10.2. 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 различа-
128 ются способами нагрева. Нагрев под закалку производят токами вы- сокой частоты (ТВЧ) – наиболее распространенным способом, в рас- плавленных 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 высокоча- стотной закалки должна быть выше температуры закалки при обыч- ном печном нагреве и тем выше, чем больше скорость нагрева.
Например, сталь 40 при печном нагреве закаливают с 840…860 °С, а при индукционном нагреве со скоростью 250 и 400 °С/c – с 880…920
°С и 930…980 °С соответственно.
При нагреве ТВЧ магнитный поток, создаваемый переменным током, проходящим по проводнику (индуктору), индуцирует вихре- вые токи в металле детали, помещенной внутри индуктора. Форма индуктора соответствует внешней форме изделия. Индуктор пред- ставляет собой медные трубки с циркулирующей внутри водой для охлаждения. Скорость нагрева зависит от количества выделившегося тепла, пропорционального квадрату силы тока и сопротивлению ме- талла.
Плотность тока по сечению детали неравномерна, по поверхно- сти 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 получаемый закаленный слой. Обычно при- меняют машинные генераторы с частотой 500…15000 Гц и ламповые с частотой до 10 6
Гц. При использовании машинных генераторов толщина закаленного слоя составляет 2…10 мм, при использовании ламповых – от десятых долей миллиметра до 2 мм.
После нагрева в индукторе деталь охлаждают с помощью специ- ального охлаждающего устройства. Через имеющиеся в нем отвер- стия 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 ферритно-перлитная структура. Для повышения прочно- сти 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
129 аустенита значительно меньше (10…12 баллов), чем при печном нагреве (7…8 баллов). Мелкое зерно получается из-за большой ско- рости нагрева и отсутствия выдержки. Образующийся при этом мел- коигольчатый мартенсит имеет твердость на 3…6 HRC больше, чем при печном нагреве. При поверхностной закалке значительно повы- шается предел выносливости стали, что связано с образованием в по- верхностном слое остаточных напряжений сжатия. Это важно для изделий, работающих на изгиб и кручение, у которых максимальное напряжение растяжения возникает в поверхностных слоях.
Преимущества поверхностной закалки ТВЧ – регулируемая глу- бина 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, следо- вательно, малая применимость в условиях единичного производства.
Для поверхностной закалки применяют обычно углеродистые стали, содержащие около 0,4% С. Глубокая прокаливаемость 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 составляет
45…55 HRC на поверхности и 25…30 HRC в сердцевине.
Высокочастотной закалке подвергают шейки коленчатых и ку- лачковых валов, гильзы цилиндров, поршневые пальцы, детали гусе- ниц, 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 пере- шлифовки оптимальная толщина возрастает до 5…10 мм.
Лазерная закалка. Для поверхностной закалки может использо- ваться нагрев лазером, что исключает необходимость изготовления индивидуальных индукторов. Лазеры – это оптические квантовые генераторы, позволяющие получать электромагнитные излучения вы- сокой концентрации энергии. Источниками генерируемого излучения служат твердые тела (рубины, алюминиевые граниты, иттрий, стекла) и газы (Не, Ne, Ar, CO
2
). Среди лазеров высокой мощности велика доля CO
2
-лазеров (до 20 кВт). Для термообработки и сварки установ- ки с этими источниками составляют абсолютное большинство. Для термической обработки перспективными являются также диодные лазеры мощностью до 6 кВт, с достаточно большим сечением луча в фокальной плоскости (1 см
2
). Их излучение более эффективно, чем
130
CO
2
-лазеров, поглощается металлами благодаря более короткой длине волны генерируемого излучения (808 или 940 нм). Для лазерной об- работки используются импульсные лазеры и лазеры непрерывного действия.
Преимущества лазерной закалки – эффект самозакалки (нет необходимости в закалочных средах), уменьшение деформаций по сравнению с традиционными методами объёмной и поверхностной закалки, автоматизация процесса, получение более высоких механи- ческих и эксплуатационных свойств материалов по сравнению с тра- диционными способами поверхностного упрочнения. Лазерная очистка уменьшает число дефектов поверхности (поры, включения), улучшает структуру сплавов. В случае использования лазерной обра- ботки (ЛО) для нанесения покрытий их структура может быть полно- стью изменена. При лазерном воздействии на соответствующую сре- ду 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 кото- рых лимитируется износостойкостью, и для тех, у которых из-за сложности конфигурации возможно значительное коробление при проведении упрочняющей обработки. Поверхностной лазерной обра- ботке подвергается инструмент из углеродистых сталей (У8А, У10А и др.), легированных, высоколегированных и быстрорежущих, про- шедший объёмную термическую обработку, окончательное шлифова- ние 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. Она позволяет наносить на рабочие поверхности тонкие плёнки, обеспечивающие значительное повыше- ние износостойкости инструмента.
