Хіміко-термічна обробка робочих поверхонь деталей.

Цементація – процес насичення вуглецем поверхневого шару деталей з маловуглецевої (до 0,3 % С) сталі в цілях додання йому більшої твердості при достатньо в'язкій серцевині деталі. Цементований шар у відповідність із зміною змісту вуглецю по глибині розділяється на три зони: заевтектоїдна, така, що складається з перлиту і тонкої сітки цементіту (оптимальний зміст вуглецю 1,0...1,1 %); евтектоїдна, містить близько 0,85 % вуглецю і що складається з одного перлиту; доевтектоїдна, перехідна до основного металу, що складається з перлиту і фериту.

Залежно від середовища, в якому протікає процес, розрізняють цементацію в твердому, газоподібному і рідкому карбюризаторах. Глибина цементації деталей 0,5...2,3 мм, середня швидкість вуглецювання 0,08...0,10 мм/год. Процес прискорюється, якщо вести його при температурі 950...980 °С.

Найпереважніше проводити цементацію в газовому карбюризаторі. В порівнянні з цементацією в твердому карбюризаторі тривалість процесу зменшується в 1,5...2 рази; знижується собівартість виробництва; можливо регулювання глибини цементованого шару і змісту вуглецю в ньому за рахунок не тільки тривалості витримки при високій температурі, але й зміни кількості і складу газу; можлива механізація процесу. Газова цементація все більш упроваджується у великосерійне і масове виробництво. Новітнім методом є проведення її з нагрівом деталей ТВЧ. Цей метод дозволяє підвищити температуру процесу до 1000...1050 °С, скоротити його тривалість до 45...60 хвилин і автоматизувати процес.

Рідинну цементацію проводять в розплавлених солях, що містять активні добавки SiC або NaCN; температура процесу залежно від складу ванни 820...900 °С. Цементований шар завтовшки 0,1...0,2 мм одержують за 20...40 хв.; при збільшенні тривалості процесу до 2 год. глибина цементованого шару збільшується до 0,6 мм. Процес застосовують для дрібних деталей. Його недоліком є нерівномірність глибини цементації. Переваги рідинної цементації: можливість проводити гарт деталей безпосередньо після цементації; відсутність окалини і зневуглецювання загартованих деталей.

Цементації піддають деталі різних розмірів. Деякі заготівники важких зубчатих редукторів цементують зуби коліс діаметром більше 1 м. Довговічність цементованих деталей збільшується у декілька разів.

Цементація є найбільш відповідальною операцією технологічного процесу виготовлення деталей. Тому велике значення має вибір марки стали, з якої виготовляються цементовані деталі, і дослідження оптимальних режимів їх термічної обробки після цементації.

Азотування– процес насичення азотом поверхневого шару деталей, виготовлених з чорних металів. Азотована поверхня має велику твердість і володіє стійкістю проти корозії на повітрі, в прісній воді, в пароповітряному середовищі, а при відповідному підборі складу стали і в газовому середовищі.

При азотуванні деталі збільшуються в розмірах, а у ряді випадків і деформуються (коробляться). Ділянки деталей, що азотуються, піддають або поліруванню, якому вони добре піддаються, або шліфуванню.

Якість азотованого шару визначається співвідношенням в ньому структурних фаз, залежними від складу сталі, температури азотування, часу витримки і ступеня дисоціації аміаку.

Легуючі елементи (алюміній, хром, молібден і ванадій) утворюють з азотом тверді і стійкі нітриди, причому нітриди молібдену і ванадію зберігають велику стійкість при температурах понад 600°С. З легуючих елементів найбільшу твердість шару, що азотується, додає алюміній, проте він підвищує крихкість шару і деформацію виробу. Молібден гальмує зростання крихкої фази і, подібно до хрому, усуває крупнозернистість. Азотуванню піддають сталі, що містять як легуючі елементи, принаймні, алюміній і хром. Наприклад можна азотувати, сталі 35ХЮА і 38ХМЮА. Твердість поверхневого шару після азотування таких сталей і повільного охолоджування виробу досягає HV 1200.

