Поверхностная закалка ТВЧ и ГЗП

Существуют следующие способы закалки с индукционного нагрева;

1) одновременный нагрев и охлаждение всей поверхности; этот метод
применяют для изделий, имеющих небольшую упрочняемую
поверхность (пальцы, валики, осевые инструменты);

2) последовательный нагрев и охлаждение отдельных участков; данный
метод используют при закалке шеек коленчатых валов (последовательный
нагрев и закалка одной шейки за другой), зубчатых колес с модулем более
6 (закалка «зуб за зубом»), кулачков распределительных валов и т. д.,

3) непрерывно-последовательный нагрев и охлаждение; метод применяют для закалки длинных валов, осей и т. д.; при этом методе изделие перемещается относительно неподвижных индуктора и охлаждающего устройства (спредера), или наоборот. По сравнению с первым
методом не требуется 'большой установочной мощности генератора.

При выполнении индукционного нагрева следует учитывать эффект близости. В системе из двух проводников, по которым течет переменный ток разного направления, наибольшая плотность тока создается в тех ча­стях, которые ближе расположены друг к другу. В связи с этим для полу­ченя закаленного слоя равномерной толщины расстояние от индуктора до поверхности детали должно быть одинаковым, а форма индуктора —
симметричной нагреваемой поверхности детали. Хорошие результаты дает
вращение детали в индукторе. После закалки с индукционным нагревом изделия подвергают низкому отпуску при 160 — 200С, нередко и самоотпуску. В этом случае при закалке охлаждение проводят не до конца, и в детали сохраняется некоторое коли­чество теплоты, нагревающей закаленный слой до температур отпуска.

Для глубинного нагрева используют специально разработанные стали пониженной или регламентированной прокаливаемости. Это достигается ограничением содержания примесей (Мn, Si, Сг, Ni и др.), получением мел­кого и устойчивого зерна аустенита. Чаще применяют стали пониженной прокаливаемости.

При поверхностной закалке с использованием индукционного нагрева можно получить твердость НRС больше на 3 — 5 единиц, чем при закалке после нагрева в печи. Это явление часто объясняют высокой скоростью ох­лаждения при поверхностной закалке в мартенситном интервале темпера­тур, исключающей возможность отпуска в процессе закалки.

После закалки с индукционного нагрева действительное зерно аустени­та мельче, чем при обычной закалке с печным нагревом. Мелкое зерно получается вследствие большой скорости нагрева и отсутствия выдержки при нагреве.

Закалка с газопламенным нагревом. Этот способ закалки применяют для крупных изделий (прокатных валков, валов и т. д.). Поверхность дета­ли нагревают газовым пламенем, имеющим высокую температуру (2400-3150°С). Вследствие подвода значительного количества теплоты по­верхность изделия быстро нагревается до температуры закалки, тогда как сердцевина детали не успевает нагреваться. Последующее быстрое охла­ждение обеспечивает закалку поверхностного слоя. В качестве горючего применяют ацетилен, светильный и природный газы, а также керосин. Для нагрева используют щелевые горелки (имеющие одно отверстие в форме щели) и многопламенные.

| Толщина закаленного слоя обычно 2 — 4 мм, а его твердость для стали с 0,45-0,5% С, НКС 50-56. В тонком поверхностном слое обра­зуется мартенсит, а в нижележащих слоях троосто-мартенсит. Газопла­менная закалка вызывает меньшие деформации, чем объемная закалка. Процесс газопламенной закалки можно автоматизировать и включить в общий поток механической обработки. Для крупных деталей этот спо­соб закалки часто более рентабелен, чем закалка с индукционным нагревом.

26.Химико-термической обработкой называют поверхностное насыщение ста­ли соответствующим элементом (например, углеродом, азотом, алюми­нием, хромом и др.) путем его диффузии в атомарном состоянии из внеш­ней среды при высокой температуре.

