Восстановление деталей машин. Термическая и химико- термическая обработка

Термическая и химико-термическая обработка широко применяются в ремонтном производстве для улучшения эксплуатационных характеристик деталей. Это совокупность термических операций, предназначенных для изменения внутреннего строения (микроструктуры) металла под воздействием изменяющейся по определенному циклу температуры и других факторов с целью придания металлу необходимых физико-механических свойств. Любой процесс термической обработки включает три этапа: нагревание детали с определенной скоростью до требуемой температуры, выдержку при этой температуре и охлаждение детали в определенной среде с установленной для данного процесса скоростью.

В процессах изготовления и восстановления деталей машин термическая обработка применяется для улучшения обрабатываемости заготовок резанием, устранения внутренних остаточных напряжений и опасности образования трещин в отливках, поковках и сварных изделиях, придания материалу деталей требуемых физико-механических свойств. Термическая обработка является эффективным методом обеспечения и восстановления износостойкости, жаростойкости и других эксплуатационных свойств деталей машин.

Основными видами термической обработки, применяемыми в ремонтном производстве, являются отжиг, нормализация, закалка, отпуск, старение, обработка холодом.

Отжиг — термическая операция, предназначенная для снижения твердости материала детали, увеличения пластичности и вязкости, улучшения его обрабатываемости, а также для устранения неустойчивого состояния металла и снятия в нем внутренних напряжений, образованных при выполнении предшествующих операций (отливка или штамповка заготовки, сварка, черновая механическая обработка и др.). Отжиг происходит в результате медленного охлаждения нагретой до определенной температуры детали вместе с нагревательным устройством. Исходя из решаемых задач, в ремонтном производстве применяют следующие виды отжига: полный, диффузионный, для снятия остаточных напряжений.

Полный отжиг обеспечивается при нагревании изделия до температуры на 30—50 °С выше температур, соответствующих критическим точкам для данного материала, и выдержке при этой температуре с последующим медленным охлаждением вместе с печью со скоростью 20—50 °С/ч. В результате такого отжига металл приобретает мелкозернистую структуру, повышаются его вязкость и пластичность, снижается твердость, устраняются внутренние напряжения, например в сварных соединениях.

Диффузионный (гомогенизационный) отжиг проводится при необходимости выравнивания за счет диффузионных процессов химического состава заготовок из легированных сталей, наплавленного материала. Для протекания диффузионных процессов температура нагрева стальных деталей должна составлять 1100—1200 °С. После выдержки в течение 8—15 ч при такой температуре отжигаемые изделия вначале охлаждают вместе с печью до температуры 800—850 °С и окончательно — на воздухе.

Нормализация — термическая операция, включающая нагрев стальных изделий до температуры 750—950 °С, выдержку при этой температуре и последующее их охлаждение на воздухе. Благодаря охлаждению на воздухе длительность процесса нормализации по сравнению с отжигом меньше в несколько раз. Нормализация проводится с целью повышения механических характеристик стали и улучшения ее обрабатываемости резанием, исправления структуры металла после сварки, горячей обработки давлением, а также как подготовительная операция к закалке.

Закалка — наиболее распространенный вид термической обработки, которая выполняется перед окончательной механической обработкой или в конце технологического процесса изготовления (восстановления) детали. Она заключается в нагревании стали до определенной температуры, выдержке при ней и последующем быстром охлаждении со скоростью 150—200 °С в секунду, что приводит к образованию неравновесной структуры материала. В результате закалки повышаются прочность, твердость, износостойкость и предел упругости стали, а ее пластичность снижается. Указанные свойства зависят от охлаждающей среды и скорости охлаждения стали.

В качестве охлаждающих сред при закалке используют воду, водные растворы солей, щелочей, масло, водомасляные эмульсии и др., имеющие различную охлаждающую способность. Воду применяют для охлаждения углеродистых сталей. Высокая скорость охлаждения деталей в воде может быть причиной возникновения структурных напряжений и образования трещин. Поэтому для деталей из высокоуглеродистых и легированных сталей, а также деталей из углеродистых сталей с поперечным сечением менее 3 мм применяют закалку в машинном масле. Оно обеспечивает меньшую скорость охлаждения деталей, поэтому опасность образования в них трещин резко снижается.

Поверхностная закалка применяется в тех случаях, когда поверхностный слой детали должен иметь высокую твердость и износостойкость, а сердцевина быть вязкой и иметь повышенную усталостную прочность. Такие свойства важны для валов, осей, зубьев шестерен и других деталей, работающих в условиях трения и изгибающих нагрузок. Указанное сочетание свойств обеспечивают закалка токами высокой частоты (ТВЧ), газопламенная и другие разновидности поверхностной закалки.

Отпуск — вид термической обработки, включающий нагревание закаленной стальной детали до температуры, не превышающей 727 °С (обычно в диапазоне от 150 до 650 °С), выдержку и последующее охлаждение с любой скоростью, так как при такой температуре нагрева фазовые превращения в металле не происходят. Отпуск позволяет уменьшить хрупкость и твердость, а также повысить вязкость закаленной стали, снизить или устранить внутренние напряжения, возникающие при закалке. В зависимости от температуры нагревания различают низкий, средний и высокий отпуск.

Низкий отпуск предусматривает нагревание закаленной детали до температуры 150—250 °С, выдержку (от 0,5 до 1,5 ч) при этой температуре и последующее ее охлаждение в машинном масле или на воздухе. После низкого отпуска твердость поверхности не изменяется, но уменьшаются остаточные закалочные напряжения и несколько повышается вязкость.

Средний отпуск отличается температурой нагрева деталей (300—500 °С). Они приобретают упругие свойства при сохранении высокой прочности. Среднему отпуску подвергают пружины, рессоры, мембраны.

