2. Поверхностная закалка

Поверхностная закалка состоит в нагреве поверхностного слоя стали выше Д,₃ с последующим охлаждением для получения вы­сокой твердости и прочности в поверхностном слое детали в соче­тании с вязкой сердцевиной.

Рис. 12.1. Поверхностная закалка с нагревом тока­ми высокой частоты:

1 - закаливаемая деталь; 2 - индуктор; 3 - охла­дитель

Высокая скорость высокочастотного нагрева (сотни градусов в секунду) обу­словливает смещение фазовых превраще­ний в область более высоких температур.

Следовательно, температура высокочас­тотной закалки должна быть выше тем­пературы закалки при обычном печном нагреве и тем выше, чем больше скорость нагрева и грубее выделения избыточного феррита в доэвтекто­идных сталях. Например, сталь 40 при печном нагреве закали­вают с температур 840-860 °С, при индукционном нагреве со скоростью 250 °С/с - с температур 880-920 'С, а при скорости на­грева 400 °С/с - с 930-980 °С.

Нагрев под закалку производят токами высокой частоты (ТВЧ) - наиболее распространенным способом, в расплавленных металлах или солях, пламенем газовых или кислородно-ацетилено­вых горелок, а также лазерным излучением.

При нагреве ТВЧ магнитный поток, создаваемый переменным током, проходящим по проводнику (индуктору), индуцирует вихре­вые токи в металле детали, помещенной внутри индуктора (рис. 12.1).

Форма индуктора соответствует внешней форме изделия. Ин­дуктор представляет собой медные трубки с циркулирующей внут­ри водой для охлаждения. Скорость нагрева зависит от количест­ва выделившейся теплоты, пропорционального квадрату силы тока и сопротивлению металла.

Плотность тока по сечению детали неравномерна, по поверх­ности она значительно выше, чем в сердцевине. Основное количе­ство теплоты 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 получается зака­ленный слой. Обычно применяют машинные генераторы с часто­той 500-15000 Гц и ламповые генераторы с частотой до 10^е Гц. При использовании машинных генераторов толщина закаленного слоя составляет 2-10 мм, ламповых - от десятых долей миллимет­ра до 2 мм.

После нагрева в индукторе деталь охлаждают с помощью спе­циального охлаждающего устройства. Через имеющиеся в нем отверстия 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. Для повышения прочности сердцевины перед по­верхностной закалкой деталь иногда подвергают нормализации или улучшению. Нагрев длится обычно до 10 с, причем скорость нагрева составляет 100-1000 °С/с.

Преимуществами поверхностной закалки ТВЧ являются регу­лируемая глубина закаленного слоя; высокая производительность и возможность автоматизации; отсутствие обезуглероживания и ока- линообразования; минимальное коробление детали. К недостат­кам относятся высокая стоимость индуктора (индивидуального для каждой детали) и, следовательно, малая применимость ТВЧ к условиям 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 45-55 HRC на поверхности и 25-30 HRC в сердцевине.

Высокочастотной закалке подвергают шейки коленчатых ва­лов, кулачковых валов, гильзы цилиндров, поршневые пальцы, детали гусениц, 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 перешлифовки оптимальная толщина возрастает до 5-10 мм.

Для поверхностной закалки может использоваться нагрев ла­зером. Это позволяет избежать необходимости изготовления инди­видуальных индукторов. Лазеры - это квантовые генераторы опти­ческого диапазона, в основу работы которых положено усиление электромагнитных колебаний за счет индукционного излучения ато­мов (молекул). Лазерное излучение распространяется очень узким пучком и характеризуется высокой концентрацией энергии. Источ­никами генерируемого излучения служат твердые тела (рубины, алюминиевые граниты, иттрий, стекла) и газы (Не, Ne, Аг, С0₂).

Под действием лазерного излучения поверхность деталей за короткий промежуток времени (10 ³—10 ⁷ ч) нагревается до высо­ких температур. После прекращения облучения нагретые участки быстро охлаждаются благодаря интенсивному отводу теплоты хо­лодными объемами металла. Происходит закалка тонкого поверх­ностного слоя.

Лазерная обработка поверхности стальных и чугунных дета­лей существенно увеличивает их износостойкость, предел вынос­ливости при изгибе и предел контактной выносливости. Лазерная обработка - перспективный метод поверхностного упрочнения изделий сложной формы, работающих в условиях износа и уста­лостного нагружения.

3. ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ Общие сведения

Химико-термической обработкой (ХТО) называют процесс, со­четающий в себе поверхностное насыщение стали тем или иным элементом при высокой температуре и термическое воздействие, в результате которых происходит изменение химического состава, микроструктуры и свойств поверхностных слоев деталей.

Химико-термическая обработка включает в себя цементацию, азотирование, цианирование, алитирование, силицирование и т. д. Насыщение поверхностного слоя происходит при нагреве детали до определенной температуры в среде, легко выделяющей насы­щающий элемент в активном состоянии, и выдержке при этой температуре. Среды, выделяющие насыщающий элемент, могут быть газообразными, жидкими и твердыми.

В отличие от поверхностной закалки при химико-термической обработке разница в свойствах достигается изменением не только структуры металла, но и его химического состава. ХТО не зависит от формы деталей. Она обеспечивает получение упрочненного слоя одинаковой толщины по всей поверхности. ХТО дает более суще­ственное различие в свойствах поверхности и сердцевины деталей. ХТО изменяет химический состав и структуру поверхностного слоя, а поверхностная закалка - только структуру. Вместе с тем ХТО уступает поверхностной закалке по производительности.

Основные элементарные процессы любого вида химико-терми­ческой обработки следующие:

1. Диссоциация — выделение насыщающего элемента в актив­ном атомарном состоянии в результате разложения исходных ве­ществ: 2С0 -> С0₂ + С; 2NH₃ —> ЗН₂ + 2N и т. д. Степень распада молекул газа (%) называют степенью диссоциации.

2. Абсорбция - захват поверхностью металла свободных атомов насыщающего элемента. Атомы металла, находящиеся на поверх­ности, имеют свободные валентности. При подаче к поверхности детали атомов насыщающего элемента эти свободные валентности вступают .в действие, что уменьшает поверхностную энергию ме­талла. С повышением температуры абсорбционная способность металла увеличивается. Развитию процесса абсорбции способству­ет возможность диффундирующего элемента образовывать с ос­новным металлом твердые растворы или химические соединения.

3. Диффузия - проникновение насыщающего элемента в глубь металла. В результате абсорбции химический состав поверхност­ного слоя меняется, при этом создается градиент концентраций насыщающего элемента в поверхностных и нижележащих слоях. Диффузия протекает легче при образовании твердых растворов внедрения (С, N), чем твердых растворов замещения (Al, Cr, Si). Поэтому при диффузионной металлизации процесс ведут при бо­лее высоких температурах.

Поверхностный слой детали, отличающийся от исходного ма­териала по химическому составу, называется диффузионным сло­ем. Материал детали под диффузионным слоем с неизменившим- ся химическим составом называется сердцевиной.

Цементация стали

Цементацией называется процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стальных деталей углеродом. Цель цемента­ции - 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 огнеупорными обмазками, либо тонком слоем (20-40 мкм) меди, нанесенным электролитическим способом.

Цементации подвергают стали с низким содержанием углеро­да (0,1-0,2 % С). После цементации на поверхности концентра­ция углерода достигает 1,0%. Глубина цементированного слоя (при содержании углерода порядка 0,4 %) обычно лежит в преде­лах 0,5-2,5 мм. Для достижения высокой твердости поверхности и вязкой сердцевины после цементации всегда проводят закалку с низким отпуском.

Различают два основных вида цементации: в твердой и газо­вой средах. Среда, поставляющая углерод к поверхности детали, подвергаемой цементации, называется карбюризатором.

Твердая цементация производится в специальных стальных ящиках, в которых детали укладывают попеременно с карбюри­затором. Ящики закрывают крышками и замазывают огнеупорной глиной для предотвращения утечки газов. В качестве твердого карбюризатора используют дубовый и березовый древесный уголь и активизаторы ВаС0₃ или Na₂C0₃. При нагреве до температуры 930-950 °С идут реакции:

2С + 0₂ 2СО; ВаС0₃ + С —> BaO f 2СО; 2СО -> С0₂ + С. 282

Образующиеся активные атомы углерода диффундируют в ре­шетку у-железа.

f

Процесс цементации проводят выше А_с3 (обычно при 910-930, реже при 1000-1050 °С), когда сталь находится в аустенитном со­стоянии, которое характеризуется высокой растворимостью угле­рода. Толщина цементованного слоя в зависимости от состава ста­ли и назначения изделия может составлять 0,5-2 мм.

Газовая цементация является основным процессом массового производства. Стальные детали нагревают в газовых смесях, со­держащих СО, СН₄ 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 характерно неравномерное распределение углерода по сечению детали. Полученный в результате цемента­ции наружный слой содержит более 0,8 % С и имеет структуру заэвтектоидных сталей - перлит и вторичный цементит. Глубже лежит слой эвтектоидного состава с перлитной структурой, а да­лее - слой с феррито-перлитной структурой.

После цементации из-за длительной выдержки при высоких температурах сталь становится крупнозернистой. Это обстоятель­ство необходимо учитывать при назначении обязательной после цементации термической обработки. Целью термической обра­ботки является упрочнение поверхности с одновременным из­мельчением зерна и получением вязкой сердцевины.

В зависимости от назначения детали применяют различные варианты термической обработки (рис. 12.2).

Менее ответственные детали подвергают закалке непосредст­венно с цементационного нагрева с последующим низким отпуском

(рис. 12.2, а). Крупное зерно аустенита, выросшее в результате длительной цементации, дает грубокристаллический мартенсит отпуска в поверхностном слое и крупнозернистую феррито-пер- литную структуру в сердцевине детали. Эти недостатки в опреде­ленной мере устраняются при использовании наследственно мел­козернистых сталей и применении газовой цементации, сокра­щающей время пребывания стали при высокой температуре. Подстуживание при закалке до 750-800 °С снижает внутренние напряжения, а обработка холодом уменьшает количество оста­точного аустенита в цементованном слое.

При более высоких требованиях к структуре после цемента­ции детали подвергают охлаждению на воздухе, однократной за­калке с нагрева выше А_с3 и низкому отпуску (рис. 12.2, б). При этом в сердцевине и на поверхности детали происходят перекри­сталлизация и измельчение зерна. Однако в поверхностном высо­коуглеродистом слое наблюдается некоторый перегрев, так как оптимальный закалочный нагрев заэвтектоидных сталей - это нагрев выше А_с1, но ниже А_ст.

Особо ответственные детали после цементации подвергают двойной закалке с низким отпуском (рис. 12.2, в). При первой за­калке с температуры на 30-50 °С выше А_с3 происходит перекри­сталлизация сердцевины детали с образованием мелкого аустенит- ного зерна, обеспечивающего мелкозернистость продуктов распада. Одновременно при этом цементитная сетка в поверхностном слое растворяется. При нагреве под вторую закалку мартенсит, полу­ченный после первой закалки, претерпевает отпуск, и при этом образуются глобулярные карбиды, увеличивающие твердость по­верхностного заэвтектоидного слоя. Кроме того, при второй за­калке с температуры выше А_с) на 30-50 °С обеспечивается мелкое зерно в поверхностном слое.

После такой термообработки поверхностный заэвтектоидный слой имеет структуру отпущенного мартенсита с включениями глобуляр­ных карбидов. Структура сердцевины определяется химическим со­ставом стали. При цементации углеродистой стали из-за низкой прокаливаемости сердцевина имеет феррито-перлитную структуру.

Легированная сталь при цементации позволяет получать в сердцевине структуру сорбита, троостита или даже мартенсита, но благодаря низкой концентрации углерода сердцевина будет иметь высокую ударную вязкость.