Лекция 10. Способы упрочнения поверхности металлов. Химико-термическая обработка сталей.
10.1 Упрочнение поверхности методом пластической деформации.
Эффективными способами упрочнения поверхностного слоя являются дробеструйная обработка и обкатка поверхности роликами. При этом происходит наклеп поверхности детали, позволяющий повысить ее усталостную прочность. Наклепу подвергают готовые детали, прошедшие механическую и термическую обработку.
При дробеструйной обработке на поверхность детаей из специальных дробеметов с большой скоростью направляют поток стальной дроби диаметром 0,5-1,5 мм. Удары дроби вызывают пластическую деформацию поверхностного слоя, вследствие чего он становится твердым. В нем создаются остаточные напряжения сжатия, и тем самым повышается усталостная прочность. Если в поверхностном слое присутствует остаточный аустенит, то благодаря наклепу происходит его превращение в мартенсит, что дополнительно увеличивает твердость и износостойкость. Благодаря дробеструйной обработке сглаживаются мелкие поверхностные дефекты, являющиеся концентраторами напряжений. Дробеструйной обработке подвергают поверхность рессор и пружин, зубчатых колес, гильз и поршней.
В результате дробеструйной обработке предел выносливости рессор увеличивается в 1,5 раза и в несколько раз возрастает их долговечность.
Обкатку роликами применяют для обработки шеек валов, осей железнодорожных вагонов, коленчатых валов и других деталей. Помимо упрочнения обкатка повышает чистоту обрабатываемой поверхности.
10.2. Поверхностная закалка.
Поверхностная закалка состоит в нагреве поверхностного слоя стали выше Ас3 с последующим охлаждением для получения высокой твердости и прочности в поверхностном слое детали в сочетании с вязкой сердцевиной.
Высокая скорость высокочастотного нагрева (сотни градусов в секунду) обусловливает смещение фазовых превращений в область более высоких температур. Следовательно, температура высокочастотной закалки должна быть выше температуры закалки при обычном печном нагреве. Например, сталь 40 при печном нагреве закаливают с температуры 840-860 ºC, при индукционном нагреве – 880-920 ºC.
Нагрев под закалку производят токами высокой частоты (ТВЧ), в расплавленных металлах и солях, пламенем газовых горелок, а также лазерным излучением. При нагреве ТВЧ магнитный поток, создаваемый переменным током, проходящим по проводнику (индуктору), инициирует вихревые токи в металле детали, помещенной внутри индуктора. Индуктор представляет собой медные трубки с циркулирующей внутри водой для охлаждения. Форма индуктора соответствует внешней форме изделия. Скорость нагрева зависит от количества выделившейся теплоты, пропорционального квадрату силы тока и сопротивлению металла.
Плотность тока по сечению детали неравномерна, на поверхности детали она значительно выше, чем в сердцевине, поэтому основное количество теплоты выделяется в тонком поверхностном слое. Глубина проникновения тока в металл зависит от свойств нагреваемого металла и обратно пропорциональна квадратному корню из частоты тока. При использовании машинных генераторов с частотой 500-15000 Гц толщина закаленного слоя составляет 2-10 мм, ламповых с частотой до 106 Гц – от десятых долей миллиметра до 2 мм. После нагрева в индукторе деталь охлаждают с помощью специального охлаждающего устройства. Через имеющиеся в нем отверстия на поверхность детали разбрызгивается охлаждающая жидкость.
Структура закаленного слоя состоит из мартенсита, а переходной зоны – из мартенсита и феррита. Глубинные слои нагреваются до температур ниже критических и при охлаждении не упрочняются. Для повышения прочности сердцевины перед поверхностной закалкой деталь подвергают улучшению.
Преимуществами поверхностной закалки ТВЧ являются регулируемая глубина закаленного слоя; высокая производительность и возможность автоматизации; отсутствия обезуглероживания и окалинообразования; минимальное коробление детали. К недостаткам относятся высокая стоимость индуктора (индивидуального для каждой детали) и, следовательно, малая применимость ТВЧ в условиях единичного производства.
Для поверхностной закалки применяют обычно углеродистые стали, содержащие около 0,4% С. После закалки проводят низкий отпуск при 200 ºC. После закалки и отпуска твердость стали 45-55 НRС на поверхности и 25-30 HRC в сердцевине.
Высокочастотной закалке подвергают шейки коленчатых валов, кулачковых валов, гильзы цилиндров, поршневые пальцы, рессоры и т. д.
10.3. Химико-термическая обработка стали.
Химико-термической обработкой (ХТО) называют процесс, сочетающий в себе поверхностное насыщение стали тем или иным элементом при высокой температуре и термическое воздействие, в результате которых происходит изменение химического состава, микроструктуры и свойств поверхностных слоев деталей.
Химико-термическая обработка включает в себя цементацию, азотирование, цианирование, алитирование, силицирование и т. д. Насыщение поверхностного слоя происходит при нагреве детали до определенной температуры в среде, легко выделяющей насыщающий элемент в активном состоянии, и выдержке при этой температуре. Среды, выделяющие насыщающий элемент, могут быть газообразными, жидкими и твердыми.
В отличие от поверхностной закалки при ХТО разница в свойствах достигается изменением не только структуры металла, но и его химического состава.
Основные элементарные процессы химико-термической обработки следующие:
Диссоциация – выделение насыщающего элемента в активном атомарном состоянии в результате разложения исходных веществ: 2СО→СО2 + С; 2NH3 →3Н2+2N и т.д.
Абсорбция – захват поверхностью металла свободных атомов насыщающего элемента. Развитию процесса абсорбции способствует возможность диффундирующего элемента образовывать с основным металлом твердые растворы и химические соединения.
Диффузия – проникновение насыщающего элемента в глубь металла. В результате абсорбции химический состав поверхностного слоя меняется, при этом создается градиент концентраций насыщающего элемента в поверхностных и нижележащих слоях. Диффузия протекает легче при образовании твердых растворов внедрения (С, N), чем твердых растворов замещения (Al, Cr, Si). Поэтому при диффузионной металлизации процесс ведут при более высоких температурах.