Поверхностное упрочнение стальных деталей

или изделия разрушению или остаточной деформации.

Упрочнение характеризуется степенью Упрочнения –

показателем относительного повышения значения заданного параметра сопротивляемости материала разрушению или остаточной деформации по сравнению с его исходным значением в результате упрочняющей обработки, а также (в ряде случаев) глубиной Упрочнения (толщиной упрочнённого слоя). Упрочнение обычно сопровождается снижением пластичности. Поэтому практически выбор способа и оптимального режима упрочняющей обработки определяется максимальным повышением прочности материала при допустимом снижении пластичности, что обеспечивает наибольшую конструкционную прочность.

Упрочнение — повышение сопротивления заготовки (детали) разрушению или деформации. В зависимости от условий эксплуатации детали имеют тот или иной вид разрушения, а следовательно, их конструкционная прочность будет определятся различными характеристиками конструкционной прочности материала (КПМ).

обработки деталей без снятия стружки, при котором пластически деформируется только

поверхностный слой деталей.

В результате ППД уменьшается шероховатость поверхности, увеличивается твердость (микротвердость) металла, в поверхностном слое детали возникают сжимающие остаточные напряжения.

и ударного (б) и (в) ППД

достижения определенного значения Г рост практически прекращается.

Зависимость от степени

деформации сдвига «Г» определяется опытами на растяжение, сжатие или др., однако, согласно гипотезе о единой кривой упрочнения , эта зависимость будет справедлива и для ППД.

метода.
повышается выносливость деталей в 1,5—2,3 раза, сопротивление схватыванию, контактная

выносливость, и другие эксплуатационные показатели изделия.

Особенности (специфика):
Для каждого материала имеется такое значение накопленной деформации, превышение которого не приводит к дальнейшему упрочнению металла. Более того, при чрезмерном увеличении произойдет сильное снижение ресурса пластичности металла и, как следствие, снижение эксплуатационных характеристик детали.

частности, при закалке с последующим отпуском.
Улучшению прочностных свойств значительно способствуют

и определённые виды термомеханической обработки (в т. ч. горячий и холодный наклёп).

Термомеханическая обработка (ТМО) относится к комбинированным способам изменения строения и свойств материалов.
При термомеханической обработке совмещаются пластическая деформация и термическая обработка (закалка предварительно деформированной стали в аустенитном состоянии).
Преимуществом термомеханической обработки является то, что при существенном увеличении прочности характеристики пластичности снижаются незначительно, а ударная вязкость выше в 1,5...2 раза по сравнению с ударной вязкостью для той же стали после закалки с низким отпуском.

с нагревом, вьдержкой и охлаждением. Основная задача нагрева стали —

перевод структуры в аустенитное состояние и получение возможно более мелкого зерна.

Термическая обработка включает следующие основные типы: отжиг I рода, отжиг II рода, закалка без полиморфного превращения, закалка с полиморфным превращением, отпуск и старение. Каждый из этих типов термической обработки качественно отличается один от другого характером фазовых и структурных превращений.

стали до температуры аустенитного состояния (выше А3). При этой температуре

осуществляют деформацию стали, что ведет к наклепу аустенита. Сталь с таким состоянием аустенита подвергают закалке.

Высокотемпературная термомеханическая обработка практически устраняет развитие отпускной хрупкости в опасном интервале температур, ослабляет необратимую отпускную хрупкость и резко повышает ударную вязкость при комнатной температуре. Понижается температурный порог хладоломкости. Высокотемпературная термомеханическая обработка повышает сопротивление хрупкому разрушению, уменьшает чувствительность к трещинообразованию при термической обработке.
Последующий отпуск при температуре 100...200°С проводится для сохранения высоких значений прочности.

Высокотемпературная термомеханическая обработка (ВТМО)

при высокой температуре, производят охлаждение до температуры, выше температуры начала

мартенситного превращения (400...600°С), но ниже температуры рекристаллизации, и при этой температуре осуществляют обработку давлением и закалку .

 Низкотемпературная термомеханическая обработка, хотя и дает более высокое упрочнение, но не снижает склонности стали к отпускной хрупкости. Кроме того, она требует высоких степеней деформации (75...95 %), поэтому требуется мощное оборудование. Низкотемпературную термомеханическую обработку применяют к среднеуглеродистым легированным сталям, закаливаемым на мартенсит, которые имеют вторичную стабильность аустенита.
 Повышение прочности при термомеханической обработке объясняют тем, что в результате деформации аустенита происходит дробление его зерен (блоков). Размеры блоков уменьшаются в два - четыре раза по сравнению с обычной закалкой. Также увеличивается плотность дислокаций. При последующей закалке такого аустенита образуются более мелкие пластинки мартенсита, снижаются напряжения.

Низкотемпературная термомеханическая обработка (аусформинг).

насыщения поверхностного слоя одним или несколькими химическими элементами в сочетании

с предварительной или последующей термической обработкой.

При ХТО формируется одно- или многокомпонентный диффузионный слой, обладающий комплексом высоких механических и физико-химических свойств. ХТО включает большое число способов .

