125710 (Зміст технології поверхневого зміцнення сталевих виробів), страница 3

Процес азотування полягає у витримці протягом достатньо довгого часу (до 60 год.) деталей в атмосфері аміаку при 500-600 °С. При вищій температурі утворюється крупніший нітрид, і твердість зменшується. Азотування проводять в сталевих герметично закритих ретортах, в які поступає аміак. Реторту поміщають в нагрівальну піч. Аміак, що поступає з балонів, при нагріві розкладається на азот і водень: NH₃ > 3Н + N.

Активні атоми азоту проникають в решітку α--железа і дифундують в ній. Нітрид заліза, що утворюється при цьому, ще не забезпечує досить високої твердості. Високу твердість азотованому шару додають нітрид легуючих елементів, раніше всього хрому, молібдену, алюмінію. При спільному легуванні сталі хромом, молібденом, алюмінієм твердість азотованого шару по Віккерсу досягає 1200 HV, тоді як після цементації і гарту твердість складає 900 HV.

Завдяки високій твердості нітриду легуючих елементів азотуванню зазвичай піддають леговані середньовуглецеві стали. До таких сталям відносяться 38Х2МЮА, 35ХМА, дешевша 38Х2Ю6, а також деякі штампові стали, наприклад ЗХ2В8, 5ХНМ.

Азотуванню зазвичай піддають готові вироби, що пройшли механічну і остаточну термічну обробку (гартування з високим відпуском 600-675 °С, температура якого вища за максимальну температуру азотування). Після такої термічної обробки метал набуває структури сорбіту, що має високу міцність і в'язкість. Ця структура зберігається в серцевині деталі і після азотування. Висока міцність металевої основи необхідна для того, щоб тонкий і крихкий азотований шар не продавлювався при роботі деталі. Висока твердість азотування досягається відразу і не вимагає подальшої термічної обробки. Це важлива перевага процесу азотування.

Ділянки, що не підлягають азотуванню, захищають нанесенням тонкого шару олова (10-15 мкм) електролітичним методом або рідкого скла. Глибина азотованого шару досягає 0,3-0,6 мм. Із-за порівняно низьких температур швидкість азотування значно менша, ніж швидкість цементації, і складає всього 0,01 мм/ч і менш.

В порівнянні з цементацією азотування має ряд переваг і недоліків. Перевагами азотування є вища твердість і зносостійкість поверхневого шару, збереження ним високих властивостей при нагріві до 500 °С, а також високі корозійні властивості. У азотованому шарі створюється залишкова напруга стискування, що підвищує втомну міцність. Крім того, після азотування не вимагається гартування, що дозволяє уникнути супутніх гартуванню дефектів.

До недоліків азотування в порівнянні з цементацією відносяться вища тривалість процесу і необхідність вживання дорогих легованих сталей. Тому азотування проводять при виготовленні відповідальніших деталей, від яких вимагається особливо висока якість поверхневого шару.

Азотування застосовують в машинобудуванні для виготовлення вимірювального інструменту, гільз, циліндрів, зубчастих коліс, шестерень, втулок, колінчастих валів і ін.

2.3.4 Ціанування сталі

Ціануванням (нітроцементацією) називається процес спільного насичення поверхні сталевих деталей азотом і вуглецем. Основна мета ціанування полягає в підвищенні твердості і зносостійкості деталей.

При ціануванні нагрів здійснюється або в розплавлених солях, що містять ціаністі солі NACN або KCN, або в газовому середовищі, що складається з суміші СН₄ і NH₃. Склад і властивості ціанованого шару залежать від температури проведення ціанування.

Залежно від температури процесу розрізняють високотемпературне (850-950 °С) і низькотемпературне (500-600 °С) ціанування. Чим вище температура ціанування, тим менше насичення поверхневого шару азотом і більше вуглецем. Спільна дифузія вуглецю і азоту протікає швидше, ніж дифузія кожного з цих елементів окремо.

При низькотемпературному ціануванні поверхневий шар насичується переважно азотом. Низькотемпературному ціануванню зазвичай піддають остаточно виготовлений і заточений ріжучий інструмент з швидкорізальних марок сталі з метою підвищення його зносостійкості і червоностійкості. Після низькотемпературного ціанування відпустка не виробляється. Глибина ціанованого шару 0,01-0,04 мм з твердістю 1000 HV.

Після високотемпературного ціанування на глибину 0,6-1,8 мм протягом 3-10 ч деталі піддають гарту і низькому відпуску. Твердість після термообробки складає 59-62 HRC.

В порівнянні з цементованим ціанований шар має декілька вищу твердість і зносостійкість, а також вищий опір корозії. У ваннах можна піддавати ціануванню дрібні деталі, наприклад деталі годинникових механізмів, для яких достатнє здобуття шару невеликої товщини.

Недоліком ціанування є вища вартість процесу, пов'язана з необхідністю строгого дотримання правил техніки безпеки із-за високої токсичності ціаністих солей.

