При их изготовлении

7.1 Обеспечение точности размеров и качества поверхности деталей

при механической обработке

Точность изготовления детали должна соответствовать требованиям рабочих чертежей, ТУ и стандартов. При этом все размеры должны быть в пределах допусков, установленных чертежом (или стандартом).

Точность зависит от нескольких групп факторов:

1. точность станка и приспособлений, на которых производится обработка;

2. точность изготовления и установки режущего инструмента, степень его износа и нагрева;

3. точность измерительного инструмента и промеров.

По первой группе: станки не могут быть абсолютно точными и одинаковыми. В зависимости от класса точности станка (соответствующих допусков) наблюдается биение шпинделей, непрямолинейность направляющих, неперпендикулярность осей шпинделей рабочим поверхностям столов, зазоры в сочленениях. Отсюда – погрешности в размерах обрабатываемых заготовок и деталей, конусность, овальность, седлообразность и бочкообразность цилиндрических поверхностей, смещение и непараллельность осей, непараллельность плоскостей. По мере износа, нагрева в узлах трения и прочее эта погрешность возрастает.

По второй группе: режущий инструмент изготовлен также с определённой степенью точности, к этому можно добавить точность его установки, нагрев и износ, что в совокупности может быть источником погрешностей.

Поэтому важное значение для обеспечения точности размеров при механической обработке имеет правильная установка заготовки на станке и связанный с этим выбор баз.

Базы используют как в машиностроении (при изготовлении), так и в ремонтном производстве.

Технологической базой называют поверхность или сочетание поверхностей, осей или точек заготовки, которые используют для её установки и закрепления в необходимом положении при обработке. Как правило, заготовку лишают всех шести степеней свободы. Для этого используют установочную, направляющую и опорную базы.

Установочной называют базу, которая лишает заготовку трёх степеней свободы (перемещения вдоль одной координатной оси и поворота вокруг двух других).

Направляющей называют базу, которая лишает заготовку двух степеней свободы (перемещения вдоль одной координатной оси и поворота вокруг другой оси).

Опорной базой называют базу, которая лишает заготовку одной степени свободы (перемещения вдоль одной координатной оси).

Технологическими базами могут быть плоские, внутренние и наружные цилиндрические поверхности, торцовые и другие поверхности (например, конструктивных элементов, которые определяют положение детали в машине, а также специально создаваемых технологических элементов – центровых гнёзд валов, центрирующих поясков и др.). Для выполнения первых операций и переходов при обработке заготовки могут быть использованы черновые базы (необработанные поверхности).

Кроме технологических баз, выбирают измерительные базы.

Измерительной называют базу, которая используется для определения относительного положения заготовки (или изделия), а также средств измерения и отсчёта размеров при обработке заготовки или при сборке изделия.

Для достижения высокой точности обработки заготовки следует совмещать технологические и измерительные базы, т.е. принимать для установки заготовки и её измерения одни и те же поверхности, линии и точки. В противном случае, т.е. при несовпадении технологической и измерительной баз возникают погрешности базирования.

Погрешность базирования – это отклонение размера детали, получаемое при обработке заготовки от заданного на предварительно настроенном станке. Это происходит из-за того, что расстояния от измерительной базы до рабочего инструмента, установленного заданным образом для обработки заготовки, при различных фактических размерах заготовки (в пределах допуска на её изготовление) получаются разными.

Пример: Заготовка для фрезерования паза (рисунок 7.1)

Фреза и заготовка.

Фреза настроена на постоянные размеры А = const,

С = const. То есть плоскости

x – x и z – z являются технологическими базами. Делаем паз в детали. Нам нужны размеры детали а и в. Размер а: для него измерительной базой является плоскость x – x, т.е. для этого размера технологическая и измерительная базы совпадают, следовательно, размер, а будет выдержан без погрешностей базирования (колебания размеров возможны, но за счёт других факторов). Размер в: для него измерительной базой будет плоскость y – y, т.е. этот размер будет зависеть от действительного размера детали В, который может отличаться в пределах допуска (на некоторую величину) на этот размер, установленный для заготовки.

Следовательно, и размер в (при С = const) также будет иметь погрешность на эту же величину. Таким образом, здесь имеет место именно погрешность базирования, когда измерительная база (поверхность или плоскость y – y) не совпадает с технологической базой (плоскостью z – z).

Другой пример: Деформация детали от усилия резания (при обработке вала в центрах точением), в результате которой обработанная поверхность имеет бочкообразный вид (рисунок 7.2).

Предельные погрешности базирования во многих случаях можно определить геометрическим расчётом на основе схемы установки детали для обработки и установленных допусков. Таким образом, суммарная погрешность механической обработки зависит от первичных погрешностей, возникающих в результате действия каждого из факторов, влияющих на точность обработки. Все погрешности по характеру проявления подразделяются на систематические и случайные.

Систематические погрешности возникают (имеются) постоянно.

Примеры: 1) погрешность, связанная с определённой настройкой станка;

2) погрешность, связанная с размерным износом инструмента (будет изменяться по мере роста износа);

3) погрешность, вызванная температурной деформацией станка и т.д.

