Введение в технологию поверхностного упрочнения металла


Р. Е. Глинер, В. И. Астащенко










            ВВЕДЕНИЕ В ТЕХНОЛОГИЮ ПОВЕРХНОСТНОГО УПРОЧНЕНИЯ МЕТАЛЛА




Учебное пособие


















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 621.785
ББК 34.2
     Г54

Рецензенты:
доктор технических наук, профессор М. С. Колесников; доктор технических наук, профессор Э. Р. Галимов




       Глинер, Р. Е.

Г54 Введение в технологию поверхностного упрочнения металла : учебное пособие / Р. Е. Глинер, В. И. Астащенко. - Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2022. - 328 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1038-0

       Изложены вопросы, относящиеся к наиболее эффективным и распространенным методам поверхностного упрочнения металлов: химико-термическая обработка, поверхностная закалка, поверхностное пластическое деформирование. Проанализированы принципиальные аспекты рассматриваемых технологических процессов: основное назначение и металловедческие основы упрочнения; выбор технологического оборудования и технологических режимов; способы контроля качества; характерный химический состав металла, подвергаемого упрочнению. Представлены примеры производства с использованием рассматриваемых упрочняющих технологий. Приведены примеры металловедческих анализов, направленных на совершенствование технологии поверхностного упрочнения.
       Для подготовки студентов по направлениям: 15.00.00 «Машиностроение», 22.03.02 «Металлургия», 22.03.01 «Материаловедение и технологии материалов», 27.03.02 «Управление качеством». Может быть использовано специалистами в области термической обработки металлов.

                                                          УДК 621.785
                                                          ББК 34.2





ISBN 978-5-9729-1038-0

     © Глинер Р. Е., Астащенко В. И., 2022
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

    ОГЛАВЛЕНИЕ


ПРЕДИСЛОВИЕ............................................................5
1. ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ...............................8
1.1. Физико-химические основы технологии контролируемого насыщения.8
  1.1.1. Стадии насыщения..............................................8
  1.1.2. Структура диффузионного слоя.................................15
1.2. Цементация стали.................................................17
  1.2.1. Назначение цементации........................................17
  1.2.2. Показатели упрочнения стали цементацией......................18
  1.2.3. Основы технологии науглероживания стали......................20
  1.2.4. Принципы управления науглероживанием в газовой цементации....34
  1.2.5. Термическая обработка науглероженной стали...................44
  1.2.6. Технологический и лабораторный (металлографический) контроль.48
  1.2.7. Выбор состава (марки) цементируемой стали....................50
1.3. Азотирование стали и чугуна......................................56
  1.3.1. Общие сведения...............................................56
  1.3.2. Основы технологии газового азотирования......................58
1.4. Комплексное насыщение стали углеродом и азотом...................70
  1.4.1. Нитроцементация..............................................71
  1.4.2. Никотрирование...............................................76
  1.4.3. Цианирование.................................................77
1.5. Атмосферы на основе азота........................................79
1.6. Борирование стали................................................83
1.7. Силицирование....................................................87
1.8. Диффузионное насыщение стали металлами...........................89
  1.8.1. Алитирование (алюминирование)................................89
  1.8.2. Оцинкование..................................................91
  1.8.3. Хромирование.................................................93
1.9. Нанесение сверхтвёрдых покрытий..................................97
1.10. Химико-термическая обработка сплавов титана....................100
2. ВАКУУМНАЯ ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ..........................104
2.1. Технологические основы современной вакуумной термической обработки............................................................104
2.2. Особенности цементации с вакуумированием процесса науглероживания и использованием «сухой закалки».....................119
2.3. Азотирование с вакуумированием рабочего пространства............129
3. ПОВЕРХНОСТНАЯ ЗАКАЛКА СТАЛИ И ЧУГУНА..............................132
3.1. Общие сведения..................................................132
3.2. Поверхностная закалка с нагревом внешним источником энергии.135

