Зміцнення термічними методами

Температурний вплив на різні матеріали з метою зміни їх структури та властивостей є найпоширенішим способом зміцнення у сучасній техніці. Цей вплив може здійснюватися частіше за плюсових температур, рідше – при негативних температурах і поєднуватися з хімічним, деформаційним, магнітним, електричним та ін. процесами.

Дотримуючись класифікації А.А. Бочвара, основою якої покладено типи фазових і структурних перетворень у металі, розрізняють такі види термообробки:

- Власне термічна обробка;

Власне термічна обробкапередбачає лише температурні дії на метал або сплав. Керовані структурно-фазові процеси в сталі, які забезпечують отримання необхідної фазової та дислокаційної структури, відбуваються внаслідок наявності алотропії.

Хіміко-термічна обробка(ХТО) – поєднання хімічного та термічного впливу з метою зміни складу, структури та властивостей поверхневого шару деталі у необхідному напрямку. При цьому відбувається поверхневе насичення металевого матеріалу відповідним елементом (C, N, B, Al, Cr, Si, Ti та ін) шляхом його дифузії в атомарному стані із зовнішнього середовища (твердого, газового, парового, рідкого) при високій температурі.

Процес хіміко-термічної обробки складається із трьох елементарних стадій:

- виділення дифузного елемента в атомарному стані завдяки реакціям, що протікають у зовнішньому середовищі;

- контактування атомів дифузного елемента з поверхнею сталевого виробу та проникнення (розчинення) їх у решітку заліза (адсорбція);

- дифузія атомів насичувального елемента углиб металу.

Поверхневе зміцнення

Серед методів поверхневого зміцненняНайбільшого поширення набули поверхневе загартування, обробка лазером та електроіскрове легування.

Приповерхневому загартуванніна деяку задану глибину загартовується тільки верхній шар, тоді як серцевина виробу залишається незагартованою.

Основне призначення поверхневого загартування: підвищення твердості, зносостійкості та межі витривалості виробу, що обробляється. Серцевина виробу залишається в'язкою та сприймає ударні навантаження. Поверхневе загартування здійснюють кількома методами: нагріванням струмами високої частоти; нагріванням

Поверхневе загартування здійснюють кількома методами: нагріванням струмами високої частоти (ТВЧ); нагріванням газовим полум'ям.

Загартування ТВЧ вперше запропоновано В. П. Вологдіним. При гартуванні за цим методом сталевий виріб розміщують усередині індуктора у формі спіралі або петлі (рис. 2). Струм високої частоти підводиться від генератора до індуктора. Під час проходження струму через індуктор у поверхневих шарах виробу за рахунок індукції виникає струм протилежного напрямку, що нагріває сталь.

Мал. 2. Схема нагріву струмами високої частоти: 1 – деталь; 2 – індуктор; 3 – магнітне поле; I – напрямок струму в індукторі; II – напрямок струму до деталей

Існують такі способи загартування індукційного нагріву:

- Одночасне нагрівання та охолодження всієї поверхні; цей метод застосовують для виробів, що мають невелику поверхню (пальці, валики, осьові інструменти);

- Послідовне нагрівання та охолодження окремих ділянок: використовують при загартуванні шийок колінчастих валів (послідовне нагрівання і загартування однієї шийки за іншою), зубчастих коліс з модулем більше 6 (загартування «зуб за зубом»), кулачків розподільчих валів і т.д.

- безперервно послідовне нагрівання іохолодження. Метод застосовують для гарту довгих валів, осей і т.д. При цьому методі виріб переміщається щодо нерухомих індуктора та охолоджуючого пристрою (спрейєра) або навпаки. У порівнянні з першим методом не потрібно великої потужності установки генератора.

