125710 (Зміст технології поверхневого зміцнення сталевих виробів), страница 2

При нагріванні ТВЧ магнітний потік, що створюється змінним струмом, що проходить по провідникові (індуктору), індукує вихрові струми в металі деталі, поміщеної усередині індуктора (рис.2.1).

Рис.2.1 Поверхневе гартування з нагрівом струмами високої частоти: 2 - гартована деталь; 2 - індуктор; 3 - охолоджувач

Форма індуктора відповідає зовнішній формі виробу. Індуктор є мідними трубками з циркулюючою усередині водою для охолоджування. Швидкість нагріву залежить від кількості теплоти, що виділилася, пропорційної квадрату сили струму і опору металу.

Щільність струму по перетину деталі нерівномірна, по поверхні вона значно вища, ніж в серцевині. Основна кількість теплоти виділяється в тонкому поверхневому шарі. Глибина проникнення струму в метал залежить від властивостей металу, що нагрівається, і назад пропорційна квадратному кореню з частоти струму. Чим більше частота струму, тим тонше виходить загартований шар. Зазвичай застосовують машинні генератори з частотою 500-15000 Гц і лампові генератори з частотою до 106 Гц. При використанні машинних генераторів товщина загартованого шару складає 2-10 мм, лампових, - від десятих доль міліметра до 2 мм.

Після нагріву в індукторі деталь охолоджують за допомогою спеціального пристрою, що охолоджує. Через наявні в нім отвори на поверхню деталі розбризкується рідина, що охолоджує.

Структура загартованого шару складається з мартенсіту, а перехідної зони - з мартенсіту і фериту. Глибинні шари нагріваються до температур нижче критичних і при охолоджуванні не зміцнюються. Для підвищення міцності серцевини перед поверхневим гартом деталь інколи піддають нормалізації або поліпшенню. Нагрів триває зазвичай до 10 С, причому швидкість нагріву складає 100-1000 °С/с.

Перевагами поверхневого гарту ТВЧ є регульована глибина загартованого шару; висока продуктивність і можливість автоматизації; відсутність зневуглецювання і окалиноутворення, мінімальне викривлення деталі. До недоліків відносяться висока вартість індуктора (індивідуального для кожної деталі) і, отже, мала застосовність ТВЧ до умов одиничного виробництва.

Для поверхневого гарту застосовують зазвичай вуглецеві стали, такі, що містять близько 0,4 % С. Глибока прожарюванність при цьому методі не використовується, тому леговані сталі зазвичай не застосовують. Після гартування проводять низьку відпустку при 200°С або навіть самовідпуск. Після гартування і відпустки твердість сталі 45-55 HRC на поверхні і 25-30 HRC в серцевині.

Високочастотному гартуванню піддають шийки колінчастих валів, кулачкових валів, гільзи циліндрів, поршневі пальці, деталі гусениць, пальці ресори і так далі. Вибір товщини зміцнюваного шару залежить від умов роботи деталі. Якщо від деталі вимагається лише висока зносостійкість, товщина зміцнюваного шару складає 1,5-3 мм, в разі високих контактних навантажень і можливого перешліфовування оптимальна товщина зростає до 5-10 мм.

Для поверхневого гартування може використовуватися нагрів лазером. Це дозволяє уникнути необхідності виготовлення індивідуальних індукторів. Лазери - це квантові генератори оптичного діапазону, в основу роботи яких покладено посилення електромагнітних коливань за рахунок індукційного випромінювання атомів (молекул). Лазерне випромінювання поширюється дуже вузьким пучком і характеризується високою концентрацією енергії. Джерелами випромінювання, що генерується, служать тверді тіла (рубіни, алюмінієві граніти, ітрій, стекла) і гази (Не, Ne, Аr, СО2).

Під дією лазерного випромінювання поверхня деталей за короткий проміжок часу (10-3-10-7 ч) нагрівається до високих температур. Після припинення опромінення нагріті ділянки швидко охолоджуються завдяки інтенсивному відведенню теплоти холодними об'ємами металу. Відбувається гартування тонкого поверхневого шару.

Лазерна обробка поверхні сталевих деталей істотно збільшує їх зносостійкість, межу витривалості при вигині і межу контактної витривалості. Лазерна обробка - перспективний метод поверхневого зміцнення виробів складної форми, що працюють в умовах зносу і втомного вантаження.