Процесс химико-термической обработки включает три элементарные стадии: 1) выделение диффундирующего элемента в атомарном состоянии благодаря реакциям, протекающим во внешней среде; 2) контактирование атомов диффундирующего элемента с поверхностью стального изделия и проникновение (растворение) их в решетку железа (абсорбция); 3) диффу­зия атомов насыщающего элемента в глубь металла.

Скорость диффузии атомов насыщающего элемента в решетку железа неодинакова. При насыщении углеродом или азотом, образующим с желе­зом твердые растворы внедрения, диффузия протекает быстрее, чем при насыщении металлами, образующими твердые растворы замещения.

Если энергия активации Q для углерода и азота в λ-железе составляет 31 — 32 ккал/(г • атом), то энергия активации для элементов, образующих с железом твердые растворы замещения (Сг, Мо, \У, А1 и др.), превышает 60 ккал/(г ■ атом), поэтому при диффузионном насыщении металлами про­цесс ведут при более высоких температурах и длительно и, несмотря на это, получают меньшую толщину слоя, чем при насыщении азотом, и осо­бенно углеродом.

Толщина проникновения (диффузия) зависит от температуры и продол­жительности насыщения.

Концентрация диффундирующего элемента на поверхности зависит от активности окружающей среды, обеспечивающей приток атомов этого эле­мента к поверхности, скорости диффузионных процессов, приводящих к переходу этих атомов в глубь металла, состава обрабатываемого метал­ла, состава и структуры образующихся фаз. Повышение температуры уве­личивает скорость процесса диффузии, поэтому толщина диффузионного слоя, образующегося за данный отрезок времени, сильно возрастает с по­вышением температуры процесса.

Природа первичных образований, фазовый состав и изменение концен­трации по толщине диффузионного слоя могут быть описаны диаграммой состояния: металл растворитель — диффундирующий элемент.

Покажем это на диаграммах состояния железо — диффундирующий элемент (Cr, Al, Si и др.). При температуре t₁ диффузия протекает в решетке а без фазовых превращений. Следовательно, при температуре насыщения существует только а-твердый раствор, и концентрация диффун­дирующего элемента постепенно уменьшается от максимальной на поверх­ности до нуля на некоторой глубине.

Диффузионный слой по микроструктуре можно определить только из-за несколько большей или иной его травимости. Насыщение при темпера­туре t₂ сопровождается фазовой перекристаллизацией при температуре диффузии. Диффузия первоначально протекает в γ-фазе, а по достижении на поверхности предела растворимости происходит фазовая перекристал­лизация у —>а. Зародыши а-фазы от поверхности растут по направлению диффузии, образуя характерные столбчатые кристаллиты.

На границе раздела двух фаз (γи а) устанавливается перепад концен­трации, а в микроструктуре (после охлаждения) обнаружи­вается пограничная диффузионная линия. Существенно, что двухфазные слои (у + а) при температуре диффузии не могут образоваться, а могут возникнуть только п результате превращений во время охлаждения. При насыщении легированной ехали при температуре диффузии могут возник­нуть многофазные слон.

При определении толщины диффузионного слоя, полученного при на­сыщении железа (стали) металлами и неметаллами обычно указывается не полная толщина слоя с изменен­ным составом, а только толщина до пограничной диффузионной линии.между а- и γ-фазами (при насыще­нии металлами) или до определен­ной твердости (концентрации диф­фундирующего элемента) — эффек­тивная толщина диффузионного слоя.