При загартуванні з нагріванням полум'ям газокисневого пальника, що має температуру 2000...3000 °С, виходить дуже швидке нагрівання деякої ділянки поверхні до температури загартування, після чого зі спеціального охолоджувача на цю ділянку прямує струмінь води. Переміщуючи пальник щодо поверхні та одночасно слідом за пальником охолоджувач, можна загартувати велику поверхню великогабаритних виробів.

Внаслідок підведення значної кількості тепла поверхня виробу швидко нагрівається до температури гарту, тоді як серцевина деталі не встигає нагріватися. Наступне швидке охолодження забезпечує загартування поверхневого шару. Як паливо застосовують ацетилен, світильний та природний гази, а також гас. Для нагрівання використовують щілинні пальники (що мають один отвір у формі щілини) та багатополум'яні.

Процес газополум'яного гарту можна легко автоматизувати і включати до загального потоку механічної обробки. Для великих деталей цей спосіб загартування часто більш рентабельний, ніж загартування індукційного нагріву.

Сутність лазерного зміцнення полягає в потужному імпульсному (або безперервному) впливі світлового пучка надзвичайно великої щільності енергії, що викликає миттєве нагрівання поверхні до високих температур, що перевищують температури структурно-фазових перетворень металу і температуру плавлення. З урахуванням надзвичайно високих швидкостей охолодження, що у 10 – 100 разів перевищують швидкості охолодження при загартуванні, у поверхні матеріалуформуються особливодрібнозерниста або навіть псевдоаморфна структура, що має підвищену твердість (20 -30%).

Технологічні процеси лазерної обробки мають низку незаперечних переваг у порівнянні з іншими способами поверхневого зміцнення:

- простота транспортування лазерного променя за відсутності механічного контакту поверхні, що зміцнюється, з джерелом енергетичного впливу;

- Можливість дозованого енергетичного впливу;

- можливість реалізації процесу зміцнення у вакуумі, газовому та рідинному середовищах;

- широкий спектр енергетичних та комбінованих фізико-хімічних впливів на зміцнювану поверхню.

Лазери – оптичні квантові генератори (ОКГ), що дозволяють одержувати електромагнітні випромінювання високої концентрації енергії.

Застосування лазерів для термічної обробки засноване на перетворенні світлової енергії на теплову. Висока концентрація енергії у світловому потоці квантового оптичного генератора дозволяє нагріти поверхню до температури термообробки за дуже короткий час.

3 . Схема композиційної структури при лазерній термічній обробці

Технологічні процеси лазерної обробки визначаються взаємодією лазерного опромінення з матеріалом та залежать від теплофізичних та оптичних властивостей оброблюваних матеріалів. Основні стадії взаємодії лазерного випромінювання з матеріалом зводяться до наступних процесів: поглинання світлового потоку електронами та передача енергії кристалічній решітці твердого тіла, нагрівання речовини без його руйнування, руйнування речовини в зоні впливу світлового потоку, розліт продуктів руйнування та охолодження після закінчення дії світлового імпульсу. Паралельно з цими процесами в оброблюваномуматеріалі відбуваються активні дифузійні та хімічні реакції, а також фазові перетворення, що істотно змінюють вихідну структуру і впливають на саму взаємодію лазерного випромінювання з матеріалом.

Зміцнена поверхня являє собою композиційну структуру (рис. 3): 1 - шар зона розплавленого металу, що швидко закристалізувався, 2 - зона термічного впливу, в якій всі структурні зміни відбуваються в твердому стані. Потім спостерігається перехідний шар 3 та 4 - матеріал основи.

Електроіскрове легування (ЕІЛ)відноситься до технологій зміцнення, що ґрунтуються на взаємодії матеріалів з висококонцентрованими потоками енергії та речовини. Утворення зміцненого шару відбувається внаслідок складних плазмохімічних, теплофізичних та механотермічних процесів, що реалізуються на мікролокальних ділянках взаємодії матеріалу з одиничним іскровим розрядом.

