Методы упрочнения поверхности деталей. Способы упрочнения материалов Для упрочнения поверхности металлических деталей

Основными методами упрочнения поверхности деталей являются химико-термическая обработка, поверхностная закалка и деформирование поверхности в холодном состоянии (поверхностный наклеп).

Химико-термическая обработка состоит в насыщении поверхности детали каким-либо элементом с последующей термической обработкой. Наиболее распространенные виды химико-термической обработки цементация (насыщение поверхности углеродом) и азотирование (насыщение поверхности азотом).

Цементация проводится с целью получения высокой твердости и износоустойчивости поверхности при сохранении более мягкой и вязкой сердцевины детали. Поэтому цементации всегда подвергают малоуглеродистые стали (0,2%С) или легированные с низким углеродом. Наиболее распространенные детали подвергаемые цементации - зубчатые колеса.

Вещество, поставляющее углерод при цементации, называют карбюризатором. Различают цементацию в твердом карбюризаторе (коксик или древесный уголь с добавлением до 30% соды – Na 2 CO 3) и в газовом (СО).

Детали выдерживают в карбюризаторе от 6 до 12 часов (в зависимости от требуемой толщины не углероженного слоя 2-4мм) при температуре 900-950 0 (в аустенитной области). При этом содержание углерода в поверхностных слоях повышается до 1-1,2%.

Толщину неуглероженного слоя контролируют по специальному образцу-свидетелю, который проходит цементацию вместе с деталями.

После цементации детали подвергают термической обработке по одному из вариантов представленных на рис.18. Наиболее часто применяю закалку с

низким отпуском. Вариант с двумя закалками делают для ответственных деталей (первая закалка от температуры 900 0 для измельчения зерна и устранения сетки цементита в поверхностном слое, вторая от 760-790 0 для получения оптимальной твердости поверхности).

Азотирование проводится в атмосфере аммиака, который разлагаясь при температуре 500-550 0 поставляет активный атомарный азот диффундирующий в поверхность детали. В отличии от цементации высокая твердость азотированной поверхности получается не за счет мартенсита, а за счет очень твердых нитридов. Поэтому для азотирования берут среднеуглеродистые стали содержащие сильные нитридообразующие элементы (Al, Cr, Mo). Классическая сталь для азотируемых деталей 38ХМЮА. Продолжительность азотирования составляет до 48 часов, толщина слоя 0,2-0,5 мм.

Азотирование является окончательной обработкой готовых деталей, никакой термической обработки после азотирования не проводят.

В результате азотирования достигается высокая твердость и износоустойчивость поверхности, повышается сопротивление возникновению трещин при знакопеременных нагрузках (усталостная прочность) и коррозионная стойкость.

Поверхностная закалка состоит в быстром нагреве поверхности детали до аустенитного состояния с последующим охлаждением в воде. В результате на поверхности образуется твердая структура мартенсита, а внутри сохраняется феррито-перлитная структура с достаточно высокой вязкостью. После поверхностной закалки детают низкий отпуск, либо оставляют закаленное состояние без отпуска.

Поверхностной закалке подвергают среднеуглеродистые стали (0,4-0,45%С), либо легированные для увеличения прочности сердцевины деталей. Такой закалке подвергают зубья шестерен, звездочек, шейки валов, головку рельсов и др.

Быстрый нагрев поверхности осуществляется токами высокими частотами (до 1 млн.гц). Сущность такого нагрева состоит в том, что через медный индуктор (спиральная или иной формы трубка охлаждаемая внутри водой) пропускают ток высокой частоты. Вокруг индуктора возникает переменное магнитное поле. Закаливаемую деталь помещают в поле индуктора и за счет поверхностного эффекта поверхность детали быстро разогревается (обычно за 10-15 сек.). Чем больше частота тока, тем больше поверхностный эффект, меньше время нагрева и меньше глубина закаленного слоя. Обычно она составляет 1-3 мм. Когда поверхность нагрелась до требуемой температуры (850-900 0), деталь охлаждают погружая в бак с водой или пропуская через специальное душирующее устройство - спреер.

На рис.19 представлено сечение зуба шестерни после цементации и после закалки ТВЧ. Видно, что свойства шестерни подвергнутой цементации предпочтительней, однако, стоимость закалки ТВЧ значительно меньше.

Закалка ТВЧ имеет ряд положительных качеств:

1. Высокая производительность;

2. Высокое качество закалки (не растет зерно, почти нет окалины);

3. Очень малы деформации (уменьшаются пропуски на механическую обработку-шлифовку);

4. Экономно расходуется электроэнергия, которая идет только на нагрев части детали;

5. Процесс хорошо поддается механизации и автоматизации;

6. Улучшаются условия труда;

7. Во многих случаях заменяет более дорогую операцию-цементацию

В ремонтном производстве иногда применяют поверхностную закалку с нагревом пламенем газовой горелки. Однако, такой процесс трудно контролировать и результат при его применении зачастую непредсказуем.

К основным способам упрочнения металлов и сплавов относятся: легирование с образованием твердых растворов; пластическое деформирование; создание дисперсных выделений; упрочнение термическими методами; упрочнение химико-термическими методами.

Упрочнение легированием

Формирование благоприятной структуры и надежность работы деталей обеспечивает рациональное легирование, измельчение зерна и повышение качества металла.

Упрочнение при легировании увеличивается пропорционально концентрации легирующего элемента в твердом растворе. При этом надо помнить, что различные легирующие элементы имеют ограниченную растворимость в основных фазах сплава и это зависит от относительной разницы атомных радиусов компонентов. Образование твердых растворов разных типов (замещения, внедрения, упорядоченных, не упорядоченных и др.) создают комбинации различных дислокационных образований с многообразными характеристиками прочности.

Измельчение зерна осуществляется легированием и термической обработкой. Наиболее эффективное измельчение структуры достигается при высокотемпературной термомеханической обработке. Она предусматривает пластическую деформацию аустенита с последующим превращением в мартенсит. В результате высокотемпературной термомеханической обработки обеспечивается наиболее благоприятное сочетание высокой прочности с повышенной пластичностью, вязкостью и сопротивлением разрушению. Упрочнение растет по мере увеличения концентрации растворенного легирующего элемента и различия в атомных радиусах железа и этого элемента. Наиболее сильно повышают твердость медленно охлажденного феррита (рис. 10.1.) Si , Mn , Ni ,.т.е те элементы, имеющие отличную от Fe α кристаллическую решетку. Слабее влияют Mo , V и Cr , решетки которых изоморфны Fe α . Повышение чистоты сплава достигается металлургическими приемами путем удаления вредных примесей серы, фосфора, газообразных элементов – кислорода, водорода, азота.

При введении в сталь легирующих элементов, растворимость которых в решетке железа может изменяться в зависимости от температуры, наблюдается эффект, называемый дисперсионным твердением . Для этого необходимо получить пересыщенный твердый раствор с повышенной концентрацией растворенного элемента. Такой твердый раствор является неравновесным и стремиться к распаду. Процесс распада пересыщенного твердого раствора при комнатной температуре называется естественным старением . При некотором нагреве – искусственным старением .

При старении избыточный элемент выделяется из кристаллической решетки металла-растворителя в виде мельчайших частиц, которые называют дисперсной фазой .

Дисперсная фаза, будучи равномерно распределена в твердом растворе, искажает кристаллическую решетку последнего и изменяет механические свойства сплава. Повышение твердости, прочности наблюдается только в том случае, когда сохраняется когерентность (непрерывность) атомно-кристаллических решеток дисперсной фазы и твердого раствора.

Дисперсионное твердение связано с диффузионными процессами и поэтому продолжительность старения оказывает существенное влияние на эффект дисперсионного твердения. Дисперсионное твердение в сложнолегированной стали с несколькими легирующими элементами часто проявляется совершенно иначе, чем в стали с одним легирующим элементом. Дополнительные легирующие элементы могут увеличивать или уменьшать растворимость основного элемента, вызывающего дисперсионное твердение и тем самым увеличивать или уменьшать эффект упрочнения материала. Дисперсионное твердение сопутствует обычному процессу термической обработки стали и оказывает существенное влияние на ее свойства. Упрочняющими фазами в сталях могут быть карбиды, нитриды, интерметаллиды, химические соединения и др.

Упрочнение пластическим деформированием

В результате холодной пластической деформации изменяются свойства металла: повышается прочность, электросопротивление, снижается пластичность, плотность, коррозионная стойкость. Это явление называется наклепом и может быть использовано для изменения свойств металлических материалов. Свойства наклепанного металла изменяются тем сильнее, чем больше степень деформации. Металлы наклепываются в начальной стадии деформирования более интенсивно, а при возрастании деформации механические свойства изменяются незначительно (рис. 1). С увеличением степени деформаций предел текучести растет быстрее временного сопротивления. У сильно наклепанных металлов обе характеристики сравниваются, а удлинение становится равным нулю. Такое состояние наклепанного металла называется предельным; при попытке продолжить деформирование может произойти разрушение металла. В результате наклепа удается повысить твердость и временное сопротивление в 1,5 – 3 раза, а предел текучести в 3 -7 раз. Металлы с ГЦК решеткой упрочняются сильнее, чем металлы с ОЦК решеткой. Среди сплавов с ГЦК решеткой сильнее упрочняются те, у которых энергия дефектов упаковки минимальна (интенсивно наклепываются аустенитная сталь и никель, а алюминий упрочняется незначительно)

Рис. 1. Зависимость механических свойств от степени деформации

Наклеп понижает плотность металла вследствие нарушений порядка в размещении атомов, при увеличении плотности дефектов и образовании микропор. Уменьшение плотности используют для увеличения долговечности деталей, которые в процессе эксплуатации подвержены переменным нагрузкам. Наиболее распространенным способом холодного пластического поверхностного деформирования является дробеструйная обработка. Она заключается в воздействии на обрабатываемую поверхность частиц дроби, ускоренных в дробеструйных центробежных или пневматических аппаратах. Для этого используется стальная или чугунная дробь величиной 0,5 – 2,0 мм. Время обработки поверхности детали не превышает 2 – 3 мин., а толщина поверхностного слоя находится в пределах 0,2 – 0,4 мм.

В поверхностном наклепанном слое увеличивается плотность дефектов кристаллической решетки, может изменяться форма и ориентация зерен. В поверхностных слоях создаются сжимающие напряжения, тормозящие зарождение и развитие трещин. Дробеструйная обработка может быть эффективна для сталей различного состава и после различной термической обработки (отжиг, нормализация, закалка, улучшение, цементация и др.).

Основное назначение дробеструйной обработки – повышение усталостной прочности. Такой обработке подвергаются пружины, рессоры, шестерни, различные валы и т.д. Особенно эффективна дробеструйная обработка деталей, имеющих галтели, выточки, следы грубой механической обработки и другие концентраторы напряжений. Для сравнения в таблице 7.1 приведены примеры повышения сопротивления усталостному разрушению некоторых деталей машин.

Таблица 1.

п/п	Название детали	σ -1, МПа
		До обработки	После обработки
	Шестерня после закалки из стали 45
	Пружины автомобиля передней подвески из стали 65Г
	Клапанные пружины двигателя из стали 50ХФА

Если изменение структуры и свойств в результате пластической деформации нежелательно, оно может быть устранено последующей термической обработкой – рекристаллизационным отжигом.

Упрочнение термическими методами

Температурное воздействие на различные материалы с целью изменения их структуры и свойств является самым распространенным способом упрочнения в современной технике. Это воздействие может осуществляться чаще при плюсовых температурах, реже – при отрицательных температурах и сочетаться с химическим, деформационным, магнитным, электрическим и др. процессами.