27.ЦЕМЕНТАЦИЯ. Цементацией - называется процесс насыщения поверхностного слоя стали углеродом. Различают два основных вида цементации: твердыми углеродсодержащими смесями (карбюризаторами) и газовую. Целью цементации является получение твердой и износостойкой поверхности, что достигается обогащением поверхностного слоя углеродом и последующей закалкой с низким отпуском. Цементация и последующая термическая обработка одновременно повышают и предел выносливости. Для цементации обычно используют низкоуглеродистые стали (0,12 — 0,23% С). Выбор таких сталей необходим для того, чтобы сердце­вина изделия, не насыщающаяся углеродом при цементации, сохраняла высокую вязкость после закалки. Для цементации детали поступают после механической обработки с припуском на шлифование 0,05 — 0,10 мм или после окончательной обра­ботки (например, автомобильные шестерни). Во многих случаях цемента­ции подвергается только часть детали; тогда, участки не подлежащие упрочнению, защищают тонким слоем меди (0,02 — 0,05 мм), которую нано­сят электролитическим способом, или изолируют специальными обмазка­ми, состоящими из смеси огнеупорной глины, песка и асбеста или окиси алюминия и талька, замешанных на жидком стекле и др. ' Механизм образования и строение цементованного слоя. Цементация твердым карбюризатором. В этом процессе насыщающей средой является древесный уголь или каменноугольный полукокс и торфяной кокс.Изделия, подлежащие цементации, после предварительной очистки укладывают в ящики: сварные стальные или литые чугунные пря­моугольной или цилиндрической формы. При упаковке изделий на дно ящика насыпают и утрамбовывают слой карбюризатора толщиной 20 — 30 мм, на который укладывают первый ряд деталей, выдерживая расстояния между деталями и до боковых стенок ящика 10—15 мм. Затем засыпают и утрамбовывают слой карбюризатора толщиной 10—15 мм, на него укладывают другой ряд; деталей и т. д. Последний (верхний) ряд деталей засыпают слоем карбюризатора толщиной 35 — 40 мм с тем, чтобы ком­пенсировать возможную его усадку. Ящик накрывают крышкой, кромки которой обмазывают огнеупорной глиной или смесью глины и речного пе­ска. После этого ящик помещают в печь.Нагрев до температуры цементации (910 — 93.0°С) составляет 7 — 9 мин на каждый сантиметр минимального размера ящика. Продолжительность выдержки при температуре цементации для ящика с минимальным разме­ром 150 мм составляет 5,5 — 6,5 ч для слоя толщиной 0,7 — 0,9 мм и 9 — 11 ч для слоя толщиной 1,2 — 1,5 мм. При большем размере ящика (мини­мальный размер 250 мм) для получения слоя толщиной 0,7 — 0,9 мм продол­жительность выдержки равна 7,5 — 8,5 ч, а при толщине 1,2 — 1,5 мм — 11 — 14 ч.После цементации ящики охлаждают на воздухе до 400 —500°С и затем раскрывают. Газовая цементация. Этот процесс осуществляют нагревом изделия в среде газов, содержащих углерод. Газовая цементация имеет ряд преиму­ществ по сравнению с цементацией в твердом карбюризаторе, поэтому ее широко применяют на заводах, изготовляющих детали массовыми пар­тиями.В случае газовой цементации можно получить заданную концентра­цию углерода в слое, сокращается длительность процесса, так как от­падает необходимость прогрева ящиков, наполненных малотеплопро­водным карбюризатором; обеспечивается возможность полной механиза­ции и автоматизации процессов и значительно упрощается последующая термическая обработка изделий, так как можно производить закалку не­посредственно из цементационной печи. Наиболее качественный цементованный слой получается при использо­вании в качестве карбюризатора природного газа, состоящего почти по­лностью из метана (СН₄) и пропанобутановых смесей, подвергнутых спе­циальной обработке, а также жидких углеводородов. В серийном производстве газовую цементацию обычно проводят в шахтных муфельных печах. Шахтные имеют рабочую температуру, 950°С. Изделия в печь загружают на спе­циальных подвесках и приспособлениях. Не­обходимая для газовой цементации атмосфера создается при подаче в камеру печи жидкостей, богатых углеродом. Углеводородные соединения при высокой температуре разлагаются с образованием активного углерода и водорода.

