Химико-термическая обработка рабочих поверхностей деталей.

Цементация – процесс насыщения углеродом поверхностного слоя деталей из малоуглеродистой (до 0,3 % С) стали в целях прида­ния ему большей твердости при достаточно вязкой сердцевине де­тали. Цементированный слой в соответствие с изменением содержания углерода по глубине разделяется на три зоны: заэвтектоидная, состоящая из перлита и тонкой сетки цементита (оптимальное содер­жание углерода 1,0...1,1 %); эвтектоидная, содержащая около 0,85 % углерода и состоящая из одного перлита; доэвтектоидная, переходная к основному металлу, состоящая из перлита и фер­рита.

В зависимости от среды, в которой протекает процесс, разли­чают цементацию в твердом, газообразном и жидком карбюриза­торах. Глубина цементации деталей 0,5...2,3 мм, средняя скорость науглероживания 0,08...0,10 мм/ч. Процесс ускоряется, если вести его при температуре 950...980 °С.

Наиболее предпочтительно производить цементацию в газовом карбюризаторе. По сравнению с цементацией в твердом карбюризаторе продолжительность процесса умень­шается в 1,5 ... 2 раза; снижается себестоимость производства; возможно регулирование глубины цементированного слоя и содержа­ния углерода в нем за счет не только длительности выдержки при высокой температуре, но и изменения количества и состава газа; возможна механизация процесса. Газовая цементация все более вне­дряется в крупносерийное и массовое производство. Новейшим ме­тодом является проведение ее с нагревом деталей ТВЧ. Этот метод позволяет повысить температуру процесса до 1000...1050 °С, сокра­тить его длительность до 45...60 мин и автоматизировать про­цесс.

Жидкостную цементацию производят в расплавленных солях, содержащих активные добавки SiC или NaCN; температура процесса в зависимости от состава ванны 820...900 °С. Цементированный слой толщиной 0,1...0,2 мм получают за 20...40 мин; при увеличении длительности процесса до 2 ч глубина цементированного слоя увеличи­вается до 0,6 мм. Процесс применяют для мелких деталей. Его недо­статком является неравномерность глубины цементации. Преимуще­ства жидкостной цементации: возможность производить закалку деталей непосредственно после цементации; отсутствие окалины и обез­углероживания закаленных деталей.

Цементации подвергают детали различных размеров. Некоторые изготовители тяжелых зубчатых редукторов цементируют зубья колес диаметром более 1 м. Долговечность цементированных деталей уве­личивается в несколько раз.

Цементация является наиболее ответственной операцией тех­нологического процесса изготовления деталей. По­этому большое значение имеет выбор марки стали, из которой изготавливаются цементируемые детали, и изыскание опти­мальных режимов их термической обработки после цементации.

Азотирование – процесс насыщения азотом поверхностного слоя деталей, изготовленных из черных металлов. Азотированная по­верхность имеет большую твердость и обладает устойчивостью про­тив коррозии на воздухе, в пресной воде, в паровоздушной среде, а при соответствующем подборе состава стали и в газовой среде.

При азотировании детали увеличиваются в размерах, а в ряде случаев и деформируются (коробятся). Азотируемые участки деталей подвергают либо полированию, которому они хорошо поддаются, либо шлифованию.

Качество азотированного слоя определяется соотношением в нем структурных фаз, зависящим от состава стали, температуры азоти­рования, времени выдержки и степени диссоциации аммиака.

Легирующие элементы (алюминий, хром, молибден и ванадий) образуют с азотом твердые и стойкие нитриды, причем нитриды мо­либдена и ванадия сохраняют большую стойкость при температурах свыше 600 °С. Из легирующих элементов наибольшую твердость азо­тируемому слою придает алюминий, однако он повышает хрупкость слоя и деформацию изделия. Молибден тормозит рост хрупкой фазы и, подобно хрому, устраняет крупнозернистость. Азотированию подвергают стали, содержащие в качестве легирующих элементов, по крайней мере, алюминий и хром. Азотируемыми, к примеру, являются стали 35ХЮА и 38 ХМЮА. Твердость поверхностного слоя после азотирования таких сталей и медленного охлаждения изделия дости­гает HV 1200.

