Местной упрочняющей обработке пластической деформации подвергаются детали различных форм, размеров и назначений, изготовленные из различных конструкционных материалов — сталей, чугунов, алюминиевых и титановых сплавов и т. п. Особую группу составляют так называемые, «маложесткие детали» — панели, профили, дуги, которые требуют повышенного внимания в процессе упрочнения. Такие детали упрочняют на вибрационных, барабанных или дробеструйных установках с последующим доупрочнением отдельных, особо ответственных или неупрочнен-ных участков средствами местного упрочнения. Силовые детали — цилиндры, балки, коленчатые валы, стойки, рычаги и т. п. — обычно упрочняются поверхностным наклепом как по всем поверхностям, так и по отдельным, заранее определенным участкам. Наиболее часто местному поверхностному упрочнению подвергаются зоны концентрации напряжений (отверстия, шлицы, резьбы, галтели, пазы); а также участки, недоступные при упрочнении в вибрационных, ударно-барабанных, дробеструйных и других подобных установках, а также места деталей, которые после упрочнения поверхности подвергаются последующей механической обработке, приводящей к частичной потере упрочненного слоя.

В настоящее время достаточно широкое распространение получила классификация поверхностей по группам сложности, подвергаемых местному поверхностному упрочнению:

• 1 группа — плоскости (сплошные, с вырезами, с выступами).
• 2 группа — отверстия (прямолинейные и криволинейные, цилиндрические, конусные и фасонные); отверстия круглого и произвольного сечения.
• 3 группа — сложные поверхности (поверхности двойной кривизны, несквозные глубокие отверстия, окантовки и ребра жесткости, резьбовые и шлицевые поверхности).
• 4 группа — сопряженные поверхности, пересечения плоских, сложных или цилиндрических поверхностей, пересечения плоской и цилиндрической поверхностей, фаски и скосы.

Как видно из приведенной классификации, поверхности подвергаемые упрочнению, достаточно разнообразны, и поэтому в качестве параметра, определяющего способ и технологию поверхностного упрочнения, принято принимать именно форму изделия и тип упрочняемой поверхности. Еще одним фактором, влияющим на выбор способа упрочняющей обработки, являются требования по шероховатости обработанной поверхности. В зависимости от способа упрочнения шероховатость после упрочнения может или уменьшаться (например, раскатка отверстий), или увеличиваться (например, дробеструйная обработка).

Способы поверхностного упрочнения могут быть классифицированы по ряду признаков: по скорости деформирования (статические, динамические и комбинированные); по виду трения в контакте инструмента с деталью (контактное вдавливание, трение скольжения, трение качения, трение качения с проскальзыванием); по условиям трения в контакте с обрабатываемой поверхностью (сухое и со смазкой); по форме деформирующих тел (шарики, ролики, тела произвольной формы); по связи деформирующих тел с источниками энергии и движения (с жесткой связью, с упругой связью, с эластичной связью, с отсутствием связи); по способу передачи энергии деформируемым телам (механический, пневматический, гидравлический, электромагнитный, взрывной, комбинированный). Предложенная классификация способов местного поверхностного упрочнения соответствует требованиям ГОСТ 18296–92 и практически полностью охватывает все способы поверхностного упрочнения деталей.

Целесообразность выбора того или иного способа поверхностного упрочнения зависит от ряда факторов формы и геометрических размеров обрабатываемых поверхностей, наличия на предприятии того или иного типа оборудования. Интересные результаты дал метод экспертных оценок (метод анкетирования), результаты которого приведены в работах Б.П. Рыковского и др. На основании анкетирования и применения метода экспертных оценок авторами была предложена схема приоритетности применения того или иного метода для обработки деталей различных групп сложности. Всего ими было проанализировано до 30 % от всех типов деталей, подвергающихся поверхностному упрочнению в отечественной промышленности. Предлагаемые методы расположены по порядку, по степени снижения приоритетности для каждой из групп деталей (основной метод, предлагаемый для данной группы поверхностей, выделен курсивом):

• 1 группа — плоскости — обработка дробью (дробеструйная обработка и пневмодинамическая обработка), накатывание, выглаживание, центробежная обработка, обработка механическими щетками;
• 2 группа — отверстия — раскатывание, дорнование, выглаживание, чеканка, обработка дробью, центробежная обработка;
• 3 группа — сложные поверхности — обработка дробью, накатывание, выглаживание, обработка механическими щетками, чеканка;
• 4 группа — обработка дробью, накатывание, выглаживание, обработка механическими щетками, чеканка.

Интенсивность поверхностной упрочняющей обработки контролируют по изменению физико-механических свойств и состояния поверхностных слоев образцов-свидетелей, изготовленных из тех же материалов, что и обрабатываемый материал. Форма и размеры таких образцов могут быть различны и зависят, в основном, от метода поверхностного упрочнения. Так например, для самого распространенного метода поверхностного упрочнения — обработки дробью используются плоские пластины, а в качестве параметра, определяющего интенсивность поверхностного упрочнения, принимается величина прогиба обработанной с одной стороны пластины. В табл. 9.1 приведены рекомендуемые размеры и величины прогибов этих образцов-свидетелей.

