Поверхностное упрочнение стали

Поверхностная закалка состоит в нагреве поверхностного слоя стальных деталей до аустенитного состояния и быстрого охлажде­ния с целью получения высокой твердости и прочности в поверхно­стном слое в сочетании с вязкой сердцевиной. Существуют различ­ные способы нагрева поверхности под закалку — в расплавленных металлах или солях, пламенем газовой горелки, лазерным излучени­ем, током высокой частоты. Последний способ получил наибольшее распространение в промышленности.

При нагреве токами высокой частоты закаливаемую деталь по­мещают внутри индуктора, представляющего собой медные трубки с циркулирующей внутри для охлаждения водой. Форма индуктора соответствует внешней форме детали. Через индуктор пропускают электрический ток (частотой 500 Гц…10 МГц). При этом возникает электромагнитное поле, которое индуцирует вихревые токи, нагрева­ющие поверхность детали. Глубина нагретого слоя уменьшается с уве­личением частоты тока и увеличивается с возрастанием продолжи­тельности нагрева. Регулируя частоту и продолжительность, можно получить необходимую глубину закаленного слоя, находящуюся в пределах 1…10 мм.

Преимуществами закалки токами высокой частоты являются регулируемая глубина закаленного слоя, высокая производительность (нагрев одной детали длится 10 с), возможность автоматизации, от­сутствие окалинообразования. Недостаток — высокая стоимость индуктора, который является индивидуальным для каждой детали. Поэтому этот вид закалки применим, в основном, к крупносерийно­му и массовому производству.

Перспективный метод поверхностной закалки стальных деталей сложной формы — лазерная обработка. Благодаря высокой плотно­сти энергии в луче лазера возможен быстрый нагрев очень тонкого слоя металла. Последующий быстрый отвод тепла в объем металла приводит к закалке поверхностного слоя с приданием ему высокой твердости и износостойкости.

Химико-термическая обработка — это процесс изменения хи­мического состава, структуры и свойств поверхности стальных дета­лей за счет насыщения ее различными химическими элементами. При этом достигается значительное повышение твердости и износо­стойкости поверхности деталей при сохранении вязкой сердцевины. К видам химико-термической обработки относятся цементация, азо­тирование, цианирование и др.

Цементация — это процесс насыщения поверхностного слоя стальных деталей углеродом. Цементация производится путем нагрева стальных деталей при 880…950 °С в углеродосодержащей среде, называемой карбюризатором. Различают два основных вида цемен­тации — газовую и твердую. Газовая цементация проводится в газе, содержащем метан СН₄ и оксид углеродаСО. Твердая цементация проводится в стальных ящиках, куда укладываются детали впере­мешку с карбюризатором. Карбюризатором служит порошок дре­весного угля с добавкой солей Na₂СО₃ или ВаСО₃.

Цементации подвергают стали с низким содержанием углеро­да (0,1…0,3 %). В результате на поверхности концентрация углерода возрастает до 1,0…1,2 %. Толщина цементованного слоя составляет 1…2,5 мм.

Цементацией достигается только выгодное распределение угле­рода по сечению детали, Высокая твердость и износостойкость по­верхности получается после закалки, которая обязательно прово­дится после цементации. Затем следует низкий отпуск. После этого твердость поверхности составляет HRC 60.

Азотированием называется процесс насыщения поверхности ста­ли азотом. При этом повышаются не только твердость и износостой­кость, но и коррозионная стойкость. Проводится азотирование при температуре 500…600 °С в среде аммиака NН₃ в течение длительного времени (до 60 ч.) Аммиак при высокой температуре разлагается с образованием активного атомарного азота, который и взаимодей­ствует с металлом.

Твердость стали повышается за счет образования нитридов легирующих элементов. Поэтому азотированию подверга­ют только легированные стали. Наиболее сильно повышают твер­дость такие легирующие элементы, как хром, молибден, алюминий, ванадий. Глубина азотированного слоя составляет 0,3 … 0,6 мм, твер­дость поверхностного слоя по Виккерсу доходит до НV 1200 (при цементации НV 900).

