Деформационное упрочнение поверхности.

Упрочнение при поверхностном пластическом деформировании (ППД) связано с образованием остаточных напряжений сжатия и структурными изменениями в поверх-ностном слое. Выбор степени деформации определяется химическим составом стали и способом её деформации. Чем больше содержание углерода, тем меньше рациональная степень деформации. Повышению эффективности ППД способствует легирование ста-ли. В зависимости от способа и режима ППД глубину упрочнённого слоя можно регу-лировать от сотых долей миллиметра до 3 мм и более. Деформационное упрочнение поверхностного слоя повышает износостойкость, сопротивление усталостному разру-шению, уменьшает влияние поверхностных дефектов и концентраторов напряжений. Технология ППД характеризуется малой энергоёмкостью, не требует сложного обо-рудования, не нарушает точности изготовления деталей. Широко применяют обработ-ку дробью, обкатку роликами и пружинящими шариками, упрочнение чеканкой, цен-тробежно-шариковый наклёп, гидрополирование, алмазное выглаживание. Разновид-ностью ППД является электродеформационная обработка, в которой сочетают разог-рев поверхности за счёт сопротивления при протекании электрического тока, деформа-цию поверхностного слоя в аустенитном состоянии и его закалку.

Химико-термическая обработка стали.

Химико-термической обработкой (ХТО) называют комплексную обработку, в которой сочетают термическое и химическое воздействия на металлические изделия с целью изменения химического состава, структуры и свойств металла в поверхностных слоях. Химическое воздействие сводится к диффузионному насыщению поверхност-ного слоя стали различными элементами (С, N, Si, В, Cr, А1 и др.) в атомарном сос-тоянии из внешней среды в процессе выдержки при повышенной температуре. При ХТО используют активные среды в различном агрегатном состоянии (твёрдом, жид-ком или газообразном).

При ХТО одновременно протекают несколько процессов:

- диссоциация исходных веществ с образованием в реакционной среде диффун-дирующего элемента в атомарном состоянии; характеристикой процесса является сте-пень диссоциации;

- абсорбция атомов (ионов) поверхностью металла, происходящая на границе газ–металл;

- диффузия, т.е. проникновение атомов насыщающего элемента вглубь металла (изделия).

В результате проведения ХТО образуется диффузионный слой, отличающийся от исходного по химическому составу, структуре и свойствам. По мере удаления от поверхности концентрация диффундирующего элемента уменьшается. Толщина диф-фузионного слоя зависит от температуры насыщения, продолжительности процесса, характера образующегося твёрдого раствора, обрабатываемого металла и концентра-ции диффундирующего элемента на поверхности. Чем выше концентрация элемента на поверхности, тем больше толщина слоя при данной температуре и продолжитель-ности процесса насыщения. Насыщение поверхностного слоя может изменить его фа-зовый состав; в нем могут образовываться химические соединения, но может измени-ться и структура металлической основы.

Химико-термическую обработку широко применяют для упрочнения деталей ма-шин. Это объясняется тем, что большинство деталей машин работают в условиях изна-шивания, циклических нагрузок, коррозии при криогенных и высоких температурах, при которых максимальные напряжения возникают в поверхностных слоях металла, где сосредоточены основные концентраторы напряжений.

