Файл: Износа и смазки.pdf

144
Закалка стали сопровождается увеличением ее объема, что при- водит к значительным внутренним напряжениям, которые являются причиной образования трещин и коробления. Трещины являются не- исправимым дефектом, а коробление можно устранить последующей рихтовкой или правкой. По указанным выше причинам закаленные изделия и инструмент подвергают отпуску.
Отпуск заключается в нагреве стали до заданной температуры, выдержка при этой температуре и последующее охлаждение с задан- ной скоростью. Цель отпуска – уменьшение закалочных напряжений, снижение твердости и получение необходимых механических свойств.
В зависимости от температуры нагрева различают три вида отпуска.
Низкий отпуск производится при температуре плюс 120...150°С
(отпуск на отпущенный мартенсит). Его применяют после закалки инструментов, цементованных и цианированных изделий, а также по- сле поверхностной закалки. При низком отпуске уменьшаются оста- точные закалочные напряжения, твердость практически не снижается.
Средний отпуск (отпуск на троостит происходит при нагреве до температур 350...450°С). При этом снижается твердость. Средний от- пуск рекомендуется для пружин и рессор.
Высокий отпуск (отпуск на сорбит) производится при темпера- туре 500...650°С. Применяют в машиностроении для изделий из кон- струкционной стали с целью обеспечения достаточной прочности, вязкости и пластичности. Сочетание закалки с высоким отпуском на сорбит называется улучшением. Эту операцию применяют для сред- неуглеродистых сталей (0,35...0,6 % С).
7.2.4. Термомеханическая обработка стали
Термомеханическая обработка – это совокупность операций пластической деформации и термической обработки, совмещенных в одном технологическом процессе, который включает нагрев, пласти- ческое деформирование и охлаждение. Термомеханическое воздейст- вие приводит к получению структурного состояния, которое обеспе- чивает повышение механических свойств.
Оптимальное сочетание пластической деформации и фазовых превращений приводит к повышению плотности и более правильно- му расположению несовершенств кристаллической решетки металла.

145
Различают два основных вида ТМО: высокотемпературную тер- момеханическую обработку (ВТМО) и низкотемпературную термо- механическую обработку (НТМО).
При ВТМО деформация производится при температуре выше температуры рекристаллизации. Степень деформации 20...30 %. Во избежание рекристаллизации вслед за деформацией незамедлительно производится закалка (1150°С) с последующим низкотемпературным отпуском (100...200°С).
НТМО применяется только для легированных сталей, обладаю- щих значительной устойчивостью переохлажденного аустенита. При
НТМО деформация производится ниже температуры рекристаллиза- ции (400...600°С), степень деформации 75...95 %. Закалку производят сразу после деформации, а затем следует низкотемпературный отпуск
(100...200°С).
Недостатками НТМО являются, во-первых, необходимость ис- пользования мощного оборудования для деформирования, во-вторых, стали после НТМО имеют невысокую сопротивляемость хрупкому разрушению.
Если при обычной термической обработке сталь имеет времен- ное сопротивление при растяжении 2000...2200 МПа, то после ТМО оно достигает 2200...3000 МПа, при этом пластичность увеличивается в два раза (удлинение с 3...4 % повышается до 6...8 %).
7.2.5. Химико-термическая обработка
Химико-термической обработкой (ХТО) называется процесс по- верхностного насыщения стали различными элементами с целью придания ей соответствующих свойств. Химико-термическая обра- ботка получила наибольшее распространение как метод упрочнения поверхностей из-за простоты, доступности и высокой эффективности.
Она отличается от других видов термической обработки тем, что при этой обработке кроме структурных изменений происходят изменения состава и строения поверхности за счет диффузии в нее элементов в атомарном состоянии из внешней среды при высоких температурах.
Основная цель – упрочнение поверхности деталей, повышение твер- дости, износостойкости, усталостной прочности и повышение стой- кости против воздействия агрессивных сред. Толщина упрочненного слоя может превышать 2 мм.