В середньому азот при температурі 500 °С дифундує углиб із швидкістю 0,01 мм/год.; для отримання азотованого шару завтовшки 0,6...0,7 мм потрібно 60...70 годин.

Останніми роками Ю. М. Лахтіним і Я. Д. Коганом розроблена технологія азотування з підвищеною в 1,5...2 разу швидкістю процесу шляхом застосування плазми тліючого розряду. Поширення набуває процес азотування іонізованим азотом в плазмі тліючого розряду. Суть методу полягає в тому, що в розрідженій азотовмісній атмосфері між катодом (деталлю) і анодом збуджується розряд, і іони азоту, бомбардуючи поверхню катода, нагрівають її до температури насичення. Тривалість процесу від декількох хвилин до 24 год. Розроблена установка іонного азотування призначена для зміцнення колінчастих і розподільних валів, гільз циліндрів двигунів, зубчатих коліс, ріжучого і штампового інструменту і інших деталей.

Азотування застосовують для виробів, від яких потрібна висока циклічна міцність, велика твердість при підвищених температурах в поєднанні із стійкістю до корозії, а також висока зносостійкість. До таких виробів відносяться колінчасті вали двигунів внутрішнього згорання, циліндри авто- і авіадвигунів, поршневі кільця, сідла клапанів двигунів, шестерні авіаційних редукторів, шпинделі розточувальних, шліфувальних і інших верстатів, зубчаті рейки, борштанги, ексцентрики.

Зносостійкість шийок азотованих колінчастих валів по довговічності перевершує амортизаційний термін служби двигуна. Азотування сталевих гільз і чавунних циліндрів зменшує швидкість їх зношування в 8...20 разів. Зубчаті рейки верстатів, виготовлені із сталі 40Х з твердістю після азотування HRC 55...53, в 4...5 разів довговічніше рейок із сталі 20Х, цементованих і загартованих до HRС 60...62. Азотування успішно застосовують для редукторних передач великої потужності.

Термодіффузіоне хромування– процес насичення поверхневого шару сталевих деталей хромом, здійснюваний при високих температурах (950...1300 °С) шляхом дифузії хрому в залізо. Існують три методи термохромування: тверде, рідке і газове.

Звичайно зовнішня зона хромованого шару складається з карбідів хрому. Безпосередньо під шаром карбідів розташована зона з повишеним змістом хрому і вуглецю. Необхідний для утворення карбідів вуглець поступає в результаті його дифузії до хрому. Тому під збагаченою вуглецем і хромом зоною знаходиться зона з нижчим змістом вуглецю, чим в серцевині.

Глибина хромування залежить від температури, тривалості процесу і змісту вуглецю в сталі. Максимум товщина зовнішньої зони досягається при 0,6 % С і складає 0,06 мм при витримці протягом 3 годин при температурі 1000 °С у разі газового хромування. Загальна глибина хромованого шару стали Ст 5 при витримці протягом 7 годин при температурі 1100 °С складає близько 0,08 мм. Швидкість дифузії хрому різко сповільнюється при вмісті вуглецю в сталі понад 0,3 %. Ріддинне хромування вимагає тривалішої витримки, ніж два інші методи, але забезпечує велику рівномірність шару.

Твердість хромованого шару збільшується із зростанням змісту вуглецю. Для низковуглецевої сталі HV 150...180, для средньовуглецевої HV 190...300 і для високовуглецевої сталі HV 1300...1500. Хромований шар маловуглецевої сталі має велику в'язкість, що дозволяє піддавати хромовані деталі пластичної деформації.