Систематические погрешности можно выявить промером нескольких обработанных деталей, а некоторые из них определить аналитически. Это даёт возможность их устранить или компенсировать.

Случайные погрешности – это погрешности, момент возникновения которых, величину и направление для каждой детали невозможно определить заранее (спрогнозировать). К ним относятся погрешности от упругих деформаций в системе: станок – приспособление – инструмент – деталь (СПИД); от нестабильности установки детали на станке; от других факторов.

В результате действия случайных факторов действительные размеры детали распределяются в пределах некоторой амплитуды погрешности, оценка которой производится методами математической статистики и теории вероятности. Кривая нормального распределения фактических размеров детали выглядит, как показано на рисунке 7.3.

Установлено, что распределение действительного размера деталей, при обработке которых действует большое число случайных факторов, но ни один из них не является преобладающим, удовлетворительно описывается нормальным законом распределения.

При этом положение центра группирования (точка О^’), определяется качеством настройки станка и инструмента, а степень рассеивания фактических размеров – техническим состояниям оборудованием. Знание закона и параметров распределения размера детали в результате обработки позволяет определить вероятность появления брака, осуществлять статистическое регулирование технологического процесса.

Естественно, это возможно при изготовлении больших партий деталей на предварительно настроенных станках (используют стандартизированные: метод средних арифметических значений и размахов и метод медиан и индивидуальных значений).

Но в условиях единичного и мелкосерийного производства заданная точность размеров достигается методом пробных рабочих ходов.

Обеспечение качества поверхностей изделий

Качество поверхностей характеризуют геометрическими и физико-механическими параметрами, точнее геометрическими параметрами и физико-механическими характеристиками.

Геометрические параметры, к ним относятся шероховатость, волнистость, а также направление штрихов обработки.

Шероховатость – это совокупность периодических неровностей с относительно малым шагом (т.е. это микрорельеф поверхности на малой базовой длине, на которой исключаются отклонения формы и волнистость).

По стандарту (ГОСТ 2789 – 73; СТ СЭВ 638 – 77) шероховатость характеризуют такими параметрами:

R_a – среднее арифметическое значение отклонения профиля;

R_z – высота неровностей профиля (по десяти точкам);

S_m – средний шаг неровностей;

S – средний шаг местных выступов;

t_p – относительная опорная длина профиля (р – значение уровня сечения

профиля);

R _max – наибольшая высота профиля.

Измерение шероховатостей производят с помощью профилографов и профилометров, а также косвенных методов оценки. Её величина зависит от метода и режима обработки, геометрии и состояния режущего инструмента, физико-механических свойств обрабатываемого материала и других факторов. Для каждого метода обработки имеется свой диапазон получаемой шероховатости (рисунок 7.4). Наибольшее влияние на шероховатость оказывают скорость резания (υ) и величина подачи.

С увеличением υ, R_z сначала возрастает (из-за образования на лезвиях инструмента при обработке пластичных материалов так называемых наростов), а потом снижается до стабильных значений. Точка экстремума (R_z = max) смещается влево с увеличением теплопроводности обрабатываемого материала. Шероховатость снижается при уменьшении подачи при резании. Таким образом, при правильном выборе метода обработки можно обеспечить требуемые геометрические параметры поверхностей. Физико-механические свойства материалов, в частности, их поверхностного слоя определяются природой материала, его термической и химико-термической обработкой.

Кроме того, свойства поверхностного слоя зависят от силовых (и термических) воздействий в процессе механической обработки. Они вызывают:

а) наклёп (упрочнение) в результате силового воздействия резания;

б) разупрочнение (снятие наклёпа) в результате нагрева.

При обработке режущим инструментом в основном возникает наклёп, причём с увеличением глубины резания и подачи толщина наклёпанного слоя возрастает (напряжения сжатия), но при высоких скоростях резания, малых подачах и глубинах, при обработке абразивным инструментом могут возникнуть напряжения растяжения (в результате нагрева).

Подбирая способы обработки, режимы резания и охлаждения, геометрию режущего инструмента можно направлено влиять на остаточные напряжения. Как правило, создают наклёп, т.к. он повышает усталостную прочность, износостойкость и коррозионную стойкость.

7.2 Механическое упрочнение деталей

Физико-механические свойства деталей, в частности, свойства поверхностных слоёв, определяющих их износостойкость и другие триботехнические характеристики, определяются природой металла, а также его термической или другой обработкой.

В процессах механической обработки свойства могут существенно изменяться, поскольку при воздействии на деталь режущего инструмента она испытывает силовое и термическое воздействия. Эти воздействия вызывают в металлической детали два явления:

а) упрочнение (наклёп) в результате силового воздействия режущего ин-

струмента при резании;

б) разупрочнение (снятие наклёпа) в результате термического воздейст-

вия при резании.

При обработке режущим (лезвийным) инструментом в основном возникает наклёп (напряжения сжатия), причём с увеличением глубины резания и подачи толщина наклёпанного слоя возрастает.

