2.1 Классификация способов поверхностного упрочнения

Способы поверхностного упрочнения могут быть классифицированы по ряду признаков:

• по скорости деформирования (статические, динамические и комбинированные);

• по виду трения в контакте инструмента с деталью (контактное вдавливание, трение скольжения, трение качения, трение качения с проскальзыванием);

• по условиям трения в контакте с обрабатываемой поверхностью (сухое и со смазкой);

• по форме деформирующих тел (шарики, ролики, тела произвольной формы);

• по связи деформирующих тел с источниками энергии и движения (с жесткой связью, с упругой связью, с эластичной связью, с отсутствием связи);

• по способу передачи энергии деформируемым телам (механический, пневматический, гидравлический, электромагнитный, взрывной, комбинированный).

Предложенная классификация способов местного поверхностного упрочнения соответствует требованиям ГОСТ 18296–92 и практически полностью охватывает все способы поверхностного упрочнения деталей.

2.2 Выбор метода поверхностного упрочнения деталей

Целесообразность выбора того или иного способа поверхностного упрочнения зависит от ряда факторов формы и геометрических размеров обрабатываемых поверхностей, наличия на предприятии того или иного типа оборудования. Интересные результаты дал метод экспертных оценок (метод анкетирования), результаты которого приведены в работах Б.П. Рыковского и др. На основании анкетирования и применения метода экспертных оценок авторами была предложена схема приоритетности применения того или иного метода для обработки деталей различных групп сложности. Всего ими было проанализировано до 30 % от всех типов деталей, подвергающихся поверхностному упрочнению в отечественной промышленности. Предлагаемые методы расположены по порядку, по степени снижения приоритетности для каждой из групп деталей:

• 1 группа — плоскости — обработка дробью (дробеструйная обработка и пневмодинамическая обработка), накатывание, выглаживание, центробежная обработка, обработка механическими щетками;

• 2 группа — отверстия — раскатывание, дорнование, выглаживание, чеканка, обработка дробью, центробежная обработка;

• 3 группа — сложные поверхности — обработка дробью, накатывание, выглаживание, обработка механическими щетками, чеканка;

• 4 группа — обработка дробью, накатывание, выглаживание, обработка механическими щетками, чеканка.

Интенсивность поверхностной упрочняющей обработки контролируют по изменению физико-механических свойств и состояния поверхностных слоев образцов-свидетелей, изготовленных из тех же материалов, что и обрабатываемый материал. Форма и размеры таких образцов могут быть различны и зависят, в основном, от метода поверхностного упрочнения. Так например, для самого распространенного метода поверхностного упрочнения — обработки дробью используются плоские пластины, а в качестве параметра, определяющего интенсивность поверхностного упрочнения, принимается величина прогиба обработанной с одной стороны пластины.

Выбор метода упрочнения поверхности деталей также зависит от технологической схемы обработки. При этом необходимо проанализировать данные о химическом составе и физико-механических свойствах обрабатываемого материала, требования по точности и шероховатости, предъявляемые к детали, наличия и вида покрытия, необходимой степени поверхностного упрочнения.

Поверхностное упрочнение выполняется в качестве заключительной операции на деталях, прошедших механическую и термическую обработку.

Упрочнение поверхностным пластически деформированием (ППД)

(ППД) — это метод обработки деталей без снятия стружки, при котором пластически деформируется только поверхностный слой деталей. В результате ППД уменьшается шероховатость поверхности, увеличивается твердость (микротвердость) металла, в поверхностном слое детали возникают сжимающие остаточные напряжения.

Это улучшает эксплуатационные показатели детали ППД — повышается выносливость деталей в 1,5—2,3 раза, сопротивление схватыванию, контактная выносливость, и другие эксплуатационные показатели изделия.

Особенно эффективным является упрочнение деталей, имеющих конструктивные или технологические концентраторы напряжений, выточки, галтели и др.

Достоинством ППД является технологическая универсальность и экономичность метода. По характеру взаимодействия инструмента с деталью методы ППД подразделяется на статические и ударные.

Статическое ППД осуществляется перемещением инструмента вдоль обрабатываемой поверхности с постоянной или закономерно изменяющейся силой деформирования Р или глубиной внедрения Лд (рис. 1, а). В зоне контакта инструмента с деталью образуется область пластического течения — очаг деформации (ОД), размеры которого зависят от технологических факторов.

При перемещении инструмента последовательно деформируется поверхностный слой детали. Ударное ППД осуществляется нанесением инструментом случайно распределенных (рис. 1, б) или регулярных ударов (рис. 1, в) по детали.

Размеры ОД зависят от кинетической энергии, сообщаемой инструменту. Обработку ведут так, чтобы пластические отпечатки покрыли обрабатываемую поверхность с определенной степенью перекрытия. Физические представления об упрочнении деталей ППД.

Основным механизмом холодной пластической деформации металлов и сплавов является внутризеренное сдвиговое перемещение одних частей кристалла относительно других, осуществляемое с помощью многочисленных видов движения дислокации по плоскостям скольжения.

С накоплением деформации дислокации размножаются, взаимодействуют между собой и другими дефектами кристаллического строения, в результате чего их движение затрудняется, а напряжение пластического течения и твердость металла ( = 0,32 НВ) растут.

Увеличение сопротивления пластической деформации называется деформационным упрочнением (наклепом) (рис. 2).

Зависимость от степени деформации сдвига Г определяется опытами на растяжение, сжатие или др., однако, согласно гипотезе о единой кривой упрочнения , эта зависимость будет справедлива и для ППД.

Если пластическая деформация сопровождается значительным выделением тепла, то это может привести к снижению , т.е. к разупрочнению.

