Глава 11. Поверхностное упрочнение стальных изде лий

Упрочнение поверхности методом пластического дефомирования

Многие изделия должны иметь высокуютвердость и прочностьповерхностного слояи вязкую сердцевину.Эффективными способами упрочнения поверхностного слоя являются дробеструйная обработка, ^позволяющая прорабатывать стальные детали на глубину до 0,7 мм, и обкатка поверхности роликами на глубину до 15 мм. При этом происходит наклеп поверхности детали, позволяющий повысить ее усталостную прочность без изменения материала и режима термической обработки. Наклепу подвергают готовые детали, прошедшие механическую и термическую обработку.

При дробеструйной обработке на поверхность деталей из специальных дробеметов с большой скоростью направляют поток стальной или реже чугунной дроби диаметром 0,5-1₅5 мм. Удары дроби вызывают пластическую деформацию поверхностного слоя, вследствие чего он становится более твердым. В нем создаются остаточные напряжения сжатия, и тем самым повышается усталостная прочность. Если в поверхностном слое присутствует остаточный аустенит, то благодаря наклепу происходит его фазовое превращение с образованием мартенсита, что дополнительно увеличивает твердость и износостойкость. Благодаря дробеструйной обработке сглаживаются мелкие поверхностные дефекты, являющиеся концентраторами напряжений.

Дробеструйной обработке подвергают поверхность рессор и пружин, зубчатых колес, звеньев гусениц, гильз и поршней. В результате дробеструйной обработки предел выносливости рессор увеличивается в 1,5 раза и в несколько раз возрастает их долговечность.

Обкатку роликами проводят с помощью специальных приспособлений на обычных токарных или строгальных станках. Давление на ролики осуществляется гидравлически или с помощью пружин.

Обкатку роликами применяют для обработки шеек валов, осей железнодорожных вагонов, коленчатых валов и других деталей. Помимо упрочнения обкатка повышает чистоту обрабатываемой поверхности.

Поверхностная закалка

Поверхностная закалка состоит в нагреве поверхностного слоя стали выше А _с3 с последующим охлаждением для получения высокой твердости и прочности в поверхностном слое детали в сочетании с вязкой сердцевиной.Разновидности поверхностной закалки различаются способами нагрева. Нагрев под закалку производят токами высокой частоты (ТВЧ) - наиболее распространенным способом, в расплавленных металлах или солях, пламенем газовых или кислородно-ацетиленовых горелок, а также лазерным излучением и плазмой.

 Высокая скорость высокочастотного нагрева (сотни градусов в секунду) обу­словливает смещение фазовых превращений в область более высоких температур. Следовательно, температура высокочастотной закалки должна быть выше температуры закалки при обычном печном нагреве и тем выше, чем больше скорость нагрева. Например, сталь 40 при печном нагреве закаливают с температур 840-860° С, а при индукционном нагреве со скоростью 250 и 400° С/c с температур 880-920° С и 930-980° С соответственно.

При нагреве ТВЧ магнитный поток, создаваемый переменным током, проходящим по проводнику (индуктору), индуцирует вихревые токи в металле детали, помещенной внутри индуктора. Форма индуктора соответствует внешней форме изделия. Индуктор представляет собой медные трубки с циркулирующей внутри водой для охлаждения. Скорость нагрева зависит от количества выделившегося тепла, пропорционального квадрату силы тока и сопротивлению металла.

Плотность тока по сечению детали неравномерна, по поверхности она значительно выше, чем в сердцевине. Основное количество тепла выделяется в тонком поверхностном слое. Глубина проникновения тока в металл зависит от свойств нагреваемого металла и обратно пропорциональна квадратному корню из частоты тока. Чем больше частота тока, тем тоньше получается закаленный слой. Обычно применяют машинные генераторы с частотой 500-15000 Гц и ламповые генераторы с частотой до 10  Гц. При использовании машинных генераторов толщина закаленного слоя составляет 2-10 мм, ламповых - от десятых долей миллиметра до 2 мм.