Интенсивность обработки отверстий контролируют по деформации колец после их разрезки шлифовальным кругом толщиной до 1 мм. Толщина колец зависит от способа упрочняющей обработки. При раскатывании и дорновании исходная толщина колец составляет 10 мм. После упрочняющей обработки кольца протачиваются до толщины в 1,5 мм при внутреннем диаметре кольца до 30 мм или до 2 мм при диаметре свыше 30 мм. При обработке дробью толщина стенки кольца сразу принимается равной конечной и, как правило, не превышает 2 мм. Операция поверхностного упрочнения считается успешно выполненной, если расхождение кольца после разрезки составляет не менее 0,8 мм для отверстий диаметром до 30 мм, не менее 1,4 мм для отверстий диаметром 30–50 мм и не менее 2,5 мм для отверстий диаметром в 50–80 мм.

Выбор метода упрочнения поверхности деталей также зависит от технологической схемы обработки. При этом необходимо проанализировать данные о химическом составе и физико-механических свойствах обрабатываемого материала, требования по точности и шероховатости, предъявляемые к детали, наличия и вида покрытия, необходимой степени поверхностного упрочнения. В табл. 9.2 приведены данные об эффективности упрочнения поверхности деталей в зависимости от материала и методов обработки.

Глубина упрочненного — наклепанного — слоя также зависит от способа упрочнения. Так при дробеструйной обработке глубина упрочненного слоя достигает 0,7 мм, при обкатке роликами — до 15 мм.

Поверхностное упрочнение выполняется в качестве заключительной операции на деталях, прошедших механическую и термическую обработку.

* Гладкие образцы, n = 10 циклов в минуту, σ_мах = = 1360 МПа.

Высокая скорость высокочастотного нагрева (сотни градусов в секунду) обусловливает смещение фазовых превращений в область более высоких температур. Следовательно, температура высокочастотной закалки должна быть выше температуры закалки при обычном печном нагреве и тем выше, чем выше скорость нагрева, грубее выделения избыточного феррита в доэвтектоидных сталях. Например, сталь 40 при печном нагреве закаливается с температур 840–860 °С, при индукционном нагреве со скоростью 250 °С/с — с температур 880–920 °С, а при скорости нагрева 400 °С/с — с температур 930–980 °C.

Нагрев под поверхностную закалку может быть произведен токами высокой частоты (ТВЧ) — наиболее распространенный метод или в расплавах металлов или солей, пламенем газовых или кислородно-ацетиленовых горелок, лазерным излучением.

При проведении поверхностной закалки, в основном, различают два способа термической обработки — общая закалка всей поверхности и линейная закалка. В первом случае вся закаливаемая поверхность нагревается одновременно и быстро охлаждается, во втором — нагрев поверхности осуществляется поэтапно с помощью мобильного нагревательного устройства и охлаждается непосредственно за ним следующим спреером — душевым устройством. Разновидности таких закалок различаются по способу относительного движения изделия и нагревающего устройства.

Закалка всей поверхности может осуществляться одним из следующих способов:

· стационарная закалка — изделие и нагревательное устройство неподвижны. Применима для плоских или криволинейных поверхностей малой протяженности, например, торцов стержней, клапанов, а также для цилиндрических поверхностей малой протяженности, например, цапф коленчатых валов;

· круговая закалка — изделие вращается, нагревательное устройство неподвижно. Применима для цилиндрических поверхностей ограниченных размеров — цапф коленчатых и кулачковых валов, крановых болтов и т. п;

· маятниковая закалка — при неподвижном или вращающемся изделии нагревательное устройство совершает возвратно-поступательное движение. Применима для плоских и криволинейных поверхностей малой протяженности — зубчатых венцов, цилидрических поверхностей ограниченных размеров.

Линейная закалка проводится одним из следующих способов:

· непрерывно-последовательная закалка — при этом виде закалки изделие движется в продольном направлении, а нагревательное устройство неподвижно, или наоборот. Применима для плоских или криволинейных поверхностей, а также направляющих станин. В случае индукционного нагрева этому виду обработки подвергаются также цилиндрические поверхности;

· непрерывно-последовательная круговая закалка — то же, что и предыдущий случай с дополнительным — вращательным — движением изделия. Используется при обработке длинномерных цилиндрических поверхностей, валов, осей, крановых болтов и т. п.

· тангециальная непрерывно-последовательная закалка (скользящая закалка) — при неподвижном нагревательном устройстве изделие совершает один оборот. Начало и конец закаленной зоны совпадают. Пригодна только для цилиндрических поверхностей ограниченных размеров, например, колец шарикоподшипников, бандажей и т. п.

Химико-термической обработкой (ХТО) называется термическая обработка, заключающаяся в сочетании термического и химического воздействия с целью изменения состава, структуры и свойств поверхностного слоя стали.

Химико-термическая обработка является одним из наиболее распространенных видов обработки материалов с целью придания им эксплуатационных свойств. Наиболее широко используются методы насыщения поверхностного слоя стали углеродом и азотом как порознь, так и совместно. Это процессы цементации (науглероживания) поверхности, азотирования — насыщения поверхности стали азотом, нитроцементации и цианирования — совместного введения в поверхностные слои стали углерода и азота. Насыщение поверхностных слоев стали иными элементами (хромом — диффузионное хромирование, бором — борирование, кремнием — силицирование и алюминием — алитирование) применяются значительно реже.

