Поверхностная закалка деталей машин

Поверхностная закалка является наиболее распространенным и наиболее простым способом упрочнения самых различных деталей машин. Поверхностной закалке подвергаются детали из средне- и высокоуглеродистых конструкционных сталей и чугунов. Сущность физических явлений, протекающих при процессе закалки, известна из курса «Металловедения и термической обработки» и здесь не рассматривается. Наибольшее внимание уделено технологическим приемам и способам.

Поверхностная закалка с нагревом газовым пламенем

Поверхностная закалка с нагревом газовым пламенем является - старейшим процессом упрочнения, который в настоящее время начинает терять свое значение в связи с вредностью и трудоемкостью.

Поверхность детали нагревается специальными горелками до закалочной температуры на глубину 1—6 мм, и производится немедленное резкое охлаждение. При поверхностной закалке упрочнению подвергаются только отдельные участки поверхности деталей машин, например, зубья зубчатых колес, ходовые дорожки крановых блоков, шейки валов, верхняя поверхность головки рельса и т. д. Твердость поверхности после закалки зависит от качества упрочняемого материала и режима упрочнения. В поверхностном слое при правильном проведении технологического процесса образуется мелкоигольчатый мартенсит, а в переходной зоне — троостит, сорбит, перлит. Под влиянием структурных изменений в поверхностном слое возникают большие остаточные напряжения сжатия. Эти свойства обеспечивают после термообработки высокую износостойкость и усталостную прочность деталей машин.

На практике применяют три метода пламенной поверхностной закалки: циклический, непрерывный и комбинированный.

Технологический процесс пламенной закалки включает в себя:

а) Выбор режима обработки: скорости перемещения пламени, расход газа, соотношение газа и кислорода, подачи и т. д.

б) Подготовка деталей к обработке.

в) Обработка деталей (закалка).

г) Обработка деталей после закалки.

д) Контроль.

Режимы обработки определяются следующим образом:

а) Выбирается способ закалки и тип горелки из формы и размеров деталей.

б) По графикам, специальным справочным данным определяют расход газа и устанавливают скорость перемещения горелки.

в) Глубину закалки и твердость поверхности регулируют расходом газа, интенсивностью охлаждения, скоростью перемещения пламени и соотношением газов в смеси.

г) Выбирается тип оборудования.

Подготовка деталей сводится к следующему:

а) Осуществляется предварительная термообработка для получения мелкозернистой структуры.

б) Поверхность детали должна быть без трещин, царапин и особенно наклепа. Это обеспечивается предварительной обработкой

После закалки производится низкий отпуск при t° = 180 — 120°С в масляных ваннах с электронагревателем.

После отпуска производится шлифование и доводка.

Пламенная закалка имеет особые преимущества при закалке крупных деталей и в единичном производстве.

Поверхностная закалка токами высокой частоты

Закалке токами высокой частоты подвергают стали с содержанием углерода не менее 0,3 — 0,4%.

На основании обработки результатов ряда исследований для сталей с содержанием углерода 0,15—0,75% установлена следующая эмпирическая связь между содержанием углерода и ожидаемой твердостью HRC = 20 + (2C - l,3C²).

После закалки токами высокой частоты (ТВЧ) для снятия внутренних напряжений производится отпуск, который нередко и осуществляется на этом же аппарате.

Нагревающим устройством является индуктор, представляющий собой специальную катушку, внутренняя часть которой облегает нагреваемую деталь. Индуктор также является и спрейером. Подаваемая из него вода в виде душа охлаждает деталь и охлаждает индуктор.

Источниками питания аппаратов ТВЧ являются машинные генераторы. Мощность генератора зависит от площади, подлежащей закаливанию. Большие поверхности (более 300 см²) нагревают не сразу, а последовательно.

Свойства поверхностного слоя, получаемые закалкой ТВЧ, во многом зависят от предварительной обработки, подготавливающей структуру. Часто рекомендуется в качестве предварительной обработки проводить улучшение, измельчающее структуру металла.

Поверхностная закалка ТВЧ применяется в основном для повышения износостойкости и усталостной прочности деталей машин.

По экспериментальным данным повышение усталостной прочности в ряде случаев составляет от 40 до 100%. Так же сильно повышается и износостойкость.

Закалка ТВЧ по сравнению с пламенной имеет большое преимущество по производительности, (в 2 — 6 раз). Однако ее возможно широко применять только в массовом и крупносерийном производстве.

Цементация

Во многих случаях, когда необходимо получить высокую поверхностную твердость при сохранении общих высоких показателей сопротивления изгибу детали подвергаются процессу цементации с последующей закалкой и отпуском.

Этот процесс подробно освещен в курсе «Металловедение», поэтому здесь приводятся только краткие сведения с целью напоминания.

Цементированию подвергаются детали, которые, как правило, изготавливаются из сталей, содержащих не более 0,2 — 0,3% С. Сущность процесса сводится к следующему. Поверхностный слой детали с помощью специальных технологических приемов и устройств насыщается углеродом. Обогащенный углеродом поверхностный слой хорошо воспринимает закалку и отпуск, в результате чего поверхностная твердость цементированной детали резко повышается. Повышается износостойкость и усталостная прочность.

Другие методы обработки

Рассмотрим кратко другие методы химико-термического упрочнения поверхностных слоев деталей машин.

а) Азотирование.