3

  3.2.1. Газопламенная закалка...............................135
  3.2.2. Закалка в электролите...............................137
  3.2.3. Лазерно-лучевая и электронно-лучевая закалки........137
3.3. Поверхностная закалка с нагревом внутренним источником энергии.139
  3.3.1. Электроконтактная закалка...........................140
  3.3.2. Закалка с использованием индукционного нагрева......141
3.4. Примеры инженерных решений по индукционной поверхностной закалке......................................................149
  3.4.1. Закалка валов и осей................................150
  3.4.2. Закалка колёс зубчатых передач......................156
  3.4.3. Поверхностная закалка валков для холодной прокатки..160
3.5. Индукционная закалка как альтернатива цементации или как технологическая операция в составе цементации........164
  3.5.1. Предпосылки к замене цементации индукционной закалкой......164
  3.5.2. Примеры объёмно-поверхностной закалки...............166
  3.5.3. Индукционная закалка в цементации...................171
3.6. Сталь для индукционной закалки..........................172
3.7. Индукционная закалка чугуна.............................176
4. ПОВЕРХНОСТНОЕ УПРОЧНЕНИЕ ПЛАСТИЧЕСКИМ ДЕФОРМИРОВАНИЕМ..............................................177
4.1. Механизм упрочнения металла при поверхностном пластическом деформировании...............................................177
4.2. Формирование остаточных напряжений сжатия при поверхностном пластическом деформировании................180
4.3. Упрочнение обработкой поверхности дробью................182
  4.3.1. Назначение обработки дробью.........................182
  4.3.2. Технологическое исполнение обработки дробью.........182
  4.3.3. Факторы, влияющие на эффективность наклёпа дробью...184
  4.3.4. Контроль результатов обработки дробью...............185
4.4. Упрочнение обкаткой.....................................186
  4.4.1. Общие сведения......................................186
  4.4.2. Обкатка роликами....................................187
  4.4.3. Обкатка в штампе....................................191
4.5. Влияние нагрева на долговечность деталей, упрочнённых поверхностным наклёпом.......................................195
ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................197
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ..........................................198
ПРИЛОЖЕНИЯ...................................................200
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ..............................321

4

            ПРЕДИСЛОВИЕ



    Абсолютное большинство металлических изделий, подвергаемых механическому воздействию, теряет работоспособность из-за разрушений, начинающихся на поверхности либо в результате поверхностного износа или коррозии, либо в результате образования поверхностных трещин, приводящих к разделению изделия на части. Наиболее значимый объём высоко нагруженных металлических изделий приходится на подвергаемые механическому нагружению путём изгиба и кручения. При этом максимальные рабочие напряжения возникают на поверхности, и основную рабочую нагрузку несут поверхностные слои изделий.
    Этим объясняется особая роль, которая отводится поверхностному упрочнению металлов в обеспечении работоспособности металлических изделий, и то, что изучение технологии поверхностного упрочнения выделяется в отдельную учебную дисциплину при подготовке и формировании профессиональных знаний специалистов по упрочняющей обработке металлов.
    Различия в функциональном назначении изделий, технико-экономического уровня их производства, обеспеченности материальными ресурсами, а также сложившиеся в конкретных производствах традиции по использованию упрочнения металлов привели к разработке принципиально различных методов поверхностного упрочнения, в том числе:
    -  химико-термической обработки;
    -  поверхностной закалки;
    -  поверхностного пластического деформирования;
    -  наплавки (электродной, электроконтактной, плазменной, лазерной);
    -  электроискрового легирования;
    -      металлизации напылением (газотермического, электродугового, плазменного).
    Результаты упрочнения наплавкой, электроискрового легирования, напыления в большой степени определяются процессами кристаллизации металла из жидкого состояния и, как правило, не сопровождаются целенаправленным использованием технологии упрочняющей обработки.
    Целенаправленное использование технологии для поверхностного упрочнения металлов составляет основу химико-термической обработки, поверхностной закалки и поверхностного пластического деформирования, которые и рассмотрены в настоящем пособии.
    Доминирующее применение поверхностное упрочнение находит для изделий, изготавливаемых из стали и чугуна как наиболее распространённых металлов в производстве высоко нагруженных изделий. При этом повышение