Вместе с тем при высоких скоростях резания, при малых подачах, а также при обработке абразивным инструментом могут превалировать напряжения растяжения (в результате нагрева). Таким образом, подбирая способы обработки (механической), режимы резания и охлаждения, а также геометрию режущего инструмента можно направленно влиять на остаточные напряжения в материале обрабатываемой детали.

В месте с тем, наклёпанный слой обладает повышенной усталостной прочностью, износостойкостью и коррозионной стойкостью. Для его создания используют ряд методов пластического деформирования поверхностных слоёв детали.

1) Дробеструйная обработка – упрочнение пластическим деформированием наружной поверхности детали под действием дроби, соударяющейся с ней с большой скоростью. Её реализуют с помощью пневматических (дробь движется под действием сжатого воздуха, гидравлических (вода) и механических (дробь движется под действием центробежной силы, развивающейся во вращающемся роторе) дробемётов.

Она увеличивает на 20 – 40 % твёрдость деталей. Её используют для упрочнения деталей сложной формы. При этом повышается долговечность (циклическая):

рессор – в 2 – 7 раз;

пружин – в 3 – 10 раз;

зубчатых колёс (после закалки ТВЧ) – в 8 – 12 раз;

осей – в 3 – 5 раз.

Для обработки используют чугунную и стальную дробь. Толщина упрочненного слоя составляет 0, 3 – 1, 5 мм.

При центробежно-шариковом наклёпе (рисунок 7.5 а) (вариант дробеструйной обработки) обрабатываются внутренние и внешние поверхности. Его эффективность растёт с ростом твёрдости детали. Обработка обеспечивает рост твёрдости на 15 – 60 % (он особенно эффективен с предварительной термической обработкой и химико-термической обработкой – закалкой, цементацией и др.).

Обрабатывают цилиндрические детали (коленчатые валы, тормозные шкивы, гильзы цилиндров, поршневые кольца, вкладыши подшипников).

2) Обкатывание роликами (рисунок 7.5 б) проводят с помощью специальных приспособлений, которые оснащают одним или несколькими накатными роликами. Эффективность обкатки растёт уменьшение исходной твёрдости детали. Отметим, что размер детали меняется незначительно (в основном сминаются выступы рельефа поверхности, оставшееся от механической обработки). Обкатка увеличивает твёрдость на 20 – 50 %. Как правило, упрочняют цилиндрические и винтовые поверхности. Долговечность (циклическая) растёт:

штоков – в 3 – 4 раза;

болтов, шпилек (обкатка резьбы) – в 2 раза.

Такого же эффекта можно добиться с помощью алмазного выглаживания (рисунок 7.5 в). Толщина упрочнённого слоя достигает 0, 5 – 3, 5 мм.

Рисунок 7.5 – Принципиальные схемы механического упрочнения деталей:

а – центробежно-шариковый наклёп (дробеструйная обработка); б – обкатывание роликами; в – алмазное выглаживание; г – раскатывание.

3) Чеканка – это ударная обработка поверхности с помощью специальных приспособлений (механических, пневматических, электромеханических) и инструмента (например, ударника с бойком). Этим способом удобно упрочнять изделия крупногабаритные и сложной формы, а также сварные швы металлоконструкций с помощью торцов проволок стальных канатов.

При этом повышается на 20 – 50 % твёрдость, а также существенно растёт долговечность (циклическая) крупных валов (в районе галтель), крупномодульных зубчатых колёс (в районе впадин) и сварных металлоконструкций (в районе швов и близких к ним зон). Толщина упрочнённого слоя составляет 0, 5 – 3, 5 мм.

4) Обработка внутренних поверхностей отверстий (например, отверстий пластин цепей). Её осуществляют раскатыванием (рисунок 7.5 г) (развальцовыванием), калибрование шариком и дорнованием (иногда – дорнированием).

Раскатывание производят роликовыми и шариковыми раскатками, дорнование – шариками и дорнами (одно- и многозубыми). При этом растёт твёрдость, уменьшается шероховатость, предел выносливости поверхностных слоёв возрастает в 2 раза.

7.3 Термическая, химико-термическая и термомеханическая

обработка деталей

Эти способы относятся к технологическим приёмам упрочнения деталей. По данным БелНИТИАТ (1998 г.) преждевременный износ деталей является причиной 49, 4 % всех отказов, наблюдаемых при эксплуатации автотранспортных средств (АТС). При длительной эксплуатации АТС 70 % всех деталей выходят из строя по причине износа.

7.3.1 Термическая обработка(ТО)

а) Объёмная закалка – основной вид упрочняющей термической обработки конструкционных и инструментальных сталей. Поскольку в процессе закалки стали, её структура становится резко неравновесной, и возникают большие остаточные напряжения, после закалки обычно следует, отпуск стали, позволяющий улучшить её свойства. Главным отличием закалки от других операций термической обработки является высокая скорость охлаждения, достигаемая применением специальных закалочных сред.