Процесс химико-термической обработки представляет собой многоступенчатый процесс, который включает в себя три последовательные стадии:

1. Образование активных атомов в насыщающей среде вблизи поверхности или непосредственно на поверхности металла. Мощность диффузионного потока, т. е. количество образующихся в единицу времени активных атомов, зависит от состава и агрегатного состояния насыщающей среды, которая может быть твердой, жидкой или газообразной, взаимодействия отдельных составляющих между собой, температуры, давления и химического состава стали.

2. Адсорбция (сорбция) образовавшихся активных атомов поверхностью насыщения. Адсорбция является сложным процессом, который протекает на поверхности насыщения нестационарным образом. Различают физическую (обратимую) адсорбцию и химическую адсорбцию (хемосорбцию). При химико-термической обработке эти типы адсорбции накладываются друг на друга. Физическая адсорбция приводит к сцеплению адсорбированных атомов насыщающего элемента (адсорбата) с образовываемой поверхностью (адсорбентом) благодаря действию Ван-дер-Ваальсовых сил притяжения, и для нее характерна легкая обратимость процесса адсорбции — десорбция. При хемосорбции происходит взаимодействие между атомами адсорбата и адсорбента, которое по своему характеру и силе близко к химическому.

3. Диффузия — перемещение адсорбированных атомов в решетке обрабатываемого металла. Процесс диффузии возможен только при наличии растворимости диффундирующего элемента в обрабатываемом материале и достаточно высокой температуре, обеспечивающей энергию необходимую для протекания процесса.

Толщина диффузионного слоя, а следовательно и толщина упрочненного слоя поверхности изделия, является наиболее важной характеристикой химико-термической обработки. Толщина слоя определяется рядом таких факторов, как температура насыщения, продолжительность процесса насыщения, состав стали, т. е. содержание в ней тех или иных легирующих элементов, градиент концентраций насыщаемого элемента между поверхностью изделия и в глубине насыщаемого слоя.

Под цементацией принято понимать процесс высокотемпературного насыщения поверхностного слоя стали углеродом. Так как углерод в α-фазе практически нерастворим, то процесс цементации осуществляется в интервале температур 930–950 °С — т. е. выше α → γ-превращения. Структура поверхностного слоя цементованного изделия представляет собой структуру заэвтектоидной стали (перлит и цементит вторичный), поэтому для придания стали окончательных — эксплуатационных — свойств после процесса цементации необходимо выполнить режим термической обработки, состоящий в закалке и низком отпуске; температурно-временные параметры режима термической обработки назначаются в зависимости от химического состава стали, ответственности, назначения и геометрических размеров цементованного изделия. Обычно применяется закалка с температуры цементации непосредственно после завершения процесса химико-термической обработки или после подстуживания до 800–850 °С и повторного нагрева выше точки А_С3 центральной (нецементованной) части изделия. После закалки следует отпуск при температурах 160–180 °С.

Цементация как процесс химико-термической обработки, в основном, применяется для низкоуглеродистых сталей типа Ст2, СтЗ, 08, 10, 15, 20, 15Х, 20Х, 20ХНМ, 18ХГТ, 25ХГТ, 25ХГМ, 15ХГНТА, 12ХНЗА, 12Х2Н4А, 18Х2Н4ВА и др., однако в ряде случаев может быть использована при обработке шарикоподшипников — стали ШХ15, 7Х3 и коррозионностойких сталей типа 10Х13, 20Х13 и т. д. Стали, рекомендуемые для цементации, должны обладать хорошей прокаливаемостью и закаливаемостью цементованного слоя, которые должны обеспечить требуемый уровень прочности, износостойкости и твердости. Прокаливаемость сердцевины должна регулироваться в весьма узком диапазоне твердостей, который составляет 30–43 HRC_Э. Учитывая длительность процесса цементации и высокую температуру процесса, рекомендуется при этом виде химико-термической обработки использовать наследственно мелкозернистые стали, размер зерна которых не должен превышать 6–8 баллов. В противном случае в ходе цементации отмечается значительный рост зерна сердцевины изделия, что приводит к снижению его эксплуатационных свойств.

Цементация производится в углероднасыщенных твердых, жидких или газообразных средах, называемых карбюризаторами, основные составы которых приведены в табл. 9.3, а в табл. 9.4 и 9.5 даны рекомендации по режимам термической обработки цементованных изделий.

При твердофазной цементации процесс ведут следующим образом. Цементуемые детали упаковываются в цементационные ящики таким образом, чтобы их объем, в зависимости от сложности конструкции детали, занимал от 15 до 30 % объема цементационного ящика. Ящики загружают в печь, нагретую до температур от 600–700 °С и нагревают до температуры цементации — 930–950 °С. По окончании процесса цементации ящики вынимаются из печи — охлаждение деталей ведется внутри цементационных ящиков на воздухе. К числу недостатков цементации в твердых карбюризаторах относятся: невозможность регулирования степени насыщения и невозможность проведения закалки непосредственно после цементации, дополнительный непродуктивный расход энергии на прогрев цементационных ящиков и т. п. Однако простота метода, возможность проводить процесс на стандартном печном оборудовании без установки дополнительных устройств делают этот метод весьма распространенным в условиях мелкосерийного производства в ремонтных цехах и на участках крупных предприятий. Цементация в жидкофазном карбюризаторе применяется для мелких деталей. К недостаткам этого процесса относятся неравномерность глубины цементованного слоя и необходимость частых регенераций углероднасыщенного расплава. В случае серийного и крупносерийного производства цементованных изделий наибольшее распространение получила цементация в газообразных карбюризаторах. Этот метод обеспечивает наибольшую равномерность по толщине и свойствам цементованного слоя, снижает время, затрачиваемое на процесс химико-термической обработки, а в ряде случаев позволяет производить закалку изделий непосредственно после цементации. В последнее время получил распространение процесс вакуумной цементации. Печи для вакуумной цементации состоят из нагревательной камеры, снабженной вентилятором для обеспечения интенсивной циркуляции воздуха, закалочного бака и транспортных устройств. Подготовленные для вакуумной цементации детали помещают в нагревательную печь, вакуумируют и нагревают до 1000–1100 °С, затем в печь подается газообразный карбюризатор — очищенный природный газ, пропан или бутан. Этот метод позволяет ускорить процесс цементации, повысить качество получаемого слоя.