146
К процессам ХТО относятся цементация, азотирование, цианиро- вание, алитирование, хромирование, силицирование, борирование и др.
ХТО характеризуется тремя одновременно протекающими про- цессами. Первый процесс – диссоциация – заключается в распаде мо- лекул и образовании диффундирующего элемента в атомарном со- стоянии. Второй процесс, называемый абсорбцией, представляет со- бой взаимодействие атомов диффундирующего элемента с поверхно- стью изделия и проникновение их в решетку железа. Третий процесс
– диффузия – заключается в проникновении атомов насыщенного элемента в глубь металла.
Рассмотрим кратко некоторые виды ХТО.
Цементация – процесс насыщения поверхности изделия углеро- дом. Цель цементации – придание поверхности твердости при сохра- нении мягкой сердцевины. Обычно цементации подвергают детали из низкоуглеродистой стали, содержащей не более 0,25 % С (сталь ма- рок 10, 15, 20, А 12, 15Х, 25ХГМ и др.), работающие в условиях пе- ременных ударных нагрузок и подвергающиеся износу, например, зубья зубчатых колес, шестерни, втулки, поршневые пальцы и т.д.
Цементация осуществляется в твердом (древесный уголь), жидком
(расплавы солей) и газообразном (углеводороды) карбюризаторах.
Температура цементация 900...970°С. Толщина цементованного слоя от 0,1 до 3...4 мм. Процесс протекает медленно: скорость науглеро- живания порядка 0,1 мм/ч. Однако, если повысить температуру до
950…980 С, процесс существенно ускоряется. Наиболее эффективна газовая цементация с нагревом детали токами высокой частоты.
Азотирование – процесс насыщения стали азотом. Цель азоти- рования – придать поверхности высокую твердость, износостойкость, устойчивость против коррозии и усталостную прочность. Процесс за- ключается в воздействии на сталь аммиака (газовое азотирование) при температуре 500...600°С. Легирующие элементы, входящие в со- став стали (Cr, Mo, V, Al), образуют с азотом стойкие нитриды, обла- дающие высокой твердостью (до НRС 70). Азотированный слой со- храняет свою твердость до 400...600°С, в то время как твердость це- ментированного слоя с мартенситной структурой сохраняется лишь до 200...250°С. Толщина азотированного слоя 0,25...0,75 мм. Азоти- рованию подвергают коленвалы, цилиндры, поршневые кольца, седла клапанов, зубья шестерен. Недостатком метода является увеличение деталей в размере и коробление. Поэтому азотированные элементы

147 деталей подвергают окончательной обработке в виде полирования или шлифования.
Цианирование – насыщение поверхности изделий одновременно углеродом и азотом в расплавленных цианистых солях при темпера- туре 820...950°С.
Различают низкотемпературное и высокотемпературное циани- рование. При низкотемпературном цианировании детали нагревают до 820...860°С в расплавленных солях, содержащих МаСМ, в течение
0,5…1,5 ч, при этом получают слой толщиной 150...350 мкм. Затем производят закалку с последующим низкотемпературным отпуском
(180...200°С). Твердость после термической обработки составляет
НRС 58...62. Такой обработке обычно подвергают детали из средне- углеродистых сталей и инструменты из быстрорежущих сталей.
Для получения более толстого слоя (500...2000 мкм) применяют высокотемпературное цианирование при 930...950°С со временем вы- держки 1,5...6 ч. После такой обработки детали охлаждают на возду- хе, производят закалку и низкотемпературный отпуск.
Цианированию подвергаются ответственные резьбовые соедине- ния, втулки, зубчатые колеса, вилки механизма коробки передач, ро- лики, кулачковые пары. Преимущество цианирования перед цементи- рованием и азотированием – большая скорость процесса и более высо- кий упрочняющий эффект. Недостатком этого процесса является ток- сичность цианистых солей, что вызывает необходимость проводить работу в специальном помещении с соблюдением мер безопасности.
Нитроцементация представляет собой процесс насыщения по- верхностного слоя одновременно углеродом и азотом в газовой среде азота (40 %), водорода (40 %) и оксида углерода (20 %) при темпера- туре 850...870 °С в течение 4...10 ч. Назначение – повышение износо- стойкости, предела выносливости при изгибе, твердости и коррози- онной стойкости. После закалки и низкого отпуска (160...180°С) твердость поверхностного слоя составляет НRС 58...60 и толщина слоя 0,2...0,8 мм. Твердость и толщина поверхностного слоя зависят от температуры и времени выдержки.
Нитроцементацию широко используют в автомобильном и авто- тракторном производстве. Нитроцементация имеет определенные преимущества по сравнению с газовой цементацией – более низкая температура процесса, снижение деформации и коробления и др.
Борированиезаключается в насыщении поверхностного слоя из- делий из низко- и среднеуглеродистых сталей (20, 40, 40Х, 30ХГС