После нагрева в индукторе деталь охлаждают с помощью специального охлаждающего устройства. Через имеющиеся в нем отверстия на поверхность детали разбрызгивается охлаждающая жидкость.

Структура закаленного слоя состоит из мартенсита, а переходной зоны - из мартенсита и феррита. Глубинные слои нагреваются до температур ниже критических и при охлаждении не упрочняются, сохраняется феррито- перлитная структура. Для повышения прочности сердцевины перед поверхностной закалкой деталь подвергают нормализации или улучшению на зернистый сорбит. Нагрев длится обычно до 10 с, причем скорость нагрева составляет 100-1000 °С/с. После закалки с индукционным нагревом действительное зерно аустенита значительно меньше (10-12 баллов), чем при печном нагреве (7-8 баллов). Мелкое зерно получается вследствие большой скорости нагрева и отсутствия выдержки. Образующийся при этом мелкоигольчатый мартенсит имеет твердость на 3-6 HRC, чем при печном нагреве. При поверхностной закалке значительно повышается предел выносливости стали, что связано с образованием в поверхностном слое остаточных напряжений сжатия. Это важно для изделий работающих на изгиб и кручение, у которых максимальное напряжение растяжения возникает в поверхностных слоях.

Преимуществами поверхностной закалки ТВЧ являются регулируемая глубина закаленного слоя; высокая производительность и возможность автоматизации; отсутствие обезуглероживания и окалинообразования; минимальное коробление детали. К недостаткам относятся высокая стоимость индуктора (индивидуального для каждой детали) и, следовательно, малая применимость ТВЧ к условиям единичного производства.

Для поверхностной закалки применяют обычно углеродистые стали, содержащие около 0,4 % С. Глубокая прокаливае-мость при этом методе не используется, поэтому легированные стали обычно не применяют. После закалки проводят низкий отпуск при 200 °С или даже самоотпуск. После закалки и отпуска твердость стали 45-55 HRC на поверхности и 25-30 HRC в сердцевине.

Высокочастотной закалке подвергают шейки коленчатых валов, кулачковых валов, гильзы цилиндров, поршневые пальцы, детали гусениц, пальцы рессоры и т. д. Выбор толщины упрочняемого слоя зависит от условий работы детали. Если от детали требуется только высокая износостойкость, толщина упрочняемого слоя составляет 1,5-3 мм, в случае высоких контактных нагрузок и возможной перешлифовки оптимальная толщина возрастает до 5-10 мм.

Лазерная закалка. Для поверхностной закалки может использоваться нагрев лазером. Это позволяет избежать необходимости изготовления индивидуальных индукторов. Лазеры - это оптические квантовые генераторы, позволяющие получать электромагнитные излучения высокой концентрации энергии. Источниками генерируемого излучения служат твердые тела (рубины, алюминиевые граниты, иттрий, стекла) и газы (Не, Ne, Ar, CO ). Среди лазеров высокой мощности велика доля CO - лазеров (до 20 кВт), Для термообработки и сварки установки с этими источниками представляют абсолютное большинство. Для термической обработки перспективными являются также диодные лазеры мощностью до 6кВт, с достаточно большим сечением луча в фокальной плоскости (~1см²), их излучение более эффективно, чем излучение CO - лазеров, поглощается металлами благодаря более короткой длине волны генерируемого излучения (808 или 940 нм). Для лазерной обработки используются импульсные лазеры и лазеры непрерывного действия.

