33 Упрочнение поверхности концентрированными потоками энергии
Лазерная закалка перспективна для изделий, долговечность которых лимитируется износостойкостью и сопротивлением усталости, особенно если закалка другими методами затруднена из-за сложной конфигурации детали или значительного её коробления.
Лазерную обработку проводят в воздушной атмосфере, но чаще в атмосфере защитного газа аргона, предохраняющего от обезуглероживания обрабатываемый участок. Средняя производительность термоупрочнения в аргоне до 500 мм2/мин, на воздухе – до 800 мм2/мин. Лазерное упрочнение повышает стойкость инструмента в 2 раза и более. Упрочнению подвергаются стали: углеродистые, низкоуглеродистые и легированные У8А, У10А, 45, ХВГ, 9ХС и др.; высоколегированные Х12, Х12М, Х12Ф, ХВГ, ШХ15, 5ХВ2С; низкоуглеродистые цементированные 20, 12ХН3А; хромистые коррозионно-стойкие 4Х13; быстрорежущие Р18, Р12, Р5, Р6М5, Р9.
Электронно-лучевая обработка. Метод основан на воздействии на материал заготовки сформированного пучка электронов, кинетическая энергия которого, преобразуясь в рабочей зоне (в среде высокого вакуума) в тепловую, вызывает нагрев, плавление и (или) испарение обрабатываемого материала.
Установка для электронно-лучевой обработки состоит из электронной пушки, в которой образуется мощный электронный луч, вакуумной или рабочей камеры (вместе с устройствами для точной установки и перемещения заготовки), вакуумных насосов, контрольной схемы, управляющей лучом и его траекторией, высоковольтного источника энергии, приборов для контроля и наблюдения за ходом процесса.
Плазменная обработка. В основе плазменного поверхностного упрочнения металлов лежит способность плазменной струи (дуги) создавать на небольшом участке поверхности высокие плотности теплового потока, достаточные для нагрева, плавления или испарения практически любого металла. Основной физической характеристикой плазменного упрочнения является температурное поле, значение которого даёт возможность оценить температуру в разных точках зоны термического воздействия (в разные моменты времени), скорость нагрева и охлаждения, а в конечном итоге структурное состояние и фазовый состав поверхностного слоя материала.
34 Упрочнение с изменением химического состава поверхностного слоя металла
Химико-термическая обработка
Химико-термическая обработка стали (ХТО) состоит в поверхностном насыщении стальных деталей различными элементами (например, углеродом, азотом, алюминием, хромом) для повышения поверхностной твердости, сопротивления изнашиванию, выносливости, окалиной и коррозионной стойкости. В результате ХТО формируется диффузионный слой, т.е. изменяется химический состав, фазовый состав, структура и свойства поверхностных слоёв. Изменение химического состава обуславливает изменения структуры и свойств диффузионного слоя.
Диффузионное насыщение неметаллами. Цементация (науглероживание) стали – химико-термическая обработка поверхностным насыщением малоуглеродистых (С<0,2%) или легированных сталей при температурах 900...950°С – твёрдым (цементация твёрдым карбюризатором), а при 850...900°С – газообразным (газовая цементация) углеродом. Цементацию проводят для получения высокой твёрдости поверхностного слоя при условии сохранения мягкой и вязкой сердцевины, а также для повышения износостойкости и предела выносливости стальных деталей, что обеспечивается термической обработкой после цементации (закалкой с низким отпуском).