Качество процесса цементации оценивается по эффективной толщине цементованного слоя, которая определяется по одному из двух показателей — твердости или структуре слоя. Структура поверхностного слоя цементованной стали состоит из нескольких зон: поверхностной — заэвтектоидной (перлит + цементит), эвтектоидной — перлитной и доэвтектоидной — перлито-ферритной. Эффективную толщину цементованного слоя по структуре принято измерять на металлографических шлифах в отожженном состоянии при увеличениях от 100 до 500 раз. Границей цементованной зоны считается структура состоящая из 50 % перлита и 50 % феррита, что соответствует концентрации углерода равной 0,4 масс. %.

В случае, когда за критерий оценки толщины цементованного слоя принимается твердость или микротвердость после цементации, то оценка ведется на термически обработанных образцах, а за конец цементованного слоя принимается зона с твердостью 50 HRC_Э или 540–600 НV (табл. 9.6).

Существует еще один приблизительный метод оценки глубины цементованного слоя. Метод оценки изломов проб в закаленном состоянии, а также данные о влияние температуры и продолжительности цементации на глубину слоя по излому закаленных проб приведены в табл. 9.7. Такой метод является одним из старейших при оценке глубины цементованного слоя, используется при твердофазной цементации и состоит в следующем. В середине передней стенки цементационного ящика вставляются пробные прутки, которые время от времени извлекают и закаливают; по излому судят о глубине цементованного слоя.

Примечание:

Метод оценки по излому закаленных проб

1* — углеродистые стали, 2* — легированные стали.

Под азотированном подразумевается процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стального изделия или детали азотом при нагреве в соответствующей среде. Целью азотирования являются повышение твердости поверхности изделия, выносливости и износостойкости, стойкости к появлению задиров и кавитационным воздействиям, повышение коррозионной стойкости в водных средах и атмосфере.

Азотированию подвергаются самые разнообразные по составу и назначению стали — конструкционные и инструментальные, жаропрочные и коррозионностойкие, спеченные порошковые стали, а также ряд тугоплавких материалов (табл. 9.8 и 9.9).

Азотирование проводится при температурах значительно ниже температур цементации и температур фазовых превращений, поэтому иногда этот процесс называют низкотемпературной химико-термической обработкой или низкотемпературным азотированном. Температура процесса азотирования обычно не превышает 600 °С. Однако следует отметить, что в последние годы все большее распространение получает процесс высокотемпературного азотирования (600–1200 °С). Этот процесс применяют для насыщения азотом поверхностей деталей из ферритных и аустенитных сталей, ряда тугоплавких металлов — титана, молибдена, ниобия, ванадия и т. д.

*¹ Процесс кратковременного азотирования при 570 °С — вместо жидкого азотирования. Разбавление аммиака азотом уменьшает хрупкость слоя.

*² Применение эндогаза при температурах ниже 700 °С — взрывоопасно. Требуется принятие специальных защитных мер.

*³ Степень диссоциации аммиака — 30–60 %.

*⁴ Антикоррозийному азотированию подвергают изделия, изготовленные из углеродистых сталей, работающих в условиях атмосферной коррозии.

Процесс низкотемпературного азотирования проводят, в основном, в газовых средах — смеси азота и аммиака, диссоциированного аммиака и т. д. Для активизации процесса в насыщающую среду могут быть введены кислород или воздух. Достаточно широкое применение нашли среды, где азот-насыщенные среды дополняются углероднасыщенными, — то есть среды, где кроме диссоциированного аммиака присутствуют природный или светильный газ, эндогаз, пары спирта или керосина и т. п.

Для азотирования в жидких средах, которое также называют «мягким азотированием» или «тенифер-процессом» применяют расплавы цианид-цианатных солей или ванны на основе карбамида. Однако жидкое азотирование не получило широкого распространения из-за токсичности процесса, высокой стоимости используемого оборудования и используется, в основном, для обработки инструментов из быстрорежущих или высоколегированных инструментальных сталей. Подогретые инструменты выдерживают в ванне при 530–560 °С в течение 10–100 мин — в зависимости от типа инструмента, а затем охлаждают на воздухе. Необходимо строго следить за химическим составом насыщающего состава, так как полная азотирующая способность ванны устанавливается только в том случае, когда содержание цианатов составляет около 40 % от начального содержания в расплаве цианидов.

Термическая обработка инструментальных сталей после азотирования производится по следующему режиму: закалка с температур 1000–1050 °С и затем, для повышения ударной вязкости, первый отпуск выполняется при температуре 350 °С, а последующие — при 560 °С.