5

работоспособности предполагает использование двух принципиально различных механизмов:
    1)      формирование в поверхностных слоях изделий состава и структуры, при которой металл обладает работоспособностью, значительно превышающей работоспособность глубинных слоёв;
    2)      формирование в поверхностных слоях заметных сжимающих напряжений.
    Реализация этих механизмов в каждом методе поверхностного упрочнения обусловливает применение специальных технологий как совокупности знаний о способах и средствах проведения, технологического процесса, направленного на изменение строения металла, обеспечивающего повышение его работоспособности.
    Совокупность этих знаний, по мнению авторов, должна включать следующие аспекты:
    -  металловедческие (физико-химические) основы данного упрочнения;
    -      особенности технологического оборудования, необходимого для выполнения упрочнения;
    -      технологические режимы и приёмы выполнения отдельных технологических операций, обеспечивающие эффективное упрочнение;
    -  эффективные способы контроля и оценки качества упрочнения;
    -      характерный химический состав металла (марочный сортамент), подвергаемого упрочнению.
    В списке рекомендуемой литературы представлены публикации, многие из которых стали уже библиографической редкостью. Однако, по мнению авторов, содержащаяся в них информация ни в коей мере не устарела, а некоторые технические идеи (например, содержащиеся в [1], [6], [17]), без преувеличения, составляют классику представлений о природе и технике поверхностного упрочнения, не утратившую теоретическую и практическую значимость до самого последнего времени. Поэтому одной из задач, которые ставили перед собой авторы при работе над пособием, являлась полная реанимация известной информации по технологии поверхностного упрочнения, не утратившей своей значимости. Авторы сочли также необходимым дополнить пособие Приложениями (1 и 2), которые фактически являются изложением основного содержания некоторых из рекомендуемых работ, близким к тексту первоисточников. Это сделано специально для того, чтобы упростить пользователям пособия более подробное ознакомление с первоисточниками.
    Учитывая приоритетное предназначение материала как пособия для подготовки специалистов-металловедов, авторы посчитали необходимым сопроводить его примерами реальных исследований по технологии поверхностного

6

упрочнения (приложение 4). В них представлены подходы, которыми, по мнению авторов, следует руководствоваться при формулировке задачи на проведение такого рода исследований, выборе методики их проведения, обработке, оформлении и обсуждении полученных результатов.
     Авторы полагают, что пособие может быть полезным не только для студентов, но и заводским специалистам различного профиля (конструкторам, технологам, специалистам по качеству), связанным с производством металла и переработкой его в готовые изделия.
     Работая над пособием, авторы использовали материалы известных учебников, научных монографий и публикаций (указанных в перечне рекомендованной литературы). Но при этом посчитали также необходимым представить и своё видение рассматриваемых вопросов, а также использовать результаты собственной научно-исследовательской и преподавательской практики. Этим, ориентируясь на свой практический инженерный и преподавательский опыт, авторы преследовали цель приблизить содержание пособия к запросам предполагаемого круга читателей.
     Поэтому, представляя свою работу в рамках учебного пособия, авторы считают возможным рассматривать её и как монографию, в ряде аспектов приоритетную среди литературы, посвящённой качеству металла.
     Настоящее пособие фактически является вторым изданием вышедшего ранее пособия «Технология поверхностного упрочнения металлов термической и пластической обработкой» [44], существенно переработанного, дополненного и повторно отредактированного.
     Необходимая для переиздания работа была выполнена автором данного пособия профессором Нижегородского государственного технического университета Р. Е. Глинером в соавторстве с профессором Набережночелнинского института Казанского (Приволжского) федерального университета В. И. Астащенко.

7

            1. ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ


    Химико-термическая обработка, в отличие от собственно термической обработки , предполагает, наряду с температурным, контролируемое химическое воздействие на металл. В результате происходит насыщение его поверхностных слоёв углеродом (цементация), азотом (азотирование), в комплексе углеродом и азотом (нитроцементация) и другими элементами. Этим в максимальной степени достигается повышение работоспособности поверхности. В отличие от других методов поверхностного упрочнения, насыщением некоторыми элементами достигается повышение сопротивления химическому разрушению, и прежде всего атмосферной коррозии.
    К настоящему времени опробовано и изучено упрочняющее насыщение широким кругом неметаллических и металлических элементов. В настоящем пособии этот круг ограничен вариантами, которые, по мнению автора, представляются наиболее перспективными в практическом отношении.
    При этом насыщение разными элементами подчиняется одинаковым закономерностям, определяющим строение вновь формирующего поверхностного слоя и технологию насыщения.

