ГЛАВА 12. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ФОРМИРОВАНИЯ ЗАДАННЫХ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ

12.1. Наплавкаигазотермическоенанесениепокрытий

Наплавка. Сущность процесса наплавки заключается в получении поверхностных слоев нанесением расплавленного присадочного материала методом сварки (рис. 12.1). Проплавление основного металла, перемешивание основного и наплавленного металлов должны быть минимальными для сохранения механических свойств наплавляемого слоя.

Материалы, применяемые для наплавочных работ, можно разделить на следующие группы:

•сплавы на основе железа (стали, высокохромистые чугуны и др.);

•сплавы на основе никеля и кобальта;

•сплавы на основе меди;

•карбидные сплавы (с карбидом вольфрама или хрома) и др. Наплавку применяют для восстановления изношенных изделий и со-

здания поверхностей с необходимыми свойствами при изготовлении новых изделий. Масса наплавленного слоя обычно не превышает нескольких процентов от общей массы заготовки. При затвердевании расплавленного металла рост кристаллитов в наплавленном слое происходит на базе частично оплавленных зерен основного металла.

Наиболее широкое распространение в промышленности получила дуговая наплавка покрытым электродом, порошковой проволокой, в среде защитных газов, под флюсом и др. Электрошлаковую наплавку применяют при необходимости наплавить большое количество металла, лазерная наплавка обеспечивает локальность теплового воздействия, минимальное перемешивание наплавленного и основного металлов, а также практическое отсутствие деформации изделия после наплавки.

I

а б

Рис. 12.1. Схема дуговой наплавки: а − покрытым электродом; б − порошковой проволокой; I − материал покрытия; II – изделие

ГЛАВА 12. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ФОРМИРОВАНИЯ ЗАДАННЫХ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ

12.1. Наплавка и газотермическое нанесение покрытий

При проведении работ по наплавке следует иметь в виду, что в поверхностных слоях наплавленного металла возникают остаточные, как правило, растягивающие напряжения. В результате этого возможно не только искажение формы и размеров заготовок, но и появление трещин в наплавленном слое.

Газотермическое нанесение покрытий. Сущность процессов газотер-

мического нанесения покрытий заключается в образовании наплавленного потока дискретных частиц размером от 10 до 200 мкм (рис. 12.2). Для образования прочных связей между частицами в покрытии необходимо обеспечить достаточный уровень активации при их контактировании с поверхностью, которая, как правило, не оплавляется. Это достигается нагревом и ускорением частиц в процессе переноса.

Взависимости от источника теплоты и движущих сил переноса различают следующие способы напыления: газопламенное, плазменное, детонационное, дуговая металлизация и высокочастотная металлизация.

Вгазопламенных процессах для нанесения покрытий используют теплоту, выделяющуюся при сгорании горючих газов в смеси с кислородом или сжатым воздухом. Для создания потока частиц основными видами материалов, используемых при газопламенном напылении, является порошок

ипроволока (рис. 12.2). В качестве горючего газа применяют ацетилен, пропан или водород, при сгорании которых в кислороде при выходе из сопла развивается температура 2500 °С, скорость движения частиц достигает 120 м/c, а производительность возрастает до 8 кг/ч (для стали) и 30 кг/ч (для цинка).

а

б

Рис. 12.2. Схема газопламенного нанесения покрытий: а − порошком; б − проволокой

При плазменном напылении применяют в основном струи, получаемые в дуговых плазмотронах, в которых источником нагрева является дуга,

ГЛАВА 12. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ФОРМИРОВАНИЯ ЗАДАННЫХ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ

12.1. Наплавка и газотермическое нанесение покрытий

горящая между водоохлаждающими электродами. В качестве плазмообразующих газов применяют аргон, водород, азот, аммиак, гелий, воздух и др. Частицы порошка, попадая в плазменную струю, расплавляются и переносятся на поверхность обрабатываемого изделия.

При детонационном напылении источник нагрева представляет собой высокоскоростной поток газовой смеси, образующийся в результате направленного взрыва, обусловленного детонацией. Скорость продуктов детонации определяет скорость напыляемых частиц, которая обычно составляет 800– 1200 м/c.

При электродуговом напылении образование потока наплавляемых частиц происходит в результате плавления материала высокоамперной дугой. Особенностью горения дуги в электрометаллизаторе является воздействие мощного скоростного потока распыляющего газа, в результате чего происходит сжатие дуги, температура которой достигает 4000 °С.

Процесс высокочастотного напыления основан на использовании токов высокой частоты. Помещенный в индуктор стержень (проволока) расплавляется вихревыми токами, возникающими под действием переменного магнитного поля, образующегося при прохождении высокочастотного тока по катушке. Расплавленный металл распыляют струей сжатого воздуха и наносят на обрабатываемую поверхность. При напылении металлов, активно взаимодействующих с кислородом, используют инертные газы.