2.3.5 Дифузійна металізація

Дифузійною металізацією називається процес дифузійного насичення поверхневих шарів сталі різними металами. Деталі, поверхня яких насичена алюмінієм, хромом, кремнієм, бором, набувають ряду цінних властивостей, наприклад жаростійкість, корозійну стійкість, підвищену зносостійкість і твердість.

Металізація буває тверда, рідинна і газова. При рідинній металізації сталеву деталь занурюють в розплав металу. При твердій і газовій металізації насичення відбувається за допомогою летких з'єднань хлору з металом АlСl₃, CrCl₃, SiCl₄, які при температурі 100-1100 °С вступають в змінну реакцію із залізом з утворенням дифундуючого елементу в активному стані.

При алітуванні, тобто насиченні алюмінієм, яке зазвичай проводиться в порошкоподібних сумішах або розплавленому алюмінії, деталі набувають підвищеної корозійної стійкості завдяки утворенню щільної плівки Аl₂O₃, що оберігає метал від окислення. Товщина шару складає 0,2-0,5 мм.

При хромуванні забезпечується висока стійкість проти газової корозії до 800 °С, а також стійкість проти корозії у воді, морській воді і кислотах. Товщина шару складає до 0,2 мм.

Силіціювання, тобто насичення кремнієм, додає високу кислототривкість в соляній, сірчаній і азотній кислотах і застосовується для деталей, використовуваних в хімічній і нафтовій промисловості; товщина шару лежить в межах 0,3-1,0 мм.

Борірування додає поверхневому шару виключно високу твердість (до 1800-2000 HV), зносостійкість і стійкість проти корозії в різних середовищах. Борірування часто проводять при електролізі розплавлених солей, наприклад бура Na₂B₄O₇ · 10Н₂О;; сталева деталь служить катодом. При температурі біля 150°С і витримки 205 год. на поверхні утворюється твердий борід заліза, і товщина шару досягає 0,1-0,2 мм [9 Солнцев, с.287].

Розділ 3. Перспективні технології поверхневого зміцнення

3.1 Високоенергетичне хімічне модифікування поверхневих шарів сталевих виробів

При зіткненні часток високих енергій з поверхнею твердого тіла створюються умови для утворення хімічних сполук і проникнення часток в поверхневий шар без об'ємного нагріву тіла. На цьому явищі базуються вакуумні іонно-плазмові методи модифікування поверхневих шарів виробів. Енергію часток можна варіювати в широких межах, а додаткова теплота може виділятися за рахунок протікання екзотермічних реакцій при утворенні хімічних сполук.

Найбільш перспективними методами модифікування поверхневих шарів машинобудівних деталей є іонно-дифузійне модифікування в тліючому розряді, іонна імплантація (іонне легування), комбінації іонно-плазмових методів з лазерною або електронно-променевою обробкою.

Приклад іонно-дифузійного модифікування - іонне азотування. Воно реалізується в тліючому розряді постійної напруги в середовищі азоту або аміаку. Іони азоту, ударяючись об оброблювану сталеву деталь, що є катодом, осідають на ній, а потім дифундують углиб, оскільки поверхня катода розігрівається при бомбардуванні іонами з енергією в декілька сотень електрон-вольт до 500-600 °С. При зіткненні іонів з поверхнею деталі відбувається її очищення від адсорбованих і оксидних плівок, що перешкоджають проведенню звичайного азотування деяких сталей, наприклад корозійностійких (неіржавіючих) сталей. Тривалість іонного азотування скорочується в порівнянні із звичайним часом, температура процесу знижується, а механічні властивості поверхневого шару підвищуються.

Окрім азотування іонно-дифузійними методами, можуть бути здійснена цементація, силіціювання, борірування і комплексне насичення (карбонітрірування і так далі) поверхневих шарів сталевих виробів модифікуючими елементами.

Іонна імплантація заснована на тому, що при підвищенні енергії бомбардуючих іонів останні проникають всередину кристалічної решітки металу, легуючи поверхневий шар і зміцнюючи його за рахунок спотворення решітки. Енергія іонів при імплантації складає 10-200 кеВ, а щільність іонних пучків - 1015-1018 частиц на 1см². За допомогою іонної імплантації можна здійснити азотування, борірування, оксидування поверхневого шару виробів і легування його різними металами. При іонній імплантації зносо - і корозійна стійкість поверхневих шарів сталевих деталей підвищуються без зміни розмірів останніх (табл.3.1). При реалізації даного методу можна отримати в поверхневому шарі такі фази, які неможливі в рівноважному стані, наприклад із-за обмеженої взаємної розчинності компонентів. Основними недоліками методу є відносно висока вартість устаткування, неможливість обробки виробів складної форми, а також мала товщина імплантованого шару.

Таблиця 3.1

Приклади вживання іонної імплантації в техніці [1 Гольчевская, с.138]

До перспективних методів поверхневого модифікування конструкційних матеріалів відносять лазерне поверхневе і електронно-променеве легування.