28.Азотированием называют процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали азотом при нагреве ее в аммиаке. Азотирование очень сильно повышает твердость поверхностного слоя, его износостойкость, предел выносливости и сопротивление коррозии в таких средах как атмосфера, вода, пар и т.д. Твердость азотированного слоя заметно выше, чем цементованной стали, и сохраняется при нагреве до высоких температур (500-600 С); тогда как твердость цементованного слоя, имеющего мартенситную структуру, сохраняется только до 200-225С. Технология процесса азотирования. Предусматривает несколько операций:

1.Предварительная термическая обработка заготовки. Это операция состоит из закалки и высокого отпуска стали для получения повышенной прочности и вязкости в сердцевине изделия.

Закалку стали выполняют с нагревом до 930-950С с охлаждением в воде или в масле. Отпуск проводят при высокой температуре 600-675 С, превышающей максимальную температуру последующего азотирования и обеспечивающей получение твердости, при которой сталь можно обрабатывать резанием.

2. Механическая обработка деталей, а также шлифование, которое при­дает окончательные размеры детали.

3.Защита участков, не подлежащих азотированию, нанесением, тонкого
слоя (0,01—0,015 мм) олова электролитическим методом или жидкого сте­
кла. Олово при температуре азотирования расплавляется на поверхности
стали в виде тонкой не проницаемой для азота пленки.

4.Азотирование.

5.Окончательное шлифование или доводка изделия.

Азотирование тонкостенных изделий сложной конфигурации рекомен­дуется выполнять при 500 — 520 С. Длительность процесса зависит от тре­буемой толщины азотированного слоя. Чем выше температура азотирова­ния, тем ниже твердость азотированного слоя и больше толщина слоя. Обычно при азотировании желательно иметь слой толщиной 0,3—0,6 мм. Процесс азотирования при 500 —520°С в этом случае является продолжительным и составляет 24 — 60 ч.

В процессе насыщения азотом изменяются, но очень мало, размеры из­делия вследствие увеличения объема поверхностного слоя. Деформация возрастает при повышении температуры азотирования и толщины слоя.

Для ускорения процесса азотирования нередко применяют двухступен­чатый процесс: сначала азотирование проводят при 500 —520°С, а затем при 540 —560°С. При двухступенчатом процессе сокращается продолжи­тельность процесса, при этом сохраняется высокая твердость азотирован­ного слоя. Охлаждение после азотирования производят вместе с печью в потоке аммиака (до 200°С) во избежание окисления поверхности.

Азотирование чаще ведут в шахтных печах с принудительной циркуляцией газа и максимальной рабочей температурой 600 или 700С..

Первый муфель после окончания процесса азотирования вынимается из печи и охлаждается на воздухе, в печь загружается второй муфель с дета­лями. При азотировании крупногабаритных изделий более экономичны пе­чи с одним муфелем.

