Поверхностная закалка

Для деталей, работающих на трение, высокая твердость требуется только на поверхности, а в сердцевине в некоторых случаях она не только не нужна, но даже нежелательна. Мягкая и вязкая сердцевина обеспечивает деталям высокую динамическую прочность, т.е. способность противостоять ударным нагрузкам и вибрации.

Для обеспечения этих свойств изделия из стали подвергают поверхностной закалке. Несмотря на большое разнообразие методов поверхностной закалки, все они заключаются в том, что в процессе термообработки нагреваются только поверхностные слои детали, а сердцевина остается практически холодной.

Быстрый нагрев поверхности чаще всего производят ацетиленокислородным пламенем или токами высокой частоты (индукционный нагрев). Последний способ предпочтительней, так как он обеспечивает более равномерный прогрев, с поверхности не выгорает углерод, а сам процесс высокопроизводителен и может быть автоматизирован.

Сущность метода индукционного нагрева токами высокой частоты заключается в том, что нагреваемую деталь помещают в электромагнитное высокочастотное поле. При этом в металле индуцируются вихревые токи, плотность которых особенно высока в поверхностных слоях. Под действием этих токов поверхность быстро нагревается до необходимой температуры, после чего деталь переносят в охлаждающую среду.

Лазерная закалка – упрочнение поверхности лучом лазера – обеспечивает высокую твердость при отсутствии деформирования изделия.

Химико-термическая обработка

Химико-термической обработкой (ХТО) называют процесс, при котором поверхностные слои изделия из стали насыщаются различными химическими элементами. Основная цель ХТО - упрочнение поверхности деталей, повышение твердости и износостойкости, придание поверхности особых свойств.

Отличие ХТО от других видов термической обработки заключается в том, что помимо структурных изменений происходит изменение и состава стали в поверхностных слоях детали. Это достигается за счет того, что при высоких температурах атомы различных химических элементов диффундируют (проникают) в поверхность стали из окружающей среды.

Рассмотрим кратко некоторые виды химико-термической обработки.

Цементация заключается в насыщении поверхностных слоев детали углеродом. Цель цементации - придание поверхности твердости при сохранении мягкой сердцевины. Обычно цементации подвергают детали из низкоуглеродистых сталей (до 0,25% углерода), работающих в условиях переменных ударных нагрузок и подвергающихся износу. Это, например, зубчатые колеса автомобилей, шестерни, втулки, поршневые пальцы и т.п.

Поверхностный слой деталей насыщают углеродом до 1% на глубину от 0,1 до 4 мм при температуре 900⁰ - 970⁰. После цементации детали подвергают закалке и отпуску. В результате такой обработки на поверхности получается высокоуглеродистый мартенсит, а в сердцевине сохраняется низкая твердость и высокая вязкость.

Цементацию проводят в твердых, жидких и газообразных средах, называемых карбюризаторами. В качестве твердого карбюризатора применяют древесный уголь в смеси с другими компонентами. В них детали нагревают и выдерживают в течении длительного времени, затем охлаждают и подвергают термической обработке.

Газовую цементацию проводят в атмосфере метана, бензола и др. Применяют для массового производства мелких деталей. Жидкие карбюризаторы (смесь цианистого калия с бурой, содой и другими веществами) применяют в тех случаях, когда нужно получить тонкий цементированный слой с высоким содержанием углерода. Этот способ требует применения специальных мер защиты.

Азотированием называют процесс насыщения стали азотом. Процесс заключается в воздействии на сталь аммиака при температуре 500⁰ - 600⁰. Толщина азотированного слоя составляет 0,25 - 0,75 мм.

Цель азотирования - придание поверхности высокой твердости, износостойкости, устойчивости против коррозии, усталостной прочности. Азотированные поверхности имеют большую химическую стойкость на воздухе, в пресной и соленой воде.

Азотирование углеродистых сталей не приводит к значительному повышению твердости, поэтому азотируют только легированные стали. Азот аммиака образует твердые нитриды с элементами, входящими в их состав - Cr, Al, Mo.

Достоинством азотирования по сравнению с цементацией является незначительное изменение размеров детали и отсутствие коробления, так как температура нагрева при азотировании не высока. Недостаток - длительность процесса, составляющая 24-60 ч.

Цианирование заключается в насыщении поверхности одновременно углеродом и азотом в расплавленных цианистых солях при температуре 820⁰ - 950⁰. Толщина слоя составляет сотые доли миллиметра.

