Поверхностное упрочнение стали

Поверхностная закалка состоит в нагреве поверхностного слоя стальных деталей до аустенитного состояния и быстрого охлаждения с целью получения высокой твёрдости 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, 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 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 объём металл приводит к закалке поверхностного слоя с приданием ему высокой твёрдости и износостойкости.

Химико-термическая обработка (ХТО)

ХТО–– процесс изменения химического состава, структуры и свойств поверхности стальных деталей за счёт насыщения её различными химическими элементами. При этом достигается значительное повышение твёрдости и износостойкости поверхности деталей при сохранении вязкой сердцевины. К видам химико-термической обработки относятся цементация, азотирование, цианирование , нитроцементация…

Цементация –– процесс насыщения поверхностного слоя стальных деталей углеродом. Цементация производится путём нагрева стальных деталей при 880–950 С в углеродосодержащей среде, называемой карбюризатором. Различают два основных вида цементации –– газовую и твёрдую. Газовая цементация проводится в газе, содержащем метан СH и оксид углерода CO. Твёрдая цементация проводится в стальных ящиках, куда укладываются детали вперемешку с карбюризатором. Карбюризатором служит порошок древесного угля с добавкой солей Na CO или Ba CO .

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 твёрдость и износостойкость поверхности получается после закалки, которая обязательно проводится после цементации. Затем следует низкий отпуск. После этого твёрдость поверхности составляет HRC 60. Цементации подвергают зубчатые колеса, втулки, оси, ролики…

Азотированием называется процесс насыщения поверхности стали азотом. При этом повышается не только твёрдость и износостойкость, но и коррозионная стойкость. Проводится азотирование при температуре 500–600 С в среде аммиака NH в течение длительного времени (до 60 часов). Аммиак при высокой температуре разлагается с образованием активного атомарного азота, который и взаимодействует с металлом. Твёрдость стали повышается за счёт образования нитридов легирующих элементов. Поэтому азотированию подвергают только легированные стали. Наиболее сильно повышают твёрдость такие легирующие элементы, как хром, молибден, алюминий, ванадий. Глубина азотированного слоя составляет 0,3–0,6 мм., твёрдость поверхностного слоя по Виккерсу доходит до HV 1200 (при цементации HV 900).

К преимуществам азотирования перед цементацией следует отнести отсутствие необходимости в дополнительной термообработке, более высокую твёрдость и износостойкость, высокую коррозионную стойкость поверхности. Недостатками являются низкая скорость процесса Азотируют детали автомобилестроения, пресс-формы…

Цианирование–– процесс одновременного насыщения поверхности стали углеродом и азотом.Проводится цианирование в расплавах цианистых солей NaCN или KCl. Различают низкотемпературное и высокотемпературное цианирование.

Низкотемпературное цианирование проводится при температуре 500–600 С, время процесса 1 – 1,5ч. При этом преобладает насыщение азотом. Глубина цианированного слоя составляет до 2 мм, твёрдость поверхности –– HV 1000. Низкотемпературное цианирование применяют для инструмента из быстрорежущей стали. После цианирования необходима термообработка : закалка + низкий отпуск.

Преимущества процесса : малая продолжительность, отсутствие коробления , высокая твердость поверхности. Недостаток - высокая токсичность цианистых солей

Нитроцементация - то же, что и цианирование (углеродом и азотом одновременно), но насыщение идет из газообразной фазы. Температура процесса ниже, чем при цементации, а твердость и износостойкость выше.

Все рассмотренные процессы – это насыщение поверхности неметаллами. Наряду с эти проводят насыщение металлами – металлизация