Тема 8. Химико-термическая обработка. Поверхностное упрочнение наклёпом.

Вопросы:

1. Цементация.

2. Азотирование.

3. Цианирование.

4. Металлизация.

5. Поверхностное упрочнение наклёпом.

Химико-термическая обработка – это про­цесс поверхностного насыщения стали химическими эле­ментами (углеродом, азотом, хромом, алюминием, крем­нием и др.) для повышения износостойкости, твердости, жаростойкости и других свойств.

1. Цементация – процесс поверхностного науглерожи­вания стальных изделий для придания им высокой поверхностной твердости при сохранении вязкой сердце­вины (поршне­вые пальцы, зубчатые колеса, кулачки распределитель­ных валиков и др.). Для цементации применяют стали с содержанием углерода 0,15...0,35 %. Вещества, предназначенные для науглероживания стали, называют карбюризаторами. При цементации в твердом карбюризаторе детали за­гружают в металлический контейнер, наполненный кар­бюризатором, и нагревают в печи до температуры 900...950 °С. Выдержку по времени определяют из рас­чета, что за 1 ч получается цементованный слой глуби­ной 0,1 мм. Карбюризатором служит состав из 75% березового угля и 25 % ВаСОз или NaСО₃.

2. Азотирование – процесс насыщения поверхности ста­ли азотом для повышения твердости, износостойкости и устойчивости против коррозии (гильзы цилиндров, клапаны, а также измерительный инструмент). Его про­водят в специальных герметических печах при 500...600°С. Через печь пропускают аммиак NН₃, предварительно просушенный хлористым кальцием, ко­торый при нагреве диссоциирует по реакции 2NН₃ = 2N + 6Н. Образующийся азот поглощается поверхностью стали и проникает в глубь детали, образуя твердые растворы и соеди­нения, называемые нитридами.

3. Цианирование – процесс одновременного насыщения поверхности стали углеродом и азотом для повышения твердости и износостойкости, а также для увеличения сопротивляемости коррозии (шестерни). Чем выше температура цианирования, тем сильнее поверхностный слой насыща­ется углеродом, чем ниже – азотом. Цианирование бы­вает высокотемпературным – при 800...950°С и низко­температурным – при 500...600 °С.

Применяют виды цианирования: жидкостное в цианистой ванне, содержащей 45% NаСN, 35% NаСО₃, 20% NаСI, и газовое (нитроцементация) в среде, состоящей из 80 % науглероживающего газа и 20 % аммиака.

4. Диффузионная металлизация – процесс насыщения поверхностного слоя различными металлами (алюми­нием, хромом, кремнием и др.) для придания окалиностойкости, жаростойкости, коррозионной стойкости, твердости и износостойкости. Насыщение изделий из стали и чугуна алюминием (алитирование) придает им высокую жаростойкость (газоотвод­ные трубы двигателей, колосники и другие изделия, работающие при высоких температурах).

Насыщение поверхностного слоя хромом (хромиро­вание) приводит к увеличению коррозионной стойкости, окалиностойкости, твердости и износостойкости сталь­ных и чугунных изделий (обработка поршневых колец, режущий инструмент, детали форсунок и насосов и др.).

Насыщение стали кремнием (силицирование) при­дает ей коррозионную стойкость в некоторых агрессив­ных средах, несколько повышает ее износостойкость и жаростойкость.

5. Поверхностный наклеп является эффективным средством повышения усталостной прочности деталей, работающих в условиях циклических нагрузок. Наклеп может осуществляться различными способами пластической деформации поверхностного слоя: дробеструйным и центробежным способами, обкатыванием роликами, чеканкой ударниками и т. д.

Благоприятное действие поверхностного наклепа неоднократно проверялось прямыми испытаниями образцов на усталостную прочность при различных способах циклического нагружения. Предел выносливости образцов, не имеющих конструктивных концентраторов напряжений (гладких), повышается в результате поверхностного наклепа на 25…40%.

Для деталей, имеющих конструктивные концентраторы напряжений в виде прессовых посадок, галтелей, выточек и т. п., поверхностный наклеп особенно полезен. Так, например, наличие напрессованной втулки снижает усталостную прочность образцов примерно вдвое. Обкатыванием удается значительно повысить усталостную прочность, а зачастую и полностью устранить вредное влияние напрессовки. В результате поверхностного наклепа на 60% повышается предел выносливости образцов с кольцевым надрезом, на 50% - образцов с поперечным отверстием, на 30…100% - ступенчатых образцов с галтелями малого радиуса.

Высокая эффективность поверхностного наклепа для образцов с концентраторами напряжений объясняется благоприятной ролью остаточных напряжений сжатия, возникающих при пластической деформации поверхностного слоя. Они позволяют в большой мере или даже полностью устранить вредное влияние концентраторов на прочность.

Большинство известных количественных характеристик эффективности поверхностного упрочнения получено при усталостных испытаниях образцов диаметром менее 100 мм. В последние годы, однако, проведен ряд экспериментальных работ, убедительно показавших высокую эффективность поверхностного наклепа и для образцов относительно крупных размеров.