Упрочнение деталей термической и термохимической обработкой широко применялось в машиностроении и раньше. Еще большее развитие эти способы получили благодаря достижениям в области поверхностной закалки с нагревом токами высокой частоты и насыщения поверхностных слоев металла деталей в газовых и жидких средах. Совмещение этих прогрессивных методов, значительно интенсифицирующее процессы химико-термической и химической обработки, позволяет осуществлять ее на отдельных участках, исключать общий длительный нагрев деталей и связанные с ним деформации их формы.
Для упрочнения деталей в зависимости от химического состава материала и требований к повышению их износостойкости и прочности применяют следующие основные виды термической и термохимической обработки:
• поверхностную закалку с нагревом токами высокой частоты (ТВЧ), а в отдельных случаях (при больших габаритных размерах деталей в единичном и мелкосерийном производствах) газопламенными горелками;
• газовую или жидкостную цементацию с последующей поверхностной закалкой;
• газовое или жидкостное цианирование;
• азотирование;
• алитирование, силицирование, сульфидирование.
Непосредственная поверхностная закалка эффективно
применяется для повышения износостойкости и усталостной прочности деталей, изготовляемых из углеродистых, низколегированных и легированных сталей.
Закалка с нагревом ТВЧ наибольшее применение имеет при изготовлении зубчатых колес, валиков (в местах сопряжения с подшипниками скольжения), внутренних поверхностей в гильзах, цилиндрах и других деталях, входящих в соединения и работающих в условиях трения скольжения, и многих других типов деталей, для которых очень важно исключить (или уменьшить) закалочные деформации.
Поверхностная закалка с местным нагревом подлежащих упрочнению конструктивных элементов деталей газовым пламенем применяется в тех случаях, когда изготовление специальных индукторов для нагрева ТВЧ неэкономично из-за малой их применяемости, например для упрочнения шеек крупных валов, зубьев больших модулей на колесах большого диаметра, опорных бандажей большого диаметра, направляющих в станинах молотов и станков и тому подобных стальных и чугунных деталей.
Поверхностная закалка с нагревом ТВЧ, благодаря своим технологическим преимуществам (соблюдение заданной толщины закаленного слоя, уменьшение по сравнению с объемной закалочных деформаций), во многих случаях позволяет изготовлять детали из среднеуглеродистых сталей с содержанием углерода до 0,34 % вместо малоуглеродистых с цементацией. Это обеспечивает за счет исключения затрат на цементацию значительное (в 3-4 раза) снижение затрат на термообработку деталей и повышение их прочности.
Опыт применения поверхностной закалки показывает, что для повышения усталостной прочности оптимальной является глубина слоя d = (0,05 0,15).
Упрочняющий эффект поверхностной закалки еще более возрастает от последующей дробеструйной обработки. Это совмещение необходимо, кроме того, и для снятия остаточных закалочных напряжений, в таких, например, деталях, как зубчатые колеса, клапаны, пальцы, коленчатые валы.
Цементация с последующей закалкой — наиболее широко применяемый способ химико-термической обработки благодаря возможности подвергать цементации многообразную номенклатуру малоуглеродистых и легированных сталей.
Оптимальное повышение углерода в цементационном слое находится в пределах 0,8-1,05%. При более высоком содержании углерода происходит снижение прочности при изгибе на 15-20%, а предела выносливости на 20-30%. Не рекомендуется оставлять на окончательное шлифование закаленных поверхностей большие припуски, так как это приводит к снижению оптимальной твердости после обработки. Нельзя также допускать обработку с большой глубиной шлифования и крупнозернистыми кругами. Вызывая большие растягивающие усилия в поверхностном слое, грубое шлифование снимает остаточные напряжения сжатия и тем самым снижает предел выносливости.
Цианирование — распространенный способ химико-термической упрочняющей обработки. При этом способе происходит одновременное насыщение поверхностного слоя металла и углеродом, и азотом. Глубина насыщенного слоя может назначаться в широких пределах — от 0,05 до 2,5 мм — в зависимости от размеров деталей и требующейся степени упрочнения.
