Некоторые виды поверхностного упрочнения деталей машины

Газовая цементация. При проведении цементации используются различные науглероживающие газы и жидкие карбюризаторы (бензол, кероснн, синтин и др.), которые подают каплями в шахтные печи; при их разложении образуется газ (расход газа 0, 9…1, 2 м³/ч). В массовом производстве (автомобилестроение и др.) часто применяют получаемый в генераторах эндотермический газ (эндогаз) состава (мас. %): 19...23 СО; 1СН₄; 0, 2СО₂; 39…44 Н₂; 33…37 N₂. Для эндогаза существует функциональная зависимость между достигаемым при цементации содержанием углерода в стали и количеством Н₂О или СО₂ в газе, что позволяет автоматически регулировать состав газа для получения требуемого содержания углерода в поверхностном слое деталей (обычно 0, 8...1, 1 % С).

Температура газовой цементации составяяет 910...930 ⁰С. Продолжительность процесса зависит, кроме глубины слоя, также от ряда других факторов: состава газа, величины садки в печи, толщины деталей и др. На скорость цементации оказывает влияние и химический состав цементуемых легированных сталей. Данные ЗИЛа при газовой цементации деталей из стали 25ХГТ в безмуфельной печи СЩЦ при 930 ⁰С. (табл. 56).

Таблица 56

Глубина слоя и время цементации

В промышленности широко применяют следующую технологию газовой цементации: первый этап - более активная цементация в смеси эндогаза с добавками природного газа; второй этап - цементация только в эндогазе. Это сокращает общую продолжительность цементации. Для газовой цементации применяются периодические шахтные электропечи серии Ц и печи непрерывного действия. В шахтных печах внутрь нагревательной камеры устанавливается реторта, в которую помещаются детали и подается жидкий карбюризатор (40…60 капель/мин). При цементации в шахтных печах глубина слоя 1, 3…1, 6 мм достигается за 6…8 часов при 920 ⁰С.

Термическая обработка цементированных деталей. При проведении газовой цементации в печах непрерывного действия после ее завершения, детали несколько охлаждают в печи до 830…860 °С (подстуживание), т.е. до температуры закалки выше Ас₃ сердцевины деталей, а затем закаливают с охлаждением в минеральном масле (легированные стали). После цементации в шахтных печах детали обычно охлаждают на воздухе до комнатных температур, а далее закаливают отдельно с нагревом в других печах без защитной атмосферы. Закаленные детали подвергают отпуску при 160…180 °С в течение 1…2 часов. Используются и другие разновидности цементации и схемы термической обработки, рассматриваемые в литературе по термической обработке.

Нитроцементация. Процесс насыщения поверхностных слоев деталей углеродом (0, 65…0, 95 %) и азотом (0, 35…0, 40 %) ведется в печах непрерывного действия в газовой среде из 80…90 % зндогаза, 5…8 % природного газа; 2…7 % аммиака при 840…870 °С. Длительность процесса при 850 °С для получения слоя 0, 5…0, 7 или 0, 8…1, 0 мм составляет соответственно 5 и 9 ч. Далее детали несколько подстуживают до 820...830°С и проводят ступенчатую закалку с охлаждением в масляной или щелочной ванне (" горячая'' среда с температурой 170…190°С), а затем низкий отпуск при 160…180°С. Нитроцементация может проводиться в шахтных печах с подачей каплями жидкого триэтаноламина (С₂Н₃О)N.

Азотирование деталей из легированных сталей. Процесс азотирования применяют для деталей, работающих на износ и воспринимающих знакопеременные нагрузки (детали дизелей, авиамоторов и др.). Применение при азотировании имеет специальная сталь 38Х2МЮА и др. С целью ускорения процесса, используют двухступенчатый режим азотирования в диссоциированном аммиаке: I - при 500...520 °С 12 ч (степень диссоциации аммиака 20…40 %}; 2 - при 550…570 °С 42 ч (степень диссо­циации 50…60 %). При этом обеспечивается глубина слоя 0, 5…0, 7 мм и твердость поверхностного слоя по Виккерсу НV 950…1000. После азотирования дополнительную термообработку не проводят. Для азотирования широко применяются шахтные печи. Внутри нагревательной камеры устанавливается герметически закрытая реторта (муфель), в которую из баллона подается аммиак. Аммиак при нагреве диссоциирует с образованием атомов азота и водорода.

Снижение продолжительности азотирования в 1, 6…2, 0 раза достигается в случае применения ионного азотирования в тлеющем разряде. Деталь подключают в качестве катода в цепь постоянного тока высокого напряжения 500…1500 В, а анод помещают над деталями или вокруг них. В герметичную камеру вводят аммиак и поддерживают низкое давление.

Возбуждается тлеющий разряд, атомы азота ионизируются и бомбардируют поверхность детали, нагревая ее до 500…550 °С и насыщая азотом.

Лазерное термоупрочнение. При термической обработке лазерным нагревом используются газовые и твердотельные лазерные установки, которые имеют системы транспортировки и фокусировки луча лазера, механизмы перемещения изделий по заданному режиму. При воздействии лазерного луча на поверхность происходит поглощение и передача энергии высокой концентрации тонкому поверхностному слою, соответствующий нагрев выше Ас₁ и Ас₃, возможно плавление и переход в жидкое состояние тонкого поверхностного слоя. В процессе охлаждения нагретого участка путем теплоотвода холодной массой изделия без применения специальной охлаждающей среды, создается скорость охлаждения до 1000 градусов в секунду (u_охл.> > u_{крит.зак.}), происходит фазовое превращение аустенита в мартенсит, то есть закалка. Непосредственно у поверхности микроструктура состоит из мелкоигольчатого мартенсита, небольшого количества остаточного аустенита и высокодисперсных карбидов. В более глубокой переходной зоне образуется структура из мартенсита, троостита и карбидов.

При лазерной обработке в непрерывном режиме параметрами технологии являются мощность излучения N_изд., диаметр пятна луча D, скорость перемещения V луча относительно обрабатываемой поверхности изделия (по ГОСТ ЕСТД 3.1405-86).

Для деталей из стали 45 при N_изд = 700…1000 Вт, V = 4....12 мм/с, глубина закаленного слоя d=0, 5... 1, 0 мм (по данным ЭНИМС). Штампы из стали У8 обрабатывали при N_изд = 600 Вт, V =12 мм/с, D=3 мм с получением d=0, 9 мм; твердость поверхности составляет НV 950…1100 МПа.