ПОВЕРХНОСТНОЕ УПРОЧНЕНИЕ СТАЛИ

Низкотемпературная обработка получила незначительное применение. Наиболее часто применяют высокотемпературную обработку. Её удобство в том, что заготовки сразу после окончания горячей обработки давлением: ковки или проката, могут подвергаться закалке без специального нагрева, используя только тепло после горячего деформирования. Преимущество этого процесса состоит в экономии топлива, для нагрева под закалку, сокращение времени изготовления деталей, повышении механических свойств, увеличение прочности, ударной вязкости при незначительном снижении пластичности.

При низкотемпературном - сталь нагревается и охлаждается, после чего её деформируют. После деформации следует закалка. После закалки следует низкий отпуск.

При высокотемпературном - сталь нагревают и подвергают деформации. Сразу после деформации сталь подвергается закалке, после закалки производят низкий отпуск.

Термомеханическая обработка относится к комбинированным способам и представляет собой пластическую деформацию металла с закалкой. Как при закалке, так и при пластической деформации повышение прочности всегда связано с уменьшением пластичности. Преимуществом является то, что при большом увеличении прочности характеристики пластичности снижаются незначительно, а ударная вязкость в 1,5-2 раза выше по сравнению с той же маркой стали после закалки низким отпуском. Термомеханическая обработка делится на два способа: высокотемпературный и низкотемпературный.

Производить обработку холодом нужно сразу после закалки. Такой обработке подвергают измерительный инструмент, части точных механизмов, детали шарикоподшипников. Обработка холодом не уменьшает внутренних напряжений, поэтому после неё необходим отпуск.

Обработка холодом состоит в том, что закаливаемые детали на некоторое время погружают в среду имеющую температуру ниже 0 градусов Цельсия.

Вопросы для самоконтроля.

1. Виды термической обработки сталей.

2. Цели достигаемые при помощи различных видов термической обработки сталей.

3. Способы охлаждения при термической обработки сталей.

4. Виды отпуска сталей.

5. Что такое обработка сталей холодом?

Для повышения твердости поверхностных слоев, предела выносливости и сопротивляемости истиранию многие детали машин подвергают поверхностному уп­рочнению.

Существует три основных метода поверхностного упрочнения: поверхностная закалка, химико-термическая обработка и упрочнение пластическим дефор­мированием.

7.1. ПОВЕРХНОСТНАЯ ЗАКАЛКА СТАЛИ

Основное назначение поверхностной закалки: повы­шение твердости, износостойкости и предела выносли­вости деталей (зубьев шестерен, шеек валов, направляю­щих станин металлорежущих станков и др.). Сердцевина детали остается вязкой и хорошо воспринимает ударные и другие нагрузки.

В промышленности при­меняют следующие способы поверхностной закалки: закалку с индукционным нагревом токами высокой частоты (т. в. ч.); закалку с электроконтактным нагревом; газоплазменную закалку; закалку в электролите.

Рис. 7.1. Способы нагрева при поверхностной за­калке стали:

а - токами высокой частоты; б - ацетилено - кислородным пламенем

( 1 – деталь; 2 - индуктор; 1 - нагрев; 11 - охлаждение; 111 - закаленный слой; IV - незакаленная сердце­вина)

Общим для всех способов поверхностной закалки является нагрев поверхностного слоя детали до температуры выше критической точки Ac_s с последующим быстрым охлаждением для получения структуры мартенсита. В настоящее время наибольшее распространение полу­чила поверхностная закалка с индукционным нагревом т. в. ч. Реже, главным образом для крупных деталей, применяют закалку с нагревом газовым пламенем.

Сущность процесса закалки при нагреве токами высокой частоты заключается в том, что на специальной установке производят нагрев детали 1(рис. 7.1, а) с помощью выполненного по форме закаливаемой детали медного индуктора 2, через который пропускают пере­менный ток высокой частоты. В течение нескольких секунд поверхность детали прогревается на необходимую глубину, затем ток выключают, деталь быстро охлаждают. Индуктор в процессе работы не нагревается благодаря интенсивному охлаждению циркулирующей внутри него водой.