Выбор закалочной среды – один из главных факторов правильной закалки. Он осложняется тем, что (для получения идеальной кривой охлаждения, которая имеет участки различной крутизны) закалочная среда должна обеспечивать неодинаковые скорости охлаждения при различных температурах. Наиболее высокая скорость охлаждения должна быть в интервале температур 650…400^о С. В интервале температур мартенситного превращения скорость охлаждения должна быть невысокой, что предотвращает возникновение термических напряжений, способствующих образованию трещин, и в то же время не слишком низкой, чтобы не произошли отпуск мартенсита и стабилизация остаточного аустенита.

В качестве закалочных сред обычно используют кипящие жидкости, но для некоторых легированных сталей достаточная скорость охлаждения обеспечивается применением спокойного или сжатого воздуха. В связи с особенностями теплообмена при контакте нагретого металла с жидкостью интенсивность теплоотвода, а значит, и скорость охлаждения зависят от температуры металла. Это связано с тем, что при очень высоких температурах на поверхности образуется сплошная паровая рубашка, которая препятствует отводу тепла. По мере снижения температуры эта рубашка прорывается, и теплоотвод идёт очень интенсивно (стадия пузырькового кипения). Ниже температуры кипения теплота отводится за счёт конвекции жидкости, и интенсивность этого процесса снова резко снижается. Интервалы наиболее интенсивного теплоотвода различных жидкостей различны (таблица 7.1), поэтому выбор конкретной закалочной среды определяется видом изделия.

В частности, воду с температурой 18…25^о С используют в основном при закалке деталей простой формы и небольших размеров, выполненных из углеродистой стали. Детали наиболее сложной формы из углеродистых и легированных сталей закаляют в маслах. Для закалки легированных сталей наряду с маслами часто используют водные растворы NaCl и NaOH c наиболее высокой охлаждающей способностью. Кроме того, для этих целей все более широко применяют водные растворы поверхностно-активные веществ и синтетических полимеров. Объёмная закалка повышает прочность сталей: углеродистых в 1, 5 – 2 раза, легированных в 2 – 3 раза, повышает твёрдость

до 40 – 55 HRC (по Роквеллу). Её используют для упрочнения отливок, поковок, штамповок, проката, сварных элементов.

Таблица7.1 – Скорость охлаждения стали в различных закалочных средах

б) Поверхностная закалка. Её особенность состоит в том, что упрочняется только неглубокий (толщиной от 0, 2 до 15 мм) поверхностный слой материала деталей, а сердцевина остаётся вязкой и пластичной. Такое сочетание обеспечивает повышение износостойкости (в 2 раза) и стойкость к динамическим нагрузкам.

Если детали испытывают, усталостное изнашивание, ограничиваются толщиной до 3 мм, при высоких контактных нагрузках – до 10…15 мм.

Закалку с индукционным нагревом (нагревом ТВЧ) используют при массовой обработке стальных изделий. Она основана на выделении теплоты при прохождении переменного тока высокой частоты в поверхностном слое металлического изделия. Этот ток индуцируется окружающим изделие контуром, создающим переменное электромагнитное поле. Поверхностный нагрев обеспечивается действием скин-эффекта, который заключается в том, что индуцированный переменный ток протекает в тем более тонком слое, чем выше частота этого тока и магнитная проницаемость материала.

Глубина закалки обычно определяется условиями работы детали и составляет от 1, 5…3 мм (усталостное изнашивание) до 10…15 мм (особо высокие контактные нагрузки). Источником ТВЧ служат специальные генераторы различной мощности. Поскольку закалка с индукционным нагревом экономически эффективна только при обработке больших партий изделий, обычно эту операцию выполняют на автоматизированных установках. В зависимости от размеров изделий применят режимы обработки, основанные на различных сочетаниях нагрева и охлаждения. Закалку с индукционным нагревом используют в основном для сталей, содержащих 0, 4…0, 5 % углерода (40, 45, 40Х, 45Х, 40ХН и др.). Индукционному нагреву на большую глубину (объёмно-поверхностная закалка) подвергают специальные стали пониженной прокаливаемости, содержащие 0, 55…0, 63 % углерода и менее 0, 5 % примесей.

Закалка с индукционным нагревом позволяет, получить мелкозернистую структуру стали с твёрдостью на 3…5 HRC выше, чем при обычной закалке. Возникающие в поверхностном слое остаточные напряжения сжатия резко повышают сопротивление усталостному разрушению, которое обычно инициируется образованием поверхностных трещин под действием растягивающих напряжений.

В последние годы расширяется применение индукционного нагрева (ИН) при обработке тяжелонагруженных деталей машин. ИН используется для решения следующих технологических задач:

1. Для поверхностной закалки деталей;

2. Для нагрева под пластическую деформацию при упрочнении деталей;

3. Для интенсификации процессов химико-термической обработки (цементации и нитроцементации).

При закалке ИН отсутствуют окисление и обезуглероживание поверхности стальных деталей (по сравнению с печной термической обработкой), снижаются термические деформации, что позволяет упрочнять ряд деталей без последующей шлифовки.