Термохромованню піддають деталі, виготовлені з вуглецевої сталі, які працюють в умовах електрохімічної або газової корозії. Наприклад, анкерні болти, клапани компресорів, лопатки газових турбін. Термохромування не знайшло широкого застосування для утворення зносостійкого покриття. Це пояснюється малою товщиною шару при великій тривалості і складності процесу і можливістю короблення деталі при хромуванні і подальшій механічній обробці.

Силіцировання деталей із сталі, ковкого і високоміцного чавунів здійснюється в цілях підвищення зносостійкості, корозійної стійкості в морській воді, кислотостійкості при різній температурі в сірчаній, соляній і азотній кислотах різної концентрації, а також окалиностійкості. Суть процесу полягає в поверхневому насиченні кремнієм на глибину 0,3...1 мм.

Розроблені наступні методи силіцировання: у порошкоподібних сумішах, в рідких середовищах, газове і вакуумне (у паровій фазі). Найбільшого поширення набуло газове силіцировання. Силіцирують елементи апаратури для хімічної промисловості; вали насосів, арматуру, кріпильні деталі устаткування нафтової промисловості; труби суднових двигунів, що підводять і відводять морську воду; патрубки і інші деталі водяних насосів великих промислових двигунів внутрішнього згорання.

Зносостійкість силіцированого шару сталі після просочення маслом в 1,4...1,6 разу вище за зносостійкість цементованого шару.

Застосовуючи силіцировання, необхідно враховувати, що межа міцності, відносне подовження і ударна в'язкість сталі при цьому знижуються. Шар крихкий і насилу обробляється різанням. Розміри деталі збільшуються.

Оксидування – процес штучного утворення оксидної плівки на поверхні металу. Оксидування широко застосовують в машино- і приладобудуванні, морському суднобудуванні, оптико-механічній промисловості і інших галузях для отримання захисно-декоративного покриття виробів з чорних металів, алюмінію, міді, магнію, цинку і їх сплавів, а також для отримання тонких електроізоляційних шарів.

Оксидна плівка чорних металів складається з найдрібніших кристалів магнітного оксиду заліза Fe₃O₄, має невелику товщину (до 3 мкм), низьку твердість, значну пористість, добре зчіплюється з металевою основою. Завдяки структурним особливостям і властивостям плівка добре утримує змащувальні матеріали, попереджає заїдання в парах тертя з чорних металів і, утворюючи при стиранні якнайтонший абразив, прискорює прироблення поверхонь, що труться.

Електрохімічним шляхом на алюмінії і його сплавах одержують плівки товщиною 3...0,3 мм, процес отримання оксидних плівок товщиною більше 60 мкм називають глибоким анодуванням. Такій обробці піддають сплави із змістом 4,5 % Сu і 7 % Si, не більше. Плівка має високу твердість, яка дещо знижується у самої поверхні, де плівка злегка розпушена під дією електроліту. Отриманне анодне покриття має достатню зносостійкість. При анодній обробці оксидований шар утворюється як за рахунок поглиблення в товщу металу, так і за рахунок нарощування плівки на його поверхні. Таким чином, при анодуванні збільшується розмір циліндричної поверхні приблизно на товщину шару. Анодне покриття можна притирати і полірувати. Анодований шар незадовільно працює в парі з електролітичним хромовим покриттям.

Глибоке анодування поршнів з алюмінієвих сплавів двигунів внутрішнього згорання підвищує надійність їх роботи (зменшується число заклинювань поршнів) і знижує швидкість зношування поршневих канавок. Є позитивний досвід використання анодованих зубчатих передач з алюмінієвого сплаву замість бронзових в годинникових механізмах і анодованих циліндрів з алюмінієвих сплавів замість сталевих в гідросистемах. Анодування застосовують в літакобудуванні, приладобудуванні і текстильному машинобудуванні.

Фосфатування – процес утворення на поверхні металу плівки нерозчинних фосфорнокислих солей. Фосфатування проводять хімічним (у ванні або в струмені розчину) або електрохімічним способом. Температура ванни для чорних металів – не більше 99 °С.