Преимуществом лазерной закалки является эффект самозакалки (нет необходимости в закалочных средах), уменьшение деформаций, по сравнению с традиционными методами объёмной и поверхностной закалки, автоматизация процесса, получение более высоких механических и эксплуатационных свойств материалов по сравнению с традиционными способами поверхностного упрочнения. Лазерная очистка уменьшает число дефектов поверхности (поры, включения), улучшает структуру сплавов. В случае использования лазерной обработки (ЛО) для нанесения покрытий их структура может быть полностью изменена. При лазерном воздействии на соответствующую среду могут быть получены аморфные или кристаллические материалы (алмазные плёнки или покрытия из метастабильного углерода). Аморфизация лазерным лучом – метод модификации поверхности с получением замороженного стеклообразного состояния.

Лазерная закалка перспективна для изделий, долговечность которых лимитируется износостой­костью и тех, вследствие сложности конфигурации которых, возможно значительное коробление при проведении упрочняющей обработки. По­верхностной лазерной обработке подвергается инструмент из углеродистых сталей (У8А, У10А и др.), легированных, высоколегированных и быстрорежущих сталей, прошедший объёмную термическую обра­ботку, окончательное шлифование и заточку. Лазерную закалку и лазерную химико-термическую обработку проводят в различных газовых средах: на воздухе, в среде азота или аргона. Лазерная обработка проводится с оплавлением и без оплавления поверхностного слоя. Лазерная обработка позволяет осуществлять нанесение на рабочие поверхности тонких плёнок, обеспечивающих значительное повышение износостойкости инструмента.

Под действием лазерного излучения поверхность деталей за короткий промежуток времени (~10 с) нагревается до высоких температур. Лазерная термическая обработка (ЛТО) проводится при плотностях мощности 10 -10 Вт/м², когда происходит активный локальный разогрев поверхности металла до некоторого квазистационарного состояния, при котором еще нет заметного испарения материала. После прекращения облучения нагретые участки быстро охлаждаются благодаря интенсивному отводу тепла холодными объемами металла и в окружающую среду. Происходит закалка тонкого поверхностного слоя.

Процессы ЛТО определяются взаимодействием лазерного луча с поверхностью материала и их эффективность зависит от: химического состава сплава и его структуры, коэффициента поглощения поверхности, теплопроводности, шероховатости поверхности. Размеры зон термического воздействия зависят также от: плотности мощности излучения, скорости перемещения лазерного луча (скорость перемещения лазерного луча может варьироваться в пределах от 1- 100мм/c).Лазерная обработка поверхности стальных и чугунных деталей существенно увеличивает их износостойкость, предел выносливости при изгибе и предел контактной выносливости. Лазерная обработка - перспективный метод поверхностного упрочнения изделий сложной формы, работающих в условиях износа и усталостного нагружения.Конкретные примеры применения лазерная  и плазменной обработки приведены в разделе 20.

11.3. Химико-термическая обработка стали. Общие сведения

Химико-термической обработкой (ХТО) называют процесс, заключающийся в поверхностном насыщение стали одним или несколькими элементами при высокой температуре и, как правило, сочетающийся с термическим воздействием, в результате которого происходит изменение химического состава, микроструктуры и свойств поверхностных слоев деталей в необходимом направлении.

Химико-термическая обработка включает в себя цементацию, азотирование, цианирование, алитирование, силицирование, борирование и т. д., при этом происходит насыщение поверхности металла соответствующими элементами (С, N,C и N,Al,Si,B). Насыщение поверхностного слоя происходит при нагреве детали до определенной температуры в среде, легко выделяющей насыщающий элемент в активном (атомарном) состоянии, и выдержке при этой температуре. Среды, выделяющие насыщающий элемент, могут быть газообразными, жидкими и твердыми.

В отличие от поверхностной закалки при химико-термической обработке разница в свойствах достигается изменением не только структуры металла, но и его химического состава. ХТО не зависит от формы деталей. Она обеспечивает получение упрочненного слоя одинаковой толщины по всей поверхности. ХТО дает более существенное различие в свойствах поверхности и сердцевины деталей. ХТО изменяет химический состав и структуру поверхностного слоя, а поверхностная закалка - только структуру. Вместе с тем ХТО уступает поверхностной закалке по производительности.

