Лекция №12. Методы поверхностного упрочнения деталей

Известно, что детали машин в процессе работы воспринимают наибольшие нагрузки своими поверхностными слоями. Явления изнашивания, влияющие в значительной степени на долговечность, развиваются на поверхностях трения сопряженных деталей. В верхних слоях рабочих поверхностей деталей нагрузки вызывают внутренние напряжения растяжения, сжатия, изгиба или кручения в чистом виде или в определенных сочетаниях, и поломки дета­лей в процессе эксплуатации часто носят усталостный характер.

В результате усталостного разрушения выходят из строя многие детали бурового и эксплуатационного оборудования — втулочно-роликовые цепи, детали талевой системы, проволочные канаты, коленчатые валы, шатунные болты, клапанные пружины, насосные штанги и др.

Поскольку наибольшая концентрация напряжений наблюдается в верх­них слоях металла, усталостная прочность деталей зависит от состояния и меха­нических свойств этих слоев. Установлено, что физико-механические свойства и микрогеометрия поверхностного слоя детали определяют ее износостойкость, коррозионностойкость и усталостную прочность. В связи с этим значительное распространение получили различные методы поверхностного упрочнения деталей машин.

Под упрочнением понимается повышение сопротивляемости материала I или заготовки разрушению или остаточной деформации (ГОСТ 18295—72), I Методы упрочнения применяют как при изготовлении новых деталей машин так и при их ремонте.

Известно, что свойства поверхностных слоев деталей машин после чистовой обработки и упрочнения значительно отличаются от свойств глубоких слоев металла. Благодаря упрочнению, нередко можно применять дешевые углеродистые стали взамен дорогих, легированных.

Упрочняющая термическая обработка. Поверхностная закалка — один из видов упрочняющей тер­мической обработки стальных и чугунных деталей: поверхностный слой нагре­вают с большой скоростью выше температуры фазового превращения, затем быстро охлаждают, и получают мартенситную структуру. Закалка позволяет значительно повысить прочность и износостойкость деталей. Прочность углеродистой стали можно увеличить обычной закалкой и отпуском в 1,5—2 раза, а легированной стали даже в 2—3 раза.

Существуют три основных способа поверхностной закалки: с нагревом газокислородным пламенем (пламенная закалка), с нагревом токами высокой частоты и с нагревом в электролите.

Наиболее старый и простой способ — пламенная поверхностная закалка (ППЗ). Нагрев при ППЗ осуществляется горелками ацетилено-кислородного пламени, природного газа, паров керосина и других газов; для охлаждения используется вода или эмульсия.

Для нагрева закаливаемой поверхности используют обычные сварочные горелки, в которых сварочный мундштук заменяется щелевидным или много­факельным, а также специальные горелки.

Для пламенной поверхностной закалки: цилиндрических поверхностей обычно применяют токарные станки, обеспечивающие вращение детали и посту­пательное движение горелки. При серийном производстве рационально ис­пользовать специальные установки.

Пламенную поверхностную закалку можно применять при упрочнении деталей широкой номенклатуры, изготовленных из углеродистых сталей и чугуна (табл. 6.3).

Лучшие результаты получаются при закалке сталей, содержащих 0,35— 0,7% углерода. Пламенная поверхностная закалка чугунов дает эффект, когда в упрочняемом металле содержится не менее 0,5% связанного углерода, а общее количество углерода и кремния не превышает соответственно 3,3 и 2%.

Качество закалки зависит от правильного назначения технологической схемы и параметров процесса. Глубина закаленного слоя рекомендуется в пре­делах 2—6 мм. Температура нагрева не должна превышать 1000°С во избежа­ние образования трещин. Оптимальным отношением количества ацетилена и кислорода считается: от 1,5 до 1,2. Необходимо поддерживать постоянную интенсивность пламени горелки.

Рекомендуемое расстояние между закаливаемой поверхностью и наконеч­ником горелки составляет 8—12 мм; для нагрева массивных деталей горелку располагают на меньшем расстоянии, при закалке мелких деталей — на боль­шем расстоянии во избежание их перегрева. Скорость относительного переме­щения детали и горелки рекомендуется в пределах 50—250 мм/мин в зависи­мости от назначенной глубины закалки.

