Общие сведения о пластической деформации.

Предлагаю рассмотреть пластическую деформацию как альтернативный метод восстановления изношенных кулачков распредвала. Восстановление деталей методами обработки металлов давлением основано на использовании пластических свойств металлов, то есть способности при определенных условиях под действием нагрузки принимать остаточные деформации без нарушения целостности.

Процесс деформирования металла при восстановлении деталей основан на тех же законах, на которых базируется обработка металлов давлением при изготовлении заготовок. Разница заключается лишь в том, что при восстановлении обрабатывается не заготовка, а новая деталь с конкретными размерами и формой.

При восстановлении деталей обработкой давлением температура горячей обработай и скорость нагрева имеют особое значение, поскольку обрабатывают не заготовку, а готовую деталь. Необходимо избегать обезуглероживания поверхностного слоя детали и больших потерь металла на окалину.

Технологические процессы обработки металлов давлением выполняются в широком диапазоне температур и скоростей деформации: в холодном, полугорячем и горячем состоянии; на тихоходном, быстроходном и высокоскоростном оборудовании.

Пластическая деформация в холодном состоянии приводит к наклепу. При этом в деформированных слоях металла происходит изменение физико-механических свойств: пластичность металла снижается, предел текучести, предел прочности и твердость повышается (рис. 4.1).

Рис.4.1. Закономерности упрочнения металла в результате холодной пластической деформации: σ_в —предел прочности; δ - пластичность; ε степень деформации

Изменения механических свойств и структуры металла в результате холодной обработки не являются стойкими. Пластическая деформация детали в холодном состоянии, вызывающая образование сдвигов и искажение кристаллической структуры, приводит металл в неустойчивое структурное состояние. Поэтому металл стремится к более устойчивому структурному состоянию.

При нагреве наклепанного металла до невысоких температур (200-300°С для железа) происходит восстановлениеискаженной кристаллической решетки. Прочность и твердость наклепанного металла при этом частично снижается, а пластичность повышается.

Характер структуры металла при небольшом нагреве не меняется. Частичное восстановление механических свойств металла без изменения его структуры называется возвратом, или отдыхом. При более высоком нагреве подвижность атомов увеличивается и начинается процесс восстановления структуры (рекристаллизация) с образованием новых зерен взамен деформированных.

Для чистых металлов температура начала рекристаллизации составляет примерно 0,4 от абсолютной температуры плавления.

Пластическая деформация при температурах выше температуры рекристаллизации происходит также с образованием сдвигов, но металл детали не получает здесь упрочнения вследствие происходящего при этих температурах процесса динамической рекристаллизации.

При горячей деформации динамическая рекристаллизация снимает упрочнение и приводит к образованию равновесной для данной температуры структуры.

При горячей обработке давлением большое влияние на механические свойства детали оказывает температура начала и конца обработки, т. е. температурный интервал, зависящий от химического состава металла. Температура начала обработки (максимальная температура нагрева) не должна вызывать пережога или перегрева металла. Окончание обработки также должно быть при определенной оптимальной температуре, так как горячая обработка давлением при низких температурах у мягких сталей может вызвать наклеп, а у твердых — появление трещин.

В табл. 4.1 приводятся данные по температурному интервалу горячей обработки металлов давлением.

Таблица 4.1.Температурный интервал, при горячей обработке давлением

В зависимости от конструкции детали, характера и места износа нагрев может быть общим или местным. В последнем случае нагревают только изношенный участокдетали, подлежащий обработке давлением.

Скорость (время) нагрева, включая выдержку детали в печи в конце нагрева, необходимую для выравнивания температуры детали, можно ориентировочно определить по формуле

Т = kD√D

где Т — время нагрева и выдержки; D — диаметр детали (заготовки); мм; к — коэффициент (равный 12,5 для углеродистых сталей и 25 для высоколегированных).

При восстановлении деталей температура горячей обработки давлением и скорость нагрева имеют особо важное значение, поскольку ведется обработка не заготовки, а готовой детали.

