Нанесение на поверхности деталей износостойких, жаростойких, антикоррозионных и декоративных покрытий

Химико-термическая обработка

Основной причиной появления и развития технологии нанесения защитных покрытий явилось стремление повысить долговечность деталей и узлов различных механизмов и машин. Оптимизация системы покрытия предполагает соответствующий выбор его состава, структуры, пористости, совместимости с материалом подложки, доступности и стоимости, а также возможности его возобновления, ремонта и надлежащего ухода во время эксплуатации. Оптимальный выбор системы должен обеспечивать ее стабильность, т. е. сохранение таких свойств, как прочность, пластичность, ударная вязкость, сопротивление усталости и ползучести после любого воздействия. Наиболее важным параметром является температура и время ее воздействия на материал; взаимодействие с окружающей рабочей средой определяет характер и интенсивность химического воздействия.

Химико-термическая обработка (ХТО) — это технологический процесс насыщения поверхностного слоя деталей химическими элементами путем их диффузии из внешней среды при высокой температуре. Целью ХТО является изменение химического состава, структуры, свойств поверхностного слоя детали для упрочнения и повышения его стойкости при воздействии внешних агрессивных сред при нормальной и повышенной температурах. Глубина модифицированного слоя обычно составляет 0,01−1,4 мм.

Процессы ХТО состоят из трех стадий:

• 1) диссоциации, которая заключается в распаде молекул и образовании активных атомов диффундирующего элемента, например диссоциации оксида углерода 2СО > СO2 + С или аммиака 2HN3 > 3Н2 +2N;
• 2) адсорбиции, т. е. контактирования атомов диффундирующего элемента с поверхностью изделия и образования химических связей с атомами металла;
• 3) диффузии, т. е. проникновения насыщающего элемента в глубь металла.

Толщина диффузионного слоя зависит от температуры нагрева, продолжительности выдержки при насыщении и концентрации диффундирующего элемента на поверхности.

К ХТО относятся: цементация, азотирование, цианирование, нитроцементация, борирование, силицирование.

Цементация — процесс насыщения углеродом поверхностного слоя детали при температуре 930−950°С. Скорость цементации 0,1−0,15 мм/ч. В зависимости от условий эксплуатации детали толщину цементированного слоя устанавливают 0,4−2,2 мм, наиболее распространена — 0,8−1,2 мм. Для единичного и мелкосерийного производства цементацию ранее проводили с использованием твердого карбюризатора, например смеси древесного угля и углекислого натрия в универсальных печах. В настоящее время их место занимают более эффективные печи каталитической газовой цементации (КГЦ) (рис. 16.1).

Рис. 16.1. Подовая печь для каталитической газовой цементации.

Они имеют устройство подачи и смешения азота, воздуха и пропана. Азот применяют для продувки муфеля перед загрузкой в печь, во время прогрева и при охлаждении сто после выгрузки. В процессе нагрева под закалку или цементацию подают смесь пропана и воздуха в соотношении 1/7? 1/12. Простая регулировка расхода обеспечивает создание защитной или цементационной атмосферы. Уникальными особенностями КГЦ являются кинетика и скорость насыщения стали углеродом. Для серийного производства используют газовую цементацию, которую проводят в шахтных цементационных печах (рис. 16.2).

Рис. 16.2. Шахтная печь для каталитической газовой цементации.

Внутри печи, в которой проходит цементация, подвешена жароупорная герметичная реторта. Современная конструкция футеровки печи значительно экономит энергоресурсы, но сравнению с предыдущими моделями. Сверху реторту закрывают футерованной крышкой, герметичность обеспечивается кольцевыми уплотнительными шнурами или песчаным затвором. В крышке предусмотрены патрубки: для выхода газа в свечу, подачи карбюризатора, установки термопары, продувки рабочего пространства азотом, подачи газообразного аммиака. Генератор печной атмосферы реализует процесс каталитической газовой цементации.

Цементации подвергают детали, изготовленные из цементируемых сталей с содержанием углерода до 0,3%: углеродистых (15, 20), легированных (15Х, 20Х, 18ХГТ, 12ХНЗА).

После цементации детали подвергают закалке и низкому отпуску. Они обладают высокой твердостью (HRC 58−62), износостойкостью поверхности и вязкой сердцевиной, хорошо воспринимающей ударные нагрузки.