Газотермическое нанесение покрытий может осуществляться как при атмосферном, так и при пониженном или повышенном давлении. Размер частиц наплавляемого материала существенно влияет на структуру и свойства покрытия. С увеличением размера частиц повышается плотность и однородность покрытия. Частицы размером менее 10 мкм становятся непригодными для напыления на воздухе, так как они не достигают поверхности изделия, поскольку увлекаются потоком газа, обтекающим изделие.

Различные способы газотермического напыления применяют для получения коррозионно-стойких, износостойких, жаростойких и других покрытий из алюминия, цинка, сталей, бронзы, карбидов вольфрама, керамики. Размеры и форма изделий при этом методе не ограничены, а толщина покрытия может составлять от 0,1 до 2 мм. Для получения прочного соединения покрытия с поверхностью заготовки необходима ее специальная подготовка. Перед нанесением металла толщиной до 1 мм поверхность обдувают корундом для очищения, придания необходимой шероховатости и активации. Если напыляют более толстые слои, то шероховатость обеспечивают черновым точением или фрезерованием канавок типа «ласточкин хвост».

Преимуществом газотермического нанесения покрытий является возможность применения широкого спектра материалов и проведение процесса как в атмосфере, так и в защитных камерах. Недостатками являются высокая стоимость процесса, относительно низкая производительность, высокий уровень шума.

ГЛАВА 12. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ФОРМИРОВАНИЯ ЗАДАННЫХ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ

12.1. Наплавка и газотермическое нанесение покрытий

Нанесение покрытий в жидкой фазе осуществляют также погружением в расплавленные среды, электролитическим осаждением металлов и химической обработкой (нанесение покрытий и поверхностное легирование).

12.2. Видыхимико-термическойобработки

Методами химико-термической обработки металлов достигается изменение свойств поверхности, обеспечивается поверхностное упрочнение металлов и сплавов (повышение поверхностной твердости, износостойкости, усталостной прочности, теплостойкости и т. д.), а также повышение стойкости металлов и сплавов против воздействия внешних агрессивных сред при нормальных и повышенных температурах (коррозионной стойкости в атмосферных условиях, стойкости к кавитационной эрозии, кислотостойкости, жаростойкости, окалиностойкости и т. д.).

Из методов химико-термической обработки наиболее распространены методы насыщения поверхности металлических изделий неметаллами. Такими неметаллами являются углерод, азот, бор, сера. Поэтому способы химико-термической обработки металлов и сплавов получили следующие названия: науглероживание (цементация), азотирование, борирование, сульфидирование. Насыщение может проводиться одним неметаллом, комплексно двумя или тремя неметаллами.

Насыщение металлами включает следующие процессы: алитирование (насыщение алюминием), хромирование (диффузионное насыщение хромом), силицирование (насыщение поверхности кремнием).

Насыщение проводят путем нагрева обрабатываемых изделий в химически активной среде, содержащей насыщающий компонент. В результате нагрева во внешней среде образуется насыщающий элемент в атомарной форме, он адсорбируется насыщаемой поверхностью и диффундирует в глубь изделия, приводя к его упрочнению.

12.2.1. Цементациястали

Цементации обычно подвергают углеродистые и легированные стали с малым содержанием углерода (как правило, не более 0,20–0,25 %). После цементации и окончательной термической обработки обеспечивается получение поверхностной твердости 56–64 НRC при сохранении вязкой сердцевины (рис. 12.3), что определяет высокую конструктивную прочность изделий, благоприятное сочетание износостойкости поверхности с высокой сопротивляемостью динамическим разрушениям.

ГЛАВА 12. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ФОРМИРОВАНИЯ ЗАДАННЫХ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ

12.2. Виды химико-термической обработки

Рис. 12.3. Толщина цементованного слоя зубчатого колеса

Цементацию проводят в твердом карбюризаторе, в газовых средах и иногда в расплавах солей (жидкостная цементация).

Поверхностный слой после цементации еще не обладает высокой твердостью и износостойкостью. Для создания этих качеств требуется окончательная термическая обработка (закалка и отпуск).

12.2.2. Азотированиестали

Азотирование – поверхностное насыщение стали азотом применяется, как и цементация, преимущественно для повышения поверхностной твердости, износостойкости деталей машин и механизмов.

Азотирование ведут путем нагрева заготовок в газовой среде аммиака, который под воздействием температур процесса разлагается и таким образом обеспечивает насыщение поверхности заготовок азотом.

Кроме того, азотирование обеспечивает повышение коррозионной стойкости материала, а также теплостойкость упрочненного поверхностного слоя. Характер упрочнения в результате азотирования принципиально иной по сравнению с цементацией. Высокая твердость и износостойкость слоя достигается при образовании сплошной зоны нитридов легирующих элементов, содержащихся в стали на внешней поверхности изделия.