К преимуществам ППЗ прежде всего относится простота технологического процесса и требуемого оборудования. Себестоимость ППЗ крупных деталей в 2—3 раза ниже себестоимости при объемной закалке.

Применение ППЗ позволяет повысить долговечность деталей в 2—3 раза. Например, упрочнение пальцев и проушин звеньев тракторных гусениц при глубине закаленного слоя 3—4 мм и твердости HRC 58—62 уменьшило износ звеньев в 1,5—2 раза.

К недостаткам ППЗ относятся: необходимость значительного перегрева поверхности, неравномерная поверхностная твердость, опасность применения легковоспламеняющихся масел для охлаждения деталей.

Упрочняющая химико-термическая обработка. Упрочняющая химико-термическая обработка (ХТО) — это процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя металлических деталей активными элементами, обеспечивающими получение определенных физико-механических свойств для повышения твердости, усталостной прочности, износостойкости, жаростойкости и коррозионной стойкости. К химико-термическим методам упрочнения, получившим широкое распространение, относятся цементация, азотирование, нитроцементация, борирование, диффузионное хромирование, цинкование, сульфидирование.

Цементация— процесс науглероживания поверхностного слоя стальных деталей, нагретых до температуры свыше 900—940°С, что определяет наибольшую скорость протекания процесса. В зависимости от состояния науглероживающей среды (карбюризатора) различают цементацию в твердом карбюризаторе, цементацию в жидкой среде и газовую цементацию стали.

В качестве твердой науглероживающей среды используют древесно-угольные карбюризаторы, в качестве жидкой среды — расплавленные соли (75 - 80% Na₂CO₃, 10—15% NaCl и 8—12% SiC) и газовой среды — газы, содержа­щие метан СН₄, окись углерода СО, углеводородные газы , С₃Н₈, С₄Н₁₀ и др. Глубина цементации зависит от температуры и продолжительности процесса.

Цементацию в твердом карбюризаторе выполняют при 900—940° С со средней скоростью 0,08—0,1 мм/ч. Недостаток цементации в твердом карбюризаторе заключается в длительности процесса.

Цементация в жидком карбюризаторе выполняется при температуре 840 - 860° С и средней скорости диффузии углерода 0,2—0,4 мм/ч. Преимуществами процесса цементации в жидком карбюризаторе являются: равномерность нагрева, более низкая температура, способствующая уменьшению деформаций детали, а также более мелкое зерно цементированного слоя.

Газовая цементация выполняется при температуре, близкой к 1000°С со скоростью 0,8—1,2 мм/ч, что позволяет в некоторых случаях при исполь­зовании индукционного нагрева ТВЧ сократить продолжительность опе­рации до 1 ч.

Цементация повышает усталостную прочность деталей, благодаря увели­чению твердости, прочности цементированного слоя и образованию в нем вну­тренних напряжений сжатия, которые снижают влияние концентраторов напряжений.

Азотирование(предложено русским ученым Н. П. Чижевским) один из процессов химико-термической обработки, при котором поверхностные слои стальных и чугунных деталей насыщаются азотом. Азотирование повы­шает твердость и износостойкость, усталостную прочность и увеличивает сопро­тивление коррозии. Процесс осуществляется при нагреве деталей в аммиаке.

Обычно азотированию подвергают стали, легированные хромом, молибде­ном и вольфрамом, так как соединения этих элементов с азотом (нитриды) обла­дают весьма высокой твердостью и износостойкостью. Нитриды блокируют дислокации, имеющиеся в металле, и повышают его прочность. Как правило, сначала выполняется закалка, а затем азотирование в муфельных печах при температуре 480—650° С в течение 2—3 сут.

Детали двигателей внутреннего сгорания (гильзы блока), глубинных нефтяных насосов (стальные втулки), подвергнутые азотированию, имеют резко увеличенный ресурс.

При нитроцементации (цианировании) происходит одновремен­ное насыщение поверхностных слоев стали углеродом и азотом. Нитроцементация повышает твердость и прочность деталей. Известна нитроцементация в твердых, жидких и газовых средах. Процесс выполняется при низких (540— 560° С) и высоких (800—830° С) температурах. Применяют в основном жидкие и газовые среды.

Нитроцементация деталей заканчивается закалкой в масле и отпуском. Продолжительность нитроцементации в жидких средах в несколько раз меньше продолжительности цементации.

