3.4 Хіміко-термічні способи зміцнення конструкцій

Хіміко-термічне зміцнення – це поверхневе насичення сталевої деталі певними хімічними елементами: вуглецем, азотом, бором, алюмінієм, хромом, сіркою. Основна мета хіміко-термічного зміцнення – підвищення поверхневої твердості, зносостійкості, корозійної стійкості деталей, покращення їх зовнішнього вигляду. В процесі хіміко-термічної обробки сталі змінюється не тільки структура поверхневого шару, але і його хімічний склад, що дає можливість в широких межах впливати на властивості сталі. На практиці використовують, як правило, комбіновані методи зміцнення – хіміко-термічну обробку поєднують з термічною. Остання, в залежності від виду хіміко-термічної обробки, може проводитися до або після неї.

Основними видами хіміко-термічної обробки є: цементація, азотування, ціанування, борування, хромування. Охарактеризуємо більш повніше перші два види обробки, які часто використовуються для зміцнення деталей бурового і нафтогазопромислового обладнання.

Цементація. Суть процесу полягає в насиченні поверхні деталі вуглецем. При цьому деталь нагрівається до температури 900 - 950 ^ОС в твердому, рідкому, або газоподіб-ному середовищі, яке здатне виділяти вуглець. Глибина цементації може досягати до 3 мм і залежить від тривалості процесу. Процес цементації - довготривалий (4-24 години) і залежить від середовища, в якому проводиться насичення вуглецем. Після цементації в поверхневому шарі деталі утворюється до 1 % вуглецю. Як правило, цементують деталі, виготовлені із сталей з вмістом вуглецю 0,2-0,3 %. Після цементації рекомендують провести загартування і низький відпуск.

Цементація підвищує поверхневу твердість (табл. 3.15) і зносостійкість деталей при збереженні їх в'язкої серцевини. Цементацією зміцнюються конструкції, виготовлені з різноманітних сталей. Наведемо приклади деталей бурового обладнання, які зміцнюються методом цементації.

Сідло бурового насоса. Матеріал - сталі 25ХНМА, 20ХНЗ. Метод зміцнення - цементація на глибину 1,5-2,0 мм з наступним гартуванням і відпуском. Твердість поверхні сідла – 50-60 HRC.

Напірний патрубок бурового вертлюга. Матеріал - сталі 12ХН2А, 20ХНЗА та ін. Метод зміцнення - цементація на глибину 1,5-3 мм, твердість 56-62 HRC.

Циліндрова втулка бурового насоса. Матеріал - сталі 15, 2ХНЗ, 12ХН2. Метод зміцнення - цементація на глибину 1,5-3,0 мм до твердості 50-60 HRC.

Азотування. Даний метод підвищує поверхневу твердість деталей (табл. 3.15), зносостійкість, границю витривалості, а також поверхневу корозійну і ерозійну стійкість. Суть процесу азотування полягає в насиченні поверхні деталі азотом. При цьому деталі нагрівають до температури 500-600 ^ОС і витримують при цій температурі в середовищі аміаку на протязі від 3 до 90 годин, в залежності від необхідної глибини шару, що насичується. Після цього деталь повільно охолоджують. Глибина азотування поверхні деталі – 0,01-0,8 мм. Перед азотуванням деталі проводиться її гартування і високий відпуск. Азотуванням, в основному, зміцнюють деталі, виготовлені з легованих сталей.

Таблиця 3.15 - Максимальна твердість деяких сталей після комбінованого зміцнення

Сталь	Вид зміцнення				Твердість HRC
	цементація	гартування	відпуск	азотування
10	+	+	+		56-62
20	+	+	+		56-62
30 Г	+	+	+		56-62
15 Х	+	+	+		58-62
20 Х	+	+	+		55-60
20ХН2М	+	+	+		58-62
12ХН3А	+	+	+		58-62
38ХМЮА		+	+	+	70-78
35Х10А		+	+	+	70-78
40ХНМА		+	+	+	67-70
38Х2МЮА		+	+	+	70-75

Наведемо приклади деталей нафтогазопромислового обладнання, які зміцнюють методом азотування.

Шибер засуваки фонтанної арматури. Матеріал – сталь 40ХНМА. Азотування проводиться на глибину не менше 0,4ммм до твердості 67-70 HRC. Перед азотуванням шибер гартують і відпускають.

Циліндр штангового насоса. Матеріал – сталь 38Х2МЮА. Азотування проводиться на глибину 0,2-0,5 мм, твердість 70-75 HRC.