Лекция № 11

Поверхностная закалка стали. Лазерная термическая обработка. Цементация стали. Строение цементованного слоя. Термическая обработка стали после цементации. Нитроцементация стали. Азотирование. Покрытия металлов: напыленные и осажденные.

Поверхностная закалка стали.

Для получения большой твердости в поверхностном слое детали с сохранением вязкой сердцевины, что обеспечивает износоустойчивость и одновременно высокую динамическую прочность, применяют поверхностную закалку или химико - термическую обработку.

Поверхностная закалка выгодно отличается от химико - термической обработки значительно меньшей продолжительностью процесса. Все методы поверхностного упрочнения заключаются в нагреве только поверхностного слоя с последующей закалкой детали. Методы нагрева могут быть различными:

-в расплавленных металлах или солях

-пламенем ацетелено кислородной горелки (так называемая пламенная закалка),

-в электролитах,

-лучем лазера, электротоком, индуцируемым в поверхностных слоях детали; в этом случае ток высокой частоты индуцируется в поверхностных слоях закаливаемой детали (так называемая индукционная, или высокочастотная закалка).

Последний способ широко используют в машиностроении. Сущность любого способа поверхностной закалки состоит в том, что поверхностные слои детали быстро нагреваются выше критических точек и создается резкий градиент температур по сечению. Рис. 48.

Рис. 48. Распределение температур по глубине при поверхностной закалке.

Если нагрев прервать и провести быстрое охлаждение, то слой металла нагретый выше АС3 (1), получит полную закалку: слой, нагретый выше АС1, но ниже АС3 (2) - неполную закалку, а сердцевина (3) или вовсе не нагреется, или нагреется только ниже АС1 закалки не получит. Нагрев поверхностных слоев значительно выше Ас3 - явление обычное при всех способах закалки, однако это не обязательно приведет к перегреву и ухудшению структуры. Чем больше скорость нагрева, тем при более высокой температуре происходят превращения и из-за кратковременности нагрева, в меньшей степени произойдет огрубление микроструктуры (рост зерна аустенита). В практике термической обработки наибольшее распространение получила высокочастотная обработка поверхности. Здесь обычно стальная деталь помещается внутри индуктора, присоединенного к мощному высокочастотному генератору. Колебания электромагнитного поля в поверхности детали - проводника создает вихревые электротоки, которыми и нагревается, а поверхность.

47

_________

δ = 5300 √ ρ / (µ f)

Глубина поверхностной обработки зависит от мощности индуцируемого поля, удельного электросопротивления детали, магнитной проницаемости и частоты электроколебаний.

Лазерная термическая обработка.

(Самостоятельная проработка литературы)

Цементация стали. Строение цементованного слоя. Термическая обработка стали после цементации.

Химико - термическая обработка - технологическая операция, состоящая в том, что деталь помещают в среду богатую элементом, который диффундирует в металл. В случае газового окружения (наиболее частый случай) при химико - термической обработке происходят три элементарных процесса: диссоциация, абсорбция и диффузия. Диффузия происходит движением насыщающего элемента по вакансиям и иным дефектам кристаллов.

При цементации происходит поверхностное насыщение стали углеродом, в результате чего получается высокоуглеродистый поверхностный слой. Так как для цементации берут низкоуглеродистую сталь, то сердцевина остается мягкой и вязкой, несмотря на то, что после цементации сталь подвергается закалке. При твердой цементации детали запаковывают в ящик, наполненый карбюризатором - науглероживающим веществом. При газовой цементации герметически закрытая камера печи с размещаемыми в ней деталями наполнена цементирующим газом, или газ проходит через нее. Карбюризаторами является высокосортный древесный уголь, газом - СО.

Цементацию проводят значительно выше точки АС1 (так как а-железо не растворяет углерод), при 900 -930 С, или даже при 950 - 970 С и выше. Чем выше температура - тем больше содержание углерода в поверхностном слое, однако оно не превышает 1.2 %. Время цементации составляет десятки часов, а толщина диффузионного слоя обычно не превышает 2 мм. Цементация в основном применяется в массовом производстве деталей машин. Ее проводят в толкательных электропечах непрерывного действия. Структура поверхностного слоя состоит из нескольких зон. Поверхностная зона, в которой углерода содержание углерода больше 0.8 - 0.9 %, имеет структуру перлит + цементит; это так называемая заэвтектоидная зона; затем следует зона с содержанием углерода около 0.8 % - это эвтектоидная зона и, наконец, доэвтектоидная зона, содержащая углерода менее 0.7 %, плавно переходящая в структуру сердцевины. Окончательно формирует свойства цементованной детали последующая закалка, при которой на поверхности получается высокоуглеродистый мартенсит, а в сердцевине сохраняется низкая твердость и высокая вязкость. Рис. 49.