Рис. 1. Схемы статического (а) и ударного (б) и (в) ППД

Рис. 2. Кривые упрочнения

Скорость деформирования в диапазоне 10х4...10х2 см-1 мало изменяет вид зависимости , однако при больших скоростях возрастает, что надо учитывать при ударных методах ППД. После достижения определенного значения Г рост практически прекращается.

Для каждого материала имеется такое значение накопленной деформации, превышение которого не приводит к дальнейшему упрочнению металла. Более того, при чрезмерном увеличении произойдет сильное снижение ресурса пластичности металла и, как следствие, снижение эксплуатационных характеристик детали.

Степень деформационного упрочнения металла определяется приращением твердости (или с): где И и Нцсх — твердость (микротвердость) упрочненного и исходного металла соответственно.

Параметры состояния поверхностного слоя деталей, наиболее существенно влияющие на их долговечность (шероховатость, степень и глубина упрочнения, остаточные напряжения, степень исчерпания ресурса пластичности металла и др.), зависят от размеров и напряженно-деформированного состояния ОД, накопленной деформации, которые, в свою очередь, зависят от материала детали и технологии ППД.

В результате проведения технологических и ресурсных экспериментов устанавливают математические зависимости, связывающие параметры состояния поверхностного слоя с режимами ППД — с одной стороны, и характеристикой конструкционной прочности детали — с другой стороны.

Более глубокому пониманию этих связей способствует проведение экспериментов с использованием расчетно-экспериментальных методов механики сплошных сред и теории обработки металлов давлением.

В качестве примера приведены результаты исследования методом координатных сеток процесса обкатывания вала роликом, которые показывают изменения вдоль очага деформации АВСЕД (по линии тока а—в) , скорости относительных удлинений скоростей деформации сдвига Г ', накопленной деформации сдвига Г (Г = Г'), степени исчерпания ресурса пластичности, а также, параметров напряженного состояния и показателя напряженного состояния П.

Подобные результаты позволяют не только установить важные технологические закономерности упрочнения, но и являются основой для построения адекватной расчетно- технологической модели, которая является основой моделирования процесса ППД на ЭВМ и оптимизации технологических решений.

В общей постановке задача моделирования ППД включает в себя решение нескольких подзадач: определение размеров и формы ОД, расчет поля напряжений и скоростей деформаций в ОД, определение траекторий смещения частиц металла в ОД и расчет вдоль этих траекторий as, Г, 6, степени исчерпания ресурса пластичности металла у, остаточных напряжений и др.

Обработка результатов моделирования позволяет получить ряд важных выводов, во многом справедливых и для других методов ППД, которые являются основой технологических расчетов:

• степень деформации сдвига (накопленная деформация) поверхностного слоя и глубина упрочнения зависят от размеров очага деформации, главным образом от размеров пластического отпечатка d и его кривизны Rnp , где d — параметр очага деформации; Rnp — профильный радиус инструмента;

• степень деформационного упрочнения металла и контактные напряжения зависят от накопленной деформации и кривой упрочнения данного металла;

• контактные напряжения в соответствии с кривой упрочнения металла после достижения определенного значения степени деформации стабилизируются, приближаясь по своей величине к твердости металла НВ;

• оптимальная степень деформации сдвига поверхностного слоя Г = 0,5...0,8 (степень деформации е = Г / v3 ).

Статические методы ППД. К статическим методам ППД относятся: накатывание, выглаживание, дорнование (деформирующее протягивание), поверхностное редуцирование.

Накатывание подразделяется на обкатывание , т.е. накатывание вала выпуклой или плоской поверхности, и раскатывание — накатывание отверстия или вогнутой поверхности .

Для накатывания применяют стандартные шарики или ролики различной конструкции и профиля, изготовляемые из сталей ШХ15, 18ХВГ, 8Х4В9Ф2, Р18, Р6М5 и др., твердостью 60...62 HRC.

Предварительная обработка — точение, растачивание, фрезерование или шлифование. Твердость детали не более 45 HRC. Простейшие однороликовые или одношариковые накатные приспособления снабжены упругим элементом для поддержания постоянства силы накатывания. Эти приспособления устанавливают в резцедержателях металлообрабатывающих станков, в том числе с ЧПУ.

Для повышения производительности в массовом производстве используют многоинструментальные приспособления или специальные станки, например, для бесцентрового обкатывания, в которых сила обкатывания обеспечивается гидравлически.

Для чистовой обработки в массовом и серийном производствах широко используют многороликовые инструменты , в которых ролики (или шарики) устанавливают в сепараторе.

Размер настройки роликов, определяющий натяг, а следовательно, степень деформации поверхностного слоя, регулируется перемещением опорных конусных элементов.

Поверхности малой протяженности, в том числе фасонные, обкатывают с радиальной подачей ролика, профиль которого соответствует профилю детали. При использовании рифленого ролика профиль рифлений переносится на деталь.

Накатывание зубчатых колес и резьб осуществляется фасонным инструментом, как правило на специальных станках. По своему назначению накатывание подразделяется на сглаживающее, упрочняющее, рельефообразующее.

Сглаживающее ППД применяется для получения малой шероховатости поверхности, упрочняющее — достаточной толщины поверхностного слоя с высоким уровнем деформационного упрочнения и сжимающих остаточных напряжений.

Сглаживающая и упрочняющая обработки различаются главным образом режимами деформирования и формой рабочей части ролика. Для упрочняющей обработки используют ролики кругового профиля с малым (3...8 мм) профильным радиусом, для чистовой ~ большим профильным радиусом или конические ролики малого диаметра (6...20 мм).

Шарики, благодаря своей простоте и доступности, используют в единичном и серийном производствах.

Выглаживание — метод ППД, осуществляемый при скольжении инструмента по поверхности деформируемого материала. В качестве инструмента для выглаживания применяют наконечники различной формы.