Цианированный слой обладает достоинствами цементированного и азотированного, но еще имеет и более высокое сопротивление износу. Кроме того, после цианирования образуется красивая матовая поверхность, что придает изделиям "товарный" вид. Цианированию подвергают детали из конструкционных и легированных сталей и инструмент, изготовленный из быстрорежущих сталей.

Цианирование проводят в специальном помещении с соблюдением мер безопасности, так как цианистые соли обладают токсичностью.

Нитроцементация представляет собой процесс насыщения поверхностного слоя одновременно углеродом и азотом в газовой среде азота и водорода. Поверхность становится твердой, износостойкой, коррозионностойкой. Нитроцементация широко используется в автомобильном и тракторном производстве.

Борирование заключается в насыщении поверхностного слоя бором в боросодержащей среде. Борируют тяжелонагруженные детали (нефтяное оборудование, штампы, пресс-формы), после чего они приобретают твердую, износостойкую, коррозионностойкую и окалиностойкую поверхность.

Для придания поверхности изделий из стали особых свойств кроме химико-термической обработки применяют диффузионную металлизацию - насыщение поверхности металлами.

Насыщение поверхности кремнием (силицирование), алюминием (алитирование), хромом (хромирование) повышает коррозионную стойкость, жаростойкость и износоустойчивость изделий.

Наиболее широко используется в технике цинкование. На долю цинковых покрытий приходится 60% от общей поверхности металлических покрытий. Оцинкованные листы и полосы применяются в жилищном строительстве, для изготовления различных емкостей, в автомобильном и железнодорожном транспорте.

Цехи термической обработки на производстве обычно оснащены разнообразным оборудованием для термической обработки сплавов и изделий из них. В состав оборудования входят различные печи для нагрева и химико-термической обработки, ванны для охлаждения, оборудование для очистки поверхности изделий после закалки. Для выполнения поверхностной закалки используются специальные установки, в которых закаливаемое изделие нагревается токами высокой частоты. Качество выполнения термообработки определяется контролем твердости и микроструктуры по так называемым образцам - свидетелям.

Механические свойства металлов и сплавов

Нагрузки, напряжения, деформации.

На детали работающих машин воздействуют внешние силы или нагрузки Р. Чтобы оценить размер нагрузки вне зависимости от размеров изделия введено понятие напряжения .

 = Р / S , где S - площадь поперечного сечения образца.

Обычно сила Р не перпендикулярна S, и в образце возникают нормальные  и касательные  напряжения.

Напряжения могут быть вызваны разными причинами.

Напряжения, возникающие род действием внешних сил, называются внешними или временными напряжениями.

Напряжения могут возникать в теле образца без воздействия внешних сил. Например, под влиянием быстрого нагрева или охлаждения вследствие неоднородного расширения или сжатия слоев металла. Напряжения могут возникать также в процессе кристаллизации. Такие напряжения называются внутренними.

Под влиянием внешних или внутренних напряжений в материале возникает деформация. Деформацией называют изменение размеров или формы тела под воздействием внешних сил или физико-механических процессов, протекающих в самом теле.

Любое воздействие внешних сил уравновешивается противодействием межатомных сил, которые стремятся вернуть атомы в первоначальное положение. В зависимости от соотношения величин внешних и межатомных сил деформация может быть упругой или пластической.

При упругой деформации сохраняется пропорциональная зависимость между деформирующими и межатомными силами. Величина упругой деформации прямо пропорционально зависит от величины напряжения. После снятия деформирующих сил твердое тело восстанавливает свои исходные размеры и форму.

Если после прекращения действия внешних сил твердое тело не полностью восстанавливается, то такая деформация называется пластической или остаточной. Способность металлов к остаточной деформации называется пластичностью. В процессе пластической деформации искажается кристаллическая решетка, отдельные части кристаллов смещаются, скользя относительно друг друга.

Пластичность металла зависит от типа кристаллической решетки. Так, например, металлы с кубической кристаллической решеткой более пластичны, чем металлы с гексагональной решеткой. Кроме того, способность к пластической деформации возрастает с увеличением числа дислокаций. Способность дислокаций к перемещению способствует пластической деформации.

Способность металлов пластически деформироваться является его важнейшим и полезнейшим свойством. Это свойство металлов используется в различных технологических процессах – при протяжке проволоки, при операциях гибки, штамповки, прокатки и т.п. Кроме того, пластичность металла обеспечивает конструктивную прочность изделий. Металл с низкой пластичность хрупкий и склонен к хрупкому разрушению даже при пониженных нагрузках на изделие.