О масштабах применения ИН свидетельствуют следующие примеры. На заводах ГАЗ и ЗИЛ (1987 г.) 60 масс. % всех упрочняемых деталей составляли детали, обработанные ИН. На МАЗе (1998 г.) общая мощность ВЧ-генераторов для ИН составляла 12280 кВт, с помощью которых обрабатывали более 850 наименований деталей автомобилей. Из них 250 – под закалку, 400 – под горячее деформирование, 100 – под напайку (и отпайку) твердосплавных пластин.

Наибольший эффект упрочнения ИН дает для деталей простой формы, поскольку в этом случае термические деформации имеют минимальную величину. Для сведения – из упомянутых 250 деталей:

70 % – имеет простую цилиндрическую форму;

12 % – сферическую;

8 % – плоскую;

6 % – сложную форму (с зубчатыми венцами, шлицевыми поверхностями, галтелями).

Для устранения закалочных трещин и деформаций специально конструируют закалочные устройства для каждой группы деталей и жестко контролируют их нагрев и охлаждение.

Газопламенную поверхностную закалку применяют для крупных единичных изделий или их малых партий (коленчатые валы особо мощных двигателей, прокатные валки и т.д.). Её осуществляют при нагреве поверхностного слоя пламенем сгорающего газа, имеющим температуру 2400…3000^о С. При этом виде закалки в крупном изделии создаются меньшие напряжения, чем при обычной объёмной закалке.

Закалка в электролите основана на том, что при пропускании тока через электролит (5…10 %-й раствор кальцинированной соды) на катоде (деталь) образуется газовая рубашка водорода. Ток при этом сильно возрастает, и деталь нагревается, после чего, отключив ток, можно сразу закалить её в том же электролите. Способ применяется для закалки небольших деталей массового производства.

При лазерной закалке осуществляется высокоскоростной разогрев поверхностного слоя металла под действием лазерного луча. Этот новый вид поверхностного упрочнения имеет ряд достоинств по сравнению с традиционными методами, особенно в случаях, когда нужно повысить износостойкость поверхностного слоя изделия.

Лазерной закалкой можно упрочнять в различных режимах и тонкие (до 0, 2 мм) и сравнительно толстые (до 3 мм) слои как на небольших участках изделий, так и на поверхностях большой площади. При этом наряду с упрочнением можно изменять шероховатость изделий, обрабатывать лучом лазера труднодоступные полости, режущие кромки инструмента и т.д.

В процессе лазерной обработки не требуется применения закалочных сред, поскольку их роль выполняет сам металл, отводя тепло, что обеспечивает высокую скорость охлаждения (до 10⁶…10^{8 о} С /с) после кратковременного нагрева. Длительность нагрева у различных лазеров не превышает

10^-9…10^-6 с, что позволяет широко варьировать глубину прогрева и степень фазовых превращений в стали. В ряде случаев при лазерной обработке добиваются полного проплавления поверхностного слоя, а скоростная кристаллизация и фазовые превращения приводят к образованию мелкозернистой мартенситной структуры с микротвёрдостью, значительно превышающей достигаемую другими методами поверхностной закалки. В некоторых режимах проплавления возможно получение аморфной структуры.

В последние годы наряду с импульсными лазерами и лазерами непрерывного действия для упрочнения поверхности пользуются пучками электронов с различной энергией (электронно-лучевая закалка). Лазерное упрочнение сочетается с ультразвуковой обработкой или с последующей обработкой холодом (лазерно-криогенное упрочнение, таблица 7.2).

Таблица 7.2 – Микротвёрдость инструментальной стали после комплексного лазерно-криогенного упрочнения

7.3.2 Химико-термическая обработка (ХТО)

Химико-термическая обработка – это тепловая обработка металлических изделий в химически активных средах для изменения химического состава, структуры и свойств поверхностных слоёв. Она позволяет повысить твёрдость, износостойкость, усталостную и контактную выносливость, а также коррозионную стойкость. Возможности ХТО выше, чем термической обработки, поскольку ХТО меняет не только структуру, но и химический состав поверхностных слоёв.

Главным факторами ХТО является: Т, τ и концентрация активного химического компонента на поверхности стального изделия.

Образование модифицированного поверхностного слоя деталей протекает в несколько стадий. Первая стадия – адсорбция модифицирующих атомов на обрабатываемой поверхности. Эти атомы должны быть реакционноспособными, и поэтому необходима диссоциация соединений в окружающей обрабатываемое изделие газовой или жидкой среде. В случае ионной имплантации (облучения поверхности потоком ионов) активные ионы модификатора внедряются на некоторую глубину в поверхностный слой изделия.

По мере накопления адсорбированных атомов на обрабатываемой поверхности на ней создаётся градиент их концентрации, обусловливающий диффузию этих атомов в глубь материала. Кинетика их диффузии определяется тремя главными факторами – температурой, продолжительностью процесса и начальной концентрацией диффундирующих атомов в поверхностном слое.

