6.2. Химико-термическая обработка поверхностей

Химико-термическая обработка сплавов проводится для изменения химического состава, структуры и свойств поверхностных слоев с целью повышения надежности изделий. На современных машиностроительных предприятиях широкое применение находят цементация, азотирование и нитроцементация из газовых сред и диффузионное насыщение металлами из порошковых смесей [26].

Различают три стадии процесса химико-термической обработки сплавов.

На первой стадии протекают химические реакции в исходной окружающей деталь среде, в результате которых образуются активные диффундирующие элементы, по-видимому, в ионизированном состоянии.

На второй стадии процесса они усваиваются насыщаемой поверхностью – происходит адсорбция, в результате чего тончайший поверхностный слой насыщается диффундирующим элементом, возникает градиент концентрации – движущая сила для следующей стадии процесса.

Третья стадия – диффузионное проникновение элемента в глубь насыщаемого сплава, которое сопровождается образованием твердых растворов или фазовой перекристаллизацией, формируется структура и свойства диффузионной зоны. По времени она является основной, так как первая и вторая стадии процесса протекают значительно быстрее.

Для повышения комплекса свойств поверхностных слоев деталей в машиностроении чаще всего применяется цементация, азотирование и нитроцементация. На смену цементации в твердом карбюризаторе пришла газовая цементация и ее модернизация в виде вакуумной и ионной цементаций.

Однако лидирующее положение заняла нитроцементация, имеющая ряд существенных преимуществ по сравнению с цементацией: сокращается длительность и температура диффузионного насыщения; производственный цикл сокращается на 50-60 %. Нитроцементированный слой повышает твердость, работу разрушения, статическую прочность и контактную выносливость.

Ионное азотирование обеспечивает получение диффузионных слоев высокого качества на сталях различных классов и назначений, на чугунах и цветных сплавах. По сравнению с обычным ионное азотирование повышает ударную вязкость и в несколько раз износостойкость.

Внедрение ионной химико-термической обработки приводит к повышению культуры производства и улучшению качества диффузионных слоев.

6.3. Лазерное поверхностное упрочнение

Лазерное термическое упрочнение заключается в быстром нагреве локального участка поверхности под воздействием излучения и последующем охлаждении этого поверхностного участка со сверхкритической скоростью после прекращения воздействия за счет теплоотвода в окружающий металл [28]. Вследствие этого зона лазерного воздействия вследствие неравномерного нагрева по толщине имеет слоистое строение.

Лазерное поверхностное упрочнение выполняется по двум технологическим схемам: импульсно-периодическим излучением (импульсная закалка) и непрерывным излучением.

Импульсная закалка заключается в последовательном упрочнении поверхности изделия пятнами диаметром 3-5 мм. Обработку твердотельными импульсно-периодическими лазерами с длиной волны излучения 0,69 и 1,06 мкм можно выполнять непосредственным воздействием излучения на металлы без использования поглощающих покрытий. Для получения относительно равномерной упрочненной поверхности обработка проводится обычно с 50 % перекрытием пятен. Производительность процесса импульсной закалки невелика и составляет от100 до 1000 мм² / мин на современных установках.

Для наибольшей глубины упрочнения без нарушения исходной чистоты поверхности импульсная закалка проводится на плотности мощности несколько ниже критической, при которой наблюдаются первые следы оплавления. Достигаемая при этом глубина лазерного упрочнения на сталях находится в интервале 0,08-0,15 мм.

Импульсную закалку с оплавлением выполняется излучением с плотностью мощности от 2·10⁴ до 2·10⁵ Вт/см². При этом значительно увеличивается глубина лазерного упрочнения, достигаемая в сталях до 1 мм. Однако в этом случае одновременно существенно увеличивается шероховатость поверхности. Это вызывает необходимость назначения припусков на последующую механическую обработку.

Импульсная лазерная закалка применяется для упрочнения инструментов. Эффективной оказывается обработка боковых поверхностей вырубных пуансонов, т.к. в этом случае упрочненный слой сохраняется после многократных переточек. Стойкость пуансонов возрастает в 2-5 раз. Разработаны и используются на практике процессы импульсной лазерной закалки отрезных и проходных резцов, разверток, метчиков, сверл, фрез, протяжек, ножей и другого режущего инструмента из быстрорежущих и легированных инструментальных сталей. Принципиально возможно применение этого процесса и для упрочнения других деталей ограниченных размеров, повышения их износостойкости.

Существенно более высокую производительность процесса обеспечивает закалка лазерами непрерывного излучения, когда обрабатываемая деталь перемещается относительно луча с постоянной скоростью. При этом на детали формируются закаленные поверхностные участки в виде полосы шириной от 1 до 8-10 мм. Максимальная глубина упрочнения при закалке сталей и чугунов без оплавления достигает 1,5-2 мм. При обработке с оплавлением эти значения возрастают, но при этом также ухудшается качество поверхности.

В качестве источников непрерывного излучения для лазерной закалки наиболее перспективно использование СО₂-лазеров [29]. Однако особенностью воздействия СО₂-излучения с длиной волны 10,5 мкм на металлы для закалки является необходимость обязательного применения поглощающих поверхностных покрытий. Наиболее распространенным покрытием для этой цели в машиностроении является фосфатирование поверхности, а также нанесение различных красящих составов, содержащих углерод и окислы металлов.

Закалка непрерывным лазером обеспечивает большую равномерность упрочнения поверхности по сравнению с импульсным воздействием, т.к. по длине упрочненной полосы твердость распределяется равномерно. При обработке больших поверхностей упрочненные полосы накладываются с перекрытием. В целом ряде случаев большую перспективу для обеспечения износостойкости поверхности получило наложение полос на некотором расстоянии друг от друга без перекрытия.

Таким образом, основное назначение лазерного поверхностного упрочнения, связанного с повышением твердости, заключается в обеспечении высокой износостойкости прежде всего при трении качения и скольжения. Уменьшение износа в результате лазерной закалки обусловлено не только высокой твердостью поверхности, но и высокой дисперсностью структуры, увеличением несущих свойств поверхности, уменьшением коэффициента трения.