Нитроцементация или цианирование стали — процессы химико-термической обработки, заключающиеся в высокотемпературном насыщении поверхности изделия азотом и углеродом. Причем процесс совместного насыщения поверхности азотом и углеродом в жидких ваннах принято называть цианированием, а насыщение в газообразных средах — нитроцементацией,

Процесс нитроцементации обычно ведут при температурах 820–860 °С в средах эндогазов и эндоэкзогазов с добавками природного газа (метана) и аммиака. Чем больше толщина требуемого слоя насыщения, тем меньше должно быть содержание аммиака и метана и выше температура химико-термической обработки. Для получения слоя толщиной около 0,2 мм при температуре нитроцементации 800–820 °С в атмосферу печи добавляют 6–15 % аммиака и около 5 % метана. Для получения слоя 0,5–1,0 мм температура нитроцементации повышается до 860–880 °С , а содержание аммиака и метана снижаются соответственно до 0,6–1,3 % и 0,5–0,8 %.

Основное назначение процесса нитроцементации — повышение твердости, контактной выносливости, износостойкости и предела выносливости изделий. Основной температурой процесса считается 860 °С. При оптимальных условиях насыщения структура нитроцементованного слоя состоит из мартенсита, небольшого количества равномерно распределенных частиц карбонитридов и 25–30 % остаточного аустенита, обеспечивающего хорошую прирабатываемость. Содержание углерода на поверхности составляет 0,7–0,9 %, азота — 0,3–0,4 %. Эффективная толщина насыщаемого слоя не должна превышать 1 мм, так как при большей толщине в структуре слоя появляются фазы, резко снижающие предел выносливости и контактную выносливость материала.

Цианирование проводят при температурах от 800 до 950 °С в расплавах, содержащих цианистые соли, причем с повышением температуры химико-термической обработки доля углерода в слое растет, а азота — понижается. Структура насыщенного слоя после цианирования оказывается аналогичной структуре слоя после нитроцементации. Химические составы основных расплавов для цианирования приведены в табл. 9.10.

* В скобках дан рабочий состав ванн для цианирования.

Цианистый натрий в расплаве солей окисляется кислородом воздуха с протеканием реакций:

2NaCN + О₂ ® 2NaCNO, (1)

2NaCNO + О₂ ® Na₂C₃ + CO + 2N, (2)

2CO ® CО₂ + С (3)

Полученные в результате реакций (2) атомарный азот и (3) атомарный углерод диффундируют в железо. Следует иметь в виду, что активность ванн в процессе цианирования изделий постепенно снижается. Для поддержания скорости течения процесса следует периодически добавлять в расплав цианистый натрий.

Цианирование применяется для изделий из низкоуглеродистых и низколегированных сталей и используют для повышения их поверхностной твердости, износостойкости, предела выносливости при изгибе и контактной выносливости.

Среди главных достоинств цианирования — относительно небольшая длительность процесса химико-термической обработки, малые деформации и коробления детали в ходе процесса насыщения, малые потери тепла. Главным же недостатком процесса цианирования является высокая токсичность применяемых расплавов и, следовательно, существуют экологические проблемы. Отсюда следует необходимость строительства изолированных помещений, установка в них систем вентиляции и очистки воздуха.

Термическую обработку изделий после цианирования — закалку — проводят непосредственно из ванн, а затем дают низкий отпуск при температурах порядка 180–200 °С. Твердость насыщенного слоя после термической обработки находится в пределах 58–64 HRC_Э.

Основными дефектами процессов насыщения поверхностных слоев изделий углеродом и азотом являются отслаивания; грубозернистый излом и хрупкость; магкая поверхность; крайне малая толщина насыщенной пленки и снижение твердости; повышенная хрупкость.

Отслаивания. Это явление, в основном, присуще насыщению поверхности стали углеродом и связано со слишком низкой температурой цементации, когда содержание углерода по направлению к сердцевине выравнивается очень медленно или при слишком быстром нагреве, когда содержание углерода очень резко снижается по мере удаления от поверхности изделия. Такие резкие переходы, а также очень крупное зерно в наружной зоне вызывают (за счет возникновения напряжений отрыва) отделение цементованного слоя от сердцевины изделия в виде отслаивающейся оболочки.

Грубозернистый излом и хрупкость. Грубозернистость цементованного слоя может быть обусловлена перегревом или передержкой при закалке, а также переизбытком углерода в поверхности изделия из-за слишком высокой или колеблющейся температуры цементации. Эти дефекты могут быть устранены повторной закалкой. Грубозернистость сердцевины может быть обусловлена закалкой с температуры цементации при отсутствии последующего измельчения зерна, слишком низкой температурой закалки, при использовании углеродистых и низколегированных сталей — завышенными размерами деталей, что приводит к недостаточной прокаливаемости сердцевины.

Мягкая поверхность. Мягкие пятна на поверхности цементованных изделий могут быть обусловлены рядом нарушений процесса цементации, например, возникновением пустот (в отсутствии карбюризатора) при набивке деталей в цементационный ящик, а при газовой цементации — возникновением на поверхности детали корки графита. Другими причинами локального снижения твердости цементованного слоя могут быть дефекты закалки, связанные с обезуглероживанием, недостаточной скоростью охлаждения или возникновения паровой рубашки при охлаждении с температуры закалки. Для углеродистых сталей, характеризующихся малой закаливаемостью, такой дефект может быть устранен повышением скорости охлаждения при закалке, например, охлаждением детали в растворах солей.

