов.

Бомбардирующая частица (положительный ион), попадая на
поверхность мишени, может испытать упругое или нсупругое
рвсссяние в виде положительного иона.

Внедрившийся в металл атом в результате многократных
столкновений постепенно теряет энергию и начинает участвовать
в тепловом движении атомов мишени. Часть атомов вследствие
ди<|>фузии может выйти к поверхности. Они образуют на
поверхности слой адсорбированных атомов.

эмбардирующих частиц
(катодное распыление)

этих атомов в виде положительных ионов, отрицательных ионов
н нейтральных атомов, под ударом ионов первичного пучка
происходит аналогичное выбивание также адсорбированных ато-

2. Цементация

Различают три основных вида цементации: в твердом, жидком

основным процессом для массового производства).
Цементация в твердом карбюризаторе.

:шкладываются в ящик с карбюризатором и помещаются в

процесса, высокая трудоемкость, нерегулируемость процесса,
большой расход энергии, возможность пересыщения поверхност-
ного слоя углеродом и т.д.
твердом карбюризаторе рекомендуется увеличивать количесп».
деталей, закладываемых за одну загрузку в печь, сокращав
количество карбюризатора и ящиков, применять для нагрева том»
высокой частоты, рационально упаковывать детали. Установлен)!,
что скорость науглероживания в твердом карбюризаторе ш
основе древесного угля значительно увеличивается при введении
в его состав нитрата кобальта в количестве 5-20%. Повышена
скорости цементации обусловлено тем. что нитрат кобальта при
температуре насыщения, взаимодействуя с древесным углем, дшч
более эффективные газообразные соединения, ускоряющие днф
фузию углерода.

диционным методом цементации, дает неплохие результаты
поэтому в ряде случаев он применяется. Однако пронес,
цементации в твердом карбюризаторе требует соблюдения опрг
деленных санитарно-гигиенических условий, поскольку при этом
способе имеют место ручная загрузка, выгрузка, очистка и т.д
и малая возможность автоматизации процесса, что следусч
отнести к недостаткам этого метода. Все это привело в последнее
время к резкому сокращению его использования, особенно при
крупносерийном и массовом выпуске продукции. Применение
этого способа экономически целесообразно только для мелкосе-
рийного и единичного производства.

В последние годы разработаны более прогрессивные методы
цементации.

Твердый карбюризатор изготовляется на специализированных
заводах из угля и нескольких видов углекислых солей (ГОСТ
2407-83).

При отсутствии готового карбюризатора пользуются самодель-
ным, изготовленным из смеси древесного угля с углекислым
барием, кальцинированной содой, углекислым кальцием и т.п.

Таблица 6.1

Составы карбюризаторов, %
Хо-пржмг	Сс^жскис.	Способ
Одшжлорнстая медь	70	Порошки тщательно смешивают и разводят
W«	30	обмазки 0,5-1 мм.
Кремнезем	60	Пасту готовят из жидкой (20-25%) и
Глинозем	35	Жидкая часть состоит из 80% жидкого
Окись железа		стекла и 20% воды. Перед употреблением
(>.Mv наган.	0.25  1.75	(через 30-40 мин) наносят второй слой.
Песок	40	Глину хорошо растирают, обмазку
Иу|»		44	
		
Тальк	50	Глину хорошо растирают, обмазку
Огнеупорная глина	25	сметанообразного состояния.
Вода	2$	
Шамотная глина	90-95	Смесь разбавляют водой до тестообралич..
Асо:-.-.овый порошок	5-10	

Продолжительность выдержки в зависимости от глубиии
цементируемого слоя приведена в таблице 6.3.

Таблица <• I

Ориентировочная продолжительность выдержки. I

(в часах), при температуре 900-950'С в зависимости
от требуемой глубины слоя при цементации твердым
карбюризатором

Таблица 6.4

Состав паст для цементации, %

	Номер 1UCTM						
	1	2			$		
ГЬилавдекая еажа «л»	30-60	30-60	30-60	М		40	50
Углекислый барий				15	20	15	
Углекислый натрий или	20-40	20-40	30-60	20	20	20	40
		S-I0	S-I0				10

370
|ммония и 6-8% черного карборунда).

Ниже приведена ориентировочная продолжительность про-
веса жидкостной цементации в зависимости от требуемой

Мубины цементации:
толщину цементированного слоя в 2-2,5 раза по сравнен)......

обычной жидкостной цементацией. При нагреве вокруг детат
образуется паровая рубашка, состоящая из газов, содержали,
активный углерод.

Вывод: цементация в жидком карбюризаторе отличается мал..”
продолжительностью, обусловленной быстрым прогревом детален
в сочетании с высокой активностью карбюризатора, ............

большей точностью и размерностью толщины цементированном’
слоя, возможностью осуществления местной цементации путем
частичного погружения деталей в ванну, возможностью осуще.
твления непосредственной закалки после окончания процесс.),
снижением себестоимости процесса по сравнению с газовой.

Однако жидкостная цементация имеет и ряд недостатков
это прежде всего трудность обработки крупных деталей, боле,
затруднительная эксплуатация жидких ванн по сравнению <
использованием обычных камерных печей, жесткие условна
работы по технике безопасности, быстрое уменьшение содержании
углерода в жидкой ванне, что вызывает необходимость боло-
частого ее обновления. Поэтому этот метод применяется редко,
в основном для мелких деталей.

При цементации из расплавленных солей с использованием
карбцда кремния, карбида кальция и высокоуглеродистого фер

ромарганца обеспечивается



покрытий па сталях 10 и 10X13 при
Таблица 6.6  Влияние режима жидкостной цементации в ванне* с ряличными восстановителями на толщину слоя на стали					
1-сжхм ХТО					
	...		1	1 тез-	|"те.те"
।	Сталь 10					
».м>	1	0,65	0,75	0,6	0.4
	з	1.0		0.8	0.75
	5	1.3	1.5	1.15	1.0
	1	0.8S	1.0	0.82	0,6
	3	1Л	1.7	1,25	1.1
	5	2.0	2,23	135	1.5
Сталь 10X13					
«0	1	0.27	0,28	0,22	0.15
	3	0.48	0,58	0.4	0,28
	5	0,6	0,7	0.5	0,38
	1	0.35	0.38	0.3	0.23
	3	0.62	0.7	0,5	0.38
	$	0 78	0,9	0,65	0.5
’’ Состав ванны: 20% N*CO3; 20% KjCO3; 25% NaCl; 25% KCI; 10% ^‘^‘рТз^ры частиц восстановителе даны в миллиметрах  Газовая цементация.  По сравнению с цементацией в твердом карбюризаторе она Имеет ряд существенных преимуществ: повышение производи- тельности процесса, сокращение потребности в рабочей силе и Производственных площадях, большая возможность регулирова- ния параметров процесса, а следовательно, толщину и насыщен- ность цементированного слоя, отсутствие потребления жаростой- ких материалов для изготовления ящиков, лучшие санитарно-ги- гиенические условия работы, возможность непосредственной мкнлки деталей после процесса, большие возможности механи-					
Таблица 6.7

Влияние состава ванны и режима жидкостной цементации на толщину слоя на стали

			TO		h .MN		
J	75-85% NtjCOy 10-15% NaC, 8-16% КС	950	3	10	1.2	0.6	1,00
2	6-15% NaOH, 39-46% NaC, 39-40% КС	910	1	10	0.32	0.15	0.9
з	40% NaC, 40% КС, 10% NaOH, 10% CaC,	950	2	15	0,7	0,25	0.8
4	61% ВаС,, 18% КС, 18 NaC, 3% CaC/>	950	2	15	0.6	0,15	
5	60-70% Na:CO3,8-18% NaC, 8-20% Fe Mp	900	2	15	0.6	0.3	1.0-1,1
	24-45% NaC, 50-60% BaC, 10-25% NaC	900-950	1-3	Мл^Г’	0.5-1,5	0.2-O.7	0,9
	30-40% NajCOj, 60-40% CaC	950	»	ох.з	0.48  0,75	0.48  0.75	2.4
*’ Патент (Япония). N» 9450, 1970.							
Таблица 6.8

Глуби	та цементированного слоя при газовой цементации							
	420							1000
	0,30	0.38	0.45	0,53	0,63	0.75	0.85	1.00
1	0,42	0.53	0,63	0,76	0,90	1.00	1,22	1.42
	0.53	0,63	0.80	0.94	1,10	1,30	1,50	1,70
4	0,60	-.74	0,89	1.07	1.27	1.50	1.75	2,00
•.	0.70	0 80	1,00	1.20	1.42	1.68	1.96	2.25
Л	0.76	0,91	1.09	1.32	1.55	1.83	2.13	2.46
?	0,78	1 00	1.19	1.42	1,68	1.98	2,30	2,55
и	0.86	1 04	1.27	1,52	1.80	2,10	2,46	2.80
g	0.90	1,12	1,35	1.60	1.90	2,23	2,55	3,00
10	0.96	1.1?	1.42	1.70	2,00	2.36	2,80	3,20
II	1.02	1.22	1.50	1.78	2,11	2,46	2..SO	3,35
12	1.04	1,30	1.55	1.85	2.21	2,50	3.05	
13	1,09	1 35	1 62	1,93	2,29	2.54	3,06	3,56
14	1.14	1,40	1.68	2.00	2.39	2.80	3.30	3,80
IS	1,20	1,45	1,73	2.10	2.47	2.80	3.38	3.92
16	1,22	1,50	1.80	2.13	2.54	2,85	3,50	4,05
17	1,27	1.52	1.85	2,20	2.55	3,05	3,55	4,17
IK	1,30	1.57	1,90	2.29	2.69	3,17	3.72	4,32
19	1.35	1.62	1.96	2.34	2.70	3,30	3,81	4,40
zo	1,37	1,68	2,00	2.39	2.80	3,31	3,89	4,55
21	1,40	1.70	2.06	2.46	2.90	3.41	3.98	4.42
22	1.42	1,75	2.10	2,51	2,96	3,50	4.06	4.73
23	1.47	1.77	2,15	2.54	3,05	3,55	4,17	4,83
24	1.50	1.83	2.20	2.62	3.10	3,65	4.29	5.00
25	1.52	1,85	2.23	2.66	3,16	3,70	4,33	5.10
аммиак, который приводит к ускорению процесса. Причем прн
цементации, в основном, происходит процесс науглероживать
Азотирование при этом незначительно и почти не влияс! ни
структуру и свойства поверхностного слоя.

Газовую цементацию обычно проводят в шахтных (му<|х'н.
ных и безмуфельных) и методических (безмуфельных) печах
иногда применяют специальные агрегаты типа СШЦМ-6.6/9М1,
СШЦМ-6.12/9М1, СШЦМ-6.20/9М1, СШЦМ-6.30/9М1, OKI.
827А, Ц-60А, Ц-105А, СШЦМ-25,20/9,5П1.

цементации в шахтных печах с помощью кислородосодержащих
добавок.

Добавка водного раствора перекиси водорода совместна .
карбюризатором ускоряет процесс цементации в шахтных печам
на 25-30%. Кроме того, углеродный потенциал атмосферы ле1ъ<>
регулируется изменением скорости подачи или концентрации
водного раствора перекиси водорода.

При добавлении к природному газу перекиси водорода 15-30%
ной концентрации имеет место заметное увеличение эффективной
толщины цементированного слоя (с концентрацией до 0,4% С>

Рекомендации производству.

При обработке средних и крупных деталей эффективно

Подача карбюризатора устанавливается в пределах 30-50%
от расхода его в период цементации (таблица 6.9).

Таблица 6.‘1
Нормы расхода карбюризаторов при газовой цементации
в печах различных типоразмеров

Продолжительность науглероживания малоуглеродистых
сталей можно приближенно оценить по средней скорости газовой
цементации (таблица 6.10).
Таблица 6.10

Средние значения скорости газовой цементации при
различной температуре и толщине слоя

к-	V . пр, «.С						
	W0	ms	900	925	950	ms	1000
Ди од	0.35	0.40	0.45	0.55	0,75		
0.5-1.0	0.16	0.20	0,30	0,40	0.55	0.85	0.96
J.0 1.5	0,10	0.15	0.20	0.30	0,40	0.55	0.75
1.5 г$_	0.06	0.10	0.15	0,20	0,25	0,38	0.55
3.0 2.5	0.04	0.07	0,12	0.15	0,20	0.32	0.40
М-з.о			0,10	0.13	0.18	0,28	0.35
5.0 3.5			0,07	0,10	0.16	0.21	0.27
J.6-4.0			0.04	0,06	0.12	0.18	0,25
Ниже приведены технико-экономические показатели процесса газовой цементации (табл. 6.11).  Таблица 6.11  Технико-экономические показатели газовой цементации							

В процессе цементации возможны следующие дефекты: недо-
статочная глубина цементированного слоя, неравномерная глу-
бина слоя, пятнистая цементация и т.д. Некоторые из этих

параметров процесса. Цементация с последующей закалкой
повышает поверхностную твердость (а следовательно, и износо-
стойкость) и усталостную прочность деталей, а также сопротив-
ление изгибу и растяжению.
ции применяются комбинированные циклы насыщения (при
переменном углеродном потенциале атмосферы). В связи »
созданием на первом этапе процесса цементации значительна
большего углеродного потенциала атмосферы, чем потенции i
соответствующий конечному содержанию углерода в поверхшх»
ном слое детали, достигается значительная интенсификации
процесса. На втором этапе процесса присходит рассасываши
углерода с поверхности изделия вглубь при поддержании угле-
родного потенциала атмосферы на уровне оптимального конем
кого содержание углерода в поверхностной зоне. Однако при
проведении стандартных процессов цементации (температура
930*С, контролируемая атмосфера типа СО-Н2-1Ч2)без выделении
сажи невозможно поднять углеродный потенциал атмосферы
выше 1,32%. Появление же в атмосфере указанного типа
свободной сажи исключает возможность автоматического регулн
рования процесса цементации по содержанию влаги и двуокиси
углерода. Кроме того, образование скоплений сажи внутри печи
становится причиной значительного повреждения материала
футеровки, нагревательных элементов, а также оснастки и.«

жаростойких сталей. Огрг

мосферы на первом этапе комбинированного процесса цементации

снижает производительность

в стандартных
операции.

В Германии фирмой Линде разработаны процессы науглеро

подобную эндогазу. Она отличается существенным повышением

росы, снижение расхода газа,

имеющихся приборов регулирования углеродного потенциала,
отказ от эндогснсратора.

Разработан также процесс Carbopuls - цементация в смеси
азота с пропаном. Распространение способа науглероживания
ранее ограничивалось сажеобразованием.

Применяется пульсирующая подача пропана, т.е. после фазы
науглероживания следует диффузионная стадия, затем процесс
повторяется. Продолжительность процесса устанавливается с
расчетом, чтобы не допустить образования сажи. Пульсирование
ведет, кроме того, к улучшенному доступу науглероживающего
газа к труднодоступным участкам деталей. Достоинства метода:

верхностного окисления, возможность науглероживания деталей
сложной формы, простота регулирования (по датчику выпадения
сажи или счетчику частиц), низкая точка росы, возможность
эксплуатации в конце недели при сокращенном количестве
Цщитного газа, отказ от эндогенератора. Способ применим

для получения большой толщины слоя (начиная с 0,6 мм).
Предпосылкой для его использования является загрузка печи
Однотипной садкой. Для переменной загрузки более пригодна

;,L(d.(CUIA), производящей

Ид и применяется система STAMP с компьютером, позволяющая
для данной марки стали провести анализ реальных кривых
охлаждения, наложенных на рассчитанные кривые охлаждения и
С-диаграммы. Одной из главных задач было представление
^диаграмм в математическом виде в целях кодирования их и

характерные области,

которых описывается как

функция химического состава и температуры аустенитизации.
При выборе таких областей в низколегированных сталях, содер-

пользованы уравнения статистического ретрессионного анализа.

Анализ металлографической структуры компьютер осуществ-

разбивали на 54 интервала и <

точках интервала. При расчете микроструктуры методом конеч-
ных разностей не только определяли микроструктуру, но и
рассчитывали структурное превращение, происходившее при



При этом учитывали следующие факторы:

лсляли на основании данных о химическом составе и скорости
охлаждения с использованием уравнений регрессионного анализа,
рассчитанных по экспериментальным данным;

2) усредненную твердость рассчитывали пропорционально
твердости объемной доли каждой составляющей (по правилу
линейного суммирования);

при этом твердость каждой составляющей определяли с учетом
самого высокого значения концентрации углерода и всего
температурного интервала при отпуске.

Использование микропроцессора позволило рассчитать струк-
туру, формирующуюся в процессе цементации. При этом для
каждого значения содержания углерода в слое на заданной
металла, характеризуемый собственной С-кривой. Особое внима
ние уделяли определению структурных составляющих, ха рак

бейнита в соответствующих областях перегиба С-кривых.

Наложение отдельных кривых охлаждения позволило пол
учить набор структур, формирующихся в цементованном слое.
Процентное содержание каждой составляющей в слое представ

Благодаря расчетным данным о скоростях нагрева и охлаж-
дения, а также температурному градиенту по сечению в
различные временные интервалы система STAMP позволяет
предсказать микроструктуру и распределение твердости по
сечению. Она используется для выбора материала с оптималь-

ных марок стали, а также для выбора способа термообработки.
При нагреве садки эта система даст возможность определить с

Применение названной системы позволяет пре; нарушения режима термообработки и исключить брак	ютвратить (поннжен-
нос содержание углерода, низкую прокаливаемое™, с температуру упрочнения, плохую закаливаемость). Си< возможность определить степень отклонения параметре! от заданных и ввести соответствующие поправки  Вакуумная цементация.  Указанные недостатки можно устранить проведение тации при давлении ниже атмосферного (вакуумная цск	ниженную ггема дает з процесса  ем цемен- «ентация).
Для высокотемпературной цементации были ра:	зработаны
конструкции печей с интегрированной масляной ванной. подобных установок оказалось возможным вследствии	Создание использо-
вания в вакуумных печах с “холодной” стенкой гр< нагревателей и новых изоляционных материалов (г] войлока) для нагревательной камеры. При этом для об	эфитовых рафитного еспечения
безокислитсльного нагрева сталей до 1000-1100*С достаточным создать в камере небольшой вакуум - порядка (5 102 - 10'2)-133,322 Па.	оказалось давление
Подготовленные для обработки детали помещают г тельную камеру, затем печь вакуумируют. После деталей до 1000вС или 1100вС в нагревательную каме| реакционный газ, богатый углеводородами (метан, прир< пропан-бутан) до оптимального давления 100-300 • 13 Для поддержания активности атмосферы подачу газа ляют в течение всего процесса насыщения. Необходимое	прогрева ру подают здный газ, 3,332 Па. осуществ- : давление
Таким образом, первый этап процесса заключается в на-
сыщении предварительно дегазированной поверхности стали
углеродом при повышенных температурах в атмосфере продуктов
крекинга.

Повышение температуры до 1050-1100’С при обеспечении
максимально возможного углеродного потенциала атмосферы
позволяет достичь при выбранных параметрах процесса макси-
мальных концентраций углерода на поверхности и коэффициента
диффузии углерода в стали.

прекращают, печь вакуумируют.

В течение второго периода процесса (диффузия в вакууме)
при рабочей температуре 1000-1100*С происходит рассасывание

кого уровня.

Небольшая тепловая инерционность нагревательной камеры
позволяет закаливать цементованные детали от оптимальных
температур после предварительной фазовой перекристаллизации
стили. Это достигается понижением температуры нагревательной
камеры до 500-600’С, выдержкой при этой температуре в течение

Такой технологический прием позволяет получить для ряда
стилей оптимальные сочетания механических свойств.

Вывод: цементация стали при повышенных температурах и

газовые смеси, не

ер смесь

112 и СН4.

Влажность печной атмосферы в печах с открытой футеровкой
нс ниже 40* т.р.



пости осущест

эго цикла

насыщения (при переменном углеродном потенциале атмосферы)
г одновременным повышением температуры процесса до 1050-
I Ю()°С. Применение цементации в вакууме позволяет значитель-
но ускорить процесс: длительность обработки при температуре
1050'С и давлении природного газа в камере 150x133,322 Па

Вакуумную цементацию можно рассматривать как один из
наиболее эффективных методов обработки шестерен.

Опыт эксплуатации камерных вакуумных печей для цемеи
тации на ВАЗе подтвердил высокую эффективность цементации

ферного. Для раси
проектируются бо

раздельным»

нагревательными и охладительными камерами, а также вакуум-
ные печи проходного типа.

К недостаткам процесса цементации в вакууме можно
отнести некоторые технологические трудности, связанные с
необходимостью точной обработки и соблюдения режимов обра-
ботки, высокие капиталовложения и необходимость в высококва-
лифицированном персонале. Преимущества процесса: кратковре

возможность работы в две или в одну смену, высокая культура
работы, хорошие экологические показатели (при цементации в
вакууме используется всего I % газа-карбюризатора, необходи-
мого при обычной цементации), возможность полной автомати-
зации цикла цементации.

Создана установка Зля высокотемпературной вакуумной це-
ментации с рабочим пространством диаметром 220 мм и высотой
400 мм, которая уже эксплуатируется. В качестве науглерожи-
вающей среды использован природный газ, подаваемый под
давлением 20...100х133,322 Па. Скорректирована система очи-
стки газа от серы.

Условия, возникающие при вакуумной цементации, и повы-
шение температуры процесса до 1150’С, по сравнению с
цементацией в промышленных установках <900.-950*0, позво-
ляют интенсифицировать процесс науглероживания. Изменяя
давление в рабочем объеме (а, следовательно, углеродный
потенциал среды), можно менять содержание углерода в цемен-
тованном слое.

Цементирование быстрорежущей стали. Применительно к
образцам из стали, легированной подобно Р6М5, но с 0,16% С,

был определен рабочий

обеспечивающий

необходимое содержание углерода (0,85...0,95%) в поверхностном
слое, а именно, 35-40 мм рт. ст.

Изготовлена и опробована опытная партия метчиков М 10 из
низкоуглеродистой (0,16% С) стали типа Р6М5. Эксплуатаци-
ОИиия стойкость метчиков, изготовленных по новой технологии
I 1,5 раза выше, чем изготовленных из стандартной стали Р6М5.

Значительный интерес представляет также ионная цемента-

Ионная цементация, как и ионное азотирование, осуществ-
ляется в тлеющем разряде при пониженных давлениях.

Преимущества этого процесса аналогичны преимуществам
Цементации в вакууме, причем расход реактивного газа минима-
лен. К недостаткам процесса можно отнести необходимость
Применения специального оборудования, невозможность проведе-
ния непосредственной закалки и некоторые ограничения при
Цементации деталей сложной формы. При цементации глубоких
Отверстий их диаметр должен превосходить по размеру толщину
Слоя плазмы не менее чем в два раза.

За рубежом и в СНГ проводятся экспериментальные работы
|ю ионной цементации конструкционных сталей. Сравнительный
анализ ионной цементации с обычной при 900°С и вакуумной

Мет самую высокую поверхностную твердость (HRC, > 66) и
Гораздо большую глубину эффективного слоя, имеющего HRC,
>51. Так, в течение 52 мин при )050”С глубина этого слоя
составила 2 мм. Для достижения одинаковых результатов
требуется вдвое меньше времени по сравнению с вакуумной
цементацией и меньшее давление <20 вместо 375(х133,522 Па)).
Исследования в области ионной цементации вызваны стремлени-

конфигурации.

В ионной цементации заложены значительные резервы повы-
шения скорости процесса и его производительности. Эксперимен-
ты показывают, что по сравнению с обычной газовой цементацией
сокращаются длительность процесса на 90%, расход энергии в

высокая экономическая эффективность ионной цементации. Так,
по мнению специалистов фирмы Vivas, себестоимость этой
обработки примерно вдвое ниже себестоимости газовой цемента-

тех вакуумных печах, которые наиболее успешно применются в
Пионии. Предполагается промышленное применение ионной
цементации зубчатых колес, валов двигателя и других деталей
литомобнля.
Таблица 6.1J

Влияние режима ионной цементации в
пролано-бутановой смеси на толщину слоя на стали 15

Ионную цементацию можно проводить и с использованием
газовых или жидких углеводородсодержащих карбюризаторов
(таблица 6.12). Легирующие элементы оказывают значительней-
влияние на термодинамику карбидообразования при цементации.

Хром, сильнее других легирующих элементов способствует
образованию в стали карбидов в процессе цементации. Марганец,
также являющийся карбидообразующим элементом в стали
(стабилизирующим цементит), наоборот, почти не влияет на
содержание карбидов в цементованном слое. Указанные различия
в склонности к карбидообразованию как и в морфологии
цементита, образующегося при цементации хромистых и марган-
цовистых сталей, предопределяются влиянием хрома и марганца
на термодинамику карбидообразования.

Холодная пластическая деформация и последующий нагрев
оказывают существенное влияние на толщину и структуру
науглероженного слоя. Это влияние обусловлено, очевидно,
дефектами кристаллического строения. При малой плотности
дислокаций (малые предварительные деформации и высокие
температуры отжига) структура фронта аустенито-карбидного
слоя грубая, толщина науглероженного слоя большая. С увели-
чением плотности дислокаций (большие деформации, низкие
температуры отжига) структура диспергируется, толщина слоя
уменьшается. Это подтверждает известные представления о роли
дислокаций как ловушек при диффузии атомов внедрения и об
ускоряющем влиянии на процессы зарождения при выделении
избыточных фаз.

Наблюдаемое

>гии науглероженного слоя

после химико-термической обработки представляет практический
384
кой ,

с. С помощью предв

К&бледующего теплового воздействия можно подготовить струк-
Ър так, чтобы после науглероживания получать особые повер-
{вгтные свойства материалов.

Можно, например, получать структуру с поверхностной
^тнистостью, в которой будут чередоваться аустенито-карбид-
Al и ферритно-карбидные прослойки.

 Параметры горячей прокатки оказывают большое влияние на
Шффузию углерода в стали, что проявляется в изменении
Пущины диффузионных зон. Влияние горячей деформации
|||1ливастся с увеличением степени деформации.

Относительное расширение диффузионной зоны стали под
Содействием горячей пластической деформации обусловлено
существенным влиянием дефектов атомно-кристаллического стро-
•Ииа, образующихся и перемещающихся в процессе деформации
К разупрочнения стали.

обусловливает сущест-
гзионной зоны в цемен-

Таким образом, горячая де

Томиной стали. Параметры горячей прокатки сказываются на
Структуре диффузионной зоны.

В настоящее время широкое применение находят численные
&тоды исследования цементации сталей. Однако в большинстве
Исследований при описании диффузии углерода с поверхности в
обкм материала недостаточно строго учтена концентрационная
мвисимость коэффициентов диффузии. Стали, получаемые ме-
тодом порошковой металлургии, характеризуются неравномерным
распределением легирующих элементов по объему.

Разработан метод численного исследования процесса цемента-
ции порошковых легированных сталей высокой плотности с
учетом концентрационной зависимости коэффициентов диффузии
I соответствии с теорией термодинамики неравновесных лроцсс-

многокомпонентной системе опи<
ск их квазилинейных уравнений.

Методами математической ст.

концентра-

ционные и температурные регрессионные зависимости коэффи-
циентов самодиффузии железа, хрома, никеля и углерода в
различных модификациях сплавов на основе железа. Коэффици-
енты взаимной диффузии, вычисленные с учетом выведенных
(|х»рмул концентрационной зависимости коэффициентов самодиф-
фузии, хорошо согласуются с экспериментальными данными. Это
даст возможность сократить трудоемкие экспериментальные из-
мерения коэффициентов взаимной диффузии в многокомпонент-
Описанные разработки позволили составить программы дли
ЭВМ “Минск-32” для численного исследования процессов ценен
тации спеченных легированных сталей. Алгоритм учитывав
концентрационные зависимости коэффициентов диффузии и
применим для любых форм включений с легирующими элемен

При исследовании цементации спеченной железохромистчч
ста уч с привлечением разработанной программы были устаноп

являются важными технологическими характеристиками, тл
экспериментальные исследования показали, что после интенсик
ного выпадения карбидных включений происходит наиболее

чений пластических характеристик после их уменьшения в ходе
цементации.

Разработанные программы могут найти широкое применены
для численных исследований кинетики процессов хнмикотерми
ческой обработки порошковых сталей, а также для нахождении

На практике применяют в основном три вида цементации: н
твердом карбюризаторе, газовую и в жидком карбюризаторе. Их
технологические особенности представлены в таблице 6.13.

Способы цементации стали

	|1Н Hi			
Цементация в твердом карбюризаторе				
(березовый) 70-76%;  ВаСо, 20-25%;  CaCOj 3-5%				Ящики загружают в  700‘С либо имеющую рабочую температуру.
ВаС^К)2%;^СаСО  мм, влажность не более 5-6%	930-950			
	III			
Газовая цементация				
городского газа  16-20% СО; 12-16%  30-40%  11,1 20-30% N,	930-950		0.6-1.8	Процесс проводят в без муфельных
> Эндогаз ♦ 3-5% природного газа (до	930-950		0.6-1.8	Тоже.
iliil ,1Й	930-950		0.8-I.8	Процесс проводят в шахтных или
|	Жидкостная цементация				
I Сол иная ванна состава: III 115% Na,COj+IO-15%				Для мелких деталей.  Карборунд добавляют

Таблица 6.14

Области применения сталей с цементированным слоем
		
Повышенной прочности с 0,12-0,2% С: 18ХМА, 12Х2Н4А. 15Х2ГН 2ТА. 20ХГР, 18ХСНРА, 15ХГНТА. 15Х2ГН2ТРА. I3H2XA, I2XH2. 15ХГНВА	Ответственные нагруженные шестерни разного модуля и другие детали, работающие в условиях высоких удельных нагрузок, с максимальным рабочим сечением 50-75 мм (I8XMA. 20ОХГР - 40-60	
ол£оЖ^т. ЗОХГТ. 18Х2Н4ВА. 10Х2Н4А, 20ХГНР. 20ХГР. 25Х2ГНТА. 20ХНЗА, 20ХГВТ. 20ХГСВТ. 20ХГН, 16ХГГА, 15ХГНТА. 15Х2ГН2ТА, 20Х2МЮР, 15Х2ГН2ТРА. 14ХГСН2МА, 2ОХ2СФР. 22ХГНМАЮ	модулей дл^Ттяжелых Р' условий работы сечением 100-120 мм (25ХГТ. ЗОХГТ. 20ХГВТ, 20ХГСВТ, 20ХГН-60-80 мм).	900-1000
Штамповая полутеплостойкая и теплостойкая, а также легированная с 0,3-0,5% С: 50ХНВ. 50ХНМ. 50ХНТ, 40ВФС, 40X4 М2, 45Х5В4МФС. 40Х. 40ХН, 38ХГСА. ЗХ2В8. 45ХЗВЗМФС	Детали технологической оснастки и штамповочного инструмента^холодной и	
		
Инструментальная и	некоторые детали машин.	
ШХ15, ШХ15СМ, ШХ9, 7X3. 9ХС, Х12Ф, Х12М в др.		
20X13* 0X17. ?4Х!7Нг ’ 13Х14НВФРА. 10Х16Н2АМ, 12Х12НВМА и др.	в коррозионных средах, а также инструмент: режущий, мерительный, хирургический, холодной, горячей обработки	
Быстрорежущая и	Режущий и мерительный  развертки, фрезы, метчики, скобы, пробки и др.).	1000-1250
по химическому составу к быстрорежущей		
Ковкий серый в высокопрочный чугун (50)	Детали машин и технологической оснастки различного назначения, работающие в условиях абразивного износа.	730-950

Таблица 6.16

Режим термической обработки деталей машин, изготовленных из цементируемых сталей

			Ц<меят«ам“			Тмдостъ	
							
	20	ИХЬ020	16-18	2.-2Л	780-800’С.^тоуск при IMMSO'C.	54-58	138-158
Ось ходового колеса  грузоподъемностью 27O/4SZ15 г. ось обоймы механизма подъема груза мостового крана грузоподъемностью 30 г, ось паразитной шестерни			14-18	1.5-2.0	Охлаждение в цементационном ящике на воздухе до температуры окружающей среды, закалка в воде с температуры 76О-78О*С. отпуск при 180-200‘С.	58-61	
Валлк и щека звена цепи					Охлаждение в цементационном  среды, нормализация при 870-890‘С. закалка в воде с	58-61	


I g g § H

’s ! 'I ?	11
I *'	g Й	! 8	! a	1 s
Ilf	I	I	i	I
1  1	(hi  fill	hs fi	I °« h»!t toi ни	
1 1}		A	A.	X	I
'll-		4	a	a
	I	§	!	i
1!	M	i	I	1
H	ill ill hi	Й! Й iH	и Hl 11 hi	II si lh Hi


		——-			«Ч^«4*****-—	- --	
						ТХ’	
Шестерня (m ж 10 мм) редуктора механизма	20ХНЗА			1-1.2	Х^Гда“ип^р'»'“°""°"		
а^тропушк»					нормализация прн 860-880’С,		
	2<|.ХНЗА			1-1.2	Подсгуживание на воздухе до 860', закалка с масле, закалка в масле с температуры 780-800‘С, отпуск прн 180-200’С.		
Шестерня (т»4мм) привода бура бурильной машины	20ХНЗА	>70-900	3-S	ОЛ-ОЛ	Тоже.	S6-41	383-398
3. Азотирование

Азотированием называется процесс насыщения поверхности

высокую твердость, которая сохраняется до температур 600
650*С. Азотированный слой имеет высокую износостойкое»».,
хорошую коррозионную стойкость, повышает сопротивлснп»
деталей усталостному разрушению, способствует уменьшении-
склонности к задиранию, повышает шлифуемость и полиру»*

цементация. Азотирование применяется для упрочнения гиды
цилиндров, клапанных пружин дизельных двигателей, коленча
тых валов, ходовых винтов различного инструмента, детален

В основном применяют следующие типы электропечей пери
одического действия, в которых обычно производят азотирование
США-3,2.4,8/6Л01, США-5,7,5/6Л01, США-8.24/6Л01, СНА
6,5.22.10/6М-Л 01.

Структура азотированного слоя на железе и углеродистых
сталях в процессе диффузионного насыщения определяется

в системе железо-азот могут образоваться четыре фазы, условии

Аустенит при последующем охлаждении распадается иа а

химическое соединение Fe4N. Эта фаза имеет решетку гранецен
рировнного куба. С увеличением концентрации азота параметры

Насыщение поверхности азотом происходит при разложении
аммиака в контакте с металлической поверхностью при высокой
температуре по реакции:

NH3—»3H + N

При этом образуются атомы (радикалы) азота, которые
диффундируют в металл.

Толщина азотированного слоя и содержание в нем азота
зависит от многих факторов. Количество продиффундировавшего
в металл активного азота определяется температурой процесса,
давлением и скоростью прохождения аммиака через печь. Обычно
азотирование производится при температуре 500-600’С в течение


10-60 часов. При этом глубина азотированного слоя получается
 пределах 0,25-0,65 мм. С повышением температуры процесса
скорость диффузии резво возрастает, что позволяет сократить
время азотирования. Однако при этом происходит коагляция
нитридов и снижается поверхностная твердость.

Азотированию подвергают стали, имеющие в своем составе
сильные нитридообразователи. Наиболее распространенный мар-
кой азотируемой стали является 38Х2ЮА. Хром и алюминий
образуют устойчивые нитриды, молибден - устраняет отпускную
хрупкость и совместно с хромом увеличивает прокаливаемость.
Твердость этой стали после азотирования HV “ 1100-1200.

Для азотирования используют стали 38ХВФ10А, 38ХЮ,
I2X2H4BA и др. Кроме того, азотированию подвергают детали
коррозионностойких, жаростойких и инструментальных сталей.
Предварительно изделия проходят необходимую механическую, а
также термическую обработку, заключающуюся обычно в улуч-
шении или закалке и высоком отпуске.

Например, для деталей из стали 38Х2МЮА рекомендуется
закалка с температуры 930-950”С и последующий отпуск при
630-650’С.

Влияние предварительной обработки и атмосферы азотирова-
ния на азотирование видно из таблицы. 6.17.


Таблица 6.17

Влияние предварительной обработки и отмосфера азотирования на азотирование

		w” «г A				»v,. le-ni	
		SIXMtOA	MX	JtXMfOA	MX	58ХМЮА	MX
и'о-с	+ <”"у“ "р"	«25 ♦ 45%	5.9	2.4	0,42	04	1170	7420
То же. прв 550’С		5.4		0.40	0,38	108)	7340
То же, прв 575’С			2,5	039	0,34	1033	7130
То же, прв 600'С		53	2.9	038	03	1018	7000
То же, прв 650’С		5.8	2.2	0.39	03	1000	7000
Улучшен...	NH36 = 6O%	5,7	33	030	0,28	1170	7130
	NH. 6 = 25 ♦ 45%(24) + 8 = 8 ♦ 100% (6 ч)	3.0	13	0,21	2,0	927	6000
	90% Nj* 10% NH,	0.45	03			874	4000
	70% N2+30%NHj	3.0	2,0	0,35	0,49	1150	8200
Улучшение + нагрев	NH,8 = 25 ♦ 45%	6.6	3,1	0,49	0.45	nso	7130

Улучшение проводили по режиму •) стель 38ХМЮЛ - эакллкя от 940*С. отпуск при 450'С: 61
		"'		I»’’ sr-wk		"ЛТ"1—		XV.. L'n.	
		МХМЮА	40X	зсхмюл	MX	МХМЮЛ	MX
ООиуглерож^им* *	NHj5 = 25*45%	10,6	2.4	0,45	0,38	1140	6900
To же, 950’C, 12 ч			3.6	0.6	0.4	1190	7000
Обезуглероживание + улучшение 800'C, 12 ч	90%N.+ 10% NH- 70%Nj>30%NH]	0,6 2.2	-	0.63		uX	
Для деталей, работающих на износ при небольших контак

диффузионного слоя с развитой нитридной зоной, от которой
зависит приработка трущихся поверхностей и сопротивление
коррозии.

Для деталей, работающих при циклических нагрузках в
условиях износа при повышенных контактных нагрузках, нужно
стремиться к получению слоя с большой зоной внутрснноп)

Варьирование структуры слоя позволяет получать разнооб
разные сочетания свойств слоя и сердцевины. Это подверждается
многочисленными примерами применения азотирования для раз-
личных групп деталей.

Азотированием упрочняют детали, работающие в самых
разнообразных условиях, т.е. в очень широком диапозоне нагру-
зок, скоростей, температур и различных коррозионных средах.

Для деталей типа шнеков, плунжеров и других, работающих
на износ в атмосферных условиях целесообразно проводить
азотирование по режимам, при которых на поверхности образу-
ется нитридная зона с оптимальным фазовым составом строе-

работы при знака

большой зоной внутреннего азотирования.

Для режущего инструмента слой должен состоять только из
диффузионного подслоя без хрупких нитридных фаз на поверх-
ности, так как они ухудшают свойства и стойкость инструмента.

Для штампов, пресс-форм литья под давлением необходим
комбинированный слой с поверхностной зоной нитридов, которая
улучшает штампуемость и оказывает сопротивление коррозион-
ному воздействию расплавленного металла при литье под
давлением.

Особо точные детали с малым диапозоном допусков реко-
мендуется до процесса азотирования подвергать стабилизи-
рующему отпуску при 600-630’С с последующим медленным
охлаждением для снятия напряжений. Следует избегать завыше-
ния температуры нагрева под закалку, поскольку большое зерно
приводит к образованию грубой нитридной сетки. Азотирование
должно являться окончательной операцией, после которой может
производиться только окончательная дошлифовка.

Защита необходимых участков деталей от азотирования
осуществляется гальваническим лужением или при помощи

Схема технологических вариантов азотирования представлена



В промышленности в настоящее время применяют три
различных вида азотирования: для получения высокой твердое»»»

поверхностного слоя, антикоррозийное ионное и

Для получения высокой твердости деталей из конструкции»»
ных легированных сталей процесс ведут при темпратуре от 5<и>
до 520’С в течение до 90 часов. Степень диссоциации аммиаки

При одноступенчатом режиме азотирования процесс ведут при
постоянной температуре (500-520’С). Чем ниже температура
процесса азотирования, тем выше твердость азотированного слоя.

Для сокращения времени азотирования применяют двухсту
пенчатый процесс: вначале устанавливают более низкую темпе
ратуру (500-520’С), а затем ее поднимают до 560-570’С. Это
приводит при пониженной температуре к образованию вначалс
тонкого хорошо насыщенного азотом слоя с мелкодисперсными

нитридами, а затем, при пов



диффузии возрастает и сокращается время получения необходи-
мой толщины азотированного слоя. Двухступенчатый цикл азо
тировения снижает время процесса насыщения стали азотом в

Рекомендации производству.

руководствоваться данными приведенными в таблицах 6.18
(параметры процесса), 6.19 (режимы).

Таблица 6.18

Основные параметры процессов газового азотирования с
добавками углеродсодержащих газов

		Рехкм		Толшш САХ. мм	
		Т”*-			
природный гоз	азотирование (СНП	S70	6-S	0.20	03
природный	нитроцементация	5S0-570	2-20		0.4-03


		Режим		Таоал* сям. зм	
					
Итз (1:1)	(США. Япония)	370	2-3	0.01-0,03	0.4-I.0
IMoruj (1:2)	Ннтрок (ФРГ)	370	з	0.01-0,01$	0.3
	нитроцементация (СНГ)	580-600	6-10	0,007-0,012	0.3-0.S

Таблица 6.19

Рекомендуемые режимы прочностного азотирования
конструкционных и коррозионностойких марок стали

				
ЦХ2МЮА	г „	«410	0.40-0.50	1000-1100 850-1000 850-1000
I8X2H4 МА	490-510	40-50	0.35-0.40	750-850
«ХН2МЛ	510 для первой ступени  540 для второй ступени		0.5-0.6	600
ДОХЗМФ	560	24	0.5	900-950
ЮХИ2МФА	510 для первой ступени	33	0.5-0.6	730
4OXI12MA ПХ2Н2МА МХНЗМФА	500-320	SO-60	0,5-0.6	640-700
4ОХ2Н2МФА ЮХН2МФА	540 для второй ступени	м	0.6-0.7	
МХНЗМФА	500	30		700
ЗОХЗМФ	500-525	60-80	0.35-0.55	750-800
10X13		«	0*25^30	1000-1050
Рекомендуемые режимы
приведены в таблице 6.20.

Таблица <>..'Ч

Режимы антикоррозионного азотирования

	с		
Ст1-Ст5. Сталь 10. 600	600	60-120	35-5%
	650	45-90	45-6%
Сталь 50. А12-А20	700	15-30	55-SK
40Х.У7-У10. ШХ15	закалкой \о 770-850*)		

Низкотемпературное азотирование - один из эффективных
способов создания диффузионного покрытия на режущем инет
руменьте из комплексно-легированных сталей. В результат
азотирования повышается износостойкость инструмента, eni
теплостойкость, уменьшается налипание обрабатываемого метал

ла. Кратко

режущег

та (фрез,сверл) увеличивает его стойкость в 1,5-2 раза, прием
максимальная эффективность упрочнения режущего инструмент.!
достигается в случае получения азотированного слоя только на

основе твердого азота в железе толщин
на поверхности нитридов железа ведет к
кромок инструмента.

мм. Наличие
шию режущих

Для снижения хрупкости азотированного слоя рекомендуется
80% режущего инструмента из быстрорежущей стали подвергать
обработке диссоциированныь аммиаком с добавлением до 1%
паров воды. При этом стойкость режущего инструмента возра-
Мрпиегося только закалке и отпуску.

> Но Минском тракторном заводе внедрен разработанный
|М»стно с Белорусским политехническим институтом процесс
^нитрирования, в котором содержание аммиака выбирается
1ВВЛСИМОСТИ от назначения инструмента. Оксинитрирование в
Йкфсре с небольшим содержанием аммиака увеличивает
(Ккостойкость, главнвм образом, мягких сталей, склонных к

атмосфере

он на сталях, содержащих в структуре твердые составляющие
аьшое количество распределенных карбидов, действующих как
кзив). Температура процесса 520-560*С, выдержка - 1ч.

струмента павысилась на 30%, а отдельных его

При совершенствовании процесса азотирования должны быть
рцнспы следующие важные задачи:

- создание регулируемого процесса, обеспечивающего получс-
аданного газового состава, строения и глубины диффузион-

интеисификация процесса формирования азотированного

,1,п

азработаны два принципиально новых метода прямого

Вать азотный потенциал атмосферы печи по ее ионному составу
(ионные диссоциометры), а другой - открывает возможности
Примого анализа кинетики формирования диффузионных покры-
тий в процессе азотирования (токовихревые анализаторы).
Азотный потенциал контролируется при помощи ионизационного

активности атмосферы, изменения ее состава а также применения
магнитных полей и различных видов электрических разрядов

Повышение давления в печи нередко приводит к пробиванию

жпние этого на Читинском

мгт саморегулирующий клапан очень простой конструкции (рис.

3.7). На газоотводной трубке I укрепляют колпачок 2, в
Саморегулирующийся

сверх установленного клапан поднимает
и избыток газа отводится через кольцевой
зазор между колпачком и стержнем клана

В таблице 6.21 приведены опытиис
данные по средней скорости азотировании
при различных температурах. Для предо!
вращения хрупкости, развивающейся при

применяют трехступенчатый цикл азопш

1)	образование слоя высокой твердых ш
при 500-520’С;

2)	увеличение глубины при темпера п
pax 600-620*С;

уменьшения его концентрации у поверхн<>
сти при 500-550‘С.

Таблица 6.21

Средняя скорость (мм/ч) азотирования в зависимости
от температуры процесса и глубины слоя

	Темпцчгур» проиесса. "С		
	500	550	too
До 0.2	0.02	0,04	
0,2-0,4	0,015	0,03	0.06
0.4-0.6	0,010	0.020	0.03
0.6-0.8		0,015	0,02

может быть достигнуто двухступенчатым циклом, если в конце
процесса повысить степень диссоциации аммиака или выдержать
в течение 4-6 часов в среде полностью диссоциированного

аммиака.

Пример. На Воронежском машиностроительном заводе для
азотирования инструмента из быстрорежущих сталей используют
печи типа **Ц”, переоборудованные для азотирования. Стойкость
азотированного инструмента повышается в два-три раза.

Фирма Holt Brothers (Halifax), Ltd (Англия) при проведении
азотирования использует колпковую печь фирмы Efco (Англия) с
диаметром рабочей зоны 1,2 и высотой 1,5 м. В течение последние
годы при этом применяется микропроцессор Honeywell DCP 7700,
обеспечивающий программирование температурного цикла с
мой точностью по заданой температурной кривой. Темпера-
I задается в градусах Цельсия. Загрузка садки и выбор
Гриммы осуществляется нажатием кнопок на панели. В память

Регулирование работы различных систем, а также выбор
Много полуавтоматического и полностью автоматического ре-
1Мон обеспечивают приборы и кнопки, расположенные на
|шюй контрольной панели. Обработка ведется только в

Г Цикл обработки начинается с автоматического включения
штройства. задающего программу, и измерителя скорости
pnoK.i газа, который регистрирует скорость продувки реторты
Щктым аммиаком, поступающим с высокой скоростью.

Поддержание температуры в течение времини обработки
Йбоспсчивается устройством, задающим программу.

Специальный регулятор по показаниям инфракрасного ана-
Дизитора, а также измерителей расхода неразложившегося и
Г .вложившегося аммиака поддерживает заданное количество его
через каждые 6 мин. записывает соответствующие данные.

ры.г между собой природным конвейером. Отливки головок
|лнков цилиндров поступают на конвейер с фрезерного станка
I’bicinnati Milacron, где производится первая операция обработки
вязовой поверхности. Каждая заготовка транспортируется на
розицию ожидания, где она фиксируется на специальной раме,
установленной на секции конвейера, которая может поворачи-
ваться на 90*. Отливка, находящаяся под углом 90’ относительно
Первоначального направления движения, выталкивается пневмо-
Цилиндром рамы фиксация в ожидающее ее крепежное приспо-
собление. Это приспособление является неотъемлемой частью

Метение, необходимое для захвата и установки детали в позицию

расположенных напротив шпиндельных головок станка.

Обычно для каждой детали на станке требуется только два
Положения в позиции обработки, для которых используются
упоры. В случаях, когда требуется более двух положений,
приспособление для крепления детали перемещается шариковой
парой винт-гайка согласно программе в любое заданное положе-
ние. Одновременно обеспечивается тонкая поднастройка при
позиционировании.

Работа линии и вся последовательность движения находится
под контролем программируемой логической системы управления


Высокая точность регулирования процесса азотирования Nil
robrile оказывает влия1те на микроструктуру упрочненного сл.ч,
в том числе на получение или полное исключение белого слоч

Используемое оборудование при обработке зубчатых кол<*| •

< 0.02S мм, в то время как при ионном азотировании таких



вся следующие дефекты

Таблица ь.11

Виды брака при азотировании
и способы его устранения
Азотированию с целью повышения износостойкости подвер-
|в>т инструмент, проходящий отпуск не ниже 56(УС.

Для определения времени выдержки в ватте с момента прогрева
>*тн> воспользоваться данными, приведенными в табл. 6.23.

Таблица 6.23

Выдержка инструмента, изготовленного
из быстрорежущих сталей, при жидкостном
азотировании и цианировании

Ижтожм		
С^врлп, развертки и зенкеры	1	
	Свыше 30	
		
	6-9	8-10
ре»«он.ре»мс	Свыше 50	;®
..ермчные в шлтввые	Свышс°60	20-26
И*ТРУ-«П		
цилиндрические. фасонные и торцевые	до 30	10-12
	30-40	16
	40-60	20
	Свыше 60	25-Зн
дисковые	1—7	6
	2-5	Я
	5-10	12
	10-15	15
	Свыше 15	18-23
фасонные и тангенциальные	10-20	12-30
к зубострогальным станкам	6-8	10-12
токарные н строгальные	12-25	12-40
ДОлС’ЯНКИ	10-15	15

При химикотермической обработке глубина насыщенного сл
в некоторых случаях бывает больше требуемой, в других
меньше требуемой, иногда возникает коробление и деформации.

химикотермической обработки, основные причины его появлепкч.
мероприятия по устранению брака приведены в табл. 6.24.

Таблица 6.24

Брак при цементации и азотировании
			
Я рментнро ванном	Определение просмотр микроскопом.	карбюризатора: перегрузка печи	карбюризаторе.
	SSTXJoSLn’Si.	Тоже.	Тоже.
Лауглсрожя-	твердости;  просмотр шлифа под микроскопом.	медленное  ящиков с лсчью	цементация при нормальной
~г‘	Опредение твердости.	изделия, усадка карбюризатора.	применение крупнозернистой
МИ IP  !		Применение карбюризатора.	Нагрев в ящиках со смесью угля с 3-5%
			920^940‘С и  агой температуре
Азотирование стали:			
Коробление и деформация	бие,ш>	Нпряжения.	Длинные детали азотировать в подвешенном  подвергать ста- билизирующему ЕНй  обработкой. Для  ходимо преду-
		сердцевины.	


			
азотированного	Осмотр	|;	азотирования
		стоя к сердцевине	
Хрупкость	определение  пирамидой в	Чрезмерное	
			
		слоя	
Хрупкость	Определение  вдавливания пирамиды	содержание  40%) при	селитровой ванне прн S5O-56O‘C с выдержкой в течение 30 мин.
быстрорежущей			
Для азотирования применяют шахтные или камерные печи.  действия, включаемые в автоматизированный процесс.  4. Интенсификация процессов азотирования и цементации			

Схема методов интенсификации ХТО прсдставлсни ниже.
Существенный недостаток азотирования ~ медленность процес-

диффузии прн азотировании испоьзуют воздействие ультразву-
ковых колебаний, нагрев деталей гп.в.ч. и тлеющий разряд.

При азотировании с нагревом Т.В.Ч. образуются активные
атомы азота, вследствие этого газовая фаза становится более
активной и адсорбционные процессы ускоряются.

Применяют ламповые и машинные генераторы, частота от 8
до 300 кГц (72-в).

Азотирование в ультразвуковом поле также обеспечивает
некоторую интенсификацию процесса вследствие увеличения
адсорбиционной способности поверхностного слоя при воздейст-
вии на кристаллическую решетку обрабатываемого металла
ультразвуковых волн. Прн этом увеличивается плотность дисло-

каций и образуется большое количество избыточных “деформл
ционных” вакансий.

Этот способ азотирования также способствует повышению
твердости диффузионного слоя.

Интенсификация процесса азотирования может быть также 1
достигнута путем активизации газовой среды тлеющим, дуговым,
коронным и искровым разрядами, воздействием магнитного и I
электростатического поля, облучением ультрафиолетовыми и j
улучали. Из этих методов активизации газовой среды наиболее
распространен метод азотирования в тлеющем разряде (ионное
азотирование), точнее говоря, азотирование азотом в плазме
тлеющего разряда

Этот процесс осуществляется в разряженной атмосфере азота
пли аммиака. При этом обрабатываемая деталь является кати
дом, а контейнер установки - анодом, между ними возбуждается
тлеющий разряд и в результате бомбардировки ионами газа
поверхности детали последнюю нагревают до температур на
сыщения.

Режым процесса:

температура азотирования, °C

1 + 10 133, 322

400 + 1100
470 + 580

Продолжительность процесса от нескольких минут до ТА

Комплексные исследования и разработка оборудования про-
водятся в МАДИ, МВТУ им. Бауманна, МАИ и в др. институтах.

поверхности и ускорения процесса, обеспечивает сохранение
высокого класса шероховатости, незначительные оеФормации
изделий, повышение коэффицента использования электроэнергии,
сокращение расхода насыща ющих газов и большую экономичность
процесса Существенно также то, что процесс азотирования в
тлеющем разряде не токсичен и соответствует требованиям по
защите окружающей среды.

Применять этот процесс можно для азотирования сталей
типа нитраллоев, хромистых И хромоникелевых сталей, инет-

На ВАЗе впускные клапаны двигателя подвергают ионному
азотированию. Применение ионного азотирования для клапанов
обусловлено тем, что их изготавливают из высокохромистой стали
мартенситного класса (4Х9С2). На этой стали другими методами
газового азотироования трудно получить слои, аналогичные
образовавшимся при мягком азотировании, без применения
ролнительных операций перед насыщением, вследствие обра-
Иния на поверхности окисных пленок на основе хрома.

Твердость поверхности и глубина слоя при ионном азотиро-
значительно выше, а износостойкость выше на 20-25%.
1вдует отметить, что при ионном азотировании значительно
еньшается коробление. В азотированном слое после ионного

слоя, полученного

W, нитридная зона стали 40ХГНМ состоит преимущественно

Чистота поверхности после ионного азотирования практи-

Клапанов.

Масштабы влияния тлеющего разряда на свойства обрабаты-

температуры катода и средней энергии бомбардирующих его
Поверхность ионов при формировании покрытий в тлеющем
разряде. Расчет температуры катода проводился с помощью
Преобразования Лапласа.

