Новые способы повышения качества поверхности изделий из улучшаемых сталей

Возможно использование технологии лазерного упрочнения для сталей типа 40ХНМА. Увеличение скорости сканирования лазерного луча приводит к уменьшению глубины упрочненного слоя и достижению максимальной поверхностной твердости. В зависимости от характеристик микроструктур упрочненный лазером слой имеет три зоны: зону полного упрочнения, переходную зону и отпущенную зону.

Возможно также применение объединенного процесса: лазерной закалки + азотирования стали 38ХМЮA. Если произвести сравнение глубины упрочненных слоев и их поверхностной твердости после процессов лазерной закалки (ЛЗ), азотирования с последующей лазерной закалкой (А + ЛЗ) и лазерной закалки с последующим азотированием (ЛЗ + А), то увидим, что обработка с применением (ЛЗ + А) по сравнению с одним (А) повышает твердость поверхности на 100HV без изменения глубины упрочненного слоя, обработка по режиму (А + ЛЗ) способствует увеличению глубины предварительно азотированного слоя, но понижает твердость поверхности. Исследовано также влияние лазерной закалки, но с последующей обработкой лазерным ударом на примере стали 40Х. Показано положительное влияние двойной обработки (по сравнению с одной лазерной закалкой), повысившей твердость упрочненной зоны стали 40Х на 11 %, износостойкость на 100 % и создавшей остаточные внутренние напряжения сжатия.

Еще один путь улучшения качества среднеуглеродистых сталей – модифицирование.

Азотируемые стали

Азотирование представляет собой процесс поверхностного насыщения стали азотом. Наиболее распространен процесс азотирования в газовых средах на основе аммиака. Как правило, процесс азотирования осуществляется при температуре до 600°С (низкотемпературное азотирование). Азотирование конструкционных сталей производят для повышения их твердости, износостойкости, теплостойкости и коррозионной стойкости.

Перед азотированием изделия подвергают закалке и высокому отпуску. Строение диффузионного слоя азотированных сталей определяется диаграммой Fe–N. При азотировании стали в области температур ниже эвтектоидной (590°С) диффузионный слой состоит из трех фаз: e, g¢(Fe₄N) и a. В общем случае формирование структуры диффузионного слоя азотируемой стали зависит от состава стали, температуры и длительности нагрева, а также и скорости охлаждения после азотирования.

Высокая твердость и износостойкость азотируемых конструкционных сталей обеспечиваются главным образом нитридами легирующих элементов (TiN, MoN, AlN). Однако из-за наличия углерода в легированных конструкционных сталях при азотировании фактически образуются карбонитридные фазы.

Легирующие элементы существенно влияют на глубину азотированного слоя h и поверхностную твердость. Уменьшение глубины азотированного слоя при легировании обусловлено уменьшением коэффициента диффузии азота в феррите. Углерод уменьшает также коэффициент диффузии азота. Из азотируемых конструкционных легированных сталей наиболее широко применяют сталь 38Х2МЮА. Однако в последнее время разработан ряд новых конструкционных сталей, подвергаемых азотированию: 30Х3ВА, 30ХН2ВФЛ, 40ХНВА, 20Х3МВФА и др.

Наиболее высокая поверхностная твердость при азотировании достигается в Cr–Mo сталях, дополнительно легированных алюминием, типичным представителем которых является сталь 38Х2МЮА. Подобные стали для азотирования применяются в США: нитраллой – Nitr135M, в Англии – EN–41, в Германии – 32AlCrMo4, в Швеции – 2940.

Для деталей машин, работающих в условиях циклических изгибных или контактных нагрузок, применяют стали 28Х2Н4ВА, 38ХН3МА, 30Х3ВА, 20ХГН2МФ и др.

Азотирование повышает предел усталости конструкционных сталей. Так, предел усталости коленчатых валов авиационного двигателя из стали 18Х2Н4ВА после азотирования повышается на 25–60 %. При наличии концентраторов напряжений азотирование в большей степени влияет на предел усталости сталей. Такое влияние азотирования на предел усталости сталей связывают с образованием в поверхностном слое остаточных напряжений.

Азотирование повышает теплостойкость сталей, например, рабочие температуры азотируемых деталей из сталей 38Х2МЮА и 25Х2МФА составляют 400–490°С, а из стали 25Х2М1Ф 490–510°С. Однако при длительных выдержках в условиях высоких температур твердость азотированного слоя может снижаться.

Когда азотирование применяется только для получения коррозионностойкого покрытия изделий, можно использовать простые углеродистые стали с содержанием углерода в широких пределах (от 0,1 до 1,0 %). При этом получают тонкие нитридные или карбонитридные слои толщиной 0,015–0,030 мм в зависимости от назначения детали. В этом случае кроме коррозионной стойкости повышается твердость, пределы прочности и текучести, а также усталостная прочность стали.