Азотирование стали – процесс насыщения поверхностного слоя стали азотом при нагреве её в среде аммиака (NH3). Азотирование проводят для повышения твёрдости поверхностного слоя деталей, износ- и теплостойкость, а также коррозионной стойкости. Азотированию подвергают изделия, прошедшие термическую обработку (закалку с высоким отпуском) и обработку резанием. На неазотируемые участки наносят электролитическое покрытие оловом. Внутренние резьбы и отверстия защищают обмазками. Детали укладывают равномерно в герметически закрытый муфель (реторту), который помещают в электропечь. В муфель из баллонов подаётся аммиак, который при нагреве разлагается, образуя атомарный азот. Азот, внедряясь в поверхность деталей, взаимодействует с железом с образованием нитридов (Fe2N, Fe4N). Процесс азотирования продолжается 3–90 ч, а последующее медленное охлаждение печи с деталями – 4–5 ч. Глубина азотированного слоя зависит от температуры и времени выдержки и колеблется в пределах 0,25–0,65 мм.
Цианирование (нитроцементация) стали – процесс одновременного насыщения поверхности стального изделия азотом и углеродом. Цианированию (нитроцементации) подвергают детали из сталей, содержащих 0,2–0,4% углерода. Цианирование может производиться в твёрдых, жидких и газообразных средах.
Борирование стали – химико-термическая обработка насыщением поверхностных слоёв стальных изделий бором при температурах 900...950°С. Цель борирования – повышение твёрдости, износостойкости и некоторых других свойств стальных изделий. Диффузионный слой толщиной 0,05...0,15 мм, состоящий из боридов FeB и Fе2В, обладает весьма высокой твёрдостью, стойкостью к абразивному изнашиванию и коррозионной стойкостью. Борирование особенно эффективно для повышения стойкости (в 2...10 раз) бурового и штампового инструментов.
Силицирование – процесс химико-термической обработки, состоящий в высокотемпературном (950–1100°C) насыщении поверхности стали кремнием. Силицирование придаёт стали высокую коррозионную стойкость в морской воде, в азотной, серной и соляной кислотах и несколько увеличивает стойкость против износа. Силицированный слой отличается повышенной пористостью, толщина его 300–1000 мкм. Несмотря на низкую твёрдость 200–300 HV, силицированный слой обладает высокой износостойкостью после пропитки маслом при температурах 170–200 °C.
Диффузионное насыщение металлами. Алитирование стали проводят для повышения жаростойкости (окалиностойкости) деталей, работающих при температурах до 9000С.Алитирование деталей осуществляют в порошкообразной смеси, содержащей, % (массовая доля): алюминия 49, оксида алюминия 39 и хлористого аммония 12.
Диффузионное хромирование стали проводят с целью повышения жаро- и коррозионностойкости. Стали, содержащие более 0,3% углерода, при хромировании приобретают высокую твёрдость и износостойкость вследствие образования на поверхности карбидов хрома. Наиболее широко применяют газовое хромирование в среде газообразного хлора или смеси водорода и хлористого водорода.
Диффузионное цинкование применяется для повышения коррозионной устойчивости стали в маслах, бензине, атмосфере и газовых средах, содержащих сероводород при температурах 300...500 °С. Цинк – активный амфотерный металл и, следовательно, цинковые покрытия разрушаются в кислых и щелочных средах.
Многокомпонентное насыщение металлами и неметаллами. На данный момент всё большее распространение приобретает комплексное диффузное насыщение металла рядом элементов, например,хромоалитирование, карбохромирование, хромотитанирование и др. комплексное насыщение может производиться как последовательно, так и одновременно. Такой вид химико-термической обработки позволяет получать поверхности с уникальными сочетаниями свойств, которые привносят отдельные элементы.
Физико-химическая упрочняющая обработка
Ионная имплантация. В основе ионной имплантации (ионного легирования) лежит внедрение в поверхностный слой материала детали ускоренных ионизированных атомов легирующего вещества (титана, хрома, азота и др.).
При ионной имплантации в поверхностном слое облучаемого материала образуются радиационные дефекты, которые приводят к изменению таких свойств материала, как микротвёрдость, прочность, пластичность, теплопроводность, электрическое сопротивление.