        1.1. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ КОНТРОЛИРУЕМОГО НАСЫЩЕНИЯ

        1.1.1. Стадии насыщения

    Для обработки изделие помещается в специальную рабочую среду, которая является «поставщиком» насыщающего элемента. Среда, имеющая соответствующий состав, может находиться в различных агрегатных состояниях: представлять из себя мелко раздробленные частицы или порошок твёрдого вещества, либо расплав, либо газовую атмосферу.
    Любое насыщение может осуществляться при реализации трёх его отдельных стадий: протекании в рабочей среде химических реакций, приводящих к образованию свободных атомов, способных поглощаться (адсорбироваться) поверхностью металла; адсорбции свободных атомов поверхностью металла; диффузии адсорбированных атомов в глубь металла.
    Задача технологии состоит в том, чтобы эти стадии были контролируемыми и управляемыми.
   Протекание реакций в рабочей среде характеризуется количеством свободных атомов, образующихся в единицу времени. Этот процесс зависит от природы

8

среды (агрегатное состояние, состав, характер взаимодействия компонентов), температуры и давления внутри газовой среды. В принципе все эти факторы поддаются технологическому контролю и регулировке. Для оценки в комплексе их проявления введено понятие «насыщающего потенциала» рабочей среды» (Н-потенциала). Это понятие предполагает:
    -      каждой конкретной среде, т. е. среде определённого состава, давления и температуры, а также определённого характера загрузки рабочего пространства обрабатываемыми деталями (масса, общая поверхность деталей, схема расположения в рабочем пространстве) соответствует предельно высокая концентрация насыщаемого элемента;
    -      по достижению предельной концентрации насыщающего элемента устанавливается динамическое равновесие между составом атмосферы и поверхностной концентрацией.
    На практике для определения Н-потенциала используется метод «фольговой пробы»: в рабочую среду помещается пробный образец, толщина которого предельно мала - менее 0,2 мм (так называемая «фольга»). После сравнительно небольшой (0,5-1 час) выдержки в рабочей среде такой образец насыщается образующимися в рабочей атмосфере свободными атомами до предельно высокой концентрации. Химический анализ позволяет количественно оценить эту концентрацию (Кпред), и таким образом количественно определить Н-потенциал.
    Адсорбцию (поглощение) претерпевают свободные («активные») атомы, которые образуются в рабочих реакциях, причём только тех реакций, которые протекают исключительно на границе рабочей среды и металла.
    На атомном уровне механизм абсорбции связывается с проявлением сил межатомной связи, которые удерживают металлические атомы в кристалле: на границе с рабочей средой межатомные силы оказываются неуравновешенными (из-за отсутствия кристаллических атомов вне поверхности), что обусловливает притяжение ими активных атомов, образующихся в рабочей среде (рис. 1.1).
    (Адсорбцию - поглощение (концентрирование) веществ на поверхности твёрдого тела или жидкости следует отличать от абсорбции - поглощения веществ жидкостью, которое происходит во всём объёме поглотителя).
    Поглощение можно представить как внедрение сторонних атомов в решётку насыщаемого металла или как химическую реакцию между диффундирующими атомами и металлом. В первом случае на поверхности образуется твёрдый раствор, во втором - химическое соединение.
    Интенсивность поглощения зависит от многих факторов: природы металла и свободных атомов, количества свободных атомов (насыщающего потенциала), температуры, состояния поверхности (в том числе её загрязнённости).

9

Рис. 1.1. Схема поглощения активных атомов из рабочей среды: стрелками обозначено проявление сил межатомного взаимодействия

     В комплексе количественная оценка интенсивности возможна, если определяется коэффициент пропорциональности а в соотношении

М = а(Кпред — Кпов)Fг,                    (1.1)

где М - количество поглощаемого элемента площадью F поверхности; т - продолжительность насыщения; Кпред - насыщающий потенциал, характеризующийся предельной концентрациией, обеспечивающей насыщение поверхности до концентрации Кпов.
     Если М выражено в г, F - см², т - в секундах и К - в г/см³, то а (коэффициент поглощения.) получает размерность в см/с, т. е. смысл этой величины - скорость перехода в металл насыщающего элемента.
     Коэффициент а зависит от многих факторов, характеризующих как рабочую среду (агрегатное состояние, состав, условия контакта с насыщаемым металлом), так и поверхность насыщаемого металла (состав, состояние поверхности), а также рабочую температуру и давления (в случае газовой среды).
     Какие-либо установленные зависимости коэффициента а от этих факторов отсутствуют, и коэффициент а определяется экспериментально в каждом конкретном случае насыщения без разделения вклада каждого фактора. При этом в эксперименте определяются величины М, F, т и Н, далее, используя (1.1), рассчитывают величину а.


