Химико-термическая обработка рабочих поверхностей деталей

Цементация — процесс насыщения углеродом поверх­ностного слоя деталей из малоуглеродистой (до 0,3%С) стали с целью придания большей твердости поверхности при достаточ­но вязкой сердцевине детали. В зависимости от среды, в которой протекает процесс, различают цементацию в твердом, газообраз­ном и жидком карбюризаторах. Глубина цементации деталей 0,5—2,3 мм. Средняя скорость науглероживания составляет 0,08—0,10 мм/ч. Процесс можно ускорить, если вести его при температурах 950—980°С Так поступают при обработке сталей, содержащих титан и ванадий, которые предохраняют сталь от перегрева во время выдержки при этих температурах.

Виды термической обработки деталей, прошедших цемента­цию в твердом карбюризаторе, определяются назначением де­тали и ее конфигурацией. Режимы назначают в зависимости от марки стали. В соответствии с этим возможны: закалка непо­средственно после цементации, нормализация с последующей за­калкой; двойная закалка. Во всех случаях после закалки дета­ли подвергают низкому отпуску.

Технологический процесс газовой цементации осуществляет­ся в основном в электрических вертикальных шахтных печах или в печах непрерывного действия с радиационным нагревом. Детали, прошедшие газовую цементацию, чаще всего подверга­ют закалке непосредственно после извлечения из печи и остыва­ния до температуры закалки.

Преимущества газовой цементации перед цементацией в твер­дом карбюризаторе состоят в следующем: 1) продолжительность процесса уменьшается в 1,5—2 раза; 2) снижается себестоимость производства; 3) возможно регулирование глубины цементован­ного слоя и содержания углерода в нем не только за счет дли­тельности выдержки при высокой температуре, но и за счет изме­нения количества и состава газа; 4) возможна механизация про­цесса. Газовая цементация все более внедряется в крупносерий­ное и массовое производство. Новейшим методом является газо­вая цементация с нагревом деталей токами высокой частоты. Этот метод позволяет повысить температуру процесса, сократить его длительность и полностью автоматизировать процесс.

Жидкостная цементация производится в расплавленных со­лях, содержащих активные добавки SiC или NaCN; температу­ра процесса в зависимости от состава ванны 820—900°С Цементованный слой глубиной 0,1—0,2 мм получают за 20—40 мин; при увеличении длительности процесса до 2 ч получают слой толщиной 0,6 мм. Жидкостную цементацию применяют для мел­ких деталей. Ее недостаток — неравномерность глубины цемен­тации; преимущества жидкостной цементации: возможность про­изводить закалку деталей непосредственно после цементации; отсутствие окалины и обезуглероживания закаленных деталей.

Процессу закалки изделий сопутствует образование в них зна­чительных остаточных напряжений в результате неравномерного распределения температуры по сечению и неодинакового изме­нения объема различных зон. В итоге совместного действия температурных и структурных напряжений в цементованном слой возникают напряжения сжатия, а в сердцевине — напряжения растяжения.

Остаточные напряжения вызывают деформации изделий, иногда весьма значительные, а также непосредственно влияют на прочность детали в эксплуатации. На рис. 12.1, а приведена эпюра напряжений в сечении цилиндрического образца после закалки.

Заметим, что тангенциальные (кольцевые) напряжения <л имеют тот же знак и примерно ту же величину, что и осевые на­пряжения. Допустим далее, что стержень нагружен в пределах уругости изгибающим моментом (рис. 12.1, б). Суммарные на­пряжения сг_к представятся в виде эпюры на рис. 10.3, в. Наи­большее напряжение сжатия увеличивается по сравнению с на­пряжением от приложенной нагрузки, а наибольшее напряже­ние растяжения уменьшается. Прочность материала при сжа­тии значительно выше, чем при растяжении, поэтому снижение максимума напряжений растяжения на периферии повышает со­противление усталости детали. Вообще наложение остаточного напряжения сжатия на напряженное состояние с неравномерным распределением напряжений по поперечному сечению от рабо­чей нагрузки (изгиб, кручение) увеличивает сопротивление ус­талости.

Цементации подвергают детали различных размеров. Так, в тяжелых зубчатых редукторах цементуют зубья колес диамет­ром свыше 1м.

Азотирование — диффузионное насыщение азотом поверхно­стного слоя стальных и титановых деталей. После азотирования детали увеличиваются в размерах, что в ряде случаев приводит к их короблению. Азотируемые участки деталей подвергают ли­бо полированию, которому они хорошо поддаются, либо шли­фованию.