повышением температуры катода (соответственно газа в прика-
Тодной области) уменьшаются затраты энергии на ионизирующее
столкновение и на вторичные эмиссионные процессы на повер-
хности катода. В связи с этим происходит перераспределение
анергии по межэлектродному промежутку (катод - анод), причем

большая часть ее выделяется непосредственно у элекродов.
Уменьшение потерь энергии в результате столкновений с моле-
кулами и атомами газовой фазы приводит к повышению средней

Таким образом, проведенные расчеты позволили установить
зависимость температуры катода от величины поверхностной
плотности потока энергии разряда, объяснить несоответствие
с экспериментальными данными и оценить изменение энергии
ионов, передаваемой поверхности катода в условиях тлеющего
разряда. Полученные выражения позволили объяснить ряд зако-
номерностей формирования текстуры и лверхностной огранки
кристалитов в плазме тлеющего разряда.

Разработан процесс ионной цементации стали 20Х2Н4А с
применением пропана. Опытная установка ионной цементации
была создана на базе серийной печи ионного азотирования НГВ
6.6/6-И1, в которой осуществляли цементацию образцов и
деталей типа шестерен при температурах от 900 до 1050*С.
Остановлено значительное ускорение процесса ионной цсмги

получения цементованного слоя толщиной 1,7 мм при гаа:«ни>|
цементации в шахтной печи при Т-930*С, требуется 18-20 ч
то при ионной цементации для получения такого же i пн

930’С в случае ионной цементации время изотермичен юн
выдержки сокращается в 3 раза по сравнению с галоши!
цементацией в шахтной печи Ц-105.

логии ионного азотирования представляет интерес уточнешк
причин, обусловливающих высокую скорость формирования а ли
тированного слоя и роли ускоренных заряженных частиц в этом
процессе.

Установлено, что ускорение процесса азотирования в ано
мальном тлеющем разряде может быть обусловлено не толью
воздействием на обрабатываемую поверхность потока ускорении*
положительно заряжденных ионов, которым, как правило, обь
ясняют это явление. В то же время измерение микротвердосш
по толщине азотированного слоя и металлографический аиалт
показали, что азотированные слои на катоде и аноде несколько
отличаются, в частности, по характеру распределения микротвер

Это связано с особенностями нетеплового взаимодействии
катода и анода с частицами плазмы тлеющего разряда.

Разработан процесс азотирования титановых сплавов спосо
бом ионного азотирования в тлеющем разряде бомбардировкоп
пучками высокоэнергетических ионов и нейтральных атомов

Для осуществления процесса азотирования пучками высоко
энергстичных ионов и нейтральных атомов ипользуется источник
быстрых нейтральных частиц с электронно-ионным колебатель
ным разрядом. Конструкция источника позволяет получать
достаточно многоэнергетичных пучков нейтральных атомов и
ионов с широким диапазоном энергий и постоянного тока в

С увеличением энергии бомдарднрующих частиц глубина
азотированного слоя возрастает, что подтверждается результата-
ми металлографических и ренгеноструктурных исследований, а

При бомбандировке нейтральными атомами после образования
нитридной корки определенной толщины, при постоянной энергии
частиц пучка происходит значительное отражение частиц от
поверхности и вблизи образца образуется некоторое плазменное
пмшание. Нейтральные атомы частично ионизируются в
юб|юзцовой плазме и происходит процесс обычного ионного

Н результате эксперимента установлено, что при радиацион-

.|0О 1400 HV при ЮОО'С. 900-1800 HV при ПОО’Си 1700-2100
IRV при 1 гОСГС. При этом важную роль играет количество
Нитрующего элемента, в основном металле.

II СНГ процесс ионного азотирования освоен в станкостро-
ительной, автомобильной и других отраслях промышленности

Московском станкостроительном заводе “Крсный пролетарий"
Применено низкотемпературное ионнное азотирование (350-
400'С) в атмосфере полностью днссоцинрованниого аммиака с
Последующим низким отпуском, исключающим перегрев режущей
кромки инструмента. Образующиеся после азотирования нехруп-
кие диффузионные слои толщиной 8-20 мкм и твердостью
11000-12500 МПа по Виккерсу приводят к повышению стойкости
инструмента в 1,5-2,0 раза.

Ионному азотированию подвергают разнообразный инстру-

мелкосерийном производстве, каковым является инструменталь-

разно, так как при этом коэффицент загрузки оборудования
низкий, а оснастка разнообразна.

В развитых капиталистических странах /ФРГ, США, Фран-
ция, Япония/ ионное азотирование применяют в автомобиле- и
моторостроении и некоторых других отраслях промышленности.

румента с учетом конкретных условий его эксплуатации.

Ионное азотирование проводится на автоматизированных
установках типа ИОН-20 и ИОН-ЗО в плазме тлеющего разряда
с использованием азотсодержащей атмосферы (смесь азота с
водородом, 1:3).

Продолжительность процесса ионного азотирования 0,1 -
10 ч. при температуре 450-560”С.

Для режущего инструмента в зависимости от его габаритных
размеров, геометрии режущей кромки и условий эксплуатации
целесообразно использовать низкотемпературные кратковрем-
менные режымы азотирования: температура 450-530'С, продол-
жительность насыщения 0,1 - I ч. Глубина азотированного слоя
твердость HV 10.0-13,0 ГПа.

Для штампового инструмента рекомендуется проводить ион
ное азотирование при температуре 500-560*Св течение 1-10 ч
Глубина азотированного слоя на этих сталях 0,05-0,2 мм.
поверхностная твердомть HV 7,0-12,0 ГПа.

Ионное азотирование осуществляется в вакуумной камер*.
где разряжение рабочего газа 0,4-10 ГПа.

Для проведения процесса ионного азотирования требует»«
незначительный расход газа 20-80 л/ч.

Для предохранения от азотирования поверхностей ннструмеи

ных защитных покрытий и применение металлических экрана
в виде различных заглушек, втулок, пластин и другой оснастки

Преимущество ионного азотирования по сравненнию с суще»
твующимн процессами печного азотирования, обработкой и
цианистых, цианатных ваннах и т.п.:

- сокращение расходов электроэнергии и рабочих газов,
- формирование качественного азотированного слоя,
- безвредность и экологическая безопастность процесса.
Прогрессивная технология азотирования внедрена в произвол

Внедрение ионного азотирования позволило повысить стон
кость инструмента: сверла в 3 раза, зенкеров, разверток в 1,5-3
раза, фрез - в 2-3 раза, пуансонов, матриц для горячего и
холодного штампования в 2-3 раза, пресс-форм для лит».»»
пластмасс в 2 раза.

После ионного азотирования подшипников, проведенного пр«»
температуре 480-550‘Св течение 8-24 ч. повышение контактно»!
выносливости и характер разрушения зависят от химического
состава сплава. При этом повышение контактной выносливые™
связано не только с поверхностной твердостью, но и с градиентом
твердости по толщине упрочненного слоя. Этот парамет возра
стает с увеличением эффективной толщины диффузионного слоя

Анализ результатов, полученных, в частности, при контактах
напряжениях - 900 МПа, показал, что для обеспечения

нормальной работы по;

вые напряжения), необходимо учитывать вклад остаточных
сжимающих напряжений. В процессе испытааний оказалось, что
сталь 40 Сг обладает максимальной выносливостью , а сталь ЗХ
СгМоА) - минимальной (см. таблицу 6.25).


I Основными условиями повышения контактной выносливости
Иются правильный выбор марки стали, в поверхностных слоях

относительно пластинный азотированный слой, а также

<сние эффективной толщины диффузионного слоя и повы-
абсалютной величины остаточных сжимающих напряже-

Таблица 6.25

Влияние параметров ионного азотирования и
химического состава на контактную выносливость
(при а. - 1450 МПа).

		Вмяосдиаость с тми, -mry пало* х 10*	
'С	Пр°л^.-1ТТ>	40 СГ	МСгМоА!
480	и	0.11	0,14
Г s2<>	и	3,28	1,32
550	16	6,90	2,44
520	8	3.78	0,48
520	18	3,28	1,32
520	24	7,80	1.10

'III рубежом основным изготовителем установок для ионного
Ычтнрования является фирма Klockner Jonon (Германия). В
угтпновках этой фирмы питание производится базовым постоян-
ным напряжением, что снижает возможности регулирования
Процесса и мобилизации горения тлеющего разряда. Фирма
Ranliniiid (Германия) выпускает установки с постоянным базис-
ным напряжением (400-600 В) и пульсирующим (100-200 B.f =
*>  2(ХЮ Гц). При этом уменьшается вероятность появления
душных разрядов, перегрева острых кромок деталей.

Применение ионного азотирования в мелкосерийном производи

рудотшия в силу невозможности азотирования в одной садке
Дюплей, различных по форме и массе; затруднено азотирование
'Лыалсй с глубокими отверстиями; необходимо тщательно отра-
naiuBim. режимы для каждого наименования деталей; сложное
оборудование требует специальной подготовки персонала. Поэ-

Him случае, если не может быть применен никакой другой способ
Применение процесса ионного азотирования целесообоа н1>' |
станкостроительной, автомобильной и других отраслях промищ.
ленности машиностроения. Установки для ионного азотирои.1111*
выпускаются серийно. Наиболее рациональной областью прим»
нения ионного азотирования в станкостроении является серипжя
и крупносерийное производство. При этом перспективиин!
деталями для упрочнения этим методом являются зубчатые к<» ни
с модулем до 4-5 мм, ходовые винты, шлицевые и кулачкошм
валы и др. Применение ионного азотирования в мелкосернии
производстве экономически нецелесообразно.

Установка для ионного азотирования должна состоять ш
вакуумной камеры Н 2000/2000, вакуумной системы, газопрш»
товительной установки, блока питания и управления.

Вакуумная камера установки является ее рабочей камерой. •
которую помещают детали и создают условия для нормальней,
протекания процесса. Для обработки клапанов целесообр.т им

Колпак и днище должны быть изготовлены из листовой ста ж
и снабжены системами охлаждения для снижения температуры

для уменьшения выделений тепла в окружающую среду. Загр\
зонная плита должна быть установлена на регулируемых изо ы

должны быть расположены в днище. Внутри камеры должен бип
защитный тепловой экран из жаростойкой стали типа X18H1OI

За процессом азотирования нужно вести наблюдения чс|мч
смотровые окна. Вакуумная система должна состоять из дну*

в камере, равное 5 -10*2 Па. Насосы должны позволять разрядив,
атмосферу в камере до 0,1 Па за 20 минут.

Ионное азотирование по сравнению с газовым имеет сл«-
дующие преимущества: сокращение в 2-4 раза общего цикла
азотирования при получении слоев с эффективной толщиной ;«.<
0,3-0,4 мм благодаря уменьшению времени нагрева и охлаждении
и длительности изотермической выдержки, возможность на
сыщеиия при более низких темпераиурах (начиная с 350-400*0
существенно уменьшающего деформацию деталей, при этом
шероховатость поверхности сохраняется в пределах 0,63-1,2s

ванне как финишную операцию технологического прцесса
Повышенные пластичность азотированного слоя и ударная вяз
кость деталей, широкие возможности регулирования процссс.1
насыщения, позволяют получать азотированные слои с различный
чигм и фазовым составом, а следовательно, требуемые

iRiKKTb защиты поверхностей, не подлежащих азотированию,
рмпенис удельных расходов электроэнергии в 1,5-3 раза и
) - я 20-50 раз, полная экологическая безопасность.

Недостатки процесса заключаются в сложности азотирования
Йшнх отверстий, трудности совмещения в одной садке резко
Минных по конфигурации и массе деталей, относительно
ВКном применяемом оборудовании.

Регулируемые процессы азотирования являются перспектив-
Ми методами химико-термической обработки. Процесс обыч-

ется по двум технологи-

Ьким параметрам - температуре в печи и степени диссоциации
ШМИиха, что не гарантирует получения необходимого качества
Ветированного слоя. Для регулирования процесса азотирования
| МАДИ разработаны два принципиально новых метода прямого
шипроля процесса, один из которых позволяет оценивать
Цртный потенциал насыщающей среды с помощью ионного
Жсоциометра, а с другой - осуществлять прямой контроль
(дистихи формирования диффузионного слоя при помощи токо-
^йдрсвого анализатора.

Ипнныйдиссоццометр позволяет оценивать активность атмос-
ф|ры непосредственно в рабочей зоне печи.

Токовихревой анализатор регистрирует изменение индуктив-
ности датчика в зависимости от фазового состава и толщины
11<пированного слоя, что позволяет оценивать кинетику образо-
вания слоя непосредственно в момент насыщения.

Для регулирования азотного потенциала атмосферы в МАДИ
щадпиа система газообеспечения процесса, позволяющая пол-
учать различные смеси. В основу этой системы положен принцип
Дифференциальной подачи в печь различных по объему порций
аммиака и продуктов его диссоциации в единицу времени.

Разработанные методы контроля азотного потенциала в печи
И динамика роста диффузионного слоя позволяет создать систе-
мы автоматического регулирования процесса азотирования по
Ладанной программе и осуществлять различные комбинированные
циклы насыщения для получения оптимальных свойств диффузи-
онного слоя с учетом конкретных условий эксплуатации изделий.

Исходные данные для составления программы - температура
и продолжительность процесса и отдельных его этапов, изменение
состава насыщающей атмосферы во времени и т.д.

Саратовским заводом холодильников совместно с МАДИ
изготовлена установка для азотирования с автоматической сис-
темой управления /АСУ/ процессом по заранее заданной про-
и позволяет автоматизировать весь технологический цикл а-.пип
рования, что сокращает время обработки, снижает трудоемкою
процесса и повышает качество азотированных изделий. Ши|ю»<*
применение регулируемых процессов азотирования в отечеств и
ной промышленности сдерживается из-за отсутствия центра ш
зированного изготовления необходимых для создания АСУ ашш
ратуры и приборов.

Азотирование с добавками углеродосодержащих газов П|*.п«>
дят при температуре 550-620’Сс целью совместного насыщешн
сталей углеродом и азотом. На поверхности получают гомогениып
карбонитридный слой толщиной 10-15 мкм, под которым рас»»
лагается диффузионная зона толщиной 0,3-0,5 мм, представлю. ।
собой твердый раствор азота в а железе. В результате значн
тельно повышается твердость, износо- и задиростойкость (в 2 ? •
раза по сравнению с закалкой и отпуском), усталостная проч
ность на (50-100%) и коррозионная стойкость.

Преимущества процесса - малые деформации детален и
возможность упрочнения деталей из различных марок стали
Процесс рекомендуется для упрочнения кулачковых и коленчатых
валов, тормозных барабанов, зубчатых колес, деталей гидравлп
чсских машин, ткацких станков и т.п. и широко применяется
отечественной и зарубежной практике.

Использование природного газа исключило обезуглерожинл
ние стали влажным водородом при азотировании и повысил..

Наибольшая величина предела выносливости стали 38Х2МЮА
получена после азотирования в смеси аммиака и природного газа.
что на 12% выше предела выносливости образцов, прошедших
азотирование по серийной технологии.

Установлено, что при азотировании в смеси аммиака и
природного газа физико-химические характеристики диффузи
онного слоя выше, чем при азотировании по серийной технологии

Находят применение такие процессы кратковременного газо
вого азотирования и азотирования в порошковых смесях.

повышается предел выносливости сталей, весьма незначительно
изменяются размеры и отсутствует коробление деталей.

Этот процесс можно применять для обработки детален

автомобилей (коленчатые

я, шестерни и др.), штампов.

пресс-форм, шпинделей, стяжных муфт, труб, водяных насосов

Азотирование в жидких средах позволяет реализовать слс
дующие преимущества химико-термической обработки в распла
вах: высокую скорость нагрева, уменьшение термических напря-
I

Кий и коробления изделий, регулирования в широких пределах
Дурости охлаждения после ХТО и т.д.

к Расплавы солей применяемые для насыщения, должны обла-
Ьть хорошей жидкотекучестью и легкоплавкостью при темпера-
Ь|к квотирования; высоким азотным потенциалом; стабильно-

£ Белорусский технологический институт предложил для повы-
миия долговечности деталей технологической оснастки лроиз-
Ддства резино-технологических изделий использовать процесс
Жидкостного азотирования на основе неядовитых солей мочевины
| кальцинированой соды. Этот процесс хорошо зарекомендовал
Цбя, увеличив износостойкость некоторых деталей технологиче-
*(»й оснастки в 1,5-2 раза. С целью усовершенствования
Вроцссса поверхностного упрочнения деталей методом жидкост-
|пп> азотирования на основе вышеуказанных солей проведены
|сс ледова ния с использованием в качестве катализатора по-
тника титана. Лабораторные испытания и исследования пока-
пли, что применение порошка титана интенсифицирует в свою
Нсредь процесс упрочнения на 20-30%.

В результате данных исследований установлено, что азотиро-
вание с порошком увеличивает диффузионный слой обрабатыва-
емых сталей по сравнению с обычным жидкостным азотирова-
нием с одновременнным сокращением времени обработки.

Недостатком процесса азотирования в жидких средах явля-

Азотирование в жидких средах обладает следующими пре-
имуществами по сравнению с газовым: значительное сокращение
длительности процесса, снижение энергоемкости за счет умень-
шения времени и температур нагрева; практически полное
отсутствие деформации при рациональной технологии изготовле-
ния деталей; повышение стойкости инструмента в два-пять раз;

оборуДОЕ

универсальность процесса и нссложи

За рубежом повысился интерес к обработке в соляных ваннах.
Разработаны ванны повышенной надежности с улучшенной
оснасткой к ним, автоматизированным управлением и электри-

ческим нагревом. Так, в Великобрит

вует

ческая линия для азотирования деталей в соляных ваннах с
использованием роботоподъемняка с программным управлением.
Фирмы KolectigdelaKolene (Франция) разработала конкструкцию
электродов, потребляющих 60 кВт (вместо 100 кВт) энергии и
не требующих водяного охлаждения. Изыскиваются пути улуч-
шения качеств азотированного слоя.

Процесс азотирования в расплаве солей (таблицы 6.26 и 6.27)
получил распространение в различных отраслях машиностроения
для упрочнения деталей широкой номенклатуры, подвержении»
изнашиванию в условиях знакопеременных изгибающих нагрузи»
Таблица 6. Л

Режимы жидкого азотирования (цианирования)
инструментальных сталей в ваннах “Тенифер"

	Режим -ЧТО		К-	HV	
	се	г. ыхн			
PI8	S60-S80	S-1S	0.03-0.06	1250-1400	Для режущего инструмента
Р6М5	560-580	30-60	0.06-0,09	1350-1400	То же
ЗХ2В8Ф	S60	120-180	0.1-0.15	1185-1260	Для пресс-форм
4Х4М2ВФС	380-И0	“о'1И	0.1-0.15  0,08-0,10	1150-1310 1100-1150	Тоже
Х12М	S60	60-120	0,08-0,10	1075-1110	

В последние годы процесс азотирования изучен примени
тсльно к тугоплавким металлам - Ti,Mo,Nb,V и др. и их сплавам
Азотирование позволяет повысить твердость, износостойкость
поверхности, а в ряде случаев и жаропрочность. Режимы

свойства азотированного слоя приведены в таблице 6.28.

Таблица а К

Технология азотирования, строение и свойства слоя
на титане и его сплавах (1-3) и на молибдене
и его сплавах (4-7)

N.N.	TautMontf амтиромт		сс		Фазовый	H .МПа	1	
	,““6				Si		
	Титан п его сплавы							
	В следую- щем разряде V3'9 |о2~ - 52 102 Па;  U =400-800 В)					8000-12200  8000-12200	O.o.'a 0.О4Л
1		^>М'В1К		30	TIN	8000-9000  8000-9000  8000-9000	o.o<; 0.04
3.	При	Азот	950	7.5	TIN		0,03/
	101302 Па)			8			
	Молибден и его сплавы							
4.	кыТ^в	Л“м«>«	900-950	1.6	M.°N	12000-18000	
			«0;П30	1-6	Mo2N	250K5500	20-80
5.	Контактный	М.м„,1к	950-1400	2	if J1	15000-20000  18000-20000  2500-6000	
	Ю2-  - 32.5 102  Па  U=450-670B)		800-1000	1-3	Mo,N (MoN) Mo2N	1 I!|	


Таблица 3.63

Технология азотирования (Зч), строение
и свойства слоя на ниобии и его сплавах

Тсх«<ио;м« вктгрожлния		С-С	!’Н'	HV	iTS.
					
Радииионный	Аммиак	100-1200	Nb2N	1400-1600	2-12
	Азот	I000-1200	NbjN	1500-1600	1-4
	Амик»	1200-1400	Nb^N	1800-1900	12-W
	*мт	1200-1400	Nb^N*	1800-1900	4-1S
Установлено, что пластическая деформация после азотирова- ния резко увеличивает предел прочности и одновременно повы- шает пластичность сплава. Чем больше степень обжатия, тем выше относительное удлинение.  Пластическая деформация увеличивает в металле плотность дислокаций, вакансий и пустот. Изменяется микроструктура сплава: наблюдается дроблейие зерен и формирование волокни- стой структуры вместо зернистого строения сплава, что приводит к увеличению поверхности границ зерен и вследствие этого к перераспределению атомов азота в прокатанных образцах. Азот более равномерно распределяется по структуре, оседая на дефектах.					
Применение циклического процесса азотирования дает не-

лащение при сравнимом уровне внутреш
Подобраны оптимальные режимы цикл

При азотироваании стали в виброкипящем электротермиче-
ском слое происходят принципиально одинаковые процессы

положительной, так и отрицательной поляризации образца, но
сдвиг полярности в отрицательную сторону усиливает процесс
азотирования и ослабляет окисление.

Азотирование в виброкипящем электротермическом слое ин-
струмента из быстрорежущих сталей на глубину 0,02-0,023 мм
позволило повысить стойкость сверл из стали Р9 и Р6М5 в 1,5-2

Ускорение процесса азотирования объснястся воздействием
искровых разрядов на все элементарные процессы, ответственные
за образование диффузионного слоя: активацию газовой среды,
адсорбцию и диффузию.

В Уральском политехническом институте совместно с Кузнеч-
ным заводом КАМАЗ проведены работы по интенсификации

виброкипящего слоя.

Азотированию подвергали изготовленные из промышленных
сталей 4Х5МФС и 5Х2МНФ. Температура азотирования мсня-

3 л/мин. Состав газовой среды контролировался с помощью
газоанализатора ВТИ-2.

повышении температуры азотирования от 6,05 мм при 500 ’С до

Надо отметить, что для получения азотированного слоя

24-32 часа.’

созданием условий для интесивного перемещения материала и
азотсодержащей атмосферы, в результате чего улучшается подвод
активных атомов азота или молекул Н3к поверхности металла,
а также отвод от поверхности молекул азота и водорода.

Одним из актуальных вопросов в химикотермической обра-

мой при этом является опр

пена, под
)вий на-

сыщеиия в любой точке поверхности любой детали во всем объеме

быть в принципе решена, то желательно определить минималъ-


насыщающего газа с целью получения наименьшего разброса по
неравномерностям покрытия. Решение такой задачи важно в
связи с ростом объемов садки, так как уменьшается газовая
прослойка между деталями, и с обработкой деталей с внутрен-
ними протяженными полостями малого поперечного размера. В
связи с этим выполнена задача определения влияния скорости
потока насыщающего газа на формирование диффузионного слоя.
Получена математическая модель процесса, т.е. решено одномер-
ное уравнение диффузии с граничным условием на поверхности,
которое связывает перенос вещества вдоль поверхности и внутри,
т.е. физически описывает обьедиение газового потока в резуль-
тате диффузии.

Для повышения твердости, износостойкости и эрозионной
стойкости азотированию подвергают стали ферритного, мартен-
ситного и аустенитного классов (табл. 6.30). Наиболее широко

Таблица 6.30

Влияние режима азотирования ферритных,
мартенситных и аустенитных сталей
на толщину и твердость слоя

	Режим ХТО		к-	XV
	VC	tl		
12X12			ЬОДЗО 0.35-0.40	*900450°
20X13			ОДОЛО	1000-1050
15X11 МФ	(1 ступень)	10	0.35-0.4	900-930
15Х12ВМФ	(11 ступень)	20	0.35-0.4	900-950
45Х14Н14ВЗМ	600	«	0.10-0,12	
25Х18Н8В2	600		о1Ви	950-1100
I7X18H9, 08X18X1 ОТ	360	60-60	0,2-0,25	1000-1100
				
ки, жаропрочных сталей чаще ведут при 500-6Ш				) *С. Рекомен-
таблице 6.31.				
Таблица 6..II

Режимы азотирования некоторых деталей машин
из конструкционных, коррозионностойких
и жаропрочных сталей

	хго			L"
				
Гильзы цилиндров дизелей				
38Х2МЮА (38ХВФЮ)	510 (] ступ.)	12	।	0,5-0,8	| 950-1000
	540 (П ступ.)	-		1 950-1000
Коленчатый вал дизеля				
I3X2H4BA	490-500	40-48	|	0,35-0,4	600
				
в станкостроении				
ЧОХ	510	18-24	0,25	510-6)0
40ХФА	510	18-24	0,25	610-700
18ХГТ	510	18-24	0,25	680-720
38Х2МЮА	510 (I ступ.)	15-20	0,25	850-950
	540 (П ступ.)	25-40	0,25	850-950
ЗОХЗВА	510 (1 ступ.)	15-20	0,25	720-800
	540 (П ступ.)	25-40	0.25	720-800
Зубчатые колеса (станкостроение)				
40ХФА	S10	| (0,1-0.13)		|	610-700
Детали турбин (лопатки, штоки и др.)				
12X13	510	55-60	0.15-0,25	950-1100
20X13	550	55-60	0,25-0.35	850-950
30X13	530 (1 ступ.)	20	0,25-0,30	850-900
	580 (П ступ.)	20	0,25-0,30	850-900
15X11 МФ	530 (1 ступ.)	10	О.З-О.4	850-900
	580 (0 ступ.)	18	О.З-О.4	850-900
Клапаны дизелей'1				
I Меняющиеся процессы азотирования и четко определить критерий
I мчсства покрытий.

ВУЗами Германии совместно с МАДИ (Московский Автодо-
рожный институт) разработана классификация низкотемпера-
турного азотирования (см. далее). Она основана на потенциале
и виде насыщающих элементов на агрегатном состоянии среды.

Распределение концентрации элементов и фаз по глубине
слоя представлены в таблице 6.32. Взаимосвязь строения слоя с
температурой, временем процесса и давлением в различных
атмосферах показана в таблице 6.33.


руюицим элементам и агрегатному состоянию насы-
пающей среды (схема)
Распределение концентрации эл
и фаз по глубине слоя

Таблица 6.32

	мсм^кчвеЛ			
•«пирование	NH3	-	ад	NHJ-+NaT+ Э/2 Н2
рагурное газовое углеродоаэотиро-	NH,	сл4»	Ж СН ,Спп., ко	NH3->Nat+ 3/2 Н2  СО2 + Н2 СО4Н2О
«нслородоазотн-	NH,	О2,Н2О		NH3-+NaT+ 3/2 Hj 2Hj+ 02 ft 2HjO
Кмслородоуглсро- доазотироваяие	NH,	СО.СО2. СН. 0^,0		Аналогично
				Jo^»POWa’°””
Кислородоугле- родеазотирование			^0	4KCNO -» 2KCN +  + KjCO3+ 2N+ CO
,рКЛЛ*’>		°-	NaCN	4N»CN + 402 -»  2NajCO3+ 2CO+ N2
Кнслородоазотн рование твердое				CaCN2+ 3H/)-» CaO+ CO2+ 2NH3 NH3->N>T + 3/2H2  CO+ HjOf» co2+ Hj
	NH,	HjS^so,.	вд-	NH3-»NaT+3/2Hj
сульфоуглсродо*		"М	1И	2NaCNO-»2NaCN + ♦ Na2CO3+ 2N+ CO  2NajC0* 2CO + N2
Таблица 6..II

Взаимосвязь строения слоя с температурой, временем
процесса и давлением в различных атмосферах
5.	Цианирование и нитроцементация

Цианированием называется процесс одновременного па-
рная поверхностных слоев стальных деталей углеродом и
том. Наиболее широкое распространение в промышленности
учило жидкостное цианирование, хотя в практике применя-
я способы цианирования в твердых смесях. Однако за

Горое имеет ряд преимуществ, по сравнению с другими
Годами цианирования.

При относительно невыс

пурах процесса циани-

ши» идет преимущественное насыщение поверхности стали
пом, а при высоких температурах - углеродом. Низкотемпе-

|й, в частности, для быстрорежущих и высокохром истых сталей
Х1 2), а также для среднеуглеродистых сталей.

Применение высокотемпературного цианирования целесооб-

Цнию подвергаются также детали, изготовленные из среднеуг-
Нродистых сталей 35 и 40 и низколегированных 35Х и 40Х.
1ри цианировании легированных сталей в поверхностных слоях

|Го снижает качество слоя. Регулирование и контроль процесса
Насыщения деталей при газовом цианировании осуществляется

Для осуществления процесса газового цианирования в рабочее
Пространство печи вводят газообразный или жидкий карбюриза-

Ивобходимые для регулирования, и соли, являющиеся источником

инне желтая кровяная соль, которая разлагается с образованием

ластся в широком диапазоне температур 800-960*6. При 800-
И7О*С глубина слоя достигает 0,5-0,6 мм, а при температурах
900-960*С - 2,0-2,5 мм. Низкотемпературное жидкостное циа-
нирование деталей из инструментальных сталей осуществляется
при температуре 535-565’С. Этот процесс является заключи л-чь
ной операцией технологического цикла: производится «<н и
полной термической и механической обработок. Твердость жь
верхности быстрорежущих сталей получается порядка HV=Hhib
и сохраняется до температуры 630’С. Стойкость инструм«ш<||
после низкотемпературного цианирования возрастет в 1,5-2 jmm

Цианирование с последующей закалкой значительно повыишм
предел выносливости в 5-4 раза.

Дчя жидкостного цианирования используют печи-ванни ,
наружным и внутренним обогревом. Чаще применяются печи-пап
ны с наружным электрообогревом, например, серии В, расош
тайные на рабочую температуру до 85О‘С. Для более высоки
температур 900-960°С, в особенности для глубокого цианиршш
ния, применяют электродные печи-ванны различного констрг»

Путем введения сравнительно простой дополнительной »ж
рации после цианирования - воронения (голубого оксидировании!
в расплаве соли ЧС-312 (40% KNO, + 60% NaNOj) можж.
значительно повысить антикоррозионные свойства и вксплуаы
циоиные качества сверл. Во ВНИИ инструменте были проведен»

вид и стойкость инструмента.

Анализ этих данных показывает, что в результате многокр-и
ного цианирования при постоянной температуре и выдержи
глубина планированного слоя возрастает с 0,033 до 0,05 мм.

Средняя стойкость сверл, не подвергшихся ХТО, в 1,4-1,0

И голуби К

кратное

оксидирование. Средняя стойкость сверл, подвергнутых циани|ю
ван ню и голубому оксидированию после заточки примерно в I?
раза выше, чем у сверл, цианированных после заточки и на 15".

Однако всегда следует учитывать, что цианирование

Газовая нитроцементация по сравнению с другими методами
наиболее предпочтительна, т.к. она:

1)	дешевле цианирования в цианистых солях (цианистые соли
дороже аммиака и нитробензола);

2)	безвредна и более технологична;

3)	при ее проведении легко можно регулировать степень
насыщения азотом и углеродом поверхностного слоя.

шахтные электропечи, шахтные муфельные цементационные
на высокотемпературную и

низкотемпературную. Высокотемпературная нитроцементация
осуществляется при температурах выше верхней критической
точки Асу Низкотемпературная нитроцементация производит-

Нитроцементация способствует повышению стойкости деталей
против износа, а также повышает сопротивления усталости. В
процессе нитроцементации главным фактором, определяющим
насыщение поверхности азотом, является температура процесса;
концентрация аммиака также оказывает влияние в этом направ-

лении, но в меньшей степени.

Существует определенный оптимальный предел насыщения
поверхности углеродом и азотом. При чрезмерном их количестве
образуются карбонитридные фазы: эта структура нежелательна,
также как и цементитная сетка. Оптимальная структура стали
должна соответствовать после нитроцементации эвтектоидной.

Заметное воздействие на глубину диффузионного слоя ока-
зывает также состав газообразной смеси.

Последовательность процесса нитроцементации такова: вна-
чале, при нагреве, происходит насыщение поверхности азотом,
с образованием твердого раствора, который способствует болт
быстрому растворению углерода.

нию (применение дорогостоящих и вредных цианистых солги,
сложность автоматизации процесса), не говоря о том, что она п
2 раза дешевле.

Нитроцементированный слой порядка 0,1 мм получается при
Т» 550-600*С (низкотемпературная нитроцементация), а поряды
1,8 мм при Т - 880-960*С - высокотемпературная нитроцемгн
тация. В первом случае выдержка дается 30 мин, во втором

Процесс газового цианирования, или нитроцементации, к.н
наиболее простой и удобный, находит в последнее время в<«
большее применение. При нитроцементации источником акти»
ных атомов углерода служат различные карбюризаторы. .«
насыщение азотом достигается за счет разложения аммиака. Н
качестве исходного вещества для насыщения поверхности детален

При нагреве триэтаноламина до температуры выше 500*С он
разлагается по реакции: (C2H4OH)3N -> 2СН4 ♦ ЗСО ♦ HCN + ЗВ,

В процессе нитрон



с печью на воздухе или подвергаться закалке. Газовое цианиро

что и жидкостное.

Может быть использован ступенчатый режим цианирования
вначале при высокой температуре преимущественное насыщение
углеродом, а затем при более низкой температуре - азотом.

Газовая высокотемпературная нитроцементация высокохромм
стых сталей успешно осуществляется в продуктах пиролиза
триэтаноламина, если в него ввести кислород - и азотосодер-
жащие компоненты, насыщенные водные растворы гидрата окиси
аммония NH4OH, нитрита натрия NaNO2 и алюминита натрия
NaA 102 (таблица 6.34).

Содержание элементов в карбидной фазе, количества их в
карбидах и твердом растворе представлены в таблице 6.35. У
упрочненных образцов очаг усталостного разрушения находится
под упрочненным слоем.

Влияние	Т	процесса	и	карбюризатора на	коэффициеш

диффузии углерода и *С видно из таблицы 6.36.

Влияние	Т	процесса	и	карбюризатора на	коэффициент

диффузии углерода и °C видно из таблицы 6.37.

Износостойкость нитроцементированного слоя больше, чем
при газовой цементации.


I* Детали после высокотемпературной нитроцементации подвср-
ВЮтся закалке.

Г Закалку деталей осуществляют по двум вариантам режимов:
li I. Непосредственно после нитроцементации (высокотемпера-
I М»1ОЙ).

2. С охлаждением деталей и последующим их нагревом до
^«мпературы закалки.

Нитроцементацию применяют для упрочнения как различных
|»талей машин, так и инструмента.

Оптимальная структура нитроцементированного слоя - мар-
тенсит, упрочненный карбонитридными фазами, твердость HRC,
65, 66. В случае наличия остаточного аустенита следует после
Мкалки проводить отпуск либо обработку холодом (для разло-
жения остаточного аустенита). После нитроцементации предел
Прочности при изгибе достигает величин порядка 1600-1900 МПа
для стали 3 и 2400-2800 МПа для стали 12Х2Н4А. Предел
Прочности на растяжение нитроцементированных сталей очень
Высох и достигает значений предела прочности на растяжение
высоколегированных сталей.

Таблица 6.34


Содержание элементов

Таблица 6.35

	Глув«	~		Сот““" 7- “		Sx-
	о6“'				
0.5	0,06	0,002	1.95	0,02	Следи
1.0	0.10	0.005	3.51	0.06	1 • 10*
1.5	сеченяе	0.010	3.62	0.06	4 10"*
2.0		0.012	3.82	0.04	5 10‘*
• Карбюризатор состава 3.  Осуществлено дальнейшее совершенствование технологии процесса нитроцементации в электростатическом поле (ЭП).  При разработке оптимальных технологических, электриче ских и газодинамических параметров процесса использовался метод математического планирования эксперимента.  Применение ЭП не только интенсифицирует процесс нитро- цементации в 1,5 раза, но и заметно улучшает некоторые механические и эксплуатационные свойства низкоуглеродистой стали. Так, прочность при статическом изгибе, предел выносли вости и износостойкость стали 20, нитроцементированной в ЭП, оказалась на 40-50% выше, чем у стали, обработанной но обычному режиму (без использования ЭП).  Объясняется это физическими особенностями изучаемого диффузионного слоя и, в первую очередь, качественным и количественным сочетанием присутствующих в его наружной  игольчатого азотистого мартенсита высокой степени тетра го-					

нальности своей решетки (с/а

1,033) и оптимального количе-

ства остаточного аустенита.

Результаты опробированы в условиях массового производства
при штамповке слюдяных изделий и дали положительный

результат.

Вывод. Производительность процесса нитроцементации по
сравнению с газовой цементацией на 20-30% выше, причем в
этом процессе отсутствует отложение сажи на деталях, которая
приводит к неравномерной твердости, а также обеспечивает
большую глубину прокаливания и возможность создания более
стойкого против износа слоя. В сравнении с цианированием -
она безвредна, дешевле и обеспечивает возможность регулирова-
ния слоя, насыщенного углеродом и азотом.


Роим актрооемгш.имм			Kancccaro	Содержа». мсмопоа. % в массе стали					“с"	Тапирам*»
	”7	h|i		• ыр&ом			а тмрдом растасрс			
				с	°		°	*		
900	1.0	80	14.32	0.97	7.65	5.70	6.05	85,2	23.6	
920	1.0	80	23.75	2.07	12.78	8.90	2.02	79.64	21.8	(F«,Cr)7C3
940	0.5	100	38.6	2.34	14.01	10.0$	2.21	80.12	20.4	(Fe,Cr),Cj
940	6.0	100	57.35	4,89	11.45	41.01	3.14	41,08	15,1	(Fe.CrljC
940	9.0	НИ1	53,11	4.53	10.01	34.58	4.45	49.94	13.5	(Fe,Cr)jC

• Карбюризатор состава 3.

Таблица 6.37

		,.r		°-				
900	80	14	0.10	3.88	1,09	21.4	(Fe.Cr),C,	2,45 10*7
920	80	1.0	0.10	4.67	1.97	21,8	(Ке.Сг),С,	2 71 10’7
940	|	|	100	04	0,10	4,91	2.14	20.6	(Ft.Cr^Cj	3.41 • 10*’
Нитроцементация стала основным методом химикотеричсск«и| обработки в крупносерийном и массовом производстве. Опер-  имуществ перед газовой цементацией: значительное (примерно а 1,5 раза) сокращение длительности процесса и повышснн* производительности; меньшие деформации и возможней и. осуществления непосредственной закалки после нитроцементации без подстуживания; меньшая энергоемкость процесса; возмож  температуры процесса примеррно на 100*С (800-860*С вмео» 950-1000*0; более высокое качество обработанного слоя. Нт роцементованныс слоя обладают более высокой прокаливаемо стью, чем цементованные, что позволяет заменять сложнолегн рованные цементуемые стали менее легированными. При нитро цементации обеспечивается значительное повышена, физикомеханических свойств деталей: износотойкости (на 4<> 60%), усталостной прочности и ударной вязкости.  ривать в аспекте перспективности применения двух- и боли компонентных покрытий.  Газовые атмосферы, применявшиеся для цементации и низ  6.38.  Таблица 6..ЧХ Газовые атмосферы для цементации  и нитроцементации высоколегированных сталей		
	Атмосфер	Млри «тми
1	Продукты пиролиза пиробензола	14ХИН2
		14XI7H2
3	10-20% (объемн.) водорода, остальное азот (прв  30-50*0; 3-5% пропан-бутановой смеси (70%	+  30%С4Н(ф) от объема указанной атмосферы	14Х17Н2
*	HCI, $00-240 г/л NiCI2. плотность тока электролиза 5-8	14Х17Н2
5	Эндогаз + природный газ (12:1 или 4:1)	20X13
6	Природный газ	20X13
'Г		
	Типа CH4-Hj-Nj	20X13
	Типа СН4 - NHj	12X13
	Продукты пиролиза триэтаноламина	Р6М5
	Эндогаз ♦ природный газ	Р6М5Е5
	таблице 6.39 приведены примерные данные	по расходу
||врбюризаторов и аммиака при нитроцементации к|«зличного типа.		для печей

Таблица 6.39

Продолжительность выдержки, необходимой для получения
слоя заданной глубины, зависит, главным образом, от темпера-
туры процесса. В большинстве случаев нитроцементация осущес-
твляется цри температуре 840-860’С. В зависимости от глубины
слоя среднюю скорость можно принять 0,1-0,2 х 278 • 10'5 м/с.
Верхний предел относится к слоям глубиной до 0,5 мм, а
нижний - глубиной 1,0-1,5 мм.

Т, ч, определяется как частное от деления заданной глубины
нитронементованного слоя Н на среднюю скорость процесса:
при газовом и

твердом цианировании.

Таблица 6.-10
Время выдержки, ч, инструмента из быстрорежущих
сталей при цианировании в газовой

и твердой средах с температурой 550-560’С

		Г»—	Aww.
Сверла, зенкера, развертки	25-50	1,0-1.5 L5-2.0	2.O-2.5 2.5-3.0
Мич..»	До 15 15-25 25-50	1 *5-2*0	2-2.5 2,5-3
	СД° 2 2	1 Л-2.0	1,5-2,0
Фре’“:	е	„ е U'  цилиндрические фасонные и	Свыше 50	2.0-Зд!  1.0-1,5 1.5-2.0	1,5-2,0 2.O-2.5
тангенциальные	Свыше 10	1,0-1,5 1.5-2.0	2.0-3.0  3.0-4.0  2,0-2,5  2,0-2,5  3,0 3.5

Примечание. При

Цементацию и нитроцементацию нужно осуществлять и

наиболее

- в автоматизированных

проходных и камерных аграгатах, обеспечивающих проведение
полного цикла обработки с применением контролируемых газовых
атмосфер в условиях автоматического регулирования углеродной»
потенциала печных атмосфер. При этом следует применять
ступенчатые циклы насыщения, регулируемые добавки аммиака
на различных этапах цементации и т.п.

мической обработки, который обеспечит получение деталей
ной структурой без дефектов поверхностных слоев и с
ной и стабильной их деформацией, а также при

энергоресурсов

родного газа и электроэнергии).

ьСлсдуст применять “безгенераторный” метод получения на-
йклднх атмосфер - путем диссоциации жидких и газовых
юризаторов непосредственно в печном пространстве.

[Рекомендации производству.

Для построения технологического процесса нитроцементации
Вбходимо установить типичные составы, температуру точки
|М I и кислородный потенциал пО2 эндотермических атмосфер,
Втащенных азотом, используемых для обработки стальных и
рунных деталей.

Таблица 6.41

|П(МН«уют для нитроцементации деталей гидравлических насо-
й чугунных клапанов и осей, заглушек, ведущих валов.
|редм1|)ительно печь продувают при 760’С эндотермическим
|*ом, затем ведут нитроцементацию при 570-575*С с выдержкой

Йердоп» раствора азота в желе:
...........- прочность на 25%

|(|6 кг аммиака.

Нит|юцементацию в смеси 50% аммиака и 50% эндогаза при
!?<»•(• используют в автомобильной промышленности Японии для
Пример. Партия резьбонарезных инструментов была подтр
ута нитроцементации в смеси 25% аммиака + 75% сменам

ного газа. Время нагрева до заданной температуры составаик
1,5-2 ч, после чего давалась выдержка при заданной темпера <v|«
нитроцементации в течение 1-1,5 ч.

Нитроцементация при 530-540'С с выдержкой 1,5 ч бичи
подвергнуты изделия из стали Р9Ф2 отечественного ияструигп
тального завода: насадные фрезы (d = 40. S = 2,0 мм> i
нешлифованным зубом и хвостовые фрезы (d = 30. S = 2.5 mmi .
шлифованным зубом.

Испытания стойкости фрез проведены по стали, содержат, и
0,61-0,66% С и 0,61-0,75% Мп: HV 229-255.

соответственно.

При поставке хвостовые фрезы были низкого качества. Меж а
заточками они обрабатывали только по 25-30 деталей. По. «
нитроцементации качество их улучшилось, количество обрат,
тайных деталей между заточками увеличилось до 50-150 и и
отдельных случаях достигало 195 шт.

Пути совершенствования процессов цементации и ннтроцемги

Цементация и нитроцементация большей части деталгя
осуществляются в ниболес прогрессивном варианте - в авто»,

руемых газовых атмосфер в условиях автоматического pcry.ii.
рования углеродного потенциала печных атмосфер. На практик!
нашли широкое распространение ступенчатые циклы насыщето,.
регулируемые добавки аммиака на различных этапах цементации

Однако даже прогрессивные процессы газовой цементации »
нитроцементации обладают целым рядом недостатков.

Применение газовых атмосфер и современного термически!»
оборудования создало условия для стабильного обеспечении
необходимой поверхностной концентрации углерода и азота в
требуемой толщины упрочненного слоя, что положительно алия*-!
на величину и стабильность деформации деталей.

Получение насыщающих атмосфер для цементации и нитро
цементации во многом определяется наличием и видом исходно. ,'

арбюрнзат

сырья - угг

По агрегатному состоянию карбюризаторы разделяются н.<
жидкие, газовые и твердые. По способу использования они мот
быть разделены на “безгенераторные" и “генераторные".
Имеете н и продолжает развиваться “безгенсраторный” метод
учения насыщающих атмосфер - путем диссоциации жидких
Мюяых карбюризаторов непосредственно в печном просгран-

Прн цементации в этом случае используют такие жидкие
ВМюдородные соединения, как синтин, уайт-спирит, керосин,
Цмшыс углеводородные соединения - метан, пропан. При
Рроцсментации используют те же соединения с добавлением

VH > 0,33. Для цементации могут быть применены такие
мпические жидкости, как изопропанол (С8Н8О) с С/Н - 0,375
Гвмесь метанола с изопропанолом с С/Н - 0,354 и т.п. При

При выборе оптимального состава органических жидких
бюризаторов обращают внимание также на соотношение СО
IIj. получаемое в печной атмосфере. Установлено, что
импльным является отношение 50% СО к 50% Н2, так как
। этом получают атмосферу с максимальным коэффициентом
входа углерода из газовой фазы в металл, что обеспечивает
большую скорость насыщения стали углеродом.

«мспсние в процессах цементации и нитроцементации находит
Лчшя атмосфера на основе азота.

Данная атмосфера представляет собой трехкомпонентную
•сь, получаемую смешением азота, углеводородного и кислоро-
^держащего газов. Принципиальным отличием азотной атмос-
|ры от применяемых газовых атмосфер является высокое

gluiHx углерод.

Азотная атмосфера не требует специального газоприготови-
fell."ого оборудования. Насыщающая атмосфера образуется не-
Йсрсдственно в печном пространстве в результате реакций при
Ьшературе процесса между компонентами атмосферы. При
Воде в печь смеси, состоящей из азота, метана (или пропана)
| Двуокиси углерода, между углеводородами и кислородосодер-
Кщей добавкой происходит реакция с образованием СО и Н2.
повременно происходит реакция разложения углеводородов на

<Т»с, образуется насыщающая атмосфера, состоящая из N2, Н2,
СО. СО2, Н2О, СН4. Содержание азота при этом равно или
Врснышает 80%, применение пропана позволяет получить в
В технической литературе приводятся следующие состлим
азотных атмосфер:





12% воздуха

При нитроцементации добавляется аммиак.

Углеродный потенциал атмосферы регулируют изменение и
добавок метана или пропана. Выбор способа регулирования нм
количеству СО2, точке росы и кислородному потенциалу) ни
же, как и при использовании стандартных атмосфер, опредс«
ется существующей практикой. При этом следует иметь в ви.ц
что содержание СО2 и Н2О в азотной атмосфере значителмы
ниже, чем в эндотермической атмосфере.

В азотных атмосферах в качестве добавок использую
органические жидкости, например, метанол. В этом случае •

печи образуется

(20% СО, 40% На, 40% 1Ч2),бли.<к..«

по составу к эндотермической.

ит к снижению потргб

ления дефицитного природного газа и электроэнергии.

В качестве науглероживающей среды применяют природный

но при обычном давлении и при пониженном (вакуумши
цементация). В случае цементации при обычном давлении
природный газ наиболее часто применяют при проведении
процессов в шахтных печах.

В связи с использованием вакуумных печей процессы цемен
тации и нитроцементации осуществляют при пониженном данчг
нии. Обычно в активный период насыщения рекомендует

поддерживать давл<

газа до 300 • 133,322 Па, к

при применении пропана - до 50 • 133,322 Па.

На заводах наибольшее распространение имеет метод i
учения насыщающих атмосфер путем конверсии природного .
(метана) с воздухом в генераторах.

время проводится интенсивная работа по совершенствованию
технологических процессов получения контролируемых газоны»

Предложен способ подачи горячей эндотермической атмосфе

ры в печь. При этом

гть атмосферы, «ни

приводит к интенсификации процесса насыщения стальиы»

да в обрабатып

ность по толщине слоя и ко
емых деталях.

МКТЭИавтопром разработал и внедрил метод получение
эндотермической атмосферы с минимальным содержанием влч.и
щотермическая атмосфера перед подачей в печь пропускается
рез специальную колонку, заполненную цеолитом.

Снижение точки росы эндогаза позволяет проводить цемен-
цию и нитроцементацию с минимальными добавками в печь

фжсобразование и увеличивает срок службы оборудования.

Г Контролируемые атмосферы (эндотермическая, получаемая
Инверсией метана с воздухом в эндогенераторах, и эндотерми-
Ккая, получаемая в экзо-эндогенераторах) являются газовыми
Жрбюризаторами сложного состава. Основными компонентами
»Мих атмосфер являются СО, Р2 и Nr

С целью повышения содержания СО и Н2 в эндотермической
фТмосфсре предлагается при конверсии природного газа с



заводов применяется эндотер-
20% СО, 40% Н2, 40% N2 и

Эндотермическая атмосфера, получаемая путем конверсии
Цгтан-бутановой смеси с воздухом (24% СО, 31% Н2, 45% N2),
применяется на отдельных заводах, в частности на МеМЗе.

Указанные атмосферы также широко используются при
Ымснтации и нитроцементации деталей на заводах Англии, ФРГ,
ЙПпнии и др.

Оптимальными процессами химико-термической обработки,
•рн которых происходит насыщение стальных деталей углеродом
•ли углеродом и азотом, являются процессы цементации и
Нитроцементации в эндотермической атмосфере с добавками
Нетина (пропана) и аммиака с автоматическим регулированием
•одержания углерода в поверхностных слоях обрабатываемых

Характерной чертой современных процессов цементации и
ЦИТ|юцсментации является то, что нагрев деталей до температуры
Нягмщсния, насыщение углеродом и азотом и закалка осущест-
вляются в контролируемой газовой атмосфере без доступа
|МЛуха. Скорости нитроцементации указаны в таблице 6.42, а
рвя им ы высокотемпературной и низкотемпературной нитроце-
Ивипшии - в таблицах 6.43 и 6.44.

|й11И.Н1|юна111юго и автоматизированного термического оборудо-
Miniti (щюходных толкательных и камерных агрегатов) позволяет
uta печивать высокие эксплуатационные свойства деталей, вы-
Как правило для упрочнения деталей, которые должны имг»ь
поверхностный упрочненный слой толщиной до 0,8-1,0 мм.
применяется нитроцементация. При толщине упрочненного слив

принимается, что цементация происходит при темпера™^
910-940*, а нитроцементация - при 850-870°С.

Следует отмстить, что в настоящее время на некотори»
заводах при цементации в печную атмосферу вводят небелый»,
количество аммиака. Введение аммиака в конце процесса спосои
ствует предотвращению образования в поверхностных слом»
обрабатываемых деталей продуктов немартенситного пр<-

аустенита. Добавка аммиака

стадии uarpciui

способствует измельчению зерна в стали и повышению качсснм
деталей.

Разработан

сущность CIU

заключается в повышении углеродного потенциала в конце
процесса (за 20-40 мин до закалки) до 0,9-1,2%. Периол
повышения углеродного потенциала может совпадать с подох

тенциала в конце процесса цементации увеличивается содержание
углерода в твердом растворе в зоне внутреннего окисления, и
образования новых карбидов не происходит. При дополнительном
насыщении твердого раствора углеродом прокаливасмость повср
хностного слоя увеличивается, и при последующей закалке
цементованных деталей в их поверхностных слоях не образуете
дефектной структурной составляющей в виде трооститной полос»

Разработанный способ цементации исключает обезуглерожи
ванне твердого раствора, что обусловливает повышение закал»

трооститной полосы и сетки. В конечном счете это приводит к

Пример. НИИТавтопромом совместно с УралАЗом разрабо
тан также новый процесс цементации.

Сущность разработанного процесса заключается в следующем
Чтобы уменьшить процесс карбидообразования на начальной
стадии, нагрев деталей до температуры насыщения и начало
процесса цементации проводятся в атмосфере с низким углерод
ным потенциалом (0,5-0,6% С). Затем в течение процесса
углеродный потенциал постепенно повышается с таким расчетом,
чтобы иметь в поверхностных слоях цементованных деталей
требуемую концентрацию углерода.

В безмуфельных агрегатах указанный режим цементации
может быть осуществлен за счет дифференцированной добавки
что при переходе на

ных зонах и соответствующей организации потока атмос-
в агрегатах.

}Ышается до 15-20%. Одновременно поверхностная концент-
|Ия углерода повышается в среднем на 0,1%.

При цементации по новому режиму в благоприятную сторону
Меняется характер распределения углерода по слою. В высо-
углсродистой части слоя кривая распределения углерода ста-
вится более пологой, и в этой части образуется площадка с
I ни читальным изменением содержания углерода. Толщина слоя
удержанием углерода с 7% увеличивается в 1,5-2 раза, что,
К известно, должно способствовать повышению служебных
рактсристик обрабатываемых деталей, в частности их контак-

Отмеченное изменение распределения углерода в упрочненном
|*ос. кроме того, способствует увеличению прокаливаемое™ этой
Йети обрабатываемых деталей.

Пример. НИИТавтопромом совместно с Заводом коробок
^простей ПО “ТАЗ" разработан новый процесс нитроцемента-
Е, который позволяет повысить прочность деталей.

Сущность разработанного процесса состоит в увеличении
сродного потенциала в конце процесса насыщения. На первой
1ии, составляющей 0,5-0,75 от общего времени насыщения,
Еродный потенциал равен 0,б-0,8%, на заключительной
ии он повышается до 0,9-1,0%. Добавка аммиака в течение
it процесса насыщения должна находиться в пределах 1-3%,
Нк как при больших добавках увеличивается количество мале-
|улярного азота в слое, что приводит к снижению прочностных
|Юйств деталей. Увеличение углеродного потенциала в конце

Углеродом и азотом, вызванное образованием карбонитридов
Велеза и легирующих элементов, повышает прокаливаемое™
|лоя и ведет к улучшению структуры нитроцементованного слоя.