Материал наконечника — алмаз или сверхтвердые синтетические материалы. Наиболее часто в машиностроении используют процесс алмазного выглаживания (АВ).

Отличием алмазного выглаживания от накатывания является высокая твердость и малый профильный радиус деформирующих инструментов (0,5...4 мм). Это позволяет осуществлять локальное деформирование поверхностного слоя с малыми силами. В связи с этим рациональная область использования алмазного выглаживания — обработка закаленных деталей, сверхтвердых покрытий или деталей, имеющих малую жесткость.

Для АВ применяют, как правило, упругие державки, устанавливаемые на универсальные или специальные металлообрабатывающие станки. Точность обработки при накатывании и выглаживании упругим инструментом остается на уровне исходной.

При работе жестким инструментом она на 10... 15 % увеличивается за счет неравномерного сглаживания шероховатости. Управляющими технологическими факторами накатывания и выглаживания, влияющими на шероховатость и упрочнение, являются: радиальная сила деформирования Р (или заданный натяг h, если обработку осуществляют жесткими инструментами), подача S, диаметр ролика (шарика) Z)p, профильный радиус инструмента (в плоскости подачи), скорость Vy шероховатость поверхности заготовки RZHCX.» количество деформирующих инструментов в наладке Z, число рабочих ходов и др.

Основными технологическими факторами накатывания и выглаживания являются сила деформирования Р, подача S и профильный радиус инструмента R.

Применяют два подхода к расчету режимов упрочнения: с использованием эмпирических зависимостей и по параметрам очага деформации.

В последнем случае силу Р выбирают из условия обеспечения степени деформации сдвига Гопт=0,5...0,8 и глубины упрочнения в диапазоне hs= (0,02...0,1) от радиуса детали.

Расчет Р при упрочняющем накатывании роликом с подачей и при выглаживании осуществляется по следующему алгоритму:

• определяют параметр d ОД необходимый для обеспечения требуемого значения hg: d = hs/2,25;

Проверку правильности выбранной силы осуществляют при отладке процесса или измерением микротвердости поверхностного слоя или профилографированием очага деформации и измерением на профилограмме d.

При накатывании жесткими инструментами заданный натяг h выбирают в диапазоне 0,03...0,3 мм в зависимости от исходной шероховатости, точности заготовки и жесткости инструмента.

Подача влияет, с одной стороны, на производительность процесса, а с другой, — на шероховатость поверхности. Подачу выбирают из отношения d/S на один ролик, равной 2...6. При использовании многороликовых приспособелений подачу увеличивают в Z раз, где Z — число роликов.

Скорость накатывания и выглаживания мало влияет на параметры упрочнения и выбирается в диапазоне 30—150 мм/мин. Малые скорости снижают производительность обработки, а большие приводят к повышению температуры поверхностного слоя и, как следствие, — к снижению упрочнения.

Накатывание и выглаживание следует осуществлять за один рабочий ход. Смазочно-охлаждающая технологическая среда — машинное масло, сульфофрезол. ППД чугуна осуществляют без охлаждения. Подачи на оборот (мм) при чистовом обкатывании роликами кругового профиля.

Вибронакатывание — это рельефообразующая обработка, осуществляемая стальными закаленными шариками с наложением на инструмент дополнительных осциллирующих движений для получения на обрабатываемых поверхностях регулярных микрорельефов.

В зависимости от траектории движения инструмента на поверхности детали образуются канавки различного рисунка. При использовании в качестве инструмента алмазных выглаживателей процесс называют вибровыглаживанием.

Основное назначение вибронакатывания — повышение стойкости и задиростойкости, улучшение прирабатываемости, уменьшение момента трогания, повышение гидроплотности, нанесение декоративного рельефа, увеличение жесткости листовых материалов и др.

Вибронакатывание осуществляется на металлообрабатывающих станках, преимущественно токарных. Осцилляционное движение создается устройствами различных видов.

Существует большое количество типов устройств для вибронакатывания, отличающихся траекторией движения инструмента (эксцентричное вращение, сложное движение и т.д.) и характером привода вибратора (механический, электромагнитный, гидравлический и т.д.).

Нанесение микрорельефа возможно также другими методами: накатыванием фасонными роликами, регулярными ударами и др.

Управляющие параметры вибронакатывания: сила JP, амплитуда колебаний инструмента а, частота двойных ходов инструмента N, радиус шара или радиус алмазного выглаживателя частота вращения детали п и подача S назначаются по заданным характеристикам микрорельефа: виду рельефа, ширине b и глубине h канавок, относительной суммарной площади канавок F, Силу обработки выбирают в основном исходя из глубины канавок, заданной для определенного радиуса инструмента.

Радиус инструмента (1...15 мм) выбирают в зависимости от ширины и глубины канавок, жесткости детали и твердости обрабатываемого материала. Оптимальная площадь канавок F= 35...45% от номинальной.

Амплитуду колебаний инструмента назначают в диапазоне а = 0...4 мм; частоту колебаний N = 900...3000 дв.ход/мин. Величины п и S назначают исходя из заданного рисунка микрорельефа и возможности станка. Накатывание и выглаживание существенно повышают конструкционную прочность деталей.

Упрочнение термической объемной обработкой

Термическая обработка включает следующие основные типы: отжиг I рода, отжиг II рода, закалка без полиморфного превращения, закалка с полиморфным превращением, отпуск и старение. Каждый из этих типов термической обработки качественно отличается один от другого характером фазовых и структурных превращений.

Отжиг I рода частично или полностью устраняет отклонения от равновесного состояния, возникшее при предыдущей обработке (литье, штамповке, сварке и пр.), причем его проведение не связано с фазовыми превращениями. Различают следующие разновидности отжига I рода: гомогенизация, рекристаллизация, уменьшение остаточных напряжений.