29.НИТРОЦЕМЕНТАЦИЯ. Нитроцементацией называют процесс диффузионного насыщения поверх­ностного слоя стали одновременно углеродом и азотом при 840—-860°С в газовой среде, состоящей из науглероживающего газа и аммиака. Про­должительность процесса 4—10 ч. Основное назначение нитроцемента-ции — повышение твердости и износостойкости стальных изделий.Толщина слоя при нитроцементации не должна превышать 1,0 мм. При большой толщине слоя в нем образуется темная составляющая и другие дефекты, снижающие механические свойства стали.При оптимальных условиях насыщения структуры нитроцементованного слоя должны состоять из мелкокристаллического мартенсита, неболь­шого количества мелких равномерно распределенных карбонитридов и 25 — 30% остаточного аустенита.Высокое содержание остаточного аустенита обеспечивает хоро­шую прирабатываемость, например нешлифуемых автомобильных шесте­рен, что обеспечивает их бесшумную работу. Максимальные показатели прочности достигаются только при оптимальном для данной стали содер­жании на поверхности нитроцементованного слоя углерода и азота.Азота в слое должно быть не меньше того количества, которое устра­няет вредные последствия внутреннего окисления. При вы­соком содержании азота в слое образуется темная составляю­щая. Оба дефекта микроструктуры понижают предел выносливости при изгибе и контактную прочность. Нитроцементации обычно подвергают детали сложной конфигурации, склонные к короблению. Нитроцементация имеет следующие преимуще­ства по сравнению с газовой цементацией. Процесс происходит при более низкой температуре (840 — 86ОС вместо 910 — 930°С); глубина слоя меньше; получаются меньшие деформации и коробление изделий; повышается сопротивление износу и коррозии.Нитроцементацию широко применяют на автомобильных и трак­торных заводах. ЦИАНИРОВАНИЕ. Цианированием называют процесс диффузионного насыщения поверхност­ного слоя стали одновременно углеродом и азотом при температуре 820 — 95О°С в расплавленных солях. Среднетемпературное цианирование. В этом процессе изделие нагревают до 820 — 860 С в расплавленных солях. Продолжи­тельность процесса обусловлена требуемой толщиной слоя и составляет 30-90 мин.Цианистый натрий в процессе цианирования окисляется кислородом воздуха.Цианирование при указанных сравнительно невысоких температурах позволяет выполнять закалку непосредственно из цианистой ванны. После закалки следует низкотемпературный отпуск (180 —200 С). Цианированный слой по сравнению с цементованным обладает более высокой из­носостойкостью и эффективно повышает предел выносливости. Этот вид цианирования применяют для упрочнения мелких деталей.Высокотемпературное цианирование. Для получения слоя большей тол­щины (0,5 — 2,0 мм) применяют высокотемпературное или глубокое циани­рование при 930-950°С. Зеркало ванны покрывают слоем графита во избежание больших потерь теплоты и угара цианистых солей. Время выдержки изделий в ванне для получения слоев указанной толщины составляет 1,5 — 6 ч.Выделяющийся атомарный углерод и азот диффундируют в железо. При указанных высоких температурах сталь с поверхности в большей степени насыщается углеродом и в меньшей – азотом.Строение цианированного слоя аналогично цементованному. После высокотемпературного цианирования детали охлаждают на воздухе, а затем для измельчения зерна закаливают с нагревом в соляной ванне или печи и подвергают низкотемпературному отпуску.Процесс цианирования по сравнению с процессом цементации требует меньшего времени для получения слоя заданной толщины, характеризует­ся значительно меньшими деформациями и короблением деталей сложной формы и более высокими сопротивлением износу и коррозии.Недостатком цианирования является высокая стоимость, ядовитость цианистых солей и необходимость в связи с этим принятия специальных мер по охране труда.

30.БОРИРОВАИИЕ. Борированием называется химико-термическая обработка, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали бором при нагре­вании в соответствующей среде. Темпе­ратура насыщения 930—950°С при выдержке 2—6ч. Процесс можно вести
и без электролиза в ваннах с расплавленными хлористыми солями (NaCl,
ВаС1₂), в которые добавляют 20% ферробора или 10% карбида бора (В₄С).
Хорошие результаты получены при газовом борировании. В этом случае
насыщение ведут при 850 — 900^пС в среде диборана (В₂Н₆) или треххлори-
стого бора (ВС1₃) в смеси с водородом. Диффузионный слой состоит из боридов FeB (па поверхности) и Fe₂B.Толщина слоя 0,1 —0,2 мм. Борированный слой обладает высо­
кой твердостью (HV 1800 — 2000), износостойкостью (главным образом, аб­
разивной), коррозионной стойкостью, окалипостойкостью (до 800°С). и
теплостойкостью.Борирование применяют для повышения износостойкости втулок гря­зевых нефтяных насосов, дисков пяты турбобура, вытяжных, гибочных и формовочных штампов, деталей пресс-форм и машин Для литья под -да­влением. Стойкость указанных деталей после борирования возрастает в 2-10 раз.