Азотирование производят в интервале температур 520— 560 °С. Такие легирующие элементы, как алюминий, хром, мо­либден и ванадий, образуют с азотом твердые и стойкие нитриды, причем нитриды молибдена и ванадия сохраняют боль­шую стойкость при температурах свыше 600 °С Из легирующих элементов наибольшую твердость азотируемому слою придает алюминий, однако он повышает хрупкость слоя и деформацию изделия. Молибден тормозит рост хрупкой фазы и подобно хро­му устраняет крупнозернистость стали.

Рис. 12.1. Эпюры напряжений в сечении цилиндриче­ского образца:

а — осевых остаточных после закалки; б —изгибных; в —сум­марных нормальных

В среднем азот при температуре 500 °С диффундирует в глубь металла на 0,01 мм за час; для получения азотированного слоя толщиной 0,6—0,7 мм требуется 60—70 ч. Длительность азоти­рования может быть уменьшена применением ступенчатого про­цесса, который обеспечивает также минимальную деформацию изделия по длине и предупреждает появление хрупкости слоя изделий, изготовленных из хромоалюминиевой стали (без при­садки молибдена). При высоких требованиях к механическим свойствам сердцевины деталь до азотирования подвергают за­калке с высоким отпуском.

Благодаря высокой твердости азотированного слоя и наличию в нем остаточных напряжений сжатия предел выносливости де­тали, в особенности имеющей концентраторы напряжений, суще­ственно повышается. Усталостное разрушение материала начи­нается на границе азотированного слоя с неазотированной серд­цевиной, поэтому сопротивление усталости детали тем выше, чем толще азотированный слой.

Азотирование применяют для изделий, от которых требуется высокая циклическая прочность, большая твердость при повы­шенных температурах в сочетании со стойкостью к коррозии, а также высокая износостойкость. К таким изделиям относятся коленчатые валы двигателей внутреннего сгорания, цилиндры авто- и авиадвигателей, поршневые кольца, седла клапанов двигателей, шестерни редукторов, шпиндели расточных, шлифо­вальных и других станков, зубчатые рейки, борштанги, эксцен­трики

Износостойкость шеек азотированных коленчатых валов по долговечности превосходит, срок службы двигателя. Азотирова­ние стальных гильз и чугунных цилиндров уменьшает скорость их изнашивания от 8 до 20 раз. Зубчатые рейки станков, изго­товленные из стали 40Х с твердостью после азотирования НКС 56—58, в 4—5 раз долговечнее реек из стали 20Х, цементован­ных и закаленных до твердости НКС 60—62.

Азотирование успешно применяют для редукторов большой мощности. Зубчатые венцы и шестерни после чернового зубона-резания подвергают отпуску при температуре выше температуры нитрирования, что уменьшает вероятность поводки зубьев при азотировании. Азотированные зубчатые венцы насаживают на центры с нагревом ТВЧ. Зубья не шлифуют. Несмотря на отно­сительно небольшую глубину азотирования (0,5 мм), после многолетней эксплуатации таких мощных передач не было/повреж­дения рабочего слоя зубьев. /

Азотированный измерительный и контрольный инструмент долговечнее обычного (кроме хромированного) примерно в 10 раз,

По сравнению с цементацией и закалкой процесс азотирова­ния протекает при более низкой температуре; азотированная поверхность имеет более высокую твердость, износо- и коррози­онную стойкость, лучшую полируемость; свойства азотирован­ной поверхности сохраняются практически неизменными при повторных нагревах вплоть до 500—600 °С, в то время как при нагревах цементованной и закаленной поверхности до 225— 275 °С твердость ее снижается.

В последние годы Ю. М. Лахтиным и Я. Д. Коганом разра­ботана технология азотирования с повышенной в 1,5—2 раза ско­ростью процесса путем применения различных электрических газовых разрядов. Распространение получает процесс азотиро­вания ионизированным азотом в плазме тлеющего разряда.

Установка ионного азотирования предназначена для упроч­нения коленчатых и распределительных валов, гильз цилиндров двигателей, зубчатых колес, режущего и штамповочного инстру­мента и других деталей.

Цианирование заключается в одновременном насыщении по­верхностей стальных деталей азотом и углеродом. Процесс мо­жет протекать в жидкой или газовой среде. В зависимости от температуры цианирование подразделяется на низкотемператур­ное (530—650°С) и высокотемпературное (800—930°С).

Жидкостное цианирование производят в ваннах, содержащих цианистые и нейтральные соли. Скорость разложения цианистых солей увеличивается с ростом температуры; вместе с тем уве­личивается скорость диффузии углерода в сталь и тормозится внедрение в нее азота. При рабочей температуре около 900°С сталь незначительно насыщается азотом и процесс цианирова­ния приближается к цементации.

