Роль химико-термической обработки в производстве деталей машин

Эксплуатация техники часто характеризуется сезонностью, что требует обеспечения высокой надежности всех агрегатов и систем машин. Во время ежедневной эксплуатации ресурс техники в значительной степени зависит от технического состояния трансмиссии и других узлов (редукторов, коробок передач, дифференциалов и ряда других), ответственных за передачу и распределение крутящего момента. Требования повышения надежности деталей и сборочных единиц, стоящие перед современным машиностроением, неизменно возрастают в связи с постоянным увеличением скоростей и удельных нагрузок.

Это в полной мере относится, например, к зубчатым колесам — неотъемлемым элементам большинства современной техники, окружные скорости которых увеличились до 140 м/с, удельные нагрузки — до 7000 Н/см, а температура — до 300 °C. При этом значительный рост напряженности их работы сочетается с необходимостью снижения массы и увеличения ресурса работы.

Повышение надежности машин является комплексной и сложной проблемой. Долговечность, безотказность, а также прочие показатели работоспособности машин и их узлов определяется рядом свойств наиболее нагруженных деталей (выносливостью при изгибе, прочностью, контактной выносливостью, износостойкостью их поверхностей, стойкостью к заеданию, задирам и рядом других). Надежность работы может снижаться в зависимости от условий эксплуатации, особенностей конструкции и технологии.

Именно поэтому приобретает важное значение поиск новых эффективных путей решения данного вопроса. Стремясь продлить жизнь своей технике и защитить ее от коррозии, человек издавна применял защитные покрытия. Оказалось, что некоторые из таких покрытий исправно выполняют и декоративную функцию. Защитные покрытия в зависимости от применяемого технологического процесса подразделяют на химико-термический, химический, гальванический и смешанный типы. Одним из методов повышения долговечности высоконагруженных изделий является химико-термическая обработка (ХТО).

ХТО – это термическая обработка в химически активной среде с целью изменения химического состава, структуры и свойств поверхностного слоя металла. В результате ХТО изменяются свойства металлов (твердость, износостойкость, сопротивление усталости, кавитационная и коррозионная стойкость), которые предотвращают схватывание металлов, повышают задиростойкость и долговечность изделий. В результате ХТО изменяется ряд физических свойств металлов - магнитная проницаемость, коэрцитивная сила, теплопроводность. ХТО в промышленных масштабах получили широкое распространение, начиная с первой трети XX в.

ХТО является исключительно поверхностной технологией, глубина модифицированного слоя, как правило не превышает 2 мм.

Химико-термическая обработка, к примеру, зубчатых колес, включающая диффузионное насыщение поверхности, закалку и низкий отпуск / старение, обеспечивает высокую твердость (HRC 58-65) и наибольшую несущую способность поверхностных слоев зубьев, а также высокую изгибную прочность зубьев.

Среди всех типов ХТО наибольшее распространение получила цементация – насыщение поверхностных слоев деталей соединениями углерода (карбидами). Цементация классифицируется в зависимости от типа науглероживающей среды, так называемого карбюризатора. Выделяют следующие типы:

1) в твёрдом карбюризаторе (например, древесный уголь);

2) в газовом карбюризаторе (например, пропан-бутановой смеси или природном газе);

3) в кипящем слое ( например, инертных частиц (графита, корунда и др.), отапливаемых пропан-бутановой смесью;

4) в растворах электролитов (например, составы с углеродсодержащими компонентами: ацетоном, глицерином, глицерином, этиленгликолем и другими);

5) в пастах (например, композициями из сажи или древесноугольной пыли с содой и декстрином).

Цементация в газовом карбюризаторе на сегодня считается более производительной, дешевой и технологичной, позволяет автоматизировать процесс ХТО.

Цементуемыми называют стали, поверхностные слои которых может с легкостью быть насыщена соединениями углерода. Последующая закалка придает поверхностную твердость при этом, внутренние слои остаются достаточно вязкими, а, следовательно, получается так называемый градиент свойств по глубине. Стали, содержащие до 0,3% углерода с небольшим количеством легирующих элементов (15Х, 18ХГТ, 20Х, 20ХНМ, 15ХГН2ТА и др.), цементуются хорошо. Оптимальным считается небольшое содержание легирующих элементов, увеличение их количества может препятствовать диффузии углерода в поверхностный слой и ухудшать его свойства и уменьшать ресурс изделий.

Увеличение глубины цементованного слоя (от 1 до 1,8 мм) сопровождается заметным ростом долговечности: средняя долговечность изделий при этом увеличивается в 2,4 раза.