При высоком отпуске детали нагревают до температуры 500—650 °С. Закалку с последующим высоким отпуском называют улучшением стали. После улучшения металл приобретает повышенную твердость. Этому виду термической обработки подвергаются ответственные детали машин — валы, зубчатые колеса и др.

Закалка холодом. При закалке холодом деталь, прошедшая обычную закалку, дополнительно подвергается охлаждению до температуры от -40 до -100 °С. В качестве охладителя обычно используется смесь из твердой углекислоты и ацетона, обеспечивающую охлаждение до температуры -78 °С. Закалке холодом подвергаются стали с содержанием углерода более 0,5 %, которые после обычной закалки имеют повышенное количество остаточного аустенита.

Сущность закалки холодом состоит в том, что при отрицательной температуре остаточный аустенит переходит в мартенсит. В результате несколько увеличивается объем детали и благодаря уменьшению количества неустойчивого остаточного аустенита стабилизируются ее размеры. Этот эффект проявляется в большей степени, если обработка холодом проводится сразу после обычной закалки. При этом повышаются также твердость и износостойкость, улучшаются магнитные характеристики металла, а у цементированных сталей возрастает предел выносливости и снижается ударная вязкость.

Увеличение объема обработанной холодом детали используется для восстановления точных изделий, в частности, калибров.

Особенностью химико-термической обработки является то, что необходимые свойства обработанных деталей (износостойкость, коррозионная стойкость, жаростойкость и др.) обеспечиваются путем изменения химического состава и микроструктуры поверхностного слоя металла. Это достигается благодаря насыщению его определенными элементами, которые под воздействием температуры образуют с материалом детали твердые растворы или химические соединения, придающие ему требуемые свойства. Тем самым химико-термическая обработка позволяет вместо высоколегированных дорогих применять для изготовления деталей обычные углеродистые стали.

Из методов химико-термической обработки в ремонтном производстве чаще применяются цементация, азотирование, цианирование, диффузионная металлизация.

Цементация — процесс насыщения поверхностного слоя детали углеродом при нагревании в среде, содержащей углерод. Цементацию с последующей закалкой и низким отпуском проводят для получения высокой твердости поверхностного слоя (до 600 НВ) при сохранении твердости (160—170 НВ) и других свойств остального металла. В результате повышаются износостойкость и предел выносливости стальных деталей. Цементации обычно подвергаются так называемые цементируемые стали с содержанием углерода до 0,25 %, например, стали 10, 15, 20, 20Х. Толщина цементированного слоя в зависимости от длительности процесса составляет 0,5—2 мм при концентрации углерода в нем 0,8—1,0 %. Цементацию применяют также и для сталей с содержанием углерода до 0,35 %. В этом случае ее выполняют на меньшую глубину, что позволяет сократить длительность процесса.

Азотирование — процесс диффузионного насыщения азотом поверхностного слоя стальных и титановых изделий при нагревании их в среде аммиака или в расплаве специальных солей. Обычно применяют аммиак, который при нагревании разлагается, образуя атомарный азот. Азот диффундирует в поверхность детали и при взаимодействии с железом образует нитриды. Благодаря им повышаются твердость, износостойкость, коррозионная стойкость (во влажной атмосфере и пресной воде), усталостная прочность и теплостойкость материала. Детали, прошедшие азотирование, могут работать при температуре до 500—600 °С.

Азотированию подвергают готовые детали, прошедшие закалку с высоким отпуском (улучшение) и окончательную механическую обработку после термообработки. Неазотируемые участки изолируют электролитическим покрытием олова, а отверстия защищают пробками и замазкой. Толщина азотированного слоя в зависимости от температуры и длительности процесса составляет 0,2—0,7 мм. Слой такой толщины не позволяет применять азотированные детали при высоких удельных давлениях, вызывающих его разрушение, что ограничивает область применения азотирования.

По сравнению с цементацией азотирование имеет следующие преимущества: обеспечиваются более высокая твердость и износостойкость поверхностного слоя; практически отсутствуют коробления деталей; азотированная поверхность более устойчива к коррозии. Однако азотирование — процесс более длительный и сложный.

Цианирование (нитроцементация) стали — процесс одновременного насыщения поверхностного слоя стали азотом и углеродом при содержании углерода в материале детали менее 0,4 %. Оно может производиться в твердых, жидких и газообразных средах. После цианирования проводят закалку и низкий отпуск деталей, в результате которых твердость поверхностного слоя составляет 59—63 HRC_э.

Диффузионная металлизация — процесс насыщения поверхностей стальных деталей различными металлами в твердых, жидких и газообразных средах при температуре 1000—1200 °С: алюминием (алитирование), хромом (хромирование), кремнием (силицирование), бором (борирование), одновременно хромом и алюминием (хромо-алитирование) или хромом и вольфрамом (хромо-вольфрамирование) и др. В результате диффузионной металлизации повышаются жаростойкость (окалиностойкость), износостойкость, твердость (до HV 2000) и коррозионная стойкость стальных деталей.

Алитирование стали предназначено для повышения жаростойкости (окалиностойкости) деталей, работающих при температурах до 900 °С. Детали засыпают в стальном ящике порошкообразной смесью, компонентами которой являются алюминий (49 %), оксид алюминия (39 %) и хлористый аммоний, нагревают в печи и выдерживают в течение 4—12 ч при температуре 950—1050 °С. В результате детали покрываются тугоплавкая пленкой из оксида алюминия толщиной более 0,1 мм, имеющей температуру плавления более 2000 °С и предохраняющей детали от окисления. Поэтому их можно использовать вместо деталей, изготовленных из жаростойких сталей. Покрытие устойчиво также в газах, содержащих сернистые соединения.