Тема 5. Поверхностные методы упрочнения.

Основные методы поверхностного упрочнения – закалка с нагрева токами высокой частоты (Т.В.Ч.) и химико-термическая обработка (Х.Т.О.). Требования к химическому составу сталей для этих методов упрочнения. Механизм насыщения и формирования структуры в поверхностном слое при цементации, нитроцементации, азотировании и борировании. Примеры марок сталей, подвергаемых различным методам упрочнения. Термическая обработка цементованных и нитроцементованных деталей. Способы дополнительной поверхностной обработки деталей с учетом условий эксплуатации. Поверхностное упрочнение наклепом, лучем лазера и электронным лучом.

Методические указания.

Для получения большой твердости в поверхностном слое детали с сохранением вязкой сердцевины, что обеспечивает износоустойчивость и одновременно высокую динамическую прочность детали, применяют поверхностные методы упрочнения – закалку с нагрева Т.В.Ч. или Х.Т.О. Сущность закалки с нагрева Т.В.Ч. заключается в том, что поверхностные слои детали быстро нагреваются выше критических точек и создается резкий градиент температур по сечению. Если нагрев прервать и провести быстрое охлаждение, то слой металла, нагретый выше критической температуры получит закалку, а не нагретая сердцевина сохранит свое исходное структурное состояние. Для такого способа упрочнения применяют стали с содержанием углерода 0.4% и выше.

Химико-термическая обработка – процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя неметаллами (С, N, Si,B и др.) или металлами (Cr, Al и др.) в процессе выдержки при определенной температуре в активной жидкой или газовой среде.

Широко применяются в машиностроении цементация (насыщение поверхности углеродом), нитроцементация (насыщение углеродом и азотом), азотирования (насыщение азотом) и борирование (насыщение бором). Цементации и нитроцементации подвергают, стали с содержанием углерода до 0,3%. Цементацию проводят при температуре 930-950^оС, нитроцементацию – при 840-880^оС. После насыщения изделия закаливают в масло, а затем подвергают отпуску при температуре 180-220^оС. Эти виды Х.Т.О. обеспечивают получение твердости поверхности выше 55 НRС, а сердцевины менее 40НRC.

Для увеличения твердости, износостойкости, предела выносливости и коррозионной стойкости стальных изделий их подвергают азотированию, которое проводится при температуре 500-600^оС в среде диссоциированного аммиака. Для азотирования применяют среднеуглеродистые легированные марки стали, предварительно прошедшие термическое улучшение. Упрочнение проводят на глубину 0,2-0,4 мм и получают поверхностную твердость в пределах 650-1200НV. Преимуществом этого метода является сохранение высокой твердости поверхности при нагреве деталей до 450-470^оС и практически отсутствие деформации и коробления изделий.

Максимальная степень поверхностного упрочнения стальных деталей (НV1700 и выше) может быть получена путем борирования при температуре 910-950^оС. После борирования стойкость деталей возрастает в 5-10 раз.

Для закрепления изученного материала, к примеру, проведен выбор обработки шестерен из стали 20Х. Рассмотрим микроструктуру и свойства поверхности и сердцевины детали после упрочнения. В соответствии с ГОСТ 4343-71 сталь 20Х имеет следующий химический состав:

Углерод – 0,17 – 0,23%;

Хром = 0,7 – 1,0%;

Кремний – 0.17 – 0.37%;

Марганец – 0,5 – 0,8%;

Сера, фосфор £ 0,035%;

Остальное – железо.

Свойства шестерен с учетом их условий эксплуатации должны быть следующими: для поверхности зуба – высокая твердость и износостойкость; для сердцевины – высокая пластичность.

Учитывая низкое содержание углерода в стали для упрочнения деталей рекомендуется: химико-термическая обработка – цементация или нитроцементация.

Оба вида упрочнения могут быть использованы, и выбор конкретного способа упрочнения зависит от требований предъявляемых к деталям по глубине упрочненного слоя и деформации и короблению деталей.

При глубине упрочненного слоя более 1,0 мм необходимо использовать цементацию, то есть провести насыщение поверхности детали углеродом. Цементация проводится при температуре 930-950^оС, скорость насыщения углеродом ~0,1 мм/час. После цементации детали подвергают термической обработке. Далее рассмотрим один из таких способов.

1. Нагрев до 860-880^оС, выдержка и охлаждение. Этот нагрев назначается с целью исправления крупнозернистой структуры сердцевины, полученной при нахождении стали длительное время при температуре цементации;

2. Нагрев до 770-780^оС, выдержка и закалка в масло;

После закалки получают твердость в пределах 58-62НRС на поверхности, и ~30-35НRС в сердцевине.

3. Отпуск при температуре 180-200^оС для снятия напряженного состояния полученного в результате закалки.

 

Свойства шестерен после химико-термической обработки:

1. Твердость поверхности – 58-62НRС;

2. Микроструктура поверхности – мартенсит + остаточный аустенит;

3. Твердость сердцевины – 30-35НRС;

4. Микроструктура сердцевины – малоуглеродистый мартенсит + феррит.

Литература: [1, стр. 220-252; 3 стр. 312-340].

Вопросы для самопроверки

1. Какие процессы протекают при химико-термической обработке?

2. В чем сущность поверхностей закалки деталей с нагрева ТВЧ. Какие марки стали, подвергают этому способу упрочнения.

3. Назовите преимущества и недостатки поверхностной закалки с нагрева ТВЧ в сравнении с Х.Т.О.

4. Рассмотрите технологию цементации в твердом карбюризаторе и газовой атмосфере.

5. Укажите преимущества нитроцементации деталей перед цементацией.

6. Для каких целей используют поверхностную дробеструйную обработку стальных изделий?

7. Изучите технологические процессы азотирования и борирования. Какие основные требования предъявляются к предварительной обработке упрочняемых деталей?