2.3. Деформационное упрочнение

Прочностью металлов и их сопротивлением усталости (которая проявляется при циклических нагрузках и приводит к образованию трещин на поверхности, с которых начинается разрушение) можно управлять путем деформационного упрочнения в холодном состоянии. С этой целью металл подвергается пластической деформации либо по всему объему (прокатка, штамповка, волочение), либо только с поверхности (дробеструйная обработка, ударное воздействие бойком, накатка шариком или роликом, алмазное выглаживание и т. п.). В результате объемной или поверхностной деформации металл упрочняется за счет искажения кристаллической структуры зерен, сопровождающегося повышением уровня остаточных напряжений. Такое упрочнение металла называется наклепом или нагартовкой. Поверхностному наклепу подвергают крупные пружины, рессоры, коленчатые валы ДВС и другие ответственные детали, что позволяет существенно увеличить ресурс их работы.

Обкатывание поверхностей шариком, помимо повышения износостойкости, позволяет создавать регулируемый рельеф, который способствует удержанию смазки и продлевает срок службы трущихся деталей (внутренних поверхностей цилиндров ДВС и компрессоров, направляющих станков и т. п.).

2.4. Химико-термическая обработка

Химико-термической обработкой (ХТО) называется процесс насыщения поверхности деталей металлами и неметаллами для придания требуемых свойств, проводимый при повышенной температуре для ускорения диффузии.

Различают следующие основные виды ХТО.

1. Цементация состоит в насыщении поверхности детали углеродом до содержания 1,1–1,2%. Процесс проводят в газообразном или твердом карбюризаторе. Цементации подвергаются низкоуглеродистые (в том числе низколегированные) стали, содержащие не более 0,2% углерода. После цементации производится сложная ТО, завершающаяся закалкой и низким отпуском. Цементация позволяет получить твердую, прочную, износостойкую поверхность и вязкую, пластическую сердцевину, что хорошо сказывается на эксплуатации ответственных деталей, работающих при знакопеременных и ударных нагрузках (валы, шестерни, кулачки и т. п.).

2. Азотирование состоит в насыщении поверхности азотом при нагреве в аммиачной среде. Азотирование повышает коррозионную стойкость, не требует последующей ТО и дает бóльшую твердость поверхности, чем цементация (причем эта твердость сохраняется вплоть до 600С, а не до 200С, как при цементации). Азотированию подвергают шестерни, многие детали станков, цилиндры мощных двигателей и т. п.

3. Цианирование и нитроцементация – это совместное насыщение стали углеродом и азотом. Цианирование проводят в расплавах солей на основе цианистого натрия (NaCN) при 820–960С, а нитроцементацию – в газовой смеси, содержащей науглероживающий газ и аммиак, при 850–870С. В результате повышаются поверхностная прочность, твердость и выносливость. Процесс применяется при изготовлении ответственных мелких деталей (шестерен, пальцев, гаек и т. п.).

4. Алитирование состоит в насыщении поверхности алюминием. Проводится при температуре 900–1050С в течение 3–12 часов в порошкообразных смесях, содержащих алюминий. В результате на поверхности стали образуется пленка Al₂O₃, обладающая высокой окалиностойкостью до 900С. Используется для защиты деталей разливочных ковшей, клапанов и других деталей двигателей внутреннего сгорания (ДВС).

5. Хромирование позволяет повысить твердость, износостойкость и окалиностойкость (до 800С) стальных деталей. Хромирование ведут в порошкообразных смесях при температуре 1000–1050С в течение нескольких часов. Применяется при обработке деталей паросилового оборудования, клапанов ДВС, а также деталей, работающих в агрессивных средах. Позволяет частично отказаться от применения дорогостоящих высокохромистых сталей.

6. Силицирование производится в порошкообразных или газовых средах, содержащих кремний, при температуре 950–1000С для повышения коррозионной стойкости стали в морской воде, азотной, серной и соляной кислотах, а также увеличения износостойкости. Силицированию подвергают детали оборудования, применяемого в химической, бумажной и нефтяной промышленности (валики насосов, трубопроводы, арматуру и т. п.).

7. Борирование и титанирование позволяют получить наибольшую твердость поверхностного слоя (до 2000 и 2700 HV соответственно) благодаря образованию сверхтвердых карбидов бора или титана. Борирированию подвергают рабочие поверхности штампов для горячей штамповки; втулки нефтянных грязевых насосов и наконечники пескоструйных аппаратов для повышения устойчивости против абразивного износа. Титанирование применяют для лопастей гребных винтов, поршней судовых двигателей, фильер для протяжки проволоки и т. п.