Отжиг II рода, полностью основанный на фазовых превращениях, бывает: полный, неполный, изотермический, сфероидизирующий. Разновидностью отжига II рода является также нормализация.

Закалка без полиморфного превращения образует пересыщенный твердый раствор.

Старение обеспечивает распад пересыщенного твердого раствора с вьщелением дисперсных фаз, приводящих к упрочнению. Старение подразделяется на естественное (20°С) и искусственное с нагревом до определенной температуры.

Закалка на пересыщенный твердый раствор со старением — это основной способ упрочняющей обработки сплавов цветных металлов. Он применяется также для сталей, в частности — мартенситно- стареющих.

Закалка с полиморфным превращением (закалка на мартенсит) связана с мартенситным превращением высокотемпературной фазы. С целью упрочнения закалке на мартенсит подвергают титановые сплавы, но особенно широко ее применяют в производстве стальных деталей.

В зависимости от нагреваемого объема закалку разделяют на объемную и поверхностную, а в зависимости от метода охлаждения, принятого при закалке, различают закалку непрерывную, прерывистую, ступенчатую, изотермическую и закалку с самоотгпуском.

Отпуску подвергают закаленную на мартенсит сталь для перевода неравновесной структуры в более равновесную, обеспечивающую заданный комплекс свойств. В зависимости от температуры нагрева различают низкий, средний и высокий отпуск.

Закалка с высоким отпуском называется улучшением.

Термическая обработка — совокупность технологических операций, связанных с нагревом, вьдержкой и охлаждением. Основная задача нагрева стали — перевод структуры в аустенитное состояние и получение возможно более мелкого зерна.

Температура нагрева под закалку большинства конструкционных и инструментальных легированных сталей находится в пределах 800-880°С (для каждой марки стали свой узкий интервал закалочных температур). Для сталей с большим содержанием карбидообра- зующих элементов температура нагрева под закалку значительно превышает критические точки Ас1 и Ас3.

Например, штамповые стали типа ЗХ2В8Ф закаливают с температур 1050...1100°С, а быстрорежущие типа Р9 и Р18 — с температур 1250...1300°С. Продолжительность нагрева (табл.1) должна обеспечить нагрев изделия по сечению и завершение фазовых превращений, но не должна быть слишком большой, чтобы не вызвать рост зерна и обезуглероживание поверхности стали.

Табл. 1 Ориентировочная продолжительность нагрева изделий для закалки до 800-850°С в различных печах.

Продолжительность изотермической выдержки, обеспечивающей завершение фазовых превращений и гомогенизацию аустенита, принимают равной 15—25% от продолжительности сквозного нагрева. Для предотвращения окисления и обезуглероживания поверхности деталей нагрев под термическую обработку проводят в защитных, контролируемых по углеродному потенциалу средах, в вакууме (10х2... 10х3 кПа), в расплавленных солях CaCl2, NaCl, BaCl2 и др.

Режим охлаждения при закалке должен обеспечить необходимую глубину прокали- ваемости, но не вызвать при этом значительных закалочных напряжений, приводящих к короблению изделия и образованию закалочных трещин. Он устанавливается по диаграммам изотермического и термокинетического распада аустенита. В зависимости от степени переохлаждения аустенита различают перлитное превращение, бейнитное (промежуточное) превращение и мартенситное превращение. Последнее происходит в диапазоне температур начала (M) и конца (Л) превращения мартенсита. Положение мартенситных точек М и Л определяется составом аустенита и не зависит от скорости охлаждения. При закалке сталей возникают тепловые и структурные фазовые напряжения. Наиболее опасны фазовые напряжения, возникающие в результате мартенситного превращения аустенита, так как образуется хрупкая фаза-мартенсит.

Выше точки Л возникают только термические напряжения, причем сталь находится в аустенитном состоянии, а аустенит пластичен. В качестве закалочных сред для углеродистых сталей наиболее широко используют воду, 10%-ный раствор NaOH или NaCl, а для легированных — минеральные масла (табл. 2)

Табл. 2. Скорость охлаждения стали в различных средах.

Находят применение водные растворы полимеров, которые по охлаждающей способности занимают промежуточное положение между водой и маслом. Сразу после закалки стали применяется отпуск, в результате которого сталь получает требуемые свойства.

Кроме того, отпуск полностью или частично устраняет внутренние напряжения, возникающие при закалке.

Низкий отпуск (150...250 °С) применяют для режущего, измерительного инструмента, деталей подшипников качения, а также деталей после поверхностной закалки, цементации, нитроцементации и цианирования.

Средний отпуск (350...500°С) применяют главным образом для пружин, рессор и штампов. Структура стали (0,45...0,8% С) после среднего отпуска — троостит отпуска или троостомартенсит с твердостью 40...50 HRC.

Температуру отпуска следует выбирать таким образом, чтобы не вызывать необратимой отпускной хрупкости (отпускной хрупкости I рода).

Высокий отпуск (500...680 °С) применяют для среднеуглеродистых (0,3...0,5% С) улучшаемых сталей. Улучшение создает наилучшее соотношение прочности и вязкости стали. Легирующие элементы Мо, W, Сг, V замедляют процессы диффузии и коагуляцию карбидов, поэтому процессы, происходящие при отпуске, в легированных сталях смещаются к большим температурам. Это позволяет полнее снять остаточные закалочные напряжения.

Продолжительность среднего и высокого отпуска обычно составляет 1...2 ч для деталей небольшого сечения и 2...8 ч для массивных деталей. Для нагрева под закалку, нормализацию и отжиг мелких и средних деталей в термических цехах единичного и мелкосерийного производства применяют камерные печи с защитной атмосферой (СНЗ) и без защитной атмосферы (СНО).