Кроме того, разработанный процесс обеспечивает повышение
Производительности термического оборудования на 15-20%.

Закалка деталей после насыщения углеродом обычно произ-
водится с температуры подстуживания - 840-860*С. Закалка
Питроцементованных деталей производится непосредственно с

одом и азотом, т.е. 850-

температуры
ГО'С.

в широких пре-

двлнх: от 50-80 до 160-180*С.

Выбор температуры закало*

С учетом многих факторов: химического состава стали, конфи-
гурации и массы детали, массы садки, конструктивных особен-
т.п. При этом не всегда следу»!

деформации обрабатываемых деталей.

Для закалки цементованных и нитроцементованных детачг!
рекомендуются специальные закалочные масла марок МЗМ И»
МЗМ-26 и МЗМ-120, содержащие антиокислительную, мокшим
и антигенную присадки. Рабочая температура масла МЗМ И.
50-ЖС, масла МЗМ-26 - 80-120’С, масла МЗМ-120 - 160-1 Ко (

Низкотемпературный отпуск цементованных и нитроцемс...

ванных деталей обычно производится при температурах IX(i
200°С в течение 1,5-2 ч.

Низкотемпературное насыщение стали азотом и углерод
является высокопроизводительным кратковременным про ценим
азотирования и получает все большее распространение в мирош-И
практике для повышения стойкости режущего инструмента и
инструментальной оснастки. Он проводится при температч*
560-580*С в жидкой или газовой среде, содержащей активны*
атомы азота и углерода.

При низкотемпературном азотировании независимо от тин*
из какой среди проводится насыщение, происходит прсимуще» •
венная диффузия азота, а строение диффузионного слоя опргд<
ляется диаграммой состояния "железо-азот". Присутствие утл»
рода в формировании поверхностных нитридных зон слоя придан
им карбонитридный характер.

Азотирование инструмента в жидких средах, по сравнению >
газовым, обладает положительными качествами: небольшип
длительностью процесса, высокой скоростью нагрева; равномгр
костью нагрева и незначительным искажением геометрическим
размеров инструмента; легкостью регулирования скорости охлаж
дения после обработки; возможностью механизации процесса.

Однако многие процессы жидкостного азотирования (цианн
рование), тенифер-процесс (Германия), туфтрайдинг (США»
отмечаются рядом недостатков: токсичностью используемы*

регулирон.1

солей, сложностью их

СНГ и за рубежом (фирма Degussa,<DPD разработаны промчи
азотирования (карбонитрации) в нетоксичных в исходном сосны

карбамида (мочевины) и карбоната натрия. Активной солью .<
процессе жидкостного азотирования является цианат натрия
NaCNO3, получаемый при взаимодействии соли и мочевины. Та»
как процесс получения цианатов идет при обильном газовыдс к

нии, участок азотиров;
системой вентиляции.

быть оборудован надежней
Таблица 6.42

Приближенные значения средней скорости
нитроцементации (мм/ч) при различных
температурах процесса

	Темпсратурв ороаесс*. *С		
	«60	♦J0	950
До 0.5	0.20	0.40	0.50
0.5-1,0	0.15	0.30	0.40
1,0-1.5	0.12	0,20	0.30

Таблица 6.43

'Режимы высокотемпературной нитроцементации стали

»и<ыжи>1е.. ера.			Прммеча^с
кяпгаз (20% СО, 40%  ^40% Np + 3-5*			JH, ! чЖЦ [ шМ5 И1ШзТ8
Шлоиодородный  мозндогзз <20% СО, 20% L 60% N.) +0.50.8%  «родного газа + 2-4%			||ШЩ |И ||| 1
|аловодородный эндогаз 1,5% природного газа ♦  *4% аммиака	820-860	0.2-0.5	
|риродиый оз + 20-23%	860	0.6-0.9	Процесс ведется в вертикальных печах типа
		0,2-0,9 0,8-1,5	печах. Дозированную подачу триэтаноламина в печь осуществляют с помощью топливного
			Прагма «е
Син-тин, керосин, спирт и	860-930	0.4-I.S	Процесс ведется в

Режимы низкотемпературной нитроцементации

«“““"•‘О"		
Эндогаз(40%Нг20%СО,40%^ + 25% аммиака)	S70	0,5-3
Экзо-эндогаМ20%Нг 20%СО, 60%.\) + 50% аммиака		
Экзогаз (90%Nr 10%СОр + 50% аммиака	570	
50% продуктов пиролиза керосина, спирта или синтипа		

в кипящем слое корунда с размером

Прогрессивными также являются выполненные
время работы по цементации в кипящем слое.

частиц 120 мкм.

Для повышения углеродной активности среды к эндогаэт,
получаемому непосредственно в установке, подмешивался доО.,
вочный метан в количестве от 5 до 40% от исходной газовоз
душной смеси.

Повышение температуры цементации до 950’С в значительном
степени сказывается на толщине диффузионного слоя. За 3 чаю
на стали 18ХГТ толщина цементованного слоя достигает 1,5-1.6

слое к трубке подвода вторичного метана присоединялся баллон
Проведенные исследования показали, что расход аммиака
Иественно влияет на насыщение поверхности углеродом и

|фкма газовоздушной смеси на стали 18ХГТ за 1 ч. формируется
|Мой толщиной 0,3 мкм, за 3 ч. - 0,65 мм, за 5 часов - 1,2 мм.
1Толщина карбонитридной зоны при этом 0,02; 0,04; 0,07 мм

На основании результатов проведенных исследований на
боксарском агрегатном заводе на базе промышленной печи
•60 была спроектирована и построена опытно-промышленная
|чь для цементации деталей тракторов в кипящем слое.

Цементации подвергали втулки звеньев гусениц тракторов
«ли 20Г и 20Х. За 14 часов при 950’С получен цементационный
юй толщиной 2,2-2,6 мм. По существующей технологии на печи
 106 такую толщину цементованного слоя получают за 20-25

| сердцевине.

Прогрессивен процесс цементации в кипящем слое. Кипение
(Истиц в порошковой среде достигается за счет электромагнитных
Мл. возникающих при пропускании электрического тока через

пряжения на электродах вызывает нс только увеличение
итенсивностн разогрева, но и приводит к увеличению плотности
зкп до 2,0-2,1 А/см2. При плотности тока свыше 1,8 А/см2
дуальное обнаружено движение частиц и возникали микроиск-

Увеличение магнитной индукции привело к кипению частиц

I случае однородности магнитного поля, задаваемой, например,
формой или расположением полюсов магнита, максимальный
Мзогрев наблюдали в зоне максимальной магнитной индукции.
Возможность задания неравномерного поля позволила осущсст-
йгть локальный разогрев порошковой среды для местной обра-
фпки деталей. Наряду с этим локальный разогрев позволил

Петитного поля, что особо важно при обработке тугоплавких
Ивтсриалов.

Кипящий слой создавали в порошке графита с размером
истиц 0,1-0,3 мм, помещенном в кварцевую трубку, нахо-
дящуюся в поле постоянного магнита с магнитной индукцией в
взоре 0,3 Тл (3000 Гс). При этом часть трубки оставалась не
внолненной. Постоянный ток относительно магнитного поля был
Вппрпвлеи таким образом, чтобы возникающая сила была
Покривлена вверх. При температуре 950*С и выдержке 30 мин
толщина диффузионного слоя на образцах из сталей 10, 20, 21»\
составила 0,90; 0,80; 0,65 мм. Соответственно концентрации
углерода на поверхности 1,0-1,1 %.

Интенсификация процесса цемеь

кипящем слое идет за счет динамического, ударного, электрохн
мического воздействия искры и электропереноса.

В Бухарестском институте Технологии горячих цехов разри
ботана промышленная установка для термообработки в кипящем

Пример. Совершенствование автоматических линий для XIV
осуществлено на ВАЗе, успешно работают толкательные безмт
фельные автоматические линии фирмы “Холкрофт" (США), 2 *
и 3-х-рядные линии, изготовленные ВАЗом и Курганским ПК 1>.
основные характеристики которых приведены в таблице 6.45 и
6.46, а в таблице 6.47 - футеровочные материалы, химическип
состав сплавов, из которых изготовлены трубы этого агрегата

Таблица 6.4'

Зависимость глубины слоя от температуры цементации

Температур*	Глубина <ж>» (мм> мем пиержш при пемеятаом. я			
	10			
930				
930		2 Л - 2*4	z	
960		гГ-гЛ		

Таблица 6.4(»

Характеристика промышленного агрегата
				Тсмвература. *С			
							
Ьркаоый	О	26	Нитро*	870	200	15	250
	1	26		870	620	о	350
	2	12	тация	850	650	С	315
	]	10		870	21)0	5	200
	1	42	Отжиг	700		5	500

Таблица 6.47

Футеровочные материалы

	Н»~»« «up.»	
К 20  к28	“Бэбкок-Волкокс"	МПСЛ - 05  ВГЛЛС 62°8
MX 17	“Баирок"	МКРВ -350

6. Карбонитрация

Карбонитрация - новый и прогрессивный процесс химико-тер-

разработан в МГТУ им.Н.Э. Баумана Д.А. Прокошкиным.

Процесс заключается в том, что изделия (детали машин,
инструменты и др.) подвергаются нагреву при температурах

цианамидов или смеси металамина и карбонатов для насыщения
Павсрхности изделий азотом и углеродом с целью создания новой
Структуры и улучшения свойств. На поверхности изделий
Получают тонкий (10-20 мкм) слой карбонитридов, отли-
чающийся высокой износостойкостью при глубине подслоя 0,2-0,4
мм (глубина слоев зависит от длительности выдержки, нс
Превышающей 1-2 ч).

Удаление карбонитридного слоя нежелательно, так как оно
Приводит к существенному снижению износостойкости. Поэтому
карбонитрации подвергают окончательно обработанные (вклю-
чая шлифование, заточку и т.п.) детали и инструменты по схеме:
обезжиривание в 3%-ном растворе - подогрев в воздушной среде
350-400’С - карбонитрация при 550-560‘С с продувкой
расплава сжатым воздухом - охлаждение на воздухе до 150‘С -
оксидирование (воронение) при 140*С и промывка.

Для карбонитрации используют сер

печи ванны с незначительной модернизацией (титановый тигель
с устройствами для

аздухом) и обычны*

на Волжском автозаводе (детали двигателя), ГПЗ-1 (режущий»
штамповый инструмент), Климовском машиностроительном зав»
де нм.В.Н. Доенина (инструмент, детали ткацких станков »
машин), Челябинском аатоматно-механческом заводе и мнопп

Так как карбонитрация проводится при сравнительно низки >
температурах (ниже температур структурных превращений), »•
при этом процессе удается избежать повторной закалки, вслед
ствие чего предоставляется возможность сохранить улучшенную
структуру сердцевины. Кроме того, для этого вида обработка
используются неядовитые реагенты, она сравнительно прости.
поэтому может быть рекомендована для поверхностного р<-

жущего инструмента, штампов и ресс
производственных условиях.



Поверхностное насыщение азотом и углеродом значительно
повышает предел выносливости стали, особенно при небольшом
обезуглероженном слое. Предел выносливости упрочненных об
разцов на 400 МПа (170%) превышает предел выносливости
неупрочненных образцов. Обработку проводят при более высок*»)
температуре (510'0, чем отпуск (460'0, обеспечивающий
получение максимального предела выносливости у стали 60С2
Такая температура обработки позволяет получить оптимально-

670 МПа) образцов, упрочненных при 600’С, по сравнению .
отпущенными при этой температуре, является подтверждением
преимущественного влияния прочности поверхностных слоев на
сопротивление усталостному разрушению.

Вследствие более высокого предела выносливости упрочненные
стали обладают, по крайней мере, на порядок большей долговой
ностью, чем обработанные обычным способом. Это связано с
более значительным повышением несущей способности образцом
вследствие большего упрочнения поверхности. Упрочненный
поверхностный слой позволяет разгрузить обезуглероженпы»
слой, хотя и в не такой степени, чтобы полностью устранить сп>
отрицательное влияние.

При пониженных температурах процесса происходит пре-
имущественное насыщение поверхности азотом, поэтому получа
ется небольшая глубина упрочненной зоны, а также резкое

Вывод: Таким

- эффективный способ

повышения предела выносливости среднеуглеродистых конструк
цнонных сталей и устранения тем самым отрицательного влияния
обезуглероживания. Это связано с высокой усталостной прочно
стью поверхностного слоя, обеспечивающего значительное повы
шение несущей способности образцов. При малой глубине
обезуглероженного слоя этим способом можно повысить предел
выносливости до значений, характерных для нсобезуглерожениых
образцов, причем высокая твердость поверхности не зависит о<
наличия обезуглероженного слоя.

Рекомендации производству.

Печь-ванна для карбонитрации должна быть оснащена газо
вым, жидким (мазутным), электрическим нагревательным уст
ройством. Наиболее удобна система электронагрева, позво
ляющая легко автоматизировать регулирование температуры а

печи и расплаве солей.

Вполне удобными являются электрованны с внешним обогре
вам типа СВГ-1,5 2/8,5М1; СВГ-2,5  2.5/8.5М1; СВГ-3,5
4/8,5М1.

Тигель должен быть изготовлен из титана-, железный,
стальной или чугунный тигель неприемлем, так как в процессе
нагрева железо растворяется солью, взаимодействует с ней.

образует ферроцианиды и

ферроди-

цианидами, оседающими на поверхности металла и разрых
лающими карбонитридный диффузионный слой. Титановый ти-
гель обеспечивает высокую чистоту расплава соли, хорошую
жидкотекучесть и плотный диффузионный слой на поверхности
обрабатываемых изделий. В связи с низкой температурой ведения
процесса (около 550-560*0 титановый тигель служит долго и
не удорожает процесс.

Рабочий состав расплава ванны:

75-85% KNCO +25-15% К2СО3.

Для наведения ванны должен быть использован либо чистый
цианат калия, поставляемый в соответствии с техническими
условиями, либо смесь цианата с 15-25% поташа.

Как по первому, так и по второму способам в сухой чистый

титановый тигель загружают соль,

\п

объема тигля. Засыпку нагревают до расплавления, происхо-
дящего при Т  350*0. В расплавленную ванну загружают новую
порцию соли, которую также доводят до расплавления. Таким
образом, вследствие постепенного наплавления заполняют рабо-
чий объем тигля. Температура ванны во время наплавления
должна поддерживаться на уровне 400-450’с. Не следует прсвы-
'развитием вторичных реакций.

Если ванна наводится с использованием смеси цианата с
крбонатом, то после нескольких часов выдержки ее при рабочей
температуре 550-560’С она готова к ведению процесса карбонит-
рации. Такая выдержка необходима для того, чтобы прошли
реакции, связанные с влажностью используемых солей. В случае

. Наведения ванны с использованием

Необходимо ее после расплавления состарить и окислением
довести концентрацию поташа до 15-25%, т.е. уровня рабочего
состава ванны. Следует иметь в виду, что используемые соли
Склонны к поглощению влаги и их следует хранить в соответ-
ствующих помещениях. При использовании сухих солей вспени-

наблюдается.

2KNCO + О2 = К2СО3 + СО + N2

расплав соли продувают окислителем (углекислым газом, возду-
хом и др.). Удобно применять продувку воздухом, который
подается через приспособление, имеющее в конце кольцеобраз-
ную форму с отверстиями диаметром около 0,5 мм, расположен-
( иую на дне тигля. Трубку изготавливают так же, как и тигель,

необходимо продувку ванны воздухом начинать сразу же после
расплавления соли. Расход воздуха устанавливают из расчета
2-3 • 0,278 • 10‘ м3/с на 1 кг соли в расплаве. Можно
использовать воздух из местной заводской сети, но для этого
необходимо понизить его давление до 0,05 Па и установить в
отводящей трубе ловушку для очистки от паров масла и воды.
Простейшим средством для этого может служить тампон ваты,
вложенный в отводящую трубку. Для индивидуального обслужи-
вания ванны карбонитрации могут быть использованы универ-
сальный мембранный компрессор УК-1М или, еще лучше,
мембранный компрессор типа КВ-10. Контроль расхода воздуха
осуществлять ротаметром PC-ЗА или РС-3 производительность
соответственно до 50 и свыше 50 • 0,278  I0'6 м3/с.

Для внедрения рекомендуется следующая схема технологи-
ческого процесса карбонитрации:

Вариант П

I. Обезжиривание.

Горячий раствор 3%.

1. Обезжиривание.
2.	Подогрев. 300-350’С.
воздушная атмосфера.

3.	Нагрев, 540-560’С.
соляная ванна, продувка
воздухом.

4.	Охлаждение на воздухе до
150’С.

5.	Воронение, 140’С раствор.

6.	Промывка в горячей воде
Состав раствора (Т ” 140’С)
NaOH 550-600 г/л
KNO2,....150-200 г/л.

2.	Подогрев. 300-350’С.
воздушная атмосфера.

3.	Нагрев, 540-560’С.
соляная ванна, продувка
воздухом.

5. Стабилизация, 250-300’С

NaOH.....75%

KNO,

..25%.

Длительность выдержки инструмента в ванне при карбонит
рации следует подбирать из таблицы 6.49.



Таблица 6.49

Длительность выдержки в ванне

инструме

из быстрорежущей

стали в цианате калия, 560'С

	.Ъ—етр.				
С«рл»	20-25				12-15 15-18 18-20
	Чо3	§	«ХТальане	20x30  30x45	
щккмие	2-5 5-Ю		Метчики, шаг		Hi
					
					
II 1111			Ш П  •s „ 1 Я 5 f г	1-1.5  1,5-2 2	ю-п
•|™м	80-100		Броши	30-40	
резьбовые	S«6	10-12			
В МГТУ им.Н.Э.Баумана проведены исследования по интен- сификации процесса карбонит рации в цианатах. Для регенерации осадка ванны и его обезвреживания рекомендованы добавки Милана или меламина, едкий натрий, нитрат натрия (жела- тельно в компактном виде), для окисления возникающих в расплаве цианидов вводится аэрация расплава. Внедрение про- цесса позволяет ликвидировать ежедневное вычерпывание части Соли для поддержания рабочего состава ванны, сократить цикл обработки и расход солей; снизить затраты на нейтрализацию Сточных вод. Стойкость карбонитрированного инструмента воз- ростает более чем в 2 раза.  После карбонитрации стойкость режущего инструмента: рез- цпв, зенкеров, сверл, разверток, фрез из быстрорежущих сталей PI8, Р6М5 увеличивается в 1,5-6 раз. Себестоимость карбонит- рлции составляет 1-3% стоимости инструмента. Процесс харак- тсризуется высокой производительностью, простотой, технологии- иостью и применением нетоксичных солей. Процесс может быть «ведрен в термическом цехе или участке на любом машиностро- ительном заводе. Процесс внедрен на многих предприятиях.					

цианиды, хотя и в меньшем количестве, чем при цианировании.
После карбонитрации поверхность инструмента в ряде случаев
покрывается налетом из сажи, удаление которой очень сложно.
Соли, используемые в этом процессе, несколько дороже, чем
цианистый натрий для жидкостного азотирования.

В ВПТИэлектро исследован процесс и отработаны режимы
уп|ючнения инструмента и оснастки, применяемых в отрасли.
Карбонитрация из газовой фазы проводится в шахтных элетк-
ропечах типа СШЦ, используемых для азотирования и цемента-
ции. Упрочнению подвергают режущий инструмент из быстро-
|к*жущих сталей (Р6М5, Р6М5К5 и т.п.) и пресс-формы из стали
марок 4Х5МФС, ЗХ2В8Ф, ЭИ-958 и т.д. для литы под давлением
цветных сплавов. Исходный материал - гранулированный кар
бамид (мочевина), который подается в печь при помощи дозатора.

разлагается, образуя
содержащую аммиак,

углерода, водород. Температура

процесса при обработке режущего инструмента 580-630’С, оспа
стки 560-600’С. Продолжительность обработки 10-40 мин для
режущего инструмента, 45-90 мин для оснастки. Такая обработка
приводит к образованию диффузионного слоя толщиной 0,006
0,02 мм на режущем инструменте и 0,10-0,20 мм на пресс-формах

Процесс карбонитрации в газовой фазе внедрен на медногор
ском электротехническом заводе “Уралэлектромотор”, заводе
“Киргизэлектродвигатель", Новокаховском электромашииостро
ительном заводе имени 50-летня Великой социалистической
революции, ангарском электромеханическом заводе (АЭМЗ) н

Стойкость режущего инструмента повышается в 1,5-2,5 раза,
пресс-форм литья под давлением в 2-4 раза. В процессе
карбонитрации в газовой фазе отработанные газы по выходе из
печи дожигаются.

7. Борирование'

Борированием называется процесс насыщения поверхности
деталей бором. Глубина борированного слоя обычно не превы
шает 0,15 мм. В процессе борирования образуются боридыжелеза.
что придает поверхности детали очень высокую твердость (до
HV 14000-2000 ГПа).

Важнейшее свойство борированного слоя - сохранение высокой
твердости при нагреве до Т - 950'С. Кроме того, борирование
придает детали кислота- и жаростойкость при Т 5 800°С.

Процесс борирования известен сравнительно давно. В своей
работе, опубликованной еще в 1915 г., Н.П.Чижевский отметил
чрезвычайно высокую твердость образующихся при борировании

лей. Классификация методов и способов борирования приведена
Классификация методов и


Борирование применяется в нефтяном машиностроении для
упрочнения различных деталей бурового оборудования. Та»,
например, насыщение бором поверхностей втулок буровых нас»,
сов, работающих в тяжелых условиях, позволило повысить и>
стойкость в 10 раз. Борирование дисков турбобуров (взамен
цианирования) увеличило их стойкость в 5 раз. Проши
борирования дает высокие экономические показатели также н
тракторной промышленности и ряде других.

Формирование борированного слоя подчиняется общим зак<>
нам образования многофазного диффузионного слоя. Диффузия
бора первоначально происходит в у фазе и затем образуется борца
FejB, после чего может образоваться борид FeB.

Особенность формирования борированного слоя - это росы
зародыша боридной фазы, происходящей преимущественно пер
пендикулярно к поверхности.

Борирование используется при изготовлении ответственных
деталей, работающих на износ в сложных условиях: нефтяши
буровое оборудование, пальцы траков гусениц и т.д. Борирован

твердой основы детали их можно подвергать закалке.

Поскольку газовая среда наиболее активна, насыщение стали
бором протекает в ней интенсивнее, чем в других средах.

Существует такая разновидность газового борировани. Бори

Недостатком его является токсичность и взрывоопасность
Поэтому в промышленности используют смеси диборана с HCI
(газ), диборана с BCI, и ВС13 + HCI (газ) - эти смеси нс
взрывоопасны. Глубина борирования 0,15-0,2 мм на среднеуглс
родистых сталях, Т = 860’С, t = 5-6 часов.

Для снижения взрывоопасности и токсичности процесса
газового борирования в разработанной установке в качеств»

социатор и колонку с цеолитом. В диссоциаторе, заполненном

происходит очистка аз

Для получения треххлористого бора установка снабжена
специальным генератором, в котором реализуется реакция
взаимодействия четыреххлористого углерода с аморфным бором
отработанных газов обеспечивается

(Опусканием их через нейтрализатор заполненный водным
Створом щелочи.

Электролизное борирование (борирование электрохимическим
Годом).

I. Электролизное борирование проводят в расплавленной буре.
|ри этом методе стальную деталь помещают в гальваническую

Подом служит предвг



Шержень или цилиндр. На аноде протекает разложение аниона
1,0, и разуется борный ангидрид по реакции:

2В,О, = 4В2О3 + О2.

Натрий, выделяющийся на детали (катоде), частично всплы-
Ttrm на поверхность и сгорает, а частично идет на восстанов-
Нине окисла бора до активного бора, благодаря которому и

Недостатком процесса является быстрый выход из строя
илей, большой расход буры.

Наиболее распространенные газовые среды, температурно-
сменные интервалы борирования, а также получаемая толщина

I 2. Электролизное борирование в смеси метаборной кислоты
Т(НВ()2)и фтористого натрия (NaF).

I 3. Борирование в расплавленной буре с карбидом бора.
Ыктивный атомарный бор в такой ванне образуется путем
I восстановления окислов бора углеродом карбида бора. К расплав-
' денной буре рекомендуется добавлять 30-40% карбида бора,
| содержащего 76-78% бора и 18-20% С. Такая ванна позволяет
(Обрабатывать детали любой формы, что невозмжно при электро-
лизном борировании.

! Недостатком этого метода является малая жидкотекучесть
•Ранны, а также быстрое истощение и уменьшение ее активности.
•Преимущества этого способа борирования в жидкой среде по
'Сравнению с другими методами - малая затрата времени на
Процесс и, кроме того, возможность проводить закалку непос-
редственно из ванны.

Отрицательной стороной процесса является агрессивность
расплавленной буры, которая оказывает сильное разъедающее
действие на металл. В результате воздействия ультразвука,
глубину борированного слоя можно увеличить в 1,5 раза по
сравнению с достигаемой при обычной обработке. Ультразвуковые

колебания передаются от магнитос
посредственно через канцентратор.


Рекомендуемые составы насыщенных сред
и технология борирования

Таблица 6.50

бфиромкх*		о»"	F-«XT<			
бор-	В герметич-	1> 100 ВС (технического)  2)	98-99 В4С* 1-2 AIF.  3)	70-40 аморфного бора (ферробора, ннкельбора я др.) +1-5 активатора (NH4C1, NaF, KBF4, AIF^h ДР-) * инертная добавка -	900-1050  900-^050			
		1) Экабор-2, Экабор-3.  2) 50 В4С + 4 3 AljOj♦ 3 KBF>4 NaC		M2	'l«>-240	
м.еХТр‘	мерах	1) 99,5 < 70 ALO. >30 (75 B.O. + 23AI)  ♦ 10,5 NaF  2)99,5 < 80ALO. ♦ 20 (50 B.O. + 50 CK25 ♦ + 0,5 NaF)	850-1050  950-1050	2-t	50-tOO	
	нагрев*1	1) 80 (SOAIjOj + 50 B4C ♦ 20 Na, AIFJ	800-1050	2-4	3O-2SO	F.B.Fe^
	(в герметич- ных контей-	2)	80 B4C ♦ 20 Na.AIF.  3)	98 < 50-80AI,Oj ♦ 50-20 (60-70 B/ty + 40-30  Al ♦ 2 NaF*3 (связующее - смесь ацетона с	800-1050 800-1050			f«b!f'Jb
1	g			2? ?tlt  S2 SSS2
Ml  Bi	8  I	I!		II HH
	-s			XX xnz
1 *	8	88  ii		»1Ш
I  1	i I И h d	f  C₽J	£  s	!) 100 NijB.O-(техн.) i - 0,1 ♦ 0.3 A/cm2)  2) 6^-40 Na2B4b7 ♦ 40-60 Na, B,OS (i = 0Д * 0.25 3) 80 Na.B .O, ♦ 20 NAC (i = 0.142 Мем2)  4) 85 Na.B.O- ♦ 15 Na.HPO. ♦ (Na.PO.)  5)90Na1LO-+ lONaOH  6)30U6 ♦ 2 NaC1 ♦ 38 КС♦ 15 UB.O_ +  ♦ 9NaB4O, + 6K2B4O,
	1!	ihitf	iifc	s  li
||	8 i  =			1 *



Юбенностью борированного слоя является большая твер-
, сохраняющаяся при высоких температурах, что значитель-

4ССКИХ воздействий и абразивного изнашивания.
электролизном борировании (в сравнении с другими

в ванну с расплавленной

Mtfri ток. При этом детали являются катодом, а угольные или
шфшповые стержни - анодом.

Г Коэффицент эффективности (отношение сравнительной стой-
ти штампов и сравнительной стоимости материала) для
Милов из стали У7 равен 0,96, а для тех же штампов,
Ьтовлснных из стали У7, но подвергнутых электролизному
М1рованию, равен 4,1 (за единицу приняты штампы, изготов-
рмые из стали 5ХНВ).

^Стоимость борирования зависит от метода борирования,
Тава ванны, габаритов упрочняемых деталей, количества
Влей, одновременно подвергаемых борированию, и других

Борирование является эффективным средством повышения
ЦШкости ковочных штампов горячей штамповки при работе на
весах и вальцах, вытяжных и формовочных штампах, роликов
I токарно-давильных работ, инструмента для горячей накатки
^бмитых колес.

Особенно рекомендуется борирование для инструментальных
Кродистых сталей типа У7, У8, У8А при следующих режимах
рования: t = 920-950*С, продолжительность процесса 3,5 ч,

Борирование в твердой среде.

Для борирования деталей в твердой среде применяют порош-
кообразную смесь, состоящую из 50% ферробора или аморфного
Лора, 49% окиси алюминия и 1% хлористого алюминия.
рирование производится в герметически закрытом ящике,
ЦОТорый устанавливают в печи и нагревают до температуры
•00-1000’С, т.е. борирование в твердой среде происходит при
(рйвнителыю высокой температуре и требует продолжительной
|Идсржки. Приготовление рабочей смеси, упаковка и распаковка
цциков - трудоемкие ручные операции.
Термообработка борированной стали осуществляется iivim
за клаки в отпуске, т.к. наличие под тонким, твердым ошц
вязкой сердцевины может привести к подавлению и выкрапшм '
нию слоя. После закалки часто возникают трещины.
объясняется тем, что при закалке увеличивается объем серди»
вины деталей; в борированном слое, состоящем из бори,ни.
существенных объемных изменений не происходит. Борирований
слой обладает высокой теплостойкостью] после нагрева до I * |
800’0 его твердость не снижается. Борирование нескольм'
повышает окалиностойкость до 800‘С и кислотостойки, ли
стали, а также предохраняет от разрушения в расплаве свинца

В зависимости от состава борируемой стали образующим ।
борированные слои различаются по строению и составу.

При насыщении углеродистых сталей газовым контактный

способом в nopoi

бора и 6ypv

на поверхности диффузионного слоя образуется зона, состоянии
из боридов FeB. а по ней Fe2B с характерным иглообразные
строением. Под боридами формируется зона, обогащенная уг/н
родом за счет оттеснения его с поверхности, а также зона н

При борировании высокоуглеродистой стали образуется зона.

Ni)B, (Fe, Ni2)B, у хромоникелевых сталей (FeNi, Сг)В и (Fe, NI.

Насыщение в порошковых средах низкой активности <ферр>
бор, алюмотермический бор и др.) образует диффузионные слои,
состоящие из а - твердого раствора (раствор В, AI в железе) •
включениями боридов и карбоборидов. Микротвердость борида»
FeB на углеродистых сталях HV 18-19 ГПа, а боридов Fe2B - 01

детали можно установить на поддоны и засыпать их отработан
ным карбюризатором.

Одним из путей повышения эксплуатационных характеристик
экономнолегированных вольфрамом быстрорежущих сталей яи
ляется химико-термическая обработка. Целесообразным в дан
ном случае является проведение химико-термической обработки
при температуре, совпадающей с температурой отпуска этих
сталей, т.е. при 65О...58О’С.

В этом плане наиболее перспективными являются процессы
химико-термической обработки в борсодержащих средах, в част
ности низкотемпературное борирование (НТБ). Однако извест
ная в настоящее время технология процесса НТБ в расплавах
солей не является достаточно приемлемой для промышленного
использования.
^Перспективен процесс НТВ стали Р6М5 в алюмотермических
Ьршковых средах, содержащих окисли бора и алюминия, а в
Кктвс активаторов - фторобораты или смесь фтороборатов
^Никель- и серосодержащих веществ.

< Использование в составе активатора никель- и серосодер-
^ЖИХ веществ позволяет интенсифицировать в 2...3 раза процесс
Инфузионного насыщения быстрорежущей стали в интервале
Бйератур 56О...58ОвС.

Рекомендации производству.

пмнолсгированных вольфрамом быстрорежущих сталей в
шковых средах следует стремиться к реализации следующих
жительных моментов:

|||1 инструмента за счет образования высокотвердых соединений
 поверхности сложнолегированных боридов железа;

- разработка и использование активных составов порошковых
|Кыщающих сред, содержащих элементы, которые могут участ-
|рать в формировании диффузионного слоя и одновременно
Наполнять роль “твердой смазки" при эксплуатации инструмента.
Т|ким элементом, по всей видимости, может быть сера;

х - создание условий для диффузионного перераспределения
ргирующих элементов в стали (вольфрама, ванадия, молибдена,

Йдслий и в зоне диффузионного слоя.

Используется твердофазное борирование калибров порошковой
9Mvcu состава 98-99% В4С + 1-2% AiF3, обеспечивающей
ИОрошую чистоту поверхности.

При выбранном режиме борирования (температура - 900-
•20*С. время выдержки - 5-6 часов) толщина боридного слоя
(оставляет 0.13-0,16 мм с максимальной микротвердостью 18000-
19000 Н/мм . Последующая термическая обработка - закалка из

(180-220’С) в селитре



(Пособствует упрочнению переходной зоны борированного слоя
И, частично, металлической основы инструмента.

Испытания борированных и серийных (цементированных)
ВаЛибров показали, что износостойкость борированных калибров
Повышается по сравнению с серийными более чем в 4...5 раз.

ются смеси на основе карбида бора и

ты в следующем соотношении: криолит 25-30%, фтористый
натрий 3-5%, карбид бора - остальное. Интенсивность на-
сыщения бором при использовании данного состава увеличивается
Разработана и передана на многие предприятия тсхнолошч<
ская инструкция на процесс борирования в пастах.

Пример: Возможно повышение межремонтного ресурса пни»
турбинных двигателей вертолетов путем нанесения на лопатки

Лопатки компрессора (материал: ВТЗ-1 и ОТ4-!) насыщали «>
порошковой смеси 90% В + 5% ПАП + 2% активатора н|ш
1203* К, 8 ч; 1223* К, 5 ч; 1253е К, 8 ч в герметичные
контейнерах. Толщина диффузионного слоя при этом составлял.»
30-60 мкм, твердость HV 10000. фазовый состав - TiB, 

Испытания на аэроабразивную стойкость проводили п.«
специальной установке с максимальным приближением к усл<>
виям эксплуатации двигателя, которые возникают при режимам
взлета-посадки вертолета. Обдув лопаток производили молотым

движения 190-200 м/с. Анализ результатов испытаний показал,
что аэроабразивная стойкость лопаток с защитным покрытием
(“Алюбор") увеличивается в 30-75 раз по сравнению с лопатками
в исходном состоянии.

В ряде случаев при твердофазном борировании целесообразно
использовать вместо порошковых смесей гранулированные ни
сыщающие среды, к примеру состава:

карбид бора, %
фторид натрия, %

- 25-30

- остальное

Целесообразно использование предлагаемой технологии про
цесса борирования, позволяющего повысить стойкость штампо

Для внедрения процесса борирования на предприятия*
различной мощности и профиля весьма приемлемым является
рассмотренный метод насыщения в порошковых смесях. Он
осуществляется на стандартном термическом оборудовании, тре
бует минимальной технологической оснастки (контейнеров) и
недефицитных порошковых материалов. Существенный импульс
в ускорении темпов и расширении объемов внедрения сыграли
работы, выполненнныс в Институте проблем материаловедения
АН Украины, в которых была доказана высокая техникоэконо-
мическая эффективность использования для борирования порош
ка технического карбида бора или смесей на его основе. Еще
большие перспективы открывает разработанный в Белорусском

ко-термической обработки, в том числе и борирования, позво-
ляющий использовать недефицитные и дешевые окислы на
рыщающих элементов (бора, хрома, кремния и др.) и в качестве
Восстановителя порошок алюминия.

Жидкостное (безэлектролизное) борирование.

Жидкостный метод борирования связан с заметным уносом
расплава, необходимостью отмывки деталей, последующей ули-
тизации и переработки растворов, вредных, как правило, для
окружащей среды, поэтому его использование в массовом произ-
водстве затруднительно. Однако при незначительных объемах
производства вследствие своей простоты жидкостный метод, в
особенности безэлектролизный его вариант, используется все
шире. Преимуществом жидкостного метода является, в частно-
сти, то, что он позволяет подобрать борирующие сплавы с
невысокой температурой плавления (550-700’С), т.е. осуществ-
лять процесс низкотемпературного борирования. Этот процесс
целесообразно проводить как окончательную операцию для
высоколегированных быстрорежущих и штамповых сталей, со-

Кроме того при жидкостном методе несложно осуществить
однофазное (фаза Fe2B) борирование, которое в ряде случаев
амсет преимущество перед двухфазным (фазы Fe2B и FeB).

вапия является разработка технологичных и дешевых на-
сыщающих составов. Наиболее обстоятельные исследования
 этом направлении выполнены Белорусским политехниче-

строхимии УНЦ АН

ским институтом и Инет
России (г. Екатеринбург).

Диффузиоиные слои, формирующиеся при использовании
традиционной технологии электролизного борирования, имеют
ряд недостатков. Боридный слой всегда содержит высокобори-
тую фазу (FeB). повышающую хрупкость покрытия и приво-
дящую к образованию в нем продольных трещин. На поверхности
изделий образуется слой аморфного бора, ухудшающий чистоту
поверхности и снижающий скорость роста слоя. Обогащение
переходной зоны бором и углеродом снижает температуру

Для того,- чтобы устранить перечисленные недостатки,
разработан новый вариант борирования, который заключается в
следующем. На первой стадии процесс электролизного бориро-
вания ведут при плотности тока 0,074),08 А/см2 в течение 5-10
мин. За это время формируется сплошной боридный слой, который
ухудшает абсорционную способность матрицы. С учетом этого,

на второй стадии снижают плотность тока так, чтобы не успевал
образоваться слой аморфоного бора. Одновременно плавно сни-
жают температуру от Ас3+(ЗО-5О°С) до Ас,. Вследствие реализа-
формируются покрытия, об.чч

дающие хорошей устойчивостью к динамическим нагрузкам и
имеющие лучшую чистоту поверхности. При борировании таким
способом с использованием в качестве электролизера тигля ш
силицированного графита можно получить покрытия по ubciv,
близкие к хромовым гальваническим осадкам. Технологически»-
испытания штамповой оснастки для холодной деформации меди
с покрытиями, полученными разработанным способом, показали

шился объем работ на доводку гравюры пресс-форм за счеч
уменьшения шероховатостей поверхности, увеличилась стойкое п<
ннструмента за счет снижения напряжений, возникающих и
процессе химико-термической обработки. Этот способ химики
термической обработки внедряется на Воронежском ПО “Элект
роника”.

Повышение плотности тока свыше 0,15 А/см2 не приводит к
существенному увеличения глубины борированного слоя. Поэтому

0,20 А/см2 борируемой поверхности и напряжении 10-14 В. Этим
и определяется необходимая мощность источника питания пост»
янного тока.

Известно, что многие кристаллохимические изоморфные
бориды и карбиды переходных металлов обладают широкой, а

пара Fe2B - NiB). Образование тройного соединения солровожда-

териала; поэтому представляется целесообразной возможность
диффузионного изоморфизма (образование тройных соединений
типа Ме’-Ме2-неметалл). Борирование производится также в
расплаве, состоящем из 50% буры, 20% NaCin 30% восстань
вителя-силикомарганца СМ 17 в интервале 800-900“С, используя
стали, содержащие никель, хром, молибден и кремний до 5% по
массе. Диффузионное насыщение стали У8 производили при
Ю00°С в порошковых средах, где восстановителем служил
силкокальций, а поставщиками диффузантов-окислы переходных

Легирующие элементы, содержащиеся в борируемой стали,
растворяются в боридах железа FeB и FejB, изменяя период
решетки боридов линейно в соответствии с законом Вегарда. П ри

структуре борида железо, а кремний - бор. По толщине
диффузионного слоя состав игольчатого боридного кристаллита
| Кристаллохимические пары Fe1B-NiJBn Ре,В-МпВсовершенно
' Цкорфяы, при содержанки в стали до 3% никеля слой содержит,
►ряду с Fe2B, фазу Мп2В, а при 5% никеля - фазу NijB. Это
ввьясняется неравновесностью структуры слоя при низкотемпе-

Цтурном борировании и резким г
ВФФузии в сравнении с объемной.

граничной

При силикотермических процессах диффузии в сталь цирко-
►м, молибдена и вольфрама достичь не удается. Совместное
Всыщение происходит при использовании сочетаний хрома с
титаном, ванадием, ниобием.

Кидкостный метод в расплавленных солях. Насыщающие среды
«одержат буру или смесь буры с хлористым натрием, а в качестве
ворсодержащих агентов - порошки аморфного бора, полиборида
Магния или гексаборида кальция. Использование новых борсодер-
жащих веществ позволило ускорить процесс борирования, снизить
количество твердой фазы в ванне, сократить унос буры с
Покрываемыми изделиями, сохранить исходную чистоту обрабо-
тываемых деталей, ускорить их отмывку от остатков соли.

Методы борирования приведены в таблице 6.51.

Насыщение проводят при 850-1050*С в течение 2-10 ч.
влияние температуры и продолжительности борирования в
разных смесях на толщину слоя на сталях показано в таблицах

Таблица 6.51

Методы борирования стали*)

				|	п—-.
				
Порошки аморфного бора, карбида бора или ферробора ♦ 30-40% глинозема + 1-3% хлористого	950-1050*			
				боризатором.  Применяют борирование в среде
				
Ш1	90^95°			катоде (изделие) 0.15-0.2 А/см2. анод - графитовый
Таблица 6.52

Влияние температуры и продолжительности борирования
в расплаве 70% Na2B4O,+ 30% В4С на толщину
диффузионного слоя, мкм

	Преем-		1		।		1%		К
		МЯТ		г+и-с		Г««Х		+ИМ-С	
х:	1	130	и	ш		250	140	320	
45		65		110			120		170
У8	J	»		и	25  55  80	145	100	160  210	'и
65Г	42	55  85		£	80	150	110	*60	
Влияние температуры и продолжительности борирования
в расплаве 30-35% SiC + 70-65% Na2B4O, на толщину
слоя на стали, мкм

М.ри СУММ			1 -		1 •-	ь	|«-		1 •-
									
Х™	J0			8Sg§	35	ёзй81		!ш§]	
20				!м		160	90	250	‘“о
45	J			МО		й	2А5	280	180
ЧОХ			20	85			и	В	85
65Г		-		125	100	155	но	210	185
17ХГГ		»	65	ю		50  90		!80	В
									
В таблице 6.54 приведены некоторые рекомендации по выбору
сталей, толщины слоя и режимов предварительной н окончатель-
ной термообработки для деталей различного назначения.

Таблица 6.54

Рекомендуемые режимы обработки борированных
стальных деталей, работающих в абразивной среде

				
20. 25, 35, 40, 45	0.1-0.3	1		Не требуется
45. 50. 50Г. 45Х, 50Х. 38ХС,  др.			"РОЧЯ«,,	глубину 1.5-2.0  сердцевины НВ
Оптимальные условия борирования видны из таблицы 6.55.

Таблица 6.55

Оптимальные условия борирования, обеспечивающие
максимальный уровень износостойкости сталей

	Режжя XTO		и““““
	сс		
65-60 N«2B4O7 ♦ 35-40 В4С	1040	4	0.22
52-40 NaJ^O, ♦ 58-60 ЯС	1010		0.4
65 NajB4O7 ♦ 35 СК, размер частиц СК 0.9 мм	1040	6	3.8
09/86 AljOj + 14 (72 В/), ♦ 27 Al)+ 1.0 NaF)	940	5.5	3.0
63Na2B4O, + 37 Mpl	1050	6.0	7.0


Примеры повышения стойкости деталей
технологической оснастки борированием

Таблица 6.56

		бффоыаи	Амиром н-	р“~’		*,em"				rZZ.
							7X*			
опиловочных	SXHT	Электролиз.	100	eso	Масло	160		X*«“’	S3-S6	5
“жтаиис	esr	«-*	ISO	820		160	Тоже	«XH™	S7-S9	
подающие	иг		ISO	820		160		To же	S1S9	3
кондуктора		карбида бора					лс-so			2Л
*	Рекомендации производству.

Ф Перед борированием детали нужно подвергать злектрохими-
*"ой полировке.

*	Электролизное борирование нужно осуществлять при темпе-
Штурах 900-980*С и плотности тока 7 - 0,08 + 0,25 А/см2.
продолжительность выдержки при температуре процесса должна
щть 2-5 я; при этом обеспечивается получение слоя глубиной
* 16-0,28 мм, обладающего высокой твердостью, плотностью и

итьпечь-ванна, системы питания постоянным и переменным

Печи-ванны для электролизного борирования можно изготав-

'кспользуемых для газовой цементации, или печей-ванн, приме-
г)Исмых для высокотемпературного жидкостного цианирования и
‘Нрмической обработки. При этом нужно устанавливать сварной
•Житель из нержавеющей или жароупорной стали. Помимо элект-

•^пользованы печи-ванны с газовым обогревом и электродные

'Вотор-генераторы типа АНД 250/500, АНД 750/1500 и АНД
1500/5000 и различного рода выпрямители (селеновые, германи-
Мые, купрумные: ВКГ-100А, ВАГТ-12-600, ВСГ-ЗА) с напряже-

По.

Стойкость этих деталей в результате борирования повышается

I 3-5 раз. В таблице 6.56 приведены данные, иллюстрирующие

технологнческой оснастки.

Насыщение поверхностных слоев сталей бором проводят
Преимущественно с целью повышения их поверхностной твердо-
сти и износостойкости.

Из разработанных способов борирования применяются лишь

Cl, в основном, борирование в порошкообразных смесях. По
данным Белорусского политехнического института, внесшего
наибольший вклад в развитие процесса борирования в СНГ,
стойкость матриц и пуансонов штампов холодной штамповки

горячей штамповки в 1,5-3,0 раза, ножей для холодной резки
металла в 3-4 раза.
Проведенные в ВПТИэлектро исследования процессов бо/м/J
вания показали, что упрочнению могут подвергаться инструмент
и детали оснастки, к которым нс предъявляются повышений
требования по соблюдению размеров в процессе обработки, на
связано с высокой температурой процесса (свыше 900Т» I
необходимостью в большинстве случаев проведения дополнится!
ной термообработки для обеспечения свойств сердцевины. h J
требованиям удовлетворяют детали пресс-форм для производи iJ
изоляторов, резцы для обработки фарфора, ролики дробил май
машин и т.п. Был разработан состав (карбид кремния 20-30". |
тетрафторборат калия 3-5%, карбид бора - остальное) ,i«
порошкового борирования, обеспечивающий максиальное сопр»'
тивление абразивному износу. Процесс ведется при температ\|«
900-950*С с выдержкой 4-6 ч, охлаждение - в контейнере ш
воздухе. Состав борирующей смеси технологичен, не налиилн
на поверхность деталей, практически не снижает своей актишм
сти в процессе борирования. При этом обеспечивается получена
плотного, прочного и пластичного слоя толщиной 0,10-0,18 м«
и твердостью HV 17Л-20 ГПа. Процесс внедрен на Славянсмч
заводе высоковольтных изоляторов, Луганском заводе щелочим»
аккумуляторов н на ряде других заводов. В результате внедренм
срок службы гибочных штампов возрос в 2 раза, пресс-форм ли
керамики в 3 раза, резцов для обработки изоляторов в 3-5 |mi.
матриц и пуансонов высадочных автоматов в 2-3 раза.

8. Хромирование

Хромирование является процессом насыщения поверхностно
слоев хромом с целью придания им высокой твердости, соп|и»
тивления износу, стойкости против коррозии, эрозии, жаростон
кости. Практически диффузионное хромирование применяют д к
повышения стойкости штампов холодной штамповки, улучшеши
коррозионной стойкости деталей паросилового оборудована
водяной арматуры, сопел и т.д.

Существуют три метода хромирования: в твердой, жидкой к
газообразной средах.

заключается в нагревании деталей в герметическом контейнер
в присутствии солей CrCL или CrCL.

CrCI2 + Fe = FeCJ2 + Cr

CrCI3 + Fe = FeClj + Cr

Образовавшийся активный металлический хром, адсорбирх
ясь на поверхности нагретого изделия, при наличии достаточно»
ИЦентрации, диффундирует в глубь деталей. При этом обра-
Ьтся насыщенный хромом a-твердый раствор и карбидная фаза.
Существенным недостатком процесса диффузионного хроми-
Мния является его низкая производительность.

Возможна интенсификация процесса хромирования углероди-
1ЫХ и коррозионностойких сталей путем введения в на-
виющую смесь, никель-, кобальт- и серосодержащих добавок,
Также использования различных типов активаторов.

Диффузионное хромирование осуществляется газовым контак-
ЧЫм методом в порошковых смесях на основе окиси хрома,
Пользуя алюмотермический метод ее восстановления.

Ьдаионной стойкости превосходят сталь I2XI8H10T. Так, напрн-
Ьр, коррозионная стойкость хромированной стали 45 и 10%-ном
Ьстворе HNO, соответственно в 4 и 6 раз выше, чем сталей
IIJXI8HI0T и 30X13 в исходном состоянии.

их

45 значи-

того установлено, что хрс

и по износостойкости сталь I2X18H10T, что

Цвет возможность рекомендовать замену стали 12Х18Н10Т на
J/tam, 45 с диффузионным покрытием.

f Производственные испытания, проведенные в ГПО “Азот"
ЯМ. С.О. Притыцкого, показали, что износ втулок насосов,

Писяца эксплуатации составил 5 мкм, а из стали 12Х18НЮТ за
_ Икой же период - 500 мкм. Следов коррозии не обнаружено.

, На примере хромирования стали У8 в алюмотермической

Показано, что на стабильность результатов обработки влияет ряд

. Установлено, что А12ОД является не только балластной
добавкой, но и хорошим адсорбентом, предотвращающим стека-
ние на дно контейнера жидких соединений сурьмы. Поэтому
Незначительные изменения процентного содержания ее в смеси
При "околокритической" концентрации могут изменять механизм

' К кинетику формирования слоя.

Изучением влияния “микродобавок" элементов, входящих в
Состав используемых порошков в качестве примесей, установлено,
«то некоторые из них могут сильно влиять на результаты
обработки, участвуя в адсорбционных и диффузионных процес-

сах, даже при варьировании

концентрации в пределах

Для хромирования с добавками Sb и Си. с целью повышения
стабильности получаемых результатов, при реализации эффектов
псеадожидкой фазы рекомендовано:
1.	Добавлять SbM Сив хромирующую смесь до восстании н и*
ее из окислов.

2.	Избегать “околокритических" концентраций компонент
в составах смесей.

3.	Добавлять незначительное количество Cd, Zn с цг ив
“загрубления” процесса.

ф^опохромом и через порошковую смесь пропускают хлор нм
хлористый водород. Нагрев и выдержка осуществляются в и- и
при Т - 1000-1100’С в течение 5-8 часов. При этом образую м
хлориды, которые в дальнейшем в контакте с металличс.

поверхностью создают активный хром. Первоначально х|*-м
диффундирует в решетку у-железа. Хром суживает область ।
поэтому при достижении предела насыщения твердого растп..|м

происходит фазовое превращение у-железа в а.-железо.

Хром в процессе хромирования за счет диффузии o6pa.i\*i
прочные слои, хорошо сцепляющиеся с основным металлом
Твердость деталей из средне- и высокоуглеродистых сталей п<* »
хромирования повышается, т.к. на поверхности образую к«
карбидные фазы.

Разработан комбинированный способ хромирования (тверд-*
и газовое хромирование), вакуумный метод и способ хромиро^
ния в пастах. Хромирование обычно ведут при температур.!»

Для жидкостного хромирования применяют расплавлении,
соли. Наиболее часто используют ванны с хлористыми солям»
следующего состава:

а)	70% ВаС12, 30% NaCl и 20% от количества соло!
феррохрома, предварительно обработанного соляной кислотой;

б)	80% ВаС12, 20% СаС12, в которую затем дополнительна
вводится 10-15% СгС1г

Для твердого хромирования применяют смесь порошкообра 
ного хрома или феррохрома с добавкой инертных вещест»
(измеильченного шамота, песка и др.). Последние предотвращаю!
спекание массы и прилипание хрома или феррохрома к поверх
пости деталей. В качестве катализатора сюда же вводят соляную
кислоту или хлорид аммония NH4CI. В процессе нагрсн.1
образуются хлориды хрома СгС12, при контакте которых *..
стальными деталями выделяется атомарный хром, диффунди
рующий в поверхностный слой стали. Температура этого процесс.)
составляет 1000-1200’С. Нагрев деталей в контакте с хромом
позволяет ускорить процесс хромирования.
наработан способ хромирования в вакууме, при котором

содержащей хром. Детали засыпаются порошком хрома в
Цллическом или керамическом тигле и помещаются в ваку-
Мую камеру. Хромирование проводится при разрежении 10 '-
Р 133,322 Па.

Разработай также способ хромирования в керамических мате-
Мл. Иначе этот способ называется BDS-процессом. Он требует
(а ригельного насыщения газообразными хлоридами хрома
Чистых керамических материалов. Во время хромирования
•риды выделяются из пор. После хромирования поверхность
Илей всегда получается гладкой. Хромированный слой долгое
|Мя хорошо сохраняется во влажном воздухе, в воде, щелочах,
рирстом паре, растворах азотной кислоты и в ряде других

। Хромированная сталь обладает высокой стойкостью в распла-
М цинка, свинца и олова. В результате хромирования улучша-
целый комплекс свойств деталей. Детали из хромистых
(Илей становятся жаростойкими (до температур порядка 900'0
I кислотоупорными (в том числе и в азотной кислоте), кроме

усталости. Если хромированная деталь подвергается воздсй-

Кия подвергать термической обработке, если же она не
иержена воздействию таких нагрузок, а работает в условиях
Цтивиых коррозийных сред, то ее можно нс подвергать терми-
Мской обработке после хромирования. Шероховатость поверхно-
Яи после хромирования соответствует Rz= 3.2-O.8 мкм. В ряде
Мучлев хромированные детали из простых углеродистых сталей
Цргут заменять детали из высоколегированной стали и цветных
Щтпллов.

Анализ результатов испытаний показывает, что насыщение
•овсрхности сталей ЗОХГСА и 45 повышает их износостойкость
It сравнению с износостойкостью сталей в термообработанном
(Ктоянии соответственно в несколько раз. Увеличение износо-
Иойкости стали 45 и ЗОХГСА в состоянии после диффузионного

।структура

аеского состояния поверхности.

Процесс хромирования рекомендован для ряда деталей,
работающих в условиях чистого трения, и в настоящее время

Применим метод диффузионного хромирования для восстаиов-
*шия деталей, поврежденных фретииг-коррозисй, из цементуе-
мых сталей 12Х2Н4А и 18Х2НВА. После обработки дефектной
поверхности по действующей технологии ремонта ее насыпан»
хромом газовым методом хромирования.