Цементация стали (науглероживание) — диффузионное насыщение поверх-ностного слоя стали углеродом. Цементацию проводят обычно при 910–950 °С) в соот-ветствующей твёрдой или газовой среде — карбюризаторе. Цементацию и последую-щую термическую обработку проводят для придания поверхностному слою стальной детали высоких твёрдости и износостойкости, повышения предела контактной вынос-ливости и предела выносливости при изгибе и кручении. Цементации обычно подвер-гают низкоуглеродистые (0,1–0,2 % С) стали, чаще легированные. Такой выбор обус-ловлен необходимостью сохранения вязкой сердцевины детали после термической об-работки. Цементация происходит за счёт диффузии атомарного углерода, который об-разуется при диссоциации газов (СО, СН₄ и др.). В качестве твёрдого карбюризатора используют древесный уголь, каменноугольный и торфяной коксы, к которым добавляют катализаторы в виде углекислых солей в количестве 10–40% от массы карбюризатора. Процесс проводят в стальных или чугунных ящиках, пересыпая детали карбюризатором. Ящики закрывают крышками и герметизируют. После этого ящики помещают в печь, нагреваемую до 930 °С, и выдерживают в печи при этих температурах 5,5–14 ч в зависимости от размеров ящиков. Такая выдержка обеспечивает образование необходимого диффузионного слоя толщиной 1,2–1,5 мм. Газовую цементацию осуществляют нагревом изделия в среде газов, содержащих углерод, например, в среде природного газа, состоящего из метана и пропанобутановых смесей. Процесс ведут при 930–950 °С в течение 6–12 ч для получения диффузионного слоя толщиной 1–1,7 мм. Процесс можно ускорить, повысив температуру до 1 050 °С. В серийном производстве газовую цементацию обычно проводят в шахтных печах периодического действия и в печах непрерывного действия. В последнем случае применяют эндотермическую контролируемую атмосферу с добавлением природного газа. Достоинства газовой цементации: наиболее высокая производительность, так как отпадает необходимость прогрева ящиков; возможность полной механизации и автоматизации процесса; значительное упрощение последующей термической обработки деталей. Содержание углерода на поверхности цементованной детали обычно составляет 0,8–1 %, но для по-лучения высокой контактной усталости может быть повышено до 1,2 %. При более высоком содержании углерода ухудшаются механические свойства цементуемого из-делия. Окончательных свойств цементованных деталей достигают в результате терми-ческой обработки, проводимой после цементации. Термическая обработка проводится в целях измельчения структуры, получения высокой твёрдости в цементованном слое и повышения механических свойств стали в сердцевине изделия. В большинстве слу-чаев термическая обработка состоит из закалки от 820–850 °С и низкотемпературного отпуска при 160–180 °С. Иногда проводят двойную закалку и отпуск: первую закалку от 880–900°С для исправления структуры сердцевины, вторую закалку от 760–780°С для устранения перегрева цементованного слоя и придания ему высокой твёрдости.

Азотирование стали — процесс диффузионное насыщение поверхностного слоя стали азотом. Азотирование сильно повышает твёрдость, износостойкость и пре-дел выносливости поверхностного слоя, а также сопротивление коррозии в таких сре-дах, как атмосфера, вода, пар и др. Преимуществом азотированного слоя перед цемен-тованным является не только его более высокая твёрдость, но и способность сохранять её при нагреве (теплостойкость) до более высоких температур. Теплостойкость азоти-рованного слоя составляет 450–500 °С, а цементованного — лишь 200–225 °С. К не-достаткам азотирования относятся низкая скорость насыщения и повышенная хруп-кость азотированного слоя. После азотирования упрочняющая термическая обработка не требуется, поэтому её проводят заблаговременно в виде термического улучшения при сквозной прокаливаемости изделий. Цель термической обработки — обеспечить высокий уровень механических свойств (прочности, пластичности и ударной вязкости) по всему объёму изделия. Газовое азотирование ведут в диссоциированном аммиаке. На обрабатываемой поверхности происходит диссоциация аммиака с образованием ио-нов азота, которые адсорбируются поверхностью и диффундируют в глубь металла. Различают два вида азотирования: низкотемпературное (менее 590 °С), используе-мое для упрочнения сталей и чугунов; высокотемпературное (600–1 200°С), приме-няемое для упрочнения сталей, тугоплавких металлов (Ti, Mo, Nb, W) и их сплавов. Первый вид азотирования используют наиболее часто. Упрочнению подвергают сред-неуглеродистые легированные стали 38Х2Ю, 38Х2МЮА, 30Х2Н2ВФА, 40ХНМА и др. Перед азотированием детали проходят термическую обработку (закалку и высоко-температурный отпуск) для получения вязкой сердцевины и подготовки структуры к азотированию. Последующее упрочняющее азотирование при 520–560 °С позволяет получить слой 0,4–0,6 мм за 60–90 ч. По окончании насыщения детали охлаждают в среде аммиака до температуры 20–200°С. Среднеуглеродистые стали, легированные Сr, Mo, V, А1 при азотировании приобретают высокую твёрдость и износостойкость поверхностного слоя, молибден устраняет отпускную хрупкость, которая может воз-никнуть при медленном охлаждении от температуры азотирования. Иногда азотируют и углеродистые стали с целью повышения их коррозионной стойкости. Ионное азоти-рование получило применение в последние годы. Его проводят в тлеющем разряде в разреженной азотсодержащей атмосфере при подключении обрабатываемых деталей к отрицательному электроду — катоду. Анодом является контейнер установки. Между катодом (деталью) и анодом возбуждается тлеющий разряд. Ионы газа, бомбардируя поверхность катода, нагревают её до температуры насыщения. Азотирование ведут при температурах 470–580 °С на протяжении до 24 ч. Ионное азотирование сокращает общую длительность процесса и позволяет получить диффузионный слой регулируе-мого состава и строения. Азотирование в жидких средах (тенифер-процесс) прово-дят при температуре 570 °С в течение 0,5–3 ч в расплавленных цианистых солях, через которые пропускают сухой воздух. В результате обработки на поверхности стали возникает тонкий (7–15 мкм) карбонитридный слой, обладающий высоким сопротив-лением износу и не склонный к хрупкому разрушению. Общая толщина слоя 0,15–0,50 мм. Достоинством процесса является незначительное изменение размеров и отсутствие коробления деталей, недостатком — токсичность и высокая стоимость циа-нистых солей.