К преимуществам азотирования перед цементацией следует отне­сти отсутствие необходимости в дополнительной термообработке, более высокую твердость и износостойкость, высокую коррозионную стой­кость поверхности. Недостатками являются низкая скорость процесса и необходимость применения дорогих легированных сталей.

Цианирование (нитроцементация) — это процесс одновременно­го насыщения поверхности стали углеродом и азотом. Проводится цианирование в расплавах цианистых солей NaСН или KCH или в газовой среде, содержащей смесь метана СН₄ и аммиака NH₃. Разли­чают низкотемпературное и высокотемпературное цианирование.

Низкотемпературное цианирование проводится при температуре 500…600 °С. При этом преобладает насыщение азотом. Глубина цианированного слоя составляет 0,2…0,5 мм, твердость поверхности — НV 1000.

При высокотемпературном цианировании температура состав­ляет 800…950 °С. Преобладает насыщение углеродом. Глубина повер­хностного слоя составляет 0,6…2,0 мм. После высокотемператур­ного цианирования следует закалка с низким отпуском. Твердость после термообработки составляет HRC 60.

Поверхностное упрочнение пластическим деформированием ос­новано на способности стали к наклепу при пластической деформации (см. раздел 2.1). Наиболее распространенными способами такого упрочнения поверхности является дробеструйная обработка и обра­ботка поверхности роликами или шариками.

При дробеструйной обработке на поверхность детали из специ­альных дробеметов направляется поток стальной или чугунной дро­би малого диаметра (0,5…1,5 мм). Удары концентрируются на весьма малых поверхностях, поэтому возникают очень большие местные давления. В результате повышается твердость и износостойкость обработанной поверхности.

Кроме того, сглаживаются мелкие по­верхностные дефекты. Глубина упрочненного слоя при дробеструй­ной обработке составляет около 0,7 мм.

Обкатка роликами производится с помощью специальных при­способлений на токарных станках. Помимо упрочнения, обкатка снижает шероховатость обрабатываемой поверхности. Глубина уп­рочненного слоя доходит до 15 мм.

ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ

Легированной называют сталь, содержащую специально введенные в нее с целью изменения строения и свойств легирующие элементы.

Легированные стали имеют целый ряд преимуществ перед углеро­дистыми. Они имеют более высокие механические свойства, прежде всего, прочность. Легированные стали обеспечивают большую прокаливаемость, а также возможность получения структуры мартенсита при закалке в масле, что уменьшает опасность появления трещин и короб­ления деталей. С помощью легирования можно придать стали различ­ные специальные свойства (коррозионную стойкость, жаростойкость, жаропрочность, износостойкость, магнитные и электрические свойства).

Классификация сталей по различным признакам была рассмот­рена ранее (см. раздел 3.2) . Отметим только, что стали обыкновен­ного качества, могут быть только углеродистыми, т.е. легированные стали, как минимум, являются качественными.

Маркируются легированные стали с помощью цифр и букв, ука­зывающих примерный химический состав стали. Первые цифры в марке показывают среднее содержание углерода в сотых долях про­цента. Далее показывается содержание легирующих элементов. Каж­дый элемент обозначается своей буквой: Н — никель, Г — марга­нец, Ц — цирконий, Т — титан, X — хром, Д — медь, С — кремний, А — азот, К — кобальт, Р — бор, П — фосфор, Ф — ванадий, М — молибден, Б — ниобий, В — вольфрам, Ю — алюминий. Цифры, идущие после буквы, указывают примерное содержание данного ле­гирующего элемента в процентах. При содержании элемента менее 1% цифра отсутствует. Например, сталь 12Х18Н10Т содержит при­близительно 0,12 % углерода, 18 % хрома, 10 % никеля, менее 1 % титана. Для некоторых групп сталей применяют другую маркировку, которая будет указана при рассмотрении этих сталей.