Инженерия поверхности и технологии повышения эксплуатационных свойств изделий из металлических сплавов
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Металлургия. Литейное производство
Издательство:
Инфра-Инженерия
Год издания: 2021
Кол-во страниц: 304
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-9729-0573-7
Артикул: 766590.01.99
Приведены основные сведения о современных и перспективных способах инженерии поверхности. Рассмотрены технологии, применяемые в машиностроении, анализ и классификация технологий и их влияние на работоспособность изделий. Даны рекомендации по выбору конструкционных и инструментальных сплавов, а также методов и способов формирования на поверхностях изделий функциональных покрытий. Для студентов и аспирантов машиностроительных специальностей. Может быть полезно инженерно-техническим работникам предприятий машиностроительного профиля.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 15.03.01: Машиностроение
- 15.03.02: Технологические машины и оборудование
- 22.03.02: Металлургия
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
А. Г. Соколов ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ И ТЕХНОЛОГИИ ПОВЫШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ИЗДЕЛИЙ ИЗ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ Учебное пособие Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2021 287
УДК 621 ББК 34.43 С59 Р е ц е н з е н т ы: доктор технических наук, профессор, Ж. М. Бледнова; Заместитель генерального директора по развитию ООО «Южный завод тяжелого станкостроения», А. Ф. Коновалов Соколов, А. Г. С59 Инженерия поверхности и технологии повышения эксплуатационных свойств изделий из металлических сплавов: учебное пособие / А. Г. Соколов. Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. – 304 с. ISBN 978-5-9729-0573-7 Приведены основные сведения о современных и перспективных способах инженерии поверхности. Рассмотрены технологии, применяемые в машиностроении, анализ и классификация технологий и их влияние на работоспособность изделий. Даны рекомендации по выбору конструкционных и инструментальных сплавов, а также методов и способов формирования на поверхностях изделий функциональных покрытий. Для студентов и аспирантов машиностроительных специальностей. Может быть полезно инженерно-техническим работникам предприятий машиностроительного профиля. УДК 621 ББК 34.43 ISBN 978-5-9729-0573-7 Соколов А. Г., 2021 Издательство «Инфра-Инженерия», 2021 Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021 2
ОГЛАВЛЕНИЕ Введение .................................................................................................................... 7 Глава 1. Классификация конструкционных и инструментальных материалов ................................................................................................................ 9 1.1. Металлические материалы .............................................................................. 10 1.2. Неметаллические материалы .......................................................................... 11 1.3. Композиционные материалы .......................................................................... 12 1.4. Наноматериалы ................................................................................................. 13 1.5. Маркировка конструкционных и инструментальных материалов .............. 14 1.5.1. Маркировка сталей .................................................................................... 14 1.5.2. Маркировка чугунов ................................................................................. 17 1.5.3. Маркировка сплавов меди ........................................................................ 19 1.5.4. Маркировка сплавов алюминия ............................................................... 20 1.5.5. Маркировка сплавов магния .................................................................... 21 1.5.6. Маркировка сплавов титана ..................................................................... 21 Глава 2. Выбор материала изделия ................................................................... 23 2.1. Критерии выбора материала изделия ............................................................. 23 2.2. Конструкционная прочность. Критерии оценки эксплуатационных свойств конструкционных материалов ........................ 23 2.3. Инструментальные материалы........................................................................ 31 2.3.1. Анализ причин потери работоспособности инструмента ..................... 31 2.3.2. Понятие о работоспособности инструмента. Основные требования, предъявляемые к инструментальным материалам ................................................................................................. 41 Глава 3. Основные материалы, применяемые для изготовления конструкционных изделий .................................................................................. 48 3.1. Конструкционные материалы на основе железа ........................................... 48 3.1.1. Конструкционные стали, их классификация и применение ................. 51 3.1.2. Конструкционные чугуны ........................................................................ 58 3.2. Цветные конструкционные материалы .......................................................... 62 3.2.1. Сплавы на основе меди ............................................................................. 62 3.2.2. Сплавы на основе алюминия .................................................................... 64 3.2.3. Сплавы на основе магния ......................................................................... 66 3.2.4. Сплавы на основе титана .......................................................................... 66 3