Следуя классификации А.А. Бочвара, в основу которой положены типы фазовых и структурных превращений в металле, различают следующие виды термообработки:

Собственно термическая обработка;

Термомеханическая обработка;

Химико-термическая обработка

Собственно термическая обработка предусматривает только температурные воздействия на металл или сплав. Управляемые структурно-фазовые процессы в стали, которые обеспечивают получение требуемой фазовой и дислокационной структуры, происходят вследствие наличия аллотропии.

Термомеханическая обработка (ТМО) – сочетание термического воздействия и пластической деформации. ТМО позволяет получить более высокие прочностные и вызкостно-пластические свойства у стали, чем после обычной закалки и низкого отпуска. Положительный дополнительный эффект при ТМО объясняется предварительным наклепом аустенита во время пластической деформации. Последствия этого наклепа передаются мартенситу в виде дополнительных, возникающих при наклепе дислокаций, которые, складываются с дислокациями, возникающими при последующем мартенситном превращении, создают более плотную дислокационную структуру. Такая высокая плотность дислокаций (до 10 13 см -2 ) не порождает возникновение трещин при закалке. Существуют две разновидности термомеханической обработки – высокотемпературная (ВТМО) и низкотемпературная (НТМО). При ВТМО аустенит деформируется при температуре выше линии А С3 до степени деформации 20-30%. При НТМО производится деформация переохлажденного до 400 – 600 0 С аустенита, степень деформации составляет 75-90%.

Химико-термическая обработка (ХТО) – сочетание химического и термического воздействия с целью изменения состава, структуры и свойств поверхностного слоя детали в необходимом направлении. При этом происходит поверхностное насыщение металлического материала соответствующим элементом (C , N , B , Al , Cr , Si , Ti и др.) путем его диффузии в атомарном состоянии из внешней среды (твердой, газовой, паровой, жидкой) при высокой температуре.

Процесс химико-термической обработки состоит из трех элементарных стадий:

Выделение диффундирующего элемента в атомарном состоянии благодаря реакциям, протекающим во внешней среде;

Контактирование атомов диффундирующего элемента с поверхностью стального изделия и проникновение (растворение) их в решетку железа (адсорбция);

Диффузия атомов насыщающего элемента вглубь металла.

Поверхностное упрочнение

Среди методов поверхностного упрочнения наибольшее распространение получили поверхностная закалка, обработка лазером и электроискровое легирование.

При поверхностной закалке на некоторую заданную глубину закаливается только верхний слой, тогда как сердцевина изделия остается незакаленной.

Основное назначение поверхностной закалки: повышение твердости, износостойкости и предела выносливости обрабатываемого изделия. Сердцевина изделия остается вязкой и воспринимает ударные нагрузки. Поверхностную закалку осуществляют несколькими методами: нагревом токами высокой частоты; нагревом

Поверхностную закалку осуществляют несколькими методами: нагревом токами высокой частоты (ТВЧ); нагревом газовым пламенем.

Закалка ТВЧ впервые предложена В. П. Вологдиным. При закалке по этому методу стальное изделие размещают внутри индуктора в форме спирали или петли (рис. 2). Ток высокой частоты подводится от генератора к индуктору. Во время прохождения тока через индуктор в поверхностных слоях изделия за счет индукции возникает ток противоположного направления, нагревающий сталь.

В связи с тем, что скорость нагрева ТВЧ значительно выше скорости нагрева в печи, фазовые превращения в стали происходят при более высоких температурах и температуры нагрева под закалку повышаются. Например, при нагреве ТВЧ со скоростью 400 °С/с температура закалки стали 40 с 840…860 °С повышается до 930…980 °С. После прогрева ТВЧ стали до температуры закалки изделие охлаждают водой. При закалке ТВЧ получается высокодисперсная структура кристаллов мартенсита, обеспечивающая более высокую твердость и прочность стали, чем при печном нагреве.

Рис. 2. Схема нагрева токами высокой частоты: 1 – деталь; 2 – индуктор; 3 – магнитное поле; I – направление тока в индукторе; II – направление тока в детали

Существуют следующие способы закалки индукционного нагрева:

Одновременный нагрев и охлаждение всей поверхности; этот метод применяют для изделий, имеющих небольшую поверхность (пальцы, валики, осевые инструменты);

Последовательный нагрев и охлаждение отдельных участков: используют при закалке шеек коленчатых валов (последовательный нагрев и закалка одной шейки за другой), зубчатых колес с модулем более 6 (закалка «зуб за зубом»), кулачков распределительных валов и т.д.

Непрерывно последовательный нагрев и охлаждение. Метод применяют для закалки длинных валов, осей и т.д. При этом методе изделие перемещается относительно неподвижных индуктора и охлаждающего устройства (спрейера) или наоборот. По сравнению с первым методом не требуется большой установочной мощности генератора.

При закалке с нагревом пламенем газокислородной горелки , имеющей температуру 2000…3000 °С, получается очень быстрый нагрев некоторого участка поверхности до температуры закалки, после чего из специального охладителя на этот участок направляется струя воды. Перемещая горелку относительно поверхности и одновременно вслед за горелкой охладитель, можно закалить большую поверхность крупногабаритных изделий.

Вследствие подвода значительного количества тепла поверхность изделия быстро нагревается до температуры закалки, тогда как сердцевина детали не успевает нагреваться. Последующее быстрое охлаждение обеспечивает закалку поверхностного слоя. В качестве горючего применяют ацетилен, светильный и природный газы, а также керосин. Для нагрева используют щелевые горелки (имеющие одно отверстие в форме щели) и многопламенные.

Толщина закаленного слоя обычно составляет 2 – 4 мм, а его твердость 50 – 56 HRC . В тонком поверхностном слое образуется мартенсит, а в нижележащих слоях троосто-мартенсит. Пламенная закалка вызывает меньшие деформации, чем объемная, и из-за большой скорости нагрева сохраняет более чистую поверхность.

Процесс газопламенной закалки можно легко автоматизировать и включать в общий поток механической обработки. Для крупных деталей этот способ закалки часто более рентабелен, чем закалка индукционного нагрева.

Сущность лазерного упрочнения состоит в мощном импульсном (или непрерывном) воздействии светового пучка чрезвычайно большой плотности энергии, что вызывает мгновенный нагрев поверхности до высоких температур, превышающие температуры структурно-фазовых превращений металла и температуру плавления. С учетом чрезвычайно высоких скоростей охлаждения, которые в 10 – 100 раз превышают скорости охлаждения при закалке, в поверхности материала формируются особомелкозернистая или даже псевдоаморфная структура, имеющая повышенную твердость (20 -30%).

Технологические процессы лазерной обработки имеют ряд неоспоримых достоинств по сравнению с другими способами поверхностного упрочнения:

Простота транспортировки лазерного луча при отсутствии механического контакта упрочняемой поверхности с источником энергетического воздействия;

Возможность дозированного энергетического воздействия;

Возможность реализации процесса упрочнения в вакууме, газовой и жидкостной средах;

Широкий спектр энергетических и комбинированных физико-химических воздействий на упрочняемою поверхность.

Лазеры – оптические квантовые генераторы (ОКГ), позволяющие получать электромагнитные излучения высокой концентрации энергии.

Применение лазеров для термической обработки основано в преобразовании световой энергии в тепловую. Высокая концентрация энергии в световом потоке оптического квантового генератора позволяет нагреть поверхность до температуры термообработки за очень короткое время.

Рис 3 . Схема композиционной структуры при лазерной термической обработке

Технологические процессы лазерной обработки определяются взаимодействием лазерного облучения с материалом и зависят от теплофизических и оптических свойств обрабатываемых материалов. Основные стадии взаимодействия лазерного излучения с материалом сводятся к следующим процессам: поглощение светового потока электронами и передача энергии кристаллической решетке твердого тела, нагрев вещества без его разрушения, разрушение вещества в зоне воздействия светового потока, разлет продуктов разрушения и остывание после окончания действия светового импульса. Параллельно с этими процессами в обрабатываемом материале происходят активные диффузионные и химические реакции, а также фазовые превращения, существенно меняющие исходную структуру и оказывающие влияние на само взаимодействие лазерного излучения с материалом.

Упрочненная поверхность представляет собой композиционную структуру (рис. 3):
1 - слой зона расплавленного и быстро закристаллизовавшегося металла, 2 - зона термического влияния, в которой все структурные изменения происходят в твердом состоянии. Затем наблюдается переходный слой 3 и 4 - материал основы.

Лазерная термическая обработка позволяет повысить твердость и износостойкость упрочняемых материалов. Твердость зависит от концентрации углерода и легирующих элементов в стили. Хорошо упрочняются средне- и высоколегированные углеродистые и инструментальные стали. Стали с низким содержанием углерода и высокопрочные низколегированные стали при лазерной обработке, упрочняются плохо. Лазерная термическая обработка не влияет на предел прочности и предел текучести сталей.

Электроискровое легирование (ЭИЛ) относится к технологиям упрочнения, основывающимся на взаимодействии материалов с высококонцентрированными потоками энергии и вещества. Образование упрочненного слоя происходит в результате сложных плазмохимических, теплофизических и механотермических процессов, реализуемых на микролокальных участках взаимодействия материала с единичным искровым разрядом.

Процесс ЭИЛ включает следующие этапы (рис. 4):

1. Оплавление. При сближении на определенное расстояние электрода-инструмента с упрочняемой металлической поверхностью происходит импульсный электрический разряд длительностью 10 -6 …10 -3 с. В результате на поверхностях анода (легирующий электрод) и катода (упрочняемая деталь) образуются локальные очаги электроэрозионного разрушения.

2. Электрическая эрозия. Она представляет комплексный процесс разрушения, включающий в себя оплавление, испарение, термохрупкое разрушение и другие механизмы. Эродированная масса легирующего электрода имеет избыточный положительный разряд, попадая в межэлектродное пространство, она устремляется к поверхности катода-детали, ускоряясь и нагреваясь за счет электрического поля анода и катода.

Рис 4. Схема физических процессов в межэлектродном промежутке при электроискровом легировании: а) – этап оплавления; б) – электрическая эрозия; в) - физико-химическое взаимодействие

Рис 5. Схема композиционной структуры материала после электроискрового легирования: 1 – зона тонкопленочных или сплошных формирований; 2 – зона смеси материалов анода и катода; 3 – зона сформированная за счет диффузии элементов легирующего электрода в упрочняемой матрице катода-детали; 4 – зона термического воздействия плавно переходящая в структуру основного материала -5.

3. Физико-химическое взаимодействие. При движении анодная эродированная масса вступает в физико-химическое взаимодействие с межэлектродной средой и летучими продуктами эрозии катода-детали. К моменту осаждения фрагменты эродированной массы несут в себе электрическую, кинетическую и тепловую энергии, которые при взаимодействии с упрочняемой поверхностью выделяются в виде теплового импульса большой мощности. Вслед за осаждением эродированной массы упрочняемая поверхность подвергается контактно-деформационному воздействию вибрационного характера. Энергетическое воздействие высокой концентрации стимулирует протекание сопутствующих ЭИЛ микрометаллургических конвекционно-дифузионных процессов энергомассопереноса.

Упрочненная поверхность представляет собой композиционную структуру (рис. 5.).

