Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
Различные требования к качеству поверхностного слоя и к поведению материала в поперечном сечении детали вызывают необходимость дифференцированной обработки поверхностных слоев для установления там специфических свойств. Если требования к поперечному сечению материала определяются в основном прочностью и надежностью против разрушения, то поверхность часто должна удовлетворять высоким требованиям по износоустойчивости и эрозионной устойчивости, а также обладать достаточным сопротивлением коррозии.
Указанные различные требования к поверхностному слою и поперечному сечению можно удовлетворить без применения наплавок лишь благодаря направленным способам обработки поверхностного слоя. При этом как при образовании в поверхностном слое мартенсита, так и при диффундировании в решетку поверхностного слоя элемента, например азота, в нем происходит увеличение объема. Поэтому в этих областях создаются напряжения сжатия, которые несут с собой соответственно обработанным деталям повышение предела усталости. Различаются способы обработки поверхностного слоя как без его химического изменения (термические способы), так и с химическим изменением этого слоя (термохимические способы).
Термические способы
Способы закалки поверхностного слоя без изменения состава сплава в поверхностном слое основаны на различном температурно-временном режиме охлаждения поверхностного слоя и сердцевины, причем лишь в области поверхностного слоя при заданной закаливаемости материала имеются условия для образования мартенсита. Из сведений о процессах при закалке стали логично получается, что это происходит тогда, когда только поверхность нагревается до аустенитной области, либо когда обеспечивается обусловленная режимом отвода тепла критическая и специфическая для данного материала скорость охлаждения только в поверхностной области. Ограничение нагревания до аустенитной области в поверхностном слое осуществляется путем газопламенной закалки, индукционной закалки и закалки погружением.
Глубина закалки при газопламенной закалке регулируется установкой и подачей горелки. При индукционной закалке это обеспечивается частотой (от 1 до 10 кГц) и мощностью генератора. При помощи горелки можно передавать тепловой поток мощностью 1 кВт/см2, при помощи индукционной закалки до 10 кВт/см2. Высокая стоимость установки ограничивает применение индукционной закалки, которая для каждой детали требует специальных комплектов индукторов (катушек), в основном серийного производства. При закалке погружением детали погружаются в соляные ванны или в ванны расплавленного металла, температура которых выше точки A3 на 100—200 °C и более.
После нагрева поверхностного слоя При любом способе поверхность подвергается закалке распылением (душем) или погружением. Без охлаждения закалочной средой работают при импульсной закалке. Здесь очень тонкие слои поверхности доводятся до температуры аустенитизации путем энергетических импульсов в течение миллисекунд, так что закалка происходит путем отвода тепла через окружающий материал. Для подачи энергии для кратковременного нагревания применяются:
- электронные или лазерные лучи;
- высокочастотные импульсы с частотой 27 МГц.
Структура, возникающая при этих способах закаливания поверхностного слоя, получается чрезвычайно мелкозернистой вследствие URQ-эффекта (ultra rapid quenching) сверхскоростной закалки, который может привести у соответствующих материалов также к стекловидному (амортизированному) затвердеванию металлов.
Способы, при которых нагреванию подвергается только поверхностный слой, таят в себе опасность появления высокого напряжения при имеющемся переходе в поперечное сечение и, наконец, трещин. Эти способы ограничиваются поэтому чаще всего сталями с содержанием углерода максимально 0,7 %. Значительно меньше эта опасность при так называемом O-Ze-способе, бесцементационном способе в противоположность закалке на мартенсит. Здесь нагревается вся деталь, но критическая скорость охлаждения при закалке достигается только в поверхностной зоне или в выступающих частях, например в зубьях, кромках и фланцах.
Химикотермические способы
При способах с изменением состава сплава в поверхностном слое путем диффузии из газообразных, жидких и твердых (Spender) сред следует различать создание закаливаемости в поверхностном слое (науглероживание) и такие способы, при которых твердость в поверхностном слое устанавливается не благодаря процессам превращения, а преимущественно путем образования твердых фаз. При таких способах через контролируемое проведение диффузионных процессов можно значительно точнее отрегулировать глубину закаленного слоя, чем при чисто термических способах.
Важнейшими и широко распространенными способами в этой группе являются цементация и азотирование в различных формах. Также надо упомянуть борирование и диффузионное хромирование, в то время как внесение алюминия (алитирование) служит лишь для повышения коррозионной стойкости.