Фахівцями [11Шевченко, с.88] встановлено, що лазерна обробка наводить до істотного збільшення стійкості сталевих виробів. Так, наприклад, стійкість виробів із сталі 1Х18Н9Т після лазерної обробки зростає ~ у 2,5 разу. А зміцнення поверхневого шару покриттям з МОС завтовшки δ_покр = 5-7мкм збільшує їх стійкість в ~ 10 разів. Швидкість повзучості при цьому зменшується від ε = 0, 035мин^-1 до ε = 0, 0034мин^-1.

2.3 Хіміко-термічна обробка сталі

2.3.1 Загальні відомості

Хіміко-термічною обробкою (ХТО) називають процес, що поєднує в собі поверхневе насичення сталі тим або іншим елементом при високій температурі і термічну дію, в результаті яких відбувається зміна хімічного складу, мікроструктури і властивостей поверхневих шарів деталей.

Хіміко-термічна обробка включає цементацію, азотування, ціанування, алітування, силіціювання і так далі Насичення поверхневого шару відбувається при нагріві деталі до певної температури в середовищі, що легко виділяє елемент, що насичує, в активному стані, і витримці при цій температурі. Середовища, що виділяють елемент, що насичує, можуть бути газоподібними, рідкими і твердими.

На відміну від поверхневого гарту при хіміко-термічній обробці різниця у властивостях досягається зміною не лише структури металу, але і його хімічного складу. ХТО не залежить від форми деталей. Вона забезпечує здобуття зміцненого шару однакової товщини по всій поверхні. ХТО дає істотнішу відмінність у властивостях поверхні і серцевини деталей. ХТО змінює хімічний склад і структуру поверхневого шару, а поверхневе гартування - лише структуру. В той же час ХТО поступається поверхневому гартуванню по продуктивності.

Основні елементарні процеси будь-якого вигляду хіміко-термічної обробки наступні:

1. Дисоціація - виділення елементу, що насичує, в активному атомарному стані в результаті розкладання вихідних речовин:

2СО > СО₂ + С; 2NH₃ > 3Н₂ + 2N і так далі.

Міру розпаду молекул газу (%) називають мірою дисоціації.

2. Абсорбція - захват поверхнею металу вільних атомів елементу, що насичує. Атоми металу, що знаходяться на поверхні, мають вільні валентності. При подачі до поверхні деталі атомів елементу, що насичує, ці вільні валентності вступають в дію, що зменшує поверхневу енергію металу. З підвищенням температури здатність абсорбції металу збільшується. Розвитку процесу абсорбції сприяє можливість дифундуючого елементу утворювати з основним металом тверді розчини або хімічні сполуки.

3. Дифузія - проникнення елементу, що насичує, в глиб металу. В результаті абсорбції хімічний склад поверхневого шару міняється, при цьому створюється градієнт концентрацій елементу, що насичує, в поверхневих і пролягаючих нижче шарах. Дифузія протікає легше при утворенні твердих розчинів впровадження (С, N), чим твердих розчинів заміщення (Al, Cr, Si). Тому при дифузійній металізації процес ведуть при вищих температурах.

Поверхневий шар деталі, що відрізняється від вихідного матеріалу по хімічному складу, називається дифузійним шаром. Матеріал деталі під дифузійним шаром з хімічним складом, що не змінився, називається серцевиною.

2.3.2 Цементація сталі

Цементацією називається процес дифузійного насичення поверхневого шару сталевих деталей вуглецем. Мета цементації - досягнення високої твердості і зносостійкості поверхні деталі у поєднанні з в'язкою серцевиною. На цементацію поступають механічно оброблені деталі з припуском на шліфування 50-100 мкм. У тих випадках, коли цементації піддається лише частина деталі, останні ділянки захищають або спеціальними вогнетривкими обмазками, або тонкому шаром (20-40 мкм) міді, нанесеним електролітичним способом.

Цементації піддають сталі з низьким вмістом вуглецю (0,1-0,2 % З). Після цементації на поверхні концентрація вуглецю досягає 1,0%. Глибина цементованого шару (при вмісті вуглецю порядку 0,4 %) зазвичай лежить в межах 0,5-2,5 мм. Для досягнення високої твердості поверхні і в'язкої серцевини після цементації завжди проводять гарт з низькою відпусткою.

Розрізняють два основні види цементації: у твердому і газовому середовищах. Середовище, що поставляє вуглець до поверхні деталі, цементації, що піддається, називається карбюризатором.