Самый верхний слой состоит тонкопленочных «островковых» или сплошных формирований, состоящих из материала анода, и межэлектродной среды. Сплошность этого слоя зависит от режимов и условий упрочнения. Под верхним слоем располагается зона, представляющая смесь материалов анода и катода, образованную в результате конденсации ионно-плазменной и капельной фаз на упрочняемой поверхности. Далее следует слой, сформированный за счет диффузии элементов легирующего электрода в упрочняемой матрице катода-детали. Под ним располагается зона термического воздействия, представляющая трансформированную структуру исходного материала с измененной плотностью дефектов кристаллического строения по причине импульсного теплового воздействия. С перемещением в глубь структура зоны термического воздействия плавно переходит в структуру основного материала. В зависимости от режимов электроискрового легирования величина и степень упрочнения каждого слоя могут варьироваться в широком диапазоне, но наибольшую толщину всегда имеет зона термического воздействия, которая в большинстве случаев и определяет эксплуатационные свойства поверхности.

Основной энергетической характеристикой процесса ЭИЛ является энергия единичного искрового разряда, которая определяется:

= , (1)

где t и - длительность единичного искрового разряда; U (t ) и I (t ) – напряжение и сила тока в импульсе.

Наличие тесной связи между плотностью дефектов кристаллического строения, диффузионно-адгезионной активностью модифицированной структуры и коэффициентом переноса является основой для разработки оригинальных технологий повышения качества упрочнения при ЭИЛ. К таковым, в частности, можно отнести последовательную комбинацию поверхностно-пластического деформирования с электроискровым легированием, позволяющую повысить толщину легированного покрытия до нескольких десятых долей миллиметра, снизить уровень остаточных напряжений и стабилизировать структуру за счет уменьшения пористости.

Цементация стали

Цементацией называется процесс насыщения поверхностного слоя стали углеродом. Различают два основных вида цементации: твердую углеродосодержащую смесь (карбюризаторы) и газовую. Целью цементации является получение твердой износостойкой поверхности, что достигается обогащением поверхностного слоя углеродом до концентрации 0,8 – 1,2 % и последующей закалкой с низким отпуском. Цементация и последующая термическая обработка одновременно повышают предел выносливости.

Для цементации обычно используют низкоуглеродистые стали 0,1 – 0,18 %. Для крупногабаритных деталей применяют стали с более высоким содержанием углерода (0,2 – 0,3 %). Выбор таких сталей необходим для того, чтобы сердцевина изделия, не насыщающаяся углеродом при цементации, сохраняла высокую вязкость после закалки.

При цементации в твердом карбюризаторе изделия укладывают в ящики, засыпают древесным углем. При нагреве углерод древесного угля, соединяясь с кислородом воздуха, образует оксид углерода, который, в свою очередь, взаимодействуя с железом, дает атомарный углерод. Этот активный углерод поглощается аустенитом и диффундирует в глубь изделия. Для ускорения процесса цементации к древесному углю (коксу) добавляют активизаторы: углекислый барий (ВаСО 3 ) и кальцинированную соду (Na 2 CO 3 ) в количестве 10 – 40 % от массы угля.

Для газовой цементации в качестве карбюризатора используют природный газ, жидкие углеводороды (керосин, бензин и т.д.) или контролируемые атмосферы. При нагреве образуется атомарный углерод:

2 CO CO 2 + C атом

или

CH 4 2 H 2 + C атом ; C атом Fe (аустенит).

Газовая цементация – основной процесс при массовом производстве, а цементацию в твердом карбюризаторе используют в мелкосерийном производстве.

Глубина цементации в зависимости от назначения изделия и состава стали обычно находится в пределах 0,5-2,00 мм.

Цементацию проводят при 910 – 930 , или для ускорения процесса при 1000-1050. С повышением температуры уменьшается время достижения заданной глубины цементации. Так при газовой цементации науглероженный слой толщиной 1,0 – 1,3 мм получают при 920 за 15 ч., а при 1000 – за 8 ч. Чтобы предотвратить сильный рост аустенитного зерна высокотемпературной цементации подвергают наследственно мелкозернистые стали.

Концентрация углерода в поверхностном слое изделия обычно составляет 0,8—1,0% и не достигает предела растворимости при температуре цементации. Следовательно, сетка Fe 3 С при температуре цементации не образуется, и поверхностный слой, как и сердцевина, находится в аустенитном состоянии. После медленного охлаждения цементованный слой с переменной концентрацией углерода состоит из феррита и цементита и характеризуется гаммой структур, типичных для заэвтектоидной, эвтектоидной и доэвтектоидной стали (рис. 6).

Цементация является промежуточной операцией, цель которой — обогащение поверхностного слоя углеродом. Требуемое упрочнение поверхностного слоя изделия достигается закалкой после цементации. Закалка должна не только упрочнить поверхностный слой, но и исправить структуру перегрева, возникающую из-за многочасовой выдержки стали при температуре цементации.

Рис. 6. Изменение концентрации углерода по глубине цементированного слоя (а) и схема микроструктуры незакаленного науглероженного слоя (б): 1 – заэвтектоидная; 2 – эвтектоидная;
3 – доэвтектоидная зоны

После цементации в твердом карбюризаторе ответственные изделия подвергают двойной закалке, так как содержание углерода в сердцевине и на поверхности изделия разное, а оптимальная температура нагрева под закалку зависит от содержания углерода в стали

Первую закалку проводят с нагревом до 850—900°С (выше точки Аз сердцевины изделия), чтобы произошла полная перекристаллизация с измельчением аустенитного зерна в доэвтектоидной стали. В углеродистой стали из-за малой глубины прокаливаемости сердцевина изделия после первой закалки состоит из феррита и перлита. Вместо первой закалки к углеродистой стали можно применять нормализацию. В прокаливающейся насквозь легированной стали сердцевина изделия состоит из низкоуглеродистого мартенсита. Такая структура обеспечивает повышенную прочность и достаточную вязкость сердцевины.

После первой закалки цементованный слой оказывается перегретым и содержащим повышенное количество остаточного аустенита. Поэтому применяют вторую закалку с температуры 700—780°С, оптимальной для заэвтектоидных сталей. После второй закалки поверхностный слой состоит из мелкоигольчатого высокоуглеродистого мартенсита и глобулярных включений вторичного карбида.

При газовой цементации чаще всего применяют одну закалку с цементационного нагрева после подстуживания изделия до 840—860 °С. Заключительной операцией термической обработки цементируемых изделий во всех случаях является низкий отпуск при 160 – 180 0 С и переводящий мартенсит закалки в поверхностном слое в отпущенный мартенсит, снимающий напряжения.

Цементацию широко применяют в машиностроении для повышения твердости и износостойкости изделий с сохранением высокой вязкости их сердцевины. Удельный объем закаленного науглероженного слоя больше, чем сердцевины, и поэтому в нем возникают значительные сжимающие напряжения. Остаточные напряжения сжатия в поверхностном слое, достигающие 400—500 МПа, повышают предел выносливости изделия.

Низкое содержание углерода (0,08—0,25%) обеспечивает высокую вязкость сердцевины. Цементации подвергают качественные стали 08, 10, 15 и 20 и легированные стали 12ХНЗА, 18ХГТ и др.

Твердость поверхностного слоя для углеродистой стали составляет 60 – 64 HRC , а для легированной – 58 – 61 HRC ; снижение твердости объясняется образованием повышенного количества остаточного аустенита.

Азотирование стали

Азотированием называют процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали азотом при нагреве ее в аммиаке. Азотирование очень сильно повышает твердость поверхностного слоя, его износостойкость, предел выносливости и сопротивления коррозии в таких средах, как атмосфера, вода, пар и т.д. Твердость азотированного слоя заметно выше, чем цементируемой стали и сохраняется при нагреве до высоких температур (500 – 550 0 С), тогда как твердость цементируемого слоя, имеющего мартенситную структуру, сохраняется только до 200 – 225 0 С.

До азотирования детали подвергают закалке, высокому отпуску (улучшению) и чистовой обработке. После азотирования детали шлифуют или полируют. Азотирование стальных изделий проводят интервале температур 500-620 0 С в аммиаке, который при нагреве диссоциирует, поставляя активный атомарный азот:

N Н 3 → N + 3Н.

В системе F е—N при температурах азотирования могут образовываться следующие фазы: α-раствор азота в железе (азотистый феррит), γ-раствор азота в железе (азотистый аустенит), промежуточная γ"-фаза переменного состава с г. ц. к. решеткой и промежуточная ε-фаза с г. п. решеткой и широкой областью гомогенности (от 8,1 до 11,1 % N при комнатной температуре). В общем случае формирование структуры диффузионного слоя азотируемой стали зависит от состава стали, температуры и длительности нагрева, а также и скорости охлаждения после азотирования. При азотировании стали при 590 ºС диффузионный слой состоит из трех фаз: ε, γ" (Fe 4 N ), и α.

Высокая твердость и износостойкость азотируемых конструкционных сталей обеспечиваются нитридами легирующих элементов, которые существенно влияют на глубину азотированного слоя и поверхностную твердость. Наиболее высокая поверхностная твердость и износостойкость при азотировании достигается в хромомолибденовых сталях, дополнительно легированных алюминием, типичным представителем которых является сталь 38Х2МЮА.

Азотирование повышает предел усталости конструкционных сталей за счет образования в поверхностном слое остаточных напряжений.

Тонкий слой ε-фазы (0,01 — 0,03 мм) хорошо защищает простые углеродистые стали с содержанием углерода от 0,1- до 1,0 % от коррозии во влажной атмосфере и других средах.

Нитроцементация

Процесс одновременного насыщения стали углеродом и азотом в газовой среде называется нитроцементацией . Нитроцементацию проводят при более низких температурах (850 – 870 0 С) по сравнению с цементацией. Это обусловлено тем, что азот проникая в сталь одновременно с углеродом, понижает температуру существования твердого раствора на основе γ-железа и тем самым способствует науглероживанию стали при более низких температурах. Понижение температуры насыщения без увеличения длительности процесса позволяет снизить деформацию обрабатываемых деталей, уменьшить нагрев печного оборудования. Для газовой цементации и нитроцементации применяют практически одинаковое оборудование.

Для нитроцементации рекомендуется использовать контролируемую эндотермическую атмосферу, к которой добавляют 3 – 15 % неотработанного природного газа и 2 – 10 % N Н 3 или в случае шахтной печи – жидкий карбюризатор – триэтаноламин (С 2 Н 5 О) 3 N , который в виде капель вводят в рабочее пространство.

Нитроцементации обычно подвергают легированные стали с содержанием до 0,25% С . Продолжительность процесса 4-10 ч. Толщина нитроцементованного слоя составляет 0,2–0,8 мм. После нитроцементации следует закалка, либо непосредственно из печи с подстуживанием до 800 – 825 0 С, либо после повторного нагрева; применяют и ступенчатую закалку. После закалки проводят отпуск при 160 – 180 0 С.

При оптимальных условиях насыщения структура нитроцентируемого слоя должна состоять из мелкокристаллического мартенсита, небольшого количества мелких равномерно распределенных карбонитридов и 25 – 30 % остаточного аустенита.

Твердость слоя после закалки и низкого отпуска составляет 58 – 64 HRC (5700 – 6900 HV ). Высокое содержание остаточного аустенита обеспечивает хорошую прирабатываемость например, не шлифуемых автомобильных шестерен, что обеспечивает их бесшумность. Максимальные показатели прочности достигаются только при оптимальном для данной стали содержании на поверхности нитроцементируемого слоя углерода и азота.

В последние годы получил применение процесс низкотемпературной нитроцементации.