Цементация. Благодаря цементации в цементируемых сталях, содержание углерода которых находится ниже границы технической закаливаемости (0,25 %), содержание углерода в поверхностном слое настолько повышается, что он может подвергаться закалке на мартенсит. Температуру нагрева в углеродсодержащей среде при этом нужно выбирать так, чтобы материал находился в аустенитном состоянии (γ-область), так как в α-области растворимость углерода слишком незначительна.
Средой науглероживания могут быть порошок, ванны (цианистые ванны) или газообразные углеродистые соединения. Переход углерода в железо происходит в каждом случае через газовую фазу CO2, CH4 или другие углеводороды. Для установления условий науглероживания важным является условие равновесия Будуарда (Boudouard) между С, CO и CO2 или условия равновесия метан—водород между С, CH4 и H2 (рис. 13.1.26, а). Как вытекает из условий равновесия между содержанием CO, температурой и содержанием С в стали, из соотношения СО/СО2, в зависимости от температуры и содержания углерода в стали образуются нейтральные условия или условия для науглероживания или обезуглероживания (рис. 13.1.26, б).
Содержание углерода в поверхностном слое, которое устанавливается в условиях равновесия, обозначается углеродным потенциалом или уровнем содержания углерода. Уровень содержания углерода 0,7% обозначает, что сталь с этим содержанием углерода находится в равновесии с атмосферой. Сталь с содержанием С≤0,7 % науглероживается, сталь с содержанием С≥0,7 % обезуглероживается (рис. 13.1.27).
Так как концентрация углерода в поверхностном слое зависит от активности углерода, то на нее оказывают влияние элементы сплава, поэтому при одинаковых углеродных потенциалах в легированной стали устанавливается иной уровень содержания углерода в поверхностном слое, чем в случае нелегированной стали.
В качестве критерия глубины цементированного слоя принимается глубина закаленного слоя при цементировании (Eht). Как было установлено, это есть расстояние от поверхности до слоя, в котором твердость измеряется величиной HV 550 (по Виккерсу). Эта величина получается при предельном содержании углерода 0,3 %, закалке на мартенсит и при обычной для цементированных частей температуре отпуска 150—180 °С. Глубина цементирования является функцией времени и температуры, так как цементирование подчинено законам диффузии. Зависимость процесса насыщения углеродом от характеристик диффузии изображена ранее в качестве примера расчета диффузионного процесса в части диффузии.
Цементация деталей проводится по различным температурно-временным программам. В простейшем случае закалка проходит непосредственно при температуре цементации (~ 900 °C), причем затем еще осуществляется обработка отпуском (рис. 13.1.28, а). Если после цементирования охлаждение происходит на воздухе или в печи, то свойства поверхности и сердцевины регулируются при заключительных тепловых обработках. Поэтому после охлаждения печи от температуры цементации производится восстановление свойств сердцевины путем нормализации с последующей закалкой поверхностного слоя (рис. 13.1.28, б).
Закалка поверхностного слоя без превращения структуры сердцевины материала возможна с помощью снижения критической точки посредством науглероживания. Наконец, можно осуществлять раздельное закаливание поверхности и сердцевины с помощью соответствующего температурного режима.
Азотирование. При азотировании на поверхность соответствующей стали из выделяющей азот среды посредством диффузии подводится азот. Азотными средами служат соляные ванны или газовые атмосферы.
Для получения свойств тройных соединений Fe-N-C, более благоприятных в сравнении с соединениями Fe-N, к карбонитридам одновременно с азотом подводится также углерод (нитроцементация). Это происходит при азотировании в жидких средах цианистыми солями (CN), при газовом азотировании газом карбюризатора в добавление к аммиачному газу, выделяющему азот, чаще всего в виде эндогаза. При отсутствии углерода, особенно же при обезуглероженных поверхностях, в феррите образуются крупные нитридные иглы, которые могут привести к скалыванию упрочненного слоя.
Для азотирования ионизированным азотом азот ионизируется путем применения тлеющих разрядов или в луче плазмы. Деталь, включенная в качестве катода, принимает положительно заряженные ионы азота значительно быстрее, чем атомы азота в нормальной газовой атмосфере.
Благодаря высокой степени диссоциации азотирование ионизированным азотом возможно даже тогда, когда вместо аммиака (NH3) применяется молекулярный азот (N2). При применении молекулярного азота устраняется образование атомарного водорода и этим исключается опасность, что деталь насытится водородом. Благодаря принятию водорода и из-за рекомбинирования водорода, например, на границах зерен в деталях появляются сильное охрупчивание и межкристаллические трещины (водородная хрупкость).