148 и др.) бором при нагревании в боросодержащей среде. Борирование применяют для повышения твердости, износостойкости, коррозион- ной стойкости и окалиностойкости тяжело нагруженных деталей
(нефтяное оборудование, штампы, пресс-формы и др.). Процесс про- водится при температуре 850...950°С в течение 2...6 ч. Поверхност- ный слой состоит из боридов, толщина слоя 0,1...0,2 мм, твердость его НV 1800...2000.
7.2.6. Диффузионная металлизация
Диффузионная металлизация – процесс диффузионного насы- щения поверхности стальных деталей металлами с целью придания их поверхности жаростойкости, коррозионной стойкости, твердости, износостойкости и др. Диффузионная металлизация может осуществ- ляться в твердых, жидких и газообразных средах. Для твердой диф- фузионной металлизации используют ферросплавы с добавлением хлористого аммиака (0,5...5 %). Жидкую диффузионную металлиза- цию проводят, погружая детали в расплавленный металл (А1, Cr и др.). Газовую диффузионную металлизацию проводят в газовых средах – хлоридах различных металлов. Поверхностное насыщение проводится при температурах 900...1200 °С.
Рассмотрим кратко наиболее часто применяемые процессы диффузионной металлизации.
Силицирование – термодиффузионное насыщение поверхности изделия кремнием с целью повышения коррозионной стойкости, жа- ростойкости, износостойкости и кислотостойкости материалов в аг- рессивных жидких и газовых средах. Силицирование применяют, на- пример, для гнезд клапанов, вкладышей подшипников, роторов водя- ных насосов, рубашек цилиндров, трубопроводной арматуры, труб судовых механизмов и др.
Алитирование – процесс насыщения поверхностного слоя стали алюминием для повышения жаростойкости, коррозионной и эрозион- ной стойкости сталей, чугунов и медных сплавов. Алитирование осуществляют в порошкообразных смесях, ваннах с расплавленным алюминием, газовой среде и распылением жидкого алюминия. Наи- большее распространение получило алитирование в порошках с на- сыщением из газовой фазы. На поверхности образуется плотная пленка оксида алюминия (А1 2
О
3
), предохраняющая поверхность от