Цианирование (нитроцементация) стали — процесс диффузионного насыще-ния поверхностного слоя стали одновременно углеродом и азотом. Различают процесс жидкостного насыщения — цианирование, и процесс в газовой среде — нитроцемен-тацю. Среднетемпературное цианирование применяют для упрочнения мелких де-талей с небольшой толщиной (0,15–0,35 мм) цианированного слоя. Процесс ведут при температуре 820–860 °С в ваннах (20–25% NaCN, 25–50% NaCl и 25–50% Na₂CО₃) с продувкой сухим воздухом. Продолжительность процесса составляет 30–90 мин. За-калку деталей проводят непосредственно из цианистой ванны. После закалки следует низкотемпературный отпуск (180–200 °С). Цианированный слой по сравнению с це-ментованным обладает более высокой износостойкостью и эффективно повышает пре-дел выносливости. Высокотемпературное цианирование (930–950 °С) проводят для получения слоя большей толщины (0,5–2,0 мм) в ванне, содержащей 8% NaCN, 82% ВаС1₂ и 10% NaCl. Время выдержки изделий в ванне составляет 1,5–6 ч. При этом про-цессе сталь с поверхности в большей степени насыщается углеродом и в меньшей — азотом. После высокотемпературного цианирования детали охлаждают на воздухе, а затем закаливают с нагревом в соляной ванне или печи и подвергают низкотемпера-турному отпуску. Процесс цианирования по сравнению с процессом цементации тре-бует меньше времени для получения слоя заданной толщины и обеспечивает более вы-сокое сопротивление износу и коррозии. Нитроцементацию проводят при 840–870 °С в среде, состоящей из науглероживающего газа и аммиака, в течение 4–10 ч. После нитроцементации проводят закалку непосредственно из печи, а затем отпуск при 160–180 °С. Толщина нитроцементованного слоя составляет обычно 0,2–1,0 мм. Нитро-цементацию применяют для обработки деталей сложной конфигурации.

Силицирование — диффузионное насыщение поверхности стали кремнием. Си-лицирование придаёт стали высокую коррозионную стойкость в морской воде, в азот-ной, серной и соляной кислотах и несколько увеличивает устойчивость против износа. Силицированный слой отличается повышенной пористостью, толщина его составляет 0,3–1,0 мм. Несмотря на низкую твёрдость, силицированный слой обладает высокой износостойкостью после предварительной пропитки маслом. Силицированию подвер-гают детали, используемые в оборудовании химической, бумажной и нефтяной про-мышленности (валики насосов, трубопроводы, арматура, гайки, болты и т.д.).

Диффузионная металлизация — поверхностное насыщение стали алюминием, хромом, цинком и другими металлическими элементами. При этом повышаются жаро-стойкость, коррозионная стойкость, износостойкость и твёрдость. Наиболее часто при-меняемыми процессами диффузионной металлизации являются алитирование и хро-мирование. Алитирование — насыщение поверхности стали алюминием. В резуль-тате алитирования сталь приобретает высокую окалиностойкость (850–900°С), хоро-шее сопротивление коррозии в атмосфере и морской воде. Толщина слоя составляет 0,2–1 мм, твёрдость до 500 HV, износостойкость низкая. Алитированию подвергают топливные детали газогенераторных машин, чехлы термопар, детали разливочных ков-шей, клапаны и другие детали, работающие при высоких температурах. Хромирование — насыщение поверхности стальных изделий хромом, обеспечивающее повышенную устойчивость стали к газовой коррозии (окалиностойкость) при температуре до 800 °С, высокую коррозионную стойкость в воде, в том числе морской, и азотной кислоте. Хромирование сталей, содержащих свыше 0,3% С, повышает также их твердость и из-носостойкость. Твёрдость слоя, полученного хромированием железа, составляет 250–300 HV, а хромированием стали — 1 200–1 300 HV. Хромирование используют для де-талей паросилового оборудования, пароводяной арматуры, клапанов, вентилей, патрубков, а также деталей, работающих на износ в агрессивных средах.