Процесс хромирования проводили в рабочей смеси 50% <i,
43% А|,О3, 7% NH,CI при температурах 950-1100'С в течет»

Установлено, что из

рактеристик поверхности цементуемых сталей 12Х2Н4Л п
18Х2Н4ВА после их диффузионного хромирования обеспечик;» i
существенное повышение сопротивляемости деталей фретппн
коррозии в рабочем диапазоне параметров контактного взаим..

Таблица 6.51
Рекомендуемые составы рабочей смеси для
хромирования в порошках

	•W-*		ssn					
1	25	72	з		ю'уг«™еЙ
		70	5	Сг - 25	
	75	20	5		
2	50	47	з		Для деталей
			5	Се-50	
	50		5	Сг О -45	/Via  требуется
	45	•	2	СгА"*5	

Режимы процессов хромирования показаны в таблице 6.58.
Таблица 6.58

Состав хромирующих смесей
и режимы процесса хромирования

Твердость хромированного слоя зависит от содержания угле-

Цталей из стали 38Х2М10А было применено диффузионное
бромирование, которое осуществлялось в смеси состава: 50% Сг.
49% А12О3 и 1 % NH4C1.

Полученные данные свидетельствуют об изменении энергети-
Шкого состояния поверхности стали, прошедшей диффузионное
Премирование. Последнее позволяет считать, что насыщение
Поверхности хромом увеличивает межатомные силы связи.

Полученные результаты коррозионной стойкости и вольтам-
Перных характеристик деталей из стали 38Х2М10А в 4% растворе
N*CI, прошедших азотирование и диффузионное хромирование,
Показали существенное увеличение коррозионной стойкости у
Пали, прошедшей диффузионное хромирование. Коррозионная
стойкость стали после диффузионного хромирования увеличива-
ется в 3,5 раза по сравнению со сталью, прошедшей азотирова-
ние, и в 1,5 раза по сравнению с хромированной сталью после
•с термической обработки.

Детали шасси и других узлов самолетов, изготавливаемые из
стили 45 и 30ХГСА, работают в сложных условиях. Основными
причинами отбраковки деталей после эксплуатации является
повышенный износ рабочих поверхностей. Ресурс работы детилг*

может быть увеличен применением
поверхностей хромом и ванадием.

чого насыщения и\

Применяли составы смесей и режимы насыщения элементами
сталей, указанных в таблице 6.59.

Таблица 6.М

Составы смесей и режимы насыщенгия Сг
и сталей 45 и ЗОХГСА

В таблице 6.60 показано влияние хромирования на стойкость
форм литья под давлением и штампов

В таблице 6.61 приведено влияние температуры и продолжи
тельности метода хромирования на толщину слоя на легирован

ных сталях.

Таблица 6.60

Влияние хромирования на стойкость форм литья под
давлением и штампов (по данным А.П.Юодиса,
Ю.А.Геллера, Г.Н.Дубинина)

				
				
алюминиевых	Шибер. ЗХ2В8Ф	6	60000	108000
То же	Втулка. ЗХ2В8Ф	10	35000	55000
Лв’“ латун»	45ХВ2ФС	S3	1750	4600
	Матрица 1-го перехода 45ХВ2ФС	4	1050*	 300
Таблица 6.61  Влияние режима хромирования на толщину слоя на легированных сталях							
	Режим ХТО			Марк. «ал.	Режим ХТО		Ь, ММ
					сс	х. ч	
				20Х23Н18  1Х16Н13М2Б	1050	10	0,30 0,120 0,06-0,07
321	1050	2	0,045				
Э42	1050	2	0,10	ШХ15	1100	6	0,020
I3HS	1000	♦	0.013	Ss	1200	а	0°щ
38Х	1050	6	0.025	85ХФА	1050	6	0,05
12ХНЗА	1050	6	0,035				
20ХГА	1050	7	0,012	35XH3M  12Х18Н11Б	»	Г*'	I 0,3  0.44  | 0.140
37XH3A	1050	7	0.008				
1IX2H4MA	1050	7	0.0075	Жидкий метод			
ЗОХГСА	1050	6	0,015	12Х18Н9	1200	6	0,084
«хфл	10S0	6	0.010	“xhJ		а	0,010
4Х14Н14Б2М	1100	8	0,020	10ГТ	1100	1	0,035
20X13	I0S0	*	0.06		1100	?	0015
12Х18Н9	1050	6	0,16	15ГТ	1100	з	0,030
I2X18H10T	1050	6	0,20	15ГТ	1100	6	0,048
Значения предела прочности, относительного удлинения и относительного сужения стали 40 до и после хромирования Приведены в таблице 6.62.							
Таблица 6.62

Механические свойства стали 40

до и после хромирования

			•«	
Без обработки	280	39.3	68,4	O-I7
	260	42.9	69.5	0-20
	240	42.2	68.4	0-39
После хромирования. IS мин	280	18.5	35,0	0-30
	260	153	36,7	1—43
	240	20.7	25.7	2-10
То же. 6 ч	280	о >	29,4	0-40
	260	9.4	36.6	5-0
	240	6.95	30.8	31-40
В таблице 6.63 приведены данные с сравнительной коррози-				
онной стойкости железа, чугуна и стали с различным содержа-				
нием углерода в средах, используемы»		с в промышленности.		
Области применения хромирования указаны в таблице 6.64.  Таблица 6.63				
Коррозионная стойкость сталей и чугунов				
в различных промышленных средах после хромирования				
Таблица 6.64

Области применения хромированных деталей
			
	винты, заклепки)		ТОИРИЫЙ ВИД
	Рычажные системы весов, стопорные винты трактора		Повышение^
	болты		Товарный вид
	идаиТ " 1‘"ЯЙ"“С“'“С		То же. замена гальванических
	Профили, трубы, листовая малоуглеродистая сталь		Товарный вид.  коррозионной  кислотостойкой стали I2X18HI0T
	Молибденовые вводы вакуумных печей		рв^ослтеобности
разрушение)	в паровом котле	-	
			
			
Повышение	Поршни гидравлических	работы	ресурс.
	сахарном производстве		углеродистыми
Торфяная вода			долговечности
Вода, масло, кислот, солей н	д"“”		
жидкие металлы	Трубопроводы		углеродистыми
	—		
Окисление при высоких температурах			
			
•оо-с	рекулераторнме труби	Злет	
ioo*c	Решетки для газовых плит	10 лет	
•00-1000'С	Поддоны и корзины для отжига и закалки изделии		Замена жаростойких  углеродистыми
9ОО-1ООО'С		2000 ч	Замена жаростойких углеродистыми.  Экономия 30%
солей, металлов  1 агрессивные  1 Жо“ 200'0			
| свинца, олова.	Тяглн для горячего		
и И	Электроды запальных свечей из сплавов на основе и для двигателей внутреннего сгорания		Повышение
Пороховые	Стволы огнестрельного		Повышение работоспособности
(1000-1200*0	Слябы		то же
Газовая коррозия при высоких температурах			
выхлопных газов	Выхлопные, системы двигателей, лопатки газовых турбин, лопатки для распределения, камеры		Повышеннс^
	юльлх.		
			Хромированный  прошедшего хромирование, бол..
SOO-C	пара, теплообменники		работоспособности
*’£с*е|м	пароперегревателей.		«же
900-C	д„»шГи Ф°РСУ,"‘”'		
			
400-C	Трубы сушильных		
Истирание			
Сухое трение		р.»	работосгюсобностн.
			углеродистыми
нить (шерсть.		раз	Товарный вид.
			
			качества продукции
	Вкладыши клапанов, рубашки цилиндров, поршневые кольца	1.5-2 рам	Повышение ресурса
Усо». ркЛпм		CWBWKT*	
Нефт. » жбрвяив	лопаткя. оси приборов		то«
	Филины волосных	*•*	Повышение качества продукции и замена дорогих штампов сталей
	Трущиеся части		работоспособности
	Шпиндели станков		Повышение ресурса
	Подъемные и		механизмов.  сокращение чиста и продолжительности ремонта, товарный
	передаточные цепа		
	Трущиеся части мотоциклов и велосипедов		Повышение ресурса работы, товарный
	Цепи моторных пил для		Повышение ресурса
	Детали турбобуров	’Д‘	Повышение надежности и долговечности
	Штампы горячей	р-	сокращение числа переналадки, улучшение качества
			ресурс. рвботы
	да1а,5ибгурбобуровОСОВ’		
УскщиярвЛтти	н«—0—-.кшлмж	С***»	
SSSU	обработки металлов  м др.)		продукция, замена
			углеродистыми
8<Ю*000*С	горячей м»	1.5-2	Повышение работоспособности
м"*лл“		а 2-3	Повышение
			и инструментальных  углеродистыми.
	Фрезы, протяжки, пилы, ножовочные полотна, дрели	X8	тоже
			
	напильники для обработки		
Высокие давления при ‘С:			
200-S00	Матрицы для штамповки		
800-1000	Пуансоны матриц ла.		
	Штампы для отливки изделий под давлением		

Режимы сталей/сплавов, испытывающих полиморфные пре-
вращения, приведены в таблице 6.65.
Таблица 6.65
Рекомендуемые режимы для сталей (сплавов),
испытывающие полиморфные превращения

Класс	Температура лефершод
“ n‘,ouK"	Выше Т рекристаллпоаци»
Йряботки	Р”	Ниже Т рехрпсталлиэап»»
обработки	₽	Выше Т рекристаллизации
до н после термической	Ниже Т рекристаллизации

9. Алитирование

Алитирование является процессом насыщения стали при
высоких температурах алюминием с целью придания поверхно-

Наиболее часто алитированию подвергают низкоуглеридистые

?50-1050°С в алюминийсодержащей среде формируется алитиро-
ванный слой в пределах 0,02-0,8 мм.

• а-железе. На поверхности возможно образование интерметал-
лических фаз. Повышенная окалииостойкость алитированной
стали связана с образованием на поверхности тонкой прочной
пленки оксида алюминия предохраняющей изделие от
дальнейшего быстрого окисления.

Технологический процесс алитирования, осуществляемый для

выполняемых операций: обезжирива»шя, травления, промывки, дека-
пирования, вновь промывки, просушки, собственно алитирования.

Используются практически три способа защиты деталей
путем алитирования:

1) в порошковых смесях,

3) металлизация с последующим диффузионным отжигом.

Насыщение алюминием осуществляется вследствие диспро-
порционирования хлористого алюминия, в результате которого
образуются активные частицы алюминия, либо в ваннах расплав-
ленного алюминия (диффузия происходит при прямом контакте
деталей с расплавленным алюминием). При этом в поверхностном
слое образуется твердый раствор железа с алюминием. Алити-
рование используется при изготовлении деталей химической
аппаратуры, различного рода двигателей, деталей оборудования
термических цехов и т.д., т.е. деталей, работающих в агрессивных
Алитирование является весьма рентабельным процессом. • i
гали, изготовленные из обычных углеродистых стало)

подвергнутые алитированию, значительно дешевле, а при ин. и
ких температурах работают не меньше, чем детали из жар<н к*|
ких материалов. Толщина алитированного слоя составляет и, I

Эффективный метод - насыщение стали из шликера. И . <м
состав входят 1000 см3 параксилола (растворитель), ?•» •
полистирола кристаллического (стабилизатор), 300 г п\

Избежать образования хрупкой интерметаллидной зоны и|*«
диффузионном алитировании можно с помощью скорости.»»
электронагрева при насыщении из паст.

Детали из стали Х5М (0,01% С; 4,42% Сг, 0,57% Mi.i
алитировали в пасте следующего состава: 88% NaAl (50:50). Н«
маршалита, 2% NH4CJ с использованием в качестве связую...

гидролизированного этилсиликата. От окисления на* и
защищалась стеклопокрытием. Образцы с нанесенной на ин»
пастой подвергали индукционному электронагреву на высок •••*.*
стотной установке со скоростью 50 град/с до 1050’С, при кот<1|»*я
выдерживали в течение 5 с. Затем их охлаждали на воздухе и
подвергали отпуску при 700’ С в течение I ч. Толщшм
диффузионного слоя при таком режиме насыщения составят* *

Один из способов уменьшения содержания алюминия в » п<*
и выравнивания его концентрации по глубине заключается в »••••
что в реакционную смесь для насыщения добавляется элемгш
который при высоких температурах образует соединения, заме,*
лающие активность атомов алюминия. В качестве там*»»»
элемента используют порошок железа. Диффузионное алитн]м>
ванне стали 45 проводится при 90’С.

При жидкостном алитировании просушенные изделия imp
тиями загружают в ванну с расплавленным алюминием. Флкн,<ч
на зеркале ванны служит смесь солей (70% ВаСЦи 30% Na( l>
Температуру ванны поддерживают на уровне 750’С; продолжи

Технологический процесс алитирования непрерывным горячи и
методом состоит из следующих основных операций: очиеж**
поверхности полосы от жировых загрязнений, восстановлена
ок и ело в в проходной печи с азотоводородной атмосфер* >>
погружения в расплав алюминия или его сплавов и охлаждении
полосы после выхода из расплава.

Значительное улучшение процесса жидкостного алитировани *
• удаление загрязнений и окисных пленок с поверхности
Ией, облегчение очистки деталей от налипшего расплава,
Ига расплава от окисления. Кроме того прогрев деталей в
I флюса позволяет уменьшить время их пребывания в

Ялектролизное алитирование в расплавах солей производят
Имением алюминия на поверхности стали при 200-300‘С с
Целующим диффузионным отжигом. Для этой цели применя-
расплавленные смеси, к примеру: 75% А1С)3 + 25% СаС1 или
% Л1С13 + 50% СаС1.

Неззлектролизноеалитирование проводят без наложения тока
расплавленных солях состава: 75-77% эвтектики 2KCI • 3 CI
Температурой плавления 350*С, 3-10% фторида алюминия и

При алитировании в порошкообразных смесях детали упако-
Вяют в ящик с рабочей смесью, состоящей из порошкового

**>МШ1ИЯ или фсррс

(или глинозема)

хлористого аммония. Образующийся в условиях высокой

|М11сратуры атомарный алю

(Талей. Составы рабочих смесей, применяв
(Наедены в таблице 6.66.

а	Составы рабочих смесей

поверхность

в практике,

Таблица £.66

№ состам	АзкыюыЯ	—	Ошен ыажмхх.
	50	-	49
	25		74
з		50	49
4		74	25
5		99	
При температуре !000’С за 12 ч получают алитированный |лой глубиной 0,6 мм.			

роаапия а порошковых смесях.

(' целью интенсификации процесса используют вращающиеся

‘>лсК1прона,‘рев также способствует значительной интенсифи-
кации пробита писыщтшя алюминием по сравнению с печным

I мин образуются слои
толщиной свыше 120 мкм. Технологические свойства >•«
повышаются (уменьшается хрупкось). Электронагрев позвоы. >
расширить области применения алитированных изделий.

Процесс алитирования с последующим отжигом состош и*

руйиой обработкой, метализации алитируемой поверхности »*
минием, покрытия защитной обмазкой, диффузионного отжиги

Металлизация заключается в нанесении па поверхп.»»
алитируемых деталей слоя алюминия толщиной 0,5-1,2 мм. <>ш
осуществляется специальными аппаратами, которые называв
металлизационными пистолетами. С помощью таких писто к
тов алюминиевая проволока расплавляется, и образующие •
жидкий алюминий сжатым воздухом в виде мелких капс.'к*
подается на поверхность детали.

Можно суспензию мелкодисперсного алюминиевого пороип..
АСД-4 в растворе органической связки наносить в качеств
источника алюминия. При последующем диффузионном отжим
формируется алитированный слой. Толщина его после отжим
соответствует толщине слоя нанесенного порошка (краски).

Диффузионный отжиг ведут в среде эндогаза или аргона и;...
избыточном давлении 50-100 Па, температуре 950*С и выдержи
3 ч. Охлаждение - медленное с выключенной печью до 45О'<
затем на воздухе. Толщина диффузионного слоя при эт.™
составляет 40-70 мкм.

При алитировании в аэрозолях в качестве насыщающей средн
применяют смесь порошка алюминия, хлористого натрия »
хлористого аммония.

При газовом алитировании используют пары монохлорпА,
алюминия. Пары получают воздействием А1С1,на расплавленный
алюминий в среде очищенного водорода при 1200-1250"С в
парциальном давлении А1СЦ, равным 0,02 МПа.

Диффузионное насыщение наконечников сварочных аппарл

контейнерах с плавким затвором при температуре 800'С .
течение 4-х часов в порошковых смесях следующего состава:

- 50-85%;

- 40-10%;

- 5%.

окись алюминия (АЦО,)
алюминий (порошок)
хлористый аммоний (NH4C1)

Наконечники без насыщения изнашивались через 40-Ы!
метров, в то время как алитированные наконечники позволяли
сваривать 100-120 метров. Стойкость увеличивается в 2-2,5 раза
Применяются смеси, в которых вместо алюминиевого порош г л
введен СаАЦ (кальциево-алюминисвая лигатура).
Влияние состава смеси, приготовленной из кальцийалюмини- Ьй лигатуры (CaAlj) и окиси алюминия, на результаты						
И - в таблице 6.68.  Таблица 6.67  Влияние состава смеси на толщину слоя на сталях после алитирования при 1000’С, 4 ч						
смев	Состав смеси. %				h, мжм, и стал	
		С«А1	NHQ	Э|2	1 «	1 »
	100	0	2			
2	95	5	2	112	70	35
3	90	10	2	182	119	126
4	80	20	2	2)0	175	168
5	70	30	2	245	210	196
6	60	40	2	245	175	161
7	50	50	2	245	77	42
8	40	60	2	210	56	42
4	30	70	2	Налипание смеси, слой		
10	15	85	2			
и	0	НИ)	2			
12	70	30	0	154	70	70
13	70	30	1	224	189	189
14	70	30		224	168	147
15	70	30	4	280	196	196
16	70	30	5	252	196	196
17	70	30	6	280	224	210
18	70 Си	30	2	84	35	35
19	70 MgO	30	2	98	49	28
Таблица 6.11

Режимы алитирования сталей

		Tww			
	а) 49,5%  49Л%НИ”  хлористого $ 99%  *1^тоГО Ю4°8%* ферроалю- 48% ’ * кварцевого  хлористого г) 25%  74% окиси  5)°50%в фсрроалю-  49% окиси  *%>МИ,И^ rt74%" ферроалю-  25% окиси  *%>МИИ^)	950-1050			проводят В  карбюриза-  многократно
					
1111	Мп				слой флюса для очистки  уменьшения разъедания
Маталля-  Лоследую-	поверхность  графита.  20% огнеупорной  песка. 10%	900-950			
алитированные изделия отжигают при 900-1050*0 в течение 4-5 час. Глубина слоя при этом возрастает на 20-40%.					

Перспективен метод нанесения алюминиевых покрытий осаж-
дением термического разложения паров алюминийорганических
соединений, пропускаемых над горячей поверхностью покрывае-
мого металла.

Одним из способов насыщения металлов из газовой фазы
пяется алитирование циркуляционным методом.

из паровой фазы разложением триизобу-
тилалюминия (ТИБА) при нормальном давлении в атмосфере
инертного газа. Получено высококачественное покрытие.

При повышении температуры газопаровая фаза обагащается
алюминием, а при охлаждении обедняется. При охлаждении

подложке, в которой активность алюминия ближе или равна
единице, в том числе и на алюминии. Теоретически при нагреве
и выдержке при постоянной температуре алюминий не может
конденсироваться на подложку с активностью алюминия, равной
единице. Насыщение алюминием подложки в период нагрева и

ающей среды по

Для увеличения жаропрочности изделий из никеля и его
сплавов применяют термодиффузионное насыщение его поверх-
ности алюминием с образованием интерметаллидов. Как правило,
такие материалы работают в условиях глубокого вакуума.
Поэтому необходима максимальная излучательная способность
диффузионного покрытия.

вакууме. Конденсация алюминия на движущуюся ленту никеле-
вую осуществлялась в установке УВ-54Л. Скорость конденсации
алюминия составляла 0,2ч-1,0 мкм/с при давлении в камерах
1,10"* • 133,322 Па. В зависимости от параметров процесса,
получили покрытия алюминия толщиной 2-30 мкм.

Разработан способ химико-термической обработки металлов
и сплавов, который включает нагрев изделия до температуры
образования жидкой фазы на его поверхности в месте контакта

этом после образования жидком фазы изделия обрабатывают
ультразвуком. В случае выполнения нагрева и ультразвуковой
обработки в расплавах солей ультразвуковую обработку начинают
по истечении 5...30 мин после начала выдержки. В экспериментах
для осуществления предложенного способа подготовку образцов

проводили совместной холодной г.



полос до получения биметалла. В результате совместной прокатки
было обеспечено необходимое контактирование основного компо-
нента (меди) и насыщающего (алюминия).

Установлено, что ультразвуковое воздействие в оптимальных
условиях обработки ускоряет формирование слоя в 2...4 раза.

Разработанный способ алитирования меди с использованием
эффекта контактного плавления решает задачу повышения
жаростойкости медных изделий и делает этот процесс менее
1	ван ня в порошковых твердых смесях. Ультразвуковое воздействие
ускоряет формирование слоя.

Рекомендации производству.

Очищенные изделия нужно загружать в декапировочиую
, ванну, заполненную 6-10%-ным раствором соляной кислоты, и
выдерживать в ней при комнатной температуре в течение 5-10
мин. Затем направлять на офлюсовку.

Офлюсовку изделий осуществлять в 1%-ном растворе смеси
хлористого натрия (70% ВаС12и 30% NaCI)npH температуре 90’С.
Продолжительность процесса 10 мин.

Для его осуществления просушенные изделия партиями следует
загружать в ванну с расплавленным алюминием. Флюсом на зеркале
ванны служит смесь солей (70% BaCljH 30% NaCl). Перед загрузкой
изделий зеркало ванны очищать от флюса железной лопаткой.
Температуру ванны поддерживают на уровне 750’С; продолжитель-
ность пребывания изделий в ванне 25-40 мин.

10.	Титанирование

Титанирование применяется для повышения коррозионной
стойкости и износостойкости сталей. Выполняется с использова-
нием порошка титана или ферротитанов в вакууме и в среде
водорода. При титанировании в порошке титана или ферротитана

планированного слоя достигает 0,3 мм.

Разработаны методы титанирования стали в газовой и
жидкой средах. Газовое титанирование железных листов в смеси
хлоридов титана и водорода при температуре 900-1000*С опро-
бовано в Японии. Титанироваиные листы обладают высокой
стойкостью против коррозии и хорошо свариваются. Применяется
также титанирование в газовой среде (TiCI4. аргон, магний).

Диффузионное титанирование в порошковых смесях, со-

ТЮ2либо окиси алюминия А1;О3и активатора NH4C1,обеспечивает
в начальный период насыщения формирование титанида железа
FeTi и карбида титана TiC. С увеличением продолжительности
процесса появляется фаза FeTi2.

На толщину титанированного слоя существенно влияет состав
насыщенной смеси, в частности тип активатора. При титани-
ровании различных сталей в порошковых смесях, содержащих
ферротитан (50%), окись алюминия (45%) и различные аммо-
нийные галогениды (5%), установлено уменьшение толщины
диффузионного слоя в зависимости от типа галогенида в
последовательности NH4, NH4Br, NH4CI, NH4F, что соответствует
ряду активности галогенидов. Поскольку при использовании
указанных активаторов элементом-транспортером является гало-
ген, то чем выше его активность, тем быстрее происходит
массоперенос насыщающего элемента к металлу. Это обеспечи-
вает при прочих равных условиях повышение концентрации
титана в поверхностном слое при применении галогена болсг
высокой активности.

На предприятиях объединения “Союзтвердосплав" внедрен
новый способ нанесения износостойких покрытий из карбида
титана на неперетачиваемые твердосплавные пластины. Основ
ное преимущество состоит в том, что для нанесения покрытий
не требуется сложной специальной аппаратуры и процесс
осуществляется на оборудовании, обычно используемом в произ
водстве твердых сплавов - в водородных электропечах непре-
рывного действия. Не требуется также специальной очистки
водорода и его точной дозировки. Применение таких лечен
обеспечивает высокую производительность процесса - 500 пла-
стин с покрытием в час, выход годного составляет не ниже 95%.

Способ заключается в термодиффузионном насыщении твер-
дых сплавов, которое происходит при определенных температурах
в порошкообразной засыпке из материалов, содержащих титан.

промежуточная зона - фазы, а также высокая однородность
пластин по толщине покрытия обеспечивают высокие и стабиль-
ные режущие свойства пластин с покрытием в широком диапазоне
областей применения.

Полезно действие ряда активаторов - NH4CI, NH4F, A!F3,NaF
и CaF2 на формирование диффузионного слоя на армкожелезе
и сталях У8, 20x13 и 12Х18Н10Т. Насыщение проводят в
титанированной среде, состоящей из порошка титана, окиси

Установлено, что улучшение сцепляемости (адгезии) карбид-
ного слоя (поверхностного) с подложкой может быть достигнуто

-	использованием сталей, легированных достаточно большим
количеством карбидообразующих элементов, например, Р6М5,
Х12М;

-	введением в насыщающую смесь веществ, способствующих
превращению однородного карбидного слоя в гетерогенный слой
сложного состава на основе карбида титана.

Получены гетерогенные карбидные слои за счет введения в
смесь хлористого цинка. Такие слои обладают в 2-3 раза меньшей
хрупкостью при одновременном увеличении толщины слоя.
Снижение хрупкости позволяет использовать их в качестве
износостойких покрытий в более широком диапазоне толщин.
Титанирование сталей 45, У8, 7X3, Х12М и Р6М5 повысило их
износостойкость при сухом трении скольжения по сравнению со
сталями, прошедшими стандартную термирчсскую обработку в
Слои достаточно коррозионностойки. Уже при толщине слоя
якм *тали 20 достилается повышение стойкости в .лимонной

осуществлялось в стальных контейнерах в электрических печах
камерного типа путем выдержки деталей при температуре
насыщения в реакционной смеси, состоящей из порошка ферро-
титана и фтористых активаторов.

Диффузионное насыщение проводилось при температурах
1000, 1050, 1100’С времени выдержки 4, 6, 8, 10 часов.

Диффузионное титанирование углеродистых сталей марок
СтЗ, сталь 20, 35 проводили из порошковой смеси, содержащей
ферротитан, плавиковый шпат и фтористый натрий, при темпе-

Результаты показали, что на углеродистых сталях при титани-
ровании образуется диффузионный слой толщиной до 0,8 мкм.

Наибольшей коррозионной стойкостью из всех титаннрован-

значительно более высокую коррозионную стойкость по сравне-
нию с исходным состоянием.

рекомецдовать для работы в агрессивных средах.

В настоящее время гидронасосы типа 1.5Х-6, изготовленные
из сталей 35Л с титанированной поверхностью, проходят про-
мышленные испытания при работе в агрессивных средах серно-
кислотного производства на Копитьмском медеплавильном про-
изводстве. После освидетельствования насосов через 3000 часов
работы в растворах медного купороса и серной кислоты установ-
лено, что детали с титанированной поверхностью находятся в
хорошем состоянии. Насос из углеродистой стали 35 без
титанового покрытия в этих же условиях отработал 24 часа.

11.	Бериллизация

Повышение окалиностойкостн металлов и сплавов, теплофи-
знческнх свойств и модифицирование структуры являются основ-
ным назначением этого процесса. Ранее для бериллнзации стали
применялись порошки бериллия и ферробериллия. Сейчас для
бериллнзации используются порошкообразные смеси с хлористым
аммонием. Активной газовой средой для бериллнзации может
служить смесь иодидов бериллия Н2 + BeJ2 или пары Ве2.

Бериллизацию стали можно осуществлять путем электролиза
соляного раствора, состоящего из 50% фторида натрия и 50%
оксифторида бериллия (2ВеО 	5 Ве2) при Т - 1100"С.

Бериллизация повышает прочность и окалиностойкость чугуна и
стали. Последнему способствует образующийся окисел ВеО (он
очень токсичен).
12.	Силицирование

Силицирование - насыщение поверхности деталей кремнием
для увеличения сопротивления различным видам коррозии,
износостойкости, жаропрочности, а также придания им твердости
при хорошей пластичности. Оно проводится при Т - 1 Ю0*С.

Существует три метода силицирования:

а)	в порошкообразных смесях;

б)	в жидкой среде;

с) в газовой среде.

Наиболее часто применяется 3-й метод, результаты в табли
це 6.69.

Таблица 6.69

Силицирование в порошкообразных смесях:

	Режхмы тшпмромшм		
	Температура, *С	Вром. «е	
фсрросицилнй (около 60%)	1100	9	0.08
Шамот (40%)	1100	18	0.16
Ферроснлицнлий (80%) шамот (20%)	Bill	12	sass iiii
Ферросилиций (75%) шамот (20%). 5%	1200	10	0.88-0.90
Ферросилиций 80%. шамот 15% и 5% N«CI	пот	1	0.09 0,15

Силицидные покрытия получали в нескольких насыщающих
средах: в порошке кремния при температуре 950'С в течение 8
ч (вариант 1); в порошке кремния с добавками порошка меди
при температуре 850"С в течение 4 ч; в порошке кремния и
меди с добавками легкоплавких элементов при температуре 850'С
в течение 4 ч.

Силицирование по первому варианту позволило значительно
повысить жаростойкость сплавов.

Слои иа сплавах ОТ4 и ВТ 14, полученные по второму
варианту, показали повышение защитных свойств после 100-ча-
сового испытания в 3-5 раз по сравнению с силицированием по
1 варианту.

Наиболее высокими защитными свойствами обладают покры-
тия, полученные силицированием по третьему варианту с
добавками цинка (толщина силицидного слоя 60-70 мкм).

508
Силицирование в жидких средах

Силицирование этим способом осуществляется в расплаве,
Состоящем из BaCl nNaCl.B него вводятся 15-20% ферросилиция
(70-90% Si).

Изменение глубины силицированного слоя зависит от темпе-
ратуры и выдержки, определяется по формуле:

Y2 = 7.5 - Ю^е  120QW. т,

RT

где Y - глубина слоя,
т - продолжительность процесса.

Газовое силициро

Газовое си

осущест

1)	При непрерывном пропускании хлора через реакционное
пространство с деталями и ферросилицием.

2)	С использованием вместо хлора хлористого водорода.

3)	В смеси Н2 + SiCl4 или Ы2 + Н2 + SiCl4

4)	В смеси Аг + SiCI4 или N2 + SiCI4

5)	В смеси H2 + SiH4(моносилан), NH3 + SiH„

В зависимости от способа и режима силицирования жаростой-
кость углеродистых и низколегированных сталей в интервале
700-900‘С увеличивается в 3-20 раз, высоколегированных хро-
мистых и хромоникелевых сталей в 2-4 раза.

Режимы силицирования приведены в таблице 6.70.

Таблица 6.70

Режимы силицирования стали

№сывмоп«« epw	| Темпера г>’Р«-^Р<’Аасгхте.т» 1	|				1 _
Силицирование в порошкообразных смесях				
75% ферросилиция + 20% 1 алюминия) + 5%	I 1100-1200	Г	। 0.15-0,8	
				
Газовая фаза, образующаяся при введении хлора в среду, загруженную изделиями и карбидом кремния)	950-1050			Ihii

Влияние способа и режима силицирования на жаростойкость
армко-железа и сталей указано в таблице 6.71.
Таблица 6.71

Влияние способа и режима силицирования на жаростойкость армко-железа и сталей

	«—и-—"-		Умлкясхме массы обр«		ном. ыг/см1. ори 1. 'С	
			«ее	ТОО	800	ТОО
Армко-желеэо	Газовое, в порошке кремния D атмосфере хлора при 1000’С. 2 ч		6*66/0.63  8,01/0.77	*5 Ш2^90	243/5.1  333/9^.2	52.1/ - 85.1/15.9  114,02/40,6 1343/673 183,3/973
Сталь 45	Электролизное. в расплаве 9S% Na.SK), ♦ 5% NaF. при 1050'С, 1 ч, - 0,2А/см‘	п		4.4/23 6.0/3.6  7.2Z4.8 83/5.9 10.4/6.7	59*0/193	38,3/153 49.2/22,8  753/32.4
12Х18Н9Т	Тохе			0,23/0,27 0,34/0,28 0,43/030 0.62/033 0.73/035	0,26/030 038/0,33 030/0,43 0,72/0.45 0,85/0.45	4.1/0.7 5,8/0,9 6.2/1.2  80/20
Сталь 08X13	Жидкое, в расплаве, 60% (3S% SIC ♦ 65% Na.SK)-) + 40% NaC. при 100<Г С. 8 ч	30	о	0,04/0.14 0,13/0.32 031/031 037/0,74	031/0.10 032/0,15 0,70/0.36 0,86/034	22,8/0,01  70*4/3.26
						
						
В процессе си

f Вывод: силицирование повышает сопротивление стали окис-
' /внию при нагреве. Силицирование можно применять для
Обработки деталей химической, бумажной, нефтяной и маслоо-
1|истительной промышленности.

13. Сульфидирование

При сульфидировании поверхостный слой изделия насыщает-
ся серой, которая образует с железом химические соединения,
основная его цель - понижение коэффициента трения. Сульфи-
дированию подвергают детали машин после их окончательной

Перед сульфидированием обрабатываемые поверхности обез-
жиривают и промывают в горячей воде. Известно низкотемпе-
ратурное (Т  190 ч- 15*С ) и высокотемпературное сульфиди-
рование (Т = 570 -*• 10*0.

Сульфидирование может проводиться в твердой, жидкой и



3% графита, 3% желтой кровяной соли или хлористого аммония.

твляют при Т - 565 + 5’С с выдержкой 5,5 час. При этом
глубина сульфидированного слоя достигает 0,255 мм.

Для жидкого сульфидирования применяют ванны, содержащие
50% сернистого цинка, 40% сернистого натрия, 5% роданистого

Составы ванн жидкостного сульфидирования
(массовая доля, %)

Ntcocnn		«риоиклиЛ	«три.	«триЯ вИхяжтыЯ
1	25	25		50
2	20	25	5	50
3			4-5	95-96



повышается в 4-5 раз. Особенно эффективным является сульфи-
дирование деталей, работающих в условиях граничного трения
и при сухом трении и смазке.
14. Селенирование

Селенирование заключается в насыщении поверхности дета

Для осуществления этого процесса НИИХИММАШем раз|н.
ботан следующий состав ванны: сернистый натрий - 49";.,
хлористый калий - 40,2%, цианистый калий - 5,5%, селей

Температура обработки - 560°С, время выдержки ! час. При
этом происходит обогащение поверхности селенидами.

15.	Многокомпонентные покрытия

Для повышения срока службы инструмента однокомпонсш
ного насыщения материалов оказывается часто недостаточным
В настоящее время применяется насыщение двумя и более
элементами.

Многокомпонентное насыщение может проводиться как по
следовательно из смесей с одним диффузантом, так и одновре
менно (совместно) из смесей с несколькими диффузантами
(таблица 6.73).

Последовательное насыщение несколькими компонентами -
трудоемкий процесс, поэтому он применяется в тех случаях, когда

результ



фузионные слои или нс образуются или являются пористыми и
непрочными).

Многокомпонентное насыщение проводится в тех же средах,
что и однокомпонентное: в порошках чистых металлов, и
алюмотермических смесях, в расплавах, в газовой фазе, в вакууме.

При выборе типа диффузионного покрытия для инструмента
и оснастки следует исходить из условий эксплуатации, нсобхо-

цессе химико-термической обработки, обеспечения высокой точ-
ности общего цикла изготовления, экономичности процесса.

Таблица 6.73

	М’-™		
Сг	ЗХ2В8Ф	матрица горячей высадки	3,2-4.7
Сг + С	ЗХ2В8Ф	то же	2,5-3,5
Сг + TI	ЗХ2В8Ф	то же	2.7-4.!
	ЗХ2В8Ф	давлением (ЛПД)	2,0-3,0
			
Сг	ЗХ2В8Ф	то хе	2,0-3.0
Сг + Я	ЗХ2В8Ф	то же	2.0-3.0
Сг + П	ЗХ2В8Ф	то же	2.О-З.О
СгС>Я	У8	стержни пресс «форм ЛПД	2.0-3.0
Сг + Я	ЗХ2В8Ф	тоже	10.0-15.0
Сг*С	У»	ролик бандажный	1.5-2,0
B + AI	У8	детали пресс-форм ЛПД	2.0-15.0
В + Сг	У«	Пуансон пробивной горячей штамповки	2.5
	5ХНМ. 7X3	штампы горячей штамповки	2,0
1 С.Сг	4Х2М1ФН	дорны и матрицы	3.0-4,0
Cr + V+AI*  SI + B	4Х5В2ФС	штампы горячей штамповки	3.0-4Л
Сг ♦ V ♦ N	5XHM		2,5
с si в	4Х5В2МФС	пресс-формы ЛПД	15,0
Cr.TI + N+C	4*хнмС	штампы кепочные	2.5-Z.6
Тоже	9ХС ШХ15	инструмент кабельного производства	6-8
тоже	У8	холодной высадки	<-*
АЬСг.Я	4Х5МФС	пресс-формы ЛПД алюминиевых сплавов	М-3.0

Хромоалитирование.

Хромоалитирование - процесс одновременного насыщения

слой имеет тем большую глубину, чем больше в насыщающей
среде алюминия и меньше хрома. По сравнению с алитированным
слоем хромоалитированиый может быть более окалнностойким.
Хромоалитирование образцов из среднеуглеродистой стали

течение 2 ч в контейнерах с порошковыми смесями различною
состава. В реакционные смеси вводится 35% АЦО, и 5% NH/I

Преимущество хромоалитированного слоя ш
ным сказывается в его большей вязкости, он i
большим сопротивлением термическому удару.

одновременном

и применяется такой оптимальный

состав ванны, разработанный НИИХИММАШем: желтая крови
ная соль - 73%. едкий натрий - 10%, селен - 17%.

Температура обработки - 560*С, время выдержки 1 час. Это,
процесс может быть применен для обработки титановых сплавов
и коррозионностойких сталей.

16.	Химикотермичесхая обработка титана и его сплавов

Для повышения поверхностной твердости, износостойкости а
антифрикционных свойств титана н его сплавов применяются
азотирование и окисление.



либо аммиак. Обработка при пониженном давлении повышав
скорость азотирования титановых сплавов. Увеличению глубины
азотированного слоя способствует алюминий и кремний.

Рекомендуется азотировать и отжигать титановые сплавы
ВТ-Д и ВТ-5 при Т - 950‘С в течение 24 час.

Ускорение процесса азотирования титановых сплавов можно

ют путем окисления его поверхности.

Окисление титана осуществляется на воздухе при Т -
725-850'С, либо в расплаве буры с добавкой 25-40% карбида
бора. При окислении титана на воздухе образуются его охислы
TiO, Т12О3, TiO2. они образуют слой глубиной 1-2 мм, под ним
расположен слой а - твердого раствора толщиной 0,02-0,05 мм.
Интенсификация процесса может быть достигнута при примене-
нии источников повышенных энергий.

Развитие экспериментальной техники значительно расширило
возможности изучения процессов диффузии в металлических
материалах. Применение современных методов локального ана-
лиза позволяет с большой точностью (до 0,1 %) проводить анализ
зон, образующихся между тончайших слоев -
тролитическое травление, ионное травление) в сочетании с
' “ званием радиоактивных изотопов и ОЖЕ-спектроскопии
возможным определение коэффициентов диффузии до

В результате возросших возможностей исследования диффу-
к настоящему времени накоплено большое количество
перименталышх данных по температуре зависимости коэф-
циента диффузии, которые показали возрастание скорости

турах за счет межкристал-



ной диффузии и вблизи температур плавления за счет
•бразования вакансий.

Так как многие виды химикотермической обработки связаны
< развитием диффузионных процессов, более детальное изучение

фаз при старении и др. этапы термической обработки. Возросшие
Ркспериментальные возможности значительно расширили и мето-
ды обработки металлических материалов.

При использовании новых видов обработки металлических
материалов при повышенных температурах значительно изменя-
»тся скорость протекания диффузионных процессов. При этом

Представляют интерес процессы диффузии в условиях высоких

давлений и температур. В

твердых телах

при повышении давления возрастает роль межкриталлитной
диффузии, однако выше нескольких килобар скорость диффузии

ходит вследствие уменьшения количества вакансии и дислокации,
I а также “залечивания’1 пор и микротрещин, в результате чего
! обработка высоким давлением приводит к значительному повы-
I шению механических свойств всех материалов. В связи с
' появлением газостатов с рабочим давлением > 2 килобар это
! направление стало шире внедряться в промышленность для
| восстановления свойств отработанных деталей, а также повыше-
I ния пластических свойств склонных к охрупчиванию металличе-
i бких материалов.

Более сложным с точки зрения изучения диффузионных

ками - лазерное облучение, ионная имплантация, воздействие
электро-магнитных полей, токов высокой частоты, ударных
волн, образующихся при взрыве, и др. В ряде случаев применение
этих видов воздействия сочетаются с большей скоростью кри-
сталлизации образующегося жидкого состояния (лазерное облу-
веществ, с помощью которых удается создавать высокоскор>к i
ные патоки из различных порошков.

При определенных условиях взаимодействия происходит ш<<>
мально глубокое проникновение частиц в объем обрабатываемы!
изделий, что приводит к существенным изменениям в структуре
последних, а именно: в них формируется объемная сеть
микроканалов, определяющая значительные изменения характе
ристик материалов.

Перспективным методом обработки металлов является тер
моциклическая обработка, которая характеризуется многокрит

охлаждениях оптимальными скоростями.

Фазовый наклеп, происходящий при циклических нагревах и
охлаждениях в полиморфных металлах, должен активно способ
ствовать ускорению диффузии.

В этой связи большой теоретический и практический ивтерп
приобретают исследования термоциклической обработки на диф
фузионные процессы, что позволит разработать формированные
варианты технологии циклической химико-термической обработ
ки (ЦХТО).

Во время ЦХТО диффузионные процессы интенсивно проте-
кают в зоне покрытия, а наблюдаемое увеличение твердости
стали связано с измельчением зерна.

Общим крупным недостатком большинства процессов хими

ность (часы и десятки часов). Значительная разница между
технологическим временем химико-термической обработки (ХТО)
и других операций не позволяет ввести ее в единый технологи-
ческий поток изготовления изделий и препятствует его полной
автоматизации. Поэтому основной задачей в области ХТО
является существенная шпенсификация процессов насыщения.

Длительность процессов не только вызывает перегрев и
ухудшение структуры и свойств сердцевины изделий и значи-
тельное их коробление, но в ряде случаев делает процесс ХТО
экономически нецелесообразным. Локальное насыщение изделий
при этом также затруднено.

Решению задач интенсификации процессов химико-термиче-
ской обработки и улучшения качества диффузионных слоев -
актуальных задач современного машиностроения - способствует
разработка циркуляционного метода химика-термической обра-
ботки. В основе этого метода лежит явление переноса диффуи-

кн при систематическом восстановлении газа-переносчика в
результате обратимых химических реакций.
* Приближенным термодинамическим расчетом можно опреде-
Ьгть принципиальную возможность и вариант циркуляционного
Метода

циркуляционного процесса является гради-
гвлений газа-переносчика диффундирующего



Элемента между зонами расположения исходного материала и
Насыщаемого металла, который порождается либо перепадом
Гемператур между диффундирующим элементом и насыщаемым
Металом, либо перепадом активностей диффундирующего эле-
мента в исходном материала и на поверхности насыщаемых

В результате тер

расчетов разработаны тео-

ретические основы и возможные варианты циркуляционного
метода диффузионного насыщения металлов одним и несколькими

Газовая среда по природе своей более активна, чем жидкая
или твердая. Однако еще большую активизацию циркуляционного
процесса можно получить в результате ионизации безбалластных
газовых сред.

Разработаны схемы и конструкции циркуляционных установок
для осуществления различных процессов диффузионного на-
сыщения.

мененис быстрого электронагрева (индукционного или контакт-
ного), которое позволяет в десятки и сотни раз сократить
продолжительность химико-термической обработки.

Применение для ХТО металлов и сплавов скоростного
элекронагрева (процессы ЭХТО) позволяет устранить значитель-
ную часть этих трудностей:

обработки, что значительно сокращает общую продолжительность
процесса.

2.	По ряду причин ускоряется формирование диффузионных
слоев, а следовательно, дополнительно сокращается общая дли-
тельность процесса.

3.	Возможно достижение практически высокой температуры

агрегата).

4.	Возможна местная химико-термическая обработка; при этом
отпадает необходимость в нагреве всей детали.

небольшой глубиной, что способствует уменьшению коробления
и сохранению структуры сердцевины изделия.

б.	Облегчена прерывно-последовательная химико-термическая
обработка труб, ленты, проволоки и других изделий.
7.	Появляется возможность полной автоматизации процесса
ХТО и включения его в общий поток обработки изделия я
механическом цехе.

Установлена возможность:

-	применения индукционного нагрева для цементации п
твердом карбюризаторе, в газовой и жидкой средах;

-	азотирования в газовой и жидких средах;

-	нитроцеметнации;

-	цианирования в расплавах и растворах;

-	хромирования в порошках, обмазках и газовых средах;

молибденом, вольфрамом и другими элементами в различных

Изучено комплексное насыщение железо-углеродистых спла-
вов в ЭХТО, некоторых тугоплавких металлов и сплавов на
нежелезной основе. Ряд процессов внедрен в производство или
находится в стадии внедрения.

Использован для ХТО электротермический кипящий слой. В
этом случае нагрев осуществляется непосредственно пропускани-

алов, находящихся

ем тока через слой

в псевдоожиженном состоянии, и изделие. Этот метод нагрева
удачно сочетает преимущества, свойственные кипящим слоям
вообще, и простоту и эффективность контактного электронагрева.
При этом введение в рабочий объем различных активных веществ
может значительно интенсифицировать процессы цементации,
азотирования, нитроцементации, борирования и бороцементации
стали. Так, при цементации стали за 30-60 мин при 970-1000’С
удается получить слои хорошего качества глубиной 0,8-1,2 мм.
Процесс был опробован в производственных условиях на полу-
промышленной установке для обработки шарового пальца пере-
дней подвески трактора “Беларусь" и шестерни сателлита из
стали 20ХНР. Получены удовлетворительные результаты.

Азотирование в этих условиях позволяет получить слои
глубиной около 0,4 мм с твердостью HV 12,8 МПа за 0,5 ч при
60Ю-630*С. Имеются сведения, что азотированию в электротер-
мическом кипящем слое подвергают золотниковые штоки, шес-
терни, пальцы и другие изделия. При нитроцементировании с
использованием в качестве ожижающей среды технического азота
с примесью аммиака и паров триэтаноламина при 850*С в течение
1 ч получали слой глубиной 0,31 мм. Борирование стали 45 смеси
частиц графита и карбида бора при 1000фС в течение 25-30 мин
привело к образованию слоя глубиной 0,2-0,3 мм.

Электрический ток можно использовать для ускорения про-
цессов ХТО, нагревая изделия по методу И.З.Ясногородского.
Для этого используют те же установки, аппаратуру и методы,
для обычного нагрева стали в электролите, но в электролит
т вещества, диссоциирующие при нагреве с выделением

* Одним из вариантов использования электрического тока для
•ВИенсификации ХТО является применение тлеющего разряда.
Исследовано применение тлеющего разряда для алитирования,

г

Щтсльно рациональное использование электрической энергии,
Воторая расходуется в основном на ионизацию газовой фазы и
Ввгрсв до необходимой температуры только изделия. Метод
ВПюсится к комплексным, так как позволяет заметно интенси-
фицировать все стадии процесса насыщения. Тлеющий разряд
ретенеифицирует химические реакции в оружающей среде,
ускоряет процессы адсорбации, хемосорбции, диффузии, изменяет
активность и структруное состояние поверхностных слоев метал-
ла. При азотировании, например, резко изменяется энергетиче-
ский уровень насыщающей среды - энергия ионов азота в
Тлеющем разряде на три порядка выше, чем в диссоциированном
аммиаке (при обычном азотировании). При алитировании и
Силицировании улучшаются термодинамические и кинетические
условия образования низших галогенидов алюминия и кремния,

(ВАЯЮЩИХСЯ

Верхности. Облегчается протекание реакций диспропорциониро-
вания на поверхности раздела активная среда - металл.

Весьма перспективным является метод получения металли-
ческих и неметаллических покрытий путем разложения метал-
лсодержащих соединений с помощью электронного пучка (элект-
ронный удар) или других ионизирующих излучений. Основное
Преимущество метода заключается в возможности получения
Слоев при весьма низкой температуре подложки, что особенно
важно в микроэлектронике. При этом адсорбированные на
холодной подложке металлсодержащие соединения под действием
влектронного удара диссоциируют с образованием металла и
Летучих продуктов, которые удаляются из зоны реакции. Таким
методом осаждали олово и свинец, карбид молибдена, карбид
вольфрама, рений и другие металлы.

Применяются и другие способы ионизации. Так, путем
облучения паров карбонила хрома радиоактивными препаратами
получают хромовые покрытия, получены результаты по сниже-
нию температуры начала разложения кремний и алюминийорга-
нических соединений при облучении реакционного объема ртут-
ной лампой.
Наличие зараженных частиц в газовой фазе позволяем
управлять их перемещением. На этом основан метод применение
электростатического поля дм интенсификации процессов ХТ(1
Наложение отрицательного потенциала на подложку позволшч

качество покрытия. Имеются сведения об использовании элем
ростатического поля и дм других процессов ХТО.

Одним из способов ускорения ХТО металлов и спаши»

Причем высокочастотное электромагнитное поле используют кая
дм нагрева изделия, так и дм предварительной обработки
газовой среды с целью ее активизации.

Ускорение процесса диссоциации аммиака происходит пил
влиянием высокочастотного электромагнитного поля. Процео

ном поле был внедрен в производство. Магнитное поле способ
ствует диссоциации аммиака и ускоряет процесс азотировании
Применение ТВЧ вызывает интенсивную ионизацию газовой
фазы и диссоциацию возбужденных молекул соединения при
более низких температурах. Эффективна высокочастотная иона
зации карбонилов тугоплавких металлов в электрическом поле
дм получения покрытий на холодной подложке. Одновременное
наложение высокочастотного и электростатического полей при-
водит к резкому увеличению скорости осаждения. Комбиниро
ванное воздействие позволяет существенно уменьшить содержа
ние примесей (углерод, кислород, азот, водород) в осажденном
металле и улучшить его свойства.

Перспективным, по-видимому, является использование одно-
временного воздействия на процесс ХТО нагрева ТВЧ и

звука и др. Имеются работы, в которых приведены убедительные
доказательства влияния ультразвуковых колебаний на тонкую
структуру металлов (плотность дислокаций, их распределение,
концентрацию точечных дефектов, субмикропористость, дефекты
упаковки и др.).

Положительное влияние ультразвука на формирование слоя
процесса насыщения позволило создать новый способ химико-
термической обработки, основанный на эффекте контактного
плавления с дополнительным воздействием ультразвука (а.с.
63392». Б. и. № 43. 1978).

Процесс цементации рационально проводить в жидкой среде
с нагревом ТВЧ, в качестве жидких сред применяют толуол,
этиловый спирт, керосин и др.
L Наиболее широко следует применять скоростнойэлектронаг-
Шв в различных видах: токами высокой и повышенной частоты,
щитактный нагрев, нагрев в электролите, тлеющий разряд и др.
 Наиболее технологичными и освоенными промышленностью
Шляются индукционный нагрев токами высокой или повышенной
ИВстоты и контактный электронагрев. В настоящее время на
Ивкоторых заводах для 70-80% термически обрабатываемых
Шталей применяют нагрев ТВЧ. Разработаны и широко исполь-
№ются специальное оборудование и оснастка, в том числе

"устройства, позволяющие с большой точностью и надежностью
Дозировать и программировать высокочастотный нагрев, что
Чрезвычайно важно для ЭХТО и будет способствовать ее

Большинство из применяемых в настоящее время методов
Интенсификации процессов ХТО являются комплексными, т.е.
Оказывают одновременное воздействие на протекание нескольких

стадий. Поэтому трудно



Кации по их влиянию на одну из стадий и целесообразно условно
разделить все применяющиеся методы на две основные группы.

К первой группе относятся методы, основанные на варьиро-
вании традиционных параметров ХТО: температуры, давления,
, расхода и состава среды и др., а также на применении различных

Вторая группа включает методы, основанные на физическом
воздействии извне на металл или активную среду (электронагрев,
электрический разряд, ультразвук, циклическое упруго-пласти-
ческое деформирование, электростатическое поле, ультрафиоле-
товые лучи, облучение нейтронами и др.). При этом под
алектронагревом следует понимать все используемые в настоящее
время его модификации: индукционный (токами высокой и
повышенной частоты), контактный, нагрев в электролите, ис-
пользование электротермического кипящего слоя, тлеющего раз-

Повышение температуры является наиболее действенным
способом ускорения процессов диффузионного насыщения, так
как коэффициент диффузии и константы скорости химических
реакций связаны с температурой экспоненциальной зависимости.
Однако широкому внедрению этого способа для ускорения,
например, процесса цементации в обычных печах с медленным
нагревом препятствуют сильной рост зерна стали, снижение

механических свойств слоя и

коробле-

пне изделий, пересыщение поверхности углеродом и образование
цемеититной сетки. Эти обстоятельства не позволяют поднимать
температуру цементации выше 950-1050’С. Еще сложнее прово-
дить хромирование или насыщение стали алюминием, кремнием,
титаном, вольфрамом, молибденом и другими элементами, пн

скольку для этого требуются температуры от 1050 до 1300Т

Использование повышенных температур процесса ХТО в ряде

ры на различные стадии процесса. Диффузионная подвижна и.

в то время как константа скорости адсорбции уменьшается (при
одинаковых характеристиках внешней среды).

Колебания температуры процесса, особенно при фазовых и
полиморфных превращениях, в ряде случаев также позволяй»!
интенсифицировать диффузионное насыщение. Обнаружено
влияние при борировании и алитировании стали. Широки
применяется изменение температуры для некоторого ускорения
процесса азотирования. Двух- и трехступенчатые температурныг
режимы азотирования внедрены в производство и полностью себя
оправдали.

Давление активной газовой среды также сказывается пл
скорости протекания процессов ХТО, так как количество адсор
бируемых атомов (или молекул) возрастает с увеличением
давления газа.

Большое значение для протекания поверхностных реакции
при ХТО имеет рациональный подвод активной среды и своевре
менный отвод продуктов реакции. Известно, что, увеличивая

немного ускорить процесс насыщения. При газовом борировании
никеля в смеси ВСЦ и Н2 установлено, что увеличение скорости
подачи смеси приводит к возрастанию скорости борирования.

