Способы поверхностного упрочнения

Упрочнить поверхность стальных деталей можно либо специальными видами закалки ( закалка поверхностная, закалка ТВЧ), а можно диффузионным насыщением поверхности детали элементом, повышающим твердость поверхностного слоя. Последний процесс называется химико – термической обработкой.

Химико-термическая обработка (ХТО) - это термическая обработка, сочетающая тепловое воздействие с химическим, в результате чего изменяется состав и структура в поверхностных слоях, а иногда и по всему объему изделия.

В результате ХТО происходит изменение свойств поверхностного слоя детали, т.е. повышаются твердость, износостойкость, жаростойкость, окалиностойкость, коррозионная стойкость.

Обычно при ХТО деталь помещают в среду, богатую элементом (карбюризатор), который диффундирует в металл.

При ХТО происходят три элементарных процесса:

- диссоциация, когда под действием температуры в карбюризаторе происходит распад молекул и образование активных атомов диффундирующего элемента;

- адсорбция, которая происходит на границе карбюризатор – деталь и состоит в поглощении (растворении) поверхностью свободных активных атомов, получившихся после диссоциации;

- диффузия, в результате которой происходит проникновение насыщающего элемента вглубь металла.

В зависимости от диффундирующего насыщающего поверхность элемента различают следующие виды ХТО:

- цементацию (углерод);

- азотирование (азот);

- нитроцементацию (азот + углерод);

- сульфаазотирование (сера + азот);

- алитирование (алюминий);

- хромирование (хром).

8.1. Цементация стали

При цементации происходит поверхностное насыщение стали углеродом, в результате чего получается высокоуглеродистый поверхностный слой, а сердцевина стали остается мягкой и вязкой, несмотря на то, что сталь после цементации подвергается закалке.

Цементация выгодно распределяет углерод от поверхности, а термическая обработка (закалка) упрочняет деталь, поверхность и сердцевину.

Поверхность стали после такой обработки имеет высокую твердость и износостойкость при вязкой сердцевине.

Цементации подвергают низкоуглеродистые и легированные стали с содержанием углерода меньше 0,3 %, которые должны обладать:

- закаливаемостью на 29-43 HRC (углеродистые 08, 10, 15, 20; легированные 20ХГТ, 12ХН2);

- прокаливаемостью, обеспечивающей требуемую структуру сердцевины;

- наследственно-мелкозернистостью;

- хорошей технологичностью при насыщении углеродом и последующей термической обработке и обработке резанием.

Различают два вида цементации: твердую и газовую.

Долговечность и надежность цементированных деталей и допустимый уровень их нагружения при эксплуатации определяются следующими параметрами:

- составом стали;

- толщиной и структурой цементированного слоя (рис.12.1);

- наличием дефектов в слое;

- твердостью поверхностных слоев и сердцевины.

Рис. 12.1. Толщина и структура цементированного слоя

На цементацию детали поступают с припуском на шлифование 0,05- 0,1мм; температура цементации выше А_с3 (930-950 ^оС). В твердом карбюризаторе 1 мм слоя образуется в течение 8-10 ч, в газовом - 1 мм образуется за 6 - 7 ч.

Твердый карбюризатор - древесный активированный уголь, каменноугольный полукокс и торфяной кокс с добавками активизаторов (BаCО₃ и Na₂СО₃) в количестве 10 - 40 % от веса угля.

Газовый карбюризатор - природный газ и жидкие углеводороды.

Для неответственных деталей закалка их может производиться сразу с температур цементации (рис. 12.2,а) или после повторного нагрева до температуры выше А_с1 на 30 ^оС и охлаждении в воде (рис. 12.2, б).

Для ответственных деталей после цементации делают двойную закалку с нагревом выше А_с1 + 30 ^оС и охлаждением в воде (рис. 12.2, в).

После любого режима термической обработки делается низкий отпуск (160-180 ^оС).

Глубина цементированного слоя составляет 0,5 - 2,0 мм (иногда до 4 мм) с концентрацией углерода 0,8 - 1,2 % ( рис. 12.1).