Под действием лазерного излучения поверхность деталей за ко- роткий промежуток времени (10
-10 с) нагревается до высоких темпе- ратур. Лазерная термическая обработка (ЛТО) проводится при плот- ностях мощности 10 8
…10
Вт/м
2
, когда происходит активный локаль- ный разогрев поверхности металла до некоторого квазистационарного состояния, при котором еще нет заметного испарения материала. По- сле прекращения облучения нагретые участки быстро охлаждаются благодаря интенсивному отводу тепла холодными объемами металла и в окружающую среду. Происходит закалка тонкого поверхностного слоя.
131
Процессы ЛТО определяются взаимодействием лазерного луча с поверхностью материала, и их эффективность зависит от химического состава сплава и его структуры, коэффициента поглощения поверхно- сти, теплопроводности, шероховатости. Размеры зон термического воздействия
зависят также от плотности мощности излучения, скоро- сти перемещения лазерного луча (1…100 мм/c). Лазерная обработка поверхности стальных и чугунных деталей существенно увеличивает их износостойкость, предел выносливости при изгибе и контактной выносливости. Лазерная обработка является перспективным методом поверхностного упрочнения изделий сложной формы, работающих в условиях износа и усталостного нагружения.
10.3. Химико-термическая обработка стали Химико-термической обработкой (ХТО) называют процесс, за- ключающийся в поверхностном насыщении стали одним или не- сколькими элементами при высокой температуре и, как правило, со- четающийся с термическим воздействием, в результате которого хи- мический состав, микроструктура и свойства поверхностных слоев деталей изменяются в необходимом направлении.
Химико-термическая обработка включает в себя цементацию, азотирование, цианирование, алитирование, силицирование, бориро- вание и т.д., при этом происходит насыщение поверхности металла соответствующими элементами (С, N, C и N, Al, Si, B). Насыщение происходит при нагреве детали до определенной температуры в сре- де, легко выделяющей насыщающий элемент в активном (атомарном) состоянии, и выдержке при этой температуре. Среды, выделяющие насыщающий элемент, могут быть газообразными, жидкими и твер- дыми.
В отличие от поверхностной закалки при ХТО разница в свой- ствах достигается изменением не только структуры металла, но и его химического состава. ХТО не зависит от формы деталей, обеспечива- ет получение упрочненного слоя одинаковой толщины по всей по- верхности, дает более существенное различие в свойствах поверхно- сти и сердцевины деталей, изменяет химический состав и структуру поверхностного слоя, а поверхностная закалка – только структуру.
Вместе с тем ХТО уступает поверхностной закалке по производи- тельности.
Основные элементарные процессы любого вида химико-терми- ческой обработки:
132 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 диссоциации.
2. Абсорбция поверхностью металла свободных атомов насыща- ющего элемента. С повышением температуры
абсорбционная способ- ность металла возрастает, так как диффундирующий элемент спосо- бен образовывать с основным металлом твердые растворы или хими- ческие соединения.
3. Диффузия – проникновение насыщающего элемента в глубь металла. В результате абсорбции химический состав поверхностного слоя меняется, при этом создается градиент концентраций насыщаю- щего элемента в поверхностных и нижележащих слоях. Диффузия легче протекает при образовании твердых растворов внедрения (С,
N), чем твердых растворов замещения (Al, Cr, Si). Поэтому при диф- фузионной металлизации процесс ведут при более высоких темпера- турах.
Материал детали под диффузионным слоем с неизменившимся химическим составом называется сердцевиной.
Цементация стали. Процесс насыщения поверхностного слоя стальных деталей углеродом называется цементацией. Цель цемента- ции – 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 огне- упорными обмазками, либо тонким (20…40 мкм) слоем меди, нане- сенным электролитическим способом.
Цементации подвергают стали с низким содержанием углерода
(0,1…0,2% С). После цементации концентрация углерода на поверх- ности достигает 0,8…1,0%. Глубина цементованного слоя (при со- держании углерода порядка 0,4%) обычно 0,5…2,5 мм. Для достиже- ния высокой твердости поверхности и вязкой сердцевины после це- ментации всегда проводят закалку с низким отпуском.
Цементацию осуществляют при температуре выше
А3
(обычно при 930…950, реже при 1000…1050 °С), когда сталь находится в аустенитном состоянии, которое характеризуется высокой раствори- мостью углерода. Толщина цементованного слоя в зависимости от состава стали и назначения изделия может составлять 0,5…2 мм.
Твердая цементация применяется при единичном производстве.
133
Газовая цементация – основной процесс массового производства.
Стальные детали нагревают в газовых смесях, содержащих СО, СН
4
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 углерод неравномерно распределяется по се- чению детали. Полученный наружный слой содержит более 0,8% С и имеет структуру заэвтектоидных сталей – перлит и вторичный цемен- тит. Глубже лежит слой эвтектоидного состава с перлитной структу- рой, а далее – с ферритно-перлитной. Из-за длительной выдержки при высоких температурах сталь становится крупнозернистой. Это необ- ходимо учитывать при назначении обязательной после цементации термической обработки, цель которой – упрочнение поверхности с одновременным измельчением зерна и получением вязкой сердце- вины.