Интенсивность подвода активной среды непосредственно к

концентрации активного агента и продуктов реакции в реакци-
онном объеме. У поверхности насыщаемого металла и на-
сыщающего компонента образуются газообразные барьеры из
продуктов реакции. Эти барьеры снижают длину свободного

зону реакции. Устранив такие' концентрационные барьеры,

В настоящее время имеются способы интенсификации, кото-
рые способствуют срыву этих барьеров. К ним относятся
насыщение с использованием кипящего или “псевдоожиженного"
слоя, виброкипящего слоя и “циркуляционный" способ. Многие
фирмы США успешно применяют кипящий слой для нанесения
диффузионных покрытий из тугоплавких сплавов на крупнога-
баритные изделия разнообразной формы. Перспективно приме-
нение для ХТО виброкипящего слоя, в котором псевдоожиженное
состояние получают нс аэродинамическим, а механическим
способом, используя специальные вибраторы.

Таким образом, используя методы, позволяющие принуди-
тельно подводить активные среды к насыщаемой поверхности и
также принудительно отводить продукты реакции, можно в
Ироких интервалах регулировать скорость насыщения. Следует

| ускорении стадий процесса.

Физико-химические свойства насыщающей среды оказывают

Конечном счете, на процесс насыщения. Подбор рационального
Кстава насыщающей среды до последнего времени проводился
мпиричсски. Проведено множество опытов по выбору оптималь-
Пмрго состава среды для того или иного вида насыщения.
’ Появились работы, в которых сделана попытка обобщить эти
данные и дать некоторые представления, на основе которых
Можно предсказывать ход процесса и сознательно проектировать
Процессы диффузионного насыщиеия.

Правильно подобраш!ые активаторы процесса химико-тер-
Мичсской обработки могут оказывать влияние на интенсивность
Протекания большинства стадий процесса насыщения. Активато-
ры должны ускорять доставку насыщающего элемента к изделию
путем образования газовой фазы; разлагаться и испаряться при
нагреве и вытеснять воздух из объема, в котором проводится
Насыщение, а также приводить к удалению окисных пленок на
металле, т.е. подготавливать поверхность, и др.

Предложен ряд новых сред для насыщения и активаторов.
Способствующих ускорению процессов химико-термической обра-
ботки. Например, для газовой цементации предлагается газ-кар-
бюризатор, полученный при пиролизе амиленпипериленовой фрак-

Алъ цементации в твердой среде предложены карбюризаторы,
активатором в которых вместо углекислых солей служит ацетат
натрия Na(CH3CO2) или ацетат бария Ва(СНэСО2)г Добавки
порошкообразного электролитического наводороженного железа
также ускоряют процесс цементации в твердом карбюризаторе.

В качестве ускорителей процесса азотирования на небольшую
глубину можно применять ферросплавы (Fe Si и Fe Сг).
нитробензол, окись азота, хлор, медь, магнезию, анилин и другие
вещества. Значительный эффект ускорения наблюдается при
совместном использовании ферросилиция и шестивалентной оки-
си хрома. Практика некоторых зарубежных фирм показала
аналогичное результаты.

В качестве активатора для процесса борирования рекоменду-
ется использовать флюбораты. Предлагается смесь следующего
состава: 79% B4S, 16% N2B4O7 и 5% KBF4.

общий недостаток: все они не влияют непосредственно на
скорость диффузии насыщающего элемента в стали, кроме
случаев, когда вещества наносят на поверхность изделия, и

слоя металла повышается. Поэтому катализаторы дают некого-
которые воздействуют на ряд наиболее медленно протекающих
стадий процесса. К ним относятся методы, оказывающие как
правило, комплексное воздействие на процесс ХТО.

Структурные факторы играють основную роль и в методах
интенсификации, основанных на применении пластической де
формации, как предварительной, так и осуществляемой и
процессе насыщения (механико-химикотермическая обработка).

Развитие методов химихотермической обработки будем
осуществляться в направлении более широкого применения новых

(в плазме тлеющего разряда.
азотирования и др.

вакууме), регул

Ожидается, что с 1992 по 2000 г. доля цементации от общего
объема химикотермической обработки уменьшится в васемь раз
До 1989- г. быстрое падение доли цементации компенсировался!,
увеличением примена на 2% доли нитроцементации, которая в
свою очередь с 1980 г. уменьшается. К 2000 г. доля нитроце
ментации будет примерно такой же, как в 1989 г.

Традиционные процессы цементации и нитроцементация бу-
дут постепенно заменяться новыми технологическими процесса-
ми, и в первую очередь ионнымипроцессамихимико-термической
обработки, диффузионной обработкой в вакууме, регулируемыми

жидких средах, а также хромированием, титанированием, на
сыщением ниобием, алюминированием и т.д.

Влияние различных видов ХТО на абразивную износостой-
кость показано в табл. 6.74.

Таблица 6.74

Абразивная износостойкость отдельных фаз в
диффузионных слоях на углеродных сталях,
подвергнутых различным видам ХТО
(Р = 100 Н/см2, V - 30 м/с)

ЬЧХТО			““	-2-
Борирование	й	ЕеЬВ г.гв		6.75 2,24 5,00 2,07 6,10
			Абраютчм* юа<к	
				
•июфаэное (в  расплаве с карбидом			ж	2.65 2.49
 Хромирование	У8		0024	4.48  5,60
Хромосплицирование		СГцС4*Сг7Сэ	оз“	О’38 6.75
Склнциропхие	10	«- <и>»	0U6	1.56  0.98
Алюмосилпциро ванне	У8	Реэ(А1,Я)	0,085	1.56
На надийалитнро ванне	У8	Fe.N/1	0,080	1.68
Тю.ноалитнромние	У8	(Fe, Tl) Al + (Fe, TI)3AI	0,042	2.17

IS. Химико-механическая обработка

В машиностроении широко распространены стальные детали,
например, рессорные листы, поверхность которых должна обла-
дать комплексом свойств, в том числе таких, как твердость,
износостойкость, усталостная прочность.

Обеспечение указанных свойств возможная при проведении
химико-термо-механнческой обработки стали (ХТМО), предло-
женной группой сотрудников Таджикского политехнического
института (авторское свидетельство 392170).

ХТМО заключается в нагреве изделия с нанесенной на его
поверхность пастой, содержащей насыщающие элементы, до
аустенитного состояния, выдержке при заданной температуре и
последующей пластической дейормации с немедленной закалкой.
Процесс изучался, в частности, на стали 60С2.

В результате ХТМО на поверхности образцов полностью
устранялся обезуглероженный слой и формировалась структура
мартенсита.

Рекомендуемые режимы ХТО приведены в таблице 6.75, а
также в таблице 6.77, в которой также приведены треблвания к
упрочненному слою, а в таблице 6.76 - параметрыпечи-ванны.

sn
Режимы ХТО

Таблица 6.75

ХТО			
Цмиироюиие	560-570	20-25% NaCN 59% KCNO	353-37.5% NaCN 2-4% KCNO 22-24.5% Na-CO, 43-6% K-CO, 243-25.5% KCI
,«ро»ни«		16-24% NaCN  0.3-0.7%Na2S	32-36% KCN 42-45% NaCN 22-25% NaCI 30-33% KCN 32-37% Na-CO, 28-30% NaCI  12-18% KCN 21-223% NaCH 11-123% NaCI 45-55% Na,S
азотирование	570-5S0	622-68% KCNO  22-26% Na-CO, £0.1% Na4[Fe(CN)tl	66-68% KCNO  32-33% NajCOj Органическое соединение типа снм-гепатазина
”* - корректировочные соли.			

Таблица 6.76

Параметры печи-ванны

возможности по управлению процессом ХТМО и позволяет
получить на обрабатываемых изделиях заданный комплекс фи-

зико-механических свойств.
Режимы ХТО и требования к упрочняющему слою

Таблица 6.77

ХТО						
	Сверла, зенкеры, развертки.	Р6М5К5,	4“			900-1300
	Метчик»	•-	20	10-12	им	*-
	Фрезы дисковые	*-	S-1S	10-1$	20-30	
	Фрезы резьбонарезные со		“от0	£1	10-15	
	То же. е неиошфоваинмм зубом		50	10-12	1S-M	
	Резцы фасонные		*30°	20-30	20-30	
ХТО					| тм&мам а упрошеажму	
					му6»ж». мхм	HV
Су льфоциояироы нне, мягкое азотирование	Пуансоны, матрицы, пресс-формы	 siss 40	разные	90-120		900-1100
						
3.7. Поверхностная закалка при индукционном
нагреве

Назначением поверхностной закалки при индукционном нагре-
ве является получение изделия с твердым износоустойчивым

Вачество деталей, хорошо поддается механизации и легко
Встраивается в общую технологическую линию изготовления

Закалка при индукционном нагреве, в раде случаев, обеспе-
чивает лучшие результаты чем традиционные методы термооб-

Легирующих элементов и дает значительную экономию электро-

В промышленности создано специализированное оборудова-
ние, которое успешно применяется для ряда новых технологиче-
ских процессов поверхностной закалки с индукционным нагревом.

Сущность поверхностной закалки с индукционным нагревом
Выключается в том, что магнитный поток, создаваемый перемен-
ным током, проходящим по проводнику (индуктору), индуктирует
вихревые токи в металле детали, помещенной внутри индуктора.
Скорость нагрева зависит от количества выделяющегося тепла,
Пропорционально квадрату силы тока и сопротивлению металла.

Высокая скорость нагрева, свойственная поверхностной закал-

Критических точек диаграммы состояния сплавов железо-углерод.
Скорость превращения, происходящего в интервале Aq-ACj,

Чем выше дисперсность



скорость превращения. В результате быстрого нагрева, получен-
ный аустенит отличается крайней неоднородностью, причем
различают микронеоднородность, связанную с различием концен-
трации углерода между зернами, и субмикроскопическую, -
•нутризеренную неоднородность.

В практике для охлаждения изделий применяются, в основном,
душевое охлаждение и другие быстродвижущиеся интенсивные
потоки. Значительно худший результат дает применение ванн с
жидкостями.

Выбор марки стали изделия, подвергаемого индукционному
нагреву, обусловлен требованиями, предъявляемыми к этим
изделиям, В число этих требований входит глубина прокалива-
емое™, твердость, сопростиалени износу, хрупкость закаленного
Эти требования обеспечиваются химическим составом, склоном
стью к росту зерна и прокаливаемостью стали. К числу наибо ит
широко применяемых сталей при этом относятся стали со средооч
содержанием углерода 0,4-0,5%. Это объясняется тем, что сток
с более низким содержанием углерода обладают пониженны!
твердостью и износостойкостью. Но это не значит, что стали к.н
с низким, так и с высоким содержанием углерода не находя,
применение в практике высокочастотной термической обработка
Кап уже отмечалось выше, выбор марки стали в каждом
конкретном случае зависит от требований, предъявляемых >
изделиям.

Стали пониженной или регламентируемой прокаливаемого,
применяются для изготовления деталей, подвергаемых поверх!!,,
стной закалке при глубинном нагреве.

деталей из серых и ковких чугунов с перлитной, перлитно-фер
ритной, ферритной и ферритно-перлитной основами, причем

превращение перлита

аустенит в первых двух чугунах

проивходит достаточно быстро, вследствие чего удается получат >•
твердые и достаточно тонкие закаленные соли, а в последних
двух - закалка происходит при сравнительно длительной выдср

дится иметь дело с деталями, для которых применение обычной
поверхностной высокочастотной закалки не всегда целесообразно.
В таких случаях прибегают к помощи, так называемого,
глубинного нагрева, т.е. такого способа, когда глубина прогретого
слоя оказывается значительно большей, чем необходимая глубина
твердого закаленного слоя. Для такой закалки применяются
стали с ограниченной прокаливаемостью. Эти стали обычно
содержат 0,5-0,8% С и минимальное количество Si, Мп, Сг и Ni. а
также незначительное количество Ti. Применяются также стали
с стали пониженной прокаливаемое™ (55ПП) и регламентиро-

обычно удельная мощность колеблется в интервале 0,6 т I kW.
в зависимости от необходимой глубины нагрева.

Закалка изделий осуществляется душем повышенной интен-
сивности. Метод поверхностной закалки при глубинном индукци-
онном нагреве разработан на автозаводе им. И.А.Лихачева при
участии ЦНИИЧЕРМЕТа.

Этот метод имеет определенные преимущества перед методом
поверхностной закалки при поверхностном нагреве, т.к. обеспе-
получение более высокого комплекса прочностных

J Существенно то, что в этом методе удачно сочетаются
Пложительныс качества поверхностной закалки (наличие слоя
(данной глубины, отлицающегося высокой твердостью и проч-
•встью) и процессов обычеиой термообработки. Процесс этот
(йчас хорошо автоматизирован, разработано специализированное
Мтоматизированное оборудование, он успешно внедрен в мас-
(вое производство на ЗИЛе, ГАЗе, КамАЗе, Минском и
Кременчугском автозаводах. Алтайском тракторном и др.

Выбор оптимальных режимов позволяет получить мелкозер-
|истой строение закаленного слоя, подслой из переходных
структур с HRC, 36 + 41. Сочетание этих слоев обеспечивает
высокий прочностный комплекс.

Большое влияние на качество закалки при данном методе
Оказывает охлаждение. Обычно применяется высокоинтенсивный
И равномерный душ. При поверхностной закалке возникают
внутренние напряжения - сжимающие в поверхностных слоях и
растягивающие - в сердцевине.

К факторам, определяющим величину и характер остаточных
напряжения относятся: твердости и глубина закаленного слоя,
грежнм нагрева и охлаждения, качество материала и конфигура-
ция закаленного слоя. Эти факторы подчиняются ряду закона-
I Мерностей. К их числу относятся смещения пика растягивающих
{напряжения к центру по мере увеличения глубины закаленного

(некоторых глубинах, сжимающие напряженя на поверхности
становятся минимальными, это нежелательно..

Важнейшей оценкой качества поверхностей закалки стали
является износостойкость поверхностного слоя. В ряде случаев
. износостойкость больше, когда выше твердость (однако износо-
! стойкость зависит и от других факторов).

i Поверхностной закалке с индукционным нагревом подвергают-
, ся большой ассортимент изделий: прокатные валики, коленчатые
: валы, различные шестерни, инструменты из быстрорежущей
i стали, детали подшипников скольжения, гильзы цилиндров
J внутреннего сгорания и многие другие.

При конструировании деталей, которые по условиям работы
должны подвергаться термообработке, желательна совместная
работа конструктора и технолога. Это объясняется по многим

причинам: во-первых,

зависит от многих факторов, как технологических, так и
конструктивных; очень важным фактором является условия
эксплуатации. Надо находить такую оптимальную глубину
закалки, которая удовлетворяла бы этим требованиям. Работо-
способность детали зависит в значительной степени от сочетанм
прочности поверхностного слоя и сердцевины. При недостаточна!
толщине поверхностного слоя возможно продавливание ст,
вследствие больших контактынх напряжений, и, наоборот, ш
лишне толстый слой может привести к хрупкому разрушении!

Большое значение играет также выбот формы закалеинот

необходимо учитывай

слоя. При наз

закаленного слоя, режима нагрева и охлаждения. Совпаденмг

напряжений.

напряжений с

создаваемыми внешней нагрузкой, может привести к резкому
снижению усталостной прочности детали. Необходимо таж<-

При разработке технологического процесса изготовлении
деталей, подвергающихся поверхностной закалке, выявляется их
важное преимущество, по сравнению с другими видами термо
обработки. Это преимущество заключается в том, что операции»
закалки т.в.ч. можно встраивать в линию механической обри
ботки. Объясняется это тем, что после поверхностной закалки
с индукционным нагревом на деталях нет окалины, и они мало
деформируются. Но в ряде случаев встраивание этой операции н
линию механической обработки приводит к изменению последи
вательности операций. Например, если необходимо обрабатывать
полый вал с переменной толщиной, то в начале проводится
термообработка, а затем расточка. Это делается для того, чтобы
получить однородный нагрев (по предварительному продольному
сечению) и, соответственно одинаковую структуру закаленного

постный слой заданной глубины.

Требования по твердости определяются условиями эксплуа-

Особенности поверхностной закалки вносят некоторые изме-
нения в общий цикл механической обработки при изготовлении
детали. Преимуществом поверхностной закалки с индукционным
нагревом также является малая деформация изделия и почти

термической обработки можно производить после окончательной
механической обработки.

Весьма i

трех способов:

яй сортамент деталей машин подвергается
при индукционном нагреве по одному из
, А) При одновременном нагреве сразу всей обрабатываемой
Йяяерхности.

Б) Путем последовательного нагрева и закалки подлежащих
упрочнению участков поверхности (например, отдельных шеек
Коленчатиого вала).

В) Непрерывно-последовательным методом, когда индуктор
Меньше длины, подлежащей упрочнению зоны, отдельные участки
Которой нагреваются за требуемое время и последовательно
Плавно перемещаются (или индуктор передвигнается вдоль
Обрабатываемой поверхности) - в зону интенсивного охлаждения,
Создаваемого потоком воды (либо эмульсии или масла), выхо-
дящих через отверстия спрейера в направлении обрабатываемой
поверхности.

Большое влияние при эксплуатации оказывают остаточке
напряжения. В большинстве случаев в поверхностно закаленном
изделии создается благоприятное распределение остаточных на-
пряжений. На поверхности возникают сжимающие напряжения,
а зона растягивающих напряжений при определенных условиях
не оказывает влияния на прочность изделия. При этом закалка
на относительно большие глубины (до 20%% радиуса) приме-
няется для деталей с небольшим диаметром (10-20 мм), а закалка
на меньшую глубину (10% от радиуса и менее) - для более
толстых деталей. Глубина слоя зависит от используемого обору-
дования.

Рассмотрим вкратце особенности этих трех способов:

1.	Пр*| проведении одновременного нагрева требуется подве-
дение к нагреваемому индуктору мощности, достаточной для
осуществления индукционного нагрева сразу всей подлежащей
упрочнению рабочей поверхности обрабатываемого изделия. За-

калка нагретой поверхности осуществляется путем подачи через
спрейер струи охлаждающей жидкости.

2.	Осуществление поверхностной закалки путем индукцион-
ного нагрева повледовательным методом (например, шеек кулач-
ковых или коленчатых валов). В этом случае производят нагрев
отдельных кулачхов или шеек вала до температуры закалки, а
затем осуществляют охлаждение (закалку) нагретых участков.
Производительность установок для закалки последовательным
методом ниже чем при одновременном способе, когда нагреву
должны подвергаться сразу все обрабатывааемые участки, но при
этом нужна значительно меньшая мощность питающего генер-
атора токов высокой частоты, что является решающим и
ограничивает выбор того или иного способа нагрева. При

очень высокой производительности.
3. Проведение

-последе-

вательным способом осуществляется преимущественно в тех
случаях, когда обрабатываемые изделия имеют большую подле-
жащую упрочнению поверхность, например стальные плиты, у
которых надлежит подвергать поверхностной закалке одну из
плоскостей, либо шпиндели двигателей и станков и т.п. изделия.
В этом случае индуктор должен обеспечить нагрев до темпера-
туры закалки только отдельный участок плиты или вала, после
чего или обрабатываемое изделие (или индуктор) начинает

(спрейера).

перемещаться в зону

расположенного непосредственно за индуктором. По мере пере-
мещения нагретого участка в зону охлаждения, происходит его
закалка, причем равномерность толщины закаленного слоя
обеспечивается поддерожанием заданного режима нагрева на
требуемом уровне.

При выборе того или иного способа индукционного нагрева
необходимо учитывать требуемую производительность закалочной
установки и применять такой способ, который обеспечить
получение требуемого количества закаленных изделий.

Для осуществления поверхностной закалки различных сталь-

быть осуществлен при

питаиии индуктора либо от машинного генератора (при толщине
закаленного слоя от 2-3 мм до 8 и более мм), либо пр»
использовании для питания ламповых генераторов (при толщине
нагретого и закаленного слоя от долей мм до 3-4 мм).

Машинные (вращающиеся) преобразователи представляют
собой устройства, выполненные либо из двух электрических
машин (электрического двигателя и вращающего генератора),
либо однокорпусного агрегата, расположенного на двух подшип-
никах и снабженного двумя роторами, размещенными на одном
общем валу. В последнем случае генераторы выполняются либо
в виде горизонтальных или вертикальных конструкций. Сейчас

промышленностью;

гея закалочные станции

типа ИЗ. Установка состоит из генераторной станции и закалоч-
ных станций.

Ламповые генераторы токов высокой частоты являются
преобразователями, созщдающими из переменного тока промыш-
ленной частоты (50 Гц) токи с частотами от 60 кГц и выше.
Такие агрегаты находят успешное использование в промышлен-
ной практике СНГ и за границей, при мощности 6т нескольких
кВт до нескольких сотен кВт и работают при коэффициенте
полезного действия порядка 50%. В них преобразовывается
подводимой из сети энергии переменного тока промышленной
частоты (220-380 В) в энергию переменного тока высокой

частоты. При
* значения линейного напряжения Ед, составляющего 7650-
10000 В. Высокое напряжение переменного тока поступает на
Выпрямитель, который преобразовывает его в высокое напряже-
те постоянного тока Ua • 1,35 Ед. Это напряжение Иа поступает
I генераторную часть, где преобразуется в переменный ток
высокого напряжения и высокой частоты. При помощи высоко-
«встотного трансформатора высокое напряжение высокой частоты
Претерпевает еще одно преобразование и значительно понижа-
ется. Это напряжение подается на индуктор и используется для
индукционного нагрева. Каждое преобразование вызывает неиз-
бежные потери электроэнергии. Поэтому к.п.д. лампового генер-
етора обычно не превышает 50% и зависит от формы нагретой
Юны на обрабатываемом изделии, сорта стали, из которой оно
изготовлено, конфигурации индуктора и других факторов. Про-
мышленностью изготавливаются установки с ламповыми генер-
аторами для целей злектротермообработки типов ВЧГ-13, ВЧГ-
60, ВЧГ-100 и др.

средней частоты при уменьшении применения нагрева токами
высокой частоты.

За последние десять лет за рубежом наблюдается расширение
применения статических (тиристорных) преобразователей сред-
них частот. Уже сейчас они практически вытеснили машинные
генераторы вследствие быстрого совершенствования тиристорной
техники, возможности плавного регулирования мощности и
значительно меньших габаритов.

Широко ведутся работы по применению тиристорных преоб-
разователей для индукционной закалки. Таллинский электрон-
но-технический завод разработал статические преобразователи
ТПЧ-250, ТПЧ-500, ТПЧ-800 и др. ВНИИТВЧ им. В.П.Волот-

отал тиристорный преобразователь ТПЧ-



160/4 для закалочных установок, который выпускается серийно.

к и является закалка при импульсном индукционном нагреве.

Эффективная мощность в импульсе достигает 30 кВт при
 установленной средней мощности генератора 3 кВт. Это позво-
ляет получать закаленные слои глубиной 100-400 мкм за 1-100
м/с, (концентрация мощности З Ю4 Вт/см2). Как я в случае

минимальные деформации, отпадает необходимость в закалочном
охлаждении.

Метод находит применение для закалки пил, режущего и
штампового инструмента, прецизионных деталей точной механи-
ки, локаьной закалки деталей и т.п. Отмечается возможнпеть
закаливания деталей на глубину до 4 мм. Индукционная
импульсная закалка обеспечивает ряд экономических пре
имуществ. Так, фирма Enresa Alfons Schnltheiss применила выси
кочастотный генератор для импульсной закалки с регулируемы
мощностью, что позволило уменьшить количество рабочия
позиций, ускорить нагрев (слой глубиной 0,1-1,0 мм на площе,»>
200 мм! прогревается за миллисекуньщ), получить минимальные
деформации.

Рекомендации производству.

Для закалки деталей на небольшую глубину (1-2 мм) удобнее
использовать ламповые генераторы. Они имеют частоту до 10
млн.Гц при мощности до 250 кВт. Для закалки на большую
глубину (до 10 мм и более) используют машинные генераторы
частотой до 10 тыс.Гц и мощностью до 1000 кВт.

При закалке ТВЧ применяют три метода: одновременный,
последовательный, непрерывно-последовательный.

Равномерность охлаждения во многом зависит от диаметра к
взаимного расположения отверстий в спрейере. Эти отверстия

от друга.

При закалке деталей сложной формы или деталей, изготов-
ленных из некоторых легированных сталей, используются водные
эмульсии или масло. На некоторых заводах применяют 20-30%-
яый раствор глицерина в воде.

В зависимости от технологических требований закалочные
станки можно применять двух типов:

I)	станки для закалки определенной детали, обычно сложной

конфигурации и

- специализированные

2)	станки для закалки различных по габаритным размерам и
конфигурации деталей - универсальные закалочные станки;

алей

Индукторы следует изготавливать из медных (медь марки
Ml) трубок или полос. Ориентировочные толщины стенок

индукторов в зависимости
индуктора приведены в табл.
Толщина индуктора ири различных частотах тока, мм

	чктоп, m			
	1500	«юо	70000	440000
мкадка с использованием:  обычного индуктора  индуктора-спрейера	2-2.5 3-3.5	1,5-2  2,5-3	1.5-2	15
Одновременный нагрев и	4-5	3-4	1,5-23	1,5-2
(вндуктор-спрейер)				
Закалка на большую глубину	10	8		
Зазор между деталью и индуктором по диаметру принимать равным 3-8 мм. При нагреве внутренней поверхности зазор должен быть минимальным. Расстояние между витками много- витковго индуктора должно быть не менее 2 мм и не более				



см; р - удельная мощность, сообщаемая детали, кВт/см2.

Ширина индуктора при одновременном нагреве всей детали
должна быть менее ширины детали на 2-4 мм. Ширина индуктора
при частичном нагреве длинной детали должна быть на 10-20%
больше ширины закаливаемой полосы.

Пример. Длина детали 150 мм, ширина нагреваемой полосы
20 мм. Для частичного нагрева необходимая ширина индуктора

Трубчатые индукторы рекомендуется изготовлять из профи-

электроэнергии усеньшаются примерна на 10% и обеспечивается
более равномерный нагрев детали.

При изготовлении индуктора-спейера для непрерывно-последо-
вательной закалке в задней кромке его по ходу движения детали
просверливаются отверстия диаметром 1-2 мм с шагом 4-5 мм.
Угол падения воды на поверхность закаливаемой детали принима-
ется равным 30-45*. Охлаждение инструмента при этом способе
нагрева может осуществляться также отдельным спрейером.

Размер ручьев следует применять в соответствии в размерами
профилируемых трубок (табл. 7.2), технические данные преоб-
разователей - в табл. 7.3, закалочных станков - в табл. 7.4.
Таблица 7.2

Профиль сечения медных трубок для индукторов, мм

Исходный XKUBCTV. мм		Ссчемк	Исходный дмампр. *Ы			Сечение
наружный	«угревый		наружный		(•гутрспхй	
4	3	2.5*54		3	11; 10	12.5*18
5	4	3.5x4		з	И; 10	10x10.5
6	4,5	4,5*5		4	12; 11	8x14
7	5	4*7		4	12; И	10x12
8	6,5	S«7,S		4	12; 11	11x11
9	7	4x10		5	13; 12	8,5x15
9	7	5x9			13; 12	10.5x13
9	7	7x7		6	14; 13	10x15
10	84; 7	5X10.5		6	14; 13	12.5x12,5
10	8.5; 7	7,5x8		7	13	10x164
и	9; 8	5X12		8	16; 14	12x164
П	9: 8	6x11		9	16	10x20
Ц	9; 8	8,6x84		9	16	15х]5
12	10; 9	7x12	20		17; 16	11.5x20
12	10; 9	8x11	20		17; 16	15x164
12	10; 9	9x9	20		17; 16	15x164

Некоторые технические рекомендации

Валы и оси диаметром до 250 мм подвергать непрерывно-по-
следовательной закалке с помощью кольцевого индуктора. При
этом способе закалки деталь должна вращаться в центрах станка,
а кольцевой индуктор медленно перемещаться вдоль детали.

Цилиндрические детали диаметром 250-1100 мм закаливать
с помощью линейного (плоского) индуктора. При этом способе
закалки индуктор устаиоаливать неподвижно, а закаливаемая

Шестерни цилиндрические прямозубые с модулем 8-30 мм
закаливать методом “зуб за зубом". При этом шестерню
устанавливать на оправке в центрах станка и при помощи
петлевого индуктора подвергают закалке каждый зуб, перемещая
индуктор вдоль зуба. Шестерни с меньшим модулем и диаметром
Основные технические данные преобразователей повышенной частоты,							
П«р«метры	Л В-50/2500	ПаС *100/2500	ПВВ-100/2500	пвв-зо/аооо	ПВВ-100/МЮО	ПВВ-2О/24ОО	П 84-50/3000
Частота тока, Гц	2650	2650	2700	8000	Н(ХХ)	2400	8000
Мощность генератора, кВт	50	100	100	30	100	20	50
Наложение генеоатооа. В	750/375	750/375	750/375	380/190	750/375	400/200	800/400
Ток генератора. А	74/148	148/296	148/296	88/176	148/296	55/110	70/140
генератора, В	60	60	60	60/120	60/120		
Ток возбуждения генератора. А	5-6	6-7	6-7	7/33	12/6	3.75/7,5	5.85/11.7
.Мощность двигателя.. кВт	60	125	125	40	120	30,5	77
Масса преобразователя, кг	2100	3000	4<ИИ>	3100	4000	750	1870
Охлаждение агрегата		Воздушное	Водяное				
Расход воды, м’/ч			5	1.8	5	25	35
Габаритные размеры агрегата (длина ширина высота), мм	|1х2^00	1495x1040	1615x1150	1450x1150	1615x1150	971ЫЮОХ	1390x1015


Основные технические данные закалочных станков специального назначения
Основные технические данные универсальных закалочных станков

	изу*-2М/$а-	ИЗУЗ-WO/JOO-	из у»-wo/то-		’Т.ТГ
Мощность, подводимая к станку (максимальная). кВт	150	150	150	300	300
Частота тока силовой цепи, Гц	8000	8000	2500	2500	2500
Максимальный вторичный ток трансформатора	18700	18700	22400	22400	22400
Максимальный ток контура, А	1390	2425	1333	2940	1870
Напряженке катушки контактора, В	400/230	400	400	400	400
Суммарный расход охлаждающей воды, м’/ч	6J	73	6,7	8	6
трансформаторного	653x700x710 НООхВООх	653x700x700 I000XR00X	653x700x700 1000x1000* х2250	653x700*700 1000x1500х	
Длина водоохлаждаемого кабеля, м		4,4	3,85	5.1	20
Масса комплекта оборудования, кг	1100	1850	1210	1400	1800
Примечание. Размеры блоков (ширннахддвкухвысогу), мм: закалочного - 1000x1300x1100; контактного - 860*620x1150					

250 мм подве

Крупные шестерни с модулем более 30 мм закаливают одним
) двух методов: по зубу или по впадине. При закалке по первому

и впадину.

теть осевого перемещения закаливаемой поверхности 5-10 мм/с.
Источник нагрева - машинные генераторы суммарной мащпостью
100-200 кВт и частотой 8 кГц.

Конические шестерни с модулем до 15 мм закаливают в
петлевом индукторе при одновременном нагреве всего зуба по

мощностью до 100 кВт и частотой 70кГц.

петлевом индукторе при одновременном нагреве всего зуба пр
рабочим поверхностям. Источник тока - машинные генераторы

Шестеренные валики с косым зубом диаметром до 250 мм и
модулем до 9 мм нагревают под закалку кольцевым индуктором
! непрерывно-последовательным методом.

Червяки одно-, двух-, трех- и четырехзаходные с модулем 16

нагревают под закалку кольцевым индуктором непрерывно-по-
следовательным способом, как цилиндрические детали.

Нажимные винты рабочих клетей блюмингов нагревают под
закалку петлевым индуктором непрерывно-последовательным
способом. Закалку каждого витка осуществляют отдельно.

Ролики плавильных машин сортовых станков закаливают
профильным индуктором непрерывно-последовательным спосо-

Детали, имеющие квадратное сечение, нагревают под закалку
квадратным индуктором непрерывно-последовательным способом.

Перечень деталей металлургического оборудования, подвер-

ВПТИТя

ого оборудования, упроч-

няемые высокочастотной закалкой, разбиты на отдельные группы.
Для каждой из групп разработан типовой технологический

Для наиболее распространенных групп деталей металлургических
агрегатов предложена следующая технология высокочастотной
Цилиндрические детали диаметром менее 100 и длиной
200-1000 мм закаливают непрерывно-последовательным способом
в кольцевом индукторе. Скорость осевого перемещения 1-3 мм Л

Источник тока - машинные генераторы суммарной мощносты**
250-500 кВт и частотой 2,5 кГц.

Барабаны с глубокими винтовыми канавками на поверхносш

следовательным способом по контуру впадины аналогично мер
вяччь'м валам или по поверхности образующей барабана. Истом
ник нагрева - машинные генераторы мощностью 100 кВт и

Гильзы цилиндров грязевых насосов диаметром 120-200 и
длиной до 700 мм. Внутреннюю поверхность закаливают непре

рывно-последовательным способом при непрерывном вращении
детали. Зазор между индуктором и деталью 2-3 мм, скорость
осевого перемещения закаливаемой поверхности 3-10 мм А
Источник тока - машинные генераторы суммарной мощностью
100-200 кВт и частотой 8кГц.

Блоки длиной 400-1200 и диаметром 1200-3500 мм, закали

непрерывно-последовательным способом методом обкатки. Мак
симальная ширина индуктора 400 мм. Линейная скорость перс

ва - машинные генераторы суммарной мощностью250 кВАт и

Особо крупногабаритные зубчатые венцы и секторы массой
25 т, с модулем 20-100 мм. Закаливают с помощью

способом, индуктором со спрейером. Скорость осевого пере-

суммарной мощностью 100-250 кВт и частотой 2,5 кГц.

Плоские детали длиной до 6000 мм. Закаливают с помощью
самоходного закалочного агрегата непрерывно-последовательным
способом. Скорость перемещения закаливаемой поверхности 2-5

100-250 кВт и частотой 2,5 кГц.

Валки холодной прокатки диаметром 700-1500 и длиной
3000-6000 мм. Закаливают непрерывно-последовательным спосо-
бом в кольцевом индукторе-спрейсре. Источник нагрева -
машинный генератор мощностью до 1500 кВт и частотой до

50 Гц.

в кольцевом индукторе одновременным способом. Истточиик
нагрева - машинные генераторы суммарной мощностью 100-250
кВт и частотой 8 или 2,5 кГц.

Примеры. Режимы высокочастотной закалки некоторых дета-
лей металлургического оборудования при использовании машин-
ного и лампового генераторов приведены в табл. 7.6.
I табл. 7.7 приведены режимы индукционной закалки крано-
колес и тормозных шкифов при использовании машинного
фатора типа МГЗ-102 (по данным металлургического завода

•	Таблица 7.7

Режимы индукционной закалки
ходовых колес кранов и тормозных шкивов

Км»ы яепм» км	Мьрк*	емлерлтурв	Окружив»	1отреблдева		Твердость
	CTBL201	.- 1	скорость.		между	няс
		под	мм/.	ЫОКПЮСТЬ.	.»	
		милху		кВт		
		(отпуск ’С)			ЬО4	
Вдовое колесо:						
Цметр 800,	60Г	-.-ч -:::ч	1 7	70	2,5-3.0	59-61
фожкн 120		(350-400)	9,0	65	5-6	41-43
Вметр 500,	45	900-920	2,0	55	2,5-3,0	59-61
врмна		(400)	10,0	52	6,0	41-43
<»»»"90							
	55Л	900	1»2	88	2,0	56-59
Вврин.)		(400)	8,0	70	7.0	39-41
pro». 145						
Иметр 900,	50Г2	880-900	1,4	90	2,0	61-65
(Цирана		(400)	10,0	75	7,0	41-43
ророжм 140						
Тормозной шгкф- «ваметр 300,		920-940			2.0	
Ширина		(300)	10,0	70	8.0	41-45
Дорожки 150  ДМметр 350,	45	880-900	2.5	60	2.0	59-61
дорожки 100		(300)	10,0	so	8.0	44-51

Концерн Ford (США) осуществляет индукционную закладку
Стальных коромысел клапанов с получением упрочненного слоя

(толщиной 1,02-1,52 мм.

- 1800 шт/час.

т Коромысла длиной 63,5 мм загружают вручную плечом со
I стороны клапана верх в 80 оправок на поворотном столе,
I «решающемся с заданной скоростью. При повороте столе коро-
• имело проходит через нижний индуктор и спрейерное устройство
, для закалки маслом. При этом закаливается плечо Б, удаленное
, от прецизионного отверстия. Далее коромысла проходят через
ванну с циркулирующим маслом (плечо А находится над
веркалом ванны). В ванне отверстие под клапан и плечо Б
охлаждаются. Затем коромысла проходят через второй индуктор,
где нагревается плечо А, после чего оно закаливается. Эта
термического оборудс

3.8. Тенденции

Развитие нагревательных установок для термообработки ц
растеризуется увеличением их суммарной мощности.

Прогнозируется более быстрый рост индукционных напн-м
тельных установок по сравнению с печами сопротивления.

Перспективными уже в ближайшее время будут электричес»и»
термические лечи, преимущества которых перед пламеннмн!

ления тепловым режимом, большей равномерности нагргм
обрабатываемых деталей, бесшумности работы, отсутствии м
грязнения окружающей среды, возможности встраивания в ин
точную линию, взрывобезопасности.

Например, в США существует тенденция замены печен ।
газовым нагревом электропечами.

Электрические печи, несмотря на более высокие эксплуам
ционные расходы по сравнению с печами, работающими на niv
в жидком топливе, находят широкое применение для тсрмичесм’И
обработки, требующей высокую точность нагрева (химико-тср

В США развернулась интенсивная работа с целью применен!»
менее энергоемких процессов (азотирование вместо цементации,
поверхностная индукционная закалка вместо объемной и т.д.»

садочных печах периодического действия, требующих интенелп
ного расхода энергии на разогрев самой печи при каждом рабочем

Снижение потребления энергии в нагревательных установка*
осуществляется путем конструктивного совершенствования уста
новок и применения новых способов нагрева. В области кона
руирования и производства установок с рациональным расходим

-	совершенствование нагревательных элементов;

-	широкое использование точных термокинетических расчетом
нагревательных установок, в основном для оптимизации процсч
сов нагрева. Применяются математическиме модели, точно
описывающие явления, связанные со стационарными и нестацн
онарными потоками энергии в системе нагревательный элемеш
- садка н потерями энергии;

-	применение новых термоизоляционных материалов, обла
дающих малой теплопроводностью и теплоемкостью;
садку, что способствует уменьшению аккумуляции

применение рекуператоров.

Мкация нагрева и обеспечение заданного температурного
ГИма с минимальными отклонениями; возможность применения
Цггных атмосфер при максимальной герметизации печей;

Нльность и надежность в эксплуатации. Реализация этих
Вбований осуществляется путем усовершенствования конструк-
N и повышения уровня механизации и автоматизации терми-

1 Универсальные камерные автоматизированные печи отлича-
йся высокой технологической маневренностью, не требуют
|циалцных фундаментов и дополнительных грузоподъемных

Гизированы.

Участки, укомплектованные универсальными камерными пе-
|Ми, работают на ЗИЛе, ВАЗе и других крупных заводах.

В СНГ и за рубежом изготовляется большое количество

Не); с одинарным или двухъярусным загрузочно-закалочным
Полом; с газовым или электроподогревом. Загрузка и выгрузка
ВДдонов производится с помощью транспортных механизмов
|чи или загрузочной тележки, перемещающейся вдоль фронта

Агрегатное оборудование и печи непрерывного действия (кон-
Вйерные, толкательные, рольганговые, барабанные и т.п.) наи-
9лсе широко применяются в термических цехах массового и
^упноссрийного производства. В связи с ростом выпуска метал-

Ысокопроизводительного агрегатного оборудования будет непре-
Ывно расширяться (вплоть до использования на заводах с
врийным характером производства). Поэтому удельный вес
агрегатного оборудования и электропечей непрерывного действия
| общем количестве выпускаемых печей сопротивления постоянно
увеличивается.

На ВАЗе установлены толкательныебезмуфельныеагрегаты
• автоматические линии фирмы Hollkroft(США), а также двух-
и трехрядные линии, спроектированные Курганским ПКИ
изготовленные на ВАЗе.

стали углеродом и азотом обеспечивает получение более вы»<>»ц
прочностных показателей деталей при одновременном i*
крашении длительности обрабтки. Для осуществления

деталей до рабочей температуры и подстуживанием до темпера»
туры закалки. Во второй камере происходит насыщение сыч
углеродом, в четвертой - отпуск закаленных деталей.

В отечественной подшипниковой промышленности примни
ются агрегаты конструкции ВНИИ ЭТО - рольганговые типа
СРЗА, конвейерные типа СКЗА, с пульсирующим подом инк
СИЗА, барабанные типа СБЗА, толкательные типа СТЗА.

Анализ зарубежных и отечественных установок для индукци
онной закалки показывает, что развитие идет в направленна
совершенствования специализированных установок: повышенна
производительности, уровня автоматизации, расширения диапн
зона типоразмеров обрабатываемых деталей сложной 4х>рмм,
повышения точности обработки и расширения области примени

при закалке деталей различных форм



типоразмеров, что особенно важно для мелкосерийного и серии
ного производства.

В последнее десятилетие наблюдается тенденция к полнел
автоматизации термических цехов и участков, включая упри»
ление процессами. Это связано со стремлением обеспечив
максимальную производительность оборудования и повисни
качество обработки, исключив влияние оператора на технолош
ческие параметры процесса.

Программные регуляторы для управления процессами термн
ческой обработки получают все большее распространение.

Ожидается, что шахтные печи будут заменяться камерными

тивления (в том числе для инструментальных сталей) - камер
ними или проходными печами с контролируемыми атмосферами
и вакуумными печами. Печи окислительного нагрева буду»
вытесняться печами с комбинированными вакуумно-контролиру
емыми атмосферами. В США, например, термообработка в
контролируемых атмосферах и вакууме уже сейчас занял»
ведущее место и оттеснила на задний план обработку и

Важной задачей также является совершенствование методов
нагрева под термообработку. Термическая обработка в вакууме
сматривается как одно из главных новшеств в области

ивой термообработки

Калки, являюшег

 Контролируемой атмосфере или соляной ванне. По зарубежным
Манным, основной областью применения термической обработки
|В вакууме является закалка инструментальных сталей; закалка
 (отжиг) дисперсионно-твердеющих сплавов и жаропрочных тур-

Совершенствование вакуумных печей идет в направлении

Изводителыюсти, рабочих температур и глубины вакуума. В

вакуумных печей для закалки длинномерных изделий из быст-
рорежущих сталей.

Преимущества вакуумных печей - универсальность, малая
Внергоемкость, минимальное воздействие на работающих и
окружающую среду, возможность быстрого пуска и остановки
печи,’ взрывобезопасность и т.п. - свидетельствуют о том, что
модернизация промышленности будет осуществляться с широким
I использованием вакуумных технологий и оборудования.

f Среди прогрессивных методов термической обработки значи-
1 тельное место занимает обработка изделий в псевдоожиженном

свойствами обрабатываемого материала.

Применение указанного метода при проведении закалки и
отпуска обеспечивает следующие преимущества по сравнению с
обработкой в соляных ваннах: быстрота введения в действие,
возможность закалки сложных деталей, чистота обработанных
изделий и сокращение времени на трудоемкие операции очистки
деталей.

Перспективность использования обработки в псевдоожижен-
ном слое предопределена высокой эффективностью нагрева, что
обеспечивает сокращение длительности процессов обработки и
снижение на 35-50% расходов топлива. При этом эксплуатаци-
онные затраты примерно на 30% ниже, чем при обработке в
соляных ваннах и других типах печей.

Применение печей с псевдоожиженным слоем позволяет
сократить время химико-термической обработки (например, це-
ментованный слой толщиной 0,25 мм может быть получен за 10
мин) и уменьшить коробление обрабатываемых деталей за счет

шаются условия труда за счет безопасности работы, обеспечива-
емой отсутствием вредных испарений, использованием инертных
составляющих слоя, полным сгоранием газов и отсутствием
взрывоопасных смесей.



просты в управлении.

универсальны. Они могут быть использованы для цементации.

вания, закалки, отжига, отпуска и других операций; при этом
различные виды термической и химико-термической обработки
осуществляются как в камерных, так и в проходных печах.
Процесс обработки может быть роботизирован, причем один робот

отнести некоторое окисление поверхности изделий при переносе
их в закалочную зону. Кроме того, при извлечении обрабатыва-
емых изделий из псевдоожиженного слоя наблюдается незначи-

эти частицы могут быть удалены,

а затем возвращены в печь.

Приведенные данные показывают, что псевдоожиженный слой
можно применять для термической и химико-термической обра-
ботки разнообразных деталей. Особенно целесообразно его при-
менение при недостатке природного газа и электроэнергии.
4. Методы динамического упрочнения

1.1. Упрочнение с помощью импульсного нагружения

Особенность современных методов динамического упрочнения
металлов - воздействие на материалы мощных концентрирован-
ных потоков энергии. К наиболее перспективным методам относят
упрочнение с помощью импульсного нагружения, лазерное ради-

ционное и

Специфика этих

методов, обусловленная кратковременностью воздействия и
высокой концентрацией энергии, открывает новые возможности

упроч

и позволяет решить

при использовании традиционных

НИ

При применении методов динамического упрочнения металлов

са, обеспечивающего оптимальные механические характеристики
(упрочнения и повышения конструкционной надежности) изде-

Импульсное воздействие концентрированных потоков энергии

Эффектов, влияющих на физические и механические свойства
металлов, а следовательно, и на их экеллутационные качества.
В связи с этим при определении рациональных областей

применения разл

ния при использовании того или иного источника энергии с

труктуры и свойств обраба-

изменение механизма деформации, ст
тываемых материалов.

Классификация различных соврем
ского упрочнения при обработке матер
потоками энергии приведена далее.
Большой объем изделий обрабатывают с помощью энергии
взрыва (табл. 1.1), что определяется огромными технологически-
ми возможностями этого метода.
Использование энергии взрыва для обработки металлов

			hh	
			10J	Й1
	150	1000-5000	IO"*	прессование  упрочнение

Процесс деформирования характеризуется такими парамет-
' рами, как давление Р(или импульс), скорость деформации У(или
продолжительность процесса) и температура t ’С. Именно эти
факторы определяют структуру и свойства металлов, форми-
рующиеся в процессе деформации. Изменение состояния мате-
риала в процессе воздействия на него ударной волны можно

Деформирование листовых заготовок проводят при различных
сочетаниях расположения и массы заряда, подобранных так, что

ши Р^,,. действующее на заготовку:
Praa=kMJSa.	(4.1)

где Ма - масса заряда взрывчатого вещества (ВВ);

S - расстояние от центра заряда до точки, в которой
изменяется давление (в данном случае - высота
расположения заряда над заготовкой), м;

к, a-коэффициенты, зависящие от свойств ВВ и передающей

Мощность взрыва W может быть рассчитана по формуле
W = MaQUV/h	(4.2)

где Q - количество теплоты, выделяемой при взрыве и равное
для ВВ нескольким тысячам М Дж/кг;

высота заряда;
Зная V и h, можно вычислить скорость распространения
детонации по заряду, она зависит от химической природы ВВ,
заряда ВВ, плотности и размеров заряда, размера частиц ВВ.
Массу заряда ВВ обычно определяют по насыпной плотности ВВ.

Характерной особенностью для структуры железа после
фазового перехода при 130 х 10s Па является наличие мелких
игольчатых двойниковых следов, напоминающих структуру мар-

Значительное упрочнение под действием ударных волн ха-
рактерно не только для железа, но и для других металлов с

некоторые общие явления. Так, повышение температуры, сопро-
вождающее аднбатическое сжатие, влияет на сформировавшуюся
структуру независимо от типа решетки.

Таблица 1.2

Механические свойства некоторых металлов с О.У.К.
решеткой после обработки взрывом

		ю	.„.мп.	...мп.
Железо	Ю		из	£
Сталь (0,17%С)	Отжиг’’	260	824	896
Тантзл	Отжиг** 27.5	!ss	323	з“
Ниобий	Опит’	1“	187  337	|	зм

Одна из характерных особенностей высокоскоростной дефор-
мации по сравнению с квазистатической - высокая общая
концентрация дефектов. Плотность дислокаций и твердость
после упрочнения взрывом возрастают значительно интенсивнее.

ствует более энергичному образованию не только дислокаций, но
и других дефектов, в том числе и точечных.

Главная особенность упрочнения взрывом состоит в том, что
плоские дефекты (типа двойников или дефектов упаковки)
образуются в сплавах с более высокой поверхностной энергией
дефектов упаковки, чем при квазистатичсском нагружении.

К настоящему времени изучены механизмы высокоскоростной
деформации большинства металлов, применяемых в машиностро-
ении (табл. 1.3).

Эффект действия взрыва на среду зависит от различных
факторов, главными из которых являются характеристики ВВ,
совокупность свойств и характеристик среды, определяющих
действие взрыва, и технологические параметры взрывных работ,

В качестве энергоносителей при обработке металлов взрывом

применяют метательные (пороха) и бризантные ВВ.

При взрыве бризантных ВВ давление достигает 14 +
температура 2800-5300 'С. Период превращения, т.

30 ГПа,
полного сгорания или дсп

Об эффективности применения ВВ судят по таким характе-
ристикам, как скорость детонации, бризантность, количество
теплоты, теплоты, выделяемой при взрыве и мощность.

Для ВВ и смесей ВВ с различного рода добавками, которые
часто используют для упрочнения металлов взрывом, важными
исходными характеристиками, определяющими параметры дето-
нации и эффект взрыва, кроме плотности заряда и содержания

диаметр заряда.

Для оценки эффективности ВВ необходимо использовать
характеристики процесса детонации.

Работу взрыва грубо можно разделить на две части - работу,
обусловленную действием бризантных ВВ, связанную с созда-
нием ударной волны в контактирующей с зарядами среде, и
фугасных, определяемую в основном поршенвым действием ПД
при их расширении. Работа взрыва в любом реальном процессе
определяется совокупностью этих двух частей.

Некоторые отечественные бризантные ВВ, нашедшие широкое
применение для обработки металлов давлением, и их основные
свойства приведены в таблице 1.4.

ВВ типа аммоналов - это сыпучие смеси, состоящие из

Таблица 1.4
Характеристика некоторых ВВ, применяемых для
обработки металлов давлением

			Г“	I Скорость	
Аммонит:					
В-3		360	14	3600	Водостойкий
№ 9	3,59	300	10	2500	Неводостойкий
N» 10	3.8	300	11	3000	Неводостойкяй
№ 7	4.08	350-360	15-18	3600	Hl,'/!,! .	ч,-
N? 6ЖВ		360-390	14-16	3500-4000	Водостойкий
N? 7ЖВ	4.П	350-360	13-15	3600-3700	Водостойкий
Скальный аммонит:					
JLbhmT'		450-480	и	6000-6250	ВолостоЯ.ий
Ne 2	4,85		25	6500	Водостойкий
критический диаметр детонации (расстояния эффективности
действия ВВ по периметру взрывной волны.)

В таблице 1.5 приведены параметры детонации некоторых
ВВ, используемых в процессах упрочнения взрывом.

Таблица 1.5

Детонационные характеристики ВВ

»		Скорость детоы.цхх, М/С	ao^L“rnTm
Г«оогеи	1.8 1.25  1.0	6200	1^10*
Состав Б			
ТГ 36/64	1.7	800	29*104
ТГ 50/50-		760	23x10*
Гекспласт ГП-87	1.6	720	21x10*
Семтекс - 1л	1.6	750	2x10*
в»	ГЬаяост». г/см		
	ЛИТОЙ  1*0 0.7	ЯО	

Налажено производство новых видов ВВ, предназначенны*
специально для обработки металлов взрывом (разрешении»
Госгортехнадзором). Это - пластические, термопластические НН.
разработанные на основе гексана, эластиты, а также на ochoiu
использования баллистных порохов (нитроэфиров), обнаружи
вающие высокую скорость детонации, достаточную для выпол

нения упрочнения поверх*



Для выполнения сварки взрывом и штамповки применяют^
сварочные порошковые аммониты, водонаполненные пластичны,
ВВ, содержащие гексаген, эластичные пористые листовые ВВ.

разработанные на основе ТЭНа с
детонации, - см. табл. 1.6.



Характеристика взрывчатых веществ, применяемых в
технологии упрочнения поверхности конструкционных
материалов взрывом

	X'-				Ж		1
Пмс.н«	13	7.G-7.6	llii!	1100	300	22	
Гексапласт	13	7,0-7.6		1200	400	23	1
S5 1	11		и	1	? 3		1	s
		SV	s'?	н	c;	•Й	й	Ш
I	1	X	X	x	X	f	?	'H
Hl li	111Ш ’ ? 1	HPIF	ш	R	Upiq	»	•II  !•	i
§	i		s	s	3	3	i	Ш
		и	н	gg	8	§	8	МШ№«
£	S	к й	I	Й s	«		8	•II
I	r	I	!	x				IIIMf
		ГЗГ		2Х	Wlilth		
	1.0-1.2	3,6-4.8	устойчивого	sso	ИО	H-1S	10 II
УглеВИТ ИЭ6	1*25	1.9-2,2	EEL				
Игданят	0.8-0.9	2.2-2.7	лированной				
kill!							
Процессы упрочнения и обработки (при этом также происхе дит упрочнение) взрывом металлических тел, налагают на ИИ ряд специфических требований, ранее не учитываемых при создании новых ВВ. Следует избегать сильного бризантное действия, которое может привести к разрушению метаемом, образца. Поэтому при использовании мощных ВВ нужно исполь зовать инертные прокладки, уменьшающие разрушающее дейст вне детонационной волны. При метании весьма тонкой металла ческой фольги,, толщина которой может составлять несколько микрон, используют ВВ, устойчиво детонирующие в слоях толщиной порядка 10 мкм, изготовленные на основе свинца.  Весьма существенный параметр ВВ - скорость детонации Наиболее пригодной ВВ, скорость детонации которых находится в интервале от 2 до 3 км/с при плотности порядка 1 г/см3. Эта низкобризантные порошкообразные ВВ, в первую очередь смеем ТНТ с аммиачной селитрой различной степени измельчения.							
Свойства подобных ВВ сильно зависят от плотности
сыпки, размера зерен, тщательности перемешивания различ-

Ф' Форму фронта можно изменять желаемым образом, если
Использовать “дорожки" из ВВ с большей скоростью детонации,
Кем скорость детонации основного ВВ. В ряде случаев бывает
Нобходимо на некотором расстоянии от начала детонации
Получить прямой фронт.

I Для плоских зарядов смесевых ВВ необходимо учитывать
[Мияние поперечных размеров на скорость детонации.

Скорость детонации аммонита № 6ЖВ зависит от отно-

Ис 6 - толщина и ширина заряда.

При изменении 8/б0 > 4 скоро
Постоянной.

। Для стабилизации положения фронта детонации и экономии
ВВ целесообразно использовать слои инертных материалов в
I качестве “забойки”, размещая их поверх зарядов ВВ.