149 окисления. Алитирование производят при 950…1050°С в течение
3...12 ч. Толщина слоя составляет в среднем 0,2...0,8 мм.
Хромирование – процесс насыщения поверхностного слоя стали хромом, при этом повышается коррозионная стойкость, твердость и износостойкость. Наибольшее применение получило хромирование в порошкообразных смесях феррохрома или хрома, хлористого аммо- ния и оксида алюминия. Хромирование производится при
1000…1050°С в течение 6...12 ч. Толщина получаемого слоя не более
0,2 мм. Хромируют обычно низкоуглеродистые стали. Хромирова- нию подвергают клапаны компрессоров, матрицы штампов для хо- лодной высадки и др.
Никелирование – обработка поверхности изделий путем нанесе- ния на них никелевого покрытия. Толщина наносимого покрытия обычно составляет от 1 до 50 мкм. Как правило, никелированием об- рабатывают металлические изделия, изготовленные из стали либо других металлов и сплавов, в частности, меди, цинка, алюминия, ре- же марганца, титана, вольфрама или молибдена. Кроме того, сущест- вуют методы никелирования неметаллических поверхностей – поли- мерных, керамических и т.д.
Никелирование применяется для повышения износостойкости, восстановления размеров изношенных деталей (до 1,25 мм). При трении без смазки износостойкость никелевого покрытия в 2…3 раза выше, чем у закаленной стали, на 10…20 % ниже, чем хромирован- ной поверхности. Никелирование защищает изделия от коррозии в атмосфере, растворах щелочей и солей, а также слабых органических кислот. Наиболее распространены электролитическое (гальваниче- ское) и химическое никелирование.
Оксидирование – создание оксидной пленки на поверхности из- делия или заготовки в результате окислительно-восстановительной реакции. Оксидирование преимущественно используют для получе- ния защитных и декоративных покрытий, а также для формирования диэлектрических слоев. Различают термические, химические, элек- трохимические (или анодные) и плазменные методы оксидирования.
Железнение – процесс электролитического осаждения железа из водных растворов его закисных солей. Железо осаждают на катоде; анодом служат прутки или полосы малоуглеродистой стали.
Электролитически осажденное железо отличается высокой хими- ческой чистотой, благодаря чему его коррозионная стойкость выше, чем у малоуглеродистой стали. По структуре состоит из вытянутых по

150 направлению к покрываемой поверхности зерен. Предел прочности
350…450 МПа, относительное удлинение 5…10 %, твердость
НВ 100…240 (в зависимости от состава электролита и условий элек- тролиза). Толщина слоя может достигать 8 мм. Если необходима более высокая твердость, например, при восстановлении цементованных из- делий, то прибегают к хромированию или цементации покрытия.
Железнение применяется как средство наращивания металла на изношенную поверхность стальных и чугунных деталей при восстанов- лении их размеров. Для получения износостойких покрытий с повы- шенными механическими свойствами и улучшенной структурой же- лезнение проводят в электролитах, содержащих марганец или никель.

151
- невысокий (не более 150 о
С) нагрев поверхности при нанесе- нии покрытия;
- возможность нанесения нескольких слоев, каждый из которых несет свою функцию (например, коррозионно-стойкий плюс термо- барьерный);
- легкость обеспечения защиты окружающей среды при нанесе- нии (использование воздушных фильтров).
Высокоскоростное газопламенное напыление широко применя- ется для создания плотных металлических и металлокерамических покрытий.
Детонационное напыление в силу дисперсного характера напы- ления и малой производительности наиболее подходит для напыле- ния покрытий для защиты и восстановления небольших участков.
Распыление с помощью плазмы обычно называют плазменным
напылением. Этот метод весьма энергозатратный, наиболее оправда- но его применение для создания керамических покрытий.
Электродуговая металлизация энергетически более выгодна, однако, позволяет напылять только металлические материалы. Как правило, используется для напыления антикоррозионных металличе- ских покрытий на больших площадях.
Газопламенное напыление – недорогой во внедрении и эксплуа- тации метод, широко используемый для восстановления геометрии деталей.
Напыление с оплавлением – метод, обеспечивающий металлур- гическую связь покрытия с основой. Применяется, если высокий на- грев при оплавлении не ведет к риску термических поводок детали.
7.2.8. Наплавка поверхностей
Наплавка – это нанесение слоя металла или сплава на поверх- ность изделия посредством сварки плавлением. Наплавку производят при восстановлении изношенных и при изготовлении новых деталей машин и механизмов.
Восстановительная наплавка применяется для получения пер- воначальных размеров изношенных или поврежденных деталей. В этом случае наплавленный металл близок по составу и механическим свойствам основному металлу. Восстановлению подлежат корпусные детали различных двигателей внутреннего сгорания, распредели- тельные и коленчатые валы, клапаны, шкивы, маховики, ступицы колес и т.д.