Основные элементарные процессы любого вида химико-термической обработки следующие:

1.Диссоциация - выделение насыщающего элемента в активном атомарном состоянии в результате разложения исходных веществ: 2СО —> СО₂ + С; 2NH₃ —» 3Н₂ + 2N и т. д. Степень распада молекул газа (%) называют степенью диссо-циации.

2.Абсорбция поверхностью металла свободных атомов насыщающего эле-мента. Атомы металла, находящиеся на поверхности, имеют направленные наружу свободные связи. При подаче к поверхности детали атомов насыщающего элемента эти свободные связи вступают в действие, что уменьшает поверхностную энергию металла. С повышением температуры абсорбционная способность металла увеличивается. Развитию процесса абсорбции способствует возможность диффундирующего элемента образовывать с основным металлом твердые растворы или химиические соединения.

3.Диффузия ~ проникновение насыщающего элемента в глубь металла. В результате абсорбции химический состав поверхностного слоя меняется, при этом создается градиент концентраций насыщающего элемента в поверхностных и нижележащих слоях. Диффузия протекает легче при образовании твердых растворов внедрения (С, N), чем твердых растворов замещения (Al, Cr, Si). Поэтому при диффузионной металлизации процесс ведут при более высоких температурах.

Поверхностный слой детали, отличающийся от исходного материала по химическому составу, называется диффузионным слоем. Материал детали под диффузионным слоем с неизменившимся химическим составом называется сердцевиной.

Цементация стали

 Процесс насыщения поверхностного слоя стальных деталей углеродом называется цементацией. Цель цементации - достижение высокой твердости и износостойкости поверхности детали в сочетании с вязкой сердцевиной. На цементацию поступают механически обработанные детали с припуском на шлифование 50-100 мкм. В тех случаях, когда цементации подвергается только часть детали, остальные участки защищают либо специальными огнеупорными обмазками, либо тонким слоем (20-40 мкм) меди, нанесенным электролитическим способом.

Цементации подвергают стали с низким содержанием углерода {0,1-0,2 % С). После цементации на поверхности концентрация углерода достигает 0,8-1,0 %. Глубина цементованного слоя (при содержании углерода порядка 0,4 %) обычно лежит в пределах 0,5-2,5 мм. Для достижения высокой твердости поверхности и вязкой сердцевины после цементации всегда проводят закалку с низким отпуском.

Процесс цементации проводят выше А  (обычно при 930-950, реже при 1000-1050 °С), когда сталь находится в аустенитном состоянии, которое характеризуется высокой растворимостью углерода. Толщина цементованного слоя в зависимости от состава стали и назначения изделия может составлять 0,5-2 мм. Твердая цементация применяется при единичном производстве.

Газовая цементация является основным процессом массового производства. Стальные детали нагревают в газовых смесях, содержащих СО, СН  и др. Газовая цементация проходит быстро, так как не требует времени на прогрев ящика и карбюризатора. Слой толщиной 1 мм образуется за 6-7 ч.

После цементации характерно неравномерное распределение углерода по сечению детали. Полученный в результате цементации наружный слой содержит более 0,8 % С и имеет структуру заэвтектоидных сталей - перлит и вторичный цементит. Глубже лежит слой эвтектоидного состава с перлитной структурой, а далее - слой с феррито-перлитной структурой.

После цементации из-за длительной выдержки при высоких температурах сталь становится крупнозернистой. Это обстоятельство необходимо учитывать при назначении обязательной после цементации термической обработки. Целью термической обработки является упрочнение поверхности с одновременным измельчением зерна и получением вязкой сердцевины.