В настоящее время используют многокомпонентные смеси,
I например TNT + NH4NO3 + NaCI и некоторые другие.

Специфические требования, предъявляемые к ВВ:

1)	скорость детонации должна быть меньше скорости звука
и находиться в диапазоне от 1500 м/с до Со;

2)	в плоских зарядах ВВ должна быть обеспечена необходимая
стабильность детонации;

3)	ВВ должны быть максимально безопасными в обращении,
недорогими и должны сохранять стабильные свойства в течение
определенного времени, установленного для промышленных ВВ.

Этим требованиям отвечают смесевые порошкообразные ВВ
на основе тротила марки ТНТ и аммиачной селитры NH4NO3, а

1ЫХ THT, NH4NO,h поваренной

также ВВ на <

али NaCI Скорость детонации этих ВВ также существенно
зависит от высоты и формы зарядов, плотности, химического и
.гранулометрического состава смеси и т.д.

Теория детонации позволяет рассчитывать скорость детона-
ции в зависимости от теплоты взрыва Q и начальной плотности

Однородные ВВ (гексоген, ТНТ, ТЭН) имеют небольшие
критические (0,5-3,0 мм) (предельные размеры) заряда.

В Англии разработаны листовые ВВ на основе тротила,
поваренной соли и политетрафторэтилена с пониженной ско-
ростью детонации 2,0-4,9 км/с (Пат., Англия, №1089403, 1967).
ным маслом.  Бризантные взрывчатые вещества являются по существу  мощности (табл. 1.7), чаще аммонит в большинстве случаев i дополнительным количеством аммиачной селитры.  Таблица 1.7  Характеристика аммиачно-селитровых ВВ			
	Состав. %		
	шшои селитра	тропе.	
Аммонит 6ЖВ	17	29	10-12
бЖВ+аммиачная	85	и	18-20'
Зермогранулят	so	(чешуйчатый)	
Игдкнит	95	5”	100-110
.Значения dKp соответствуют грубым (недисперсным) смесям  криволинейных поверхностей очень удобны пластичные ВВ (табл.  1.8), для которых характерна высокая скорость детонации.  Таблица 1.8  Характеристика пластичных В В			

Мари ВВ	Kpmmcodt диаметр. d
835	0.7
805	10
396	21.0
196	31.0

Рекомендации производству.

ВВ обычно укладывают непосредственно на поверхность
метаемой пластины. Для этого на ней по периметру устанавли-
вают картонную или деревянную ограничительную опалубку,
приклепляемую к пластине.
Прн использовании готового ВВ, например аммонита, зерно-
Гранулита или других промышленных ВВ, достаточно высыпать
Измельченный и просеянный состав в опалубку и выровнять до
Заданной толщины. Если к ВВ добавлять аммиачную селитру, то
lie следует просеять и тщательно смешать в заданной пропорции.
(Просеивать и смешивать ВВ следует в сосудах из пластмассы,
(Дерева или алюминия инструментом из тех же материалов.
(Использование медных или латунных деталей категорически
'апрещается, так как в контакте с аммиачной селитрой при
определенных условиях могут образовываться высокочувствитель-

к искрообразовапию.

При раскладке ВВ следует избегать сегрегации состава,
которая существенно ухудшает стабильность процесса детонации
и, как следствие, стабильность параметров режима сварки.

ВВ, предназначенные для прессования некомпактных матери-
алов заготовок, должны иметь скорость детонации в пределах
8000-8500 м/с при плотности 1-2 г/см3. Указанные скорости
детонации оптимальны при слое ВВ толщиной до 10 мм и
температуре от +30 до -ЗО’С.

4.	Взрывные камеры и установки

Обработка взрывом осуществляется во взрывных камерах (что
предпочтительно) или бассейнах.

Взрывная камера пре.
сферическую оболочку (с

рическую или
или сферичс-

«им днищами), имеющую окно, через которое подают обраба-

двойной крышкой - силовой и герметизирующей <в случае
вакуумирования внутреннего пространства камеры). Поскольку

камера всегда должна очищаться от газообразных продуктов
, взрыва, к ней крепят специальные трубопроводы с насосом.

Внутри камеры размещают предметный стол, монтируемый или
на оболочке камеры, пли па окне (люке) и служащий для
I размещения заготовки с зарядом.

Упрочнение в металлической взрывной камере обычно осущес-
твляется по следующим основным циклам.

зарядом на предметном столе
очаемый к клеммам подрывной
иловую) и внешнюю (гермсти-

устанавливают

зирующую) крышку. В случае вакуумирования камеры включают
вакуумную систему до достижения необходимого давления.

Проверяют целостность взрывной сети и производят взрыв.
Для увеличения надежности и срока службы насоса перед ним
обычно устанавливают фильтр, очищающий откачиваемый воздух
от механических примесей, пыли, агрессивных остатков продук-

тов взрыва.

Поскольку взрывные камеры предназначены для достаточно
длительной эксплуатации, то их конструктивные параметры
должны быть выбраны из условия длительной прочности при
заданном многоцикловом динамическом нагружении.

Рекомендации по проектированию взрывных камер.

При расчете реальных камер необходимо знать нагрузку с
большой точностью. Характер распределения нагрузки в про-

При оценке несущей способности взрывной камеры необхо-
димо учитывать условие недопустимости пластического дефор-

При разработке

технического задания на проектирование и изготовление взрыв-

ных камер можно использовать рекомендации Института гидро-
динамики Сибирского отделения (табл. 1.9).
увеличении амплитуды колебаний от первого пикд деформации

до некоторого максимального пика,

1,2-2,8 раза. Это явление названо процессом раскачки оболочки

Нарастание амплитуды наблюдается как плавное, так и
резкое. Время появления максимума различно для отдельных

зарядов.

Широкое практическое использование взрывных камер сопря-
жено с решением проблемы прочности корпуса. Свойства
материала стенок камер и особенности их конструктивного

ассу



корпусов взрывных камер на прочность уделяют значительное
внимание. -

При воздушном взрыве шнурового заряда ВВ появляется
вторичная волна сжатия. Однако давление на фронте вторичной
волны сжатия и ее импульс составляют не более 10% от давления

Взрывные камеры цилиндрической формы испытывают не
только радиальные деформации, но и подвергаются продольному


растяжению. В качестве упругого элемента в данном случае
целесообразно принять боковую цилиндрическую стенку камеры

высоких гармоник следует иметь в виду при проектировании
камер, так как неожиданные деформации могут привести к
разрушению корпуса.

Основной элемент взрывной вакуум-камеры (рис. 4.2) -

помощью гидравлической передачи 10 перемещается по рельсам
II. Вблизи обоих торцов цилиндр охвачен удерживающими
хомутами 8 с регулирующими положение цилиндра приспособ-
лениями 12. Передняя крышка 3 подвешена в кольце 2.
опирающемся на две стойки. Кольцо в верхней точке удержива-
ется стойкой 1, выполненной в виде дуги. Дуговая стойка и
стойки кольца через свои опоры закреплены неподвижно на
рельсах. Крышка зафиксирована в кольце в трех точках через
регулирующие узлы, с помощью которых крышка закрепляется
в необходимом положении. С внутренней стороны хрышки

на которых крепятся взрывные и экспериментальные устройства.
Силовые элементы гидродинамической пресс-пушки рассчи-
таны на масимально допустимую нагрузку в гидравлической

Давления, развиваемые в гидравлической камере пушки при
Нагружении по вертикали составляют: при максимальном диа-
метре гидравлической камеры 200 мм - 35 МПа, 150 мм - 70
МПа и 100 мм - 200 МПа.

. Ствольная часть пушки и ее элементы рассчитаны из условия
< Нагружения пороховой камеры давлением газов 150 МПа:
! калибр ствола, мм	600

1000x560x2150

1500

Масса с оснасткой, кг

Установки для обработки взрывом представляют собой ре-
шуары с водой, оборудованные грузоподъемными устройствами

для установки матриц.

Взрыв производится в закрытой полости, которая в состоянии
отразить энергию, освобождающуюся при детонации заряда.
Обрабатываемая деталь располагается на открытой стороне
полости, где происходит взрыв. Давление взрыва и энергия,
освобождающаяся при детонации, происходящей в полости,
передаются посредством водной среды к обрабатываемой детали
и обеспечивают се формирование.

5.	Упроч

2Г1Л

Применения упрочнения металлов взрывом повышает надеж-
ность различных деталей машин. По данным фирмы “Дюпон”,
в результате упрочнения взрывом изнашивание башмаков гусе-
ницы бульдозера сократилось на 40%, а срок службы железно-
дорожных крестовин повысился на 300%. В Чехословакии
упрочнение взрывом дробильных плит камнедробилок из стали
Г13Л повысило их надежность на 40-60%. Объясняется это тем,
что одним из наиболее сильно упрочняемых сплавов с гранецен-
трированной решеткой является высокомарганцовистая сталь
Г13Л.

' Главное преимущество стали Г13Л заключается в том, что
упрочнением взрывом удается достичь высокого уровня прочности
при сохранении пластичности. Особые свойства этой стали
определили се использование для таких изделий сложной формы,
как стрелочные крестовины, зубья ковшей экскаваторов, звенья
драг, которые трудно упрочнять традиционными средствами.

Прочностные характеристики стали Г13Л возрастают в ши-
роком диапазоне давлений ударной волны, - твердость увеличи-
вается в три раза. В результате упрочнения взрывом стали ПЗЛ
достигается лучшее сочетание свойств, чем при прокатке.

Положительный эффект получен при упрочнении взрывом
деталей, подвергающихся ударным нагрузкам (детали мельниц,
ковши экскаваторов, дробильные молоты, различного рода цапфы
и втулки). На Новосибирском стрелочном заводе проводится
промышленное взрывное упрочнение сердечников и крестовин

Таблица 1.1»

Механические свойства стали 110Г13Л после
упрочнения взрывом (Л.П.Строк)

	Твердост» HV				т. X	•• Н/й
До упрочяе-	ISO	70S	430	30,0	36.0	230
2	260	850	550	26,5	30,0	157
8	297	1000	650	21,0	26.0	130
33	360	1140	970	9,0	20.0	60
46	400	1200	1010	6,0	16.0	45
60	420	1300	1120	2,5	12.9	40
80	410	1280	1100	3.0	14.0	40
	450	1260	1080	5.0	11,0	36

Как видно из приведенных результатов, повышение давления
в ударной волне от 2 до 60 ГПа приводит к повышению твердости
материала. Снижение твердости стали 110Г13Л при воздействии
на нес ударных волн давлением свыше 60 ГПа объясняется
влиянием температуры на фронте ударной волны на структуру
н свойства материала.

Представляют существенный интерес данные по упрочнению
взрывом ряда аустенитных сталей, в том числе и стали типа
ПЗЛ, полученные в Уральском политехническом институте. В
качестве примера в таблице 1.11 для сравнения приведены
механические свойства некоторых сталей после различной обра-
Таблица 1.11

Показатели упрочнения некоторых сталей после

различной обработки (И.Н.Богачев, М.А.Филиппов)

М«рм ег»	Роом сбрвбтт	о... мп.	о. мп.	в. %
*>Н“	Закалка	405	1025	39.2
	Холодная прокатка (с - 30%)	1160	1485	12.0
		1120	1460	20.5
ЭОХ1ОГ1О	Ззкалка	360	720	22,5
	Холодная прокатка (£ - 20%)	950	1180	5,7
	Упрочнение взрывом*’	1025	1300	9м5
1ИПЗ	Закалка	402	965	55,1
	Холодная прокатка (е - 30%)	1106	1458	17,2
	Упрочнение взрывом ’	1030	1435	32,5
п посредством накладного заряда (Р = 20ГПа)				
Анализ данных, приведенных в таблице 1.11 показывает, что в результате упрочнения взрывом происходит сильное возраста- ние прочностных свойств сталей, особенно предела текучести, который приближается к пределу выносливости и соответствует значениям, полученным при больших степенях обжатия в условиях прокатки. Характеристики пластичности остаются при этом на достаточно высоком уровне.  Поскольку целью упрочнения металлов является увеличение их прочностных характеристик, технологические процессы уп- рочнения металлов взрывом осуществляют при высоких давлениях ударных волн. Сопутствующее этому уменьшение пластичности и возможность повреждения структуры металла субмикро- и  тических приложений субмикротрещины недопустимы.  рочнения взрывом зубьев ковшей экскаваторов.  1.	Подготовка зубьев к упрочнению производится непосред- ственно после укладки зубьев на основание, которым служит песчаная подушка толщиной не менее 0,8 м и заключается в щетками или сжатым воздухом.  2.	Упрочнение зубьев осуществляется контактным способом при подрыве двухслойного или однослойного заряда ВВ, распо- ложенного непосредственно на поверхности резания. В качестве				
материалов для упрочнения применяются эластичные или пла

пределах 6500-7200 м/с, а в случае двухслойного заряда,
дополнительно взрывчатое вещество типа аммонита со скоро-
стью детонации в пределах 3500-4200 м/с. Толщина слоя
высокоскоростного ВВ - (4 ± 1)мм, низкоскоростного ВВ -
(60 ± 5) мм. В случае двухслойного заряда соотношение скоро-
стей детонаци должно быть в пределах Д,/Д2 - 2 + 3,5.

зонтальная поверхность от кромки острия до сечения, располо-
женного на расстоянии 150-250 мм.

4.	В случае упрочнения однослойным зарядом нанесение В В

5.	Раскрой взрывчатого вещества производится по шаблону,
обеспечивающему по ширине выполнение требования п.З. Рас-

крой взрывчатого вещества производится
предварительно подготовленной схемой.

6.	Для плотного прилегания заряда ВВ к упрочняемой
поверхности и устранения воздушных пузырей на поверхность
упрочнения, перед нанесением заряда ВВ, наносится слой
вазелина, солидола или клея БФ.

7.	Подрезка взрывчатого вещества после проверки размеров
заряда производится ножом, изготовленным из цветного металла
(латунь, бронза).

8.	Нанесение второго слоя взрывчатого вещества производится
поверх нанесенного первого слоя. Высота наружного заряда и
его геометрия ограничиваются деревянными планками, установ-
ленными на нужную ширину, и имеющие высоту, равную высоте

9.	Установка заряда ВВ на упрочняемую поверхность содер-
жит следующие операции:

а.	нанесение слоя вазелина, солидола или клея БФ;

б.	нанесение первого, внутреннего слоя высокоскоростного ВВ,
отвечающего требованиям пп.3.3, 3.4;

в.	разглаживание поверхности резиновым роликом;

г.	установка ограничительных пленок на поверхность первого

д.	засыпка второго слоя низкоскоростного ВВ до верхнего
уровня планок;

е.	разравнивание поверхности ВВ деревянной лопаткой.

10.	После установки заряда лица, не связанные с подрывом,
удаляются за пределы опасной зоны, выставляются посты
оцепления по охране опасной зоны в радиусе 300 м.
11.	Подается предупредительный сигнал, после чего взрывник
преступает к монтажу взрывной цепи.

12.	Для инициирования заряда В В используют электродето-
натор ЭД № 8 или ДШ. Детонатор устанавливается вертикально
на выносном языке из высокоскоростного ВВ.

13.	После установки средства взрывания подается “боевой"

14.	Подрыв производится с помощью взрывной машинки или
генератора высоковольтных импульсов из блиндажа дистанцион-
ного подрыва.

15.	После подрыва отключается источник питания, вы нима-

ется из него ключ, накоротке замыкаются контакты подрывной
линии на камере. Ключ хранится у взрывника. Передача ключа
другому лицу запрещается.

16.	После осмотра места взрыва, при отсутствии остатков ВВ,
подается сигнал “отбой".

17. Упрочне

визуальному осмотру

6.	Контроль и проверка

дефектов, которые могут выявиться или образоваться при
упрочнении.

2.	Для определения твердости по методу' Бриннеля произво-
дится замер твердости не менее, чем на 1% от каждой 1000

упрочненных зубьев, не менее, чем в пяти точках на каждом

3.	Данные замеров поверхности твердости заносятся в журнал,
в котором указывается режим нап>ужения, применяемое ВВ, вид
обнаруженных дефектов и другие замеченные особенности.

4.	Причем и разбраковка упрочненных зубьев производится
службой контроля предприятия, производящего упрочнение.

упрочненной поверхности. Красный цвет - при упрочнении
двухслойным зарядом, синий цвет - при упрочнении однослойным
зарядом ВВ.

Твердость

по методу



Бриннеля не менее, чем на 1% от каждой 1000 зубьев не менее,
чем в пяти точках на каждом зубе. Если твердость одного из
испытуемых зубьев ниже твердости, регламентируемой на-
стоящим методом, то производится повторное испытание на
удвоенном количестве зубьев. В случае неудовлетворительных
результатов при повторных испытаниях администрация произво-
дит контроль выполнения требований настоящего метода и

573
технологической инструкции к нему, зубья возвращаются на
дополнительное упрочнение.

Требования по упрочнению взрывом зубьев ковшей зкекавато

до сечения, расположенного на расстоянии 150-250 мм от острия

Твердость поверхности резания зубьев после упрочнения
должна быть в пределах 320-375 НВ. Глубина упрочненного слоя
отливки (расстояние от упрочняемой поверхности до зоны, к
которой твердость металла не выше исходной твердости) должна
быть не менее 30 мм.

При упрочнении поверхности резания зубьев ковшей экска
ваторов взрывом должен быть обеспечен плавный переход
твердости по глубине отливки от упрочненного к неупрочненномх
металлу по длине не менее 30 мм.

Размеры упрочненного взрывом зуба не должны менять своих
величин, за исключением места действия взрыва, где допускается



образоваться при воздействии ударной волны.

Прием и разбраковка зубьев после упрочнения должны
производиться в соответствии с действующей нормативно-техни-
ческой документацией на изготовление и приемку стандартных
зубьев ковшей экскаваторов службой контроля предприятия,
производящего упрочнение.

твердости по глубине должен осуществляться периодически нс
реже 2 раз в год и дополнительно при изменениях в технологи-
ческом процессе упрочнения.

Использование знергии ВВ для сварки и плакирования
металлов способствует их упрочнению. Сваркой взрывом назы-
вается операция, при которой поверхности соединяемых металлов
соответствующей геометрии и ориентации “набегают’’ друг на
друга с весьма большой относительной скоростью и с образова-
нием высоких давлений, обеспечивающих между ними интенсив-
ное взаимодействие в области пластических деформаций. Способ
сварки взрывом позволяет с высокой прочностью соединить
практически любые металлы и сплавы.

Деформационная способность на стадии возникновения на-
чальных повреждений непосредственно связана со структурой

соединения.
Влияние состава двухслойной стали, полученной сваркой взрывом, на ее прочность оценивается по результатам испытаний образцов с волнообразной структурой соединения при минималь- ном количестве включения и нарушений сплошности.  стадии возникновения повреждений показали, что несмотря на  но свойствами основного металла и практически нс зависит от состава свариваемой пары. Существенные различия выявляются только на стадии первичных повреждений.  Восприимчивость хромоникелевых аустенитных сталей к межкристаллитной коррозии определяется их составом, термооб-  рование взрывом может повлиять на эту характеристику.  Влияние высоких давлений на склонность к межкристаллитной коррозии показано в таблице 1.12 и 1.13, а на склонность к  Таблица 1.12  Зависимость межкристаллитной коррозии аустенитных сталей в различных средах от давлений, создаваемых взрывом					
	Потери мессы. гр				
	Ст» типа XltKttt				
	еустсыхтттмиие				еустсштптмике
Среда	HNO		HNO		HNO
0	0,00047	0.00194	0,00118	0.00987	0,00040
90	0,00047	0.00200	0,00199	0,01103	0,00038
122	0.00049	0,00248	0,00213	0.01273	0,00044
190	0,00062	0,00256	0,00172	0,0)085	0,00065
310	0,00069	0,00255	0,00157	0,01394	0,00095
540	0.00073	0.00310	0.00229	0,01576	0,00110
Таблица 1.13

Результаты испытаний никелевых сплавов на склонность
к межкристаллитной коррозии в растворе 30%

H2SO4+10% HNO,

с“"			/	ш'	
XI6H70	Без отпуска	Высокая степень	28.63  35,37	
	700*С, 1 ч		29.58	
	«0-С.ЗЗ,	растворение по	0.43	
Х16Н70БТ	Без отпуска	Незначительное растворение.	0.18	
	wc-1 -		0,06	н«
	660'С. 23 «		0.03	

Таблица 1.14

Результаты сравнительных испытаний биметаллических
образцов, на склонность к коррозионному
растрескиванию в кипящем 42%-ном растворе
хлористого магния

	Врсмв испытаний. и-	
		
Основной вариант технологии с полным	679-1660; т.н.	1-1030, т.н.
т^рмообД^тм НТ ТеХМОЛОП“ 663	160-330	330
Сварка при пониженной интенсивности	330; ,.и.	830; тл.
процесса ₽	600.,л.	160-600
1 '	Времв жпмтажмЯ. <•	
		
Основной вариант технологии с	300	600
Наплавка	10-50	

Определенный практический интерес представляет количест-

чения начального зазора между листами при сварке и плакиро-
вании взрывом.

Уравнения для сильной ударной волны:

Р,=2р„1^/(т+1);	(4.4)

T„ = 2Dj(y- 1)/(т+ I)R,
где Ра - давление воздуха;

U, - массовая скорость;

(4.6)

R - газовая постоянная;

Ро. ~ начальная плотность воздуха.

Полагая массовую скорость U, за фронтом ударной волны

В таблице 1.15 приведены соответствующие результаты
расчета для нескольких значений VK.

Таблица 1.15

Зависимость скорости ударной волны D„, давления Р,
и температуры Т, воздуха, находящегося между листами
перед сваркой и плакированием взрывом, от скорости
точки контакта V„

• V . м/с	D.m/c	Р . МП.	т.к
>800	2150	5	2260
2800	3350	13	4999
5800	7000	56	10000

Одним из основных факторов, обеспечивающих качественное
соединение при сварке и плакировании взрывом крупногабарит-
ных заготовок и листов, является стационарность скорости
детонации ВВ по площади метаемого листа. Обычно пц
плакировании развитых поверхностей используют заряды смесг
вых порошкообразных ВВ на основе аммонитов.

Так хак при монтаже заряда на поверхности плакирующей
листа площадью несколько квадратных метров практически
сложно обеспечить равномерную плотность засыпки и строи
выдержать высоту слоя ВВ, заряд делят на отдельные ячейки i
помощью специальных перегородок (Демчук А.Ф., Дерибас А.Л,
Кудинзв В.М. и др. Авт. свид. № 193900 - “Йзобрет. Пром
образцы. Товарные знаки", 1967, № 7), которые препятствуй*!
передаче локальных изменений параметров детонации от одной

кубическую форму. Перегородки могут быть выполнены in
картона или тонкой фанеры.

Так как стационарность процесса сварки и плакировании
зависит от материала основания, на котором осуществляю!

альные железобетонные желоба, заполненные песком или щебнем
или металлической дробью. Болес простым в технологическом
отношении является основание из песка, предварительно уплог
ценного взрывом. Жесткие основания из железобетона или
стальных плит, как отмечено выше, применять для плакировании
взрывом нецелесообразно.

При применении промежуточных материалов между мета
емым листом и зарядом ВВ, необходимых для защиты поверхности
от воздействия продуктов детонации, нужно обеспечить плотно*
сцепление этих материалов с поверхностью метаемого листа, таи
как наличие даже небольших воздушных зазоров может привести
к локальным изменениям режимов соударения. При сварки и

является защита поверхности метаемого листа жидкими, быстро 1
высыхающими материалами, например, жидким стеклом, смесью
древесных опилок, мела и глины с водой, студенистым осадком
желатина толщиной 0,5-10 мм или слоем, состоящим из 50-98°/.,
воды и 50-2% вещества, связывающего воду (Пат., Япония, N**
14645; Пат., Япония, № 8207, 1966; Пат., Чехословакия, №
139037, 1970).

Рекомендации производству.

Наиболее доступным приемом, обеспечивающим требуемые
значения основных параметров в начале соударения, является
применение больших начальных зависаний метаемого листа ч
заряда ВВ.

Уменьшение начального участка непровара достигается также
путем предварительного отгибания угла плакирующего листа
150-180 мм на 6-8’ в сторону основного слоя металла,
есте для инициирования заряда ВВ помещается более
рщное ВВ, например, гексоген, высота которого уменьшается в
травлении к основному заряду аммонита (Дерибас А.А.,
удииов В.М., Матвеенков Ф.И. и др. Авт. свид. Ns 332996).

Данная технологическая схема сварки и плакирования взры-
1м позволила существенно сократить начальные непровары при
Инимальном зависании метаемого листа - 30-50 мм.

Поэтому при метании листов толщиной свыше 16 мм
(обходимо всегда стремиться к уменьшению скорости детонации

Положительное влияние надрезов в метаемом листе на

Ьготовок коррозионно-стойкая сталь + углеродистая сталь с
толщиной сляба 90-100 мм и метаемого листа 24 мм.

Аналогичное действие на качество соединения слоев по
'периметру биметаллической заготовки оказывает применение
\!итаемых листов, равных по площади слябам с приваренными к
Ним стальными полосами толщиной 7-12 мм и шириной до 100
Им. Приварку стальных полос к метаемому листу необходимо
Осуществлять тщательно, т.к. в местах дефектов сварки плавле-
I Нием происходит проникание в зону взаимодействия металлов
Продуктов детонации ВВ, снижающих качество биметаллического

Воздействие взрывной ударной волны существенно изменяет
Прочность титана и меди. В частности, после “взрывного"
'нагружения аммонитами и гексагеном предел ползучести титана
растет на 67% и 212% соответственно, по сравнению с
Исходными их значениями (таблица 1.16). Следует отметить, что
в случае меди независимо от типа взрывчатого вещества предел
ползучести растет на порядок величины при практически полной
потере пластичности (таблица 1.17). Примечательно также, что
в случае меди “взрывное" нагружение практически выравнивает
значения пределов ползучести и прочности, тогда как в анало-
гичных условиях воздействия на титан его предел ползучести
остается меньше предела прочности (таблица 1.16), указывающее
ИВ сохранение определенной, хотя слабой, пластичности. На

(в 2-2,5 раза) исследуемых металлов



при их ударном нагружении указывают также результаты
, измерения твердости (таблица 1.16 и 1.17).
Таблица 1.16

Влияние взрывного нагружения и последующего
нейтронного облучения на упрочнение титана ВТ1

		Покамтем пре «моет			
		"мп. '		V*	нас
1	Исходное	245	390	32.0	32
2.	Исходное ♦ взрыв	410	505	5.0	и
’•	Исходное + взрыв (гексоген)	76S	87S	3.5	80
4	Исходное + облучение	280	405	28.0	
5.	Исходное +	MS	415	14,5	
*	Исходное + взрыв (гексоген) + облучение	490	’«	4.5	
Таблица 1.17  Влияние взрывного нагружения и последующего нейтронного облучения на упрочнение меди					

В качестве ВВ использовать смеси аммонита с аммиачной
селитрой промышленного изготовления, имеющие скорость де
Тонации от 2000 до 3000 м/с при плотности заряда около

Для сварки взрывом плоских заготовок рекомендуется исполь-
зовать схему несимметричного соударения, применяя в зависи-
мости от свойств металла и размеров заготовок, параллельное
расположение свариваемых металлов или расположение с началь-
ным углом между свариваемыми пластинами.

Одну из свариваемых пластин укладывать на основание. На
определенном расстоянии от нее и с заданным начальным углом
располагать метаемую (привариваемую) пластину, на которую

Инициирование, как правило, проводится из вершины угла,
образованного свариваемымим пластинами.

Начальное расстояние между свариваемыми пластинами прак-

тически выбирать в зависимости от толщины метаемого листа и
плотности металла. Ориентировочно данная зависимость имеет

толщина метаемой пластины.

больший коэффициент берется для более плотных метал-

должен превышать 2*.

Толщина заряда ВВ для большинства свариваемых металлов
и сплавов (коррозионно-стойкие стали, медь, никель и их сплавы
и др.) должна быть равной 6-10 мм на 1 мм толщины метаемой

мм следует брать 8-10 мм на 1 мм толщины пластины, при
плакировке пластинами свыше 15 мм - 6-8 мм.

Соединяемые поверхности должны быть чистыми, ровными,
без окалины и других металлургических дефектов. Все дефекты
должны быть удалены строжкой, зачисткой наждаком или
другими не огневыми способами. Перед сваркой соединяемые
поверхности обезжиривать: наличие влаги на свариваемых по-
верхностях не допускается.

В случае необходимости сохранения высокой чистоты лицевой

наносить защитное покрытие (жидкое стекло, краска,

Свариваемые пластины (слябы) не должны иметь стрелу
прогиба более 5 мм на 1 м.

Площадкой (основанием) сварки металлов взрывом служит
обычный замляной грунт, на который насыпают слой песка.

Толщина слоя песка берется до 2 м, а подслой гравия или
щебня на I м.
На основании горизонтально укладывают пластину основного
слоя, над которым прн помощи скобок или других подставок
располагать метаемую пластину. Размеры метаемой пластины
должны быть больше габаритов пластины основного слоя.
Допускается искусственное нависание. При этом нависание со

метаемой пластины и 3-5 толщин по всем остальным трем
сторонам.

При сварке некоторых металлов (сталь-свинец, сталь-алюми-
ниевые сплавы, сталь-титан и некоторые другие) для улучшения
качества сварки необходимо применять промежуточные прослой-
ки (подслон).

При необходимости получения плакирующего слоя более 20
мм проводить последовательное плакирование до получения
нужной толщины.

ься раздельно или одно-

между пакетами выбирать в пределах 400-600 мм. Пакеты
раскладывать так, чтобы обеспечить их строго одновременный
подрыв.

По периметру метаемой пластины устанавливать без зазора
рамкуиз дерева или другого плотного материала с высотой стенки,
соответствующей высоте заряда.

Заряд ВВ насыпать в рамку равномерным по платности слоем

Детонатор устанавливать непосредственно перед подрывом.
Параметры сварки взрывом приведены в таблице 1.18, а
параметры детонации зарядов ВВ в таблице 1.19.

Таблица 1.18
от диаметра труб следующим образом:







Сварку взрывом наиболее целесообразно применять для

способами получить невозможно или затруднительно. В ряде
случаев сварка взрывом эффективна также при изготовлении
крупногабаритных заготовок н листов коррозионностойкая
сталь - углеродистая сталь толщиной свыше 60 мм.
8. Влияние процесса взрывной обработк
остаточные напряжена

прочность в надежность конструкции, но имеет ряд недостатков,
самым существенным из которых является возникновение и
сварном соединении изменения механических свойств металла

Эти напряжения в

иях обусловливают опас

ность их усталостного или хрупкого разрушения.

Чрезв

оптимального перерасп

ределения, а также уменьшения механических изменений явля
ется сварка взрывом.

В результате взрывной обработки сварных швов улучшаются
механические характеристики. Твердость поверхностного слоя
возрастает в 2 раза.

Метод обработки взрывом сварных соединений применим для
крупногабаритных конструкций, работающих в условиях цикли-
ческих иап>узок.

В ИЭС им.Патона установлена степень влияния обработки
взрывом на твердость и на ударный износ сварных соединений
стали ВМСтЗ при пониженных температурах.

Установлено также, что вследствие особенностей структурного
и напряженного состояния металла в зонах обработки взрывом
они являются весьма эффективными барьерами на пути распро-
страняющейся трещины разрушения. При прохождении зоны
взрывной обработки наблюдается замедление или полная оста-
новка трещины. Замедление трещины сопровождается интенси-
фикацией локальной пластической деформации вдоль ее берегов.
Остановившаяся трещина имеет на концах области развитой
пластической асформации.

Использование энергии взрыва для снижения остаточных
напряжений (ОН) является практически единственным способом
при обработке сварных швов в крупногабаритных и сложных
разветвленных конструкциях, таких как корпуса судов, лопасти
гидротурбин, фермы, рамы и т.п. При этом, кроме снятия
ограничений на геометрические размеры изделий, отпадает
необходимость в сложном оборудовании, резко сокращаются
затраты времени, появляется возможность локальной обработки
без существенного наклепа и макродеформаций изделий. Широ-
кое практическое применение этого способа должно основываться
на надежном, простом и универсальном методе оценки величины
снижения ОН.

Перераспределение ОН в данном случае определяется дина-
микой кратковременного взаимодействия поля напряжений при
упругопластической деформации материала под действием удар-
ных волн с полем исходных ОН.

Величина эффекта связана с погонной энергией взрывчатого
вещества (ВВ) прямопропорциональной зависимостью, в которой
коэффициентом пропорциональности является комбинация тех-
^алогических параметров, косвенно отражающих свойства обра-
батываемого материала.

После взрывной обработки сохраняются практически без
вменения предел текучести ат, предел прочности о,, относи-
тельное удлинение о.

кия после сварки, после взрывной обработки, после термической
обработки приведены в таблице 1.20.

Таблица 1.20

Остаточные напряжения металлоконструкций из изделия

“Ротс

” БР-1ОО

Снижение максимальных остаточных напряжений растяже-
ния Дов первом приближении может быть принято пропорци-
онально массе ш взрывчатого вещества, приходящейся на единицу
длины сварного шва

тивности данной технологической схемы, характери-
зующий эиергоотдачу ВВ на 1 - 10s Па максимальных
остаточных напряжений растяжения, снятых в резуль-
тате обработки;

Qo - удельная энергоемкость используемого ВВ;

К и 8 - безразмерные коэффициенты, учитывающие
влияние прочности и толщины обрабатываемого мате-
риала на эффективность снятия напряжений.
4.2 Нанесение взрывом покрытий из порошков

Изменение структуры и свойств материалов является одним
из наиболее йнтересиых эффектов воздействия ударных воля на
твердое тело. Специфический интерес при этом представляет
возможность осуществления, кроме механического и теплового
воздействия ударных волн на структуру и свойства порошкооб-
разных покрытий химических реакций.

Температура ударносжа
выражению

«де Ех- энергия холодного сжатия;

Ев- внутренняя энергия ударно-сжатого пористого тела.

При пористостях (ш=2) температура ударно-сжатых пористых
тел может достигать нескольких тысяч градусов. Такие темпе-
ратуры даже с учетом охлаждения за счет различных причин
достаточны для получения термических эффектов в твердом теле.

Образующий поверхностный слой оказывается легированным
материалом пористого тела.

При обработке пористых покрытий используются порошки
C,W,W+C,B,NiH др., а при обработке меди - Sn,Zn,W,NiH др.

При осуществлении некоторых условий (давление ударной
волны 20 ГПа, расчетная температура ударно-сжатого пористого
тела > 2273°С. наличие сдвиговых деформаций (“косая" бегущая
волна) в области линии контракта всегда наблюдалось образо-
вание легированного слоя.

Легирование стали производится ударом пластины под углом

15-20- с

легирование

меди осуществляется под углом 25-30* со сверхзвуковой скоро-
стью линии контакта.

В результате воздействия ударной волны на поверхности
пластины с порошком образуется слой со специфической микро-
структурой, который можно условно разделить на слой покрытия
и зоны рекристаллизации и механического влияния.

достигался в результате реакции порошкового материала, нане-
сенного на поверхность, с материалом основы при нагреве в
ударной волне.

При этом происходит синтез на поверхности металлов
различных соединений и твердых растворов из химических
элементов и насыщения ими поверхности металла.
После действия ударных волн на поверхность деталей,

первоначально покрытой

возникает сплошной слой

толщиной несколько десятых долей миллиметра, состоящий из
кристаллов, синтезированных в ударной волне. Так, например, в
зависимости от условий смешивания порошков и ударного сжатия
на поверхности малоуглероджистой стали, покрытой смесью
углерода и вольфрама, можно получить покрытие из карбидов
вольфрама WC и W2C различной толщины и плотности.

Образовавшийся карбидный слой прочно сцеплен со стальной
основой. Слой является пористым, что указывает на интенсивное
выделение газообразной фазы.

При обработке взрывом порошка меди, нанесенного на оло-
вянную основу, покрытие состоит из твердых растворов Си,
химических соединений Cu3Sn, CugSng, Cu6Sns и окислов SnO2,

и смесями порошков алюминия с никелем и цинка с никелем
дает различные сочетания твердых растворов и химических

органических соединений в качестве

этом получается неметаллический слой покрытия со сложной
структурой.

Насыщение меди цинком приводит к увеличению, а покрытие
никелем к уменьшению периода кристаллической решетки.

ции этих двух эффектов, что важно для создания слоев с
минимальными межфазным искажением решетки.

Действие ударных воли на поверхность металла, покрытую
порошком, дает возможность получить более термомеханические
эффекты и за счет комбинированной реакции между состав-
ляющими порошка и материалом основы получить слой, свойства
которого отличаются от свойств всех исходных материалов.

Особый интерес при этом представляет возможность получе-

ния соединений и

только при одновре-

менном воздействии высоких температур и давлений.

Физические процессы при обработке металла с порошкообраз-
ным покрытием бегущей ударной волной можно представить
следующим образом. При ударном сжатии порошка развивается
высокая температура. Расчетные данные показывают, что в
случае использования алюминиевого порошка можно получить
температуру в несколько тысяч градусов. Происходит плавление
материала покрытия и растворение в нем металла твердой
пластины основы (с образованием химических соединений и
твердых растворов). Кратковременность процесса и быстрое
охлаждение за счет контакта с холодным металлом не позволяю!
произойти диффузии из жидкого слоя в твердый металл,
благодаря чему в последнем не образуются переходные структу-
ры, т.е. происходят процессы, аналогичные процессам кратковре-
менной пайки холодного металла жидким легкоплавким припоем.

Таким образом, при

из порошков

различного состава при воздействии бегущей ударной волны
наблюдаются химические соединения и твердые растворы между
материалом основы (медной пластины) и металлом порошка

ДГН (нанесение) порошковых покрытий (окись AI) осущес-
твляется применительно к деталям сельхозмашин (алюминиевые
шкифы зерноуборочных и кукурузоуборочных комбайнов)

Рекомендации производству.

Для проведения одновремен!

сыщения поверхности металлов на подвергнутую механической
обработке поверхность малоуглеродистой стали нужно наносить

нений. Например, при синтезе карбидов тугоплавких металлов
следует наносить либо слои смеси порошков, либо последова-
тельные слои порошков металла и графита. Так, для упрочнения
режущего инструмента и штампов, а также для повышения
жаростойкости деталей нужно наносить смесь порошков С и W,
в результате чего будет получено покрытие из карбидов WC и

стальной пластины на плиту из малоуглеродистой стали
нанесеннным на ней тонким слоем порошка. Применять нужно
мощное ВВ со скоростью детонации 7800 м/с и плотностью 1,68

шлифованной пластины из меди покрывается

Обработка ударными волнами проводится путем метания такой
же медной пластины со скоростью до 2000 м/с в условиях,
обеспечивающих получение бегущей волны на поверхности
контакта, давление при ударе достигает 40 ГПа. Условия
прохождения ударных воли аналогичны применяемым при сварке
взрывом.

При покрытии меди оловом толщина слоя покрытия не

увеличение угла наклона от 10 до 15е приводит к увеличению

неровностей поверхности.

в ударной волне

от 20 до 40 ГПа приводит к небольшому увеличению толщины
электродов для электролитических процессов нужно также
осуществлять взрывное нанесение порошкообразной смеси Ti и В
на стальную поверхность. Перед взрывом сборка (матрица-де-
таль-смесь порошка) нагревается до 800'С. Затем при помощи

TiB нужно наносить на поверхность

ВЗР1

детали. В результате этого процесса на поверхности стали
образуется плотный плакирующий слой толщиной 1,5 мм.

Повышенная пластичность и относительно высокая темпера-
тура метаемых частиц порошка дает возможность плакирования
совершенно хрупкими материалами. При указанном взрывном
нанесении порошков с предварительным подогревом ВВ необхо-
димо тщательно изолировать асбестом.

Взрывной способ нанесения покрытий следует применять для
плоских и криволинейных поверхностей неограниченных
площадей, в том числе и для внутренних поверхностей труб
любых диаметров; соединения материалов с резко отличными
физико-механическими свойствами, покрытий из различных
неорганических соединений и для создания новых композицион-

компонентов.

Можно создавать как тонкие высокопрочные слои с литой
структурой (область наплавки), так и спеченные или напресо-
ванные покрытия большой толщины с прочностью сцепления,
приближающейся к прочности монолита (область напрессовки),
что особенно важно при работе покрытий на износ и в
коррозионных средах.

Важной характеристикой является критическая скорость
соударения Vg,определяющая в основном технологические режи-
мы взрывного нанесения порошков. Например, для случая
нанесения порошка меди на сталь при скорости соударения Vc
< VM получаемые покрытия соответствуют области напрессовки,
при Ve > ¥ж - области наплавки. Для получентия покрытий на

стальных подложках со

срук

Vcблизка к V,

с литыми из материала метаемого порошка - на 100-300 м/с
больше Уж и с литыми из материалов порошка и подложки - на
500 м/с больше Уж.Твердофазнос формирование предпочтительно.
Рассчитанные величины приведены в табл. 2.2.

Использование этих данных позволяет производить техноло-
гические расчеты режимов взрывного нанесения покрытий с

целью их получения с

структуры и свойст-

вами. Однако помимо скорости соударения структура и свойства
наносимых порошкообразных покрытий зависят и от схем
фронтом. Ma
формуле:

плоским или скользящим ударным
пловыделение должно определяться по

W=^+^=mV3

2	2	*

где п> - масса метаемого порошка,

а повышение

температуры



(4.12)

Cv-теплоемкость материала порошка;

У - механический эквивалент теплоты, равный 4,19 Дж/кал
(более точно эти величины могут быть рассчитаны,
используя ударные адиабаты материалов наносимого
порошка и покрываемой основы).

Сравнение энергии, необходимой для плавления наносимого
материала и рассчитанной по формуле

где Н-скрытая теплота плавления;

тр - температура плавления материала частиц порошка), с
величиной энерговыделения в порошке, определяемой
по формуле 4.13 для режимов, вызывающих формиро-

между ними достигается только при нагружении по-
рошка плоским фронтом ударной волны (например,
составляет для меди 103 Дж/кг, никеля - 103 Дж/кг,
опыт дает соответственно 103 Дж/кг; в расчетах нс

териала порошка под действием высоких давлений).
При нагружении порошка скользящей ударной волной
имеется качественный скачок - оплавление наступает
при величине, рассчитанной по зависимости 4.11
энергии, на 12-20% меньшей теоретичеки необходимой
и указанной в табл. 2.1.
Таблица 2.1

Расчетные значения энерговыделения в порошке при
нанесении покрытий

Тшчгаж	Материм nopocua			
4.1SM 10 Дж/кг	СИ	NI	F.	м»
Q	150	254	265	238
wfc	130	210	230	235
v	0.36	0.83	0.87	0.98

Величина скорости соударения должна сохраняться постоян-
ной для каждого состава метаемого порошка (табл. 2.2),
независимо от варьирования остальными параметрами процесса.

для управления процессом взрывного нанесения порошков и
прогнозирования свойств, получаемых при этом покрытии.

Результаты расчета такой скорости для некоторых материалов
приведены в табл. 2.2.

Таблица 12
Расчетно-экспериментальные (VM) и расчетные (V")
значения критическихскоростей соударения порошков
при сварке взрывом их со сталью

С“*“"	Материал порой»»			
	Сп	NI	Ft	Мо
V, (км/с)	0,7-0,75	0,85-0,9	0,95-1	1.05-1.1
V* (км/с)	0.8	1,02	1.05	1.15
v/v;	0.875	0.84	0,95	0.91

Скорость Ve влияет на толщину 8 покрытий,
6= Г(УД

h. - исходные толщины и плотность метаемого слоя
порошка;

8, ро - толщина и плотность, принимаемая равной плотности
монолита.
При инженерных расчетах для расплавления 1 г порошка
эбходнмо обеспечить скорость соударения, определяемую по

формуле

v;=vyiH+c,(t„+v],

(4.16)

Н-скрытая теплота плавления;

температура плавления;

скорости соударения прочность сцепления с подложкой порошка
титана фракции 125 • 10'4 м и смеси фракций (30-250)  10"* м
возрастает, порошка фракции менее 10  10‘6 м - незначительно
уменьшается. Увеличение размера частиц порошка от 50  10’6 м
до 200  10'6 м при практически постояфнной скорости соударения
(Vc = 1050 — 1150 м/с) приводит к возрастанию прочности

Таблица 2.3

Влияние скорости соударения (Vc) на прочность (т) и
износостойкость (Д m/S) покрытий из порошка титана

		»’ В.	&*S.
Смесь фракций	1500	5,75	6.87
от 30 до 250	1060	4.07	12.79
12S	1630	10,9  2,2	
<50	1170	3.2	10.31
Нужно обеспечить перемещу момент удара по поверхности облегчает процесс сцепления его качество получаемых мсталлиза  Следует применять порош ы одинакового размера и плотное! засыпки.  Предупредить образование < цилиндрической заготовки нужн< из контейнера с порошком или о распространения упругих возмущ			
		t подложки. Это значнтельано с основным метллом и улучшает ционных слоев.  / меди и никеля с частицами ги, равной начальной плотности  дефектов в центральной зоне э посредством эвакуации воздуха беспечения повышения скорости ений в уплотняемом порошке над	
ми, обеспечивающими выполнение этого условия, может служить
применение порошков с высокой насыпной плотностью и исполь-
зование ВВ с низкими скоростями детонации (2000 + 2500 м/с).

тий на детали типа тел вращений.

скольжения следует наносить смесь порошков железа, меди и
I графита, в результате чего на их поверхности будет получено
! упрочняющее покрытие, обеспечивающее 2-3-кратнос увеличение
I срока их эксплуатации. На втулки скольжения следует наносить

и хрома, либо графита.

! покрытие из

хрома и никеля, что обеспечит получение на их поверхности
антикоррозионного и износостойкого покрытия карбидохромового
типа, либо (во втором случае) типа коррозионностойкой стали.

На подпятники следует наносить покрытие из смеси порошков
углерода, хрома и титана, в результате чего на их поверхности
будет получено упрочняющее карбидохромо-титановос покрытие,
что обеспечит увеличение срока их службы в 2,5 3,5 раза.
4.3.	Взрывной процесс получения деталей из
порошков

Взрывная обработка порошкообразных материалов использу-
ется также для получения монолитных готовых изделий из
порошкообразных заготовок и для синтеза новых материалов с
нужными свойствами.

С помощью энергии ВВ можно осуществлять получение новых
изнсхостойких материалов или композиций со специальными
свойствами путем прессования порошков, например, с помощью
поршневых прессов, приводимых в действие взрывом, а также

Недостатком подобных прессов является невозможность
получения высоких рабочих давлений, а преимущественно за-
ключается в возможности получения деталей, соответствующих
форме формовочного пресса.

Таким образом, можно, например, из титановых опилок
получать монолитные детали типа шайбы, диска, креста и т.п.

Процессы образования материалов при обжатии порошков

> отличаются,

ударными волнами высокого давлен^
например, от процессов спекания

лургии, когда происходит постепенное термически актируемое
образование связей между отдельными частицами порошка,
сопровождающееся развитием "мостиков" схватывания.

Процесс установления прочной связи между частицами по-
рошков при их взрывном обжатии прежде всего характеризуется
прохождением через материал ударного импульса, энергия кото-
рого затрачивается в основном на уплотнение материала, то есть
на изменение его объема от первоначального до объема моно-
литного тела. При этом происходит сжатие воздуха, находящегося
между частицами, имеют место процессы трения и существенная
локализация пластической деформации в зонах контакта между
порошинками, приводящие к значительному выделению тепла,
что создает условия для частичной или полной сварки порошинок

В зависимости от выбранного режима в порошковом матери-
але возможно протекание следующих процессов:

а)	уплотнение от первоначального объема пористого тела до
объема монолита при сравнительно небольшом давлении,

б)	частичная или полная сварка по поверхностям порошинок,
в) дополнительный разогрев металла и образование жидкого
расплава.

Таким образом, за счет изменения давления в ударной волне
и выбора схемы нагружения можно обеспечить получение специ-
альных композиций с заранее заданными свойствами, существенно
превосходящих по плотности и другим характеристикам матери-
алы, изготовленные обычными методами порошковой металлур-

Для сравнения в табл. 3.1 приведены данные о плотности
некоторых порошковых сплавов.

Плотность

Таблица 3.1
кгорых порошковых сплавов,
кг/см3, • IO'3

	Мохапег	Соечомы. бг««н	
Медь		7,6	8.84
Алюминий	2,7	2,519	2.70
Никель	8.9		8.80
Титан	4.5	4.36	4.45

Для получения методами импульсной порошковой металлур-
гии износостойких сплавов и специальных композиций, обла-
дающих достаточным запасом пластичности, необходимо:

а)	получение максимального количества сварочных поверх-
ностей в процессе ударного обжатия,

6)	повышенная чистота поверхности используемых порошков,

или горячей деформации заготовок, полученных ударным обжа-

Использование ударного нагружения порошковых материалов
открывает широкие перспективы для получения уникальных

керамики, металлоидов и т.д., обладающих высокой плотностью.
В табл. 3.2 приведены некоторые характерные значения уплот-
нений, обеспечиваемых ударным обжатием.

Таблица 3.2

	1	"«"=	
Окись берилия	68.3	96,0
Берклий	31.7	96,0
Графит (естественный)		98,3
Графит (реакторный)	31,8	93,5
	Плотаот. %	
	жхмм.	иружсюа
Стеллит	45,5	94,6
Дисилицид молибдена	36,8	98,1
урашГ(30%)	( /о> ДВУ	53,0	SM
Тантал (97%)	50,4	97,0
Вольфрам	44,5	97.0
Вольфрам (70%) ♦ двуокись урана (30%)	30,3	96,8
Цнркалой-2	27,2	97,0
Следует отметить, что дисперсное упрочнение композиций с		
частицами окислов оказывает существенное износостойкое воз-		
действие на получаемые сплавы и жаропрочности.	способствует i	10ВЫШСНИЮ ИХ
4.4.	Получение взрывом синтезированных
материалов заданного состава

Получение синтетических алмазов успешно осуществляется

Такие алмазы обладают рядом специфических свойств. По-
рошки таких алмазов иногда ультрадисперсны (удельная повер-
хность достигает 200-300 - 10*3 м2/кг и обладают сложной
дефектной структурой.

Алмазы можно получить взрывным синтезом вблизи тройной
точки р - Т - диаграммы при постоянном давлении ударного
сжатия 80  103 ГПа, t=3727-4227*C и последующей скоростной

ки более 40 ГПа со скоростью порядка 10-100 ГПа/мксек, при
этом используется энергия детонации взрывчатого вещества.

Алмазы, получаемые с помощью взрыва, существенно отли-
чаются от природных и синтезируемых в камерах высокого
давления (КВД) своей структурой, физико-механическими и

является мелкодисперсное поликристаллическое строение зерен

сти. Сам механизм образования взрывных алмазов за очень

цин без примесей азота и

устройству контейнерах при

получаемые с помощью взрыва, выделены в отдельную группу. Им
присвоено обозначение АВ (алмазы взрывные). Синтез алмазов
в камерах высокого давления КВД осущствляется при разных

растворителей. Аналогичная картина имеет место и при взрывном
синтезе, когда в эксперименте меняются не только параметры
нагружения и режимы охлаждения, но и среда (см. табл. 4.1 и

Температура является наиболее эффективным параметром,
влияющим на структуру и свойства алмазов, в приведенной
таблице результаты представлены как функция температуры. Из
нее видно, что, изменяя температуру взрывного синтеза, можно
управлять не только размером частиц, но и их дефектностью.
Таблица 4.1

Условия синтеза и некоторые свойства
высокотемпературных взрывных алмазов

	Ми»и>».		
1	3727	135	Спсхаюеся
2	3977	158	То хе
3	4227	105	Не спекаются

Резкое возрастание величины микроискажений при понижении
температуры синтеза свидетельствует о значительном влиянии

фазового состо



ность образующего алмаза. Так, при 4227'С алмазные частицы
образуются из твердой фазы, что сопровождается резким увели-
чением плотности структурных дефектов.

Неалмазную модификацию углерода дополнительно разогре-
вают так, чтобы в момент ударного нагружения температура
составляла 3727-4227, т.е. достигла температуры плавления
вещества. Высокая температура продукта синтеза потребует
интенсификации его охлаждения в момент снятия ударного
давления. Необходимо охлаждение порошков со скоростью свыше
1,5 х 10* х 0,017 рад/с.

Таблица 4.2

Влияние температуры синтеза, условий обогащения
продукта синтеза и режима вакуумного отжига на
состав порошка алмазов

	№	liiHtl-		§			Uffll	
					>11	Er		
1	3977		|Ш	•	«80	68	40	
1	4227	2»	Тоже		800	40	30	Куб-чеекв»
	|1’№						!UHI	""ГП"?
								
	3727							1 1 iltili
3(2)	3727	5	То же	5	770	40	1	То же
			Кислотная обработка.					1 "  Иш
4(2)	3977	8	То же	4	700	50	1	То же
5	4227	20	Тоже	2	613	9S	4	
5А	4227	20	То же	2	1000	67	4	То же
6	3577		Г^одуктне	-	800	91	13	Тоже

ного и субмикронного абразива для особо труднообрабатываемых
материалов, а также в качестве сырья для синтеза полнкристал-

Порошки нсалмазной модификации углерода подвергают
ударному сжатию в широкой области максимальных параметров
(давление 7-13 ГПа, температура 3727-4227’С).

Размер полученных кристалликов алмаза колеблется от
нескольких десятков до несколько сотен ангстрем. Однако
основная масса кристаллов имеет размер порядка 100-
200 • Ю’10 м. Размер наиболее крупных единичных кристаллов
алмаза, которые удается наблюдать, приближается к 0,1 мкм.

Рекомендации производству.

Повышение температуры до 3727-4227 *С ± 80 ”С и
осуществление процесса прямого перехода графит-алмаз вблизи
тройной точки в состоя

необходимые давления ударного сжатия с 18-40 до 7-12 ГПа,
существенно скоректировав теоретическую оценку минимальной
величины силовой компоненты ударного сжатия и получить
ультрадисперсные взрывные алмазы, сочетающие свойства ката-

Продукты взрывного синтеза при Т > 3197*С содержат

порядка 100-200 • 10 ’° м с весьма совершенной кристаллической
структурой, связанные в хлопьевидные образования размером до
несколько микрон.

Снижение максимальной температуры ниже 3197’С приводит
к образованию высоконапряженных удьтрадисперсных алмазов с
плотностью дислокаций на 7-8 порядков выше, чем у природных
алмазов.

АВ) отличны от природных, а

Полученные алмазы АВ относятся к микропорошкам, так

получаемых микропорошков и их эксплутационные свойства
характеризуются такими показателями, как зерновой состав,
абразивная способность, содержание посторонних примесей и
шероховатость обработанной ими поверхности. По абразивной

приближаются к алмазам с повышенной абразивной способностью
марки АСН. Неклассифицитрованный алмазный порошок класса
~ 20 мкм при доводке образцов из стали ХВГ (твердость HRC,
62) обеспечивает шероховатость обработанной поверхности (692)
Ra 0.125-0,080.