Диффузионное насыщение неметаллами (С, N, В) используют для упрочнения поверхности деталей машин и инструментов. Насыщение поверхности металлами (Сг, А1 , Zn ,Ti , Be и др.) или Si и В с металлами применяют для получения защитных покрытий, стойких к коррозии и коррозионно-механическому изнашиванию при нормальных и высоких температурах. Ниже рассмотрены основные способы упрочняющей ХТО.

специальных установках при температуре 1000... 1100 °С в среде метана

с двухступенчатым режимом его подачи. На первой стадии парциальное давление метана составляет 150...400 гПа; поверхность детали интенсивно насыщается углеродом до образования карбидов и вьщеления сажи (углеродный потенциал достигает 100%). На второй стадии метан удаляют из камеры, что стимулирует диффузионное рассасывание углерода в слое. Время процесса существенно сокращается.



Недостатком ВВЦ являются неравномерность науглероживания деталей сложной формы из-за образования застойных зон и неравномерного выпадения сажи, укрупнение зерна и снижение механических свойств слоя и сердцевины.

интенсивной и энергосберегающей технологии. Сущность ее состоит в том, что

детали помещают на катод в газоразрядную камеру, через которую при небольшом расходе (до 0,1 м^/ч) и пониженном давлении (1,3...26 гПа) прокачивают углеродсодержащую газовую смесь (СН4+АГ+Н2).

Между катодом и анодом от специального источника электропитания прикладывают постоянное или пульсирующее напряжение (400...800 В), которое возбуждает тлеющий разряд, ионизирующий газовую среду. Положительные ионы, разгоняясь в прикатодной области, бомбардируют поверхность деталей, очищают ее (за счет катодного распыления) от оксидов и возможных загрязнений и поставляют насыщаемый элемент. Тлеющий разряд в 3—5 раз ускоряет внешний массоперенос [р достигает (350...400) • 10х2 см/с], формирует высокий углеродным потенциал у поверхности и, как следствие, высокий градиент концентрации углерода в приповерхностных слоях.
В результате ускоряется и диффузионный массоперенос; время насыщения при температуре процесса 920...950 °С для получения слоев толщиной 1,0...1,5 мм сокращается до 2—3 ч.

и, как следствие, уменьшение деформации деталей;
гибкость управления составом газовой

среды и электрическими параметрами процесса;
отсутствие внешнего и внутреннего окисления;
возможность замены специальных покрытий, в том числе медных, для защиты отдельных поверхностей от науглероживания путем установки защитных экранов (втулок, пробок и т.п.);
возможность обработки коррозийностойких сталей типа 20X13 за счет удаления оксидной пленки на начальной стадии процесса — катодного распыления;
снижение до 80% расхода газового карбюризатора и до 50% потребления электроэнергии.

поверхности азотом и углеродом, осуществляемый в среде науглероживающего газа и

аммиака. Этот процесс аналогичен цементации и проводится на том же оборудовании.

Продолжительность насыщения 6—7 ч. Нитроцементованный слой имеет мартенситно-аустенитную структуру, содержит 0,7...0,9% С и 0,1...0,3% N. Присутствие азота повышает износостойкость, теплостойкость, выносливость при изгибе, а также контактную долговечность. НЦ более технологична, чем цементация. При ее проведении не требуется подстуживания перед закалкой, увеличивается прокаливаемость слоя, снижаются деформация и коробление деталей.

Важное преимущество ИНЦ — отсутствие внешнего и внутреннего окисления, которое снимает ограничения на толщину диффузионного слоя и допустимую концентрацию азота.

В отличие от цементации и нитроцементации азотирование формирует слой более

твердый (800...1200HV) и в 1,5—4 раза износостойкий, имеющий повышенную (до 450°С) теплостойкость и высокий уровень (600...800 МПа) остаточных сжимающих напряжений, способствующих увеличению предела выносливости гладких образцов на 25...30%, а с концентраторами напряжений — в 2 раза и более. Незначительное коробление является важным преимуществом азотирования.


Такой процесс применяют для упрочнения зубчатых колес, работающих в условиях умеренных контактных нагрузок, кулачковых и коленчатых валов, гильз цилиндров и других деталей.


Недостатки Азотирования - большая длительность (24...90 ч) и небольшая (0,3...0,5 мм) толщина диффузионного слоя, ограничивающая уровень контактных нагрузок.

обеспечения высокой (1500...2000HV) твердости и износостойкости. Износостойкость борированной стали 45

в 4—6 раз выше износостойкости цементованных и в 1,5—3 раза нитроцементованных сталей. Борированному слою свойственна также высокая теплостойкость (до 700 °С), окалино- стойкость (до 800 °С) и коррозионная стойкость в различных агрессивных средах.

Борирование применяют для деталей нефтяных насосов, дисков турбобура, пальцев и втулок гусеничных машин и других деталей, работающих в условиях абразивного изнашивания.

Недостатки борирования — высокая хрупкость слоя и малая его толщина (0,1...0,2 мм). Борированный слой склонен к скалыванию и имеет небольшую несущую способность. В зависимости от технологии получения борированный слой может быть однофазным, состоящим из столбчатых кристаллов борида Fe2B (1500HV), или двухфазным (FеВ+Fе3В), в котором расположенные сверху кристаллы борида FеВ обладают высокой (2000HV) твердостью и хрупкостью.