Низкотемпературную нитроцементацию проводят при 570 0 С в течение 0,5 – 3,0 час в атмосфере, содержащей 50 % эндогаза (экзогаза) и 50 % аммиака или 50 % пропана (метана) и 50 % аммиака. В результате такой обработки на поверхности стали образуется тонкий карбонитридный слой Fe 3 (N , C ) , обладающий высокой износостойкостью. Твердость такого слоя на легированных сталях составляет 5000 – 10000 HV . Низкотемпературная нитроцементация повышает предел выносливости изделий. Процесс рекомендован для замены жидкого азотирования в расплавленных цианистых солях.

Все эти виды упрочняющей термической обработки имеют свою специфику и особенности и, как правило, используются в различных технологических операциях при термической обработке сталей и сплавов.

Упрочнение деталей

Срок службы деталей строительных машин можно увеличить, упрочняя поверхностный слой пластическим деформированием (упрочнение давлением), термомеханической, термической и химико-термической обработкой.

Упрочнение поверхностных слоев металла пластическим деформированием производят дробеструйной обработкой и раскаткой роликами или шариками, чеканкой, дорнированием (упрочнение калиброванием), обработкой резанием специальными резцами.

Пластическое поверхностное деформирование увеличивает предел выносливости детали и повышает чистоту ее поверхности, что позволяет в некоторых случаях отказаться от применения отделочных операций.

Дробеструйная обработка производится на специальных установках стальной или чугунной дробью диаметром 0,4…2 мм. В этих установках дробь с большой скоростью (50…70 м/с) направляется на обрабатываемую поверхность, вызывая в ней напряжения сжатия, достигающие нескольких десятков килограммов на 1 мм2. Такую обработку чаще всего применяют для повышения усталостной прочности и упрочнения термически обработанных стальных деталей, работающих при переменных нагрузках. К числу указанных деталей относятся рессоры, спиральные пружины, зубчатые колеса, шатуны, молотки, щеки камнедробилок и др. После дробеструйной обработки срок службы листовых рессор возрастает в 4…6 раз, а мелкомодульных зубьев шестерен в 2,5…3 раза.

Глубина наклепанного слоя, обычно не превышающая 1 мм, зависит для данной детали от продолжительности обработки (колеблется от 5…10 с до 2…3 мин), силы удара, размера и угла падения дроби (наибольший наклеп наблюдается при угле 75…90 °С).

Накатка поверхности закаленными роликами является эффективным средством упрочнения крупных деталей, имеющих форму тел вращения. Накаткой улучшается микрогеометрия поверхности и создается упрочненный наклепанный слой, что приводит к повышению предела усталости и износостойкости деталей.

Накатка производится свободно вращающимися роликами, приводимыми в соприкосновение с вращающейся деталью, установленной в токарном станке. Ролик на оправке закрепляется в суппорте станка или специальном приспособлении.

Упрочнение чеканкой применяют для значительного местного наклепа участков поверхностей деталей с высокой концентрацией напряжений (галтели, места выхода отверстий, шлицы, сварные швы и т.д.). Чеканка проводится специальными бойками, роликами, шариками путем ударного воздействия на упрочняемую поверхность.

Хорошие результаты в отношении упрочнения поверхности и получения наплавленного слоя без пор и раковин дает термомеханическая обработка. При этом совмещаются наплавка и упрочнение поверхности. Наплавленный слой непосредственно за сварочной ванной подвергается накатыванию роликом или ударом бойка.

Строительные машины имеют много деталей, поверхностные слои которых должны обладать высокой износостойкостью, а сердцевина-достаточной прочностью и вязкостью. Изменение свойств только поверхностного слоя деталей достигается насыщением поверхности углеродом (цементация), азотом (азотирование), углеродом и азотом (цианирование) и поверхностной закалкой.

Цементации подвергают детали, работающие при высоких удельных давлениях и трении, а также испытывающие в процессе эксплуатации ударные нагрузки (зубья шестерен, поршневые пальцы, распределительные валы и т.д.). Цементации подвергаются детали, изготовленные из стали, содержащей не более 0,25 % углерода, - это малоуглеродистые стали марок 0, 8, 10, 15, 20, легированные стали марок 15Х, 20Х и др.

Цементацию проводят в науглероживающей среде (карбюризаторе) при температурах 900…950°С без доступа воздуха. Применяемые для этой цели карбюризаторы могут быть твердыми, жидкими или газообразными. После науглероживания деталей их подвергают нормализации, закалке и отпуску.
Наибольшее распространение получила цементация в твердом карбюризаторе (мелкий древесный уголь в смеси с углекислыми солями бария).

Средняя скорость науглероживания составляет 0,8..0,1 мм/ч, поэтому для получения цементированного слоя глубиной 0.5…2 мм требуется 12…15 ч, что является существенным недостатком.

Цементацию в жидком карбюризаторе применяют для получения неглубокого науглероженного слоя в небольших и тонкостенных деталях. Этот вид цементации производят, погружая детали в ванну, содержащую смесь поваренной соли, углекислого натрия, цианистого натрия и хлористого бария. Процесс ведется при температуре 840…860°G в течение 0,5…2,5 ч. За это время удается получить цементированный слой глубиной 0,2.. 0,6 мм, который после соответствующей упрочняющей термической обработки достигает твердости 40…60 HRC .

Газовую цементацию широко применяют на заводах серийного и массового производства. Она позволяет значительно уменьшить продолжительность цементации и снизить ее стоимость. Газовую цементацию производят в шахтных и муфельных печах, в которые подается газ, содержащий углерод (природный, светильный и др.). За 6…7 ч при температуре 900…950°С этим путем получают науглероженный слой глубиной до 1 мм.

Азотированием удается получить твердость поверхностного слоя стальных деталей, в 1,5…2 раза большую, чем цементированием и закалкой. Причем твердость, полученная без применения термической обработки, сохраняется при нагреве деталей до 500…600 °С. Кроме того, при азотировании резко повышаются коррозионная стойкость, износостойкость и усталостная прочность стальных деталей.

Азотированию подвергают в основном легированные детали, к которым предъявляются особые требования в отношении износостойкости и усталостной прочности, например гильзы цилиндров и шейки коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания, зубчатые колеса, измерительные инструменты и другие детали.

Азотирование состоит в насыщении поверхностных слоев стальных деталей азотом путем длительного нагрева их при температуре 480,..650°С в атмосфере аммиака. Перед азотированием детали подвергают термической обработке (закалке и^ отпуску), затем’ механической обработке (включая шлифование) и после этого промывке бензином. Для этого их помещают в специальную печь, туда же подают аммиак, который при высоких температурах разлагается с выделением атомарного азота и водорода. Азот, диффундируя в поверхностный слой стальных деталей, образует с легирующими элементами (хромом, молибденом) химические соединения - нитриды.

Общая глубина азотированного слоя обычно не превышает 0,5 мм. Скорость диффузии при температуре 500 °С составляет примерно 0,1 мм за каждые 10 ч.
Цианирование применяется для малоуглеродистых сталей вместо цементации и имеет перед ней значительные преимущества (повышается износостойкость и стойкость против ударных нагрузок, большая скорость процесса). Процесс заключается в нагреве деталей до 820 ° С в расплавленных цианистых солях натрия, калия или кальция, содержащих активные углерод и азот, выдержке деталей при этой температуре в течение определенного времени (от 20 мин до 2 ч) и в последующем медленном охлаждении их. По окончании цианирования детали подвергают закалке и отпуску. Толщина цианированного слоя 0,15…0,3 мм, остальная толщина детали остается вязкой.

Существенным недостатком, сдерживающим применение цианирования, является токсичность цианистых ванн, что вызывает необходимость специальных мер предосторожности.

Поверхностной закалкой упрочняют детали из углеродистой стали марок 40, 45, 50, малолегированной хромистой и марганцовистой стали. Детали из этих сталей при обычных способах имеют пониженную пластичность и вязкость, так как прокаливаются по всему сечению.

Чтобы придать твердость только поверхностному слою и в то же время сохранить вязкую сердцевину, необходимо нагревать деталь так, чтобы до температур закалки нагревался только поверхностный слой толщиной 1…6 мм. Тогда в процессе охлаждения сердцевина детали не закалится и сохранит свойства, присущие незакаленному металлу.

Нагрев поверхности детали под закалку производят кислородно-ацетиленовым пламенем (пламенная закалка) и токами высокой частоты (закалка ТВЧ). При пламенной закалке для нагрева могут быть использованы стандартные сварочные горелки, у которых мундштуки заменяют специальными многопламенными закалочными наконечниками. Размеры и профиль таких наконечников зависят от формы закаливаемых деталей.

Рис. 1. Схемы профилей и наконечников

Плоские наконечники (рис. 1, а) применяют для закалки поверхности разных размеров тел вращения (катков, колес и др.). Кольцевые (рис. 1,б) и полукольцевые наконечники предназначены для закалки шеек валов и других цилиндрических деталей. Контурные многопламенные наконечники (рис. 1, в) применяют для закалки зубьев шестерен.

Движение горелки должно быть равномерным. Расстояние между наконечником горелки и закаливаемой поверхностью выдерживают в пределах 10…15 мм. Поверхности нагревают до светло-красного цвета, а охлаждают водой, которая подводится к закалочным наконечникам и, вытекая через специальные отверстия, создает водяной душ, отстоящий на 10…20 мм от пламени горелки.

В зависимости от конструктивных особенностей деталей применяют следующие два способа пламенной поверхностной закалки: циклический и непрерывно-последовательный.

При циклическом способе вначале производят нагрев поверхности под закалку, а затем ее охлаждение. При нагреве деталь может оставаться неподвижной (стационарный способ) или вращаться со скоростью 10… 12 м/мин (вращательно-циклический способ). Циклическим способом производят поверхностную закалку деталей небольшого размера: роликов, мелкомодульных шестерен, шеек валов диаметром до 100 мм и т. п.

Непрерывно-последовательный способ применяют для поверхностной закалки плоских деталей (направляющие станин металлорежущих станков) и деталей большого диаметра (ходовых колес, кранов, бегунов и т.д.).

Рис. 2. Поверхностная закалка непрерывно-последовательным способом
1- сварочная горелка;

При этом способе закалки нагрев поверхности и ее охлаждение протекают непрерывно за счет постоянного перемещения деталей относительно горелки и охлаждающего источника (рис. 2). Скорость перемещения детали относительно горелки выбирают в пределах 60…300 мм/мин.

Детали, прошедшие поверхностную закалку, подвергаются низкому отпуску при температуре 180…200°С в масляных ваннах с электрическим подогревом. Время выдержки деталей при этих температурах определяют из расчета 1 ч на 1 см радиуса детали. Окончательная обработка деталей (шлифование и доводка) производится после термообработки, обеспечивающей требуемую твердость и структуру металла.

Поверхностная закалка деталей при нагреве токами высойЪй частоты (до 106 Гц) применяется в серийном и массовом производстве для упрочнения деталей автомобилей и строительных машин. Нагрев ТВЧ с одинаковым успехом может использоваться для закалки как наружных, так и внутренних поверхностей диаметром более 11 мм.

Сущность поверхностного нагрева токами высокой частоты состоит в следующем. В детали, помещенной в переменное магнитное поле, создаваемое индуктором, возбуждаются вихревые токи. Эти токи под действием магнитного поля оттесняются к поверхности изделия. С увеличением частоты тока эффект оттеснения токов к поверхностным слоям, а следовательно, и плотность тока в них возрастают. В результате теплового действия вихревых токов за 3…5 с поверхностные слои нагреваются до температуры закалки, после чего детали охлаждаются в воде, масле или эмульсии.

Индукторы изготавливают из медных трубок диаметром 4…20 мм с толщиной стенок 0.5…2 мм, в которых циркулирует вода, предупреждающая их нагрев. Для повышения КПД индуктора круглые трубки профилируют, придавая сечению квадратную или прямоугольную форму.