Для нагрева деталей большой длины применяют шахтные печи типа СШО и СШЗ. В массовом производстве применяются высокомеханизированные закалочно-отпускные афегаты, имеющие как универсальное, так и специальное назначение (типа СНЗА, СКЗА).

Все шире применяются вакуумные печи и установки на их основе, в которых проводится термическая обработка с последующей закалкой в азотоводородной атмосфере при давлениях до 2 МПа со скоростями охлаждения, близкими к охлаждению в масле. В таких устано"вках удается получить чистую поверхность деталей при минимальных деформациях.

Обеспечение конструкционной прочности сталей и сплавов при термической обработке.

Для обеспечения работоспособности детали материал должен иметь комплекс механических свойств, обеспечивающих надежную и длительную работу в условиях эксплуатации.

Для оценки конструкционной прочности кроме стандартных механических свойств (НВ, GB, S, М', KCU) необходимо учитывать работу распространения трещины, предел выносливости, контактное сопротивление усталости, сопротивление износу и т.д.

В промышленности применяются два способа объемной упрочняющей термической обработки: закалка на мартенсит с последующим отпуском и закалка на пересыщенный твердый раствор с последующим старением.

Первый вариант применяют для углеродосодержащих сталей, в которых закалка приводит к получению мартенсита высокой твердости и хрупкости. Отпуск проводят с целью снижения хрупкости. Сплавы, упрочняемые, термической обработкой по второму варианту, в закаленном состоянии пластичны.

Старение, приводящее к упрочнению, обеспечивает необходимый уровень прочности и вязкости. Механические свойства стали в первую очередь определяются содержанием в ней углерода, от которого зависит закаливаемость стали. После закалки стали на мартенсит твердость (рис. 1) и предел прочности (рис. 2) интенсивно растут по мере увеличения концентрации углерода, а ударная вязкость резко снижается.

При содержании углерода, большем чем 0,4%, аустенит становится нестабильным из-за увеличения доли хрупкого разрушения. Повышение конструкционной прочности состоит не столько в повышении прочностных свойств, сколько в том, чтобы при высокой прочности предотвратить хрупкое разрушение и обеспечить высокое сопротивление вязкому разрушению, т.е. обеспечить надежность материала.

Рис. 1. Зависимость твердости закаленной стали от содержания углерода: 1 — объемная закалка; 2 — закалка ТВЧ; 3 — микротвердость мартенсита

Рис. 2. Влияние углерода на механические свойства закаленных низколегированных сталей.

Для оценки надежности материала используют параметры ударной вязкости (KCU, KCV, КСТ), температурный порог хладноломкости (Т50), характеризующие сопротивление хрупкому разрушению. Стандартный комплекс механических свойств и вышеперечисленные параметры оценки надежности достаточны для расчетов на прочность и оценки надежности сталей с ств < 1200 МПа, титановых сплавов с ав < 800 МПа, алюминиевых сплавов с Ств < 450 МПа.

Для высокопрочных сталей и сплавов (при значениях прочности больших, чем указано выше) надежность работы материала должна оцениваться с учетом критерия трещиностойкости Kic- Этот критерий дает возможность определить уровень допустимых напряжений при известной длине трещины и, наоборот, размер безопасной трещины при заданном среднем напряжении.

Упрочнение химико-термической обработкой

Химико-термическая обработка (ХТО) — совокупность процессов диффузионного насыщения поверхностного слоя одним или несколькими химическими элементами в сочетании с предварительной или последующей термической обработкой.

При ХТО формируется одно- или многокомпонентный диффузионный слой, обладающий комплексом высоких механических и физико-химических свойств. ХТО включает большое число способов (рис.1).

Диффузионное насыщение неметаллами (С, N, В) используют для упрочнения поверхности деталей машин и инструментов. Насыщение поверхности металлами (Сг, А1 , Zn ,Ti , Be и др.) или Si и В с металлами применяют для получения защитных покрытий, стойких к коррозии и коррозионно-механическому изнашиванию при нормальных и высоких температурах. Ниже рассмотрены основные способы упрочняющей ХТО.

Цементация — процесс диффузионного насыщения поверхности углеродом. После цементации проводят закалку и низкий отпуск.

Толщина науглероженного слоя 0,5...2,0 мм.

Цементации подвергают низкоуглеродистые стали (табл. 1 ), которые слабо упрочняются при закалке. В результате детали приобретают твердую (58...63 HRC) поверхность и вязкую (28...43 HRC) сердцевину, устойчивую к ударным нагрузкам. Недостаток цементации — большие деформация и коробление деталей, которые устраняются шлифованием.

Рис. 1 Виды ХТО.

Цементации отдают предпочтение при производстве наиболее нагруженных деталей машин - зубчатых колес, валов-шестерен, крупногабаритных колец подшипников, шарниров синхронного хода и других.

Предел выносливости при изгибе деталей повышается на 20—30 % ( при наличии концентраторов напряжений — на 80... 100 % ) и может достигать 1000 МПа, предел контактной выносливости — на 60...100% (до 2800 МПа), износостойкость — в 3—10 раз, сопротивление фретгинг-коррозии — в 2—5 раз.

Табл. 1 Цементация сталей.

Эксплуатационные свойства цементованных деталей зависят от структуры и свойств сердцевины и в более значительной степени — от насыщенности углеродом диффузионного слоя, его фазового состава и структуры.

Они растут по мере увеличения прочности и твердости сердцевины, достигая максимума при 1200 МПа и 43 HRC.

Цементованный слой характеризуют: концентрация углерода на поверхности Q, %; эффективная толщина hэф, мм; градиент концентрации углерода.