Для деталей, работающих со знакопеременными нагрузками, глубина цианированного слоя должна находиться в пределах d = (0,03 0,05) (или толщины, если деталь не цилиндрическая). Твердость закалки следует назначать в пределах 700-800 HV.
Опыт работы показывает, что глубина цианированного слоя у зубчатых колес, работающих при трении качения с проскальзыванием, должна назначаться в зависимости от нагрузки. Для зубчатых колес из стали 38Х коробки передач легковых автомобилей глубина цианированного слоя на зубе 0,15 мм обеспечивает достаточное упрочнение. У таких же колес для грузовых автомобилей, работающих с большими нагрузками, глубина цианирования увеличивается до 0,25 мм, что обеспечивает повышение долговечности этих колес в несколько раз.
Для газового цианирования целесообразно применять среднеуглеродистые стали, тем более что закалка этих сталей может производиться непосредственно после цианирования без дополнительного нагрева.
По сравнению с цементацией упрочняющая эффективность цианирования (по износостойкости) значительно выше (в 1,5-2 раза). Преимуществом цианирования перед цементацией являются также меньшие деформации, так как после цианирования последующая закалка может производиться без дополнительного нагрева. Недостаток цианирования заключается в ухудшении условий труда из-за вредности цианирующих составов.
Азотирование применяется в большинстве случаев для повышения износостойкости, коррозионной стойкости и усталостной прочности деталей, изготовляемых из сталей, содержащих алюминий. Для упрочняющей обработки углеродистых конструкционных сталей азотирование применяется не так широко.
Азотирование как процесс, повышающий коррозионную стойкость, эффективно применяется для деталей, работающих в паровоздушной и газовой средах, в воде и во влажной атмосфере (дизельная аппаратура, гильзы цилиндров двигателей, компрессоров, насосов, штоки паровых молотов и др.).
Сущность процесса заключается в насыщении поверхностного слоя металла азотом при температурах 560-580 °С.
Рациональная глубина слоя находится в следующих пределах: для защиты от коррозии 0,03-0,08 мм, для повышения износостойкости 0,15-0,2 мм в зависимости от допускаемого для деталей размерного износа, для повышения усталостной прочности 0,2-0,5 мм.
Большее увеличение глубины азотирования экономически не оправдывается, так как при относительно больших затратах упрочняющий эффект не только не возрастает, а наоборот, в ряде случаев снижается.
Конструктивно-технологические особенности этого процесса — высокая износостойкость тонких поверхностных слоев и весьма малые деформации геометрических форм детали — обусловливают применение азотирования для деталей с небольшими допусками на износ, с применением после азотирования только тонкой чистовой шлифовки или притирки.
Твердость азотированной поверхности назначается в зависимости от эксплуатационных требований к деталям. Для повышения износостойкости эффективна твердость 900-1100 HV; для повышения усталостной прочности и сохранения вязкости азотированного слоя твердость следует назначать в пределах 650-700 HV.
Алитирование применяется для повышения жаростойкости деталей, работающих при повышенных температурах в газовых средах: коллекторов и экранных труб паровых котлов, топочной гарнитуры и арматуры, сопл котельных форсунок и др. Сущность алитирования заключается в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали алюминием. Алитирование эффективно воспринимают детали из проката сталей обыкновенного качества и из стальных и чугунных отливок.
Сульфидирование как упрочняющий процесс имеет сравнительно узкое применение. Его эффективность заключается в повышении сопротивляемости поверхностному схватыванию деталей, контактирующих в подвижных соединениях с сухим трением скольжения при больших удельных давлениях. Сущность сульфидирования заключается в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали серой. Сульфидирование осуществляется в твердых, жидких и газообразных средах при температурах 175-205 °С (низкотемпературное) или 560-580 °С (высокотемпературное). Глубина сульфидированного слоя назначается в пределах 0,2-0,3 мм.
К процессам химико-термического упрочнения относится также диффузионное хромирование, применяемое для повышения кислотоупорности, износостоикости и усталостной прочности деталей. Сущность хромирования заключается в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали хромом.
Если упрочняющие требования ограничиваются повышением коррозионной стойкости и кислотоупорности, детали, подвергавшиеся диффузионному хромированию, не закаливаются.
