Поверхневе зміцнення

Об'ємна гарт з подальшим відпуском не може забезпечити працездатність деталі в умовах підвищеного зносу в поєднанні з ударними навантаженнями. Для цього одночасно необхідні високі і твердість, і ударна в'язкість. Однак після об'ємного зміцнення стали при високій твердості мають низьку ударну в'язкість, і навпаки (див. Рис. 5.24).

У таких випадках використовується поверхневе зміцнення. При цьому забезпечуються висока твердість і зносостійкість поверхні деталі при в'язкої серцевини, що забезпечує опір ударним навантаженням.

Поверхневе зміцнення здійснюється методами хіміко-термічної обробки (ХТО), а також поверхневої загартуванням.

В результаті ХТО досягається висока зносостійкість деталі за рахунок підвищення твердості поверхневого шару при збереженні в'язкої серцевини. ХТО виконується також для досягнення корозійної стійкості. У ряді випадків ці завдання можуть бути вирішені одночасно.

Поверхневе загартування здійснюється нагріванням на задану глибину тільки поверхневого шару, тому при подальшому охолодженні гартується тільки цей шар, а не всі перетин деталі. При цьому опір ударним навантаженням забезпечується вузький серцевиною.

Хіміко-термічна обробка

Хіміко-термічна обробка являє собою процес, що поєднує хімічне і теплове вплив з метою зміни хімічного складу, структури і властивостей поверхневого шару сталевих виробів.

Зміна хімічного складу досягається за рахунок дифузії в поверхневий шар різних компонентів, яка більш інтенсивно протікає при високих температурах. Для цього сталеві вироби нагрівають в активному середовищі, що містить дифундує (насичує) компонент. Середовище може бути твердою, газової і рідкої. В процесі витримки в середовищі при високих температурах відбувається дисоціація (розпад) хімічних сполук з утворенням насичує компонента в атомарному стані; адсорбція (осадження) активних атомів на поверхні виробу; дифузія (переміщення) атомів вглиб металу з утворенням твердих розчинів, яка може супроводжуватися фазової перекристалізацією. На поверхні можуть також утворюватися хімічні сполуки високої твердості.

Дисоціація та адсорбція протікають значно швидше, ніж дифузія, в процесі якої формуються структура і властивості дифузійної зони. Отже, товщина утвореного шару визначається швидкістю дифузії, зростає з підвищенням температури, і залежить також від тривалості процесу ХТО. За товщину дифузійного шару, насичується будь-яким компонентом, зазвичай приймають ефективну товщину, оцінювану глибиною шару з певними властивостями (наприклад, твердістю) або структурою. При дифузійному насиченні в поверхневому шарі виникають, як правило, значні залишкові напруги стиску, що підвищує межу витривалості виробів.

В результаті хіміко-термічної обробки досягаються підвищення твердості і зносостійкості, межі витривалості або стійкості проти корозії. При цьому ХТО може використовуватися як остаточна або як попередня технологічна операція з подальшою термічній обробкою.

Найбільш широке застосування в машинобудуванні знайшли такі різновиди ХТО: цементація, азотування і нітроцементація (ціанування).

Цементація - процес дифузійного насичення поверхневих шарів деталей вуглецем. Цементації піддають вироби, що виготовляються з сталей, що містять до 0,25 ... 0,3% вуглецю. Такі низьковуглецеві конструкційні стали називають цементуемие. Вони є доевтектоїдної і мають в рівноважному (отожженном) стані структуру фериту і перліту, в якій частка фериту переважає. Твердість і міцність цих сталей низькі, а пластичність і ударна в'язкість високі. Через низький вміст вуглецю вони практично не гартуються (див. 5.5.2, підрозділ "Закаливаемость і прокаліваемость").