Сплошная мягкая пленка может образоваться на поверхности высоколегированных сталей при их переуглероживании за счет образования при нагреве под закалку поверхностного слоя аустенита, сохраняющегося до комнатных температур. Для устранения такого дефекта необходимо провести гомогенизацию и понизить температуру закалки изделия.

В случае азотирования изделий мягкая поверхность или мягкие пятна на поверхности могут вызываться азотированием необезжиренных деталей.

Повышенная хрупкость и склонность к выкрашиванию азотированного слоя может быть связана с азотированием обезуглероженной поверхности, которая могла образоваться на детали в процессе горячей обработки давлением, термической обработке. Такой слой должен быть удален с помощью механической обработки. Также следует иметь в виду, что твердость поверхности при азотировании несколько ниже твердости слоя, лежащего непосредственно под поверхностью, поэтому при азотировании высоконагруженных деталей рекомендуется провести удаление поверхностного азотированного слоя шлифовкой и притиркой до сборки конструкции.

Нарушения температурного режима при азотировании также могут привести к возникновению ряда дефектов на насыщенной поверхности изделия. Так, слишком низкая температура процесса дает крайне малую толщину насыщенной пленки, причем такой дефект не выявить обычными методами контроля (проверкой твердости азотированного слоя), однако он крайне негативно отражается на эксплуатационных свойствах изделия. Подобный дефект может быть устранен повторным азотированием при правильной температуре процесса. Завышенные температуры азотирования применимы только для быстрорежущих и нержавеющих сталей, в других случаях они приводят к снижению твердости поверхности, которая уже не может быть восстановлена повторными азотированиями.

Борирование — процесс химико-термической обработки, состоящий в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали бором при высокотемпературной выдержке в соответствующих насыщающих средах. Это один из наиболее эффективных и универсальных процессов химико-термической обработки. Борированию могут подвергаться стали перлитного, ферритного и аустенитного классов.

Борирование может осуществляться в твердых, жидких (электролизное и безэлектролизное борирование) и газообразных средах (табл. 9.11). При борировании в твердых средах, обрабатываемые детали помещаются в герметически закрываемые контейнеры, называемые боризаторами. Процесс твердофазного борирования, или борирования в порошковых средах, осуществляется в вакууме или водородных средах. Жидкофазное (безэлектролизное) борирование применяют только в случае обработки деталей сложной конфигурации, а электролизное, как более экономичное широко используется для широкого спектра изделий простых форм различного назначения. В качестве анода при электролизном борировании применяют графитовые стержни, напряжение постоянного тока в процессе борирования колеблется в пределах 6–24 В. Наиболее низкотемпературным процессом борирования является химико-термическая обработка деталей в газообразных средах, однако взрывоопасность и токсичность применяемых сред ограничивает возможности этого, безусловно прогрессивного, способа химико-термической обработки.

Углерод в процессе борирования оттесняется от поверхности стали и в насыщаемой зоне образуется зона сплошных боридов, химический состав форма и структура которых напрямую зависит от химического состава стали. Углерод и легирующие элементы уменьшают глубину насыщаемого слоя, чем выше их содержание, тем меньше глубина борирования.

* Карбид бора используется в порошкообразном виде.

Углерод, вытесненный из поверхностного слоя, образует собственную зону повышенной концентрации, которая располагается непосредственно за слоем боридов. По ширине такая зона оказывается значительно шире боридной и ее размеры определяются наличием или отсутствием в стали карбидообразующих элементов. Карбидообразующие элементы, резко снижая скорость диффузии углерода, уменьшают ширину слоя с повышенным содержанием углерода, некарбидообразующие практически не оказывают влияние на ее размеры.

В ряде случаев выполняется многокомпонентное борирование, когда совместно с насыщением бором дополнительно производится насыщение поверхности детали другими элементами — хромом, алюминием, кремнием и т. д. такое насыщение производится для повышения коррозионной стойкости и износостойкости поверхностного слоя детали, однако, полученные результаты повышения стойкости не так велики, чтобы эти процессы нашли широкое распространение.

Силицирование — процесс химико-термичес-кой обработки, состоящий в высокотемпературном (950–1100 °С) насыщении поверхности стали кремнием. Силицирование повышает коррозионную стойкость стали в различных агрессивных средах — морской воде, растворах кислот, увеличивает окалиностойкость изделий до 800—1000 °С. В ряде случаев силицирование используется для придания детали антифрикционных свойств. Силицирование может производиться в газообразных и жидких средах как электролизным, так и безэлектролизным методом. Основные составы насыщающих сред и режимы силицирования по данным М. Ю. Лахнина приведены в табл. 9.12.

* Плотность тока при электролизе от 2,5 до 3,0 кА/м².