Закалка с газопламенным нагревом заключается в том, что поверхность стальной детали нагревают пла­менем ацетиленокислородной горелки до температуры закалки и быстро охлаждают струей холодной воды (рис. 7.1 , б). Газовая горелка движется над поверхно­стью детали с определенной скоростью, а за нею с той же скоростью перемещается закалочная трубка, через которую подается вода. Этот способ закалки основан на том, что ацетиленокислородное пламя имеет темпе­ратуру 2500—3200° С и нагревает поверхность изделия до температуры закалки за очень короткий промежуток времени, в течение которого нижележащие слои стали не успевают прогреться до критической точки и потому не закаливаются. Толщина закаленного слоя колеб­нется в пределах 2 - 4 мм, а его твердость составляет HRC 50—56. Газопламенная закалка вызывает меньшие деформации, чем объемная закалка, и не загрязняет поверхность. Для крупных деталей этот способ закалки часто более рентабелен, чем закалка с индукционным нагревом (т. в. ч.).

Поверхностная закалка с применением электрокон­тактного нагрева выполняется следующим образом. Деталь нагревают до температуры закалки теплом, которое выделяется в месте контакта ее с электродом (медным роликом), специального приспособления. Ох­лаждение закаливаемой поверхности детали производят при помощи душа, который перемещается вслед за подвижным электродом.

Поверхностную закалку при нагреве в электролите выполняют в 10%- ном растворе поваренной соли, поташа или кальцинированной соды. Детали, подлежащие закалке, погружают в ванну, и они являются катодом, а корпус ванны - анодом. При пропускании постоянного электрического тока через электролит вокруг катода (детали) образуется газовая оболочка, которая нарушает электрический контакт катода с электролитом, и деталь интенсивно нагревается до температуры закалки. После этого ток выключают; деталь закаливается в электролите, который омывает ее со всех сторон.

Кроме описанных применяют ряд других способов поверхностной закалки, в частности нагрев деталей под закалку в расплавленных металлах или солях. В них закаливают мелкие детали простой геометрической формы, изготовляемые в небольших количествах.

Отпуск после выполнения поверхностной закалки производят с целью снятия напряжений, возникших в зоне закалки. Это уменьшает хрупкость и повышает прочность деталей. Твердость повышается на 2-3 ед. по сравнению с обычной закалкой; улучшается износо­стойкость; предел выносливости возрастает в 1,5-2 раза.

7.2. ХИМИКО–ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА

Химико-термической обработкой называют процесс, заключающийся в сочетании термического и химиче­ского воздействия для изменения состава, структуры и свойств поверхностного слоя стали.

Химико-термическая обработка основана на диф­фузии (проникновении) в атомно-кристаллическую ре­шетку железа атомов различных химических элементов при нагреве стальных деталей в среде, богатой этими элементами.

Наибольшее распространение получили следующие виды химико-термической обработки.

Цементация - процесс, состоящий в диффузион­ном насыщении поверхностного слоя стали углеродом до оптимальной концентрации 0,8—1,1% и получении после закалки высокой твердости поверхности (HV 700 — 800) при сохранении вязкой сердцевины. Цементации подвергаются детали, изготовленные из низкоуглероди­стых сталей или из легированных низко­углеродистых сталей. При цементации используют естественные и искусственные газы или жидкий карбю­ризатор (бензол, пиробензол, керосин и др.), который подается непосредственно в рабочее пространство печи. При нагреве происходит разложение метана. Атомарный углерод поглощается по­верхностью стали и проникает в глубину детали. Газо­вая цементация деталей производится при температуре 930—950° С.

Азотирование заключается в диффузионном насыще­нии поверхностного слоя азотом. Азотирование повышает твердость поверхностного слоя, его износостой­кость, предел выносливости и сопротивление коррозии в среде атмосферного воздуха, воды, пара и т. д. Азоти­рование проводят обычно при 500-600° С (для повыше­ния износостойкости и прочности) или при 600—800° С (для повышения коррозионной стойкости) в среде ам­миака, который при указанных температурах диссо­циирует с образованием атомарного азота. Атомарный азот диффундирует в же­лезо.

