ПОВЕРХНОСТНОЕ УПРОЧНЕНИЕ СТАЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ

Металлические конструкции, детали и оборудование испытывают колоссальные нагрузки в процессе работы, также они подвержены коррозионному разрушению.

Поверхностное упрочнение стальных изделий значительно повышает их твердость, усталостную прочность и антикоррозионную стойкость. Как следствие – детали и конструкции из металла становятся более надежными и долговечными.

САМЫЕ ПОПУЛЯРНЫЕ СПОСОБЫ УПРОЧНЕНИЯ СТАЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ:

1. Механический.

• Обработка дробью с помощью дробеструйного и дробеметного аппарата. Металлические конструкции, детали, оборудование и заготовки обрабатывают при помощи дробеметных и дробеструйных аппаратов.

Поток дробинок, разгоняемых центробежной силой и рабочими лопатками (в случае обработки дробеметным оборудованием) сталкивается с металлической поверхностью на скорости 80 – 100 м/с. От ударной силы металл сжимается, сопротивляясь, и тем самым укрепляется. Кроме того, дробинки также очищают поверхность от различных загрязнений, окалин и следов коррозии.

Дробеметная очистка повышает выносливость металлических деталей и конструкций в 2 раза.

• Обработка токарными и роликовыми станками. Этим способом осуществляют поверхностное упрочнение стальных изделий таких, как шейки валов, оси железнодорожных вагонов, валов коленчатых и прочих элементов.

2. Термический.

Метод заключается в том, что в процессе закаляют поверхностный слой металла. Сталь доводят до высокой температуры, после чего охлаждают. В результате этих действий верхний слой металлических деталей и конструкций получается более прочный, а сердцевина становится вязкой.

Чем быстрее по времени происходит нагрев, тем выше должна быть температура.

Допустим, когда сталь закаливают в печах, ее нагревают до 840 – 8600 ᵒС. Скорость нагрева при этом 400 ᵒС. При индукционном нагреве при скорости 2500 ᵒС закалку начинают с 880 – 9200 ᵒС, а когда скорость нагрева составляет 4000 ᵒС – начинают упрочнять с температур 930 – 9800 ᵒС.

Существует 3 способа прокаливания — высокочастотными токами (ТВЧ), газовыми или кислородными горелками и лазерным излучением.

Структура закаленного слоя состоит из мартенсита, а переходной зоны – из мартенсита и феррита. Поверхностное упрочнение стальных изделий не затрагивает глубокие слои металла. Чтобы укрепить сердцевину деталь нагревают со скоростью 100 – 10000 ᵒС до 10 секунд перед тем, как начать закалку.

После упрочнения прочность стали 45 – 55 HRC в наружном слое и 25 – 30 HRC в сердцевине.

3. Химико-термическая обработка стали.

Главное отличие химико-термической обработки (ХТО) от поверхностной закалки и обработки дробеметом – ХТО изменяет не только структуру поверхностного слоя, но и химический состав стальных изделий.

Виды химико-термической обработки:

1. Цементация.

Метод, при котором сталь насыщают углеродом. В итоге изделие получается прочным снаружи и вязким внутри.

После упрочнения концентрация углерода на поверхности стали составляет 1%. Глубина цементирования от 0,5 до 2,5 мм.

Цементацию проводят в твердой или газовой среде. В промышленных масштабах используют газовую цементацию, потому что этот метод занимает меньше времени, чем цементация в твердой среде – слой углерода в 1 мм образуется за 6 – 7 часов. Поверхность стали становится крупнозернистой.

2. Азотирование.

Сталь насыщают азотом. Изделия получаются прочные, износостойкие и хорошо сопротивляются коррозии. Азотированием укрепляют металл, который эксплуатируют в воде и паре. Детали опускают в аммиак при температуре 500 – 6000 ᵒС и выдерживают до 60 часов. Глубина азотированного слоя 0,3 – 0, 6 мм.

Азотированию подвергают детали, от которых требуют высокой прочности – зубчатые колеса, автомобильные цилиндры, шестеренки, втулки и т.д.

3. Цианирование.

Сталь насыщают азотом и углеродом. Поверхностное упрочнение стальных изделий проводят в расплавленных солях с NaCH и KCN или в газовой среде из смеси СН4 и NH3.

Если температура высокая — сталь больше насыщается углеродом, если низкая – азотом. Изделия после цианирования прочнее, чем после цементации.

При цианировании следует с особой тщательностью соблюдать технику безопасности, так как цианистые соли очень токсичны.

4. Диффузная металлизация.

Метод, при котором наружные слои конструкций, машин и оборудования насыщают металлами – алюминием, хромом, кремнием, бором. Сталь становится жаростойкой, прочной и лучше сопротивляется коррозии.

Металлизацию делят на твердую, жидкостную и газовую. При жидкостной деталь для упрочнения опускают в расплавленный металл. При твердой и газовой – обрабатывают летучими соединениями хлора с металлом. Температура при этом составляет 100 – 10000 ᵒС.

Поверхностное упрочнение стальных изделий – важный этап при производстве конструкций, деталей и оборудования в машино-, самолето-, судостроении, цементной и горнодобывающей сфере.