Насыщение поверхности стали металлами в ходе их высокотемпературной химико-термической обработки в соответствующих насыщающих средах называется диффузионной металлизацией. Целью такого вида химико-термической обработки является изменение состава, структуры и свойств поверхностного слоя стали путем введения в него таких металлов, как хром, алюминий, цинк, вольфрам, ванадий, ниобий. Диффузионная металлизация, в зависимости от насыщающего элемента, может проводиться в диапазоне температур от 1400 до 700 °С. Техническое исполнение этого вида химико-термической обработки может быть вы-полнено рядом способов, например, погружением обрабатываемой детали в ванну с расплавленным металлом. Такой метод применим в том случае, когда температура плавления насыщающего металла оказывается значительно ниже температуры плавления стали. В случае необходимости насыщения поверхности стальной детали тугоплавкими металлами возможно использование погружения детали в расплавы солей насыщающего металла, насыщения поверхности детали из газовой фазы, состоящей галогенидов диффундирующего металла, диффузии насыщающего металла путем его испарения из сублимированной фазы, метода циркуляционного газового насыщения и т. п.

Подобная химико-термическая обработка может включать в себя как насыщение только одним элементом, например, насыщение поверхности детали хромом — хромирование, насыщение алюминием — алитирование, так и насыщение группой металлов — хромоалитирование (одновремен-ное насыщение хромом и алюминием), одновременное насыщение поверхности детали металлами и неметаллами — карбохромирование (насыщение поверхности углеродом и хромом). Совместное насыщение поверхности детали рядом элементов может проводиться как одновременно, так и последовательно.

В результате диффузионной металлизации в поверхности стали возникают слои высоколегированных твердых растворов диффундирующих элементов в железе, создавая принципиально иные физико-химические свойства поверхностных, защитных слоев изделия.

Алитированием — называется режим химико-термической обработки, состоящей в насыщении поверхности стали алюминием в соответствующих насыщающих средах. Как правило алитирование производится при температурах 700–1100 °С. Целью алитирования является повышение окалиностойкости изделий (до 800–900 °С), коррозионной стойкости в атмосферных условиях и морской воде.

В основном, алитированию подвергаются малоуглеродистые стали (так как углерод резко снижает глубину алитированного слоя. При алитировании в течение 12 ч при 1100 °С у стали с 0,06 % углерода толщина слоя составляет 1 мм, у стали с 0,38 % углерода — менее 0,9 мм, при температуре 850 °С — 0,17 и 0,14 мм соответственно). Содержание алюминия в насыщенном слое может достигать 40–50 %, однако при превышении его концентрации 30% отмечается повышенная хрупкость слоя и для выравнивания его концентрации по сечению поверхностного слоя обычно выполняется термическая обработка.

В табл. 9.13 приведены основные составы сред и режимов алитирования.

* Приспособления для алитирования (ящики, контейнеры) подобны ящикам для цементации.

** Железо в расплав вводится во избежание растворения поверхности детали.

Так как углерод практически нерастворим в алитированном слое, то он оттесняется вглубь от поверхности детали, образуя под насыщенным алюминием слоем зону, обогащенную углеродом.

Хромирование — способ химико-термической обработки, состоящий в высокотемпературном (900–1300 °С) диффузионном насыщении поверхности обрабатываемой детали хромом в насыщающих средах с целью придания ей жаростойкости (до 800 °С), коррозионной стойкости в пресной и морской воде, растворах солей и кислот, эрозионной стойкости. Диффузионное насыщение поверхности стали хромом, также уменьшает скорость ползучести материала повышает его сопротивление термическим ударам. Хромирование также повышает предел выносливости стали при комнатных и повышенных температурах, что связано с возникновением в слое сжимающих напряжений.

Хромированию подвергаются стали различных классов — ферритных, перлитных и аустенитных, сталей различного назначения.

Структура хромированного слоя напрямую зависит от содержания в стали углерода. Если в малоуглеродистых сталях этот слой обычно состоит из твердого раствора замещения хрома в a -железе, то в случае высокоуглеродистых материалов может образовываться слой карбидов, состоящий, например, для сталей с 0,8–1,0 % углерода из карбидов Сr₂₃С₆, расположенных в верхних слоях насыщенной хромом поверхности и карбида Cr₇С₃ лежащего ниже. Под карбидными слоями располагается эвтектоидный слой, состоящий из троостита и карбида Cr₇С₃. Кроме углерода на параметры хромированного слоя влияет легирующий комплекс стали. Все карбидообразующие элементы — вольфрам, молибден, титан, ванадий и т. д. — увеличивают глубину хромированного слоя; элементы, расширяющие аустенитную область, — никель, кобальт — уменьшают глубину хромирования. Это связано с особенностями диффузии хрома в a -Fe и g -Fe. С одной стороны, скорость диффузии атомов хрома в a -железе значительно выше, чем в аустените, с другой, — при легировании вольфрамом, молибденом и другими карбидообразующими элементами содержание хрома в стали в исходном, до химико-термической обработки, состоянии превосходит его концентрацию в сталях углеродистых или легированных, например только никелем.

В табл. 9.14 приведены основные составы сред и режимов хромирования. Наиболее широко применяется метод диффузионного хромирования в порошках, содержащих хром или феррохром и активные добавки в виде галогенидов аммония (контактный метод). При этом подвергающиеся химико-термической обработке детали укладываются в специальные контейнеры (ящики) с двойными крышками для повышения герметичности и подвергаются высокотемпературным нагревам в соответствующих (табл. 9.14) смесях в течение 6–12 ч. Особо широкое применение этого метода объясняется простотой применяемого оборудования, отсутствием необходимости создания специальных производств и участков.

