Теоретический раздел. Разрушение металла под действием статических и динамических нагрузок, трения, усталостных напряжений и коррозии начинается обычно с поверхностных слоев

Разрушение металла под действием статических и динамических нагрузок, трения, усталостных напряжений и коррозии начинается обычно с поверхностных слоев. Поэтому, одним из основных направлений повышения надежности и долговечности машин и механизмов является поверхностное упрочнение нагруженных деталей. Добиться этой цели можно тремя методами: наклепом, термической обработкой и изменением химического состава поверхностных слоев металла. Последний метод упрочнения стальных деталей используют в комбинации с термообработкой и называют химико-термической обработкой (ХТО).

Все виды упрочнения уменьшают абразивный износ деталей (из-за повышения твердости) и склонность к усталостному разрушению (из-за появления остаточных напряжений сжатия в поверхностном слое).

2.1. Поверхностная закалка (закалка с нагревом ТВЧ) – производится для деталей из углеродистых и низколегированных сталей с содержанием углерода 0, 4 – 0, 6% после механической обработки заготовок, подвергнутых отжигу или нормализации. Нагрев поверхностных слоев до 840 – 1020 ⁰С проводится в течение нескольких секунд с помощью токов высокой частоты (500 – 50000 Гц) в индукторе, имеющем форму детали. Последующее охлаждение струями воды приводит к закалке слоя толщиной 0, 5 – 5 мм (зона нагрева выше А_С3). После низкого отпуска, выполняемого для снятия остаточных напряжений, структура упрочненного слоя представляет из себя отпущенный мелкоигольчатый мартенсит с твердостью (HRC=50 – 60). Сердцевина детали, не прошедшая закалку, остается вязкой и имеет структуру троостита, сорбита или перлита с ферритом (HRC=20 – 30). Этот способ используется, главным образом, для упрочнения деталей простой формы в массовом производстве (валики, оси, пальцы и т.д.), отличается высокой производительностью, поддается автоматизации. Упрочнение после закалки ТВЧ сохраняется при нагреве до 200 – 220 ⁰С.

2.2. Цементация – разновидность ХТО, используемая для поверхностного упрочнения деталей из низкоуглеродистых сталей (С≤ 0, 25%), имеющих исходную структуру феррита с небольшим количеством перлита (после нормализации и отжига).

При нагреве деталей до 910 – 930 ⁰С и выдержке при этой температуре в течение 6 – 12 часов в атмосфере СО или СН₄ происходит насыщение стали углеродом (до 1 – 1, 2%). Эффективная толщина цементованного слоя (от поверхности до участков с концентрацией углерода более 0, 45%) составляет 0, 5 – 2 мм. Простейшая термообработка после цементации – закалка и низкий отпуск. В этом случае, структура поверхностного слоя – высокоуглеродистый мартенсит, цементит и остаточный аустенит (HRC=58-62). По мере удаления от поверхности и снижения концентрации углерода твердость мартенсита снижается, на глубине более прокаливаемости стали структура переходит в троостит, сорбит и ферритно-перлитную смесь с пониженной твердостью (HRC=15-20), но высокой вязкостью. Процесс цементации сравнительно длителен, при нагреве и закалке возможно коробление деталей. В случае нагрева в процессе эксплуатации выше 200 – 220 ⁰С цементованный слой разупрочняется.

2.3. Азотирование – способ ХТО, используемый для упрочнения тяжелонагруженных деталей, особенно из сталей, легированных хромом, алюминием, молибденом и другими нитридообразующими элементами (наиболее типичная сталь – 38Х2МЮА). Насыщение поверхностного слоя детали азотом после термического улучшения (закалка, высокий отпуск) и механической обработки проводят в атмосфере NH₃ при температуре 500 – 600 ⁰С. Время обработки для получения упрочненного слоя толщиной 0, 3 – 0, 6 мм составляет 20 – 60 часов.

В структуре стали 38Х2МЮА после азотирования различается светлый нетравящийся слой толщиной 0, 01 – 0, 03 мм из α - и γ - фаз (твердые растворы на основе нитридов с содержанием азота 6 – 12%), ниже – серый слой из смеси α - и γ - фаз с азотистым сорбитом, переходящий в структуру сорбита отпуска с содержанием азота менее 0, 015%.

Твердость азотированного слоя для стали 38Х2МЮА составляет HV 1000 – 1200, для 40Х2НМА и 18Х2Н4ВА - HV 600 – 950.

Помимо более существенного повышения твердости и усталостной прочности, чем при цементации или поверхностной закалке с нагревом ТВЧ, азотирование значительно увеличивает коррозионную стойкость поверхностного слоя. Положительное влияние этого вида обработки сохраняется при нагреве детали до 550 – 600 ⁰С. Однако длительность и стоимость азотирования выше, чем для других способов упрочнения.

Для поверхностного упрочнения различных деталей из конструкционных и инструментальных материалов широко используется цианирование и нитроцементация, представляющая из себя комбинацию цементации и азотирования.

2.4. Борирование – способ ХТО (диффузионная металлизация), используемый для значительного упрочнения поверхности штампов, пресс-форм, втулок грязевых нефтяных насосов и других деталей, работающих в условиях, способствующих ускоренному абразивному износу или смятию. Насыщение поверхности металла бором (до 1% и более) производится чаще всего путем электролиза буры (Na₂B₄O₇) при 600 – 1050 ⁰С. Длительность получения слоя толщиной 0, 1 – 0, 2 мм составляет 2 – 6 часов. После борирования детали обычно подвергают закалке и низкому отпуску (предварительная обработка чаще всего заключается в отжиге для облегчения механической обработки).

В структуре упрочненного слоя наблюдаются светлые нетравящиеся бориды FeB, ниже - Fe₂B. Центральная зона деталей имеет структуру мартенсита отпущенного, иногда бейнита, троостита или сорбита с содержанием бора менее 0, 005%. Борированный слой обладает очень высокой твердостью (HV1800 – 2000), стойкостью по отношению к коррозии, окалинообразованию, нагреву. Однако он довольно хрупкий, часто имеет пористое строение.