Низкотемпературное цианирование по своей сущности мало отличается от азотирования. Низкотемпературное жидкостное цианирование получило широкое распространение для повыше­ния стойкости режущего инструмента из быстрорежущей стали и ее заменителей. Низкотемпературное кратковременное циани­рование углеродистых и хромистых сталей с последующим охлаждением на воздухе или в воде повышает весьма значитель­но их предел выносливости.

Высокотемпературному жидкостному цианированию, местно­му или по всей поверхности, подвергают разнообразные детали из низко- и среднеуглеродистой сталей, а также из легированной стали с содержанием углерода до 0,4% (болты, гайки, втулки, зубчатые колеса, вилки механизмов переключения коробок передач, ролики и т. п.). Глубину слоя назначают от 0,05 до 0,25 мм в зависимости от условий работы детали. Так, шестерни с боль­шой удельной нагрузкой требуют, во избежание быстрого выкра­шивания рабочей поверхности зубьев, большей глубины циани-рованного слоя. Скорость цианирования по глубине составляет 0,25—0,30 мм/ч. Детали после цианирования подвергают после­дующей термообработке по тем или иным режимам. Твердость поверхностного слоя после закалки может быть НРХ 55 и выше.

Помимо трудности работы с цианистыми солями жидкостное цианирование не позволяет достаточно гибко регулировать сте­пень насыщения поверхностного слоя углеродом и азотом в от­дельности и затрудняет автоматизацию процесса. Газовое циани­рование лишено этих недостатков. Стоимость его ниже жидкост­ного примерно в 2 раза.

Газовое цианирование, или нитроцементация, производится в газовой среде, состоящей из цементующего и нитрирующего газов. При высокотемпературной нитроцементации глубина циа-нированного слоя за время выдержки 6—7 ч получается около 1,8 мм. Последовательность термообработки такая же, как и при жидкостном цианировании. Режим нитроцементации разработан термической лабораторией ЦНИИ МПС При соответствующем технологическом процессе твердость поверхностного слоя дости­гает НРХ 60 и выше.

Преимущества цианирования по сравнению с цементацией и азотированием — большая скорость процесса и большой упроч­няющий эффект.

Термо д ифф у зио нн ое хр о мирова ни е — процесс насыщения по­верхностного слоя стальных деталей хромом при высоких темпе­ратурах (950—1300°С) путем диффузии хрома в железо. Твер­дое хромирование производится аналогично цементации. Жид­кое хромирование производят в ванне, в которую вводят ферро­хром. Хромирование может быть и газовым.

По данным А. П. Гуляева и Г. Н. Дубинина, внешняя зона хромированного слоя состоит из карбидов хрома. Непосредствен­но под слоем карбидов расположена зона с повышенным содер­жанием хрома и углерода. Необходимый для образования кар­бидов углерод поступает вследствие диффузии его к хрому. По этой причине под обогащенный углеродом и хромом зоной появ­ляется зона с более низким содержанием углерода, чем в серд­цевине. Максимум толщины внешней зоны достигается при 0,6% С и составляет 0,06 мм при выдержке в течение 3 ч и температу­ре 1000 °С в случае газового хромирования. Общая глубина хро­мированного слоя стали Ст5 при выдержке в течение 7 ч и тем­пературе 1100°С составляет около 0,08 мм. Скорость диффузии хрома резко замедляется при содержании углерода в стали свы­ше 0,3%.

Твердость хромированного слоя повышается с увеличением содержания углерода. Для низкоуглеродистой стали она состав­ляет НУ 150—180, для среднеуглеродистой — НУ^ЗОО и для высокоуглеродистой стали НУ 1300—1350. Хромированный слой типа твердого раствора или карбидной структуры коррозионно-стоек на воздухе и в морской воде. Хромированная сталь имеет повышенную жаростойкость, но более низкую, чем алитирован-ная.

Термодиффузионное хромирование не нашло широкого при­менения для образования износостойкого покрытия, что объяс­няется малой толщиной слоя при большой длительности и слож­ности процесса и возможным короблением детали при хромиро­вании и последующей механической обработке.

Известно применение термодиффузионного хромирования для повышения износостойкости плунжера или втулки топливного насоса и иглы распылителя форсунки тракторных дизелей. Тер­модиффузионное хромирование стали, совмещенное с ее термо­обработкой, в некоторых случаях применяют в производстве вту­лок, штоков, седел, клапанов и других деталей органов парорас­пределения, работающих при температуре 580 °С и выше, для защиты их от коррозии, эрозии и задиров.