5 Поверхностная закалка стали

Для получения большой твёрдости в поверхностном слое детали с сохранением вязкой сердцевины, что обеспечивает износостойкость и одновременно высокую динамическую прочность детали, применяют поверхностную закалку.

Известно несколько способов быстрого нагрева поверхностного слоя (токами высокой частоты, лазером, электронно-лучевой, газо-плазменный и др.). Наибольшее применение нашёл индукционный нагрев ТВЧ.

Поверхностная закалка заключается в быстром нагреве поверхностного слоя обрабатываемой детали с последующим быстрым охлаждением. Быстрый нагрев создаёт резкий градиент температур: поверхность имеет температуру выше А_с3, а сердцевина – гораздо ниже.

После быстрого охлаждения поверхностные слои получают полную закалку, а сердцевина либо неполную, либо совсем не закаливается.

ТВЧ закалка легко поддаётся автоматизации, позволяет осуществлять нагрев со скоростями, в сотни и тысячи раз превышающими скорости нагрева в печах; поверхность не успевает окислиться и обезуглеродиться.

После поверхностной закалки и низкого отпуска поверхность изделий имеет твёрдость НRС 54…58 при высокой вязкости. Применяется для обработки коленчатых валов, шестерён, валков холодной прокатки и др.

6 Химико-термическая обработка стали

Химико-термическая обработка (ХТО) – это технологический процесс насыщения поверхностного слоя изделия каким-либо элементом путём диффузии его из внешней среды.

Механизм насыщения металла представляет собой: а) адсорбцию атомов, подводимых к изделию; б) растворение адсорбированных атомов в металле; в) диффузию растворённого вещества в глубь изделия.

ХТО проводят при высоких температурах, когда скорость диффузии высока. В результате происходит поверхностное упрочнение металла, повышение коррозионной стойкости.

К наиболее распространённым методам ХТО относятся: цементация, азотирование, цианирование, нитроцементация, диффузионная металлизация.

Цементация

Это насыщение поверхностного слоя стали углеродом.

Различают цементацию твёрдыми углеродсодержащими смесями (карбюризаторами) и газовую.

Цементацию твёрдым карбюризатором проводят при 900-950˚С в металлическом ящике, наполненном карбюризатором (древесным углем с добавлением BaCO₃, Na₂CO₃, K₂CO₃). Ящик закрывают крышкой и обмазывают глиной для герметизации. Время процесса 8-14 часов.

ВаСО₃ = ВаО + СО₂

СО₂ + С → 2СО → С + СО₂

уголь атомарный

углерод

Газовая цементация осуществляется в закрытых камерных печах, заполненных газовой смесью (СО, СН₄, С₃Н₈ и др.), при 930-950˚С в течение 6-12 часов. Процесс идёт быстрее. Механизм такой же:

2СО → СО₂ + С (атомарный)

СН₄ → 4Н + С (атомарный)

Цементированные изделия приобретают окончательные свойства после ТО: закалки и низкого отпуска.

Цементируют истирающиеся детали машин, от которых ещё требуется высокий предел выносливости при изгибе и кручении: зубчатые колёса, распределительные валы двигателей внутреннего сгорания.

Азотирование

Это процесс насыщения поверхности изделия азотом.

NH₃  N + 3H

(атомарный)

Наибольший эффект получают при образовании на поверхности специальных термически стойких и твёрдых карбонитридов Fe(CN) и нитридов MoN, CrN, AlN, позволяющих одновременно повысить коррозионную стойкость, твёрдость и износостойкость стали при комнатной и повышенных температурах.

Цианирование и нитроцементация стали

Процесс одновременного диффузионного насыщения поверхности стали углеродом и азотом в расплаве солей цианистоводородной кислоты (NaCN, KCN) называется цианированием, а в газовой среде (СО, СН₄, NH₃) – нитроцементацией.

В результате обработки увеличиваются твёрдость и износостойкость поверхности изделия при сохранении вязкой сердцевины. Обычно нитроцементации подвергают детали сложной конфигурации, склонные к короблению.

Диффузионная металлизация

Процесс поверхностного насыщения стали различными металлами называют диффузионной металлизацией, а если насыщают и неметаллическими элементами, то поверхностным легированием.

В зависимости от насыщающего элемента различают хромирование (Cr), алитирование (Al), силицирование (Si), борирование (В) и др. Применяют также комплексное насыщение несколькими элементами сразу (например, бороалитирование).

7 Общая классификация сталей

Все виды сталей можно классифицировать по следующим признакам.

По химическому составу:

а) Углеродистые стали.

Углеродистыми сталями называются сплавы на. основе железа, содер­жащие менее 2,14% С и некоторое количество постоянных примесей (Si, Mn, S, P).

По содержанию углерода углеродистые стали подразделяют на низ­коуглеродистые ( менее 0,З% С ), среднеуглеродистые ( 0,3 - 0,7% С), высокоуглеродистые ( более 0,7% С ).

б) Легированные стали.

Легированными сталями называются сплавы на основе железа, содер­жащие, кроме углерода, специально вводимые химические элементы ( Сr, Ni, Тi, W, Si, Mn и др ).

По суммарному содержанию легирующих элементов легированные ста­ли подразделяют на низколегированные ( менее 5%), среднелегированные (5-10%), высоколегированные ( более 10% ).