Вакуумное хромирование производится путем осаждения паров хрома на поверхность обрабатываемой детали разогретой до температур 1000–1100 °С при остаточном давлении 10^–2–10^–3 мм рт. ст. Этот метод привлекателен тем, что не требует в ходе химико-термической обработки применения агрессивных веществ, позволяет получать наиболее высококачественные поверхности деталей и может применяться для производства деталей ответственного назначения.

Газовое неконтактное хромирование ведется в ретортах, в печах с вращающейся ретортой или шахтных печах, в специальных контейнерах с нагревом в обычных нагревательных печах. Нагрев деталей осуществляется до температур порядка 1000–1100 °С в нейтральной или восстановительной среде или вакууме при остаточном давлении 10^–3–10^–5 мм рт. ст. В процессе химико-термической обработки через слой порошкообразного хрома или феррохрома пропускают соляную кислоту НСl или (НСl + Н₂), или газообразный Сl₂ — хромирование осуществляется за счет переноса атомов хрома соединением СrСl₂. Кроме хлорида хрома могут быть использованы его другие галогениды, в частности, одной из лучших сред для газового хромирования считается иодид хрома — CrI₂.

Кроме однокомпонентного насыщения поверхности стали хромом достаточно широкое применение нашли процессы совместного насыщения: углеродом и хромом — карбохромирование, хромом и кремнием — хромосилицирование, хромом и алюминием — хромоалитирование.

Карбохромирование — это процесс последовательного насыщения поверхности детали углеродом, а затем хромом, способствующий повышению твердости, износо- и жаропрочности, коррозионной стойкости материала. Режимы и способы данной химико-термической обработки соответ-ствуют режимам и способам цементации и хромирования изделий.

Хромосилицирование — это одновременное насыщение поверхности детали хромом и кремнием. Температура хромосилицирования составляет, в зависимости от состава обрабатываемого материала и способа хромосилицирования, 900–1200 °С. Детали, подвергшиеся хромосилицированию, по сравнению с хромированными деталями, обладают повышенной окалиностойкостью и кислотостойкостью, повышенным сопротивлением эрозии в области высоких температур.

Хромоалитирование — это совместное или последовательное насыщение поверхности детали хромом и алюминием. Температура процесса находится в пределах 900–1200 °С. Хромоалитирование проводится для создания в поверхности детали слоев с повышенной, по отношению к хромированным деталям, жаростойкостью, достигающей 900 °С, и эрозионной стойкостью. В зависимости от требований, предъявляемых к обрабатываемому изделию, и меняя состав насыщающей среды, возможно получение хромоалитированных слоев в различными соотношениями в концентрациях диффундирующих элементов.

Титанирование — процесс диффузионного насыщения поверхности сталей титаном. Насыщение осуществляется при температурах порядка 1100 °С, глубина насыщения обычно не превышает 0,3 мм. С помощью титанирования стальным деталям придается исключительно высокая коррозионная стойкость, характерная для титана главным образом в средах различных кислот. Титанирование может проводиться в твердых (порошкообразных), жидких и газообразных насыщающих средах. Процесс по технологическим и химическим особенностям близок к хромированию — так же, как при хромировании, в поверхностных слоях малоуглеродистых сталей в процессе насыщения их титаном создается a -твердый раствор титана в железе, который содержит до 30 % титана. Также возможно образование в поверхностном слое сталей интерметаллидного соединения TiFе₂. В сталях с высоким содержанием углерода в поверхностных слоях дополнительно образуются карбидные соединения, резко повышающие твердость насыщенного слоя.

Цинкование — процесс диффузионного насыщения поверхности детали цинком. Химико-термические методы цинкования включают в себя горячее цинкование или цинкование погружением, цинкование в порошке цинка — шерардизация, цинкование в парах цинка. Кроме этих методов используется электролитическое цинкование, металлизация напылением и нанесение цинкосодержащих красок. Цинкование — процесс, способствующий резкому повышению коррозионной стойкости. Повышение коррозионной стойкости при цинковании стальных деталей достигается за счет двух химических процессов: цинк, по отношению к железу являясь электроположительным металлом, тормозит коррозию поверхности детали. Под воздействием атмосферной влаги на цинкованной поверхности стальной детали образуется слой карбонатов и оксидов цинка, оказывающий также защитное действие. Температура цинкования зависит от способа проведения операции. Так, при цинковании в порошках температура процесса колеблется в пределах 370–430 °С, при цинковании погружением — 430–470 °С. Также широк интервал времен выдержек при цинковании. Если при цинковании в порошковых смесях слой толщиной около 0,1 мм достигается в среднем за 10 часов, то при цинковании погружением толщину слоя в 0,3 мм получают в первые 10 секунд процесса.

Цинкование в парах цинка осуществляется в восстановительной среде водорода при температурах 850–880 °С и давлении около 80 мм водяного столба. Время такого процесса достаточно велико и обычно составляет десятки часов. Толщина полученных слоев обычно не превышает 0,1–0,2 мм.

В зависимости от режима насыщения в диффузионном слое на поверхности железа может образоваться η-фаза (твердый раствор железа в цинке), далее слой интерметаллидных фаз FeZn₁₃, FeZn₇, Fe₃Zn₁₀, а ближе к сердцевине — твердый раствор цинка в железе.

Для повышения коррозионной стойкости различных изделий (листы, трубы, проволока, посуда, аппаратура для получения спиртов, холодильников, газовых компрессоров и т. д.) чаще применяют цинкование путем погружения изделий в расплав цинка.