В случае если диффузия модифицирующего элемента в обрабатываемый материал не ускоряется внешними факторами, изменение фазового состояния и структуры поверхностного слоя изделия может быть предсказано в соответствии с известной двойной диаграммой состояния обрабатываемый материал – модифицирующий элемент. Зная температуру и содержание диффундировавшего элемента на различных глубинах, а также предельные равновесные растворимости этого элемента в обрабатываемом слое, можно прогнозировать образование той или иной фазы в металле при данной температуре. Охлаждение диффузионной зоны может привести к фазовым превращениям, аналогичным тем, которые происходят согласно диаграмме состояния сплава при его охлаждении.

Однако возможны случаи, когда процесс диффузионного насыщения протекает под воздействием интенсифицирующих факторов (например, обработка лазерным или электронным пучком поверхности с адсорбированной плёнкой модифицирующего элемента или поверхностного слоя, в который внедрены ионы модифицирующего элемента из ионного пучка или плазменного разряда). Лазерный или электронно-лучевой нагрев интенсифицирует диффузию, обеспечивая недостижимые традиционными способами концентрации модифицирующих элементов в поверхностном слое.

Самые распространённые методы ХТО: цементация, азотирование, нитроцементация, хромирование, алитирование и борирование.

Цементация – насыщение углеродом поверхностных слоёв стальных изделий для повышения их твёрдости. Обычно после цементации изделие подвергают закалке и низкому отпуску, а затем шлифуют для повышения качества поверхности. Цементируют, обычно стали с содержанием углерода 0, 08…0, 23 %, поэтому сердцевина стального изделия сохраняет вязкость, а поверхностный слой (около 1 % углерода) обладает высокими твёрдостью и износостойкостью.

Иногда цементируются только часть поверхности изделия, а остальная поверхность защищается электролитическим медным покрытием или специальными защитными обмазками.

Наиболее часто цементации подвергаются детали подвижных сопряжений в машинах, работающие в условиях трения и высоких контактных давлений (шестерни, валы, пальцы, кулачки и т.д.).

Диффузионное насыщение поверхностного слоя стали, углеродом при цементации происходит из среды, называемой карбюризатором. Для того чтобы создать поток диффузии с поверхности в глубь изделия, необходимо обеспечить адсорбцию на поверхности детали атомов углерода из диссоциирующих соединений (обычно оксидов или углеводородов).

Структура слоя сразу после цементации обычно получается крупнозернистой, что связано с выдержкой стали при высокой температуре. Термическая обработка изделий после цементации служит для исправления структуры, измельчения зерна и повышения комплекса механических свойств поверхностного слоя.

Газовая цементация наиболее широко применяется для изделий массового производства. Для её осуществления используют обычно разбавленный природный газ, контролируемые атмосферы, получаемые в специальных генераторах, а также пары жидких углеводородов. Основной реакцией, обеспечивающей выделение свободного углерода, является диссоциация метана и оксида углерода: CH₄ 2H₂ + C или 2CO CO₂ + C. В зависимости от состава газовой смеси в печи она может иметь различную науглероживающую способность (способность обеспечивать заданное содержание углерода в поверхностном слое). Достоинством газовой цементации является возможность регулирования этого фактора в заданных пределах. Скорость газовой цементации при температуре 930…950^о С составляет 0, 12…0, 15 мм/ч при толщине цементированного слоя до 1, 7 мм.

Толщина слоя – 0, 5…2 мм. Цементация обеспечивает (по сравнению с закалкой ТВЧ) повышение предела выносливость в 3 раза, износостойкости в 1, 5 – 2 раза, HRC ≤ 65МПа.

Азотирование – диффузионное насыщение азотом поверхностных слоев металлических изделий в целях повышения их износостойкости, предела выносливости и коррозионной стойкости. Преимуществом азотирования перед цементацией является более высокая твёрдость обработанного поверхностного слоя, которая сохраняется до значительно более высоких температур (600^о С), чем в случае цементации (230^о С).

Азотированию подвергают детали из среднеуглеродистых легированных сталей. Перед этим для них назначают улучшение и чистовую обработку, после азотирования изделия шлифуют или полируют. Можно азотировать только часть изделия, изолировав остальную его поверхность защитным покрытием (обычно из олова).

Средой, из которой диффундирует азот в сталь, является, как правило, аммиак, который диссоциирует по схеме: 2NH₃ N₂ + 3H₂ 2N + 6H. Температура, при которой осуществляется азотирование, составляет 500…600^о С в зависимости от вида изделий и необходимой толщины азотированного слоя.

В целом азотирование используют реже, чем цементацию, хотя износостойкость, твёрдость и стойкость к отпуску сталей при этой операции выше. Это обусловлено малой толщиной упрочнённого слоя и большой длительностью процесса. Для ускорения процесса в последнее время осуществляют ступенчатую выдержку изделий при двух значениях температуры в средах, содержащих аммиак и углеводороды, а также чередование азотирующей среды с инертной при различных температурах выдержки. Используют также ионную имплантацию азота.