Отдельные участки у крупных деталей (шеек коленчатых валов, зубьев шестерен) нагревают и закаляют частями, чередуя нагрев и охлаждение. При закалке деталей средних размеров применяют непрерывно-последовательный нагрев и охлаждение. После закалки ТВЧ детали обрабатывают так же, как и после пламенной поверхностной закалки.

Высокочастотная закалка обеспечивает высокую производительность, малые деформации закаливаемых деталей, отсутствие окалины на поверхности детали после закалки и значительное улучшение санитарно-гигиенических условий труда рабочих.

К атегория: - Ремонтирование строительных машин

Настоящее изобретение относится к способу нанесения на поверхность металла, например металлическую поверхность инструмента или сельскохозяйственных орудий производства, твердого износостойкого покрытия. Задачей изобретения является создание износостойкого покрытия, имеющего однородную плотность, преимущественно не содержащего включений. Предложен способ, включающий нанесение суспензии из порошкового износостойкого сплава и раствора поливинилового спирта (PVA). По другому варианту раствор связующего покрытия PVA может быть нанесен на поверхность металла с последующим нанесением слоя порошкового сплава. После того, как покрытие из суспензии или связующего агента PVA высушивают с остающимся при этом слоем сухого покрытия из сплава в матрице из PVA, поверхность металла нагревают в вакууме, в атмосфере инертного газа или в атмосфере водорода до температуры плавления сплава. Металлическую деталь с расплавленным покрытием подвергают термической обработке для придания нужных механических свойств основному материалу. Техническим результатом данного изобретения является обеспечение получения гладкого, плотного покрытия, придающего износостойкость и упрочняющего поверхность, без неметаллических включений. 3 с. и 14 з.п. ф-лы, 1 табл.