Как видно из диаграммы Fe-N2, максимальная растворимость в Ct-Fe для азота, находящегося на междоузлиях, составляет 0,1 % (рис. 13.1.29). Азот, расширяющий γ-область, образует с железом различные нитриды. При температуре 590 °C и 2,3 % N2 аустенит распадается на эвтектоид из феррита и нитрид железа (Fe4N), называемый граунит (Graunit). Кубический гранецентрированный Fe4N с обозначением γ-фазы содержит от 5,5 до 6 % N2. Содержание азота в ε-фазе составляет от 8 до 11,2 % N2. Эта ε-фаза (Fe2_3-N) из-за ее хрупкости нежелательна. Так как образование ε-фазы интенсивно возрастает свыше 600 °C, то обработка азотированием производится преимущественно в области температур между 500 и 570 °C. Глубина азотирования регулируется главным образом по длительности азотирования, а не по температуре.
Строение азотированного слоя (рис. 13.1.30) представляет собой на внешней поверхности плохо протравляемый и поэтому часто оказывающийся светлым слой соединений азота от 6 до 10 %. Этот очень тонкий слой толщиной от 5 до 30 мкм содержит соответственно содержанию азота ε-нитрид, γ-нитрид и карбонитрид железа в виде FeхCyN2. К этому тонкому слою из железоазотистых соединений присоединяется диффузионный слой, в котором содержание азота с 0,2-0,5 % с увеличением глубины снижается до исходной концентрации в основном материале. В зоне диффузии азот при закалке после азотирования присутствует преимущественно после принудительного растворения в твердом растворе. Медленное охлаждение способствует возникновению в этой области выделений в виде нитридных иголок.
На поверхности слой соединений чаще всего характеризуется очень узкой пористой кромкой, которая возникает из-за распада метастабильного ε-нитрида.
При этом существует представление, что при этом распаде на дефектах решетки, например на ядрах дислокаций, образуются N-атомы, которые объединяются в молекулы. При возникающих при этом высоких давлениях можно представить себе образование пор. При соответствующем образовании пористой кромки она иногда может быть выгодна для обеспечения режима износа, так как образует места для содержания смазки и может привести к неизменности свойств.
У азотированных деталей наблюдается не только повышение предела выносливости, который устанавливается при всех способах закалки поверхности вследствие создающихся напряжений сжатия, но также вследствие уменьшения микроконцентраций напряжений в надрезах, которые обычно имеются, например, при грубой обработке поверхности. Так, после азотирования у деталей, функционирующих в жестких условиях, например при грубо отшлифованных поверхностях, достигаются динамические прочностные характеристики приблизительно как у полированных поверхностей. Можно предположить, что это уменьшение действия микроконцентраций в надрезе по меньшей мере существенно проявляется благодаря круглым порам в пористой кромке.
По сравнению с другими чисто термическими и химикотермическими способами азотирование отличается особенно высокой стойкостью против деформации детали в процессе эксплуатации. Достигаемая на поверхностях благодаря азотированию твердость зависит от состава сплава основного материала. У стали Cr-Al-Mo достигается твердость HV 0,1 = 1100, у стали Cr-Mo-V HV 0,1 = 900. Азотированная сталь содержит нитридо- или карбонитридообразующие элементы, преимущественно Al, Cr, Mo, V и Ti. С высокой твердостью поверхности, достигаемой благодаря азотированию, необходимо связать хорошую износостойкость сталей (рис. 13.1.31). Наконец, в связи с заменой при азотировании металлизированных слоев обнаруживается повышение коррозионной устойчивости.
Разумным является азотирование также легированных и быстрорежущих сталей, так как они также содержат элементы Cr, Mo и Al. Здесь обработка азотированием создает особенно твердую и устойчивую против отпуска режущую часть (HV 12000), которая не имеет склонности к привариванию (схватыванию).
Для полноты следует упомянуть еще мягкое азотирование, которое служит повышению износостойкости и коррозионной стойкости низколегированных сталей и чугуна. Для этого способа не требуются нитридообразующие элементы. При закалке имеется принудительно растворенный азот. При выдерживании деталей при высокой температуре возникают мелкие игольчатые нитридные выделения, повышающие износостойкость. Этот способ можно применять, например, при изготовлении гильз цилиндров.