Процес ЕІЛ включає такі етапи (рис. 4):

1. Оплавлення. При зближенні на певну відстань електрода-інструменту з металевою поверхнею, що зміцнюється, відбувається імпульсний електричний розряд тривалістю 10 -6 …10 -3 с. В результаті на поверхнях анода (легуючий електрод) і катода (зміцнювана деталь) утворюються локальні осередки електроерозійного руйнування.

2. Електрична ерозія. Вона представляє комплексний процес руйнування, що включає оплавлення, випаровування, термокрихке руйнування та інші механізми. Еродована маса легуючого електрода має надлишковий позитивний розряд, потрапляючи в міжелектродний простір, вона прямує до поверхні катода-деталі, прискорюючись і нагріваючись за рахунок електричного поля анода та катода.

Рис 4. Схема фізичних процесів уміжелектродний проміжок при електроіскровому легуванні: а) – етап оплавлення; б) – електрична ерозія; в) – фізико-хімічна взаємодія

Рис 5. Схема композиційної структури матеріалу після електроіскрового легування: 1 – зона тонкоплівкових або суцільних формувань; 2 – зона суміші матеріалів анода та катода; 3 – зона сформована за рахунок дифузії елементів легуючого електрода в матриці катода-деталі, що зміцнюється; 4 - зона термічного впливу плавно переходить у структуру основного матеріалу -5.

3. Фізико-хімічна взаємодія. Під час руху анодна еродована маса вступає у фізико-хімічну взаємодію з міжелектродним середовищем та летючими продуктами ерозії катода-деталі. До моменту осадження фрагменти еродованої маси несуть у собі електричну, кінетичну та теплову енергії, які при взаємодії з поверхнею, що зміцнюється, виділяються у вигляді теплового імпульсу великої потужності. Після осадженням еродованої маси зміцнювана поверхня піддається контактно-деформаційному впливу вібраційного характеру. Енергетичний вплив високої концентрації стимулює перебіг супутніх ЕІЛ мікрометалургійних конвекційно-дифузійних процесів енергомасоперенесення.

Зміцнена поверхня є композиційною структурою (рис. 5.).

Найвищий шар складається з тонкоплівкових «острівцевих» або суцільних формувань, що складаються з матеріалу анода, і міжелектродного середовища. Суцільність цього шару залежить від режимів та умов зміцнення. Під верхнім шаром розташовується зона, що представляє суміш матеріалів анода і катода, утворену в результаті конденсації іонно-плазмової та краплинної фаз на поверхні, що зміцнюється. Далі слідує шар, сформований за рахунок дифузіїелементів легуючого електрода в матриці катода-деталі, що зміцнюється. Під ним розташовується зона термічного впливу, що представляє трансформовану структуру вихідного матеріалу із зміненою щільністю дефектів кристалічної будови через імпульсний тепловий вплив. З переміщенням углиб структура зони термічного впливу плавно перетворюється на структуру основного матеріалу. Залежно від режимів електроіскрового легування величина та ступінь зміцнення кожного шару можуть змінюватись у широкому діапазоні, але найбільшу товщину завжди має зона термічного впливу, яка в більшості випадків і визначає експлуатаційні властивості поверхні.

Основною енергетичною характеристикою процесу ЕІЛ є енергія одиничного іскрового розряду, яка визначається:

=, (1)

де t - тривалість одиничного іскрового розряду; U(t) та I(t) – напруга та сила струму в імпульсі.

Наявність тісного зв'язку між щільністю дефектів кристалічної будови, дифузійно-адгезійною активністю модифікованої структури та коефіцієнтом перенесення є основою розробки оригінальних технологій підвищення якості зміцнення при ЭИЛ. До таких, зокрема, можна віднести послідовну комбінацію поверхнево-пластичного деформування з електроіскровим легуванням, що дозволяє підвищити товщину легованого покриття до декількох десятих часток міліметра, знизити рівень залишкової напруги і стабілізувати структуру за рахунок зменшення пористості.

---