2.6.1. Поверхностная закалка

Различают следующие методы поверхностной закалки:

• электротоком, индуцируемым в поверхностных слоях де­тали;

• пламенем ацетиленокислородной или газовой горелки;

• в расплавленных металлах или солях;

• в электролитах;

• лучом лазера;

Все методы поверхностной закалки заключаются в быстром нагревании детали выше критических точек только поверхност­ного слоя с последующим охлаждением.

Поверхностной закалке подвергают углеродистые стали с со­держанием углерода 0,4 % и выше. При меньшем содержании углерода поверхностный слой не приобретет необходимой твер­дости.

Закалка индукционным нагреванием токами высокой частоты (ТВЧ) заключается в том, что пропущенный через деталь элек­трический ток нагревает ее. Изменяя силу тока, можно получить различное тепловыделение, а также любую температуру и ско­рость нагревания. Сопротивление металла зависит от его вида.

Особенность электротермической обработки заключается в очень большой скорости нагревания, в сотни и тысячи раз пре­вышающей скорость нагревания в печи от внешнего источника теплоты. При этом нагреваются только поверхностные слои ме­талла. Чем больше частота тока, тем меньше глубина нагревания.

При нагревании токами высокой частоты магнитный поток, создаваемый переменным током, индуцирует в металле вихревые токи, которые и нагревают деталь.

Ток высокой частоты для индукционного нагревания метал­ла получают от специального генератора (частота от 500 до 5000 и даже до 15 000 Гц) или от лампового генератора (частота до 10 000 000 Гц).

Распределение переменного тока по сечению проводника не­равномерно: плотность тока на поверхности больше, чем в серд­цевине.

Основное условие правильного и по возможности равномер­ного (индукционного) нагревания — создание для каждой дета­ли индуктора соответствующей конфигурации. Индуктор изго­тавливают в виде петли или витка из трубок красной меди (рис. 2.20, а). Внутри индуктора помещают деталь (рис. 2.20, б), затем часть детали перемещают из индуктора в душирующее уст­ройство (спрейер), где деталь закаливается (рис. 2.20, в).

Преимущества высокочастотного нагревания:

• высокая производительность;

• отсутствие выгорания углерода и других химических эле­ментов;

• отсутствие заметного окисления и образования окалины;

• минимальное коробление;

• возможность регулирования глубины закаленного слоя.

Вышеперечисленные преимущества, а также высокая произ­водительность и возможность автоматизации делают метод ин­дукционной высокочастотной закалки одним из наиболее ра­циональных методов термической обработки.

К недостаткам данного метода можно отнести,-первых, то, что для закалки единичных изделий изготовлять индуктор экономически нецелесообразно, во-вторых, возможна обработка деталей только с относительно небольшой поверхностью.

Рис. 2.20. Закалка нагреванием токами высокой частоты: / — закаливаемая

Деталь; 2 — индуктор; 3 — спрейер

Закалка пламенем ацетиленокислородной или газовой горелки.

При этом способе пламя ацетиленокислородной или газовой го­релки 1 (рис. 2.21) направляют на поверхность закаливаемой де­тали, быстро нагревая ее до температуры выше критической. Вслед за горелкой перемещают трубку 2, из которой на поверх­ность направляется струя воды, и нагретый поверхностный слой закаливается. Данный способ применяют для закалки больших поверхностей.

Рис. 2.21. Закалка нагреванием пламенем газовой горелки: I — пламя;

2 — горелка; 3 — трубка; 4 — вода

2.6.2. Химико-термическая обработка

Химико-термическая обработка по сравнению с поверхност­ной закалкой имеет следующие преимущества:

• форма деталей не важна;

• большая разница свойств сердцевины и поверхностного слоя детали;

• есть возможность устранения последствий перегрева.

При химико-термической обработке деталь помещают в сре­ду, богатую химическим элементом, которым насыщают металл. Чаще всего это газ. При этом происходят три процесса:

1) диссоциация (распад молекул газа с образованием актив­ ных атомов), например:

2. абсорбция — поглощение (растворение активных атомов) поверхностью металла;

3. диффузия — проникновение насыщающего элемента вглубь металла.

