Термическая и химико-термическая обработка

Широко распространено упрочнение трущихся деталей методами термической и химико-термической обработки. В основе методов термической обработки лежит изменение свойств поверхностного слоя металла при нагреве и охлаждении. При нагреве и охлаждении металлов до определенных температур (так называемых критических точек) происходят полиморфные превращения, обеспечивающие образование структуры с определенными физико-механическими свойствами. Изменяя температуру нагрева или охлаждения металлов и (или) выдержку при этой температуре, можно либо получить равновесное структурное состояние металла, либо зафиксировать мета- стабильные неравновесные структуры, обладающие определенными характеристиками.

Характерный вид термообработки стали — закалка — заключается в том, что сталь, нагретую выше критической точки Лс3 (или Ас{ для заэвтектоидной стали), охлаждают со скоростью, превышающей критическую, в результате чего образуется мартенсит — пресыщенный твердый раствор углерода в a-железе, имеющий высокую твердость и прочность, поскольку при мартенситных превращениях появляются напряжения II рода, происходят дробление и разориенти- рование блоков мозаики, а также искажение кристаллической решетки, возникающее вследствие внедрения атомов углерода [23]. После закалки обычно проводят отпуск, что позволяет устранить повышенную хрупкость стали и частично или полностью устранить остаточные напряжения, избежать появления микротрещин.

Применяют либо объемную закалку стальных деталей, либо поверхностную закалку. Последнюю обычно используют для образования твердого износостойкого слоя на определенных участках деталей из средне- и высокоуглеродистых сталей или ковкого серого и высокопрочного чугунов. Глубина закалки не менее 1,5—2 мм. Используют либо поверхностную закалку газовым пламенем (способ дешевый и весьма эффективный для поверхностного упрочнения круп


ных деталей — литых зубчатых колес, прокатных валков, шеек коленчатых валов и т.д.), либо высокочастотную закалку, основанную на нагреве металла индуцируемым в нем переменным потоком высокой частоты. Регулируя частоту тока, выбирают глубину нагреваемого слоя металла. Можно закаливать слои от сотых долей миллиметра до 10 мм. Рационально использовать этот метод закалки при массовом или крупносерийном производстве. Существует также метод поверхностной закалки токами промышленной частоты с помощью электрода, выполненного в виде ролика, катящегося по поверхности стальной детали, к которой подводится ток. При протекании тока через контакт выделяется теплота, нагревающая поверхностный слой детали. Охлаждение производится эмульсией или водой. Таким методом закаливают рельсы, бандажи колес, направляющих станин и т.д. [4, 22]. К методам поверхностной закалки можно отнести также упрочнение материалов лучом лазера. Скорость нагрева при лазерном облучении материалов очень высока — 105—106 °С/с, т.е. за очень короткое время облучения поверхностные слои успевают нагреться, расплавиться и перегреться. Охлаждение при кристаллизации жидкого слоя также происходит с большой скоростью — до 106 °С/с, что значительно больше скорости обычной закалки. Закаленный таким образом слой приобретает высокую поверхностную твердость и мелкую кристаллическую субструктуру. Этот метод позволяет упрочнять локальные по глубине и площади участки металла, в том числе труднодоступные для других методов упрочнения. Твердость упрочненного таким образом слоя превышает на 15—20% твердость стали, упрочненной традиционными методами.

Химико-термическая обработка проводится при совместном действии температуры и активной внешней среды, насыщающей поверхностный слой, что позволяет изменить химический состав и структуру этого слоя с целью повышения его твердости, сопротивления изнашиванию и усталостной прочности. В качестве активных сред используют твердые, жидкие или газообразные вещества, диссоциирующие при высоких температурах и выделяющие элемент, необходимый для насыщения, который диффундирует в упрочняемый металл. При этом диффундирующий элемент должен растворяться в основном металле, реагирующие атомы должны иметь достаточную тепловую энергию и должен быть градиент концентрации диффундирующего элемента от поверхности в глубь детали. Наиболее распространены следующие виды, химико-термической обработки:

цементация заключается в насыщении поверхностного слоя стали углеродом, после чего деталь подвергается закалке. Поскольку для цементации используют низкоуглеродистые стали, их сердцевина после закалки остается вязкой, а поверхностный слой, насыщенный углеродом, приобретает высокую твердость.


Насыщение углеродом производят из газовой, жидкой или твердой среды (иначе говоря, цементация в твердом, жидком и газообразном карбюризаторе). Этот вид поверхностного упрочнения можно применять для деталей различных размеров, в том числе достаточно крупных;

азотирование заключается в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали и титана азотом. Азотированный слой обладает высокой твердостью, сохраняющейся до температур 500— 600 °С, и обеспечивает высокую износостойкость сталям, легированным молибденом, вольфрамом, никелем и некоторыми другими элементами, образующими с азотом твердые и стойкие соединения (нитриды). Азотирование представляет собой окончательный процесс обработки деталей, после него допустима только притирка или доводка, так как упрочненный слой (до твердости 1100—1200 HV) очень тонок. Износостойкость этого слоя в 1,5—4 раза выше, чем у цементированного.

Существуют также методы упрочнения путем одновременного насыщения поверхностей углеродом и азотом в газовой среде (нитроцементация или газовое цианирование) или в расплавленной цианистой ванне (цианирование или жидкостное цианирование). Преимущество этих методов перед цементацией заключается в одновременном насыщении поверхности и азотом, и углеродом, что обеспечивает большую износостойкость слоя вследствие образования азотистого мартенсита и мелких частичек избыточного карбида. Процессы достаточно производительны и экономически рентабельны.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >