Силицироеание. Силицированием называется насыщение поверхности

стали (чугуна) кремнием. В результате силицирования сталь приобретает высокую

коррозионную стойкость в морской воде, в азотной, серной и соляной кислотах и

несколько повышенную устойчивость против износа.

Силицированиый слой представляет собой твердый раствор кремния в α-железе.

Силицированный слой обладает повышенной пористостью.

Силицироваиию подвергают детали, применяемые в оборудовании химической,

бумажной, нефтяной промышленности.

Борирование, т. е. насыщение поверхностного слоя бором. Создает

высокую твердость (HV 1800—2000), износостойкость и устойчивость против

коррозии в различных средах.

Борироваикый слой на поверхности состоит из борида FeB и ниже из борида Fe

2B и α-твердого раствора.

Борирование применяют для повышения износостойкости втулок грязевых

нефтяных насосов. Стойкость указанных деталей после борироваиия возрастает в

2—6 раз.

Поверхностная закалка стали

Основное назначение поверхностной закалки: повышение твердости,

износостойкости и предела выносливости обрабатываемого изделия.

При поверхностной закалке, на заданную глубину, закаливается только

поверхностный слой металла, тем самым приобретая износостойкую структуру и

повышенную твердость, а сердцевина изделия остается незакаленной, сохраняет

вязкость и воспринимает ударные нагрузки.

В практике применяют поверхностную закалку с индукционным нагревом током

высокой частоты (ТВЧ) для мелких и средних деталей, а для крупных деталей

применяют поверхностную закалку с нагревом газовым пламенем.

Закалка с индукционного нагрева. Индукционный нагрев происходит

вследствие теплового действия тока, индуктируемого в изделии, помещенном в

переменное магнитное поле.

Переменный ток, протекая через индуктор, создает переменное магнитное поле.

За счет индукции в поверхностном слое возникают вихревые токи, и в слое некоторой

толщины обрабатываемого изделия происходит выделение джоулева тепла. Плотность

индуктированного переменного тока наибольшая в поверхностном слое (скин или

поверхностный эффект. Это явление называется поверхностным эффектом. Толщину

слоя x (в см), который достигнет заданной температуры за время нагрева ТВЧ можно

определить по формуле:

x 5000 / f

где ρ – электросопротивление, Ом·см ;

μ – магнитной проницаемости, Гс/Э;

f – частота электрического тока, Гц.

Глубина закалки примерно равна глубине нагрева до температуры выше

критической точки; глубинные слои детали нагреваются ниже критических точек и

при охлаждении не упрочняются.

Глубина проникновения тока увеличивается с повышением температуры и

наиболее резко возрастает при температуре, лежащей выше точки Кюри (768 °С),

вследствие резкого уменьшения магнитной проницаемости при переходе стали из

ферромагнитного в парамагнитное состояние. Одновременно уменьшается скорость нагрева, что нужно учитывать при установке режима нагрева. Скорость нагрева в

области температур фазовых превращений (А1 и А3 для доэвтектоидной стали)

составляет 30—300 °С/с.

Для закалки при поверхностном нагреве применяют сравнительно большую

удельную мощность (5— 20 МВт/м2), и поэтому время нагрева незначительно 2—50 с.

С увеличением глубины закаливаемого слоя частота тока должна уменьшаться,

например для получения слоя толщиной 1,0 мм частота тока составляет 50—60 кГц,

для слоя 2,0 мм ~15 кГц и для слоя 4,0 мм ~4 кГц.

Толщина закаленного слоя обычно составляет от 2—3 до 5—8 мм и более.

Поэтому частоту тока чаще принимают 2,5— 8 кГц. Слой толщиной до 3—5 мм

можно получить и на радиочастотах путем удлинения цикла нагрева; в этом случае

тепло поступает за счет теплопроводности.

Как источник электропитания эклектические генераторы разных типов

(электромеханические или машинные, электронные). В зависимости от типа

отличается диапазон частот и мощность. ТВЧ закалку осуществляют на специальных

установках, которые обычно механизированы и автоматизированы.

Следует отметить, что при больших скоростях нагрева превращение перлита в

аустенит сдвигается в область высоких температур. Поэтому температура закалки при

индукционном нагреве выше, чем при нагреве в печах, где скорость нагрева не

превышает 1,5—3,0 °С/с.

Так, при печном нагреве температура закалки стали с 0,4 % С составляет

840—860 °С, при индукционном нагреве со скоростью нагрева 250 °С/с 880—920 °С,

а при 500 °С/с 980—1020 °С.

Охлаждающую жидкость (воду, эмульсию) для закалки обычно подают через

душевое устройство — спрейер.

После закалки с индукционным нагревом изделия подвергают низкому отпуску

при 160—200 °С, нередко и самоотпуску. В этом случае при закалке охлаждение

проводят не до конца, и в детали сохраняется некоторое количество тепла,

нагревающего закаленный слой до температур отпуска.

Для поверхностной индукционной закалки применяют стали, содержащие

0,4—0,5 % С, после закалки они имеют высокую твердость (HRC 55—60),

сопротивляемость износу и не склонны к хрупкому разрушению.

В случае глубинной ТВЧ закалки нагрева до надкритических температур больше,

чем глубина закалки (прокаливаемость). Детали, имеющие тонкое сечение,

нагреваются насквозь. Глубина закалки, таким образом, определяется не глубиной

нагрева, а прокаливаемостью стали. Поэтому для поверхностной закалки применяемая

сталь должна прокаливаться на меньшую глубину, чем глубина нагрева, после закалки

на поверхности образуется мартенсит (HRC 60), а в сердцевине — сорбит или

троостит, что значительно упрочняет ее. Для глубинного нагрева используют

специально разработанные стали пониженной и регламентированной

прокаливаемости. Например сталь пониженной прокаливаемости 55ПП, содержащей

0,55—0,63 % С и — 0,5 % примесей (Si, Mn, Cr, Ni и др.) и регламентированной

прокаливаемости 47ГТ содержащей (0,44—0,51 % С; 0,9—1,2 % Мп; 0,06—0,12 % Ti).

Необходимость нагрева на большую глубину требует невысокой концентрации

энергии в зоне нагрева, поэтому удельная мощность составляет 0,05— 0,2 кВт/см2,

скорость нагрева в области температур фазовых превращений составляет 2—10 °С/с,

время нагрева 20—100 с. Частота тока 2,5—10 кГц.

После закалки с индукционного нагрева действительное зерно аустенита

значительно мельче, чем при обычной закалке с печным нагревом.

При поверхностной закалке, в том числе и с глубинным нагревом, сильно

повышается сопротивление усталостному разрушению. Предел выносливости

повышается на 80—100 % при испытании образцов с надрезом и на 25—30 % при

испытании гладких образцов.

Индукционный нагрев позволяет сократить длительность термической

обработки, увеличить производительность труда, получить изделия без окалины,

уменьшить деформацию и коробление. Так же индукционная закалка создает условия

для автоматизации процесса и обеспечивает возможность выполнения термической обработки непосредственно в поточной линии механической обработки без разрыва

технологического цикла. Закалка с индукционного нагрева находит широкое

применение. Детали подвергаемые закалке с ТВЧ различные шестерни, колеса и

тормозные шкивы, различные цилиндрические детали и т. д.).

Закалка с газопламенным нагревом. Этот способ закалки применяют для

крупных изделий (прокатных валков, валов и т. д.). Поверхность детали нагревают

газовым пламенем, имеющим высокую температуру (2400—3150 °С). Вследствие

подвода значительного количества тепла поверхность изделия быстро нагревается до

температуры закалки, тогда как сердцевина детали не успевает нагреться.

Последующее быстрое охлаждение обеспечивает закалку поверхностного слоя.

Толщина закаленного слоя обычно составляет 2—4 мм, а его твердость HRC

50—56. В тонком поверхностном слое образуется мартенсит, а в нижележащих слоях

троосто-мартенсит. Пламенная закалка вызывает меньшие деформации, чем объемная,

и из-за большой скорости нагрева сохраняет более чистую поверхность.

Поверхностная закалка при нагреве лазером. Лазеры — оптические

квантовые генераторы — позволяют получить очень высокую концентрацию энергии.

Применение лазеров для термической обработки основано на трансформации

световой энергии в тепловую. Закалка при нагреве лазером проводится при удельной

мощности 103—5·104 Вт/см2 при времени воздействия на поверхность ~102 с.

Используются технологические лазеры импульсного и непрерывного действия. При

импульсном излучении воздействие осуществляется в точке, при непрерывном — в

полосе шириной до 3 мм.

Поэтому для обработки поверхности необходимо передвигать луч с взаимным

перекрытием или без перекрытия предварительно упрочненных зон. Лазерная

обработка обеспечивают высокую производительность, равномерность упрочнения и

позволяют обрабатывать профиль поверхности со скоростью 100—10 000 мм/мин.

Толщина закаленного слоя составляет 0,3—1,0 мм. Закалка нагретых участков

осуществляется путем интенсивного отвода тепла в глубь обрабатываемого изделия.

Скорость охлаждения при нагреве без оплавления (5—10)-103 °С/с, а в зоне

расплавления до 106 °С/с, что значительно больше скорости охлаждения при

обычной закалке.

Закалка при нагреве лазером — применяется для упрочнения сложных изделий,

долговечность которых лимитируется износостойкостью и усталостной прочностью, когда закалка другими методами затруднена.