Рис. 49. Режимы термической обработки цементированных деталей.

48

Обычно закалку проводят с цементационного нагрева. Если требуются повышенные механические свойства, охлаждение производят медленное и затем дается закалка с повторного нагрева или даже двойная закалка. В последнем случае требуется шлифовка “под размер” детали из-за изменения геометрии деталей, вызванной многочисленными фазовыми превращениями при нагревах. В сердцевине цементированной детали из легированной глубокопрокаливающейся стали образуется мартенсит, который из-за низкого содержания С не обладает хрупкостью.

Азотирование. Нитроцементация стали.

Азотированием называют процесс насыщения стали азотом. По сравнению с цементацией, азотированный слой сам без какой-либо ТО приобретает высокую твердость, а размеры изделий после азотирования изменяются мало, что не требует шлифовки. Азотирование -

окончательная операция для деталей, прошедших ТО и шлифовку. Азотирование проводят при

500 - 600 С в среде диссоциированного аммиака:

NH3 = 3H + N

Образующийся атомарный азот диффундирует в металл. С железом стали и ее легирующими элементами азот образует нитриды, резко повышающие твердость поверхности. В ходе процесса происходит последовательное образование насыщенных азотом слоев. Рис. 50.

Рис. 50. Строение азотированного слоя железа после медленного охлаждения от 650С.

Распределение азота имеет скачкообразный характер вследствие отсутствия переходных двухфазных слоев.

Азотирование применяют для повышения твердости, износоустойчивости, усталостной прочности, сопротивления коррозии. Для массового производства автодеталей, подвергаемых цементации, разработаны специальные марки стали, легированные алюминием: 38ХМЮА, 38ХЮА. А - для азотирования.

Нитроцементация - одновременное насыщение поверхности стали азотом и углеродом в газообразной среде. Если процесс осуществляют в расплавах солей, содержащих цианистую группу - CN, тогда его называют цианированием. Нитроцементация позволяет несколько повысить и коррозионную стойкость , создать наибольшую твердость поверхности и совместить операцию с последующей закалкой.

Покрытия металлов: напыленные и осажденные.

В случае, когда поверхность изделий должна обладать специфическими свойствами: коррозийной стойкостью, жаропрочностью, антифрикционными или фрикционными свойствами применяют технологии напыления или осаждения покрытий. Покрытия на поверхности образуют слой нового материала, толщиной до 1 мм. Этот слой также позволяет восстановить геометрию и придать лучшие свойства поверхности детали. Известна технология восстановления коленчатых валов и валов механизма газораспределения двигателей внутреннего сгорания. На практике широкое распространение получили методы газотермического и вакуумно - конденсационного напыления. В первом случае струей горючих

49

газов распыляют порошок на предварительно обработанную поверхность. Таким образом получают покрытия из порошков тугоплавких металлов и их сплавов, коррозионно - стойких сталей. Окончательной обработкой поверхности изделия является шлифовка и доводочные операции. При напылении возможно получения тонких ( несколько мкм ) слоев со специфическими свойствами. Процесс проводят на специальных установках. Например,

установка БУЛАТ позволяет наносить на режущий инструмент (сверла, метчики, резьцы)слой из нитрида титана, повышающего износостойкость режущих кромок в 1.5 - 2

раза. Физическая сущность процесса напыления состоит в создании вакуума в камере с обрабатываемой деталью, которая является анодом, и распылении материала катода - титана методом термического нагрева или электронным пучком. Ионы металла осаждаясь на поверхности детали могут образовать покрытие. Если в рабочую среду вводить газ реагент (азот), то будет образовано покрытие из нитрида титана (результат взаимодействия ионов титана и атомов азота). Толщина таких покрытий не превышает 1 - 2 мкм. Вакуумно - конденсационные технологии напыления позволяю создавать разнообразные покрытия на металлах, стеклах, керамике и пластмассах.

50