При имплантации тонкий поверхностный слой насыщается элементом, потоком ионов которого поверхность обрабатывается (бомбардируется). Имплантированный элемент может входить в кристаллическую решётку основы в виде твёрдого тела или образовывать мелкокристаллические
выделения химических соединений с компонентами материала основы. Кроме того, при внедрении иона в кристаллическую решётку инициируется смещение атомов, приводящих к образованию большого количества дефектов кристаллической решётки. Толщина этого слоя, насыщенного дефектами и вследствие этого упрочнённого, во много раз превышает глубину проникновения ионов. Ионная имплантация приводит к значительному изменению свойств поверхности по глубине: 1) слой с изменённым химическим составом до 1–9 мкм; 2) слой с изменённой дислокационной структурой до 100 мкм. Имплантация существенно снижает износ и трение, увеличивает антикоррозионные свойства металла.
Ионное азотирование. Сущность метода ионитрирования, или азотирования в плазме тлеющего разряда, заключается в том, что в герметичном контейнере создаётся разреженная азотосодержащая атмосфера. С этой целью можно использовать чистый азот, аммиак или смесь азота и водорода. Внутри контейнера размещают азотируемые детали, которые подключают к отрицательному полюсу источника постоянного напряжения. Они играют роль катода. Анодом служит стенка контейнера. Между катодом и анодом включается высокое напряжение (500–1000 В). В этих условиях происходит ионизация газа. Образующиеся положительно заряженные ионы азота устремляются к отрицательному полюсу – катоду. Электрическое сопротивление газовой среды вблизи катода резко возрастает, вследствие чего почти все напряжение, подаваемое между анодом и катодом, падает на сопротивление вблизи катода, на расстоянии нескольких миллиметров от него. Благодаря этому создаётся очень высокая напряжённость электрического поля вблизи катода.
Ионы азота, входя в эту зону высокой напряжённости, разгоняются до больших скоростей и, соударяясь с деталью (катодом), внедряются в её поверхность. При этом высокая кинетическая энергия, которую имели ионы азота, переходит в тепловую. В результате деталь за короткое время, примерно 15–30 мин, разогревается до температуры 470–580°С, при которой происходит диффузия азота в глубь металла, т.е. идёт процесс азотирования. Кроме того, при соударении ионов с поверхностью детали происходит выбивание ионов железа с её поверхности. Благодаря этому происходиточистка поверхности от окисных плёнок, препятствующих азотированию. Это особенно важно для азотирования коррозионно-стойких сталей, у которых такая пассивирующая плёнка обычными способами удаляется очень трудно.
Упрочнение методами электроискровой обработки применяют для повышения: износостойкости и твёрдости поверхности деталей машин, работающих в условиях повышенных температур в инертных газах; жаростойкости и коррозионной стойкости поверхности; долговечности металлорежущего, деревообрабатывающего, слесарного и другого инструмента; создания шероховатости под последующее гальваническое покрытие; облегчения пайки обычным припоем труднопаяемых материалов (нанесение промежуточного слоя, например меди); увеличения размеров изношенных деталей машин при ремонте; изменения свойств поверхностей изделий из цветных металлов и инструментальных сталей.
Электроискровая обработка заключается в легировании поверхностного слоя металла изделия, являющегося катодом, материалом электрода (анода) при искровом разряде в воздушной среде. В
результате химических реакций легирующего металла с диссоциированным атомарным азотом и углеродом воздуха, а также с материалом детали в поверхностных слоях образуются закалочные структуры и сложные химические соединения (высокодисперсные нитриды, карбонитриды и карбиды), возникает диффузионный износостойкий упрочненный слой.
Для улучшения контакта наносимого износостойкого покрытия с основным металлом перед электроискровым легированием изделие подвергают вначале воздействию ультразвука, а затем рекристаллизационному отжигу, который можно совместить с процессом нагрева изделия под закалку. В результате повышается прочность материала основы, и при последующем электроискровом легировании уменьшается возможность трещинообразования поверхностных слоёв основы, улучшается сцепление с наносимым слоем.