Глава 4. Основные материалы, применяемые для изготовления инструмента, их классификация и применение ............................................. 71 4.1. Стали, применяемые при обработке резанием и давлением ....................... 71 4.2. Твердые и сверхтвердые инструментальные материалы, применяемые при обработке резанием и давлением ................................... 75 4.2.1. Классификация твердых сплавов по составу ......................................... 75 4.2.2. Классификация твердых сплавов в зависимости от обрабатываемого материала и типа снимаемой стружки ................ 82 4.2.3. Керамико-металлические материалы ...................................................... 83 4.2.4. Минералокерамические материалы ........................................................ 84 4.2.5. Сверхтвердые материалы (СТМ) ............................................................. 86 Глава 5. Технологии повышения эксплуатационных свойств материала изделий ................................................................................................ 93 5.1. Общие методы повышения эксплуатационных свойств материала изделий ............................................................................................ 93 5.2. Повышение эксплуатационных свойств сплавов на основе железа ............................................................................................... 97 5.3. Повышение эксплуатационных свойств сплавов на основе меди ................................................................................................ 109 5.4. Повышение эксплуатационных свойств сплавов на основе алюминия ....................................................................................... 110 5.5. Повышение эксплуатационных свойств сплавов на основе титана ............................................................................................. 112 5.6. Повышение эксплуатационных свойств сплавов на основе магния .......................................................................................... 1113 Глава 6. Повышение эксплуатационных свойств изделий способами инженерии поверхности. Роль поверхностных слоев материала изделий в обеспечении их работоспособности ............................................... 116 6.1. Коррозионно-стойкие покрытия ................................................................... 118 6.1.1. Защита от коррозии металлическими покрытиями ............................. 120 6.1.2. Неметаллические коррозионно-стойкие покрытия ............................. 124 6.2. Жаростойкие покрытия .................................................................................. 129 6.2.1. Требования, предъявляемые к жаростойким покрытиям ................... 130 6.2.2. Материалы для жаростойких покрытий ............................................... 131 6.3. Износостойкие покрытия ............................................................................... 136 6.3.1. Общие сведения о видах изнашивания ................................................. 136 6.3.2. Материалы для износостойких и антифрикционных покрытий ........ 139 4
Глава 7. Технологии нанесения покрытий .................................................... 152 7.1. Критерии оценки прогрессивности технологических процессов нанесения покрытий .................................................................... 152 7.2. Основные методы и способы нанесения покрытий .................................... 153 Глава 8. Основные способы нанесения покрытий, применяемые в машиностроении .................................................................... 161 8.1. Электрохимические покрытия ...................................................................... 161 8.1.1. Способы получения покрытий из водных растворов .......................... 162 8.1.2. Электрохимические покрытия из расплава .......................................... 165 8.1.3. Способы получения покрытий из газовой фазы .................................. 166 8.1.4. Электроисковой способ формирования покрытий .............................. 167 8.2. Химические покрытия ................................................................................... 168 8.2.1. Способы нанесения химических покрытий из растворов ................... 168 8.2.2. Химическое осаждение из паровой фазы ............................................. 171 8.2.3. Применение СVD покрытий в машиностроении ................................. 175 8.3. Физические способы получения покрытий ................................................. 176 8.3.1. Способы термического испарения и конденсации .............................. 177 8.3.2. Способы получения покрытий ионным распылением ........................ 185 8.3.3. Способ ионного осаждения .................................................................... 190 8.3.4. Способ ионной имплантации (ионного легирования) ......................... 194 8.3.5. Применение PVD покрытий ................................................................... 