Лазерне поверхневе легування характеризується, як і лазерне гартування, інтенсивною короткочасною тепловою дією на поверхневий шар виробу, який залежить від щільності енергії лазерного випромінювання, що підводиться до поверхні, і тривалості опромінення. При лазерному легуванні теплова дія поєднується з підведенням до поверхні виробу легуючих елементів.

Для цього на оброблювану лазером поверхню заздалегідь наносять тонке покриття з легуючого елементу (наприклад, методом плазмового напилення в поверхневий шар перед лазерною обробкою). Можлива і одночасна подача легуючого елементу в зону обробки у момент лазерного опромінення. Лазерна обробка викликає проплавлення поверхневого шару і змішування легуючого елементу з матеріалом підстилаючого шару. Подальша швидкісна кристалізація в металі завершується утворенням метастабільних фаз, склад яких може різко відрізнятися від рівноважного.

Лазерне легування вуглецевих сталей дозволяє отримувати поверхневі шари виробів з необхідною структурою і комплексом властивостей.

Добрі результати досягнуті при обробці скануючим лазерним променем сталевих виробів, покритих порошками хрому і нікелю; при цьому істотно підвищуються зносостійкість і корозійна стійкість виробів.

Електронно-променеве поверхневе легування сталей здійснюється у вакуумі при опроміненні виробу потоком електронів. Воно дає результати, схожі з результатами лазерного легування.

Можливе як попереднє, так і одночасне підведення легуючих елементів в зону обробки.

Вживання електронно-променевого і лазерного легування, а також іонно-плазмових методів зміцнення сталей обмежено із-за складності технічного устаткування і високої вартості ведення процесів.

Проте потенційні можливості високоенергетичних методів модифікування поверхневих шарів металевих виробів такі, що масштаби їх вживання безперервно зростатимуть, особливо в авіації, космонавтиці і атомній енергетиці [1 Гольчевская, с.137-139].

3.2 Плазмове поверхневе зміцнення

Завданням розробки технології плазмового зміцнення є здобуття на деталі зміцненого шару із заданими експлуатаційними характеристиками (зносостійкість, міцність, тріщиностійкість, витривалість і ін.).

Виділяють два напрями використання плазмового нагріву. Перше зв'язане з використанням нагріву, здійснюваного плазмою тліючого розряду у вакуумній камері при тиску залишкового повітря 1,33-13,3 Па. Цей процес набув поширення для хіміко-термічної обробки інструменту і інших малогабаритних деталей. До недоліків способу слід віднести наявність вакуумної камери і обмеження оброблюваних деталей її розмірами. Крім того, щільність потужності, що передається оброблюваній деталі, невелика.

До цього ж напряму слід віднести і технологію електролітно-плазмового зміцнення. Електролітний нагрівач, включений в електричний ланцюг як анод, підводять до виробу, який є катодом. Замикання електричного ланцюга між анодом-електронагрівачем і поверхнею виробу відбувається через електроліт (водний розчин солі). Перетворення електричної енергії в теплову йде переважно в прикордонному до виробу шарі. В результаті нагріву цей шар переходить в парогазовий стан, в нім під впливом прикладеної напруги збуджуються мікродуги. Щільність потужності досягає 2,4-103 Вт/см². Оскільки як електроліт використовують водний розчин солі, то цим же електролітом можна виробляти охолоджування і гартування нагрітих ділянок поверхні.

Для підвищення продуктивності обробку виконують декількома електролітними нагрівачами. Технологія дозволяє в широких межах змінювати швидкість нагріву і охолоджування (50-400 °С) і товщину загартованого шару (1-10 мм). Твердість сталей після гарту складає: 35ХГСА - 50-55 HRC_э; 40X - 55-60 HRC_э; 65Г - 60-68 HRC_э. Після зміцнення перехідників бурових штанг даним способом їх працездатність підвищили в 2-3 рази [7 Лащенко, с.5].

Другий напрям вживання плазмового нагріву базується на використанні стислої дуги прямої або непрямої дії, що генерується спеціальним плазмотроном. Під впливом стінок каналу сопла і струменя плазмо утворюючого газу стовп дуги стискується, його поперечний перетин зменшується, а температура в центральній частині стовпа дуги підвищується до 10000-50000 К. В результаті внутрішній шар, дотичний із стовпом дуги, перетворюється на плазму, а зовнішній шар, що омиває стінки каналу сопла, залишається порівняно холодним, утворюючи електричну і теплову ізоляцію між потоком плазми і каналом сопла. Цей охолоджений шар газу перешкоджає відхиленню стовпа дуги від заданого напряму і замиканню його на стінку каналу сопла. Напруга стислої дуги складає 60-200 В, що в 3-10 разів більше, ніж у вільній дузі. Щільність струму стислої дуги досягає 100 А/мм², тобто на порядок вище, ніж у вільної, а питома потужність досягає 2·10⁶ Вт/см² [7 Лащенко, с.6].

Плазмове зміцнення без оплавлення поверхні найбільш поширене, оскільки дозволяє в широких межах регулювати твердість, розміри і експлуатаційні характеристики оброблюваної зони при збереженні високої якості поверхні.