31.ДИФФУЗИОННОЕ НАСЫЩЕНИЕ МЕТАЛЛАМИ. Поверхностное насыщение стали алюминием, хромом, цинком и другими элементами называют диффузионным насыщением металлами. Изделие, поверхность которого обогащена этими элементами, приобретает ценные свойства, к числу которых относятся высокая жаростойкость, коррозион­ная стойкость, повышенная износостойкость и твердость.В зависимости от метода переноса диффузионного элемента на насы­щаемую поверхность различают следующие основные способы диффузион­ной металлизации: 1) погружением в расплавленный металл, если диффун­дирующий элемент имеет низкую температуру плавления (например, алю­миний, цинк); 2) из расплавленных солей, содержащих диффундирующий элемент (с электролизом и без электролиза); 3) из сублимированной фазы путем испарения диффундирующего элемента; 4) из газовой фазы (кон­тактным и неконтактным методом), состоящей из галогенных соединений диффундирующего элемента.Галогенные соединения диффундирующего элемента получают путем воздействия галоидного или галойдоводородного газа на этот элемент, или его ферросплав.Наиболее часто применяют контактный метод насыщения из газовой фазы. Для этого обрабатываемое изделие упаковывают в порошкообраз­ную среду, состоящую из ферросплава диффундирующего элемента. При высокой температуре диссоциирует. При этом полученный НС1 взаимодей­ствует с ферросплавом, образуя галоидные соединения диффундирующего элемента. Процесс ведут при 950 —1150°С в течение 3 —12 ч. Алитирование, Алитированием называют насыщение поверхности стали алюминием.В результате аллитирования сталь приобретает высокую окалиностой-кость (до 850—900°С), так как в процессе нагрева на поверхности аллити-рованных изделий образуется плотная пленка окиси алюминия предохраняющая металл от окисления. Алитированный слой обладает так­же хорошим сопротивлением коррозии в атмосфере и морской воде.Алитированию подвергают топливники газогенераторных машин, чехлы термопар, детали разливочных ковшей, клапаны и другие детали, работаю­щие при высоких температурах. Хромирование. Хромированием называют насыщение поверхности стальных изделий хромом. Этот процесс обеспечивает повышенную устой­чивость стали против газовой коррозии (окалиностойкость) — до 800°С, зысокую коррозионную стойкость в. таких средах, как вода, морская вода л азотная кислота. Хромирование сталей, содержащих свыше 0,3 —0,4%-С, повышает также твердость и износостойкость.Диффузионный слой, получаемый при хромировании технического же­леза, состоит из твердого раствора хрома в а-железе. Слой. получаемый при хромировании стали, содержащей углерод, состоит из карбидов хрома. Под слоем карбидов находится переходный слой с высоким содержанием углерода (0,8%). Такие слои образуются в результате диффу­зии углерода из внутренних слоев к поверхности навстречу хрому. Углерод обладает большей скоростью диффузии, чем хром, поэтому для образова­ния карбидного слоя используется не весь углерод, и иод карбидным слоем находится переходный слой с высоким содержанием углерода. Кар­бидный слой обладает высокой твердостью.Хромирование используют для деталей паросилового оборудования, пароводяной арматуры, клапанов, вентилей, патрубков, а также деталей, работающих на износ в агрессивных средах. Силицирование. Насыщение поверхности стали кремнием называют си-лицированием. Силицирование придает стали высокую коррозионную стойкость в морской воде, в азотной, серной и соляной кислотах и не­сколько увеличивает устойчивость против износа.Силицированный слой является твердым раствором крем­ния в а-железе. Под диффузионным слоем часто наблюдается слой перли­та. Это объясняется оттеснением углерода из диффузионного слоя вслед­ствие пониженной растворимости его в кремнистом феррите. Силицированию подвергают детали, используемые в оборудовании хи­мической, бумажной и нефтяной промышленности (валики насосов, трубо­проводы, арматура, гайки, болты и т. д.).