Нитроцементация – процесс диффузионного насыщения стали углеродом и азотом из газовой фазы (обычно газовой среды, применяемой при цементации, с незначительным добавлением аммиака). Температура нитроцементации примерно на 100^о С ниже, чем обычной цементации (840…860^о С), продолжительность процесса значительно меньше (4…10 ч), так как диффузия углерода существенно ускоряется в присутствии азота. Толщина нитроцементированного слоя составляет, как правило, 0, 2…0, 8 мм. После нитроцементации осуществляют закалку и низкий отпуск (160…180^о С). Конечная структура нитроцементированного слоя состоит из мелкокристаллического мартенсита, остаточного аустенита и небольшого количества дисперсных включений карбонитридов. Твёрдость слоя достигает 58…64 HRC (570…690 HV) при содержании азота до 0, 4 % и углерода до 1, 65 %.

Нитроцементацию используют для тех же целей, что и обычную цементацию, при обработке стальных деталей сложной конфигурации, которые подвержены при обычной цементации короблению.

Цианирование заключается, в диффузионном насыщении стали азотом и углеродом из расплавов солей, содержащих цианаты. После такого насыщения диффузионный слой характеризуется большими износостойкостью, пределом выносливости и коррозионной стойкостью. Производительность цианирования и качество получаемых поверхностей выше, чем при цементации.

Низкотемпературное цианирование, проводимое при 570^о С, часто выделяют в особый вид химико-термической обработки, называемый карбонитрацией. При карбонитрации происходит, диффузионное насыщение стали азотом и углеродом из расплавов карбонатов и цианатов (например, смеси KCNO, NaCN и Na₂CO₃ или NH₂CO и Na₂CO₃).

Среднетемпературное цианирование проводят при температуре 820…860^о С в расплаве, содержащем соли NaCN, NaCl и Na₂CO₃, в течение 0, 5…1, 5 ч. Толщина диффузионного слоя достигает 0, 15…0, 35 мм, содержание азота и углерода составляет соответственно до 1, 2 и 0, 8 %.

Высокотемпературное цианирование выполняют для получения диффузионных слоёв толщиной до 2 мм. Температура процесса при этом составляет 930…950^о С, что способствует ускорению диффузии азота и углерода в сталь. Расплав готовят на основе смеси солей NaCN, BaCl₂ и NaCl, а продолжительность выдержки изделий составляет 1, 5…6 ч.

Диффузионная металлизация включает группу методов, при осуществлении которых поверхностный слой детали насыщается одним или несколькими металлами. Такое насыщение проводится из расплава основного диффундирующего металла или его солей, из газовой фазы, а также путём металлизации в вакууме. Наибольшее распространение получили методы алитирования и хромирования, а также – комплексные методы насыщения титаном, ванадием, медью, вольфрамом, цирконием и другими металлами в сочетании с алюминием, хромом или неметаллами.

Алитирование (диффузионное насыщение алюминием) применяют для повышения жаростойкости и коррозионной стойкости деталей топливно-энергетического оборудования из углеродистых сталей. Процесс осуществляется в основном в порошковых смесях (порошок металлического алюминия с его оксидом и хлористым аммонием), расплаве алюминия или при отжиге стального изделия с алюминиевым покрытием. Температура процесса – от 720^о C (в расплаве) до 1050^о C (в порошковой смеси), длительность – от 15 мин до 12 ч в зависимости от требуемой толщины алитированного слоя (1 мм при содержании алюминия до 30 %). Структура слоя – твёрдый раствор алюминия в α -железе.

Диффузионное хромирование обеспечивает повышение коррозионной стойкости, окалиностойкости изделий, а при содержании углерода в стали 0, 3…0, 4 % – их твёрдости и износостойкости. Хромирование используют для изделий из сталей любых марок. Процесс осуществляется в основном из порошковой фазы (смесь феррохрома, оксида алюминия и хлористого алюминия) при температуре 950…1100^о С и продолжительности выдержки 6…12 ч. Структура диффузионного слоя – тонкий слой карбидов хрома (0, 025…0, 03 мм) и переходной слой, обогащённый углеродом. Твёрдость поверхностного слоя изделий достигает 1200…1300 HV при толщине до 0, 3 мм. Хромирование назначают при обработке деталей пароводяной арматуры, работающих в условиях интенсивного изнашивания в агрессивных средах, а также инструмента.

Как уже отмечалось, некоторые металлы и неметаллы вводят в поверхностный слой стальных изделий комплексно. К таким методам их диффузионного насыщения относят хромотитанирование (применяется для упрочнения твёрдосплавного инструмента), хромосилицирование (для деталей подвижных сопряжений машин), хромоалитирование (для пресс-форм), борохромирование и боросульфидирование (для штампов), карбованадийтитанирование (для упрочнения инструмента на глубину до 3 мм), цирконотитанирование и цирконосилицирование (для инструмента и деталей химического оборудования). Указанные методы обработки позволяют достигать более эффективного повышения свойств поверхностного слоя деталей в сравнении с насыщением только одним элементом. Однако технология комплексного диффузионного насыщения вследствие сложности применяется пока в машиностроении ограниченно.