Фосфатна плівка чорних металів має товщину 2...50 мкм і структуру від дрібно до великокристалічної залежно від складу розчину і режиму процесу. Вона трохи змінює розміри виробу; вельми міцно зчіплюється з основою, не змочується розплавленим металом; жаростійка до температури 600 °С; стійка в атмосферних умовах, в змащувальних маслах, нафтопродуктах і у всіх газах, окрім сірководня; володіє малою твердістю, невисокою механічною міцністю і еластичністю; має високорозвинуту пористу поверхню і міцно утримує змащувальні масла, лаки і фарби.

Фосфатне покриття, як і оксидне, при стиранні є абразив; воно у багато разів більш корозієстійкий, ніж оксидне, одержане в лужних розчинах, володіє електроізолюючими властивостями. Його наносять на трансформатори, роторні і статори пластини.

Фосфатування залежно від умов роботи виробів, в поєднанні з подальшим лакофарбним покриттям широко використовують як корозієстійке покриття; проте воно може застосовуватися і як пріпрацівне.

Схема дії покриття при терті така. Спочатку сила тертя фосфатованої поверхні по фосфатованій або по будь-якій іншій значна. Проте кристали фосфату на виступах нерівностей контактуючих поверхонь швидко спрацьовуються і починають діяти як абразив. Коефіцієнт тертя вже на початку руху різко убуває і продовжує знижуватися у міру прироблення. Кристали фосфату в початковій стадії роботи пари оберігають її від заїдання.

Основні переваги фосфатного покриття в порівнянні з оксидним на чорних металах полягають в більшій товщині, більшій пористості і меншій твердості. Проте в результаті фосфатування декілька зростає крихкість стали, що зв'язано з наводненням металу і утворенням на його поверхні лунок в процесі фосфатування.

Сульфідування – термохімічний процес обробки виробів, виготовлених із сплавів на залізній основі, для збагачення їх поверхневих шарів сіркою.

Сульфідування проводять в рідкому, твердому або газовому сіркомістному середовищі; воно може бути нізко-, середньо- і високотемпературним: 150...450, 540...580 і 850...950 °С. Залежно від складу середовища, температурного режиму і тривалості обробки разом з FeS і FeS₂ у поверхневому шарі виробу можуть утворитися інші фази.

Шорсткість поверхні після сульфідування значно вища за початкову. Сульфідування супроводжується деяким збільшенням розмірів деталей. Деформація деталей в результаті низької і середньотемпературної обробки незначна.

Ефект сульфідування зводиться до наступного. Сульфідна плівка, що має меншу міцність, ніж основний метал, легко руйнується при терті і відділяється від основи без його пластичної деформації, запобігаючи схоплюванню поверхонь, що труться. На ділянках безпосереднього контакту поверхонь, де при терті розвиваються високі локальні температури, на поверхні, ненасиченою сіркою, утворюються сірчисті з'єднання заліза, які переходять частково в продукти зносу. Сульфідний шар і продукти його зносу володіють високою адсорбційною здатністю і активізують дію змащувального масла. Ці обставини, в сукупності з малими розмірами і незначною дряпаючою здатністю продуктів зносу сульфідів, прискорюють прироблення поверхонь і забезпечують їх малу шорсткість після прироблення.

Чисте сульфідування слід розглядати тільки як спосіб прискорення прироблення і як міру запобігання задирам на час присутності сульфідів.

Сульфідування не може служити засобом захисту від корозії. Сульфідують циліндрові втулки, поршні і кільця двигунів внутрішнього згорання, компресорів і парових машин; поршні, підшипники ковзання компресорів, насосів, центрифуг і турбін; підшипникові втулки різних машин; всмоктуючії і випускні клапани автомобільних двигунів; кулачки зчіпних муфт, гайки ходових гвинтів і т.п. В енергетичному, металургійному і іншому устаткуванні сульфідують деталі рухомих частин, змазування яких утруднене із-за високої температури середовища або недостатньої доступності.