10

    Диффузия - это проникновение адсорбированных поверхностью атомов в глубь металла. С точки зрения термодинамики диффузия обусловлена стремлением к выравниванию концентрации (точнее, так называемого химического потенциала ') примеси внутри твёрдого раствора, поскольку состоянию с равномерной концентрацией соответствует минимум свободной энергии всей термодинамической системы (появление примесей на поверхности сопровождается увеличением свободной энергии в поверхностном слое). Наименьшее количество свободной энергии, инициирующее развитие процесса диффузии, определяет собой энергию активации диффузии (Q), оцениваемую количеством калорий, характеризующим эту энергию, приходящуюся на единицу количества вещества (кал/моль* ²). Энергия активации не зависит от температуры, но зависит от типа растворения (внедрение, замещения), кристаллической решётки растворителя, температуры его плавления, размеров диффундирующих атомов.
    Предложены различные механизмы диффузии примесей в кристаллической решётке, основанные на том, что атомы примеси (так же, как и основного металла) находятся в непрерывном колебательном движении относительно соответствующего места в решётке, сохраняя равновесное состояние. В случае твёрдого раствора внедрения это место соответствует пространству между узлами. Такое положение атомов в кристаллической решётке в физике называется регулярным . При этом некоторые из атомов совершают колебания со значительно большей амплитудой, чем остальные (явление флуктуации³). Это приводит к тому, что отдельные атомы получают возможность длительное время находиться вне своего места, фактически перемещаясь из него в другое пространство между узлами (иррегулярное состояние).
    Наличие в решётке вакантных узлов значительно способствует таким перемещениям, обусловливая возможность направленного перемещения атомов на расстояния, значительно превышающие межатомные, что и характеризует процесс диффузии.
    Таким образом, применительно к процессам химико-термической обработки диффузия представляется как перемещение посторонних атомов по «междоузлиями». При этом энергия активации играет роль источника энергии, которая необходима для того, чтобы перемещаемый из регулярного положения атом преодолел силы межатомного взаимодействия.

Термодинамическая характеристика, используемая для описания состояния систем с переменным числом частиц. Однако из-за отсутствия достаточных данных химический потенциал в анализе диффузии заменятся концентрацией.

² Моль - единица измерения количества вещества в Международной системе единиц (СИ).

³ Флуктуации - случайные отклонения физических величин от их средних значений; происходят у любых величин, зависящих от случайных факторов.

11

    Влияние температуры, значительно ускоряющей диффузионные процессы, обусловливается тем, что с повышением температуры увеличивается количество флуктуаций.
    Рассматривая диффузию как непрерывный поток атомов определённого вещества через слой толщиной dx, можно подсчитать количество вещества dm, продиффундировавшего через поверхность F за время dг:

dK
dm = - DF dₓ dr,                     (1.2)

где dK (г/см³) - изменение объёмной концентрации диффундирующего элемента в рассматриваемом слое, D - коэффициент диффузии (см²/сек).
    Знак минус в правой части уравнения показывает, что диффузия сопровождается перемещением атомов (ионов) из участков более богатых этим веществом к участкам более бедным, и таким образом увеличению dx соответствует уменьшение dK.
    Формально D это коэффициент пропорциональности в данном соотношении, но фактически этот коэффициент является основной физической характеристикой процесса диффузии, которая зависит от природы металла и перемещающихся атомов и является функцией температуры, что выражается формулой:

Q
D = Ae RT .                        (1.3)

    Здесь А - коэффициент, зависящий от природы металла и перемещающихся атомов, Т - абсолютная температура, R = 1,987 кал/(моль-°К) - газовая постоянная (универсальная физическая величина, входящая в уравнение состояния идеального газа); Q - энергия активации (величины R и Q не зависят от температуры).
    Очевидно, что интенсивность диффузии зависит от величины коэффициента диффузии, т. е. от величин А и Q.
    При насыщении Fey углеродом и азотом величина А составляет 0,05 см²/с, насыщении металлическими атомами - 0,5 см²/с, а величина Q составляет -30000 кал/моль (диффузии углерода и азота) и ~ 60000 кал/моль (диффузия металлических атомов).
    Благодаря значительно меньшей энергии активации коэффициент диффузии и соответственно, скорость диффузии углерода и азота оказывается значительно большей, чем металлических атомов.


12