За глубину цементированного слоя принимают глубину слоя со структурой заэвтектоидной, эвтектоидной и доэвтектоидной стали с содержанием углерода более 0,4 % (рис.12.1).

Рис. 12.2. Режимы термической обработки цементированных деталей

При цементации получаем твердость поверхностного цементированного слоя углеродистой стали 60-64 HRC (900HV), для легированной 58-61HRC (снижение твердости происходит за счет наличия в структуре остаточного аустенита); твердость сердцевины составляет 20-35HRC.

8.2. Азотирование стали

Азотирование – это процесс насыщения поверхностного слоя азотом.

Цель такой обработки изделия: получение высокой твердости, износостойкости, повышенной усталостной прочности, сопротивления коррозии. Карбюризатором является аммиак (NH₃ → 3H + N).

Азотированию при температуре 500 - 600 ^оС с выдержкой до 60 часов подвергают готовые изделия, прошедшие механическую и окончательную термическую обработку (закалку и высокий отпуск).

К азотируемым сталям относятся среднеуглеродистые стали, легированные хромом, молибденом, алюминием (38Х2МЮА, 35ХМА, 38Х2Ю).

Глубина азотированного слоя составляет 0,3 - 0,6 мм, скорость азотирования – 0,01 мм/ч и менее.

Твердость азотированного слоя по Виккерсу составляет ~ 1200HV.

Азотированию подвергают мерительный инструмент, гильзы, цилиндры, зубчатые колеса, шестерни, втулки, коленчатые валы.

8.3. ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА

Термомеханическая обработка стали (ТМО) заключается в сочетании пластической деформации стали в аустенитном состоянии ("аусформинг") с закалкой.

Различают два способа ТМО - это высокотемпературная термомеханическая обработка (ВТМО) и низкотемпературная термомеханическая обработка (НТМО) (рис.13.1).

Рис. 13.1. Схема термомеханической обработки стали: а – ВТМО; б – НТМО (заштрихованная зона – интервал температур рекристаллизации)

ТМО обоих видов заканчивается низким отпуском при 100-200 ^оС. При ТМО повышается весь комплекс механических свойств и особенно пластичность и вязкость, что наиболее важно для высокопрочного состояния. По сравнению с обычной обработкой прирост прочности при ТМО составляет 200-500 МПа, т.е. 10-20 %. Характеристики пластичности и вязкости повышаются в 1,5-2 раза.

Улучшение комплекса механических свойств обусловлено формированием специфического структурного состояния. Деформация создает в аустените высокую плотность дислокаций, образующих из-за процесса полигонизации устойчивую ячеистую субструктуру, которая наследуется мартенситом при закалке. При этом субграницы тормозят движение дислокаций и локализируют деформацию внутри зерна; в результате прочность повышается. В то же время субграницы ведут себя как полупроникаемые барьеры. Они допускают прорыв дислокаций, их передачу из мест скоплений в соседние субзерна. Это вызывает пластическую релаксацию локальных напряжений и служит причиной повышенных пластичности и вязкости.

Наибольшее упрочнение (σ_в ≤ 2800 МПа) достигается при НТМО. Однако ее проведение технологически более сложно, чем ВТМО. Она требует мощных деформирующих средств и пригодна для легированных сталей с большой устойчивостью переохлажденного аустенита.

ВМТО обеспечивает меньшее упрочнение (σ_в ≤ 2400 МПа ), но более высокие пластичность и вязкость. Она уменьшает также чувствительность к трещине, снижает порог хладноломкости, повышает сопротивление усталости и затрудняет разупрочнение при отпуске, что связано с устойчивостью ячеистых дислокационных структур мартенсита. Особенно эффективна ВТМО для чистого вакуумированного металла. Кроме того, ВТМО более технологична и для неё пригодны любые конструкционные стали.

Область ВТМО расширяет явление обратимости эффекта упрочнения. Оно состоит в том, что свойства, полученные при ВТМО, наследуются после повторной закалки. Это позволяет закладывать определенный ресурс свойств в стальные полуфабрикаты (поковки, прутки, листы и т.п.), подвергая их ВТМО на металлургическом заводе.