Концентрация углерода в цементованном слое определяет уровень и распределение твердости. Часть цементованного слоя, имеющая С > 0,4 %, и твердость HRC > 50, принимают за эффективную его толщину hэф. Максимальная циклическая прочность (вьшосливость при изгибе) достигается при концентрации углерода на поверхности (-0,8%) и толщине слоя hэф = 0,5...0,7 мм.

Высокая износостойкость и контактная выносливость достигаются при повышенной насыщенности цементованного слоя и структуре, содержащей избьггочную карбидную фазу.

Корггактная выносливость растет по мере увеличения эффективной толщины цементованного слоя и снижения градиента концентрации а до 5... 10 %. Качество слоя резко снижается при укрупнении зерна, образовании сетки цементита, большого количества остаточного аустени- та, окислении легирующих элементов и образовании трооститной сетки из-за недостаточной прокаливаемости цементованного слоя. Обеспечение требуемых характеристик цементованного слоя достигается путем управления процессом науглероживания, который описывается уравнением массоперено- са углерода Левая часть равенства характеризует удельный поток углерода из газовой среды к насыщаемой поверхности металла (внешний массоперенос).

Он пропорционален разности концентрации (активности) в газовой среде (QTM) И на поверхности (€) и коэффициенту массопереноса (скорости перехода) углерода р, зависящему от состава газовой среды, ее давления, скорости циркуляции.

Применяют два типа технологических атмосфер: 1) атмосферы с контролируемым углеродным потенциалом; 2) атмосферы с контролируемым расходом технологических газов.

В атмосферах 1-го типа требуемая концентрация углерода в слое задается ее углеродным потенциалом, который в конце процесса, как правило, составляет 0,8%. Атмосферы 2-го типа обладают более высокой науглероживающей способностью, достаточной для образования на поверхности стали избыточных карбидов.

Процесс насыщения регулируют в кинетическом режиме, останавливая его после достижения заданной концентрации углерода.

Контролируемые атмосферы по химическому составу подразделяют на три вида: эндотермическая (20% СО; 40% Н2; СН4+СО2 + + Н2О до 3%, остальное — N2); экзоэндотермическая (20% СО; 20% Н2; СН4 + + СО2+ Н2О до 1,5%, остальное — N2); синтетическая на основе азота.

Первые две атмосферы получают в специальных генераторах путем неполного сжигания природного газа. Синтетическую ("безгенераторную" ) атмосферу создают непосредственно в рабочем пространстве печи путем подачи нескольких компонент: например, азота, метанола и углекислого газа или воздуха и метана, или азота, водорода и метана.

Углеродный потенциал эндоатмосферы составляет 0,5...0,7%. Для его увеличения к эндоатмосфере (к газу-носителю) добавляют до 5% СН4. Расход атмосферы достигает 6 м3/ч на 1 м3 объема печи.

Технологические варианты науглероживания зависят от типа производства. В условиях массового и крупносерийного производства применяют газовую цементацию, которую проводят в автоматизированных безмуфельных печах непрерывного действия большой (700 кг/ч) производительности или камерных печах типа СНЦА меньшей производительности. Используют контролируемые атмосферы 1-го типа с автоматическим регулированием углеродного потенциала.

Основной тип обрабатываемых деталей — зубчатые колеса из низколегированных сталей. Типовой режим их упрочнения включает цементацию при температуре 930°С, под- стуживание до 850°С, ступенчатую закалку в горячем масле и отпуск при 180°С. Применяют также двухстадийный режим цементации. В первой зоне печи поддерживают высокий (1,1...1,3% ) углеродный потенциал, во второй зоне его снижают до 0,8%. Концентрационные кривые углерода приобретают характерную горизонтальную площадку В условиях серийного производства используют универсальное быстро переналаживаемое оборудование.

Широкое применение получила цементация в шахтных печах типа Ц (с подачей жидких углеводородов) и СШЦМ из-за простоты конструкции печей, их компактности, возможности комплектования садки из деталей различной формы и размеров. Контролируемые атмосферы используют в универсальных печах типа СНЦА, снабженных герметизированным тамбуром и закалочным баком. Однако применение контролируемых атмосфер ограничено.

Обеспечение высоких концентраций углерода на поверхности возможно при больших (12% и более) добавках метана к эндогазу, что выше равновесного значения и приводит к вьщеление сажи.

Использование эндоатмосферы ограничивается также ее взрывоопасностью, токсичностью, развитием внутреннего окисления, наводо- роживанием, большой длительностью обработки.

Цементация в "безгенераторных" атмосферах кроме преимуществ, связанных с отсутствием специальных газовых генераторов, отличается сокращением на 20 % длительности науглероживания и снижением на 30% расхода насыщающих газов. В мелкосерийном производстве применяют цементацию в кипящем слое и из паст.

Интенсификация процесса и повышение качества упрочнения деталей обеспечивается высокотемпературной вакуумной цементацией и ионной цементацией.

Высокотемпературная вакуумная цементация (ВВЦ) осуществляется в специальных установках при температуре 1000... 1100 °С в среде метана с двухступенчатым режимом его подачи. На первой стадии парциальное давление метана составляет 150...400 гПа; поверхность детали интенсивно насыщается углеродом до образования карбидов и вьще- ления сажи (углеродный потенциал достигает 100%). На второй стадии метан удаляют из камеры, что стимулирует диффузионное рассасывание углерода в слое. Время процесса существенно сокращается.

Недостатком ВВЦ являются неравномерность науглероживания деталей сложной формы из-за образования застойных зон и неравномерного выпадения сажи, укрупнение зерна и снижение механических свойств слоя и сердцевины.

Ионная цементация (ИЦ) отвечает требованиям гибкой, интенсивной и энергосберегающей технологии. Сущность ее состоит в том, что детали помещают на катод в газоразрядную камеру, через которую при небольшом расходе (до 0,1 м^/ч) и пониженном давлении (1,3...26 гПа) прокачивают углеродсодержащую газовую смесь (СН4+АГ+Н2).