В зависимости от назначения детали применяют различные вари- анты термической обработки (рис. 10.1). Менее ответственные дета- ли, работающие без динамических нагрузок, преимущественно на износ, подвергают закалке после подстуживания непосредственно с цементационного нагрева с последующим низким отпуском. При
этом режиме крупное зерно аустенита, выросшее в результате дли- тельной цементации, дает грубокристаллический мартенсит отпуска в поверхностном слое и крупнозернистую ферритно-перлитную струк- туру в сердцевине детали. Эти недостатки в определенной мере устраняются при использовании наследственно мелкозернистых ста- лей и применении газовой цементации, сокращающей время пребы- вания стали при высокой температуре. Подстуживание при закалке до
840…860 °С снижает внутренние напряжения, а обработка холодом уменьшает количество остаточного аустенита в цементованном слое.
134
Рис. 10.1. Режимы термической обработки стали после цементации:
I – однократная закалка с цементационного нагрева;
II – двойная закалка.;
III – отпуск
Особо ответственные детали после цементации подвергают двойной закалке с низким отпуском. При первой закалке с температу- ры на 30…50 °С выше
Ас3
происходит перекристаллизация сердцеви- ны детали с образованием мелкого аустенитного зерна, обеспечива- ющего мелкозернистость продуктов распада. Одновременно цемен- титная сетка в поверхностном слое растворяется. При нагреве под вторую закалку мартенсит, полученный после первой закалки, пре- терпевает отпуск и образуются глобулярные карбиды, увеличиваю- щие твердость поверхностного заэвтектоидного слоя. Кроме того, при второй закалке с температуры выше
Ас1
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 прокаливае- мости сердцевина имеет ферритно-перлитную структуру. Легирован- ная сталь при цементации позволяет получать в сердцевине структуру сорбита, троостита или даже мартенсита, но благодаря низкой кон- центрации углерода сердцевина будет иметь высокую ударную вяз- кость. Твердость на поверхности цементованного слоя 58…62 HRC, твердость сердцевины 30…45 HRC. При цементации чаще контроли- руется не общая глубина слоя, а эффективная до твердости 50 HRC.
После цементации изделия подвергают окончательной механической обработке – шлифовке.
Азотирование стали. Азотированием называют процесс насы- щения стали азотом. Цель азотирования – 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 деталей в течение до- вольно длительного времени (до 60 ч) 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 ам- миак. Реторту помещают в нагревательную печь. Поступающий из
135 баллонов аммиак при нагреве разлагается на азот и водород: NH3 →
→ ЗН + N. Активные атомы азота проникают в решетку α-железа и диффундируют в ней. Образующиеся при этом нитриды железа еще не обеспечивают достаточно высокую твердость. Высокую твердость азотированному слою придают нитриды легирующих элементов, прежде всего хрома, молибдена, алюминия, ванадия, титана (VN, TiN,
Cr
2
N, AlN и др.). При совместном легировании стали хромом, молиб- деном, алюминием твердость азотированного слоя по Виккерсу до- стигает 1200 HV, в то время как после цементации и закалки – всего
900 HV (рис. 10.2).
Рис. 10.2. Влияние температуры и продолжительности азотирования на твердость и толщину азотированного слоя: 1 – сталь 38ХМЮА; 2 – легированные кон- струкционные стали типа 40Х; 40ХНМА и др.; 3 – углеродистые стали
Азотированию обычно подвергают готовые изделия, прошедшие механическую и окончательную термическую обработку (закалку с высоким отпуском 600…675 °С – выше максимальной температуры азотирования). После этого металл приобретает структуру сорбита, имеющую высокую прочность и вязкость. Эта структура сохраняется в сердцевине детали и после азотирования. Высокая прочность метал- лической основы необходима для того, чтобы тонкий и хрупкий азо- тированный слой не продавливался при работе детали. Высокая твер- дость достигается сразу и не требует последующей термической об- работки – важное преимущество азотирования.
Участки, не подлежащие азотированию, защищают путем нане- сения электролитическим методом тонкого слоя олова (10…15 мкм) или жидкого стекла. Глубина азотированного слоя достигает 0,3…
…0,6 мм. Из-за сравнительно низких температур скорость азотирова-
136 ния значительно меньше, чем скорость цементации, и составляет все- го 0,01 мм/ч и менее.
Преимущества азотирования по сравнению с цементацией – бо- лее высокая твердость и
износостойкость поверхностного слоя, со- хранение 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 закалка, что позволяет избе- жать сопутствующих ей дефектов. К недостаткам азотирования отно- сятся более высокая длительность процесса и необходимость приме- нения 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, шесте- рен, втулок, коленчатых валов и др. Изделия после азотирования не могут работать при больших нагрузках из-за опасности продавлива- ния тонкого упрочненного слоя.
Скачать 3.27 Mb.