197 8.4. Химико-термические методы получения покрытий .................................. 199 8.4.1. Цементация .............................................................................................. 200 8.4.2. Азотирование ........................................................................................... 206 8.4.3. Способы одновременного насыщения азотом и углеродом ............... 211 8.4.4. Борирование ............................................................................................. 213 8.4.5. Силицирование ........................................................................................ 217 8.4.6. Диффузионная металлизация ................................................................. 220 8.4.6.1. Диффузионная металлизация из твердой фазы............................. 224 8.4.6.2. Диффузионная металлизация из жидкой фазы ............................. 227 8.4.6.3. Диффузионная металлизация из пары фазы .................................. 233 8.4.6.4. Диффузионная металлизация из газовой фазы ............................. 235 Глава 9. Термомеханические способы изменения свойств поверхности изделий ........................................................................................... 241 9.1. Напыление ....................................................................................................... 241 9.1.1. Газотермическое напыление .................................................................. 241 9.1.2. Газопламенное напыление ..................................................................... 242 9.1.3. Электродуговое напыление .................................................................... 245 5
9.1.4. Высокочастотное напыление ................................................................. 246 9.1.5. Плазменное напыление ........................................................................... 248 9.1.6. Детонационное напыление ....................................................................... 249 9.2. Наплавка .......................................................................................................... 251 9.2.1. Газопламенная наплавка ......................................................................... 252 9.2.2. Электродуговая наплавка ....................................................................... 253 9.2.3. Наплавка покрытым электродом ........................................................... 253 9.2.4. Дуговая наплавка под слоем флюса ...................................................... 254 9.2.5. Электродуговая наплавка порошковой проволокой (лентой) ............ 256 9.2.6. Наплавка в среде углекислого газа ........................................................ 257 9.2.7. Наплавка в среде инертного газа ........................................................... 258 9.2.8. Плазменная, электронно-лучевая и лазерная наплавки ...................... 259 9.3. Плакирование .................................................................................................. 263 9.3.1. Механический способ плакирования ...................................................... 263 9.3.2. Плакирование взрывом ............................................................................. 265 Глава 10. Нанопокрытия и способы их получения ...................................... 268 10.1. Понятие нанообъекта, наноматериала ....................................................... 268 10.2. Нанопокрытия ............................................................................................... 270 10.3. Способы получения нанопокрытий ............................................................ 273 10.3.1. Химические способы ............................................................................ 273 10.3.2. Электрохимические способы ............................................................... 274 10.3.3. Способы физического осаждения PVD ............................................... 275 10.3.4. Метод наноcтруктурирования предварительно нанесенных макропокрытий интенсивным пластическим деформированием ................................................................................. 282 Глава 11. Общие принципы выбора материала покрытий и способа его нанесения...................................................................................... 287 Заключение ........................................................................................................... 292 Библиографический список .............................................................................. 294 6
ВВЕДЕНИЕ Разработки в области создания новых материалов и технологий, повышения их эксплуатационных свойств позволили значительно повысить работоспособность машин и механизмов при одновременном снижении их материалоемкости, энергозатратности. Однако существующее в настоящее время многообразие материалов и технологий их упрочнений зачастую затрудняет их выбор для конкретных условий эксплуатации. Для совершения правильного выбора материала и технологий, обеспечивающих повышение их эксплуатационных свойств при одновременном снижении затрат на переработку их в изделия, требуется наличие знаний о свойствах этих материалов и о технологиях, которые могут быть применены для их упрочнения. В соответствии с этим в данном учебном пособии приведены классификация конструкционных, инструментальных материалов и их маркировка. Описаны