Между катодом и анодом от специального источника электропитания прикладывают постоянное или пульсирующее напряжение (400...800 В), которое возбуждает тлеющий разряд, ионизирующий газовую среду. Положительные ионы, разгоняясь в прикатодной области, бомбардируют поверхность деталей, очищают ее (за счет катодного распыления) от оксидов и возможных загрязнений и поставляют насыщаемый элемент. Тлеющий разряд в 3—5 раз ускоряет внешний массоперенос [р достигает (350...400) • 10х2 см/с], формирует высокий углеродным потенциал у поверхности и, как следствие, высокий градиент концентрации углерода в приповерхностных слоях.

В результате ускоряется и диффузионный массоперенос; время насыщения при температуре процесса 920...950 °С для получения слоев толщиной 1,0...1,5 мм сокращается до 2—3 ч.

Дополнительные преимущества: 1) высокая равномерность науглероживания и, как следствие, уменьшение деформации деталей; 2) гибкость управления составом газовой среды и электрическими параметрами процесса; 3) отсутствие внешнего и внутреннего окисления; 4) возможность замены специальных покрытий, в том числе медных, для защиты отдельных поверхностей от науглероживания путем установки защитных экранов (втулок, пробок и т.п.); 5) возможность обработки коррозийностойких сталей типа 20X13 за счет удаления оксидной пленки на начальной стадии процесса — катодного распыления; 6) снижение до 80% расхода газового карбюризатора и до 50% потребления электроэнергии.

Для ионной цементации преимущественно применяют двухкамерные установки, состоящие из цементационной и закалочной камер. Обработка деталей проводится по различным технологическим вариантам и завершается непосредственной закалкой в масле или в потоке инертного газа.

Нитроцементация (НЦ) — процесс диффузионного насыщения поверхности азотом и углеродом, осуществляемый в среде науглероживающего газа и аммиака. Этот процесс аналогичен цементации и проводится на том же оборудовании.

В условиях массового производства НЦ осуществляют в безмуфельных печах непрерывного действия в контролируемой по углеродному потенциалу атмосфере с дозированной подачей аммиака.

Для получения слоя толщиной 0,5...0,8 мм нитроцементацию зубчатых колес ведут при температуре 860...880 °С в среде эндогаза, к которому добавляют 0,5...0,8% метана и 0,6... 1,3% аммиака.

Продолжительность насыщения 6—7 ч. Нитроцементованный слой имеет мартенситно-аустенитную структуру, содержит 0,7...0,9% С и 0,1...0,3% N. Присутствие азота повышает износостойкость, теплостойкость, выносливость при изгибе, а также контактную долговечность. НЦ более технологична, чем цементация. При ее проведении не требуется подстуживания перед закалкой, увеличивается прокаливаемость слоя, снижаются деформация и коробление деталей.

Время технологического цикла сокращается на 50%. Для обеспечения высокой конструкционной прочности деталей при НЦ необходимо строго регламентировать степень насыщения поверхности углеродом и азотом. Известен способ высокоскоростной НЦ для упрочнения деталей автомобиля из среднеуглеродистых сталей 40Х, 40ХФ при нагреве с помощью ТВЧ в парах триэтаноламина.

Режим обработки включает скоростной нагрев до 1050°С и вьщержку 200 с для получения диффузионного слоя толщиной -0,4 мм, который после закалки с повторного индукционного нагрева на толщину 2...4 мм приобретает высокую (HRC > 64) твердость и в 1,5...2 раза более высокую износостойкость, чем у деталей, упрочненных только закалкой.

В условиях серийного производства для НЦ преимущественно применяют камерные печи типа СНЦА , в которых возможна непосредственная закалка. Ионную нитроцементацию (ИНЦ) проводят в среде, состоящей из смеси азота, водорода и углеводорода. Опытные установки ИНЦ аналогичны установкам для ионной цементации.

Важное преимущество ИНЦ — отсутствие внешнего и внутреннего окисления, которое снимает ограничения на толщину диффузионного слоя и допустимую концентрацию азота.

При ИНЦ предпочтительны двухстадийные режимы. Они обеспечивают глубокое проникновение азота в толщину слоя. В результате твердость менее интенсивно снижается по толщине слоя, а ее высокий уровень (HV > 700) сохраняется на расстоянии до 1 мм, обеспечивая в 2 раза более высокое сопротивление контактной усталости, чем при газовой цементации. Заметно возрастает и износостойкость; она становится соизмеримой с износостойкостью азотированных слоев.

Азотирование — насыщение легированных сталей азотом. В отличие от цементации и нитроцементации азотирование формирует слой более твердый (800...1200HV) и в 1,5—4 раза износостойкий, имеющий повышенную (до 450°С) теплостойкость и высокий уровень (600...800 МПа) остаточных сжимающих напряжений, способствующих увеличению предела выносливости гладких образцов на 25...30%, а с концентраторами напряжений — в 2 раза и более. Незначительное коробление является важным преимуществом азотирования. К его недостаткам относятся большая длительность (24...90 ч) и небольшая (0,3...0,5 мм) толщина диффузионного слоя, ограничивающая уровень контактных нагрузок.

Строение и свойства азотированного слоя зависят от состава стали и режима обработки, прежде всего температуры процесса. Высокая твердость достигается при азотировании легированных сталей — 38Х2МЮА, 40Х, 40ХФ, 40ХНМА, 38ХНМФА, ЗОХЗМ, ЗОХЗМФ, ЗОХГТ и др.

Максимальное упрочнение формируется при температурах азотирования 500...520 °С, когда образуются дисперсные нитриды, полностью когерентные с матрицей. При температуре 550...600 °С частицы нитридов укрупняются и когерентность нарушается, что приводит к снижению твердости.