В среднем азот при температуре 500 °С диффундирует вглубь со скоростью 0,01 мм/ч; для получения азотированного слоя толщи­ной 0,6...0,7 мм требуется 60...70 ч.

В последние годы Ю. М. Лахтиным и Я. Д. Коганом разработана технология азотирования с повышенной в 1,5...2 раза скоростью процесса путем применения различных электрических газовых разрядов. Распространение получает процесс азотирования ионизи­рованным азотом в плазме тлеющего разряда. Сущность метода состоит в том, что в разреженной азотсодержащей атмосфере между катодом (деталью) и анодом возбуждается разряд, и ионы азота, бомбардируя поверхность катода, нагревают ее до температуры на­сыщения. Продолжительность процесса от нескольких минут до 24 ч. Разработанная установка ионного азотирования предназначена для упрочнения коленчатых и распределительных валов, гильз цилиндров двигателей, зубчатых колес, режущего и штампового инструмента и других деталей.

Азотирование применяют для изделий, от которых требуется вы­сокая циклическая прочность, большая твердость при повышенных температурах в сочетании со стойкостью к коррозии, а также высо­кая износостойкость. К. таким изделиям относятся коленчатые валы двигателей внутреннего сгорания, цилиндры авто- и авиа­двигателей, поршневые кольца, седла клапанов двигателей, ше­стерни авиационных редукторов, шпиндели расточных, шлифоваль­ных и других станков, зубчатые рейки, борштанги, эксцентрики.

Износостойкость шеек азотированных коленчатых валов по дол­говечности превосходит амортизационный срок службы двигателя. Азотирование стальных гильз и чугунных цилиндров уменьшает скорость их изнашивания в 8...20 раз. Зубчатые рейки станков, изготовленные из стали 40Х с твердостью после азотирования HRC 55...53, в 4...5 раз долговечнее реек из стали 20Х, цементи­рованных и закаленных до HRС 60...62. Азотирование успешно применяют для редукторных передач большой мощности.

Термодиффузионное хромирование – процесс насыщения поверх­ностного слоя стальных деталей хромом, осуществляемый при высо­ких температурах (950...1300 °С) путем диффузии хрома в железо. Существуют три метода термохромирования: твердое, жидкое и га­зовое.

Обычно внешняя зона хроми­рованного слоя состоит из карбидов хрома. Непосредственно под слоем карбидов расположена зона с повышенным содержанием хрома и углерода. Необходимый для образования карбидов углерод по­ступает в результате его диффузии к хрому. Поэтому под обогащен­ной углеродом и хромом зоной находится зона с более низким содер­жанием углерода, чем в сердцевине.

Глубина хромирования зависит от температуры, продолжитель­ности процесса и содержания углерода в стали. Максимум толщины внешней зоны достигается при 0,6 % С и составляет 0,06 мм при вы­держке в течение 3 ч при температуре 1000 °С в случае газового хро­мирования. Общая глубина хромированного слоя стали Ст 5 при вы­держке в течение 7 ч при температуре 1100 °С составляет около 0,08 мм. Скорость диффузии хрома резко замедляется при содер­жании углерода в стали свыше 0,3 %. Жидкое хромирование требует более длительной выдержки, чем два других метода, но обеспечивает большую равномерность слоя.

Твердость хромированного слоя увеличивается с возрастанием содержания углерода. Для низкоуглеродистой стали HV 150...180, для среднеуглеродистой HV 190...300 и для высокоуглеродистой стали HV 1300...1500. Хромированный слой малоуглеродистой стали обладает большой вязкостью, что позволяет подвергать хро­мированные детали пластической деформации.