В результате образуется диффузионный слой, на поверхно­сти которого концентрация диффундирующего химического эле­мента наибольшая.

Продолжительность процесса химико-термической обработ­ки определяется требуемой глубиной диффузионного слоя.

К процессам химико-термической обработки стали относят:

• цементацию;

• азотирование;

• цианирование;

• диффузионную металлизацию.

Цементация стали. При цементации происходит поверхност­ное насыщение стали углеродом, в результате чего получают твердый высокоуглеродистый поверхностный слой. Цементиру­ют, как правило, низкоуглеродистую сталь. Поэтому сердцевина детали получается мягкой и вязкой.

Различают твердую и газовую цементации.

Твердая цементация заключается в том, что цементируемые детали помещают в емкость, наполненную науглероживающим веществом (карбюризатором). В качестве карбюризатора обычно используют древесный уголь. Кислород, присутствующий в воз­духе, при температуре 900—950 °С соединяясь с углеродом кар­бюризатора, образует окись углерода (СО). Однако при данных температурных условиях оксид углерода неустойчив и при кон­такте с металлической поверхностью разлагается:

Атомарный углерод поглощается поверхностью детали.

Добавление к карбюризатору углекислых солей (ВаСО_э, в количестве активизирует процесс.

Процесс твердой цементации требует значительного времени (до нескольких десятков часов), что является его недостатком, который устраняется при газовой цементации. Через герметиче­ски закрытую камеру печи, куда помещают детали, непрерывно проходит цементирующий газ. Цементирующими газами явля­ются оксид углерода и газообразные углеводороды (метан, этан, пропан, бутан и пр.). Разложение этих соединений приводит к образованию активного атомарного углерода:

Цементацию ниже критической точки Ас_х не проводят, так как а-железо практически не растворяет углерод, а на поверхно­сти детали образуется лишь поверхностная корочка цементита ничтожной толщины. Повышение же температуры цементации резко увеличивает глубину цементирующего слоя.

Содержание углерода в поверхностном слое определяется при данной температуре пределом растворимости углерода в аустените, т. е. линией SE диграммы состояния железо—углерод. Следовательно, чем выше температура цементации, тем больше содержание углерода на поверхности детали (но не превосхо­дит 2 %).

Цель цементации — получить высокую поверхностную твер­дость и износоустойчивость при вязкой сердцевине — не дости­гается одной цементацией. Цементацией достигается лишь вы­годное распределение углерода по сечению. Окончательно фор­мирует свойства цементованной детали последующая закалка, при которой на поверхности образуется высокоуглеродистый мартенсит, а в сердцевине сохраняется низкая твердость и высо­кая вязкость. Продолжительность газовой цементации для полу­чения слоя толщиной 0,7—1,5 мм при температуре 930°С со­ставляет 6—12 ч.

Примеры режимов термической обработки показаны на рис. 2.22. Обычно закалку производят с цементационного нагре­вания. Иногда после некоторого подстуживания и обработки холодом. (рис. 2.22, а). Этот режим самый экономичный, однако он сохраняет крупное зерно поверхностного слоя и сердцевины.

Режим, при котором после цементации производят медлен­ное охлаждение, а затем дается закалка с повторного нагревания (рис. 2.22, б) или даже двойная закалка (первая выше температу­ры у4с₃ для сердцевины, вторая выше температуры Ас_х для по­верхности) (рис. 2.22, в), обеспечивает лучшие механические свойства детали.

Во всех случаях цементированные детали после закалки для снятия внутренних напряжений подвергают отпуску при низкой температуре (150—200 °С). В результате такой обработки поверх­ность легированных сталей должна иметь твердость 58—62 HRC, а сердцевина — 25—35 HRC; углеродистых сталей — менее 20 HRC.

Цементации подвергают детали, работающие в узлах трения и испытывающие ударные нагрузки.

Рис. 2.22. Режимы термической обработки при цементации деталей

Азотирование стали. Азотированием называют процесс насы­щения стали азотом. Азотирование применяют для повышения твердости, износоустойчивости, усталостной прочности, корро­зионной стойкости. Твердость азотированного слоя значительно выше, чем цементированного.