Поэтому особенно важно избегать обезуглероживания поверхностного слоя детали и больших потерь металла па окалину.

Для уменьшения обезуглероживания и окалины поверхностного слоя деталей, особенно цементированных, нагрев желательно вести в науглероживающей среде, например, в ящиках с карбюризатором или в нейтральной среде, а продолжительность нагрева давать минимальную.

После горячей осадки или раздачи детали необходимо подвергнуть термической обработке согласно чертежу.

Полугорячей (теплой) называется деформация, при которой динамическая рекристаллизация не приводит к полному разупрочнению, и, в результате которой, образуется структура с большим количеством упрочненных нерекристаллизованных зерен. Теплая деформация происходит при относительно низких температурах, когда рекристаллизация идет с малой скоростью, или высоких скоростях, когда для завершения рекристаллизации не хватает времени.

Скорость деформации оказывает влияние на пластичность деформируемого металла. Так повышение скорости деформации в общем случае ведет к снижению пластичности и увеличению сопротивления деформированию. В условиях холодного деформирования влияние скорости деформирования незначительно, в то время как в условиях горячего деформирования оно весьма ощутимо.

Основными факторами, определяющими процесс восстановления выбракованных деталей давлением, является химический состав и структура металла, форма и размеры детали, размеры и характер ее износа. Учитывая перечисленные факторы, технолог определяет режимы и условия деформирования детали, исходя из условий получения заданного комплекса эксплуатационных характеристик.

Горячая деформация наиболее часто употребима при восстановлении деталей методами обработки давлением. При выборе термомеханического режима (температура, скорость, степень деформации) горячей деформации следует обращать внимание на тот факт, что структура горячедеформированного аустенита определяет конечную структуру обработанной стали и, соответственно, ее механические свойства.

Большие возможности целенаправленного влияния на структуру аустенита предоставляет высокотемпературная термомеханическая обработка (ВТМО). Реализация обработки давлением в этом режиме позволяет достичь высокопрочного состояния восстанавливаемых деталей.

Для анализа взаимосвязи конечных свойств металла и его структуры, формирующейся в процессе горячего формоизменения в табл.4.2 представлены режимы обеспечивающие получение различных структурных состояний сталей 35, 40Х, 40ХН.

Результаты механических испытаний показали, что горячая деформация в цикле ВТМО на 25% со скоростью υ=0,5с^_1 при Т =900°С (вариант 5), а в большей мере при 850°С (вариант 8), приводит к повышению свойств сталей в закаленном и низкоотпущенном состоянии (150°С, 2 ч.), причем одновременно растут и прочность и пластичность. Это обеспечивается созданием полигонизованной структуры в горячедеформированном аустените (нерекристаллизированные объемы — менее 25%). Дальнейшее увеличение степени деформации до 35% при 850°С (вариант 9) за счет совершенствования полигонизованной структуры ведет к еще

большему улучшению комплекса свойств (Δσ₀₂ = 100мПа; Δψ=8%). При Т_д=900°С, развивающаяся, наряду с динамической полигонизацией, рекристаллизация уменьшает этот эффект ВТМО.

Таблица 4.2. Анализируемые варианты технологических структур ВТМО и их параметры

Таким образом, перед реновацией изношенных деталей любым из существующих на данный момент методом восстановления, желательно подвергать ее рекристаллизационному отжигу. Это приведет к залечиванию основного количества поврежденностей металла детали и позволит избежать выхода из строя восстановленной детали при дальнейшем ее использовании из-за развития усталостных трещин. Если деталь восстанавливается горячей пластической деформацией, то в процессе ее реновации возможно не только восстановить первоначальные форму, размеры и свойства изношенной рабочей поверхности, но добиться полного залечивания усталостных трещин материала детали. В том случае, если изношенная деталь восстанавливается пластической деформацией, то при ее реновации операциями обработки давлением, возможно получение обновленной структуры металла, соответствующей высокопрочному состоянию.