В зависимости от назначения детали применяют различные варианты термической обработки(рис. 11.1). Менее ответственные детали, работающие без динамических нагрузок, преимущественно на износ, подвергают закалке после подстуживания непосредственно с цементационного нагрева с последующим низким отпуском. При этом режиме обработки стали крупное зерно аустенита, выросшее в результате длительной цементации, дает грубокристаллический мартенсит отпуска в поверхностном слое и крупнозернистую ферритоперлитную структуру в сердцевине детали. Эти недостатки в определенной мере устраняются при использовании наследственно мелкозернистых сталей и применении газовой цементации, сокращающей время пребывания стали при высокой температуре. Подстуживание при закалке до 840-860 °С снижает внутренние напряжения, а обработка холодом уменьшает количество остаточного аустенита в цементованном слое.

Особо ответственные детали после цементации подвергают двойной закалке с низким отпуском. При первой закалке с температуры на 30-50 °С выше А_с3 происходит перекристаллизация сердцевины детали с образованием мелкого аустенитного зерна, обеспечивающего мелкозернистость продуктов распада. Одновременно при этом цементитная сетка в поверхностном слое растворяется. При нагреве под вторую закалку мартенсит, полученный после первой закалки, претерпевает отпуск, и при этом образуются глобулярные карбиды, увеличивающие твердость поверхностного заэвтектоидного слоя. Кроме того, при второй закалке с температуры выше A  на 30-50 °С обеспечивается мелкое зерно в поверхностном слое.

После такой термообработки поверхностный эвтектоидный или заэвтектоидный слой имеет структуру отпущенного мартенсита или мартенсита с включениями глобулярных карбидов и остаточного аустенита. Структура сердцевины определяется химическим со­ставом стали. При цементации углеродистой стали из-за низкой прокаливаемости сердцевина имеет феррито-перлитную структуру. Легированная сталь при цементации позволяет получать в сердцевине структуру сорбита, троостита или даже мартенсита, но благодаря низкой концентрации углерода сердцевина будет иметь высокую ударную вязкость. Твердость на поверхности цементованного слоя имеет 58-62 HRC, сердцевина ~ 30-45 HRC. При цементации чаще контролируется не общая глубина слоя, а эффективная до твердости 50HRC.После цементации изделия подвергают окончательной механической обработке- шлифовке.

Азотирование стали

Азотированием называют процесс насыщения стали азотом. Целью азотирования является создание поверхностного слоя с особо высокой твердостью, сохраняющейся до температуры ~500°С, износостойкостью, по­вышенной усталостной прочностью и сопротивлением коррозии в водной среде, паровоздушной и влажной атмосфере.

Процесс азотирования состоит в выдержке в течение довольно длительного времени (до 60 ч) деталей в атмосфере аммиака при 500-600 °С. При более высокой температуре образуются более крупные нитриды, и твердость уменьшается. Азотирование проводят в стальных герметически закрытых ретортах, в которые поступает аммиак. Реторту помещают в нагревательную печь. Поступающий из баллонов аммиак при нагреве разлагается на азот и водород: NH₃ —> ЗН + N. Активные атомы азота проникают в решетку а -железа и диффундируют в ней. Образующиеся при этом нитриды железа еще не обеспечивают достаточно

высокой твердости. Высокую твердость азотированному слою придают нитриды легирующих элементов, прежде всего хрома, молибдена, алюминия, ванадия, титана (VN,TiN, Cr N, AlN и др.). При совместном легировании стали хромом, молибденом, алюминием твердость азо­тированного слоя по Виккерсу достигает 1200 HV, в то время как после цементации и закалки твердость составляет 900 HV (рис. 11.2).

Благодаря высокой твердости нитридов легирующих элементов азотированию обычно подвергают легированные среднеуглеродистые стали.

Азотированию обычно подвергают готовые изделия, прошедшие механическую и окончательную термическую обработку (закалку с высоким отпуском 600-675 °С, температура которого выше максимальной температуры азотирования). После такой термической обработки металл приобретает структуру сорбита, имеющую высокую прочность и вязкость. Эта структура сохраняется в сердцевине детали и после азотирования. Высокая прочность металлической основы необходима для того, чтобы тонкий и хрупкий азотированный слой не продавливался при работе детали. Высокая твердость азотирования достигается сразу и не требует последующей термической обработки. Это важное преимущество процесса азотирования.

