Закалка лазером.
Закалка лазером. Основана на свойстве лазера преобразовывать электрическую энергию в энергию светового потока узконаправленным лучом, который можно сфокусировать на малую площадь. Лазер обеспечивает очень высокую плотность мощности 106–109 Вт/см2. Лазерный луч перемещается по обрабатываемой поверхности со скоростью 5–12 мм/с. Толщина закаленного слоя 0,5–1,0 мм при мощности лазера 1,2–3 кВт, ширина закаленной зоны 1,8–2,4 мм. Скорости нагрева и охлаждения значительно превышают другие методы термообработки. Так, прогрев металла до температуры 800 °С длится 0,01–0,02 с, время понижения температуры от 800 до 400 ºС составляет 0,02–0,6 с, так как металл детали почти мгновенно уносит тепло от ее поверхности. Чтобы ПС не обезуглероживался, закалку ведут в среде аргона. Закалку лазером проводят как финальную после чистовой мехобработки. Подвергают этой закалке детали из инструментальной стали, сталей марок 45, ХВГ и других высоколегированных сталей, а также чугуна и т.д.
Износостойкость и твердость ПС возрастают в 1,3–2 раза, особенно если перед лазерной закалкой проведены улучшение или азотирование.
Недостатки лазерной закалки:
– необходимость предварительного нанесения на упрочняемые поверхности покрытий (фосфатирование, нанесение гуаши) для увеличения коэффициента поглощения лазерного излучения;
– значительные капиталовложения (лазер, линзы, зеркала, рабочий газ – гелий и т.д.);
– потребность в высококвалифицированных кадрах.
Цементация. Виды цементации. Достоинства и недостатки.
Цементации подвергают венцы шестерен, звездочек, мерительный инструмент, сверла, развертки, метчики, отвалы плугов, изготовленные из сталей, у которых содержание углерода не более 0,25 % (стали марок 10, 15, 20, 25X). После цементации ПС деталей имеет твердость около 60 HRC, а сердцевина остается вязкой. Остаточные напряжения сжатия в ПС σсж ≈ 400–1000 МПа. Но шероховатость поверхности увеличивается в 2–4 раза, возникает коробление 0,05–0,15 мм. Поэтому часто требуется последующая мехобработка.
Цементация в твердом карбюризаторе является простым способом, но требует ручного труда и имеет низкую производительность. Поэтому этот способ эффективен в единичном или мелкосерийном производстве. Процесс состоит из четырех химикотермических операций (рис. 4.5).
Рисунок 4.5. Схема цементации стальных деталей в твердом карбюризаторе
Детали вручную закладывают в ящик с карбюризатором и помещают в нагревательную печь. Карбюризатор изготавливают из древесного угля, кокса, мазута, соды и других углекислых солей. При высокой температуре из этой смеси выделяется углекислый газ и
возникает реакция: 2СО = С+СО2.. Поверхности, не подлежащие цементации, обмазывают огнеупорной глиной.
Экспозиция при цементации зависит от требуемой глубины δ цементованного слоя и размеров ящика. Чем больше ящик, тем дольше экспозиция. Для ящика среднего размера при глубине закалки Δ=0,25 мм время τs=4 ч; при Δ=0,9 мм время τs =7 ч.
Недостатки: длительный процесс (до 12 ч), высокая трудоемкость, малая возможность автоматизации, большой расход энергии (необходимо 4 раза нагревать и охлаждать детали), трудно управлять процессом.
Жидкостная цементация проводится в ванне с расплавленными солями: 83 % кальцинированной соды, 9 % поваренной соли и 8 % карборунда (кремнезем SiC). При температуре 930-950 °C углерод из этих солей выделяется и диффундирует в ПС детали. Для получения слоя глубиной Δ = 0,4 мм время экспозиции τs =1 ч; для Δ = 1,0 мм – τs =3 ч; для Δ = 1,5 мм – τs =5 ч. Достоинства этого способа: малая продолжительность, благодаря быстрому прогреву детали и высокой активности карбюризатора; равномерность глубины слоя, возможность местной цементации путем частичного погружения детали в ванну; возможность осуществления закалки сразу, после окончания цементации, так как деталь не надо вынимать из ящика и очищать (рис. 4.6).
Рисунок 4.6. Схема жидкостной и газовой цементации
Недостатки: трудность обработки крупных деталей, повышенные требования к технике безопасности, быстрое уменьшение содержания углерода в жидкой ванне (требуется частое обновление).
Жидкостная цементация эффективна для мелких деталей.
Газовая цементация проводится в печи. При температуре 850–1000 °С карбюризаторы (керосин, пиробензол) выделяют метан и углекислый газ, которые разлагаются с выделением атомарного углерода: CH4 → С + 2Н2 , 2СО = С + СО2.
Содержание углерода в атмосфере печи легко регулируется изменением скорости подачи карбюризатора. Для больших значений глубины и при меньших температурах выдержка увеличивается. Так, за 1 ч при T =850 °C получают = 0,З мм; а при T = 1000 °C = 5,1 мм.
Достоинства метода: высокая производительность, большие возможности регулирования процесса, непосредственной закалки деталей после науглероживания, возможность автоматизации.
Недостатки: неравномерная глубина цементованного слоя.