В пользу принципиальной возможности снижения пороговых

100 кбар, а также наблюдающаяся тенденция к снижению
пороговых давлений с ростом температуры.

Таким образом, высокая диффузионная подвижность атомов
в области температур 3727-4227 *С, при ударном сжатии создает
условия для перекристаллизации аморфного некристаллического
углерода в кубический алмаз за время порядка 5 • 10'6 с, что
приближает скорость прямого превращения по диффузионному
механизму к скоростям мартенситного превращения графит-гек-
са тональный, эти результаты позволяют расширить представле-
ния о характере кристаллизации алмаза в ударных волнах и


динамического равновесия.

Прессования взрывом порошкообразных материалов успешно
применяется для решения самых различных задач.

Изучена возможность прессования взрывом постоянных маг-
нитов из порошка Sm СО5.

Сборка представляет собой конструкцию, позволяющую про-
водить прессование взрывом вакуумированных ампул с возмож-
ностью наложения в момент прессования импульсного магнитного

Прессование проводится во взрывной камере.

Установлено, что прессование взрывом может успешно при-
меняться для получения из анизотропных порошков постоянного
магнитов с высокой плотностью.
4.5.	Взрывная химико-термическая обработка

тивы в области химико-термической обработки. Исследования,
проведенные в НИИ Механики МГУ им. М.В.Ломоносова,
показали высокую эффективность использования ударных волн
высокого давления для направленного изменения химического
состава, структуры и свойств поверхностных слоев металлов.
Например, под действием импульсного нагружения значительно
интенсифицируется процесс цементации, что позволяет за весьма
короткие промежутки времени получать существенные толщины
цементированного слоя с высокими эксплутационными качества-
ми. Это явление связано с интенсивным нагревом при ударном
сжатии графитового порошка, нанесенного на упрочняемую
стальную деталь перед насыщением. В результате интенсивного
перемешивания графита при расплавлении поверхностного слоя
деталь покрывается слоем чугуна, содержащего большое количе-
ство цементита.

Кроме взрывной обработки, к методам высокоскоростного
деформирования, как уже отмечалось, относятся импульсная
деформация с помощью энергии магнитного поля и электрогид-
равлическая деформация.


4.6.	Упрочнение путем воздействия импульсного
электромагнитного поля

что металлическая деталь помещается в сильное импульсное
магнитное поле, создаваемое с помощью мгновенного разряда
накопленной в конденсаторной батарее энергии на катущку
индуктивности (рабочий индуктор). При этом в металлической
детали индуцируется вихревые токи, взаимодействие которых с
током индуктора приводит к возникновению усилий, износостой-
кость поверхности металлов. Таким образом, электрическая
энергия непосредственно преобразуется в механическую работу
упрочнения поверхности металлов.

стойкости при магнитно-импульсной обработке электрическая
энергия непосредственно преобразуется в механическую и им-
пульс давления магнитного поля действует непосредственно на
деталь без участия какой-либо передающей среды. Это позволяет

в любой средс,не препятствующей распространению магнитного

При прохождении разрядного тока через индуктор в окру-
жающем его пространстве образуется электромагнитное поле,
которое в соовстствии с законом электромагнитной индукции
наводит токи в заготовке. В результате взаимодействия тока.

возникают динамические воздействия на заготовку.

При магнитно-импульсном упрочнении» проникновение ма-
нитногополя через деталь приводит к появлению так называемой
“магнитной подушки". Сущность этого явления состоит в том,
что объем поля, проникшего между свариваемыми поверхностями
деталью или между деталью металлической матрицей, уменьша-

Наиболее широко применяют способ деформирования при
магнитно-импульсной обработке металлов, основанный на исполь-
зовании динамических усилий отталкивания, возникших между
индуктором и деталью при разряде батареи конденсаторов через
индуктор.

Хорошая проводимость деталей является одним из основных
условий магнитно-импульсной обработки, так как магнитное поле
индуктора интенсивно воздействует на деталь лишь в том случае,
если оно не успевает проникнуть сквозь стенки детали за время
разряда. Поэтому плохо проводящие электрический ток матери-
алы перед обработкой требуют нанесения на их поверхность
покрытий с хорошей проводимостью.
На рис. 4.3. приведена одна из распространенных схем
деформации энергией электромагнитного поля. Обрарабатывае-
мая деталь 1. в виде трубы электропроводникового материала (с
удельным электросопротивлением не более 0,0015 Ом м по-
мещают внутрь катушки-соленоида 2. При разряде находящегося
под высоким напряжением конденсатора 3 через разрядник 4,
внутри соленоида образуется электромагнитное поле, которое
развивает большое радиальное давление, действующее в направ-
лении к центру трубы и вызывающее ее осадку.

В зависимости от выбранного режима можно достичь умень-
шения диаметра трубной заготовки на 20-25% и более. Созданы

: электромагнитной деформа-

ции, позволяющие осуществлять увеличение диаметра (раздачу)
труб и других деталей цилиндрической формы. В результате
деформирования импульсным магнитным полем прочностные
характеристики обработаного материала практически не изменя-
ются или увеличиваются незначительно. Причем для металлов с
ОЦК-решсткой это упрочнение в ряде случаев оказывается

формацией. Важнейшая особенность импульсной деформации
магнитным полем заключается в существенном повышении
пластичности по сравнению с деформацией при квазистатическом
нагружении. Например, для алюминиевых сплавов максимально
раза выше, чем при квазистатическом нагружении. Это проиводит
к резкому повышению технологичности обрабатываемых метал-
лов, так как снижает брак по надрывам и другим дефектам и,
следовательно, способствует. При емкости конденсаторной бата-
рее 4000 мкФ, напряжении 3000 В и длине катушки 0,9 м,
напряженность поля будет равна 360 кЭ, а давление магнитного
поля составит 207000 Н/м3 получению изделий с высокими
эксплутационными показателями, поскольку резко снижается
вероятность возникновения в металле скрытых дефектов типа
внутренних нарушений сплошности. Эффект увеличения пла-

стным разогревом вихревыми токами до температур порядка
250-350*С. Аналогичные схемы деформирования импульсным

электро-магнитным полем используются в установках, позво-
ляющих проводить упрочнение плоских образцов, изготавливать
плоские изделия определенной формы (способ просечки), пол-

магнитная проницаемость материала.

(4.18)

где С-емкость конденсаторной

V-напряжение на обкладках конденсатора,
I-длина катушки, см.

г-радиус катушки, см,
к-коэффициент, зависящий от формы соленоида и скорости

равным 0,3).

тура

к принимается

Величина давления, возникающего при деформации импуль-
сным магнитным полем, примерно того же порядка, что и при
штамповке взрывом, причем это давление можно легко регули-
ровать путем изменения напряжения при постоянной емкости
конденсатора.
Магнитно-импульсным методом можно упрочнять детали из
различных материалов и сплавов, но на практике наиболее
широко используют материалы с высокой электропроводностью
(алюминий, медь и их сплавы), поскольку они допускают прямое
формообразование заготовок. Так, в работе рассмотрено упроч-

Упрочнение материалов с пониженной электропроводностью
(например, углеродистых и коррозионно-стойких сталей), прихо-
дится осуществлять через передающую среду или через так
называемые “спутники" - промежуточные материалы с высокой
электропроводностью, помещаемые на обрабатываемую заготовку.

Отсутствие контакта с формообразующими инструментами

футляры (контейнеры из неметаллических материалов. При этом

обрабатываемой заготовкой, проникает через стенки последнего
на обрабатываемую деталь. Такую технологию применяют, в
частности, для изготовления деталей, требующих обработки в
особо чистых условиях, при изучении влияния различных
параметров процесса на минимальное условие, необходимое для
получения оптимальной степени упрочнения, получены сле-
дующие результаты. С уменьшением массы передающей пласти-

мм, снижается давление магнитного поля, необходимого для

упрочнения металла

аемое в эластичной

яет на потребность в опасной энергии. Так, К.П.Д. у медной
пластины меньше, чем у алюминиевой таких же размеров.

Поскольку масса подвижной пластины нс может быть ниже
какого-то определенного значения, чтобы получить заданную
степень упрочнения рекомендуется изготавливать подвижную

случаях целесообразно применение биметаллических пластин.
Для обеспечения больших давлений на малой площади следует
использовать ступенчатые подвижные пластины. Проведены
работы также по магнитно-импульсному упрочнению металла с
использованием в качестве передающей среды жидкости (Маг-
нитно-гидравлическое формоизменение).

• Важным достоинством описываемых методов является воз-

чем при наклепе методами пластического деформирования.
Упрочнение металла происходит в результате действия основной
и отраженной ударных волн, причем эффект упрочнения нельзя
объяснить только пластической деформацией металла, так как
степень остаточной деформации при импульсном упрочнении
значительно меньше, чем при упрочнении статическом деформи-
рованием. В ряде случаев упрочнение при импульсной обработке
наблюдается даже при остаточной деформации, близкой к нулю.
Если при статическом сжатии деформация сопровождается силь-
ным формоизменением зерна и осуществляется преимущественно
скольжением, то при импульсном упрочнении она происходит по
механизму интенсивного двойниковая и сопровождается возник-
новением большого количества равномерно распределенных дис-
локаций. В работе показано, что упрочнение металлов под
действием сильных ударных волн можно объяснить зарождением
дислокаций в областях, ранее свободных от них. Это зарождение
дислокаций происходит при достижении касательными напряже-
ниями уровня теоретической прочности, которая для металлов с
ОЦК. - решеткой достигает 0,117 G, а для металлов с
ГЦК-решеткой составляет около 0,1-0,04 G.rae G-модуль сдвига.

Упрочняющая импульсная обработка сталей дает заметное

Особенно приближается к пределу текучести и соответствует
значениям, получемым при прокатке с большими степенями
обжатия. При этом растяжение остается на довольно высоком
уровне, значлительно превышающим этот показатель после
холодной прокатки.

Импульсная обработка эффективна также и для упрочнения

твердость возрастает по всей толщине пластин на 40-46%, предел
текучести на 50%.

Имеется также опыт улучшения свойств деталей, изготовлен-
ных из других металлов и сплавов. Так, фирма “Grimman Aircraft
Engineering Corp” (США) осуществила импульсное упрочнение
деталей космических кораблей из углеродистых и коррозионно-
стойких сталей, алюминия и титана. Данным методом доведены
свайства сварного шва до свойств основного металла. Наконец,
эта же фирма использовала технологию упрочнения для получе-
ния крупногабаритных сварных листов заготовок титановых

Применяется способ упрочнения, основанный на взаимодейст-
вии проводника с быстро исчезающим магнитным полем индук-
тора. Исходную заготовку помещают в медленно нагревающее
магнитное поле, которое наводит в заготовке вихревые токи.

недостаточна,- чтобы препятствовать проникновению поля через
детали. В результате взаимодействия вихревых токов в детали с
полем, проникающим за деталь, возникают электродинамические
силы, направленные к индуктору и деталь упрочняется.

Быстрое уменьшение напряженности магнитного поля дости-
гают с помощью специальных устройств, например плавких
предохранителей или дополнительного конденсатора, имеющего
противоположную полярность по отношению к основному кон-
денсатору, меньшую емкость и более высокое зарядное напря-
4.7.	Упрочнение электрогидравлическим
деформированием

Импульсный элктрический разряд в жидкости осуществляется
с помощью мгновенного подключения к рабочим электродам
заряженной от источника постоянного тока конденсаторной
батареи.

В результате электрического пробоя межэлектродного проме-
жутка в жидкости образуется токопроводящий канал разряда,
частично заполненный ионизированным газом. При высоких
напряжениях на рабочих электродах механизм образования
канала разряда имеет лидерный характер.

ОТ₽|

в виде плоскости, и

устремляющихся к положительному электроду в виде острия.Если
оба электрода имеют заостренные концы, то лидеры развиваются
одновременно с обоих электродов.

В начальной стадии пробоя образуется, как правило, несколь-

сливаются в один общий



дит к плавлению, взрывному испарению и разлету частиц
наносимого вещества. Для получения необходимой плотности

того тока была

выше некоторого определенного значения. В противном случае
проволока лишь нагревается и распадастсяна на крупные капли
расплава.

Для получения хороших покрытий необходимо подобрать
оптимальное расстояние: слишком оно велико, то наносимое
вещество охлаждается и качество покрытия снижается; если оно
мало, то покрытие будет неравномерным по толщине.

Образование покрытия происходит благодаря осаждению на
поверхности изделия большого количсества частиц. При ударе

Данным методом нельзя получить сплошные зеркально-глад-

для вольфрамовых покрытий со стальной подложкой она состав-
ляет около 240 МПа, а с медью - 100 МПа. Пористость невелика,
а содержание кислорода в нанесенном слое незначительно.

Существенное влияние на процесс инициирования разряда
оказывает проводимостьжидкости. В процессах металлобработки
в качестве рабочей передающей среды чаще всю используют
водопроводную воду, проводимость которой составляет 10'* см.
Прилагаемое к электродам для осуществления пробоя воды
напряжение достигает величины нескольких десяткал киловат.

Важной характеристикой электрического разряда в прово-

дящей жидкости является <
которое сопоставимо с длите
десятки и даже сотни микр

i разряда.

предпрс

стадии (задержка пробоя) приводит к значительным потерям
энергии накопителя.

Процесс электрогидравлического упрочнения основан на ис-

(передающей среде), создаваемых специальными установками в
которых емкостный накопитель через трансформатор и выпря-
мительное устройство заряжается до определенного напряжения,
после чего с помощью разрядника происходит мгновенный разряд
накопителя на рабочие электроды, размещенные в технологиче-
ской емкости (рабочей камере) с жидкостью.

Создание импульсных потоков может быть осуществлено,
например, с помощью плазменной пушки, схемы которая приве-
дена на рис. 4.4, здесь цифрой 1 обозначена упрочняемая

своеобразного “заряда” используется проволочка или фольга 3,

14 батареи конденсаторов

взрывающаяся при;

С. Фольга 3 находится в непосредственном контакте с дном
При разрядке конденсатора фольга или проволочка, нахо-

плазмы, вода служит для локализации плазменных сгустков,
которые по каналу капилляра устремляются в рабочую камеру.

Процесс электрического взрыва проволочки происходит в три
стадии.

Первая стадия, во время которой осуществляется взрыв и
испарение проволочки, заканчивается переходом проволочки в
непроводящее состояние.

Вторая стадия процесса - это пауза тока, которая длится
до тех пор, пока плотность газа в расширяющемся после взрыва
канале не упадет настолько, что окажется пробой газа под

На

одит разряд по газовому каналу.

Таким образом, алектроимпульсное нанесение покрытий ос-
новано на импульсном разряде конденсатора через проволоку
напыляемого металла. При этом происходит взрывное плавление
проволоки и осаждение расплавленных мелких частиц металла

ческую, например, вольфрамовую проволоку диаметром 0,5-1 мм
и длиной 20-150 мм.

формы изделия, расчитывают по следующим уравнениям:

(4.19)

l=Kj-V-f’	(4.20)

где S - площадь сечения металлической проволоки, м1;

1-длина металлической проволоки, м;

электроразрядной цепи, Гц;

К,, К2 - постоянные, определяемые материалом проволоки;
К,= (1*3)1(Г*; Kj=4.

Расстояние от поверхности изделия до расплавляемого конца
металлической проволоки определяется через ее диаметр d и
выражается в следующем виде:

l=30d

При разряде в оптимальном режиме около 40% массы
проволоки превращается в газ, а остальные 60% - в капли
расплавленного металла, сталкивающиеся с поверхностью основ-
ного материала. Длительность паузы тока зависит от материала
проволочки.
выражена очень слабо или вообще отсутствует. Такие проволочки
позволяют инициировать разряды с рабочим напряжением в
несколько киловольт при газовом канале большой длины и малой
задержке его образования относительно момента включения
напряжения.

Начальная форма канала разряда, образующегося в результате
высоковольтного пробоя жидкости, определяется формой лидера,
замыкающего электроды. Поэтому такой канал почти всегда
искривлен.

Инициирование же разряда с помощью взрывающейся прово-
лочки дает канал, имеющий геометрически правильную форму в
виде прямого цилиндра со сферическими торцами. Начальный
диаметр канала при высоковольтном пробое воды составляет
несколько десятых долей миллиметра, в то время как при

диаметр канала разряда определяется диаметром проволочки.

При электрическом взрыве проводника каналу разряда можно
придать всевозможную форму и добиться равномерного распре-
деления давления не только на внутренней, но и на внешней

фронтом, близким к плоскому или приблизить канал разряда
непосредственно к обрабатываемой поверхности с целью получе-
ния свехвысоких давлений. Этот процесс осуществим при
сравнительно низких (4-5 кВ) напряжениях и увеличении
расстояния между электродами по сравнению с обычным разрядом

разряде вследствие уменьшения влияния проводимости воды.

Импульсный электрический разряд внутри объема жидкости
осуществляется генератором импульсных токов, состоящим из
высоковольтного трансформатора-выпрямителя, батареи конден-

жидкости образуется токопроводящий канал разряда, частично
заполненный ионизированны газом. Разряд с высокой скоростью
развивается от положительного электрода к отрицательному.
После пробоя начинается вторая стадия элсктического разряда,
характеризующаяся выделением большей части накопленной
конденсаторами энергии. Быстрое выделение энергии в канале
разряда приводит к сильному разогреву частиц в нем и к испарению
жидкости с его стенок. При этом число частиц в канале за время
разряда заметно возрастает. Вновь испаряющиеся молекулы
жидкости в канале нагрваются, диссоциируют и ионизируются.
В результате в канале разряда образуется плазма с температурой

порядка 15000-25000 К.
Интенсивный разогрев плазмы разрядным током приводит к
резкому повышению давления в канале разряда и его расширению
В первые 0,1-0,3 мкс после образования диаметр канал;1
увеличивается до 1-3 мм со средней скоростью около I04 м/с
Далее скорость расширения канала падает до уровня, определя
емого начальной крутизной тока, и остается постоянной до
наступления максимума тока. Плотность тока в канале разряди

расширения канала разряда в жидкости возникает ударная волна
Фронт ударной волны, сначала неотделимый от канала, спустя
некоторое время (0,5-1,5 мкс) отрывается от него, так как
скорость распространения ударной волны значительно выше

возникшей ударной волны является постоянство скорости сг

разряда. Постоянство скорости фронта ударной волны объясня-
ется передачей энегии от канала к фронту посредством малых
возмущений и слабых ударных волн, возникающих на поверхно
сти канала в результате перемешивания горячих внутренних
слоев газа, содержащегося в канале, с холодными внешними

Материал взрывающихся проволочек и их размеры сущест-
венным образом влияют на величину и характер выделения
энергии при высоковольтном разряде в жидкости. Время от
момента начала протекания тока до взрыва зависит от сечения
взрывающейся проволочки. С увеличением диаметра проволочки
максимум мощности электрического разряда растет, достигая
некоторого оптимального значения, а затем убывает. Материал

гидродинамические параметры электрического разряда, в част-
ности на давление и скорость образующейся при разряде ударной

Исследование влияния на величину давления ударной волны
размеров медной и константановой проволочек, значительно
отличающихся друг от друга по плотности сопротивлению и

длины и площади поперечного сечения проволочки, обеспеси-
вающих максимальное давление на фронте ударной волны.

Выявлена зависимость давления на фронте ударной волны от
расстояния до центра разряда для различных длин проволочек.
После излучения ударной волны расширяющийся канал разряда
переходит в быстро увеличивающцюся в размерах парогазовую
полость. Давление в полости, максимальное в момент ес
возникновения, падает по мере расширения и становится меньше,
чем в окружающей жидкости, и полость начинает сжиматься


Таким образом, гидродинамические явления, сопровождающие
электрический разряд в жидкости, во многом сходны с аналогич-
ными явлениями при химическом взрыве бризантного ВВ в воде.

С формой рабочей полости матрицы, для чего проволоку,
Вакорачивающую концы электродов, изгибают соответствующим
образом, в результате чего разряд следует по возникшему
плазменному каналу.

Установлено, что для каждой величины рабочего напряжения
И запасаемой в конденсаторах энергии существует оптимальная
Величина межэлектродного промежутка, обеспечивающая получе-

вния от концов электродов до заготовки величина упрочнения
уменьшается. Расстояние от канала разряда до поверхости
Жидкости должно быть не меньше (1 ♦ 2,5) • (где -
Максимальный радиус газового пузыря). При таком расстоянии

) выделяются через поверхность воды и повторной пульсации
‘пузыря не происходит.

Ударные волны возбуждаются электрическим взрывом (одного
Пли нескольких) проводников, режимы которого указаны в

таблице 7.1, при

эго контура и геометриче-



Таблица 7.1

Режимы электрического взрыва проводников
(а = 0,8 мм, L = 20mm)
Результаты экспериментов по определению оптимальных

различных параметрах разрядного контура

Таблица 7.2

	Параметры paapuuoro жоитура				Рамыр трубаи, мм					ги	Ратнер прсыэлточл	
	С 10* Ф	VI0*B	W .	Ь-НО^Пв	*—’4							
			Т									
1	100	5.0	1,25	2.92	28	100	1.5	М2	0,455	9.32	по	0.47
2	800	23	2,50	2.60	28	50	13	М2	0,417	3,49	60	0,70
3	400	3.8	2,81	2.83	28	65		М2	0,441	4.73	85	0.72
4	200	3.5	1,22	2.86	28	50	13	М2	0383	6.66	60	031
5	400	33	2,45	2,83	28	50	13	М2	0383	4,73	60	0,67
6	100	10,0	5.00	2.92	28	100	2.0	М2	0,909	932	110	0,54
7	100	73	2,81	2.92	28	75	1.5	М2	0,832	932	85	0,48
8	100	5.0	1.25	2,92	28	50	13	М2	0,833	932	60	0,43
9	21	73	039	1,12	27	75	1.0	Д16	0.882	32.83	85	0,38
10	21	10.0	1.05	1,12	30	100		М2	0,909	32,83	1 10	0,41
П	21	15,0	2.36	1.12	30	100	13	М2	1364	32,83	110	033
12	100	73	2.81	2,92	28	50	2.0	М2	1,250	932	60	031

Таблица 7.3

Характеристика электрогидроимпульсных прессов гаммы, предлагаемой ПКБЭ

	Завасасмаа якрпи. кДд				
	10	20	ЦО	К	160
Рабочее напряжение, кВ	30	30	50	50	50
заготовок, мм Р* Р	400X400	450x650	900x900	1400x1400	2000x2000
Максимальная высота штампуемых трубчатых заготовок, мм	275	450	700	1000	1200
Максимальный диаметр штампуемых заготовок, мм	250	400	600	800	1500
Толщина матсрнхта штампуемых заготовок, мм:					
при <УВ £ 25 • Ю7 Пэ	4	5	6	8	10
при о, £ 50  I07 Па	2	2,5	4	5	6
при в, > 50 107 Па	1.2	1.5	2	з	4
Частота следования импульса, Гц	1	1	1	1	I
Т" <"с“ючаа	30	60	170	240	400
Г.6.РВПОМ	«ОИВ»» пульт	1200x3600	2500x4000	4000x6000	6000X10000	8000x12000
Высота над уровнем поля, мм	200	3000	4200	4500	5000
Техническая характеристика электроимпульсных листоштамповочных прессов,
принятых к серийному выпуску

Параметры			Моде.» пре«а		
	т,И»	Т1Ш	1 т'“	Т.Ш	
Номинальная запасаемая энергия, кДж	10	|	*	1 *	м	
Максимальные размеры обрабатываемых деталей, >					
из пространственных заготовок	275x250	450x400	300*250	-	
из плоских заготовок в плане	400*400	650x650	400*400	800x800	1200x1200
глубина	120	200	250	•ИХ»	500
толщина:					

Для выбора возможных путей повышения К.П.Д. процесса

воде медных проводников при различных параметрах разрядного
контура, которые представлены в таблице 7.2.

Рекомендации производству.

Для плоских заготовок при электрическом взрыве проводни-
ков в воде в замкнутых рабочих камерах можно использовать
экспериментальную установку ЭГУ-1:

энергия накопителя, кДж .........
рабочие напряжения, кВ...........
емкость накопителя в пределах, ф

до 20
до 5
450 + 2700 • 1°-‘

(0,8 ± 0,05)

разрядного контура, мкГн

Опыт эксплуатации различных конструкций для электроим-
пульсной обработки позволил ПКБ электрогидравлики предло-
жить гамму электрогццроимпульсных прессов промышленного
применения, характеристика которых представлена в таблице 7.3

Применяется установка с запасаемой энергией 25 кДж

(ЭМОМ-25):
напряжением питающей сети, В
потребляемой мощностью, кВт .

(бесступенчатое регулирование)
производительностью, дет/ч . .

220

10

560

1-10

10-40

оборудования для

которое

выпускается преимущественно фирмами “Shimadzu" и “Yapax”,
характеристика которых представлена в таблице 7.6.

Установки фирмы “Yapax”моделей PF-ЗОи PF-100представляют
собой вертикальный пресс колонного типа, в котором разрядная
камера расположена на нижней неподвижной плите, а матрица -
на верхней подвижной (табл. 7.5).
Таблица 7.5  оборудования для ЭГШ					
		Оборулоыюк фирмы -Т’арвГ'			
		РТ--5Р		FF-IM	
Запасаемая энергия. кДж		50		100	
		6		6	
^’ксДма'«"ое у‘“л"'по;1виж,,ой		220		300	
Ход подвижной поперечины, мм		500		300	
га6,р“’"“ Р““'Р“		450x450x300		130x700x650	
р“ю“пГ*	’ г"дро'"с’е,,е'		70		70	
Таблица 7.6					
	Оборудомиме фирмы ’ShamBm-				
	SI ГТ-45		SHF-4S		SHK-4S
Запасаемая энергия. кДж	45		45		45
Максимальное рабочее напряжение. кВ	30		30		30
Максимальное усилие на	100		90		100
Ход подвижной поперечины, мм	350		395		450
Макетомшегабартнне	680x580x450		700x620x500		880x780x300
Максимальное давление в гидросистеме, Р 10s Па	70		70		70
Отличительной особенностью указанных установок является применение в качестве рабочей жидкости для разрядных камер диэлектрической жидкости (масла) и оснащение разрядных камер автоматическим устройством для подачи и взрыва  сить эффективность использования запасенной энергии, снизить рабочее напряжение до 5-6 кВ и отказаться от электродов, создание стойкой изоляции которых - сложная задача.  кальный пресс со станиной колонного типа. Разрядная камера					
монтируется на неподвижной поперечине, а матрица крепится к
подвижной поперечине.

Технологическая оснастка с разрядной головкой, разработана

прессов “Удар-12М", “Т1220”, "Удар 20”, “Т1223”, она отли-
чается повышенной износостойкостью изоляторов по сравнению
с двухэлектродной системой.

Характер воздействия плазменных пучков на упрочняющую
поверхность материала существенно зависит от режима, опреде-
ляющего, в частности, плотность плазменных сгустков.

Исследования, проведенные В.М.Финкелем на кристаллах

сгустка и его воздействия при различных расстояниях мишени
от капилляра в диапазоне средних плотностей плазменных пучков
от 10*3 до 10'7 • 103 кг/м3, можно вызвать образование на

поверхностное растрескивание или упрочнение поверхностного
слоя за счет создания в нем высокой твердости.

Упрочнение детали происходит, как и при гидровзрывном
упрочнении, под действием ударной волны, давления, обра-
зующегося при расширении газового пузыря, и сопутствующего
гидропотока и также сопровождается явлением кавитации.

Более эффективному использованию энергии разряда способ-

Изменяя расстояние между концами рабочих электродов,
можно получить различную форму фронта ударной волны. Если

волна со сферическим фронтом. Если же электроды удалены друг
. от друга на несколько сантиметров, то образуется волна с

цилиндрическим фронтом.

Метод электрогидрав-
лической деформации мо-
жет быть реализован при

в

гидравлической
деформации.

схема которой показана на
рис. 4.5, где цифрой 1
обозначена деформируе-

укрепленная в матрице 2.
Над заготовкой, в ванне с

дой) 3 располагают элект-
роды 4, на которые от
генератора 5 и конденса-
разрядный промежуток 7 подается высокое напряжение. При
осуществлении искрового разряда под водой, между электродами
в течение очень короткого промежутка времени развивается
высокая температура, вызывая интенсивное выделение пара.
Паровое “облако”, возникшее между электродами, быстро рас-
ширяется, что приводит к возникновению распространяющейся
зоны высокого давления, вызывающей появление ударной волны.

используемой для придания листовой заготовке фор>
или специальной формы, определяемой матрицей.

' сферы

При упрочнении импульсным воздействием плазмы на стали
различного класса, в связи с особенностями распространения
тепловой волны, которые заключаются в резком спаде темпера-
туры по глубине и высокой скорости охлаждения, наблюдались
структурные эффекты, аналогичные воздействию лучей лазера.

Так, например, при воздействии плазменных сгустков на
стали 40,50, У10, при определенных режимах процесса возможно

зонами. Вследствие быстрого нагрева и отвода тепла из нагретой
до высокой температуры области в сталях возможно протекание
структурных превращений типа закалки и отпуска. В центре
“плазменного удара" в стали 40 достигаются наиболее высокие
температуры и наблюдается повышение твердости HV 6600-7000
МПа. Вторая промежуточная зона граничит с исходной ферри-
то-перлитной; в ней наблюдается закалка перлитных зерен,
твердость которых составляет HV 8000-8800 МПа. В стали 50
твердость пластинчатого перлита в результате плазменного
упрочнения повышается до HV 12000-13000 МПа по сравнению с
исходной, равной HV 3000-3800 МПа. В стали У10, закаленной
на мартенсит (до твердости HV7000-7500 МПа) после повторной
закалки в результате плазменного удара твердость повышается
до HV 8500-9500 МПа. Кроме того, наряду с этим возможно
образование узкой зоны отпущенного мартенсита твердостью HV
5500-6000 МПа.

Метод электрогидравлического нагружения, как и способ
импульсной электромагнитной деформации может быть также
использован для деформирования трубных заготовок. Скорость
деформации при электроискровом разряде несколько меньше, чем
при взрывной и электромагнитной штамповке, и развиваемое
давление составляет 72 МПа, знергия лазерного луча применяется
сейчас также в автомобильной промышленности, точном маши-
ностроении и других отраслях народного хозяйства.

Таким образом, средине величины рабочих давлений, применя-
емых для упрочнения и формоизменения металлических материалов
при высокоскоростном деформировании в условиях импульсного
механического нагружения, составляют 1000-3000 МПа (обработка
взрывом), 100-300 МПа (электромагнитная деформация).
4.8.	Лазерное упрочнение

1.	Типы лазеров и характер их воздействия на стали

Открытия и исследования последних лет позволили исполь-

обых

зовать для

свойств высококонцентрированные источники энергии: луч опти-
ческого квантового генератора, электронный луч. При сканиро-
вании луча поверхность деталей претерпевает структурные
изменения благодаря сверхбыстрым процессам нагрева и охлаж-
дения тонкого поверхностного слоя. Такая термическая обработка

труднодоступных мест, отсутствие коробления и деформации
деталей, кроме того, устраняется необходимость применения

По режиму работы лазеры разделяются на импульсные,

излучающие свет
вспышек и непрер

виде одной вспышки или последовательности

тельного времени. Промея

свет в течение продолжи-
сто между ними занимают

лазеры импульсно-переодического действия, генерирующие
мощные короткие импульсы с достаточно высокой частотой
повторения (квазинепрерывные режимы).

По типу активного вещества лазеры делятся на твердотелые

К твердотелым лазерам относятся лазеры, активная среда
которых представляет собой кристаллическое или аморфное
вещество.

Широкое распространение получили лазеры с активными

инствами, как большие размеры стержней (6-260 см), простота

однородность, возможность
а. Для увеличения частоты

повторения импульсов применяют стекла, активированные иона-
ми неодима.

Установки на твердотелых лазерах достаточно надежны,
недороги и просты в эксплуатации.

Использование излучения оптических квантовых генераторов
ОКГ получает все большее распространение в различных отрас-
лях промышленности, например, в микроэлектронике для пол-
учения тонких пленок на подложках, изготовления печатных
схем, легирования полупроводниковых материалов с целью
получения “р-п”-переходов, сварки тончайших проводников,
изготовления масок для фотошаблонов, герметизации корпусов
и т.д. Для сварки и обработки материалов в нашей стране создано
несколько типов лазерных установок, такие как УЛ-2, УЛ-20,
СУ-1, КЭМ, Луч-1М, Искра-8, Свет-30, Квант-16, Квант-18.

Лазерные установки дают возможность сообщать телу энергию
за время 10'9с и фокусировать ее в пятне диаметром 10‘*-10‘* мм.

Воздействие светового луча лазера на металлы и сплавы
вызывает ряд специфических динамических эффектов, обуслов-

ности импульса 10'3 с

луч плавит и испаряет
ратер с прилегающей к

нему существенно измененной структурой, формирующейся в
результате нагрева и охлаждения материала с очень высокой

воздейств

луча ударной волны, что приводит к появлению как тепловых,
так и механических изменений.

образуется зона застывшего расплава с структур
чатого мартенсита с микротвердостью HV 760.

Под ней располагается зона термического влияния, протя-
женностью около 20 мкм, для которой характерна структура

перлита, прете

(HV6500).

I 700-750

мкм. Ферритные зерна в этой зоне содержат характерные для
ударного нагружения механические двойники. Гранина зоны
механического влияния проходит по краю области интенсивного

облучения.

При воздействии лазерного излучения высокие скорости
нагрева (до 105 'С/с) и охлаждения (до 5 • 10* ’С/с> приводят
к образованию метастабильных фаз, сверхтонкой структуры
вещества, перенасыщенных твердых растворов; может возник-
нуть аморфная структура - структура металлических стекол
Металлические стекла обладают высокой коррозионной стойко-
стью и износостойкостью. Температура существования металли-

металла. В результате измельчения блоков, увеличения плотности
дефектов происходит упрочнение поверхности металлов. Толщина
стеклообразного слоя уменьшается при увеличении плотности
поглощенного потока лазерного излучения, так как при этом
увеличивается скорость охлаждения и сокращается время дости-
жения температуры испарения. При повышении плотности энер-
сив лазера увеличивается диффузия элементов к поверхности,
что способствует образованию метастабильного слоя. Мстаста-
бильное состояние поверхностных слоев приводит к повышению
в 3-5 раз твердости контактирующих пар трения. Поверхность
l обрабатываемого изделия при лазерном упрочнении можно
| насыщать легирующими добавками значительно более эффектив-

но, нежели при обычных методах ХТО вследствие более высоких
। скоростей диффузии в жидкой фазе по сравнению с твердой

фазой при ХТО.

Лазерное упрочнение низкоуглеродистыз
с целью повышения их износостойкости

20 и 20ХНЗА

упрочнения чугунов их износостойкость повышается

Лазерная обработка приводит к уменьшению глубины фрет-
тинг-повреждений в 2-3 раза; чем больше содержание углерода,

Лазерное упрочнение повышает триботехнические характе-
ристики стали 40Х благодаря изменению микро- и макротопог-
рафии поверхности, а также улучшению структуры стали,

стали 40Х возрастает более чем в 2 раза по сравнению с ее

обладает развитой неоднородностью физико-механических

луча. Несмотря на неоднородность структуры, скорость изнаши-
вания и коэффициент трения на стадии установившегося износа

остаются постоянными.

2.	Лазерная закалка

Лазерная обработка применяется, например, для поверхност-
ной закалки деталей из углеродистых и легированных сталей за
тысячные доли секунды. Уникальная особенность этого процесса
заключается в отсутствии печей или других нагревательных
устройств, в которые необходимо помешать обрабатываемую
деталь. Воздействие создаваемого оптическим квантовым генер-
атором импульсного светового потока на размеченные участки
поверхности детали можно обеспечить как перемещением луча,
так и самой детали. Поверхностная лазерная закалка возможна
на деталях в уже собранных механизмах и машинах, что особенно
важно при проведении ремонтных или монтажных работ.

Лазерный луч с помощью линз и световодов различных типов
позволяет обрабатывать поверхности сложной конфигурации
(опоры подшипников, фильеры и т.п.), а также получать
отверстия и полости с упрочненной внутренней поверхностью.
Образующаяся после обработки упрочненная поверхность повы-
нии в агрессивных средах.

Воздействием световых импульсов проводят отпуск тонкого
поверхностного слоя или внутренней поверхности полостей,

закалку и отпуск отд

деталей,



например, в часовых механизмах.

3.	Лазерная ХТО и наплавка

Л.тя сталей и сплавов на основе тугоплавких, цветных и

термической обработки при воздействии лучей лазера, поскольку

ости детали тем или

Весьма обнадеживающие результаты получены при осущест-
влении наплавки с помощью воздействия световыми импульсами,
обеспечивающей за весьма короткий промежуток времени нане-
сение на поверхность, например, слоя из тугоплавких элементов,
поскольку в этом случае интенсивно протекают диффузионные

процессы в сИ5разующейся зоне

С помощью

лазера успешно изготавливают сплавы из малых количеств (до
микрограмм) порошков и проводят поверхностное насыщение,
что особенно важно в случаях обработки материалов высокой
стоимости и дефицитности. Облучение световыми импульсами
можно осуществить сквозь прозрачные стенки контейнера, обес-
печивая при этом, например, проведение исключающей влияние
атмосферного воздуха “стерильной” химикотермической обработ-

энергии.

Вледствие надежности, простоты конструкции и стабильности
работы лазерные установки очень эффективны для урочняющей
обработки металлов в автоматических линиях, а также как
переносные устройства для осуществления ремонтных работ.

4.	Особенности лазерного упрочнения

Поверхностное упрочнение деталей лучом лазера характери-
зуется рядом особенностей, к числу которых можно отнести

-	упрочнение локальных (по глубине и площади) объемов
материала обрабатываемых деталей в местах их износа; получа-
емая при этом твердость на 15-20% и более превышает твердость
после термообработки существующими способами с сохранением
исходных свойств материала в остальном объеме;

-	локальное упрочнение поверхностей труднодоступных по-
лостей и углублений с помощью несложных оптических уст-
поверхностного упрочнения значи-



тельных площадей, при котором не образуется сплошного
хрупкого слоя, склонного к растрескиванию, отслаиванию и т.п.;

-	получение, при необходимости, микрошероховатости упроч-
ненных поверхностей деталей;

-	получение заданных свойств (механических, химических и
др.) поверхностей деталей путем их легирования различными

-	отсутствие деформаций обрабатываемых деталей, обуслов-
ленное локальностью термообработки, что позволяет практически

полностью искл

шлифовку;

-	простота автоматизации процесса термообработки по кон-
туру (в том числе деталей сложной 4юрмы), определяемая
бесконтактностью лазерного нагрева и др.

Лазерное излучение обладает рядом уникальных свойств:
большой интенсивностью (мощностью) потока электромагнитной

кой

ггью, значительной степенью

временной и пространственной когерентности.

Для расширения полосы закалки рекомендуется проводить
сканирование лучом лазера. Сканирование обеспечивает* большую
равномерность нагрева обрабатываемой поверхности. Результаты
экспериментов показали, что несмотря на гауссовское распреде-
ление интенсивности излучения в пятне пучка нагрева при

металл подобно действию луча с равномерным распределением
интенсивности, причем изменения распределенной мощности в
разных местах зоны обрабтоки не превышают 10%.

Лазерное сканирующее устройство создано фирмой Oriel
GmbH (Германия) и предназначено для использования в общем
машиностроении при производстве проволоки, химических воло-

кон, шлангов и т.д. Преимущество его прим
бесконтактного и многократного измерен

круглости движущихся (вращающихся или перемещающихся в
продольном направлении) деталей. При этом измерению могут
подвергаться детали, изготовленные из непрозрачных и прозрач-
ных материалов.

Принцип работы устройства следующий. Луч, исходящий из

поступает в приемник, в

оптического кв

котором установлены фотодиоды, подающие ток в электронный
'анализатор. Если на пути луча возникает препятствие (деталь),
то определенная группа фотодиодов перестает подавать ток и
анализатор вычисляет ширину затененного участка, т.е. длину
или диаметр детали. При этом луч подается периодами - 100
перидов/с. Таким образом, анализатор вычисляет из 100 измс

на цифровой индикатор с тактом в 1 с. С помощью устройств!

отклонение от требуемого размера не соответствует установлен

лампочка, или включается сортирующее устройство, или произ
водится подналадка режущего инструмента и т.п. (в зависимости
от гида производства). Погрешность измерения в диапазоне
размером (0,25-50 мм) составляет ± 2,5 мкм, а в диапазоне
(0,08-12,7 мм) составляет ± 0,5 мкм.

Для увеличения эффективности обработки рекомендуется при

зкрыть ее материалом, увели-
на котором размещают тра-



фарст с вырезанным заданным контуром.

5. Примеры конкретной лазерной термообработки деталей

Примером эффективности лазерной термообработки различ
ных деталей является термообработка двух кольцеобразные

клапанов из серого чугуна двигателя.

Непрерывный луч мощностью 0,4 • 10‘3 Вт обеспечивает
закалку на глубину 0,25 мм со скоростью 4,2 • 10'3 м/с. Рабочая
поверхность чугунного кулачка упрочняется лучом мощностью

равна примерно HRC, 61 и значительно превышает твердость,
получаемую другими методами, причем общая деформация детали
не превышает 0,13 мм и не требуется последующая механическая
обработка. На валах из стали после закалки лучом лазера
получена твердость HRC, 58 в слое глубиной 0,2 мм, зубчатых
колесах - HRC, 61 на глубине 0,44 мм.

Примером урочвения деталей непрерывным лучом СО2 -
лазера является также закалка труднодоступных внутренние
поверхностей пазов для колец (мощность луча - 3 кВт, время
обработки - 50 с); упрочнение чугунного седла клапана дизель
ного двигателя (мощность 6 кВт, время обработки - 6 с),
обработка боковой поверхности чугунной шестерни с диаметром
области упрочнения - 50 мм (время обработки 10 с), глубина
закалки составила 0,5 мм, а твердость по всей обрабатываемой
поверхности HRC,, 61 кроме полоски, где зоны обработки
перекрываются HRC3, 51 причем общая деформация детали менее
0,02 мм; закалка стальной оси диаметром 19 мм (сталь 40Х).
обработанной со скоростью 1,27 м/с 10'2 м/с при мощности луча
10 кВт, на глубине до 0,25 мм, твердость составляет HRC, 56 и др
Перспективной представляется также термообработка значи-
тельных площадей деталей из стали или чугуна со скоростью до
625 см/мин с твердостью HRC, 61 и более, причем для стали
и серого чугуна рекомендуется закалка в твердом состоянии, а



> расправление поверхностного слоя.

'Такого рода обработка выполняется, как правило, за несколько
Проходов лучем лазера с некоторым перекрытием зон обработки.
Причем для получения постоянной твердости необходимо иметь

Луча, что можно достичь ограничением периферийных частей его
С помощью диаграмм.

Применяется лазерное легирование, оно позволяет в ряде
случаев выбирать материал для деталей, исходя из экономических
соображений его обрабамываемости, т.е. более дешевый и
легкообрабатываемый, и последующим лазерным легированием

Так на деталь из мягкой стали ХС18 наносят порошок из
смеси алюминия, хрома, углерода и вольфрама. После обработки

глубиной 1,2 мм и шириной 12,5 мм составила HRC, 53, что
приводит к существенному увеличению износостойкости.

Для упрочнения сталей рекомендуется длительность импульса
излучения, равная 6 мс.

хиостного слоя материалов различными легирующими элемента-
ми с использованием импульсного излучения лазеров.

порошка), как С, Мп, Со, Сг, Nb, Ni, Me приводит к получению
более высоких значений твердости, чем при лазерном упрочне-

Легирование армко-железа, сталей 45 и У8А такими элемен-
тами и соединениями, как С, Cr,Ni,W приводит к значительному
увеличению твердости обработанных импульсным излучением
лазера микрообъемов материалов.

Применяется локальное легирование технически чистого же-

леза и стали ШХ15 в условиях .

• облучения

либденом, титаном, танталом, ниобием, ванадием и др.

Используется лазер на стекле с неодимом, энергия импульса

9 Дж, длительность 4 мс. Средня

составляла 0,3-0,4 мм. Количество легирующих элементов в этих
зонах значительно против исходной HV2000, танталом (свыше

1400 МПа) в верхней части заны <

(HV6000)
Насыщение железа углеродом и вольфрамом рассматривается
в работе. Так, облучение технически чистого железа (0,04%
углерода), покрытого графитом, приводит качественно к тому
же эффекту, что и облучение чугуна, содержащего 3% углерод, а
содержание вольфрама в полученном твердом растворе значн-

телъно превосходит максимальную концентрацию его в твердом
состоянии, которую можо получить в равновесных условиях.

Значение твердости исследованных образцов в большинстве
случаев при обработке как на воздухе, так и в защитной среде
нс превышали HV10-110.Также проводились испытания на износ
образцов вышеуказанных марок сталей после лазерной обработки.
Результаты испытаний подтверждают целесообразность прозе
дения лазерной термообработки с целью повышения износостой-
кости деталей.

Например, интенсивность износа (мг/см2.м) Для стали У8

составила:

нетермообработанные образцы

после закалки

лазерное упрочнение нетермообработанных

образцов

после лазерного упрочнения термообработаь

образцов

- 120,
- HRC3 55,5-57,0

- 40,

Рекомендация производству.

Более высокие значения глубины зоны упрочнения можно
получить при использовании иеприрывного излучения СОг-лазе-
ра. Так, при обработке стали ШХ15 с исходной твердостью
HV2500-2900 лучом лазера СО2-лазера с мощностью - 600 Вт,
описанного в работе, при скорости 1,0 м/мии образовалась зона
закалки с твердостью HV8000, глубиной до 0,35мм. Увеличение
плотности мощности в пятне нагрева шириной свыше 3 мм до
значений - 404 Вт/см2 (с учетом коэффицента отражения
железом излучения с длиной волны 10,6 мкм, равного 0,95) при

с исходной твердостью HV3000-4000 дает рост твердости до
значений HV12000 при глубине зоны закалки до 0,4 мм.

Теоретически концентрация мощности на поверхности обра-
батываемой детали может достигать 10’1 Вт/см2. Для промыш-
ленных целей используется удельная мощность до нескольких
десятков кВт/см2.

газовые лазеры с мощностью лазерного пучка до 5 кВт. При
необхдимости получения более высокой мощности рекомендуется
применять электроннолучевые печи.
Результаты промышленного применения и рекомендации про-

За рубежом лазерная термообработка с использованием
лазеров импульсного и непрерывного (особенно мощных газовых)
действия находит широкое применение в различных отраслях
промышленности: автомобильной, точного машиностроения и др.

В России лазерная термообработка с использованием серий-
ного специализированного технологического оборудования ис-
пользуется в инструментальном производстве, для обработки
деталей точного машиностроения и других отраслях. Сферы ее
применения непрерывно расширяются по мере совершенствования
технологического оборудования с импульсными лазерами и

создаваться лазерные установки различной мощности и назначе-
ния, в обоснованных случаях расширяется применение устройств
програмного управления, позволяющих улучшить достигаемые
результаты и эффективность эксплуатации установок.

В разных отраслях промышленности внедряется метод лазер-
ной закалки с целью поверхностного упрочнения деталей из
сталей и сплавов, позволяющий резко увеличить их стойкость,

шая экономия получена от применения мощных СО2-лазеров для
термообработки в автомобильной промышленности.

В последние годы интенсивно развиваются работы по внед-
рению в производство установок для термообработки с непри-
рывными СО2-лазерами высокой мощности (1 кВт и более).

Промышле)

ер, закалку участков

внутренней поверхности коробки передач рулевого управления
(мощность лазера 5000 Вт), цилиндров дизельных двигателей
(мощность до 5 кВт), зубчатых колес, тормозных дисков, канавок,

гнется в крупносерийном производстве, например, в автомобильой
промышленности.

Облучение лазерным лучом, повышает от двух до пяти раз
стойкость штампов. Причем, если раньше их делали целиком из
дорогостоящей легированной стали, то теперь можно использо-
вать обычную более дешевую

ним способом для упрочнения м улучшения свойств тех мест
различных деталей и агрегатов, которые испытывают наибольшие
нгрузки. В автомобильных двигателях одна из таких ответствен-
ных деталей - цилиндрическая гильза, в которой двигатся

смесь, она воспламеняется, и расширяющиеся газы толкают
поршень вниз. Чтобы эта верхняя часть могла выдерживать
тепловые перегрузки, в чугунные гильзы специально впрессовы-
вают металлические вставки, что является непростой технологи-
ческой операцией. Лазерный луч с успехом может заменить эту
операцию. Если верхнюю часть гильзы, изготовленной из
простого чугуна обработать лазерным лучом, то за счет такой
закалки можно избавиться от впрессовки специальных колец из
дорогостоящей стали. Эрозионная стойкость гильз увеличивается
в несколько раз. Этот процесс принят сейчас на ЗИЛе при
создании нового технологического оборудования, предназначен-
ного для массового производства дизельных двигателей.

Методом лазерной термообработки можно не только упрочнять
поверхность, но наплавлять на нее различные покрытия, напри-
мер, из порошка.

Найдены способы лазерной термообработки алюминиевых
сплавов, которые с трудом поддаются обычным методам. Это
обеспечит колоссальный экономический эффект. Сейчас одно из
слабых мест двигателей - головки блоков цилиндров. Сам
дизельный двигатель рассчитан на 300 тысяч километров пробега.
А головка блока цилиндров выдерживает всего около ста тысяч.
Поэтому каждый автомобиль сейчас обеспечивают двумя запас-
ными головками. Известно, что в этой головке самым слабым
местом являются перемычки между цилиндрами. Они сильнее
всего подвергаются эрозии. В результате же приходится выбра-

кг. В лаборатории ЗИЛа на такой перемычке, подвергающейся
эрозии, сделали с помощью лазерной термообработки два
полукольца, которые резко повысили стойкость металла в этом
месте. В результате ЗИЛ теперь может отказаться от строитель-
ства дополнительных производственных мощностей для изготов-
ления головок блока цилиндров, которые предполагалось созда-
вать в связи с расширением производства двигателей.

Вместо этого на заводе будет действовать лазерная установка
в цепочке конвейера. Лазерная обработка каждой головки будет
занимать всего 35 секунд, что позволяет получить значительный
экономический эффект.

Одно из главных направлений технического прогресса в
машиностроении - это устранение слабых мест, которые снижают

большую помощь. На ЗИЛе сейчас с помощью лазеров отраба-
тывают технологию повышения надежности карданного меха-
низма автомобилей. Дело в том, что при всех существующих
методах сварки элементов карданного шарнира возникают теп-
ловые деформации его вилки. Благодаря тому, что лазерный луч

не греет сильно всю деталь и поэтому можно добиться практи-
чески нулевых деформаций вилки.

। несколько раз повысит

: в Институте атомной энергии

имени И.В.Курчатова.

Лазерную технологию используют на заводах АЗЛК, ВАЗ,
“Красный Окрябрь”, “Знамя труда”, “Салют”, Балтийком судо-
строительном, объединении “Тулачермет’’.

Пример. Единственно возможным и экономически целесооб-
разным методом повышения надежности работы коробки диффе-
ренциала автомобиля “Москвич” является лазерная закалка

Силами специалистов завода АЗЛК изготовлена лазерная
установка на базе 2-х лазеров ЛГН-702 мощностью 800 Вт
каждый, производительностью 1200 деталей в сутки при 2-х

смену. Процесс внедрен.

Разработанный процесс может быть успешно применен для
аналогичных деталей и на других заводах Минавтопрома.

Значительный успех достигается и на корпусах, изготовлен-
ных из перлитного ковкого чугуна.

Испытания на ВАЗе раздаточных коробок дифференциала
автомобиля “Нива" после лазерного упрочнения на АЗЛК
показали увеличение износостойкости опорных поверхностей в

Дифферсн

с помощью лазерного излуче-

ния, обладает повышенной (в 1,5-2 раза) эксплуатационной

надежностью по сравнению с неупрочненным.

Установка для термоупрочнения чашек дифференциала, со-
стоящая из лазера “Комета” и станка мод. 5545, работает в
полуавтоматическом режиме. При этом осуществляется:

-	позиционирование обрабатываемой поверхности под лазер-
ным излучением;

-	поворот детали на 90е после обработки каждого отверстия;

-	возвращение детали в исходное положение после обработки;

-	закрытие заслонки от лазерного излучения при смене

позиций в
положении.

и открытие - в рабочем

Полный цикл обработки одного дифференциала - 1,5 мин.
Техническая характеристика

Мощность лазера, Вт

1200

Производительность, мин/дет
Габаритные размеры излучателя, мм:
лазера "Комета"
газобалонного шкафа

Общая масса излучателя, кг
Габаритные размеры оснастки, мм:
станка мод 5545

2100x800x2000
110x450x2000

1100

2400x750x2100
1100x450x2000
1000

Общая масса оснастки, кг

Технологический процесс и лазерная установка внедрены на
Минском автозаводе.

Проведенное на Московском автозаводе имени И.АЛихачева
сравнительное исследование стали У10 после ее облучения на

лазерах двух типов: твердотельном “Квант-16”

мощностью до 5 кВт (25) показало, что степень упрочнения при

Связано это явление с разной скоростью нагрева и охлаждения,
которая на твердосплавном лазере примерно на два порядка
выше, чем на газовом.

Используя полученные результаты, проводили лазерную за-
калку инструментальной оснастки из стали У10 для вырубки и
пробивки листового материала при изготовлении автомобильных
деталей. Исходная твердость оснастки HRC, 55,5-59,0, твердость
пуансонов и матриц увеличилась в 3-5 раз.

Наибольший эффект увеличения твердости был отмечен на
оснастке, работающей в условиях истирания, сопровождающегося
налипанием материала. Понижение лазерной закалки позволяет

углеродистые, что приводит к большой экономии. Так, пуансоны
для калибровки отверстий в звеньях конвейерных цепей, изго-
товленные из стали У10, после упрочнения лазером имели
твердость в 1,5 раза большую, чем пуансоны из стали Х12М.

Облучение режущих кромок серийных вырубных штампов из
сталей У8 и У10 проводили на установке “Квант-18" в
следующем режиме: энергия импульса до 30 кДж, длительность
импульса 6 мс, частота следования импульсов 0,1 Гц, диаметр
пятна при расфокусировке импульса на поверхности штампа 4
мм, перекрытие пятен около 50%. После обработки твердость
стали'УЮ при нагрузке 0,5 Н возросла с HV6300до 12000-13500,
надежность инструментальной оснастки (до переточки) от 4,5-5
до 10-14 тыс. вырубок.

При лазерном облучении инструментальных сталей очень
важно обеспечить высокое качество термической обработки
инструмента и оснастки.