Так как азотированный слой без какой-либо последующей термической обработки приобретает высокую твердость, а разме­ры деталей после азотирования изменяются мало, то в отличие от цементации азотирование проводят на готовых деталях, прошед­ших окончательную термическую обработку (закалку с высоким отпуском) и доведенных шлифовкой до точных размеров.

Азотирование обычно проводят при температуре 500—600 °С. В железную герметически закрытую реторту (муфель), вставлен­ную в печь, помещают детали для азотирования. В реторту из баллона поступает с определенной скоростью аммиак, который разлагается:

Образовавшийся атомарный азот диффундирует в металл. Глубина и поверхностная твердость азотированного слоя за­висят от ряда факторов:

• температуры азотирования;

• продолжительности азотирования;

• состава азотируемой стали.

Азотированию подвергаются среднеуглеродистые стали, ле­гированные стали, содержащие такие химические элементы, как Этим добиваются особо высокой твердости и износостойкости.

Для получения упрочняющего слоя толщиной 0,3—0,6 мм азотирование должно продолжаться 24—90 ч.

Цианирование стали. Цианированием называют совместное насыщение поверхности стали углеродом и азотом вследствие окисления расплавленных цианистых солей. Изделие нагреваюто температуры 820—860 °С в расплавленных солях, содержащих цианистый натрий. Продолжительность цианирования в зависи­мости от требуемой глубины слоя составляет 30—90 мин.

На состав и свойства цианированного слоя оказывает влия­ние температура. Ее повышение увеличивает содержание углеро­да в слое, снижение — увеличивает содержание азота.

По сравнению с цементированием цианированный слой об­ладает более высоким сопротивлением изнашиванию, большей твердостью, высокой коррозионной стойкостью. Цианирование также повышает усталостную прочность детали.

Более низкая температура процесса цианирования и мень­шая его продолжительность не приводит к росту зерна, как это бывает при цементации. Поэтому после цианирования сразу производят закалку.

Твердость цианированного слоя после термической обработ­ки 58—62 HRC, толщина слоя 0,15—9,3 мм.

Разновидностью цианирования является нитроцеметация — процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали углеродом и азотом при температуре 840—860 °С в газовой среде, состоящей из науглероживающего газа и аммиака. Продолжи­тельность процесса 4—10 ч.

Диффузионная металлизация — диффузионное насыщение поверхностных слоев стали различными металлами. К диффузи­онному насыщению относятся следующие процессы:

алитирование — диффузионное насыщение поверхностногослоя стали алюминием при температуре 700—1100°С дляполучения высокой стойкости против окалины путем обра­ зования на поверхности пленки окиси алюминия;

• силицирование — диффузионное насыщение поверхностно­го слоя стали кремнием при температуре 800—1100 °С дляповышения износостойкости и коррозионной стойкости;

• цинкование — диффузионное насыщение поверхностного слоя стали цинком при температурах 300—500 и 700—1000°С в расплаве цинка, порошке или парах цинка для повышения коррозионной стойкости стали;

• хромирование — диффузионное насыщение поверхностного слоя стали хромом при температуре 900—1200°С для повы­шения коррозионной стойкости, твердости и износостойости (применяют для деталей, работающих в агрессивных средах);

• титанирование — диффузионное насыщение поверхност­ного слоя стали титаном;

• хромоалюминирование — диффузионное насыщение поверх­ностного слоя стали хромом и алюминием при температуре 900-1200°С;

• хромосилицирование — диффузионное насыщение поверх­ностного слоя стали хромом и кремнием при температуре900-1200 °С.

Как и при других видах химико-термической обработки, диффузионную металлизацию можно проводить в твердых, жид­ких и газообразных средах.

Одним из основных свойств диффузионно-металлизированной поверхности (хромированной, алитированной или силицированной) является высокая жаростойкость. Поэтому жаростой­кие детали для рабочих температур до 1000—1100°С изготовляют из простых углеродистых сталей с последующим алитированием, хромированием или силицированием.