Для повышения коррозионной стойкости азотированию подвергают углеродистые стали. Для повышения поверхностной твердости и износостойкости используют комплексно-легированные стали, содержащие хром, молибден, алюминий и другие компоненты, например 30ХМЮА, 38ХЮА, 34ХН1М и др. Азотированию подвергают наиболее ответственные детали: гильзы цилиндров двигателей внутреннего сгорания, шестерни, детали топливной аппаратуры. Азотирование также проводят для нержавеющих сталей ферритного или аустенитного класса: 30Х1З, 40Х13, 40Х14Н14В2М и др.

Изделия после азотирования без дополнительной термической и механической обработки сразу подаются на сборку. Размеры изделий при азотировании не изменяются, поэтому азотированию подвергаются готовые детали без припусков на окончательную механическую обработку. В связи с этим свойства, которыми должна обладать сердцевина изделия, должны быть сформированы до азотирования. Поэтому заготовки для изготовления

ГЛАВА 12. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ФОРМИРОВАНИЯ ЗАДАННЫХ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ

12.2. Виды химико-термической обработки

азотируемых деталей подвергают предварительной термической обработке (улучшению), включающей закалку и высокотемпературный отпуск.

12.2.3. Методысовместногонасыщенияазотомиуглеродом

Совместное насыщение поверхности деталей азотом и углеродом предусматривает возможность реализации принципиально различающихся способов в зависимости от того, какой из этих элементов является основным, а какой − дополнительным. В соответствии с этим различают цианирование и нитроцементацию. Цианирование ведут в жидких средах – расплавах солей, а нитроцементацию − в газовой среде.

Цианирование и нитроцементация обеспечивают получение слоя, аналогичного получаемому при цементации. Азот увеличивает прочностные свойства слоя, его износостойкость. Основное применение низкотемпературного цианирования – дополнительное упрочнение режущего и штампового инструмента, изготовленного из быстрорежущих и других теплостойких сталей. Инструменты после окончательной термической обработки на максимальную твердость и после шлифовки и заточки насыщают углеродом и азотом, при этом формируется тонкий (0,04–0,09 мм) карбонитридный слой высокой твердости и износостойкости, увеличивающий режущую стойкость инструмента в 1,5–2,0 раза. Термообработки после насыщения, как и после азотирования, не требуется.

12.2.4. Насыщениеметаллами

Металлами можно насыщать стали и чугуны, алюминиевые и медные сплавы, а также многие другие металлические или керамические материалы.

К настоящему времени созданы следующие технологически различающиеся группы процессов, способных обеспечить создание диффузионных покрытий металлами:

•насыщение в порошковых твердых смесях;

•диффузионное насыщение из газовой фазы циркуляционным методом;

•погружение в металлические расплавы;

•диффузионный отжиг изделий с ранее нанесенной различными методами тонкой пленкой насыщающего вещества;

•диффузионное удаление из поверхности компонентов сплава путем нагрева его в вакууме либо иной контролируемой среде.

Наибольшее распространение имеют процессы насыщения в порошковых твердых смесях. Для их проведения насыщаемые изделия упаковывают в порошковые смеси в герметичных стальных ящиках аналогично цементации.

Вкачестве примеров насыщения металлами рассмотрим процессы алитирования, силицирования и диффузионного хромирования.

ГЛАВА 12. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ФОРМИРОВАНИЯ ЗАДАННЫХ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ

12.2. Виды химико-термической обработки

Алитирование применяется с целью повышения стойкости к атмосферной коррозии, особенно при повышенных температурах, и, следовательно, для повышения жаростойкости и окалиностойкости стали, меди и медных сплавов. Для алитирования стали используют порошкообразный ферроалюминий (49 %), окись алюминия (49 %) и хлористый аммоний (2 %). В результате алитирования образуется слой глубиной от 0,15 до 0,50 мм.

Силицирование – процесс насыщения поверхности стали кремнием применяется с целью повышения кислотостойкости поверхности, например, стальных емкостей для перевозки концентрированных кислот, за исключением плавиковой. В состав порошковой твердой среды вводят 60 % ферросилиция, 39 % глинозема (окиси алюминия) и 1 % хлористого аммония. Глубина формирующегося слоя − от 0,3 до 1 мм. В таком состоянии силицированный слой обладает высокой устойчивостью к коррозии в морской воде, а также в азотной, серной и соляной кислотах.

Диффузионное хромирование ведут для повышения поверхностной твердости, износостойкости деталей из стали и чугуна при одновременном увеличении коррозионной и кислотостойкости поверхности. Для хромирования используют металлический порошок хрома или феррохрома в количестве 50 % от состава смеси, 47 % окиси алюминия и 3 % хлористого аммония. Образующийся слой глубиной от 0,02 до 0,12 мм обладает высокой твердостью, что обеспечивает высокую износостойкость поверхности детали.