Предшествующий уровень техники Настоящее изобретение относится к способу нанесения на поверхность металла, например металлическую поверхность инструмента или сельскохозяйственных орудий производства, твердого износостойкого покрытия. Покрытие поверхности металлов другим металлом или металлическим сплавом для улучшения внешнего вида, защиты от коррозии или повышения износостойкости хорошо известно в области металлургии. Покрытие инструментов, в частности режущих кромок инструментов, твердым износостойким сплавом является общепринятой практикой, особенно в области производства сельскохозяйственного оборудования, и часто упоминается как "упрочнение поверхности" или "поверхностное упрочнение". Например, см. патент США Re.27852, автор Alessi, патент США 5027878 и 5443916, автор Revankar, патент США 4682987, Brady с соавторами и патент США 5456323, автор Hill. Упрочнение поверхности часто осуществляют посредством плавления твердого порошкового металлического сплава на поверхности металла. Этот способ включает, как правило, покрытие поверхности металла водной суспензией порошкового гомогенного сплава, порошкового флюса, связующего агента и суспендирующего агента; высушивание суспензии для образования твердого слоя и нагрев поверхности металла до достаточно высокой температуры для плавления сплава на поверхности. Флюс предназначен для защиты сплава от взаимодействия с газами в атмосфере плавильной печи во время нагрева сплава. Суспендирующий агент способствует получению однородной суспензии. Связующий агент удерживает порошки сплава и флюса на месте, пока суспензию сплава высушивают на поверхности металла. Одной из проблем этого способа упрочнения поверхности является то, что флюс, связующий агент и суспендирующий агент, добавляемые в суспензию, остаются в расплавленном покрытии как нежелательные неметаллические включения и уменьшают количество эффективного износостойкого покрытия при данной толщине покрытия. Эти включения рассредоточены в покрытии, что увеличивает хрупкость и способствует выкрашиванию материала покрытия, но не за счет разрушения, а скорее из-за абразивного износа, что приводит в результате к преждевременному износу и сокращению срока службы покрытия. Другой проблемой способов предшествующих технических решений является неоднородная толщина покрытия. 1) Покрытие суспензией способствует ее стеканию, пока она влажная, по вертикальным и наклонным поверхностям, с образованием при этом неоднородного распределения порошкового сплава. 2) Смесь флюс/связующий агент, используемая в суспензии для покрытия, плавится раньше порошкового покрытия, и образующаяся жидкость имеет тенденцию к перемещению порошковых частиц по вертикальным и наклонным поверхностям и вызывает их неоднородное распределение до того, как порошковый сплав начнет плавиться. В патенте Японии JP-A-60089503 предложен способ получения износостойкого материала. Порошок абразивного материала, такого как сплав на никелевой или кобальтовой основе, который содержит менее 5% железа, и органический связующий агент, например поливиниловый спирт, смешивают для образования суспензии, которой покрывают поверхность деталей машин. Детали нагревают в условиях вакуума или в неокислительной атмосфере для получения агломерированного слоя износостойкого материала, который связан с деталями через диффузионный слой. В патенте США 3310870 предложен способ получения стали с никелевым покрытием, в котором используют состав суспензии, включающей никелевый порошок в связующем агенте, например раствор поливинилового спирта, который может содержать диспергирующий или дефлоккулирующий агент, для обеспечения диспергирования связующего агента в суспензии. Суспензию наносят на металлическую основу посредством разбрызгивания или накатки роликом, высушивают, спекают в неокислительной для стали атмосфере, подвергают горячему компактированию и охлаждают. В Европейском патенте ЕР-А-0459637 предложен способ нанесения покрытия, содержащего твердый сплав, на металлический или керамический предмет. Твердый сплав содержит лишь небольшое количество железа. Его смешивают с органическим связующим агентом, например полихлорвинилом, и наносят на предмет посредством погружения, разбрызгивания, накатки роликом или с помощью других способов. На первой операции нагрева связующий агент разлагается, а на второй операции при высокой температуре в условиях избыточного давления происходит уплотнение. В патенте США 4175163 предложен способ покрытия изделия из нержавеющей стали коррозионно-стойким поверхностным слоем. Металлический порошок, содержащий в основном хром и никель, смешивают с органическим растворителем, например водным раствором поливинилового спирта. После распыления смеси на поверхности изделия его подвергают нагреву токами высокой частоты в условиях неокислительной атмосферы, например азота или аргона, что должно обеспечить образование у материала промежуточного диффузионного слоя между поверхностным слоем и стальным изделием. Задачей данного изобретения является создание способа однородного упрочнения поверхности металла износостойким сплавом по существу без неметаллических включений. Второй задачей является получение суспензии износостойкого сплава для использования при упрочнении поверхности. Краткое описание изобретения Первый аспект настоящего изобретения представляет собой способ упрочнения поверхности металла износостойким покрытием. Первый вариант способа включает следующие операции: a) получение преимущественно однородной водной суспензии поливинилового спирта и предназначенного для плавления твердого металлического сплава, содержащего, по меньшей мере приблизительно, 60% железа, в виде мелкодисперсного порошка и одной или более добавок из группы, включающей диспергирующие агенты, дефлоккулирующие агенты и пластификаторы, без флюса; b) покрытие поверхности металла водной суспензией; c) сушку водной суспензии для образования на поверхности металла затвердевшего слоя предназначенного для плавления твердого металлического сплава в матрице из поливинилового спирта; d) нагрев поверхности металла со слоем предназначенного для плавления твердого металлического сплава в матрице из поливинилового спирта до температуры плавления сплава в условиях защитной атмосферы при давлении приблизительно от 10 -4 Торр (1,33310 -2 Па) до 2 фунтов на квадратный дюйм (13,79 кПа) до тех пор, пока сплав не расплавится на поверхности металла; е) охлаждение поверхности металла с расплавленным упрочняющим покрытием до температуры окружающей среды. Операции b) и с) могут быть повторены один или несколько раз для образования более толстого слоя покрытия сплав/матрица из поливинилового спирта. Второй вариант способа упрочнения поверхности металла включает следующие операции: a) покрытие поверхности металла водным раствором поливинилового спирта; b) распределение преимущественно однородного слоя, предназначенного для плавления, твердого металлического сплава в виде мелкодисперсного порошка по покрытию из раствора поливинилового спирта, выполняемое на этапе а) перед сушкой раствора поливинилового спирта;
c) сушку покрытия из водного раствора поливинилового спирта для образования затвердевшего слоя предназначенного для плавления, твердого металлического сплава, связанного с поверхностью металла с помощью покрытия из поливинилового спирта;
d) нагрев поверхности металла, покрытой слоем предназначенного для плавления твердого металлического сплава, связанного с поверхностью металла с помощью покрытия из поливинилового спирта, до температуры плавления сплава в условиях защитной атмосферы при давлении, приблизительно, от 10 -4 Торр (1,33310 -2 Па) до 2 фунтов на квадратный дюйм (13,79 кПа) до тех пор, пока сплав не расплавится на поверхности металла;
е) охлаждение поверхности металла с расплавленным упрочняющим покрытием до температуры окружающей среды. Этапы а), b) и с) могут быть повторены один или несколько раз для образования слоев сплава, каждый из которых связан с лежащим ниже него слоем с помощью покрытия из поливинилового спирта, причем самый нижний слой связан непосредственно с поверхностью металла. Второй аспект настоящего изобретения представляет собой водную суспензию поливинилового спирта и предназначенного для плавления твердого металлического сплава, содержащего, по меньшей мере приблизительно, 60% железа, в виде мелкодисперсного порошка, используемого в первом варианте способа. Предпочтительно, чтобы средний размер частиц сплава составлял около 200 меш (соответствует ситу с количеством ячеек, равным 200 на 25,4 мм длины) или меньше. Износостойкие покрытия, которые наносят в соответствии с настоящими способами покрытия суспензиями для упрочнения поверхности, имеют однородную плотность и преимущественно не содержат включений, в отличие от покрытий суспензиями, наносимыми способами согласно предшествующим техническим решениям. Поэтому покрытия согласно изобретению являются менее хрупкими и более долговечными, чем покрытия, наносимые посредством способов, известных в данной области техники. Подробное описание изобретения
Широко используемый способ упрочнения поверхности металлов, в частности сельскохозяйственных орудий, предложен в патенте США Re.27852, автор Alessi (присоединенный к данному описанию в качестве ссылки). Этот способ включает: а) приготовление водной суспензии порошкового твердого сплава, связующего агента и флюса; b) нанесение суспензии на поверхность металлической детали, подлежащей упрочнению; с) удаление воды из суспензии при слабом нагреве для получения в остатке сухого слоя сплава, связующего агента и флюса на металлической поверхности и d) нагрев всей целиком металлической детали, предпочтительно, до высокой температуры плавления сплава и образования упрочняющего покрытия, прочно связанного с поверхностью металлической детали. Способ согласно изобретению представляет собой усовершенствование способа Alessi и используемых в настоящее время способов, основанных на способе Alessi, например способа, названного "Dura-Face" ("Стойкая поверхность") в патенте США 5456323. В способах упрочнения поверхности в данной области техники, основанных на патенте Alessi, смесь флюса и связующего агента (флюс/связующий агент), используемая для приготовления суспензии для покрытия, плавят до получения жидкого состояния при значительно более низкой температуре, чем температура плавления порошкового сплава, содержащегося в суспензии. Флюс/связующий агент продолжает существовать в виде жидкости даже при более высокой температуре плавления порошкового сплава. Однако жидкий флюс/связующий агент не успевает подняться на поверхность расплавленного сплава полностью за краткое время плавления и перед затвердеванием металла. Поэтому флюс/связующий агент остаются в сплаве покрытия как мелкие неметаллические частицы, известные как "включения". Включения являются относительно мягкими и хрупкими, ослабляя таким образом покрытие из сплава и снижая его износостойкость. Даже если времени будет достаточно, чтобы жидкие флюс/связующие агенты успели подняться на поверхность сквозь слой расплавленного сплава, флюс/связующий агент не удаляется с покрытия, а образует часть верхнего слоя покрытия. Кроме того, поскольку температура плавления флюса/связующего агента является существенно ниже, чем у сплава покрытия, то вязкость жидкой среды флюс/связующий агент становится низкой задолго до достижения температуры плавления сплава. Здесь термин "плавление" используют для обозначения того, что мелкодисперсные частицы сплава размягчаются, а отдельные частицы плавятся и объединяются с образованием сплошного покрытия. Жидкая среда флюс/связующий агент имеет тенденцию к легкому стеканию по наклонным поверхностям, унося с собой некоторое количество частиц порошкового сплава до того, как произойдет плавление порошкового сплава. Таким образом, плавление флюса/связующего агента приводит в результате к неоднородной толщине затвердевшего покрытия, вызывающей ухудшение характеристик износа покрытия из сплава. В первом варианте способа согласно изобретению водный раствор поливинилового спирта (PVA) используют как связующий агент в водной суспензии сплава без флюса. При нагреве PVA не плавится до термопластичного состояния, а распадается при температуре выше 150 o С за счет потери воды из двух соседних гидроксильных групп. Когда покрытие сплав/PVA нагревают до температуры плавления сплава, то PVA почти полностью испаряется из покрытия, после чего остается агломерат чистых порошковых частиц сплава с достаточной прочностью когезии, при плавлении которых образуется чистое и плотное покрытие без включений. Однако, поскольку PVA разлагается и улетучивается при температуре существенно ниже температуры плавления упрочняющего поверхность порошкового сплава, он не защищает сплав по мере нагревания до температуры плавления от химического взаимодействия с атмосферными газами, например с кислородом, азотом и двуокисью углерода. Такая защита является функцией материала флюса, который преднамеренно не включен в способ согласно изобретению. Поэтому в процессе нагрева, плавления и охлаждения, предпочтительно, использовать защитную атмосферу, если сплав при повышенной температуре склонен к взаимодействию с воздухом. В лабораторных условиях и при малых объемах производства плавление сплава удобно выполнять в печи при высоком вакууме (около 10 -4 Торр или 1,33310 -2 Па), эффективно удаляя атмосферные газы. Приемлемым является также эксплуатировать печь при низком давлении инертного газа (100-200 мкм [рт. столба] = 13,33-26,7 Па/м 2), например аргона или гелия. Можно также использовать азот при низком давлении, хотя и не с такими преимуществами, как аргон или другие инертные газы. Однако работа при высоком вакууме и низком давлении инертного газа в вакуумной печи в условиях производства является относительно дорогостоящей и малопроизводительной. Инертные газы, т. е. аргон и гелий, только при более высоком атмосферном давлении и восстановительные газы, такие как водород, также только при более высоком атмосферном давлении могут быть использованы в качестве защитной атмосферы в процессе плавления при приемлемой скорости производства. Водород, поскольку он является менее дорогим, чем аргон или гелий, предпочтителен в качестве защитной атмосферы при больших объемах производства. Печи, в которых используют водород в качестве защитной атмосферы, известны в области металлургии и имеются на рынках сбыта. Суспензию, используемую в настоящем изобретении, получают посредством тщательного смешивания порошкового упрочняющего сплава с раствором PVA в качестве связующего агента для получения нужного весового отношения сплава к раствору связующего агента. Составы суспензии, описываемой здесь, обозначают с помощью восьмизначного кода. Например, для суспензии "0550/0750" первые четыре цифры "0550" обозначают весовое отношение порошкового сплава к раствору PVA, равное 5,5 к 1, а последние четыре цифры "0750" обозначают 7,5 вес. % водного раствора PVA как связующего агента. В этом обозначении принято, что десятичная точка (запятая) находится посредине каждой группы из четырех цифр. Так, "1075/1025" означает отношение сплава к PVA 10,75 к 1, а водный раствор PVA содержит 10,25 вес.% PVA в воде. Специалистам в области металлургии будет понятно, что для получения однородного износостойкого покрытия поверхность подлежащего упрочнению металла должна быть ювенально чистой металлической поверхностью, свободной от окислов. Предпочтительно, чтобы перед использованием описанных здесь способов упрочнения поверхность металла, подлежащая упрочнению, была подготовлена посредством очистки до металлического блеска. Желательно, чтобы металлическую поверхность можно было подготовить к нанесению упрочняющего покрытия посредством промывки горячим моющим средством, а затем посредством пескоструйной обработки. Предпочтительно, чтобы размеры частиц при пескоструйной обработке составляли, приблизительно, от 80 до 120 меш. Если покрытию подлежат только несколько деталей, то оксиды с поверхности можно удалить зачисткой мелкой абразивной шкуркой на бумажной или тканевой основе, например абразивной шкуркой на бумаге или ткани с размером абразива 120 [меш] . Абразивный материал, предпочтительно, представляет собой любой твердый порошок с частицами, имеющими острие кромки, например окись алюминия, "стальной абразив" и многие другие имеющиеся на рынке сбыта абразивы. В первом варианте способа согласно изобретению предпочтительная процедура нанесения суспензии на подлежащую покрытию металлическую поверхность зависит от формы и размера металлической детали, имеющей металлическую поверхность, а также от соотношения сплава и концентрации связующего агента PVA в растворе. Как правило, суспензию для покрытия наносят обливанием, с помощью щеток или разбрызгиванием на подлежащую нанесению защитного покрытия металлическую поверхность либо подлежащую защите деталь, имеющую металлическую поверхность, можно окунать в суспензию. Такая процедура подходит для относительно тонких покрытий, например, приблизительно, вплоть до 0,030 дюйма (0,75 мм), однако, иногда трудно получить и сохранить однородную толщину покрытия. Предпочтительно, чтобы отношение количества сплава к раствору PVA при этой процедуре находилось в диапазоне, приблизительно, от 4:1 до 8:1 и чтобы концентрация PVA в растворе составляла, приблизительно, от 1 до 15 вес. % PVA. Например, для этой процедуры подходящими являются 0500/0500, 0600/0150, 0700/0150, 0500/0750, 0600/0750 или аналогичные суспензии. Нанесение покрытия распылением требует, чтобы суспензия имела низкую скорость оседания частиц сплава. Согласно закону Стокса конечная скорость (т. е. скорость без ускорения) "Vt" оседания порошковой частицы через столб жидкости прямо пропорциональна квадрату радиуса "r" частицы, принятой за сферическую, и обратно пропорциональна вязкости жидкой среды , т.