Наибольшая твердость поверхности (1100...1200HV) достигается при азотировании стали 38Х2МЮА. Азотирование находит применение для повышения износостойкости мартенситно- стареющих, коррозионно-стойких, быстрорежущих и штамповых сталей, высокопрочного чугуна, титановых сплавов. Для газового азотирования используют шахтные и камерные печи.

Для получения высокой твердости (900... 1000 HV) и толщине слоя ~ 0,3 мм азотирование проводят при температуре 500...520 °С (24...48 ч). Для получения слоя толщиной 0,5...0,6 мм и высокой твердости применяют двухступенчатое азотирование: 1-я ступень при 510...520 °С (15 ч), 2-я ступень — при 540...560 °С (25 ч).

Фазовый состав слоя регулируют путем изменения азотного потенциала атмосферы. При разбавлении аммиака азотом или аргоном диффузионный слой приобретает развитую нитридную зону и высокое сопротивление абразивному изнашиванию. При добавлении к аммиаку углеродосодержащего газа и повышении температуры процесса до 570 °С на поверхности образуется карбонитридный или карбоксинитридный слой, обладающий повышенной стойкостью к адгезионному изнашиванию.

Такой процесс применяют для упрочнения зубчатых колес, работающих в условиях умеренных контактных нагрузок, кулачковых и коленчатых валов, гильз цилиндров и других деталей.

Для инструмента из быстрорежущих сталей температура процесса составляет 540...560 °С, из хромистых сталей (Х12М, Х12Ф1) - 500...520°С, выдержка 1...3Ч. Ионное азотирование осуществляют в азотсодержащей плазме тлеющего разряда. Длительность процесса ионного азотирования улучшаемых сталей сокращается в 2 раза, а при толщине слоя до 0,3 мм — в 3—4 раза.

Для ионного азотирования используют промышленные установки с полностью автоматизированным циклом обработки. В них вместо аммиачной плазмы используют диссоциированный аммиак либо азотводородную (95 % N2 + 5 % Нз) плазму. Процесс ионного азотирования проводят в две стадии: катодное распыление и собственно насыщение.

Катодное распыление выполняют в течение 20...60 мин при напряжении разряда около 1000 В и давлении 13...26 Па. Ионы и нейтральные частицы газа, бомбардируя по-, верхность деталей (катода), очищают ее от оксидных пленок и активизирует. Температура поверхности при этом не превышает 250 °С.

Затем устанавливают рабочий режим обработки, при котором напряжение составляет 300...600 В, давление 1,3...13,3 гПа, удельная мощность разряда 0,8... 1,0 Вт/см2. Поверхность детали в результате бомбардировки большим количеством ионов нагревается до 450...580 °С. Ионы и атомы азота адсорбируются на поверхности, поглощаются ею и диффундируют вглубь металла.

Параллельно идет процесс катодного распыления, который:

1) снижает высоту шероховатости окончательно обработанной поверхности детали;

2) создает условия для равномерного насыщения трудноазотируемых сталей без дополнительной депассивируюшей обработки;

3) уменьшает размеры деталей, компенсируя обычное их увеличение.

Фазовый состав слоя регулируют изменением давления и состава насыщающей атмосферы. Снижением давления и введением в плазму аргона достигается формирование слоя без хрупкой е-фазы.

Именно такой слой толщиной 10...20 мкм создают при азотировании быстрорежущей стали, стойкость инструмента из которой увеличивается в 2—4 раза. Ионное азотирование эффективно для повышения износостойкости титановых сплавов. Процесс проводят при температуре 900 °С (3...4 ч) в аргоне с незначительной добавкой азота. Разрушение под влиянием катодного распыления нитридной корочки, тормозящей диффузию азота, дает возможность получить слой высокой твердости толщиной до 0,15 мм.

Борирование. Насыщение поверхностей бором применяют для обеспечения высокой (1500...2000HV) твердости и износостойкости. Износостойкость борированной стали 45 в 4—6 раз выше износостойкости цементованных и в 1,5—3 раза нитроцементованных сталей. Борированному слою свойственна также высокая теплостойкость (до 700 °С), окалино- стойкость (до 800 °С) и коррозионная стойкость в различных агрессивных средах.

Недостатки борирования — высокая хрупкость слоя и малая его толщина (0,1...0,2 мм). Борированный слой склонен к скалыванию и имеет небольшую несущую способность. В зависимости от технологии получения борированный слой может быть однофазным, состоящим из столбчатых кристаллов борида Fe2B (1500HV), или двухфазным (FеВ+Fе3В), в котором расположенные сверху кристаллы борида FеВ обладают высокой (2000HV) твердостью и хрупкостью.

Борированию подвергают углеродистые и легированные стали разного структурного класса. Углерод и легирующие элементы уменьшают толщину боридного слоя, что предопределяет необходимость повышения температуры борирования.

Насыщение бором проводят при температуре 850...1050 °С в течение 2...10 ч. Наиболее часто применяют электролизное борирование в расплаве буры (Na2B4О7) с добавками В2О3 и NaCl .

Катодом служит деталь, анодом — графитовые электроды или тигель. Борирование проводят также в газовых средах, порошковых смесях , в кипящем слое, тлеющем разряде. Состав сред и режим процесса подбирают таким образом, чтобы получить однофазный слой, обладающий меньшей хрупкостью.

Для повышения несущей способности слоя, подслой и сердцевину упрочняют, применяя непосредственную закалку. Хорошие результаты дает поверхностная закалка с нагревов ТВЧ.

Борирование применяют для деталей нефтяных насосов, дисков турбобура, пальцев и втулок гусеничных машин и других деталей, работающих в условиях абразивного изнашивания.