Механізм цементації і структура цементованного шару. Цементацію проводять шляхом нагрівання сталевих деталей в активних середовищах, що містять вуглець, до 900 ... 950 ° С, тобто вище точки А с3 (в області стійкого аустеніту). Вибір температури пояснюється тим, що розчинність вуглецю в аустеніт (до 2,14%) значно вище, ніж в фериті (0,02%). Чим вище температура нагріву, тим більше вуглецю може розчинитися в аустените, але при цьому зростають розміри його зерен. Швидкість насичення становить приблизно 0,1 мм / год. Таким чином, для отримання цементованного шару глибиною 1 мм потрібно не менше 10 год.

Після закінчення процесу насичення поверхні вуглецем і повільного охолодження до цехової температури утворюється цементованний шар, що має змінну концентрацію вуглецю, спадаючу від поверхні до серцевини. Відповідно змінюється і його мікроструктура. Перша зона, прилегла до поверхні і містить в середньому близько 1% вуглецю, має структуру перліту і цементиту вторинного, характерну для заевтектоідних сталей. Потім слід зона зі структурою перліту (0,8% вуглецю) і перехідна (третя) зона зі структурою перліту і фериту (при зниженні концентрації вуглецю менше 0,8%). У міру віддалення від поверхні кількість фериту в цій зоні зростає. За ефективну величину цементованного шару приймають глибину від поверхні до структури, що складається приблизно з 50% фериту і 50% перліту (до 0,4 ... 0,45% вуглецю).

Технології цементації. Застосовують тверду і газову цементацію. Їх назва визначається початковим агрегатним станом використовуваних углеродсодержащих активних середовищ, які називають карбюризаторами.

Тверда цементація здійснюється в карбюризаторі, що містить активоване деревне вугілля (70%), порошки BaCOi (25%) для інтенсифікації процесу і CaCO3 (5%) для запобігання спікання вугільних гранул. Деталі укладають рядами в сталеві зварні або чавунні ящики (контейнери). Дно ящика і кожен ряд деталей засипають шаром карбюризатора. Ящик закривають кришкою, кромки якої для забезпечення герметичності замазують вогнетривкою глиною, і поміщають в піч. Вуглець деревного вугілля взаємодіє з киснем повітря (наявного в цементаційна ящику) і вуглекислим барієм ( ), утворюючи газ СО, який дисоціює за реакцією:

Утворений атомарний вуглець адсорбується на поверхні сталевих деталей і дифундує вглиб, розчиняючись в аустеніт.

Тверда цементація має ряд недоліків:

  • - Неможливість регулювання ступеня насичення поверхні деталей вуглецем;
  • - Підвищені енергетичні витрати, пов'язані з прогріванням ящиків з карбюризатором;
  • - Більш низька швидкість цементації в порівнянні з газовою цементацією (майже в 2 рази), оскільки до швидкості насичення (0,1 мм / год) додається чимало часу, необхідне для прогріву скриньок і протікання хімічних реакцій.

Тверда цементація застосовується в умовах одиничного і дрібносерійного виробництва, відрізняється простотою виконання, не вимагає спеціального устаткування.

Газова цементація здійснюється при нагріванні виробів в середовищі газів, що містять вуглець. Найбільш часто використовується газовий карбюризатор, що складається з суміші метану CH4 (природний газ) і СО, при діссоцііаціі яких утворюється атомарний вуглець:

Далі все протікає так само, як при твердій цементації, але тривалість процесу істотно скорочується. Газова цементація дозволяє забезпечити задану концентрацію вуглецю в шарі, механізацію та автоматизацію процесу.

Цементації може піддаватися не вся поверхня виробу. У цьому випадку ділянки, що не підлягають цементації, захищають гальванически обміднений або спеціальними обмазками.

Сама по собі цементація не забезпечує виконання головного завдання - отримання високої твердості і зносостійкості на поверхні деталей при збереженні в'язкої серцевини. Вона створює тільки вигідний розподіл вуглецю по перетину деталі. Необхідна зміцнення поверхневого шару досягається тільки наступною термічною обробкою, яка завжди проводиться після цементації.

Термічна обробка цементованних деталей. Після цементації деталі піддають загартуванню для отримання високої твердості в поверхневих шарах і низькому відпустці (160 ... 180 ° С). Застосовуються різні технології гарту в залежності від типу виробництва, вимог до міцності поверхневого шару і серцевини деталей, необхідності автоматизації процесу.