е. Vt r 2 /. Следовательно, чем меньше размер (выраженный в меш) частицы порошкового сплава и чем больше вязкость связующего агента, тем ниже скорость оседания частиц порошкового сплава. Размер радиуса, поскольку он в квадрате, оказывает более сильное влияние, чем вязкость на скорость оседания. Например, радиус частиц 200 и 325 меш составляет 75 и 45 мкм соответственно, а вязкость 5 и 7,5% растворов PVA составляет 15 мПас и 70 мПас. Величина Vt для частицы 325 меш при 7,5%-ном растворе PVA в качестве связующего агента тогда будет в 13 раз меньше, чем для частицы 200 меш в 5,0%-ном растворе PVA. Таким образом, скорость оседания можно регулировать посредством правильного выбора комбинации концентрации связующего агента и размера порошковых частиц. Например, оседание частиц порошкового сплава в неперемешиваемой суспензии 0500/0750 порошка размером минус 200 меш пренебрежимо мало спустя 20 минут. Более высокая концентрация связующего агента, например 10% (вязкость связующего агента 250 мПас), приведет к дальнейшему снижению скорости оседания, однако, соответствующее большое увеличение вязкости суспензии сделает суспензию непригодной для разбрызгивания. Тем не менее, суспензию с высокой вязкостью можно использовать для других способов процедуры нанесения, т.е. в виде паст или лент, описанных ниже. Композиции густых суспензий, т.е. при высоком соотношении сплава к раствору PVA, могут наноситься как пасты на водной основе или из них прокаткой могут быть получены ленты для наложения на поверхность металла, однако, как правило, они требуют особых добавок для выполнения функции диспергирующих агентов, дефлокулирующих агентов и пластификаторов. Для таких процедур предпочтительное весовое отношение сплава к раствору PVA находится в диапазоне приблизительно от 8: 1 до 15:1, а концентрация PVA в растворе составляет, приблизительно, от 6 до 15 вес.%. Типичными примерами густых суспензий являются 1000/1000, 1200/1500 и 1500/1200. Способы нанесения в виде паст и лент могут быть использованы для густых суспензий. Однако эти процедуры трудны при использовании в условиях производства с высокой производительностью. Если необходимы толстые покрытия, то надежной и экономически выгодной, альтернативой пастам и лентам является процедура многократного нанесения покрытий, которая обеспечивает однородную толщину покрытия суспензией даже на больших поверхностях. Нужная толщина может быть получена посредством повторного разбрызгивания, перемежаемого циклами сушки. Сушку можно выполнять при температурах, приблизительно, от 80 до 120 o С в печи с принудительной циркуляцией воздуха. Для этого способа особенно подходит суспензия 0500/0750, хотя могут быть использованы и другие составы. Способ согласно изобретению подходит, в частности, для упрочнения поверхностей стальных деталей, подвергаемых высоким ударным воздействиям, коррозии и абразивному износу, включающим, но не ограниченным этим, инструменты (особенно режущие кромки инструментов), подшипники, поршни, коленчатые валы, шестерни, детали машин, огнестрельное оружие, сельскохозяйственные орудия и хирургические инструменты. Способ может быть использован для покрытия поверхности пластичного чугуна и серого чугуна, часто используемых для отливки деталей, например блоков цилиндров двигателей и корпусов агрегатов. Сплав можно плавить на поверхности детали из литого чугуна при температуре лишь незначительно ниже температуры плавления чугунной детали. Кроме того, способы согласно изобретению могут быть использованы для покрытия нежелезных металлов и сплавов при условии, что сплав для упрочняющего покрытия совместим с поверхностью металла, подлежащей покрытию, а температура плавления сплава для упрочняющего покрытия значительно ниже температуры плавления металла, поверхность которого подлежит упрочнению. Помимо этого, используя второй вариант настоящего изобретения, поверхность металла можно покрывать водным раствором PVA (приблизительно от 1 до 15 вес. % PVA) для образования связующего покрытия, с последующим распределением сухого порошкового сплава по покрытию из раствора связующего агента PVA, пока он еще влажный, предпочтительно, с помощью устройства для распыления порошка. Предпочтительно, чтобы как водный раствор PVA, так и порошковый сплав были нанесены на металлическую поверхность распылением. Раствор связующего агента PVA затем высушивают для образования связи твердого слоя порошкового сплава с поверхностью покрытия PVA. Можно получить несколько слоев порошкового сплава путем последовательного нанесения покрытия раствором PVA и слоев порошкового сплава и последовательного высушивания покрытия из раствора PVA, связывающего слой порошкового сплава, перед нанесением следующего покрытия PVA. Этот вариант устраняет проблемы оседания порошка в суспензии и стекание суспензии при наличии толстых покрытий. Кроме того, этот вариант хорошо подходит для производства с высокой производительностью. Термическая обработка металла для изменения или улучшения его свойств хорошо известна и широко практикуется в области металлургии, а именно, см. Heat Treating Hand book, ASM International, Metals Park, OH (1991). Процесс термической обработки включает, по существу, однородный нагрев металла до температуры его аустенизации (закалки), затем быстрое охлаждение, т.е. закалка, в закалочной среде, такой как вода, закалочное масло или полимерная закалочная среда либо даже воздух. Металлическая деталь, имеющая поверхность, упрочненную способом согласно изобретению, может быть подвергнута термической обработке путем извлечения детали из печи после плавления сплава покрытия, медленного охлаждения до температуры закалки металла, а затем быстрого погружения в подходящую закалочную среду. Как один из вариантов, металлическую деталь, имеющую предварительно упрочненную поверхность, можно подвергнуть термической обработке путем нагрева до ее температуры закалки и быстрого охлаждения. Как связующий агент PVA, в отличие от флюсов/связующих агентов, известных в данной области техники, не плавится с образованием жидкости перед плавлением или в процессе плавления покрытия и поэтому не позволяет порошковому покрытию "мигрировать" до того как начнется плавление порошка. Это свойство PVA позволяет обеспечить, чтобы конечная толщина расплавленного покрытия соответствовала исходной толщине покрытия суспензией в любом месте покрытия. В покрытиях суспензиями толщиной вплоть до 0,040 дюйма (1,016 мм), расплавленных на вертикальной стальной поверхности, не обнаруживается никакого смещения порошкового металла до плавления или в процессе плавления. Покрытие толщиной вплоть до 0,060 дюйма (1,54 мм) на поверхности с наклоном в 60 o также не обнаруживает стекания металла. Таким образом, PVA как связующий агент сводит к минимуму проблемы, связанные с неоднородностью покрытия, присущие способам упрочнения, известным в данной области техники. В патенте США 5027878 используется PVA в качестве испаряющейся модели при литье или в процессе ЕРС (литья по выплавляемым моделям) как средство для удержания керамических частиц, например частиц металлических карбидов, вместо полимерной модели, которую затем помещают в песчаную форму, в которую заливают расплавленный чугун. Однако в патенте США 5027878 утверждается, что керамические частицы, подлежащие пропитке чугуном, не должны расплавляться на поверхности металла, как частицы сплава в способе согласно изобретению. В патенте США 5027878 кроме того утверждается, что размер керамических частиц составляет, предпочтительно, около 30 меш; более предпочтительно, около 100 меш, тогда как размер частиц сплава по настоящему изобретению составляет, предпочтительно, около 200 меш или менее. PVA, используемый в настоящем изобретении как связующий агент, является недорогим и экологически безопасным полимером. При отсутствии кислот или оснований водный раствор PVA является стабильным даже после хранения в течение нескольких месяцев при комнатной температуре. Стабильность растворов PVA является преимуществом при применении в производственных условиях. Когда эмульсию порошкового сплава с PVA в качестве связующего агента нагревают до температуры плавления порошкового сплава в защитной атмосфере, например в атмосфере аргона или гелия, или в восстановительной атмосфере, например атмосфере водорода, оказывается, что PVA полностью испаряется, с получением в результате плотного покрытия сплавом, без включений. Сплав, подходящий для использования в способе согласно изобретению, является существенно более твердым и более износостойким, чем сталь, как правило, используемая для инструментов, шестерен, деталей двигателя и сельскохозяйственного оборудования, например сталь марки 1045. Предпочтительно, чтобы сплав имел величину твердости по Knoop"y в диапазоне приблизительно от 800 до 1300. Сплав имеет температуру плавления около 1100 o С или ниже, например, которая является ниже температуры плавления металла, на который он подлежит нанесению. Предпочтительно, чтобы порошковый сплав имел достаточно небольшой размер частиц для образования однородной суспензии и однородного упрочнения. Предпочтительно, чтобы сплав был однофазным и предпочтительно также, чтобы он имел температуру плавления, приблизительно, от 900 до 1200 o С. Он представляет собой мелкодисперсный порошок, имеющий размер частиц в диапазоне приблизительно от 90 до 400 меш. Предпочтительно, чтобы средний размер частиц был менее, приблизительно, 200 меш, а более предпочтительно, менее, приблизительно, 325 меш. Сплавы, подходящие для настоящего изобретения, предпочтительно содержат, по меньшей мере, 60% переходного металла 8-й Группы Периодической системы элементов, например железо, кобальт или никель, т.е. их основой является железо, никель или кобальт, однако, их основой могут быть и другие металлы, например сплавы, имеющие описанные выше физические свойства. К компонентам с меньшим содержанием (приблизительно от 0,1 до 20%), как правило, относятся бор, углерод, хром, железо (в сплавах на никелевой и кобальтовой основе), марганец, никель (в сплавах на железной и кобальтовой основе), кремний, вольфрам или их комбинации, см. [патент] Alessi. Элементы в количестве на уровне следов (менее приблизительно 0,1%), например сера, могут присутствовать минимально в виде примесей. Хотя и можно получить сплав, содержащий радиоактивные, высоко токсичные или редкие элементы, чтобы обеспечить нужные физические и химические свойства, описанные выше, такие сплавы могут присутствовать в ограниченном количестве или практически отсутствовать, с учетом их влияния на здоровье, безопасность и из экономических соображений. Способы получения мелкодисперсных порошковых сплавов хорошо известны в обрасти металлургии. Информацию и предшествующие сведения о сплавах, подходящих для использования в способе согласно изобретению, можно найти в сборниках стандартов, например Hausner H.H. and Mal M.K. Handbook of Powdered Metallurgy (Справочник по порошковой металлургии), 2 nd Ed. (особенно, начиная со стр. 22) Chemical Publishing Co., Inc. (1982). Порошковые сплавы, подходящие для настоящего изобретения, имеются на рынках сбыта у таких поставщиков, как Wall Colmony Corporation, Madison Heights, MI и SCM Metal Products, Inc., Research Triangle Park, NC. Следующие далее примеры представляют собой дополнительную иллюстрацию данного изобретения и не должны рассматриваться как его ограничение. Пример 1. Сплавы
К сплавам, подходящим для использования в способах согласно настоящему изобретению, относятся сплавы, приведенные в таблице 1, но не ограничены ими. Пример 2. Нанесение износостойкого покрытия на образец в атмосфере аргона
Поливиниловый спирт (PVA) (75-15 Elvanol (торговая марка), поставляемый фирмой DuPont) смешали с достаточным количеством воды для получения 7,5% раствора PVA. Порошок сплава 3 (см. таблицу 1, пример 1) со средним размером 200 меш, поставляемый фирмой SCM Metal Products, Inc., добавили к раствору PVA при весовом отношении 5,0 частей сплава 3 на 1 часть раствора PVA для получения суспензии типа 0500/0750. Образец промыли горячим раствором моющего средства и зачистили поверхность, подлежащую покрытию, с помощью пескоструйной обработки с размером абразива 100 меш до получения матовой поверхности. На поверхность подлежащего покрытию образца посредством разбрызгивания нанесли слой суспензии сплав/PVA толщиной 2 мм, а образец нагревали в печи с принудительной циркуляцией воздуха при температуре около 120 o С в течение 30-60 минут, пока суспензия не высохла с образованием слоя сплав/PVA. Затем шаблон перенесли в вакуумную печь, работающую при парциальном давлении аргона 100-500 мкм (13,33-66,65 Па). Образец нагрели, приблизительно, до 1100 o С и выдерживали при этой температуре до тех пор, пока не закончилось плавление покрытия на поверхности образца (приблизительно, от 2 до 10 мин). Затем образец медленно и однородно охлаждали при сохранении атмосферы аргона до тех пор, пока температура не достигла, приблизительно, 300 o С или ниже, после чего образец извлекли из печи и оставили охлаждаться до температуры окружающей среды (как использовано здесь, "температура окружающей среды" является синонимом понятия "комнатная температура", т.е. приблизительно от 15 до 35 o С). Пример 3. Нанесение износостойкого покрытия на образец в атмосфере водорода
Износостойкое покрытие нанесли на образец, как в примере 2, за исключением того, что его нагревали в вакуумной печи при небольшом избыточном давлении водорода (приблизительно от 1 до 2 фунтов на квадратный дюйм (6895-13790 Па). Пример 4. Термическая обработка металлической поверхности
Износостойкое покрытие нанесли на образец, как в примере 2. Затем образец подогрели до температуры аустенизации (закалки) стальной основы (а именно 845 o С для стали 1045), затем закалили в закалочном масле, имеющемся на рынке сбыта. Затем образец подогрели до температуры, приблизительно, от 275 до 300 o С для отпуска мартенсита, образовавшегося при закалке, и дали охладиться на воздухе до температуры окружающей среды. Пример 5. Нанесение износостойкого покрытия на рашпильный вал зерноуборочного комбайна
Износостойкое покрытие нанесли на поверхность рашпильного вала посредством разбрызгивания по его очищенной поверхности суспензии сплава 2 (таблица 1, пример 1), а именно, весовое отношение сплава к раствору PVA составляло 6,0:1, а водный раствор PVA содержал 5,0% PVA для получения суспензии типа 0600/0500. После высушивания эмульсии на поверхности рашпильного вала таким же образом, как в процедуре примера 2, сплав на рашпильном валу расплавили в печи конвейерного типа в атмосфере водорода при избыточном давлении водорода и температуре около 1100 o С. После нанесения покрытия рашпильный вал охладили до температуры закалки, которую выбрали в соответствии с маркой стали основы, как описано выше в примере 4, а затем подвергали закалке в закалочном масле, имеющемся на рынке сбыта, или в полимерной закалочной среде, в зависимости от марки стали. Закаленный рашпильный вал затем можно было подвергнуть дополнительной термической обработке, как в примере 4. Пример 6. Нанесение износостойкого покрытия на кромку лезвия газонокосилки
Лезвие газонокосилки упрочнили посредством нанесения износостойкого покрытия в соответствии с процедурой примера 2, за исключением того, что использовали сплав 1 (таблица 1, пример 1) вместо сплава 3. Затем его подвергли термической обработке, как в примере 4. Пример 7. Нанесение износостойкого покрытия на отливку корпуса держателя питателя сельскохозяйственного комбайна, сделанную из пластичного чугуна
Поверхность корпуса держателя подготовили для нанесения износостойкого покрытия, как в примере 2. Затем на поверхность подлежащей упрочнению детали нанесли разбрызгиванием 10%-ный водный раствор PVA. Сразу после этого на поверхность, покрытую раствором PVA, нанесли напылением сплав 4 (таблица 1, пример 1) и корпус нагревали в печи с принудительной циркуляцией воздуха до температуры около 120 o С до тех пор, пока не высушили связующее покрытие PVA для образования слоя сплав/PVA. Участок детали, не подлежащий упрочнению, оставили без покрытия связующим агентом PVA и сплавом. Следует отметить, что в этом втором варианте способа по настоящему изобретению нет необходимости получать суспензию перед нанесением порошкового сплава. Затем корпус нагрели до температуры около 1100 o С для плавления покрытия. Нагрев осуществляли в печи конвейерного типа при избыточном давлении водорода (приблизительно от 1 до 2 фунтов на квадратный дюйм (6895-13790 Па)), и выдерживали корпус держателя при температурах, приблизительно, от 1065 до 1075 o С в течение, приблизительно, 2-5 минут. Затем корпус поместили в солевую ванну для аустенизации, нагретую до температуры, приблизительно, от 275 до 325 o С, и выдерживали в ванне в течение 4-6 часов при этой температуре до тех пор, пока не закончилось структурное превращение материала. Затем его извлекли из ванны и охладили на воздухе до температуры окружающей среды.