Азотирование применяют для получения высокой твердости, повышения сопротивления изнашиванию и усталостным разрушениям, для повышения коррозионной стойкости. Азотированию обычно подвергаются стали марок 10, 20, 30, 40, ЗОХ, МОХ, 38ХМОА, 18ХНВА и т.д. Установка для азотирования состоит из муфельной или шахтной печи, аппаратуры для подачи аммиака и контроля за ходом процесса. В печь загружают детали, подлежащие азотированию, включают аппаратуру, подающую аммиак, и нагревают до температуры 480—500°С. Аммиак при высокой температуре разлагается, выделяя атомарный азот, который и диффундирует в металл.

При температуре 500°С за каждые 10 часов деталь насыщается на глубину 0,1 мм.

Атомарный азот, диффундируя в поверхность стальных деталей, образует с железом и легирующими элементами (алюминием, хромом, молибденом) химические соединения — нитриды, которые либо внедряются в зерна стали в виде мелких частиц, обеспечивая высокую твердость стали, либо образуют сетку по границам зерен, либо образуют сплошные белые полоски повышенной хрупкости.

В результате азотирования можно получить твердость в 1,5 — 2 раза большую, чем при цементации и закалке. Кроме того, полученная твердость сохраняется при температуре 500 — 600°С.

Организация азотирования довольно сложна, поэтому процесс этот применяется в массовом и крупносерийном производстве, либо там, где подобный вид повышения параметров прочности является обязательным по условиям работы изделия.

б) Цианирование.

Цианирование занимает промежуточное положение между цементацией и азотированием. В результате этого процесса поверхность изделия насыщается углеродом и азотом.

Существует два вида цианирования — жидкое и газовое (называемое также нитроцементацией). Жидкое цианирование осуществляют в ваннах с наружным или внутренним (электродным) обогревом. Ванна заполняется расплавом следующего химического состава: цианистого натрия — 10%; поваренной соли — 30%; хлористого бария — 60%. Цианирование ведется при температуре 800 — 830 и 900 —930°С. По температурному режиму цианирование подразделяется на низкотемпературное (500 — 700°С) и высокотемпературное (750 — 980°С). При температурах 900 — 930°С глубина цианированного слоя достигает 2—2,5 мм, а при температурах 750 — 830^сС — не более 1,0 мм.

Длительность процесса цианирования колеблется от 1 до 6 часов.

После цианирования детали подвергаются закалке (иногда непосредственно в ванне). Газовое цианирование производят смесью цементирующего газа и аммиака в отношениях 4:1 в тех же печах и на той же аппаратуре, что и при газовой цементации.

Цианирование существенно повышает усталостную прочность деталей машин, особенно зубчатых колес автомобилей. Для сталей со средним содержанием углерода (40Х, 35Х, 45Х и др.) целесообразно применять газовое цианирование.

Все остальные материалы лучше подвергать жидкому цианированию. Необходимо отметить, что цианирование в ваннах требует специальных защитных мер для охраны здоровья рабочих.

в) Алитирование.

Алитированием называется процесс насыщения поверхностного слоя деталей алюминием. Взаимодействие железа с алюминием приводит к образованию в поверхностном слое твердых растворов алюминия в железе. Алитированию подвергаются детали, которые работают при повышенных температурах. Детали, подлежащие алитированию, изготавливаются из обычных конструкционных сталей. После алитирования их срок службы повышается настолько, что они с успехом конкурируют с жаропрочными сплавами. Процесс алитирования включает в себя следующую последовательность операций:

1) подготовка поверхности,

2) напыление алюминиевого слоя,

3) обмазка,

4) отжиг.

При подготовке надо получить поверхность без окисных пленок, масла и грязи. Обмазка наносится поверх напыленного алюминия сплошным слоем в в два-три приема. Рекомендуется следующий состав обмазки: 50% графита, 18% огнеупорной глины, 30% кварцевого песка и 2% хлористого аммиака.

После нанесения обмазки производится отжиг. Начальная температура —600 — 650°С. Затем следует быстрый разогрев до 900 — 950°С с выдержкой 2,5 — 3 часа. После этого производится охлаждение до 500 — 550° С вместе с печью, а затем и на воздухе.

В процессе отжига в подслое обмазки алюминий плавится и происходит термодиффузионное насыщение поверхности детали.

г) Диффузионное хромирование.

Диффузионное хромирование осуществляется при разложении паров хлорида хрома СгС1₂ с выделением металлического атомарного хрома, который при температуре 950 — 1050° диффундирует в поверхность детали, образуя α и γ- растворы и химсоединения типа FeCr. Технологически хромирование производится либо в порошках, либо в газовой среде.

При диффузионном хромировании в порошках детали помещаются в контейнер, который заполняется смесью порошков феррохрома (или хрома) окиси алюминия, хлористого алюминия. Контейнер нагревают до температуры 1000 — 1100°С в течение 5—8 часов. Диффузионное хромирование повышает износостойкость деталей машин и коррозионную стойкость.

Наряду с рассмотренными методами химико-термического упрочения, в последнее время находят применение силицирование, сульфидирование, сульфоцианирование и ряд других.

В данном курсе за недостатком места они не рассматриваются.

ЛИТЕРАТУРА

Елизаветин М. А., Сатель Э. А. «Технологические способы повышения долговечности машин». «Машиностроение», 1969 г. Москва.