Термохромированию подвергают детали, изготовленные из угле­родистой стали и работающие в условиях электрохимической или газовой коррозии, например анкерные болты, клапаны компрес­соров, лопатки газовых турбин. Термохромирование не нашло ши­рокого применения для образования износостойкого покрытия. Это объясняется малой толщиной слоя при большой длительности и слож­ности процесса и возможностью коробления детали при хромиро­вании и последующей механической обработке.

Силицирование деталей из стали, ковкого и высокопрочного чугунов осуществляется в целях повышения износостойкости, кор­розионной стойкости в морской воде, кислотостойкости при различ­ной температуре в серной, соляной и азотной кислотах различной концентрации, а также окалиностойкости. Сущность процесса за­ключается в поверхностном насыщении кремнием на глубину 0,3...1 мм.

Разработаны следующие методы силицирования: в порошкообраз­ных смесях, в жидких средах, газовое и вакуумное (в паровой фазе). Наибольшее распространение получило газовое силицирование.

Силицируют элементы аппаратуры для химической промышленности; валы насосов, арматуру, крепежные детали оборудования нефтяной промышленности; трубы судовых двигателей, подводящие и отводя­щие морскую воду; патрубки и другие детали водяных насосов боль­ших промышленных двигателей внутреннего сгорания.

Износостойкость силицированного слоя стали после пропитки маслом в 1,4...1,6 раза выше износостойкости цементированного слоя.

Применяя силицирование, необходимо учитывать, что предел прочности, относительное удлинение и ударная вязкость стали при этом понижаются. Слой хрупок и с трудом обрабатывается резанием. Размеры детали увеличиваются.

Оксидирование – процесс искусственного образования оксид­ной пленки на поверхности металла. Оксидирование широко применяют в машино- и приборостроении, морском судостроении, оптико-механической промышленности и других отраслях для получения за­щитно-декоративного покрытия изделий из черных металлов, алю­миния, меди, магния, цинка и их сплавов, а также для получения тонких электроизоляционных слоев.

Оксидная пленка черных металлов состоит из мельчайших кри­сталлов магнитной окиси железа Fe₃O₄, имеет небольшую толщину (до 3 мкм), низкую твердость, значительную пористость, хорошо сцепляется с основанием. Благодаря структурным особенностям и свойствам пленка хорошо удерживает смазочные материалы, преду­преждает заедание в парах трения из черных металлов и, образуя при истирании тончайший абразив, ускоряет приработку трущихся поверхностей.

Электрохимическим путем на алюминии и его сплавах получают пленки толщиною 3...0,3 мм, процесс получения оксидных пленок толщиной более 60 мкм называют глубоким анодированием. Такой обработке подвергают сплавы с содержанием 4,5 % Си и 7 % Si, не более. Пленка имеет высокую твердость, которая несколько сни­жается у самой поверхности, где пленка слегка разрыхлена под действием электролита. Получающееся твердое анодное покрытие достаточно износостойко. При анодной обработке оксидированный слой образуется как за счет углубления в толщу металла, так и за счет наращивания пленки на его поверхности. Таким образом, при анодировании увеличивается размер цилиндрической поверхности примерно на толщину слоя. Анодное покрытие можно притирать и полировать. Анодированный слой неудовлетворительно работает в паре с электролитическим хромовым покрытием.

Глубокое анодирование поршней из алюминиевых сплавов дви­гателей внутреннего сгорания повышает надежность их работы (уменьшается число заклиниваний поршней) и снижает скорость из­нашивания поршневых канавок. Имеется положительный опыт ис­пользования анодированных зубчатых передач из алюминиевого сплава вместо бронзовых в часовых механизмах и анодированных цилиндров из алюминиевых сплавов вместо стальных в гидросисте­мах. Анодирование применяют в самолетостроении, приборостроении­ и текстильном машиностроении.