Участки, не подлежащие азотированию, защищают нанесением тонкого слоя олова (10-15 мкм) электролитическим методом или жидкого стекла. Глубина азотированного слоя достигает 0,3-0,6 мм. Из-за сравнительно низких температур скорость азотирования значительно меньше, чем скорость цементации, и составляет всего 0,01 мм/ч и менее.

По сравнению с цементацией азотирование имеет ряд преимуществ и недостатков. Преимуществами азотирования являются более высокая твердость и износостойкость поверхностного слоя, сохранение им высоких свойств при нагреве до 500 °С, а также высокие коррозионные свойства. В азотированном слое создаются остаточные напряжения сжатия, что повышает усталостную прочность. Кроме того, после азотирования не требуется закалки, что позволяет избежать сопутствующих закалке дефектов. К недостаткам азотирования по сравнению с цементацией относятся более высокая длительность процесса и необходимость применения дорогостоящих легированных сталей. Поэтому азо­тирование проводят при изготовлении более ответственных деталей, от которых требуется особо высокое качество поверхностного слоя.

Азотирование применяют в машиностроении для изготовления мерительного инструмента, гильз, цилиндров, зубчатых колес, шестерен, втулок, коленчатых валов и др. Изделия после азотирования не могут работать при больших нагрузках из-за опасности продавливания тонкого упрочненного слоя.

Цианирование стали

Цианированием (нитроцементацией, карбонитрацией) называется одновременное насыщение поверхности  деталей азотом и углеродом; процесс имеет преимущества по сравнению с цементацией так как азот способствует диффузии углерода, что позволяет снизить температуру выдержки до 850°С, при ее продолжительности от 4-10 часов. Основная цель цианирования состоит в повышении твердости и износостойкости деталей.

При цианировании нагрев осуществляется либо в расплавленных солях, содержащих цианистые соли NaCN или KCN, либо в газовой среде, состоящей из смеси науглероживающих и азотирующих газов (СH  и NH₃). Состав и свойства цианированного слоя зависят от температуры проведения цианирования.

В зависимости от температуры процесса различают высокотемпературное (850-950°С) и низкотемпературное (500-600 °С) цианирование. Чем выше температура цианирования, тем меньше насыщение поверхностного слоя азотом и больше углеродом.

При низкотемпературном цианировании поверхностный слой насыщается преимущественно азотом. Низкотемпературному цианированию обычно подвергают окончательно изготовленный и заточенный режущий инструмент из быстрорежущих марок стали с целью повышения его износостойкости и красностойкости. После низкотемпературного цианирования отпуск не производится. Глубина цианированного слоя 0,01-0,04 мм с твердостью 1000 HV.

После высокотемпературного цианирования на глубину 0,6-1,8 мм в течение 3-10 ч детали подвергают закалке и низкому отпуску. Твердость после термообработки составляет 59-62 HRC.

По сравнению с цементованным цианированный слой имеет несколько более высокую твердость и износостойкость, а также более высокое сопротивление коррозии. В ваннах можно подвергать цианированию мелкие детали, например детали часовых механизмов, для которых достаточно получение слоя небольшой толщины.

Недостатком цианирования является более высокая стоимость процесса, связанная с необходимостью строгого соблюдения правил техники безопасности из-за высокой токсичности цианистых солей.

Этого недостатка лишен процесс карбонитрации. Для интенсификации процесса карбонитрации проводится продувка воздухом расплава цианата калия. При этом протекает реакция: 2KNCO+ O = K CO₃ +CO+ H ; ниже 600°С оксид углерода распадается по реакции: 2СО = СО + С .Температура расплава 530-570°С, время выдержки от 5-30 мин. Обработка повышает долговечность инструмента в 1,5-4 раза.