Твердость поверхности после нитроцементации HRC 64—66. Этот метод упрочнения увеличивает износостойкость деталей. Например, нитроцемента­ция зубчатых колес, изготовленных из углеродистой стали, повышает их изно­состойкость в 1,5—2 раза по сравнению с закалкой.

Борирование— насыщение поверхностного слоя стальных деталей бором, что повышает его твердость и износостойкость. Известно борирование в твердой и жидкой средах. В первом случае используется порошок или аморфного бора; детали нагреваются до температуры 950—1050°С и выдер­живаются при этой температуре в течение 4—20 ч. Во втором случае борирование может быть безэлектролизным или электролизным. При безэлектролиз­ном способе в ванну, состоящую из расплавленных хлористых солей, вводят порошок ферробора или карбида бора и помещают детали с последующей выдержкой при температуре 950—1000° С. При электролизном процессе, полу­чившем наибольшее распространение, борирование осуществляется в резуль­тате электролиза расплавленной буры; при этом изделие является катодом, а графитовый или угольный стержень — анодом. Борирование целесообразно применять при упрочнении цилиндровых втулок и штоков буровых насосов, деталей турбобура и т. д.

Диффузионное хромирование — процесс насыщения хро­мом поверхности деталей, нагретых до температуры 1000° С. Оно резко повы­шает твердость и коррозионную стойкость металла деталей (рис. 6.7).

Диффузионное износостойкое хромирование и борирование увеличивают долговечность деталей, работающих в условиях абразивного изнашивания,

Цинкование— процесс насыщения цинком поверхности деталей, которые погружают в расплавлен­ный цинк или помещают в порошок цинка, обработан­ный соляной кислотой. В результате поверхность дета­лей приобретает антикоррозионные и антифрикционные свойства. Процесс широко применяется в нефтепромысло­вой практике.

Сульфидирование — это термодиффузионное насыщение серой поверхности стальных и чугунных дета­лей. При этом способе образуется поверхностный слой сернистого железа, обладающий повышенной износостойкостью, и уменьшается коэффициент трения, а, следо­вательно, и износ. Процесс осуществляется в ваннах с расплавленными серосодержащими солями или в газовых средах. Его можно применять для обработки деталей нефтегазопромыслового оборудо­вания, так как при этом способе облегчаются и доводочные операции.

Упрочняющая электроискровая обработка. Упрочняющая электроискровая обработка (ЭИО) основана на протекании импульсного разряда между электродом (анодом) и деталью (катодом).

Сущность ЭИО заключается в полярном переносе материала электрода на деталь (наращивание) при одновременном термическом воздействии тока и легировании поверхности детали элементами упрочняющего электрода и азота воздуха. Упрочненный слой отличается высокой твердостью, обусловленной образованием карбидов, нитридов, карбонитридов и закалочных структур. На рис. 6.8 показана схема электроискровой установки. Электроискровое упрочнение и нанесение металла происходит в воздушной или газовой среде при тепловом и химическом действии электрического разряда между поверх­ностью изделия и упрочняющим электродом, которому сообщается колебатель­ное движение от вибратора. За очень короткое время электроискрового раз­ряда () через электроды проходит мощный (до 10⁶ А/мм³) импульс тока, накопленного в конденсаторах. Температура в межэлектродном зазоре повышается до 11 000° С. При такой температуре азот и легирующие элементы, содержащиеся в электроде, легируют поверхность детали, повышая ее физико-механические свойства.

В качестве электродов применяют стержни из твердых сплавов Т15К6, Т30К4, Т60К6, феррохрома, ферромарганца, а также графита ЭГ2 и ЭГ4. Луч­шими материалами для упрочнения деталей, работающих при трении скольже­ния, считаются ферромарганец и твердый сплав Т15К6, а деталей, работающих при трении качения, — феррохром и графит ЭГ2.

Литература: 2 осн. [47-60], 3 осн. [177-190], 5 осн. [250-293].

Контрольные вопросы:

1. Что такое поверхностное упрочнение деталей?

2. Какие виды термической обработки поверхностного упрочнения знаете?

3. Какие виды химико-термической обработки поверхностного упрочнения знаете?

4. Какие виды электро-искровой обработки поверхностного упрочнения знаете?