Нитроцементация и цианирование - поверхност­ное насыщение деталей одновременно углеродом и азо­том. Процесс выполняют либо в газовой среде, либо в расплавленной ванне из цианистых солей. В первом случае процесс называют нитроцементацией, во вто­ром — цианированием. Газовая нитроцементация поз­воляет повысить износостойкость обрабатываемых дета­лей и сделать процесс более рентабельным. При низких температурах поверхностный слой стали насыщается преимущественно азотом, а при высоких — углеродом.

Газовое цианирование (нитроцементацию) разделяют на высокотемпературное (при 800—950° С) и низкотемпературное (при 550—600° С). Высокотемпературное цианирование применяют для получения высокой твердости и износостойкости поверхностей деталей из конструкционных сталей с получением слоя глубиной 0,2-1,0 мм. После нитроцементации детали закаливают и затем подвергают низкому отпуску. Низкотемпературное цианирование выполняют в течение 5-10 ч в среде эндогаза или газа, полученного из синтина (смесь углеводородов) с добавлением 12-20% аммиака, или путем использования триэтаноламина. В результате такой обработки на поверхности стали образуется тонкий карбонитридный слой (толщиной 0,15- 0,20 мм), обладающий высокой износостойкостью. Перед низкотемпературным цианированием производится полная меха­ническая и термическая обработка деталей.

К числу новых методов химико-термической обра­ботки относят насыщение поверхности стали бором. Борирование повышает твердость, сопротив­ление абразивному износу, коррозионную стойкость, теплостойкость и жаростойкость, однако борированные слои обладают высокой хрупкостью. При сульфидировании производят насыще­ние поверхности стали серой, азотом и углеродом на глубину 0,2—0,3 мм для повышения износостойкости, прирабатываемости деталей при трении и устойчивости их против задиров.

Диффузионная металлизация — процесс насыщения поверхности стали алюминием (алитирование), хромом (хромирование), кремнием (силицирование). Металли­зация кремнием повышает кислотоупорность, хромом или алюминием - жаростойкость, хромом, азотом и углеродом - износостойкость и т. д. Металлы образуют с железом твердые растворы замещения, поэтому диф­фузия их осуществляется значительно труднее, чем диффузия углерода или азота. В связи с этим процессы диффузионной металлизации выполняют при высоких температурах: алитирование - при 900-1000°С, си­лицирование - при 950-1050°С.

Применение диффузионной металлизации во многих случаях не только вполне оправдано, но и является экономически выгодным. Так, детали жаростойкие при температуре до 1000-1100° С, изготовляют из простых углеродистых сталей, а с поверхности насыщают алюми­нием, хромом или кремнием, что значительно выгоднее, чем применение специальных легированных жаростой­ких сталей.

7.3. ПОВЕРХНОСТНОЕ УПРОЧНЕНИЕ СТАЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ

ПЛАСТИЧЕСКИМ ДЕФОРМИРОВАНИЕМ

Поверхностное упрочнение методом пластического деформирования - прогрессивный технологический процесс, приводящий к изменению свойств поверхности металлического изделия. При этом методе пластически деформируют только поверхность. Деформирование осу­ществляют либо обкаткой роликами, либо обдувкой дробью.

Чаще применяют обдувку дробью, при которой поверхность подвергается ударам быстролетящих круг­лых дробинок размером 0,2-1,5 мм, изготовленных из стали или белого чугуна. Обработку выполняют в спе­циальных дробеметах. Удары дробинок приводят к пла­стической деформации и наклепу в микрообъемах по­верхностного слоя. В результате дробеструйной обра­ботки образуется наклепанный слой глубиной 0,2-0,4 мм. Кроме того, за счет увеличения объема накле­панного слоя на поверхности изделия появляются остаточные напряжения сжатия, что сильно повышает усталостную прочность. Например, срок службы витых пружин автомобиля, работающих в условиях, вызываю­щих усталость, повышается в 50-60 раз, коленчатых валов - в 25-30 раз.

Дробеструйная обработка, так же как и обкатка роликами, является конечной технологической опера­цией, перед которой изделия проходят механическую и термическую обработку.

Вопросы для самоконтроля.

1. Цель и виды поверхностной закалки стали.

2. Цель и виды химико-термической обработка сталей.

3. Что такое азотирование?

4. Что такое нитроцементация и цианирование?

5. Как проводят поверхностное упрочнение стальных изделий пластическим деформированием?