критерии, которые являются основой при выборе конструкционных и инструментальных материалов, а также понятия о работоспособности конструкционных и инструментальных материалов. Кроме этого, рассмотрены основные материалы, применяемые для изготовления конструкционных изделий и инструмента различного назначения, а также технологии повышения эксплуатационных свойств материала изделий. Все возрастающая в настоящее время нагруженность изделий машиностроения предопределяет использование сложно- и высоколегированных сталей и сплавов. Однако такие сплавы обладают пониженной обрабатываемостью, а использование для их легирования дорогих и дефицитных химических элементов приводит к постоянному повышению их стоимости. Кроме этого, в большинстве случаев эти сплавы не обеспечивают изделию требуемую работоспособность. Учитывая то, что в большинстве случаев при эксплуатации изделий их работоспособность определяется механическими и физико-химическими свойствами поверхностных слоев изделий (износостойкость, коррозионная стойкость, жаростойкость и др.) наиболее эффективными являются технологии поверхностного упрочнения деталей машин путем нанесения на них покрытий. Применение различных по составу и свойствам металлических или металлоподобных и неметаллических покрытий для деталей из стали, чугуна, спеченных материалов, тугоплавких и цветных сплавов сокращает затраты до минимума при достижении требуемых эксплуатационных свойств. При этом, также как и при выборе материала основы, выбор технологии поверхностного упрочнения требует наличия знаний об этих технологиях. 7
Для получения таких знаний в учебном пособии рассмотрены различные способы инженерии поверхности изделий, позволяющие придавать поверхностным слоям изделий новые служебные свойства. В частности, рассмотрена роль поверхностных слоев материала изделий в обеспечении их работоспособности в условиях воздействия различных коррозионных сред, окисления при нагреве, износа, а также технологии, обеспечивающие повышение работоспособности изделий в этих условиях эксплуатации. В пособии описаны технологии химического и электрохимического (гальванического) осаждения, химического и физического способов получения покрытий, химико-термической обработки, диффузионной металлизации, термомеханические способы нанесения покрытий – напыление, наплавка, плакирование, технологии формирования на изделиях нанопокрытий, а также общие принципы выбора материала покрытий и способа его нанесения. Пособие предназначено для студентов, магистров и аспирантов машиностроительных специальностей, а также для инженерно-технических работников предприятий машиностроительного профиля. 8
Г ГЛАВА КЛАС СИФИ ИКАЦИЯ ИЯ КОН НСТРУК КЦИОН ННЫХ Х И ИН НСТРУМ МЕНТА АЛЬНЫ ЫХ МА АТЕРИА АЛОВ – это ма атериалы, предназн наченные е Ко онструкц ционные материал лы (КМ) отовления я деталей машин, приборов в, инжене ерных ко онструкци ий, испы- - их в проц цессе экс сплуатаци ии механи ические н нагрузки и воздейс ствие радля изго тывающи бочей ср реды. териалы, предназн наченные е Ин нструмен е матери иалы (ИМ М) – мат - товления нтальные я режущег го инстру умента, ин нструмен нта для об бработки давленидля изгот ем, литей рм, а такж же измери о и размет точного ин нта. В к конструк кционных ительного х и инстру ументальн нструмен риалов оч чень редйных фор качестве еняются ч чистые х имически ие элемен нты, так к ных матер как они о обычно и меют немеханич ческие сво ойства и не обеспе ечивают требуемы ые эксплу уатацион- - - - йства. Вс следствие этого, к конструкц ционные и и инструм ментальн ные матеко приме высокие ные свой риалы – это сплав вы. - о материа ал, получ чаемый пу утем спла нагрева д до жидкоСп плав – это ояния), ил ли метод ами поро ошковой металлур авления (н ргии (спе екания) о сновного о го состо химическ кого элем мента с ле ими элеме асто прим егирующи меняемым ми являют ентами. тся конст трукционн ные матер риалы. - На По аиболее ча о основе к ционные материал лы делятс ся на мета аллическ ие, неме1.1). талличес ские, комп конструкц позицион нные, нано оматериа алы (рис. Рис. 1.1. Схема кл лассифик кации конс струкцио онных мат териалов 9
1.1. М Металли ические е матери иалы Ос сновой м еталличе ских мат териалов являютс я металл м ют вещест тва, обла адающие «металли ическим б блеском» лы. Под м », в той и металлом или иной й понимаю мере при исущим в сем метал ллам, и пл ластично В зависимо ости от в внешнего вида мет стью. таллическ кие матер риалы де елятся на а 2). черные и и цветные е (рис. 1.2 Че ерные ме еталлы ха арактериз зуются те емно-серы ым цвето ом, к ним относят- - де всего, сплавы н на основе – стали и чугуны, я являющи иеся сплалеза с угл леродом, в которы е железа – ые при не еобходимо ости ввод дятся леги ирующие е ся, прежд вами жел элементы ы. К черным конструк кционным сятся туг оплавкие е ы, имеющ щие темпе м материа ературу кр алам такж ристаллиз ше, чем у у железа), , , кционным м материал алам отно сятся: спл же относ зации выш лавы на о основе во ольфрама, металлы к таким к молибде (металлы конструк на, ниоби ия, циркон ния, титан на и др. Рис. 1.2 2. Схема к классифи икации ме еталличес ских мате ериалов - – металлы ы, имеющ щие окрас ску – крас сную (ме едь), жёл Цв ветные м металлы – тую (зол лото) либо о белую. - – это, в основно м (за иск ключение ем титана а), легкоЦв ветные м металлы плавкие металлы, , они подр разделяют тся: 10