Азотированием называют процесс насыщения поверхностных слоев (менее 1 мм) соединениями азота (нитридами). Результатом такого процесса является значительное повышение микротвердости (вплоть до 1200 HV) по сравнению с цементацией (HV 900), износостойкости (до 5 раз), усталостной и коррозионной прочности. Поверхность становится более "скользкой", хорошо работает в различных уплотнениях с вращением и возвратно-поступательными движениями. В настоящее время в серийном производстве, например в производстве сельскохозяйственной техники на ОАО «Гомсельмаш», широко используется ионно-плазменное азотирование. Такая технология в сравнении с классическим печным азотированием является высокоэффективной и имеет следующие преимущества: большую скорость насыщения и получения слоев заданного фазового состава и строения, возможность гибкого регулирования процесса, минимальные коробления/деформации изделий, высокий класс чистоты поверхности. Процессу присущи высокая экономичность, высокий коэффициента использования энергии, малый расход насыщающих газов. Ионно-плазменное азотирование соответствует постоянно ужесточающимся требованиям экологии: процесс не токсичен и отвечает требованиям по защите окружающей среды.

В настоящее время более 40% процентов всех изделий, подвергнутых ХТО получают методом нитроцементации, область применения этого вида ХТО постоянно расширяется, например, в автомобилестроении 40— 45 % всех деталей, подвергаемых ХТО, упрочняют нитроцементацией. К примеру, 95 % деталей производства АвтоВАЗ, подвернутых ХТО, составляют нитроцементированные детали.

Нитроцементация (или газовое цианирование) представляет собой одновременное насыщение поверхностей деталей углеродом и азотом, и основана на принципе ускорения диффузии соединений углерода в присутствии азота.

При этом на закаленной поверхности дополнительно образуются очень красивые цветовые эффекты. Цветовая гамма, контраст границ цветовых переходов и насыщенности оттенков зависят от соотношения и качества угля, высоты вываливания содержимого контейнера над зеркалом ванны охлаждения и качественного состава самой ванны. Нужно отметить, что качественный легирующий состав самой малоуглеродистой стали, которую планируется подвергнуть цветной калке, во многом предопределяет качество поверхностной пленки и ее износоустойчивость, прочность сердцевины и выносливость изделия в целом.

Использование нитроцементации объясняется рядом достоинств этого метода упрочнения: более низкой температурой процесса насыщения и меньшей его продолжительностью, более высокой прочностью и т.д. По сравнению с цементацией это обеспечивает снижение потребления электроэнергии и природного газа, повышение срока службы технологической оснастки и нагревателей, повышение долговечности и надежности деталей машин.

ХТО очень эффективна и позволяет достичь очень высоких ресурсов работы деталей техники, за счет малых по толщине, но при этом очень прочных, твёрдых и износостойких слоев. Это позволяет добиться высоких эксплуатационных характеристик, т.к. сердцевина детали при этом остается «вязкой» и способна гасить удары и колебания, не разрушаться хрупко. Среди всех видов ХТО трое выделенных нами получили наибольшее применение.

Другие типы ХТО (борирование, силицирование, кадмирование, алитирование, хромирование и др.) нашли значительно более узкое и специфичное применение.

Так, например, борирование, представляющее собой диффузионное насыщение бором, применяется в сфере штампового, подшипникового и насосного производства, и аналогично цементации, азотированию и нитроцементации повышает ресурс изделий путем повышения микротвердости. С помощью борирования можно повысить износостойкость в 3–50 раз по сравнению с термообработкой и в 1,5–15 раз по сравнению с традиционными методами химической термообработки.

Силицирование, алитирование и кадмирование нашли применение в создании изделий с высокой стойкостью к окислению и атмосферной коррозии, стойкости к действию кислот. Это достигается за счет эффективного насыщения электролизным или безэлектролизным путем поверхностного слоя кремнием (до 1 мм), алюминием (до 0,5 мм) и кадмием (до 25 мкм) соответственно.

Термическое хромирование в феррохроме осуществляется погружением стальных деталей в расплав этого металлизатора. Содержание углерода в полученном поверхностном слое достигает 7-8%, а хрома — 75-95%. Получаемая в результате твердость поверхности невысока (НВ — 180-200), но зато она имеет хорошую коррозионную стойкость

Хромирование в широком его понимании выделяется отдельно в виду его невероятно широкого применения: защиты от коррозии, однако эта технология не имеет отношения к ХТО. Насыщение хромом по технологии ХТО предназначено для расширения области эксплуатации изделий за счет увеличения микротвердости (до 70 HRC) поверхностных (менее 1 мм) слоев. Формирование твердых слоев повышает стойкость к износу, окалине и коррозии, а также действию ряда кислот (например, азотной).

Современные малоуглеродистые средне- и высоколегированные стали являются превосходным материалом, легко поддающимся любому виду химико-термической обработки. В отличие от малоуглеродистых сталей, современные термически улучшаемые среднеуглеродистые стали подвергают рассмотренным ранее карбонитрированию и азотированию; также к ним применяется химический, электрохимический и смешанный тип нанесения покрытий.

Подводя итоги отметим, что взятый курс на повышение качества техники, увеличение ее ресурса, а также импортозамещения иностранной транспортно-технологической техники и оборудования придает дополнительный импульс к развитию высокоэффективных методов в отечественном машиностроительном производстве.

Технологии ХТО, будучи давно известными и широко используемыми продолжают свое развитие и все более интенсивно будут использоваться в машиностроении.