Азотирование — процесс насыщения поверхностного слоя детали азотом в диапазоне температур 500−700°С. Скорость азотирования весьма мала — 0,005−0,025 мм/ч, так как диффузия азота при таких температурах замедлена. Оно является окончательной операцией в технологическом цикле изготовления детали и выполняется после шлифовальных операций. Его проводят в печах шахтного типа (рис. 16.3).

Рис. 16.3. Шахтная печь для азотирования:

а — внешний вид; б — внутренний вид Футеровка печи выполнена из легковесного шамотного кирпича и волокнистой теплоизоляции, нагревательные элементы зигзагообразного типа. Процесс азотирования осуществляется в жароупорной герметичной реторте. Сверху ее закрывают с помощью гидравлического подъемника футерованной крышкой, герметичность обеспечивается двумя уплотнительными шнурами. В крышке предусмотрены патрубки для выхода газа в свечу и подачи технологических газов и вентилятор, обеспечивающий перемешивание атмосферы внутри реторты. Также в ней смонтированы кислородный датчик и каталитический элемент.

Для деталей, подвергнутых азотированию, характерны высокая твердость поверхности (HV 1000−1200), износостойкость и задиростойкость при сохранении высокой прочности и вязкости сердцевины детали. Длительность процесса определяет его применение в условиях крупносерийного производства, когда одновременно выполняется упрочнение большого числа деталей. Азотированию подвергают детали из среднеуглеродистых сталей, в состав которых входят хром, ванадий и алюминий. Максимальная твердость достигается на сталях, содержащих алюминий (38X2MIOA, 38Х2Ю), до 1200 HV. На рис. 16.4 показан процесс азотирования трубчатых заготовок.

Рис. 16.4. Процесс ионного азотирования деталей.

Цианирование — процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали одновременно углеродом и азотом при температурах 820−950°С в расплаве цианида натрия или других подобных солей.

Применяют твердое, жидкое и газовое цианирование. Толщина цианированного слоя обычно 0,1−0,2 мм. В результате этой обработки повышаются поверхностная твердость и износоустойчивость, сопротивляемость коррозии. Особенно эффективно цианирование для мелких и средних деталей (шестерни, поршни, пальцы, валики и др.). Наиболее часто его проводят в жидких ваннах и газовой среде. Жидкое цианирование проводят с растворами цианистых солей следующего состава: 8% NaCN, 82% ВаС12, 10% NaCl. При нагреве они разлагаются с выделением активных атомов углерода и азота, которые насыщают поверхности детали. Среди главных достоинств цианирования — относительно небольшая длительность, малые деформации и коробления детали в ходе насыщения, малые потери теплоты. Главным недостатком процесса является высокая токсичность применяемых расплавов и, следовательно, существуют экологические проблемы.

Нитроцементация — процесс насыщения поверхностного слоя углеродом и азотом. Отличие от цианирования в том, что процесс идет в менее токсичной среде, состоящей из науглероживающего и азотирующего газов (например, 70−80% природного газа и 20−30% аммиака) при температуре 850−900°С. Продолжительность процесса для получения слоя толщиной 0,25−1 мм составляет 2−10 ч. Твердость после закалки 52−60 HRC. Примеры образцов макросъемки поверхностного слоя после нитроцементации для сталей показаны на рис. 16.5.

Рис. 16.5. Поверхностный слой после нитроцементации:

а — для стали 45; б - для стали 40Х Поверхностный слой обладает более высокой износостойкостью, чем при газовой цементации, благодаря наличию азота и мелкозернистой структуре с карбонитридной зоной.

Борирование — насыщение поверхностного слоя стальной детали бором для повышения твердости и износостойкости. Его проводят в твердой, жидкой или газообразной среде при 800- 1000 °C. Глубина борированного слоя составляет 0,12−0,25 мм.

Силицирование — насыщение поверхностного слоя детали кремнием. Полученный слой обладает высокой кислотоупорностью, жаростойкостью до 850 °C и сопротивлением износу, поэтому способ целесообразно применять для деталей, работающих на истирание в агрессивных средах.

Силицирование проводят в газовых и твердых средах. В зависимости от карбюризатора процесс протекает при 950−1200°С.

Сульфидирование — насыщение поверхностного слоя стальной детали серой с целью повышения износостойкости и противозадирных свойств. При этом твердость почти нс меняется. Низкотемпературное сульфидирование проводят при 200 °C, высокотемпературное при 560−600°С.