В лаборатории лазерной технологии Киевского политехниче-
ского института разработаны технологические процессы упрочне-
ния комбинационных вырубных штампов. Пуансоны были изго-
товлены из стали У8А, матрицы - из стали XI2М. Упрочнение
рабочих кромок деталей штампов производили после предвари-
тельного чернения химическим травлением в среде защитного

энергия излучения, кДж
длительность импульса, мс
частота следования импульсов, Гц
диамет пятна при расфокусировке
импульса на поверхности штампа, мм
перекрытие пятен

до 30

около 50%.

Испытания упрочненных штампов показали повышение стой-

В ВПТИэлектро проведены работы по упрочнению деталей
вырубных штампов электротехнического производства на уст-
новке “Квант-16”.



режимы внедрены в производство на Луган-

ском заводе щелочных аккумуляторов, Карпинском электрома-
шиностроительном, Чебоксарском электроаппаратном, Кемеров-
ском электротехническом и других предприятиях.

Обработке подвергают детали вырубных штампов из сталей
Х12М, У8, У10. Стойкость штампов повышается в 1,8-2,3 раза,
причем установлена зависимость стойкости штампов в большей
степени от уровня напряжения, создаваемого в поверхностных
слоя деталей после шлифования.

Для уменьшения напряжений шлифования необходимо вести
с охлаждением (мокрое шлифование), после чего детали подвер-
гают низкотемпературному отпуску (для стали 2X12М нагрев до
температуры 150-170*С, время выдержки 2,0-2,5 часа). Подго-
товленные таким образом штампы после лазерного упрочнения

в 3,0-4,0 раза.



недостатков, ограничивающих сферу их применения: невысокая
производительность до 50 мм2/мин, малые размеры рабочей зоны
150x200x200 мм, неравномерность распределения энергии в
сечении луча; Эти недостатки учтены при разработке новой
установки для термической обработки "Квант-18".

Использование в установке “Квант-18” излучателя с четырь-
мя цилиндрическими или одним прямоугольным активными
элементами из стекла с неодимом позволяет получать на



круглой или

прямоугольной формы. Применение “пятна закалки" прямоуголь-
ной формы позволяет эффективнее подвергать лазерному упроч-
нению технологическую оснастку сложной формы с протяжен-
обеспечивает стабильное положение плоскости обработки, при
этом размеры лазерного луча в этой плоскости могут плавно
изменяться во всем диапазоне регулирования. Корректировать
режимы упрочнения для различной оснастки можно незначитсль-

тепловой режим

ным размером

излучателя установки остается неизменным. Использование в
установке “Квант-18” длиннофокусного объектива дает возмож-
ность упрочнять технологическую оснастку с перепадом высот
рабочих элементов в пределах - 10 мм без перемещения
обрабатываемого изделия по вертикали относительно объектива.

введения корректирующих элементов (полупрозрачных зеркал)

сечению луча.

НПО “Полюс” (Москва) совместно с ОКБ (г.Белгород)
проведены работы по определению режимов упрочнения наиболее
часто применяемых в инструментальном производстве сталей:
45, У8, 08ХВГ, 2X12М, ШХ15. Предварительно осуществяется
термическая обработка на твердость HRCS 57-59, шероховатость
поверхности Ra = 2,5-0,63 мкм. Лазерная закалка проводится на
воздухе и в среде аргона. Обработку лазерным лучом круглого
сечения проводят с 50%-ным перекрытием “пятен закалки",
прямоугольного сечения - с 10%-ным перекрытием, как показано

Характер распределения зон термического влияния, их струк-
тура и фазовый состав существенно не отличались от характе-
ристик упрочненных слоев, полученных на установке “Квант-16”.
Значения микротвердости при обработке круглым и прямоуголь-
ным "пятнами закалки” одинаковы.

Таблица 8.1

Режимы различных вариантов лазерной закалки

	Эжт-гпя юлучома. Лж			
	круглое 'ожтао мылки*		пркмоугмьжх “tUTMO милхи*	
				
45	106	104	71	72
У8	105	103	70	7]
ХВГ	100	98	67	67
Х12М	99	96	66	66
ШХ15	103	10!	69	69
Поразра

мялись рабочие поверхности

вырубных, вытяжных, гибочных штампов и разнообразного
режущего инструмента, полученные характеристики показаны в
таблице 8,2, Лазерную закалку проводили таким образом, что
после переточек штампов и инструмента упрочненный слой по
возможности сохранялся. Производственные испытания упрочнен-
ной оснастки и инструмента свидетельствуют о повышении их
стойкости в 1,5-4,0 раза. Максимальная твердость получена на
вытяжных штампах из стали У8 и вырубных штампах из стали
Х12М.

Таблица 8.2

Характеристики результатов лазерного упрочнения
(закалки) штамповых сталей

	Глубкжя уарочяипого слов		Чихротжрдость. }<v	
			-сходив	дожде» слов
45	160	140	5600	8900
У8	160	140	7080	10230
ХВГ	150	130	7300	9760
XI2М	140	120	7540	9760
111X15	150	130	7080	9340

Установка “Квант-18” по сравнению с установкой ”Квант-1б"
обладает более высокой надежностью и позволяет обрабатывать
более широкую номенклатуру инструмента и технологической
оснастки.

Применение твердотелых лазеров обусловлено оснащением
технологических лазерных установок числовым программным
управлением. Так, уже в настоящее время установка “Квант-16”
выпускается с ЧПУ. В этой установке при обработке деталей
сложного контура программа упрочнения записывается на ком-
пакт-кассету с магнитной лентой. Обработка несложного контура
производится по программе, записанной непосредственно в
оперативное запоминающее устройство.

Установка оборудована двухкоординатной импульсно-шаговой
системой с ЧПУ и мини-ЭВМ типа 15 ВСМ-5. Точность
автоматического перемещения в каждой из координатной гори-
зонтальной плоскости составляет 0,01 мм. При использовании
мини-ЭВМ подготовку, ввод управляющей программы и ее
корректировку можно выполнять непосредственно на установке.
При помощи мини-ЭВМ можно создавать циклы и применять
подпрограммы, что сокращает и упрощает управляющие програм-
мы, интерполировать по контуру, заданному аналитической
кривой, создавать и хранить библиотеку программ на компакт-

СО2-лазеры непрерывного действия.

ВНИИЭТО и ВПТИэлектро провели облучение СО .-лазером
инструментальных сталей марок Р6М5, 11Х4ВЗФ2С2М (ДИ-
37), У8, 9ХС, Х12М. Наиболее благоприятная структура н
повышенная износостойкость получены на сталях 9ХС, ДИ-37,
2Х12М. Дальнейшие работы проводились па пуансонах для
вытяжки цинковых полюсов из стали 9ХС для Елецкого
элементного завода.

Облучение пуансонов из стали 9ХС проводили на технологи-
ческой лазерной установке “Сильвания" на базе СО2-лазера
мощностью 1,2 кВт. Пуансоны прошли предварительную термо-
обработку: закалку с 860'С в воде, отпуск при температуре 230‘С.
В целях увеличения коэффициента поглощения лазерного излу-
чения на поверхность пуансонов наносили покрытия. Были
выбраны два типа покрытий: фосфатирование и чернение

нах больше, чем на пуансонах, покрытых сажей. Обработку
пуансонов проводили при различных режимах как с оплавлением

пределах 200-600 Вт, а скорость - 12-55 мм/с, расстояние от
линзы до термообрабатываемой поверхности сохранялось посто-
янным во всех экспериментах - 1000 мм. Пуансон располагался

Есть зависимость глубины закалки от мощности лазерного
излучения и скорости перемещения детали.

Значительные глубины закалки получены как на фосфатиро-
ванных (б™,10.5мм), так и на черненых сажей пуансонах (8т1 =
0.345 мм). На последних наибольшая глубина закалхи получена
без оплавления поверхности при облучении непосредственно
режущей кромки пуансона. Исходная твердость обрабатываемого
материала HV689O-714O(HRC, 59-61), твердость в зоне лазерной
закалки HRC, 65,7-67,5.

Закаленная лазером зона представляет собой мелкоигольча-
тый мартенсит с твердостью HV 7800-10000 (HRC, 65,7-67,5).

Характерной особенностью пуансонов, изготовленных из стали
9ХС является наличие между оплавленной и закаленной обла-
стями промежуточного слоя глубиной 0,015-0,035 мм, в котором
избыточные карбиды растворяются с последующим образованием
мартенсита при охлаждении.
|акалхи позволяют использовать для пуансонов из стали 9ХС
режимы лазерного упрочнения как без оплавления, так и с
«плавлением.

Щероховатости) была обработана партия пуансонов.

Упрочненные пуансоны обеспечили вытяжку 60-100 тыс.
Цинковых полюсов. Необработанные пуансоны выходят из строя
После вытяжки 23-25 тыс. деталей.

Экономические расчеты показали нерентабельность в на-
стоящее время применения СО2-лазеров в инструментальном
Производстве ввиду их высокой стоимости (свыше 100 тыс.руб.)
И низкой производительности (коэффициент загрузки менее
10%).

СО2-лазеры для упрочнения деталей массового производства
Целесообразно использовать в автомобильной, тракторной и
других промышленностях в тех случаях, когда другие виды
упрочняющей обработки применять нерентабельно.

Рекомендации производству.

Твердость.

слоя, плотность энергии, микро-

Глубина упрочненного слоя может быть определена по фор-

ГДе а - коэффициент температуропроводности;

т - длительность импульса лазерного воздействия.

В ряде практических случаев, например, для упрочнения
вырубных пуансонов диаметром 2-3 мм, требуется проводить
лазерное упрочнение при разных диаметрах “пятен закалки".
Значения критической плотности энергии лазерного излучения
(Е, Дж), глубина упрочненного слоя (Z, мкм) некоторых марок

до и после упрочнения приведены в таблице S3.
Таблица 8.3

Режимы лазерной закалки инструментальных сталей

	Спа						
	У»		♦хс	хвг	ШХ15	Х12	
10* Дж/м2	310	300	300	300	300	280	ио
104 Дж/м2	200	190	190	190	190	180	180
Z . мкм	125	120	120	120	120	105	105
Z мкм	135	130	130	130	130	115	115
«V»	1030	1000	980	1000	980	960	960

Оптимальные режимы упрочнения типовых инструментальных
сталей на установке “Квант-18” даны в таблице 85.
Таблица 8.5

Оптимальные режимы упрочнения инструментальных
сталей на установке “Квант-18”

	Э«рпи шумам. Дж							
							Tw»mHVM	
	°-*							
45	106	71	104	72	160	140	560	890
У8	105	70	103	71	160	140	708	1023
хвг	100	67	98	67	150	130	730	976
Х12М	99	66	96	66	140	120	754	976
ШХ15	103	69	101	69	150	130	708	934

Пример. Оптимальные режимы лазерного упрочнения стел-

импульса Е - 8 Дж, длительность импульса т - 4 мс; количество
импульсов в фокальном пятне п = 1-8. фокусное расстояние
фокусирующей оптики Е=37мм, смещение поверхности образца
относительно фокальной плоскости ДЕ = 0,05* 0,1 мм. При этих
режимах обработки диаметр зоны проплавления составляет
Взаимодействие высокоэнергетических электронов с метал

ной эмиссии, механическим давлением электронного потока,
созданием в объеме радиационных дефектов и т.д.

Это отражается на физико-механических свойствах матерна

существнное повышение предела текучести, в меньшей степени
твердости и понижение таких характеристик, как ударная
вязкость и относительное растяжение до разрушения.

т.е. при наличии терморадиационных эффектов, изменения
физико-механических свойств материалов становятся еще более
значительными.

Таким образом, импульсное облучение отожжнной стали при

закаленных образцов вызывает отжиг, для реализации которой'

Облучение интенсифицирует различные физико-химические
поверхностные процессы: химическую, адсорбционную, каталшпи
ческую активность поверхностных слоев. Все вместе это должна
влиять на трибологические процессы, протекающие в контактах
сопряженных деталей машин.

При наличии различных покрытий импульсный поток элект
роков с энергией более 1,6  I0"13 Дж вызывает прогрсп
приповерхностных слоев материалов и ускоряет диффузионные
процессы на границе разнородных сред.

Облучение покрытий вызывает снижение коэффициента трс
НИЯ и стабилизацию его значений во времени.

Фрикционные испытания материалов показали улучшение
трибологических характеристик покрытий, а износостойкость
повысилась в 4-6 раз.

В определенных условиях облучение некоторых твердых
смазочных материалов может привести к значительному умет,
шеиию сил трения.

При бомбардировке ускоренными атомами гелия поверхность
дисульфида молибдена интенсивно очищается от влаги и стана

орн

вится структурно ,

Значител

>лучения на полимеры. Под действие м
в них образуются различного роля
активные промежуточные частицы - свободные радикалы,

превращения. Вследствие вторичных химических свойств полиме-

ра. Наряду с химическими i



а результате которых изменяется степень сшивки, степень
кристалличности и т.д.

Ионизирующее облучение влияет на реологические свойства
полимера — уменьшалось внутреннее трение и тем самым
повышалась надежность при циклических нагрузках.

Разработав способ снижения трения и адгезии резин, заклю-

чающийся в

на поверхность

резины тонкого слоя (от монослоев до 50 мкм) антифрикционного
вещества, например политетрафторэтилена. Обработке подверга-
лись различные резины на основе каучуков.

Радиационное упрочнение армко-железа, меди и алюминия
более значительно по сравнению с упрочнением сплавов на их
основе, что позволяет сделать вывод о стабилизирующей роли
атомов примесей при облучении материалов.



I из нормллизован-

ных видов стали или чугуна в литом и отожженном состояниях
и медным сплавам с малой окисляемостью.

При облучении материалов нейтронами протекает одновре-
менно две процесса- упрочнение вследствие образования дефектов,
затрудняющих движение дислокации при деформации металла.

и разупрочнение, выз;

ием свойств границ кристал-

под облучением число радиацион-

процесса упрочнения.

Нейтронное облучение влияет на триботехнические характе-
ристики порошковых материалов: Баббит БКА; БрОЦС-6-6-3;
железо пористое; железо пористое, пропитанное серой; ЖГр-3;
ЖЦс-4; ЖДс-7,5; ЖГр-2-Д-2.

В результате нейтронного облучения увеличилась твердость
(на 20-30%) и износостойкость материалов. Наиболее высокая

Наилучшие результаты получены на покрытиях из боридов
и карбидов хрома. Их износостойкость была в 4-5 раз выше, чем
стали I2X18H9T, при коэффициенте трения скольжения 0,3-0,5.
4.10.	Упрочнение путем электронно-лучевой закалки

Существующие электронно-лучевые установки, обеспечи
вающие точное позиционирование луча и заданной теплоотвод.
с соответствующими приспособлениями используются в США дли
локальной термообработки деталей широкой номенклатуры ил
сталей и чугуна. Компьютер позволяет регулировать отклонение
луча таким образом, что расфокусированный луч сканируется на
обрабатываемой поверхности детали, сообщая ей последователь
ный ряд микроимпульсов энергии, в результате чего происходи)

чивает получение аустенитной структуры. Когда нагрев пре-
кращается, поверхность самозакаливается и приобретает задан
ную твердость. Для защиты эмиттера электронов от окисления
и предотвращения их рассеяния требуется высокий вакуум в
зонах получения и ускорения электронов. Обычно в камере
электронной пушки с помощью турбомолекулярного насоса
поддерживается вакуум 1,33-10"3 Па тогда, как обрабатываемые
изделия находятся в камере, откачиваемой механическим насосом
до 6,7 Па.

Электронный луч “бомбардирует" поверхность детали энер-
гией с плотностью до 8 МВт/см2. Распределение энергии по
поверхности по методу “растровой сетки" состоит в разделении
этой поверхности на ряд адекватно расположенных точек.
Электронный луч последовательно перемещается от одного
локализованного участка к другому через определенные интер-
валы времени (минимальные 20 Г6 с), а затем переводится с
очень высокой скоростью к следующей точке по траектории,
соответствующей заданному контуру поверхности, которая под-
лежит темообработке. Эта “растровая сетка", по которой пере-
мещается луч, сохраняется в течение всего цикла термообработки,
ее повторяемость составляет 200-300 раз/с.

Энергия луча передается на поверхность изделия двумя

различными методами: “статической"

“подвижной" сеткой,
ев и формирование

аустенитной структуры, особенности которой зависят от состава
закаливаемого металла.

При методе “статической" сетки изделия и источник энергии
остаются неподвижными. Этот метод применяют в тех случаях,
когда обрабатываемая площадь не превышает 6,5 см2.

Метод “подвижной" сетки используют для термообработки
гильз цилиндров, колец, валов или инструментов, причем луч в
процессе обработки направляется параллельно оси обрабатывав
мой детали. Для предотвращения перегрева поверхности и ее
расплавления при помощи компьютера регулируют продолжи-
тельность нагрева, энергию луча, ток луча, ускоряющее напря-
жение и другие параметры.

Типичное время, требуемое для растворения небольшого
количества равномерно распределенного в аустените FCjC,состав-
ляет около 1/3-1/2 с. За это время прогревается слой толщиной
0,025 см, что достаточно для последующей закалки. Если энергия
луча прикладывается в течение 1-3 с, толщина зоны, в которой
формируется аустенитная структура, увеличивается. Скорость

она превышает 2200-3992*С/с, аустенит превращается в мартен-
сит. Превращение в мартенсит, получение максимальной твер-
дости поверхности и толщины упрочненного слоя зависят от
массы детали, содержания углерода и исходного состояния
основного металла.

обработки обычно на 1-2 ед. по Роквеллу выше той, которую
получают после обычной термообработки. Кроме того, образова-
ние мартенсита на поверхности вызывает остаточные сжимающие
напряжения, что повышает износостойкость.

Перед циклом термообработки для обеспечения установки
сетки рекомендуется демаг типизация деталей (порядка 2 Гс или

При термообработке круглых ,

валов) на поверхности может образоваться линейная или спи-

компьютерном управлении лучом эта зона отпуска не оказывает
заметного влияния на износостойкость. Поскольку подвод энергии

но, размер и толщину зоны упрочнения получают очень точными,
зона термического влияния минимальна, не требуются правка и
шлифование, не происходит окисление. В отличие от лазерной
термообработки не требуются поглощающие покрытия, отсутст-
вуют защитные газы. При электронно-лучевой обработке исполь-
зуются 74% приложенной энергии, при лазерной - только 15%.

Созданы разные типы машин электронно-лучевой обработки
для различного, применения и производственных требований.
Типичным примером применения электронно-лучевой обработки
в автомобильной промышленности является закалка клапанных
коромысел. Материал, из которого они изготовляются, имеет
следующий химический состав'. 2,2-2,9% С; 0,15-1,25% Мп;
0,02-0,15% Р; 0,02-0,20% S;0.9-l,9% Si; 0,9-1,1 % Сг;0.4-0.7% Мо.
Площадь зоны термообработки 4 см2, продолжительность термо-
обработки 1,5 с (с использованием метода “статической сетки”),
толщина упрочненного слоя 1-1,5 мм, твердость на поверхности -
HRC, 64,5 и на толщине - 1-1,5 мм - HRC, 59. Обработку проводят
на машинах двух типов - четырех- (BD4)u шестипозиционной (DF
6). Характеристики машин приведены в таблице 10.1.

энергии (100 и 460 В, 60 Гц), гидросистема с давлением 250 кПа
при расходе воды 30-37 л/мин и пиевмосистема с давлением
560 кПа при расходе сжатого воздуха 0,028-0,057 м’/ч.

Таблица 10.1
Характеристика машин электронно-лучевой обработки

					«5У
4	М.Ш^НОГО	10,5	1.5	12,0	300
6	Во время работы	1.5	1.5	3,0	1200
Термообработке электронным лучом можно подвергать сле- дующие автомобильные детали: кулачки, роторы, детали кре- пежа, рабочие поверхности подшипников, кулачковые шайбы,					

шаровые соединения, гильзы цилиндров, резцы, кулачковые,
коленчатые и вторичные валы, роторные шпиндели, соединитель-
ные звенья конвейеров, детали сцеплений, седла и тарелки

клапанов, шестерни, инструменты.
4.11.	Ультразвуковая упрочняющая обработка

При контакте инструмента, колеблющегося с ультразвуковой
частотой, и обрабатываемой поверхности возникает удар, при

значение статического усилия прижима.

Ультразвуковая упрочняющая обработка эффективна для
деталей из термообработанных сталей, инструментов и деталей
из твердых сплавов, деталей малой жесткости и с тонкими
покрытиями. При ультразвуковом выглаживании происходит
перераспределение остаточных напряжений по всей детали,

грация напряжений возле пор, михротрещин и т.д,, что приводит
к повышению сопротивления усталости и коррозионной стойко-
сти. Ультразвуковое выглаживание алмазным инструментом по
сравнению с полированием обеспечивает повышение предела

Ультразвуковой упрочняющей обработке алмазным выглажи-
ванием подвергают круглые пуансоны, протяжки и другие
инструменты.
5. Экономическая эффективность
и выбор основных методов упрочнения

Как следует из всех предшествующих глав, увеличение срока
службы деталей машин можно обеспечить путем образования на
поверхности этих деталей упрочненных слоев или покрытий,
обладающих высоким уровнем требуемых свойств - коррозионной
стойкостю при высоких температурах, износостойкостью, твер-

достью, жаростойкостью и

значительную часть сырьевых ресурсов. Улучшение свойств

и производства различного оборудования

уровнем эксплуатационных показателей, а также сокращает
потребление энергии и повышает производительность труда в
различных отраслях промышленности. Способы поверхностной
обработки, имеющие промышленное прнмененеие, перечислены

Таблица 1.1

Способы поверхностной обработки

Способы	|	Cysomo способа		|	Особен»*™ и мвввчемс
Химические и электрохимические способы		
металлопокрытие	образованием покрытия на  анодом (пластикой из изделие,) и катодом	Никелирование
		твердостью 14-240 НВ  декоративных целях или для реставрации изношенных деталей
		обладающее высокой коррозионной стойкостью.  декоративных целей, а  износостойкостью - для

Соособы	Суамстао caocoOi	Оссбсааостм и вазшчевк
		
Диффузионное		Диффузионное насыщение
	изделия металлом или сплавом при высокой температуре с	
		количеством хлористого аммония при температуре 85-1000’С. На  обладающий высокой коррозионной стойкостью при высокой температуре.
		
		ПОО-Тпр^обрХтке °" углеродистой стали.  содержащей до 03% С. в 800-950-С прв обработке высокоуглеродистой стали.  Первую из сталей обрабатывают для повышения коррозионной
		Сульфидный слой предотвращает заедание, повышает износостойкость.
	слоя на поверхности стальных изделий в результате диффузии свободной серы.  температуре обработки (до	
	из нейтральной соли, карбоната или другого неорганического вещества с добавлением сернистого	
Способы	Су пост» ггг**Л*	Особсавостк  важаяоам
Цементация	Диффузионное насыщение	Для упрочнения теерджтиТ700^850Ч? НВ, используют для обработки автомобильных в других
	низкоуглеродистой или	
	80Э-950*С₽аПо₽8аду	
	бывает газообразной (среда - оксид углерода,  древесный уголь, углекислый натрий, кальций, барий или ах смесь) жидкой (среда - моляная ванна на основе	
	содержащей алюминий, хром, молибден а другие легирующие элементы.  при нагреве до 475-58СГС	износостойкости
		зубчатых колес и других деталей машин с твердостью 500-1200 НВ.
	поверхности изделий из углеродистой стали азотом и углеродом при нагреве до температуры 750-900’С	юносостойкости н
		
		поверхности изделий.
		повышения твердости.
	посредством нагрева	
	части (ТВЧ).	
Способы	Суяостк,	Особаавости и пинии
	Нанесение слоя путем осаждения атомов или  вакуума (остаточное давление) 13,3-1,3 МПа.	металлического блеска в
		таел”й.П“'',ХН°СТ“
Эиииромняе	металлических изделий стеклянной глазури н	Для повышения
		ИЗНОСОСТОЙКОСТИ.  электроизоляционных
Электроискровое	Образование упрочненного  диффузионного переноса вещества  поверхностный слой	износостойкости за счет поверхностного упрочнения. Используют для упрочненжчя штампов
	искрового разряда между изделием и электродом  магнитного вибратора  на электрод, вибрация  которого сопровождается  периодическим  с изделием с помощью  источнику тока через  сопротивление.	
	Нанесение слоя  металлическую поверхность путем  плавления присадочного  материала теплотой  или плазменной дуги и др.	изделия, слоя.  обладающего повышенной из носостойкост ью.  жаропрочностью и


ще ДП - годовая прибыль;

ДКО - вложения в создание оборудования для упрочняющей
технологии, обеспечившие этот прирост прибыли.

В отраслях и предприятиях, где вместо оптовых цен приме-
няются расчетные, коэффициент общей эффективности

Кр - вложения в создание оборудования для упрочняющей
технологии.

- ТМС +"К,
еде Дп и Дм - затраты по одному из ср

(5.3)

к одному периоду или к одному моменту;

С - себестоимость продукции (работ) или текущие затраты
по данному варианту;

К - капитальные вложения или единовременные затраты по

Ек - нормативный коэффициент экономической эффектив-
ности капитальных вложений;

Тя - нормативный срок окупаемости капитальных вложений.
(5.5)

Сравнительная экономическая эффективность может быть
исчислена за любой период времени, но обычно в качестве
расчетного периода принимают один год. Поэтому входящие в

капитальных вложений и себестоимость годовой продукции, так
и удельные величины: капитальные вложения на единицу
продукции за год и себестоимость единицы продукции (работ).
Соответственно и приведенные затраты могут быть полными До
и Д„ или удельным д„ и дм. Ниже приводится таблица
размерностей всех показателей, используемых для исчисления

Экономически предпочтительнее является тот из вариантов,
по которому приведенные затраты окажутся наименьшими.
Возможны случаи, когда минимальные приведенные затраты
окажутся одинаковыми в нескольких вариантах. Например:

Потребное количество единиц упрочняющего оборудования
для выполнения годового объема работ в натуральных единицах
рассчитывают по формуле

me Qcp - годовой объем работ в натуральных единицах;

Пч - производительность единицы оборудования, занятого
при выполнении данной операции, натур/ед.час;

Ф - действительный годовой фонд времени работы еденицы
оборудования, ч;

а«со " коэффициент использования (загрузки) единицы
оборудования по времени.

Действительный годовой фонд времени работы упрочняющего
оборудования Ф рассчитывается в зависимости от количества и
продолжительности рабочих дней в году, числа смен работы и
плановых потерь времени на капитальный и средний ремонт
оборудования, предусмотренный по системе планово-предупреди-

тельного ремонта.

В соответствии с действующим положением при пятидневной
рабочей неделе должно быть обеспечено сохранение годового
баланса рабочего времени, определенного для шестидневной
рабочей недели. Поэтому расчет фонда времени следует произ-
водить по формуле
Таблица 1.2

Размеренность показателей экономической эффективности
Д.~ Дш> К=+ <Дс + Д™> КеЧ°р <58>
где 365 - число календарных дней “



- число праздничных дней в году;

число воскресных дней в году, не совпадающих с

Дс - число субботних дней в году, не совпадающих

 число предпраздничных дней в году, не совпадающих
с субботними днями;

Ке - продолжительность смены в субботние и предпразднич-

Ч - принятая сменность, число смен;

af - коэффициент, учитывающий время на капитальный и
средний ремонт предусмотренное системой ППР.

Для укрепленных расчетов коэффициент ар при одно, двух

0,97; 0,95 и 0,93.

Коэффициент использования оборудования ака учитывает
неизбежные простои, возникающие по технологическим и орга-
низационным причинам (аварийный ремонт, занятость рабочих

отсутствие материалов и т.д.).

других

Величина этого коэффициента зависит от типа производства,
режима работы в цехе, а также от эксплуатационной надежности
оборудования и принимается по фактическим данным предприя-

тий. В предварительных расч

приближенно берется равным 6,7 для индивидуального и мелко-
серийного производства и 0,8 для крупносерийного и массового.
При изменении годового объема работ в единицах времени
работы (машино-часах, нормо-часах) расчетное количество еди-
ниц оборудования, потребное для выполнения каждой операции
упрочнения определяют по формуле

тие Т2 - фонд времени, потребный для выполнения годового
объема работ, машино-ч/год (нормо-ч/год);

'ют ~ штучно-калькуляционное время на одно изделие на
данной операции упрочнения, машияо-ч (нормо-ч.);

л - годовая программа выпуска изделий, ед.;

а, - коэффициент выполнения норм выработки (при расчете
по нормо-часам);

оборудования, ч.
операциях упрочнения принимается по фактическим данным
действующего предприятия. В предварительных расчетах при
наличии технически обоснованных расчетных норм времени этот

использования (загрузки) единицы оборудоваиия^по времени.

Штучно-калькуляционное время в машино-часах на одну
операцию определяют в соответствии с принятыми режимами
работы упрочняющего оборудования и установленными нормами

вспомогательного и прочего времени. Если величина задается
в нормо-часах, то для перевода в машино-часы следует принять
коэффициент, учитывающий работу двух и более рабочих при
выполнении данной операции.

При поточном производстве потребное количество единиц

оборуд

ят по формуле

(5.9)

гае Рл - ритм работы линии при

>го изделия,

Ритм работы однопредметной линии Рп, т. е. промежуток

изделий, рассчитывается по формуле

о

гае л - годовая программа выпуска изделий, шт./год.

Рсчет требуемого количества единиц оборудования периодиче-
ского действия, объем работы которого измеряется суммарной

в часах, можно

продолжительностью произволе
отределить по формуле

всех циклов работы

- сум

оборудования за год, занятого при выполнении данной
операции изготовления изделий;

Qp г - годовой объем работ;

/ц - длительность одного цикла данной операции, ч/цнкл;

Пц - производительность оборудования за один цикл, натур,
ед/цикл.

Определение коэффициентов экономической эффективности и
сроковокупаемости. Следует различать расчетные и нормативные
коэффициенты экономической эффективности.

фективности определяют по формуле


Е =-



вариантах, приведенная к сопоставимому объему,
руб/ год;

К, и К2 - сопоставимые капитальные вложения по тем же
вариантам, руб.

Показателем, обратным коэффициенту экономической эффек-
тивности, является срок окупаемости капитальных вложений



(5,12)

Определение годового экономического эффекта. Годовой эко-
номический эффект, получаемый в результате создания и
внедрения новой упрочняющей технологии представляет собой
разность годовых приведенных затрат по базовому и внедряемому
вариантам и определяется по формуле

Э - (С, + Е„К,) - (С2 + Е„К2),	(5.13)

1де С, и С2 - годовая себестоимость продукции соответственно
по базовому и внедряемому варианту при объеме

производства по внедряемому варианту, руб;

К, и К2 - капитальные вложения соответсвенно по базовому
и внедряемому вариантам, необходимые для выпуска

руб;

Е„ - нормативный коэффициент экономической эффективно-
сти, 1/год.

В некоторых случаях при расчете годового экономического
эффекта удобнее пользоваться формулой (5.13) в преобразован-

(С, - С2) - экономия от снижения годовой себестоимо
сти продукции, руб;

(К, - К2) - дополнительные капитальные вложения,
руб.

При использовании удельных величии себестоимости и капи-

тальных вложений годовой экономический эффект рассчитывают
путем умножения результата расчетов по формулам на годовой
объем производства продукции или работ по внедряемому
варианту. Ниже приводится примерная последовательность рас-
чета приведенных затрат, отнесенных к весу упрочненного	
Показатели	Формулы
Заработная плата с начисле-	
пнями, руб 		3 -	' «с
Затраты на материалы, руб .	Св = ГНЩ1
Затраты на электроэнергию.	
руб		С, “ ЧА
ния, руб		Са = Х”,
Затраты на текущий ремонт	N С п
и обслуживание обордования	С =  ртГк - Пгод
Общая технологическая себе-	
стоимость 1 кг упрочненного	С - 3 + сл + с, + са +
	1	L 1 J
Удельные капитальные вложе-	тр	и
ния на 1 кг упрочненного ме-	* = f
талла, руб/год 		

Приведенные затраты на
1 кг упрочненного металла,
РУб............................ Э	= с + £/

Если в результате внедрения новой упрочняющей технологии

сопряженных производствах или как у изготовителя продукции,
так и у потребителя, то общий годовой экономический эффект
подсчитывается как алгебраическая сумма полученных отдельных
результатов:

Э-<С( - ЕиК|)-(Сг1+В,К2)+(С|+ЕпК,)-( С2+Е,К2) (5.15)

соответственно до и после вредрения новой или
улучшенной продукции, руб;

Kj н К, - капитальные вложения у потребителя соответст-
венно до и после внедрения новой или улучшенной
продукции, руб.

Ниже приводятся конкретные примеры расчетов экономиче-
ской эффективности определенных, притом наиболее часто
приткняемых методов упрочнения (ионно-плазменное упрочив-
5.1.	Расчет экономической эффективности
ионно-плазменного упрочнения

Установка вакуумного ионно-плазменного нанесения износо-
стойких покрытий ПУСК предназначена для упрочнения ре-
жущего и штампового инструмента. Применение установки
ПУСК позволило увеличить стойкость инструмента в 2 раза.

Расчет экономической эффективности.

Годовая потребность ружущего и штампового инструмента
составляет 157,4 тыс. шт. За счет повышения стойкости инстру-
мента в 2 раза годовая потребность составила 78,7 тыс. шт.

Расчет себестоимости по изменяющимся статьям затрат.

В связи с внедрением нового варианта увеличились сле-
дующие статьи затрат:

-	заработная плата, включая все доплаты и начисления на
зарплату;

-	вспомогательные материалы;

-	амортизация оборудования;

-	электроэнергия.

Затраты на вспомогательные материалы включают в себя

Годовой экономический эффект.

Годовой экономический эффект определен по формуле

Где 3, и 3, - приведенные затраты единицы продукции, тыс. руб.

Расчет экономической эффективности приведен в табл. 1.5,
а расход инструмента в табл. 1.4.
Таблица 1.3

Сводные результаты расчета экономической

эффективности

	и“"			
расчетном году тыс. шт.		157,4	78,7	-пл
2. Себестоимость по язменяющкмс эксплуатационные издержки (И	। статьям затрат (С, i		« С2> или годовые	
(инструмент)		343	171.5	-171.5
- вспомогательные материалы			0.88	*0.88
- электроэнергия			1.6	*1.6
- заработная плата			3,28	+3.28
- амортизация			3.5	+3.5
- прочие			0,15	40.15
мп"г“и,“х	«т			0.3

Таблица 1.4

Перечень и расход инструмента, предназначенного

ж	Назокмомже юктрумежт.	Мари магеувл.	ГОДОМ! ООф4«И«ТЬ ХУТ.
1.	Резцы	Т5К10ВК8		60000
х	Сверла	ВК8	400
3.	Метчики	Р65М	1-00
4.	Развертки	Р6М5	1000
5.	Фрезы *	Р655	12000
6.	Ножи и фрезы	T5KI0	8000
7.	Сверла	Р6М5	50000
8.	Пуансоны	Х12М; У10	5000
ft,	Матрицы	Х12М; У10	5000
		Итого:	157400
5.2.	Сравнительные экономические данные
антикоррозионной защиты

Для сравнения вариантов антикоррозионной защиты предла-
гается использовать следующую скорректированную формулу
приведенных затрат:

т < VA«A

(5.15)

ее И - средневзвешенные годовые издержки эксплуатации
фондов (изделия, оборудования);

Е„ - отраслевой нормативный коэффициент эффективности
капитальнеых вложений;

Ф, Т - стоимость и срок службы фондов;

Коб„ - коэффициент обновления фондов данного вида;

Зхр - годовые затраты на капитальный ремонт фондов;

А - годовая амортизация на капитальный ремонт.

Величина И учитывает разновременность текущих затрат на
основе дисконтирования;

И - КГИ, + K^Hj +...+ К2ИТ| + К, И,,	(5.16)

где К2 - дисконтирующие элементы, в сумме равные единице,
определяются по формуле:

(5.17)

Коэффициент К^ рассчитывается по формуле

Величина 3 определяется по выражению
Зхр “ VrfA

где коэффициент К^ представляет собой отношение годовых
расходов на капитальный ремонт к стоимости новых фондов. Но

пых ремонтов (i-й год службы фондов) и его стоимости (а; -
отношение затрат на ремонты к балансовой стоимости фондов).

Варианты антикоррозионной защиты, минимизирующие скор-

прочих равных условиях повышают темпы развития производст-
Технология получения покрытий за счет нанесения порошко-
вого металлического слоя или оболочек, припекания его к
основанию и последующей термообработки.

Себестоимость изготовления детали с покрытием См может
быть определена непосредственно по техническим нормам или в
сравнении с себестоимостью изготовления стандартной детали

C„=Co+e;, Ц,,+ Vi. (I + HHG.- с.) Ц,- G„ (IL- IQ (5.18)
" масса и стоимость материалов, необходимых для
нанесения покрытий на одну деталь;

- тарифные ставки исполнителей и продолжительность
работ (О, связанных с нанесением покрытий;

Н.	- коэффициент, учитывающий накладные расходы, свя-
занные с использованием дополнительного оборудова-
ния, приспособлений, площадей и т.д.;

G„, G„, - масса заготовки соответственно для изготовления
детали без покрытия и детали с покрытием;

Ц,,	- цена одного килограмма материала основания

детали изготовленной по технологии без нанесения
покрытия и с покрытием.

кг), зависит от площади покрываемой
и толщины слоя (Лр

Ql= Sh|Yl= Sh,(l-e)ye,

(S, м2)

Для деталей, работающих на износ, толщину покрытия
принимают

Величину допустимого износа /м (м) принимают по справоч-
нику (ремонтника) или из технических условий эксплуатации
соответствющего узла. В большинстве случаев ц - 0,3-3 мм;
перекрытие основного материала /р - 0,05-0,2 мм; припуск на
механическую обработку принимают в зависимости от разновид-
ности спекания; яри спекании с поверхностным и общим нагревом
к^ - 0,5-1,2 при ТМС kn - 0,3-0,5 а при использовании
калибровки kn - 0-0,3 мм.

Для жаро- (кислого- и т.п.) стойких покрытий

где у - скорость окисления (растворения), мм/ч;
Наиболее дешевые материалы - порошки железа и

их следует использовать в

местах с наиболее тяжелыми эксплуатационными условиями.

Металлизация дает возможность наиболее полно использо-
вать материалы. Кроме этого, металлизация позволяет наносить
покрытия с переменными свойствами: на одной поверхности в
местах наибольшего внешнего воздействия (трения) наносят слои
из более износостойкого (более дорогостоящего) материала, а в
других местах — из менее дефицитного и недорогостоящего

материала.

пуск на последующую обработку обеспечивают высокую рента-
бельность металлизации.

Из анализа формулы Сп видно, что для многих деталей Сп >



оляет уменьшить металлоем-

кость детали или заменить материал основания менее догоро-

Годовая экономия применения металлизации при изготовле-
нии или

ыполненной машиной (агрегатом) в
период гарантийного по надежности времени работы

- объем работы машины, для

число деталей, изготовляемых (восстанавливаемых) с
применением маталлирования;

В таблице 1.3 приведены примеры экономии денежных средств
и металла при изготовлении новых и восстановлении изношенных
деталей с применением металлирования. Если учесть сокращение
простоя оборудования при смене деталей, Сокращение числа
ремонтников и т.д., то уточненные цифры будут еще выше, чем
в табл. 1.5.

Широкое внедрение металлирования обеспечит значительную
экономию денежных средств и большого количества металла, что
видно из табл. 1.5.
Таблица 1.S

Эффективность применения мателлизации
(на одну восстановленную или изготовленную деталь)

.4^^.	<*«““»• Я*		*.			Примгыте
	с.	с.		р>«.	“•'<? с-	
Жприляющ.' &«ко»	1.22	1.12	12,30	УВ-4.0	и	
Седло я клапан задеяжкн	$2.6	62,9	50	2400	л35-450	
Прокатный аал	28	89		364	9Х-360	
Тяговый барабан	1,52	3,16	5.5	5,20	9Х-30	
Лодочк.	113	13,62	4.5	35.0	N1-2.4	

Выбор материалов и способов повышения эксплуатационных
свойств для деталей машин указав в табл 1.6.
Выбор материалов и

Таблица 1.6

грационных свойств для деталей машин

Нммсмомшк детые*	Хлрмтет работы		<кМШ. мим поврежден .	
резьбовых соединений,  вызывающие  напряжения.	Статистические напряжения от преаваригельной затяжки и переменные напряжения от изменяющихся во время работы нагрузок.	Стали углеродистые качественные марок от 10 до 4$; стали	деформации.	Повышение прочности, уменьшение
				класса чистоты поверхности резьбы болта, накатка резьбы болта роликами.
передач.	деформани сдвига рабочей  трение и удары торцов коробок передач при включении скорости.	конструкционные (для зубчатых передач,  мощности и  марок от 35 до 50;  ма^ЗбХМОХ^Х. 40ХН, 45ХН. 18ХГТ, ЗОХГТ, 12НЗА.	перегрузки, осповидное выкрашивание, изнашивание или пластическая деформация рабочих поверхностей зубьев, торцовый износ зубьев, зубчатых коробок передач, заедание зубьев)	Улучшение, сплошная закалка, цементация.
				
fUxxexoMKMc деталей	Харитер работы	Матеуш. пр^м.схме	Оскоаиые май оо.рехде«хй .	Сассовы ««««х.
		I2X2H4A, 40ХНМА;  38МЮА; чугуны серые		
	червячного колеса.	БрЛН>!0*1?Бр.ОНФ.  чугуны марок от СЧ15		цементация рабочих
Звездочки цепных	Удары и трение рабочих поверхностей звездочек об элементы	C41S; коиструк Р ционные углеродистые	поверхностей зубьев.	цементация рабочих
			-w-« .	
		Углеродистые стали обыкновенного качества марок СтЗ, Ст4 и качественные  45; легированные	Усталостные изломы, изнашивание и задиры цапф, заедание.	Уменьшение влияния концентраторов напряжение (увеличение радиусов галтелей, исполнение шпоночных канавок с
	кручение, ускорение  цапфой и опорой.			
				I Wi  dihll
				
Опоры скольжения (подшипники и подпятники).	между опорой и	олова, свинца, меди.  антифрикционные  металл о- керамические  материалы: твердые породы дерева (бук, дуб. ольха, самшит): пластмассы, резина.	Изнашивание,	жидкостного Трения.
			разрушения	
671
				
поршеневого двигателя	Механические нагрузки от переменного давления газов, тепловое н коррозионное воздействие газов, трение о поршневые кольца и поршень, коррозионное действие охлаждающей	Высококачественные серые чугуны, с	результате изнашивания при  давлении поршня, трещины, коррозия наружной поверхности гильз и кавитационное	Поверхностная (или  отпуск, покрытие внутренней  слоем пористого хрома  фосфатирование  оцинковывание или
		ноляфяцвроминие		
		чугуны, легированные		
		стали 35МЮА и 38ХМЮА.		
Поршень двигателя внутреннего сгорания.	движения поршня.	Серые чугуны марок СЧ24. СЧ44. СЧ28. *  iob.RM АЛЗО. АЛ26. деформируемые алюминиевые сплавы АК2. АК4. АК4-1. специальные чугуны и алюминиевые сплавы.	Изнашивание	Покрытие боковой  фосфатирование.  сульфидирование.  последующим  алюминиевого сплава.
				
	трение боковой поверхности о зеркало			

				
Лсмехи плугов.	Давление пласта	Специальные лемешные стали Л53. Л65, М56.	Затупление режущей	последующим отпуском лезвия, наплавка на лезвие твердого сплава
	абразивной среды.			
		Сталь марки МСт2, трехслойная сталь.  стали МСт2.	Поломка крыла и его изнашивание в месте схода пласта почвы.	последующая закалка
Зубчатые колеса коробки передач	Удары торцов зубьев контактное сжатие и	Цементируемые стали марок 18ХГТ и	Торцовый износ	(бочкообразной)  зубьев, цементация пли нитроцементация  зубьев с последующей закалкой и отпуском.
			поверхностей зубьев.	
		стали марок 20ХНР, 20ХГНР  20ХНЗА.		
	к эвольвентным поверхностям.			
			01 ’	
Звенья гусениц гусеничных тракторов.	беговую дорожку и	Аустенитная	Изнашивание	беговых дорожек, наплавка почвозацепа вольфрамовым чугуном.
		сталь марки П2Л,  35Л1, 45Л1, 45? сталь 20ХГСНМ.	цепок в месте зацепления с ведущим  беговой дорожки,  разрушения.	
	ZX\Z’»TB			
	инерция движущихся  трение шеек о заливку	высокопрочного или	Уменьшение диаметра.	Поверхностная полирование коренных  обдувка дробью увеличения выносливости).
		чугуна, стали марок СтЗ, 35, 40, 45, 50. 35Г. 45Г2, 50Г, 40Х.  40ХГМ, 40ГМ.  40ХНМ, стали марок 40ХН, ЗОХМА.  18ХНВА, 18НМА, 20ХНЗА, 40ХЗМЮ, 25ХН4ВЛ, 38ХМЮА.		
				

d sh «И ? ‘hlfilii	j i
hili ii	II  .11
ilffliii ii  I1 ihllllb 11	ii| hliliiHl
l, J hip d	I ..I
1 llhph li  Ilkhl! 11	bill
1,1	i  h	i  j 1! ।	11  fit	d	li  II  lit

СОДЕРЖАНИЕ

Технология упрочнения
(технические методы упрочнения)
Том 2

1.	Роль дислокаций в упрочнении металлов и сплавов

1.1.	Атомно-кристаллическая структура металлов
Образование кристаллической решетки . . .

1.2.	Сведения о пластической деформации

1.	Субструктура металлов ..................

2.	Скольжение и двойникование..............

1.3.	Виды несовершенств кристаллической решетки

1.	Твердые растворы замещения .............

2.	Твердые растворы внедрения..............

3.	Примеси ...............................

4.	Внутренние поверхности раздела ........

5.	Дислокации ............................

1)	Образование краевой дислокации ....

2)	Образование винтовой дислокации ....

3)	Частичные дислокации...........

4)	Дефекты упаковки ..............

1.4.	Движение дислокации

2.	Диффузионное движение дислокации . . .

1.5.	Дислокации в недеформированных металлах

1.6.	Дислокации

10

16

19

20

20

20

31

32

; металлах


1.7.	Механизм упрочнения металла дефектами	34

1.8.	Современные представления о физической природе

прочности металлов и сплавов

2. Упрочнение металлических материалов методо
ностного пластического деформирования (ППД)

'2.1. Общие положения	39

2.2.	Систематизация методов упрочнения методом ППД 41

1.	Обкатывание и раскаты!
инструментом .........

Сущность процесса

I методом ППД
овым и роликовым

2.	Технологические параметры процессов..........

Удельное усилие при обкатывании .............

Влияние подачи ..............................

Влияние диаметров шариков ...................

Усиление давления шариков на поверхность . .

Число проходов ..............................

Влияние скорости обкатывания.................

Методика выбора параметров ППД при обкатыва-
нии и раскатывании...........................

3.	Технологическая оснастка и оборудование......

Конструкции инструмента .....................

Гидравлическая и пневматическая оснастка для
обкатывания .................................

Производственный опыт........................

Кинематика обработки инструментами непрерыв-
ного действия ...............................

Раскатка непрерывного действия...............

Типовые конструкции инструмента для чистовой
обработки поверхностей . ....................

Проектирование процесса накатывания поверхно-

4.	Алмазное выглаживание......................

Производственный опыт.......................

Технологические возможности обработки выглажи-
ванием при использовании оборудования с ЧПУ
Выглаживание поверхности твердыми сплавами .

Направление колебаний перпендикулярно обраба-
тываемой поверхности ........................
Колебания по направлению подачи инструмента

130

130

2,4. Динамические спосо

1. Обработка дробью

I методом ППД

и пневмодинамическое упрочне-

3.	Пяевмогидродробеструйный способ упрочнения . . .

4.	Надежность шариков в гидродробеструйных уставов-

5.	Упрочнение микрошариками, стеклянными и ледяны-
ми шариками .................................. .

7. Ультразвуковая обработка .....................

Выбор параметров УЗО ......................

Технологическая оснастка и оборудование . . .

136

136

147

153

161

164

165

166

168

173

сти деталей УЗО .............................

8.	Вибродуговая обработка.........................

9.	Ударная обработка специальным инструментом . . .

Центробежная обработка .....................

10.

1> Обработка механическими щетками.........

2) Радиальные проволоки из гофрированной про-

178

178

180

180

185

188



3)	Радиальные пленки с витыми прядями ....

4)	Торцовая щетка с витыми прядями..........

5)	Обработка механическими щетками с примене-
нием отражательного устройства..............

6)	Конструктивное исполнение комбинированных

металлических щеток.........................

11. Центробежная обработка (Ротационная обработка
инструментом ударного действия)..................

192

196

196

197

197

200

201

2.5. Комплексные и комбинированные способы упрочнения



2.	Методические основы создания новых способов ППД
Упрочнение ППД в сочетании с покрытиями . .

3.	Инструмент и технологические возможности со-
вмещенной комбинированной антифрикционно-уп-
рочняющей обработки...............................

Повышение работоспособности деталей с покрыти

= 888

211
4.	Механизм синхронного нанесения и упрочнения
гальванических покрытий ППД в электролите . . .

5.	Оптимизация процессов ППД при формировании
быстроприрабатываемых металлопокрытий (БПМП)

212

213

8.	ППД + газотермическое напыление покрытий . . .

9.	ППД в сочетании с методами механического воздей-

Упрочнение ППД в сочетании с ударным дейст-

217

218

Технологический процесс совмещения холодной
торцевой раскатки с последующим дорнованием

Совершенствование процессов поверхностного пла-
стического деформирования путем применения де-
формационно-циклического упрочнения .........

Технологические возможности гидроимпульенвного
упрочняющего обкатывания ....................

Сочетание обкатывания и выглаживания........

Методика проектирования техпроцессов ППД . .
ППД в сочетании с физическими методами . . .

218

219

219

слоя стальных деталей при воздействии лазерного

Упрочнение в сочетании с лазерным воздействж
металлических поверхностей на алюмооксидной

10.	Процессы поверхностного пластического деформиро-

Алмазное выглаживание с электроискровым леги-
рованием деталей машин.......................

Повышение эффективности дорнования шлицевых
отверстий наложением ультразвука на инструмент

мощью азотоводородной плазмы тлеющего разряда

(АПТР) .....................................

Электромеханическое упрочнение .............

Теплообразование в поверхностном слое, расчет

235

235

Схема процесса

лей

Элсхтрохимикомеханическая чистовая обработка
внутренних поверхностей.....................

236

240

240

аяяй я я § я а я
2.6.	Новые специальные методы упрочнения

I.	Инструмент для отделочно-упрочняющей обработки
поверхностей сложной формы.......................

2.7.	Совмещенная обработка резанием и ППД комбиниро-

Адаптивнос управление совмещенной обработкой
резанием и ППД ...........................

2.8.	Производственные примеры применения ППД

1	Наклеп с рифлением контактных поверхностей . . .

2 Применение ППД для

резьб и зубчатых

3 ППД титановых и алюминиевых сплавов

4 Поверхность

титановаого сплава ВТ22

5	. Упрочнение ППД деталей тепловодов ........

2.9.	Методы определения оптимальных параметров и режи-
мов обработки

2.10.	Эффективность ППД

3. Упрочнение различными процессами термообработки

3.1.	Направления развития процессов

3.2.	Термомеханическая обработка стали

1.	Высокотемпературная термомсханическая обработка
(ВТМО) сталей....................................

2.	Предварительная термомехаиическая обработка стали

3.	ТМО с деформированием мартенсита, его особенности
и сопоставление его с другими способами ТМО . .

4.	Изотермические процессы ТМО (НТМизО и ВТМизО)

5.	Стали для ТМО...............................

6.	Практика ТМО ...............................

3.3.	Механико-термическая обработка (МТО)

3.4.	Термомагнитная обработка

3.5.	Термомеханикомагнитная обработка (ТММО) стали
Рекомендации производству........................

3.6.	Химикотермическая обработка (ХТО)

1.	Методические рекомендации для разработки процессов
ХТО .............................................

Цементация в твердом карбюризаторе

Цементация в жидком карбюризаторе


Вакуумная цементация

и цемента-

380

394

5.	Цианирование и нитроцементация..............

Рекомендации производству.................

нитроцементации...........................

6.	Карбонитрация ...............................

7.	Борирование .................................

Газовое борирование ......................

Электролизное борирование (борирование элект-
рохимическим методом) .....................

Борирование в твердой среде...............

Жидкостное (безэлектролизное) борирование . .

8.	Хромирование.................................

9.	Алитирование ...............................

Ш Ваз

11.	Бериллизация ..............................

12.	Силицирование..............................

Силицирование в жидких средах ............

Газовое силицирование ....................

13.	Сульфидирование ...........................

14.	Селенирование..............................

15.	Многокомпонентные покрытия ................

Хромоалитирование.........................

Селеноцианироваиие .......................

16.	Химикотермическая обработка титана и его сплавов

17.	Перспективы развития химикотермической обработки

18.	Химико-механическая обработка .............

7. Поверхностная закалка при индукционном нагреве

3.8.	Тенденции развития термического оборудования

4.	Методы динамического упрочнения

4.1.	Упрочнение с помощью импульсного нагружения

1.	Разновидности методов .......................

2.	Упрочнение взрывом ..........................

3.	Взрывчатые вещества ........................

4.	Взрывные камеры и установки..................

Рекомендации по проектированию взрывных камер

5.	Упрочнение взрывом стали 2Г13Л..............
сния взрывом зубьев ковшей экс-

6.	Контроль и проверка..........................

Рекомендации производству.................

7.	Технологические рекомендации по производству мно-
гослойных листов и заготовок с использованием

8.	Влияние процесса взрывной обработки на сварочные
остаточные напряжения.............................

4.2.	Нанесение взрывом покрытий из порошков
Рекомендации производству.........................

4.3.	Взрывной процесс получения деталей из порошков

4.4.	Получение взрывом синтезированных материалов за-
данного состава

4.5.	Взрывная ХТО

4.6.	Упрочнение путем воздействия импульсного электро-
магнитного поля

4.7.	Упрочнение электрогидравлическим деформирова-

4.8.	Лазерное упрочнение

1.	Типы лазеров и характер их воздействия па стали

3.	Лазерная ХТО и наплавка .....................

4.	Особенности лазерного упрочнения ............

5.	Примеры конкретной лазерной термообработки дста-

4.10.	Упрочнение путем электронно-лучевой закалки

4.11.	Ультразвуковая упрочняющая обработка

5.	Экономическая эффективность и выбор основных методов
упрочнения

5.1.	Расчет экономической эффективности ионно-плазмен-
иого упрочнения

5.2.	<'равннтелы1ые экономические данные антикоррозион-

t 1 fc IS	g § § 2 33 йй й й 222

648

662