8.4. Поверхностное упрочнение.

Объемная закалка с последующим отпуском не может обеспечить работоспособности детали в условиях повышенного износа в сочетании с ударными нагрузками. Для этого одновременно деталь должна обладать высокой и твердостью, и ударная вязкостью. Однако, после объемного упрочнения стали при высокой твердости имеют низкую ударную вязкость и наоборот (см. рис. 8.4).

Для достижения названного сочетания свойств используется поверхностное упрочнение. При этом обеспечивается высокая твердость поверхности детали и, таким образом, износостойкость при вязкой сердцевине. Поверхностное упрочнение осуществляется методами химико-термической обработки (ХТО), сочетающей химическое и тепловое воздействие с целью изменения химического состава, структуры и свойств поверхностного слоя, а также поверхностной закалкой.

8.4.1. Химико-термическая обработка (хто).

ХТО - это процесс поверхностного насыщения деталей различными элементами путем их диффузии из внешней среды. Толщина диффузионного слоя зависит от температуры, продолжительности выдержки и концентрации диффундирующего элемента на поверхности. Скорость диффузии и, следовательно, толщина слоя возрастают с повышением температуры и длительности процесса ХТО.

В промышленности наиболее широко применяют следующие виды ХТО: цементацию, азотирование.

Цементация - это процесс диффузионного насыщения поверхностных слоев стальных деталей углеродом. Для цементации используют низкоуглеродистые стали, содержащие до 0,25…0,3% углерода, их называют цементуемыми. Это доэвтектоидные стали их структура в равновесном (отожженном) состоянии - феррит (большая часть) и перлит. Твердость и прочность этих сталей низкие, а пластичность и ударная вязкость высокие. Из-за низкого содержания углерода они практически не закаливаются.

Цементацию проводят средах, содержащих углерод (карбюризаторах), при 900…950°С, т.е. выше точки Ас₃ (в области устойчивого аустенита – см. рис. 7.1). Выбор температуры объясняется высокой растворимостью в аустените, она значительно выше, чем в феррите (до 2,14% в аустените и 0,02% - в феррите, соответственно, точки «Е» и «Р» диаграммы «Fe -Fe₃C»). Чем выше температура нагрева, тем больше углерода может раствориться в аустените, но при этом растет размер его зерна. Скорость насыщения составляет примерно 0,1 мм/час. Таким образом, для получения цементованного слоя глубиной 1 мм требуется не менее 10 часов.

Применяют две технологии цементации – твердую и газовую. Твердая цементация осуществляется в карбюризаторе, содержащем активированный древесный уголь (70%), порошки: ВаСО₃ (25%) для интенсификации процесса и СаСО₃ (5%) для предотвращения спекания угольных гранул. Детали укладывают рядами в стальные сварные или чугунные ящики (контейнеры). Дно ящика и каждый ряд деталей засыпают слоем карбюризатора. Ящик закрывают крышкой, герметизируют соединение огнеупорной глиной, а затем его помещают в печь. Углерод древесного угля взаимодействует с кислородом воздуха (имеющегося в цементационном ящике) и углекислым барием, образуя окись углерода - СО (ВаСО₃ + С→ВаО + 2СО), которая диссоциирует с образованием атомарного углерода (2СО ® СО₂ + С_ат).

Образующийся атомарный углерод адсорбируется на поверхности стальных деталей и диффундирует вглубь, растворяясь в аустените. К недостаткам такой технологии следует отнести невозможность регулирования насыщения поверхности деталей углеродом; а также более низкую скорость цементации по сравнению с газовой (в 2 раза), поскольку необходимо время для прогрева контейнеров, смеси. Твердая цементация применяется в условиях единичного и мелкосерийного производства, отличается простотой выполнения, не требует специального оборудования.

Газовая цементация характерна для серийного и более масштабного производства, она осуществляется в среде газов, содержащих углерод. Наиболее часто используется карбюризатор, состоящий из смеси газов метана СН₄ (природный газ) и СО, при диссоциации которых образуется атомарный углерод: СН₄ ® 2Н₂ + С_ат; 2СО ® СО₂ + С_ат.

Газовая цементация позволяет обеспечить заданную концентрацию углерода в слое, механизацию и автоматизацию процесса. Процесс занимает меньше времени.

Сама по себе цементация не обеспечивает выполнения главной задачи – получения высокой твердости и износостойкости поверхности деталей. Она только создает выгодное распределение углерода по сечению детали. Необходимое упрочнение поверхностного слоя достигается последующей, после цементации, термической обработкой, состоящей из закалки и низкого отпуска (160…180°С).

Азотирование - это насыщение поверхности стали азотом. Процесс осуществляют в среде аммиака при 480…560°С. При таких температурах аммиак диссоциирует с образованием атомарного азота (2NH₃→2N+3H₂), который диффундирует в поверхностные слои детали. Для азотирования применяют среднеуглеродистые легированные стали, содержащие Сr, Mo, V, Al (углеродистые стали при азотировании практически не упрочняются). Азот образует с легирующими элементами устойчивые нитриды, которые придают азотированному слою высокую твердость. Наибольшую твердость имеют нитриды алюминия. Твердость поверхности деталей из стали 38Х2МЮА, (сталь содержит алюминий) после азотирования достигает 1100…1200HV.

При температуре азотирования 500…520 °С слой толщиной до 0,5 мм получают за 24…90 ч. Толщина слоя тем больше, чем дольше проходит процесс. Такая длительность объясняется слабой диффузией азота вследствие низкой температуры проведения процесса.

• Перед азотированием детали подвергают термической обработке, состоящей из закалки и высокотемпературного отпуска (улучшение). При этом достигается высокая ударная вязкость. Затем производят механическую обработку, включая шлифование, придающую окончательные размеры изделию. Азотирование может быть окончательной обработкой в технологическом процессе изготовления деталей, т.к. деформации при азотировании весьма малы.

К достоинствам азотирования следует отнести очень высокую твердость поверхности до – 1100…1200 HV (70…72 HRC, при цементации – не более 60…64 HRC); сохранение твердости при нагреве свыше 500°С (при цементации не выше 200°С); коррозионную стойкость слоя.

Недостатком, по сравнению с цементацией, является малая глубина слоя, это определяет слабое сопротивление высоким контактным нагрузкам – твердый слой может продавливаться в мягкую сердцевину.

Азотированию подвергают детали, определяющие точность оборудования, от которых требуется весьма высокая износостойкость: гильзы координатно-расточных станков, шпиндели шлифовальных станков, гильзы цилиндров, а также некоторые виды режущего (метчики) и штампового (вытяжные пуансоны) инструмента.