Формула изобретения

1. Способ упрочнения поверхности металла износостойким покрытием, отличающийся тем, что он содержит следующие операции: a) получение преимущественно однородной водной суспензии поливинилового спирта и предназначенного для плавления твердого металлического сплава, содержащего, по меньшей мере приблизительно, 60% железа, в виде мелкодисперсного порошка и одной или более добавок из группы, включающей диспергирующие агенты, дефлоккулирующие агенты и пластификаторы, без флюса; b) покрытие поверхности металла водной суспензией; c) сушку водной суспензии для образования на поверхности металла затвердевшего слоя предназначенного для плавления твердого металлического сплава в матрице из поливинилового спирта; d) нагрев поверхности металла со слоем предназначенного для плавления твердого металлического сплава в матрице из поливинилового спирта до температуры плавления сплава в условиях защитной атмосферы при небольшом избыточном давлении до тех пор, пока сплав не расплавится на поверхности металла; е) охлаждение поверхности металла с расплавленным упрочняющим покрытием до температуры окружающей среды. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что операции b) и с) повторяют, по меньшей мере, один раз. 3. Способ по одному из пп. 1 и 2, отличающийся тем, что сплав содержит преимущественно один или более элементов, выбираемых из железа, никеля и кобальта, и два или более элементов, выбираемых из бора, углерода, хрома, молибдена, марганца, вольфрама и кремния. 4. Способ по одному из пп. 1-3, отличающийся тем, что поверхность металла является поверхностью сельскохозяйственного орудия. 5. Способ по одному из пп. 1-4, отличающийся тем, что сплав нагревают до температуры плавления в условиях атмосферы аргона. 6. Способ по одному из пп. 1-5, отличающийся тем, что сплав нагревают до температуры плавления в условиях атмосферы водорода. 7. Способ упрочнения поверхности металла износостойким покрытием, отличающийся тем, что он включает следующие операции: a) покрытие поверхности металла водным раствором поливинилового спирта; b) распределение преимущественно однородного слоя, предназначенного для плавления, твердого металлического сплава в виде мелкодисперсного порошка по покрытию из раствора поливинилового спирта, выполняемое во время операции а) перед сушкой раствора поливинилового спирта; c) сушку покрытия из водного раствора поливинилового спирта для образования затвердевшего слоя, предназначенного для плавления, твердого металлического сплава, связанного с поверхностью металла с помощью покрытия из поливинилового спирта; d) нагрев поверхности металла, покрытой слоем предназначенного для плавления твердого металлического сплава, связанного с поверхностью металла с помощью покрытия из поливинилового спирта, до температуры плавления сплава в условиях защитной атмосферы при небольшом избыточном давлении до тех пор, пока сплав не расплавится на поверхности металла; e) охлаждение поверхности металла с расплавленным упрочняющим покрытием до температуры окружающей среды. 8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что операции а), b) и с) повторяют, по меньшей мере, один раз. 9. Способ по п. 7, отличающийся тем, что сплав содержит, по меньшей мере, около 60% железа. 10. Способ по одному из пп. 7-9, отличающийся тем, что твердый металлический сплав в виде мелкодисперсного порошка получают с помощью распылителя порошка. 11. Способ по одному из пп. 7-10, отличающийся тем, что сплав содержит преимущественно один или более элементов, выбираемых из железа, никеля и кобальта, и два или более элементов, выбираемых из бора, углерода, хрома, молибдена, марганца, вольфрама и кремния. 12. Способ по одному из пп. 7-11, отличающийся тем, что поверхность металла является поверхностью сельскохозяйственного орудия. 13. Способ по одному из пп. 7-12, отличающийся тем, что сплав нагревают до температуры плавления в условиях атмосферы аргона. 14. Способ по одному из пп. 7-13, отличающийся тем, что сплав нагревают до температуры плавления в условиях атмосферы водорода. 15. Суспензия для упрочнения металлической поверхности, отличающаяся тем, что она содержит предназначенный для плавления твердый металлический сплав в виде мелкодисперсного порошка, содержащий, по меньшей мере, около 60% железа, в водном растворе поливинилового спирта. 16. Суспензия по п. 15, отличающаяся тем, что сплав содержит бор, углерод, хром, железо, марганец, никель и кремний. 17. Суспензия по п. 15 или 16, отличающаяся тем, что средний размер частиц сплава составляет приблизительно 200 меш или менее.

Способ нанесения антифрикционного покрытия при поверхностном пластическом деформировании внутренних цилиндрических поверхностей // 2185270

Изобретение относится к области технологии машиностроения, в частности к способам нанесения антифрикционных покрытий при поверхностном пластическом деформировании, и может быть использовано для обработки высокоточных внутренних цилиндрических поверхностей, например отверстий в стыковых узлах крепления консолей крыла самолета, внутренних поверхностей гидроцилиндров и др

Изобретение относится к области нанесения покрытий фрикционно-механическим способом и может быть использовано для нанесения покрытий на внутренние и внешние цилиндрические поверхности, например гильз и плунжеров пар топливных насосов двигателей внутреннего сгорания, либо вкладышей подшипников скольжения и шеек коленчатых валов, либо плунжерных пар трения компрессоров // 2170286

Способы упрочнения деталей, материалов.

Действенным средством снижения массы является повышение прочности материалов. В отличие от способа увеличения напряжений путем снижения фактического запаса прочности, сопряженного с риском ослабления детали, надежность в данном случае не уменьшается (если сохраняется запас прочности). Другое отличие заключается в том, что этот способ применим ко всем деталям без исключения, тогда как первый способ охватывает только расчетные детали.

Основные способы упрочнения материалов следующие:

• горячая обработка давлением;
• легирование;
• упрочняющая термическая и химико-термическая обработка;
• обработка методами холодной пластической деформации.

При горячей обработке давлением упрочнение происходит в результате превращения рыхлой структуры слитка в уплотненную структуру с ориентированным направлением кристаллитов. Пустоты между кристаллитами уковываются и завариваются, прослойки примесей по стыкам кристаллитов дробятся и под действием высокой температуры и давления растворяются в металле.

Наибольшее значение для прочности имеет процесс рекристаллизации, протекающий при остывании металла в определенном интервале температур (для сталей 450—700°С). Из обломков кристаллитов, разрушенных в процессе пластической деформации, возникают новые мелкие зерна. При росте рекристаллизованных зерен примеси остаются в растворенном состоянии в кристаллитах. Для ковкого металла характерна структура, состоящая из мелких округлых зерен, хорошо связанных друг с другом, что обусловливает его повышенную прочность и вязкость.

Кованым и особенно прокатанным металлам свойственна анизотропия механических свойств в направлениях вдоль и поперек волокон.

Особенно резко влияет направление волокон на вязкость (рис. 77).

Направление волокон в кованых и штампованных деталях должно быть согласовано с конфигурацией деталей и направлением действия рабочих нагрузок. Штампованные коленчатые валы (рис. 78, б ) и другие фасонные детали (рис. 78, г ) с волокнами, следующими контуру, значительно прочнее деталей, изготовленных из сортового проката с перерезкой волокон (рис. 78, а , в ).

Горячее накатывание зубьев шестерен (с последующим холодным калиброванием) обеспечивает правильное направление волокон относительно действующих на зуб нагрузок (рис. 78, д , e ). Повышенной прочностью обладает накатанная резьба (рис. 78, ж , з ).

Главное назначение легирования — повышение прочности с дифференцированным улучшением частных характеристик: вязкости, пластичности, упругости, жаропрочности, хладостойкости, сопротивления износу, коррозионной стойкости и др. Присадка некоторых элементов (Ni и особенно микроприсадка В) увеличивает прокаливаемость сталей, что позволяет получать повышенные механические свойства по всему сечению детали. Для получения высоких механических качеств легирование должно быть дополнено термообработкой.

В табл. 8 приведены сравнительные (средние) характеристики легированных и углеродистых сталей.

Упрочняющая термическая обработка (закалка с высоким, средним и низким отпуском, изотермическая закалка) вызывает образование неравновесных структур с повышенной плотностью дислокаций и сильно деформированной атомно-кристаллической решеткой (сорбит, троостит, мартенсит, бейнит). Регулируя режимы термообработки, можно получать стали с различным содержанием этих структур, размерами и формой зерен и соответственно с различными механическими свойствами. Для конструкционных сталей чаще всего применяют улучшение (закалка с высоким отпуском на сорбит), обеспечивающее наиболее благоприятное сочетание прочности, вязкости и пластичности.

Закалка с индукционным нагревом поверхностного слоя ТВЧ помимо технологических преимуществ (экономичность, высокая производительность) дает значительный упрочняющий эффект, обязанный возникновению в закаленном поверхностном слое остаточных напряжений сжатия.

Химико-термическая обработка заключается в насыщении поверхностного слоя углеродом (цементация) или азотом (азотирование) с образованием (в последнем случае) нитридов железа и легирующих элементов. При комплексных процессах (цианирование, нитроцементация) поверхность насыщается одновременно углеродом и азотом с образованием карбидов и карбонитридов. Эти виды химико-термической обработки придают поверхности высокую твердость и износостойкость. Вместе с тем они увеличивают прочность (особенно в условиях циклической нагрузки) благодаря образованию в поверхностном слое напряжений сжатия.

Разновидностью химико-термической обработки является термодиффузионное поверхностное легирование (насыщение поверхностного слоя атомами легирующих элементов), которое применяют для повышения прочности и твердости, а также придания поверхности особых свойств (табл. 9).

Процесс	Сущность процесса	Технология процесса	Назначение
Диффузионное хромирование	Образование в поверхностном слое карбидов и α-твердых растворов Cr в железе	Выдержка в среде летучих хлоридов хрома: CrСl 2 ; CrСl 3 (газовое хромирование) при 800—1200 °С (5—6 ч)	Повышение твердости (HV 1200—1500) и термостойкости
Титанирование	Образование в поверхностном слое α-твердых растворов Ti, карбидов титана TiC и интерметаллидов типа Fe 2 Ti	Выдержка при 1100—1200°С в смеси порошков ферротитана (80%) и хлористого аммония (6—8 ч)	Повышение твердости (HV 1600—2000), увеличение коррозие- и эрозиостойкости
Бериллизания	Образование в поверхностном слое α-твердых растворов Be и бериллидов	Выдержка при 900—1100°С в смеси 20% Be, 75% BeO и 5% MgCl 2 (4—8 ч)	Повышение твердости (HV 1100—1200), увеличение коррозиестойкости
Борирование	Образование в поверхностном слое α-твердых растворов В и боридов Fe	Выдержка при 900—1100° С в смеси порошков карбида бора В 4 С и буры Na 2 B 4 O 7 (5—6 ч)	Повышение твердости (HV 1500—1800) и термостойкости
Сульфидирование	Образование в поверхностном слое сульфидов Fe	Выдержка в расплаве сернокислых солей при 550—600°С (2—4 ч)	Повышение износостойкости, придание противозадирных свойств, повышение стойкости против сваривания
Силидирование	Образование в поверхностном слое α-твердых растворов Si и силицидов Fe	Выдержка в атмосфере моносилана SiH 4 с газами-разбавителями при 1000° С (6—10 ч)	Повышение износостойкости, увеличение горячей коррозиестойкости
Семенирование	Образование в поверхностном слое α-твердых растворов Se и селенидов	Обработка 20%-ным раствором селенистой кислоты H 2 SeO 3 с добавкой небольшого количества хромпика	Повышение износостойкости, придание противозадирных свойств
Алитирование	Отложение на поверхности кристаллической пленки Аl 2 О 3 . Образование в поверхностном слое α-твердых растворов Аl и алюминидов	Выдержка в смеси порошков ферроалюминия и Аl 2 O 3 при 900—1000°С (6—8 ч)	Повышение горячей коррозиестойкости