Тверда цементація виробляється в спеціальних сталевих ящиках, в яких деталі укладають поперемінно з карбюризатором. Ящики закривають кришками і замазують вогнетривкою глиною для запобігання витоку газів. Як твердий карбюризатор використовують дубове і березове деревне вугілля і активізатори ВаСО₃ або Na₂CО₃. При нагріві до температури 930-950°С йдуть реакції:

2С + О₂ → 2СО; ВаСО₃ + С → ВаО + 2СО; 2CO → СО₂ + С.

Активні атоми вуглецю, що утворюються, дифундують в грати γ-заліза.

Процес цементації проводять вище Ас₃ (зазвичай при 910-930, рідше при 1000-1050°С), коли сталь знаходиться в аустенітному стані, який характеризується високою розчинністю вуглецю. Товщина цементованного шару залежно від складу сталі і призначення виробу може складати 0, 5-2 мм.

Газова цементація є основним процесом масового виробництва. Сталеві деталі нагрівають в газових сумішах, що містять С, СН₄ і ін. Газова цементація проходить швидко, оскільки не вимагає часу на прогрівання ящика і карбюризатора. Шар товщиною 1 мм утворюється за 6-7 годин.

Після цементації характерний нерівномірний розподіл вуглецю по перетину деталі. Отриманий в результаті цементації зовнішній шар містить більше 0,8 % С і має структуру заевтектоїдних сталей - перліт і вторинний цементіт. Глибше лежить шар евтектоїдного складу з перлітовою структурою, а далі - шар з ферріто-перлітною структурою.

Після цементації із-за тривалої витримки при високих температурах сталь стає грубозернистою. Цю обставину необхідно враховувати при призначенні обов'язкової після цементації термічної обробки. Метою термічної обробки є зміцнення поверхні з одночасним подрібненням зерна і здобуттям в'язкої серцевини.

Залежно від призначення деталі застосовують різні варіанти термічної обробки (рис.2.2).

Рис.2.2 Режими термічної обробки сталі після цементації

Менш відповідальні деталі піддають гартуванню безпосередньо з нагріву цементації з подальшою низьким відпустком (рис.12.2, а). Крупне зерно аустеніту, що виросло в результаті тривалої цементації, дає грубокристалічний мартенсіт відпустку в поверхневому шарі і грубозернисту ферріто-перлітну структуру в серцевині деталі. Ці недоліки до певної міри усуваються при використанні спадково дрібнозернистих сталей і вживанні газової цементації, що скорочує час перебування сталі при високій температурі. Підстуджування при гартуванні до 750-800 °С знижує внутрішню напругу, а обробка холодом зменшує кількість залишкового аустеніту в цементованому шарі.

При вищих вимогах до структури після цементації деталі піддають охолоджуванню на повітрі, однократному гарту з нагріву вище Ас₃ і низькому відпуску (рис.12.2, б). При цьому в серцевині і на поверхні деталі відбуваються перекристалізація і подрібнення зерна. Проте в поверхневому високовуглецевому шарі спостерігається деякий перегрів, оскільки оптимальний гартівний нагрів заевтектоїдних сталей - це нагріваючи вище Ас₁, але нижче А_ст.

Особливо відповідальні деталі після цементації піддають подвійному гартуванню з низькою відпусткою (мал.12.2, в). При першому гартуванні з температури на 30-50 °С вище Ас₃ відбувається перекристалізація серцевини деталі з утворенням дрібного аустенітного зерна, що забезпечує дрібнозернистість продуктів розпаду. Одночасно при цьому цементітна сітка в поверхневому шарі розчиняється. При нагріві під друге гартування мартенсіт, отриманий після першого гартування, зазнає відпустк, і при цьому утворюються глобулярні карбіди, що збільшують твердість поверхневого заевтектоїдного шару. Крім того, при другому гартуванні з температури вище Ас₁ на 30-50 °С забезпечується дрібне зерно в поверхневому шарі.

Після такої термообробки поверхневий заевтектоїдний шар має структуру відпущеного мартенсіту з включеннями глобулярних карбідів. Структура серцевини визначається хімічним складом сталі. При цементації вуглецевої сталі із-за низької прожарювальності серцевина має ферріто-перлітну структуру. Легована сталь при цементації дозволяє отримувати в серцевині структуру сорбіту, трооститу або навіть мартенсіту, але завдяки низькій концентрації вуглецю серцевина матиме високу ударну в'язкість.

2.3.3 Азотування сталі

Азотуванням називається процес насичення поверхневого шару азотом. Метою азотування є створення поверхневого шару з особливо високою твердістю, зносостійкістю, підвищеною втомною міцністю і опором корозії у водному середовищі, пароповітряній і вологій атмосфері.