При химико-термической обработке стальных деталей резко сокращается время их нагрева до температуры насыщения (при печном нагреве – часы, при ИН – секунды), ускоряется процесс диффузии (за счет активизации поверхностных реакций, создания повышенного градиента концентрации диффундирующего элемента в поверхностных слоях деталей, а также за счет измельчения зерен и увеличения протяженности границ зерен аустенита). При этом толщина диффузионного слоя в 3 – 5 раз превышает толщину слоя (цементации) при печном нагреве. Сдерживающим фактором является отсутствие, как централизованного изготовления универсального, так, и специального оборудования для обработки ИН деталей машиностроения. Каждое предприятие изготавливает их самостоятельно.

7.3.3 Высокоэнергетические методы химического модифицирования

поверхностных слоёв стальных изделий.

Наиболее перспективными методами модифицирования поверхностных слоёв машиностроительных деталей являются ионно-диффузионное модифицирование в тлеющем разряде, ионная имплантация (ионное легирование), а также комбинации ионно-плазменных методов с лазерной или электронно-лучевой обработкой.

Пример ионно-диффузионного модифицирования – ионное азотирование. Оно реализуется в тлеющем разряде постоянного напряжения в среде азота или аммиака. Ионы азота, ударяясь об обрабатываемую стальную деталь, являющуюся катодом, осаждаются на ней, а затем диффундируют вглубь, так как поверхность катода разогревается при бомбардировке ионами с энергией в несколько сот электрон-вольт до 500…600^о С. При соударении ионов с поверхностью детали происходит её очистка от адсорбированных и оксидных плёнок, препятствующих проведению обычного азотирования некоторых сталей, например коррозионностойких (нержавеющих). Длительность ионного азотирования сокращается по сравнению с обычным, температура процесса снижается, а механические свойства поверхностного слоя повышаются.

Кроме азотирования ионно-диффузионными методами, могут быть осуществлены цементация, силицирование, борирование и комплексное насыщение (карбонитрирование и т. д.) поверхностных слоёв стальных изделий модифицирующими элементами.

Ионная имплантация основана на том, что при повышении энергии бомбардирующих ионов последние проникают внутрь кристаллической решетки металла, легируя поверхностный слой и упрочняя его за счёт искажения решётки. Энергия ионов при имплантации составляет 10…200 кэВ, а плотность ионных пучков – 10¹⁵…10¹⁸ частиц на 1 см². С помощью ионной имплантации можно осуществить азотирование, борирование, оксидирование поверхностного слоя изделий и легирование его различными металлами. При ионной имплантации износо - и коррозионная стойкость поверхностных слоёв стальных деталей повышаются без изменения размеров последних (таблица 7.3).

При реализации данного метода можно получить в поверхностном слое такие фазы, которые невозможны в равновесном состоянии, например из-за ограниченной взаимной растворимости компонентов. Основными недостатками метода являются относительно высокая стоимость оборудования, невозможность обработки изделий сложной формы, а также малая толщина имплантированного слоя.

К перспективным методам поверхностного модифицирования конструкционных материалов относят лазерное поверхностное и электронно-лучевое легирование.

Таблица 7.3 – Примеры применения ионной имплантации в технике

К перспективным методам поверхностного модифицирования конструкционных материалов относят лазерное поверхностное и электронно-лучевое легирование.

Лазерное поверхностное легирование характеризуется, как и лазерная закалка, интенсивным кратковременным тепловым воздействием на поверхностный слой изделия, которое зависит от плотности энергии лазерного излучения, подводимой к поверхности, и длительности облучения. При лазерном легировании тепловое воздействие сочетается с подведением к поверхности изделия легирующих элементов. Для этого на обрабатываемую лазером поверхность предварительно наносят тонкое покрытие из легирующего элемента (например, методом плазменного напыления или электролитическим) или осуществляют ионную имплантацию легирующего элемента в поверхностный слой перед лазерной обработкой. Возможна и одновременная подача легирующего элемента в зону обработки в момент лазерного облучения. Лазерная обработка вызывает проплавление поверхностного слоя и смешивание легирующего элемента с материалом подстилающего слоя. Последующая скоростная кристаллизация в металле завершается образованием метастабильных фаз, состав которых может резко отличаться от равновесного.

Лазерное легирование углеродистых сталей позволяет получать поверхностные слои изделий с требуемыми структурой и комплексом свойств. Хорошие результаты достигнуты при обработке сканирующим лазерным лучом стальных изделий, покрытых порошками хрома и никеля; при этом существенно повышаются износостойкость и коррозионная стойкость изделий.

Электронно-лучевое поверхностное легирование сталей осуществляется в вакууме при облучении изделия потоком электронов. Оно даёт результаты, сходные с результатами лазерного легирования. Возможно как предварительное, так и одновременное подведение легирующих элементов в зону обработки.

Применение электронно-лучевого и лазерного легирования, а также ионно-плазменных методов упрочнения сталей ограничено из-за высокой стоимости и сложности технологического оборудования. Однако потенциальные возможности высокоэнергетических методов модифицирования поверхностных слоёв металлических изделий очень высоки, что обуславливает их достаточно широкое внедрение в машиностроении.