Найбільш часто загартування проводять після повільного охолодження деталей після цементації до цехової температури. Деталі знову нагрівають до температур вище точки Ac v тобто до температури гарту заевтектоідних сталей, оскільки саме така структура сформована в поверхневому шарі в процесі цементації. Температура гарту цементованних деталей вибирається рівною 820 ... 850 ° С, що вище зазвичай використовуваних при загартуванню заевтектоідних сталей (780 ... 800 ° С). Це забезпечує не тільки повну загартування і подрібнення зерен в результаті перекристалізації цементованного шару, але і часткові перекристаллизацию і подрібнення зерна в серцевині. На поверхні утворюється структура мслкоігольчатого мартенситу (після подальшого низького відпустки - відпущеного мелкоігольчатого мартенситу), вторинного цементиту і аустеніту (5 ... 8%). Структура серцевини залежить від хімічного складу стали і розмірів виробу. Структура серцевини деталей з вуглецевих сталей - ферит і перліт; легованих - сорбіт, троостит або низковуглеродний мартенсит.

При великосерійному і масовому виробництві для деталей менш відповідального призначення гарт поєднується з газової цементацией. Гартівне охолодження проводиться безпосередньо з температури цементації або після деякого подстуживания до 820 ... 850 ° С для зменшення термічних напружень. Така технологія є найбільш економічною і легко автоматизується. Однак при загартуванню серцевина деталі зберігає велике зерно, а на поверхні утворюється крупнопластінчатий мартенсит і підвищена кількість залишкового аустеніту. Це пояснюється тим, що тривалі витримки при високих температурах в процесі цементації викликають значне зростання аустенітного зерна. Оскільки гарт виконується безпосередньо з високої температури цементації, структура залишається крупнозернистою. Задовільні властивості після такої обробки виходять в природно дрібнозернистих сталях при вмісті вуглецю в поверхневому шарі, близькому до Евтектоїдних;

Найбільш відповідальні важко навантажених деталі, для яких необхідні високі міцність і ударна в'язкість серцевини, після цементації піддають подвійний гарту. Перша проводиться з метою перекристалізації структури серцевини і розчинення сітки вторинного цементиту в цементованном шарі. У серцевині після цементації зберігається структура доевтектоїдної стали, тому температура нагріву для гарту вибирається вище точки АС.УА В результаті структура серцевини проходить повну перекристаллизацию і стає дрібнозернистим. На поверхні внаслідок нагрівання до високих температур утворюється структура, що складається з крупнопластінчатие мартенситу, що має низьку міцність, і залишкового аустеніту.

Друга гарт виконується для усунення перегріву цементованного шару. Температура нагріву вибирається вище точки Ac t (750 ... 780 ° С), оскільки на поверхні після цементації виходить структура заевтектоідной стали. Після другої гарту на поверхні утворюється мелкоігольчатий мартенсит, залишковий аустеніт і невелика кількість зернистого цементиту. Структура серцевини повторно проходить часткову перекристаллизацию і подрібнення зерна. Недоліками такої обробки є складність технологічного процесу, підвищений жолоблення виробів складної форми, можливе окислення і зневуглецювання поверхні.

Після цементації, загартування і низького відпустки твердість поверхневого шару складає 58 ... 62 HRC, а серцевини - менше 20 HRC для вуглецевих сталей і 25 ... 45 HRC для легованих. Остаточна глибина шару на деталях зазвичай призначається в межах 0,8 ... 1,2 мм.

Цементації з подальшою термічною обробкою піддають деталі, що працюють в умовах підвищеного зносу і динамічних навантажень (наприклад, зубчасті колеса, черв'яки, кулачки, розподільні валики і т.п.). Її метою є отримання високої поверхневої твердості, що забезпечує хорошу зносостійкість, при збереженні в'язкої серцевини.

 
< Попер   ЗМІСТ   Наст >