Термическая и химико-термическая обработка в процессах восстановления деталей

Термическая и химико-термическая обработка в процессах восстановления деталей представляет собой совокупность операций нагрева с заданной скоростью, требуемой выдержки и последующего охлаждения с регламентированной скоростью для достижения заданных структуры и свойств материала ремонтной заготовки.

Для получения при восстановлении высококачественных деталей ремонтные предприятия должны располагать возможностью проведения всех видов термической обработки.

Термическая обработка занимает достаточно большое место в технологических процессах восстановления деталей (см. раздел 6.3). Она применяется перед механической обработкой, перед и в процессе сварки, перед и после нанесения покрытий наплавкой или напылением, перед окончательной механической обработкой и др.

Термическая обработка во многих случаях используется для снятия в деталях остаточных напряжений, которые приводят к возникновению трещин, снижению прочности сцепления покрытия с основным материалом, деформационному изнашиванию (короблению) изделий. Кроме освобождения изделия от остаточных напряжений термическая обработка преследует и другие цели, связанные с повышением прочностных свойств металла, улучшением обрабатываемости материала резанием и др.:

• получение равновесной мелкозернистой структуры перекристаллизации металла;

• выравнивание структуры металла в нанесенном покрытии и по объему детали в целом путем нагрева всей детали до определенной температуры;
• выравнивание химического состава металла методом диффузии;
• придание нанесенному и основному металлу нужной структуры и необходимых механических свойств.

При восстановлении деталей машин наплавкой и напылением на различных этапах технологических процессов требуется обеспечение нужной структуры и свойств нанесенного и основного металла. Делается это с помощью основных видов термической обработки: отжиг, отпуск, закалка, нормализация и обработка холодом.

Отжиг – вид термической обработки, который включает нагрев стальной детали и выдержку при определенной температуре ниже точки протекания структурных превращений, а также последующее медленное охлаждение (обычно вместе с печью).

Отжиг проводят для устранения образующихся при наплавке закалочных структур и получения более равновесных (устойчивых) структур, снижения твердости, увеличения пластичности и вязкости, снятия остаточных напряжений, улучшения обрабатываемости материала резанием или давлением. На практике применяют следующие

виды отжига: полный, неполный, диффузионный, рекристаллизационный и отжиг для снятия остаточных напряжений.

Отпуск – вид термической обработки, который включает нагрев стальной детали до температуры превращения неравновесных структур в более равновесные, выдержку и последующее медленное охлаждение.

Отпуск в основном применяют в сочетании с нормализацией или закалкой для получения требуемых механических свойств путем равномерного снижения твердости и хрупкости, освобождения изделия от остаточных напряжений, повышения обрабатываемости наплавленного металла резанием, а также для повышения вязкости закаленной стали.

При отпуске закаленных сталей в результате нагрева происходит переход от более твердых, но менее устойчивых структур к менее твердым, но более устойчивым структурам. В зависимости от температуры нагрева различают следующие виды отпуска: низкий, средний и высокий.

Низкий отпуск заключается в нагреве закаленных стальных деталей до температуры 150…250С, непродолжительной выдержке (30…90 мин) при этой температуре и последующем охлаждении деталей в машинном масле или на воздухе. При этом в структуре стали остается мартенсит с измененной кристаллической решеткой. После низкого отпуска твердость поверхности практически не изменяется, но зато уменьшаются остаточные закалочные напряжения и несколько повышается вязкость. Этот вид отпуска применяется для снятия остаточных напряжений у деталей, подвергнутых цементации и поверхностной закалке.

Средний отпуск состоит в нагреве закаленных стальных деталей до температуры 300…500С, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении. В структуре стали, обработанной при этих температурах, содержится в основном троостит отпуска. Детали приобретают упругие свойства при сохранении высокой прочности. Такому виду отпуска подвергают пружины, рессоры, мембраны и др.

Высокий отпуск включает нагрев закаленных стальных деталей до температуры 500…650С, выдержку при этой температуре и охлаждение с любой скоростью для получения структуры сорбита отпуска. После этого отпуска детали приобретают повышенную ударную вязкость, пластичность, но несколько пониженную твердость поверхности. Высокому отпуску подвергают в основном все ответственные детали машин и механизмов (например, валы, оси, зубчатые колеса и др.).

Закалка – самый распространенный вид упрочнения термической обработкой, который включает нагрев стальных деталей до температуры аустенизации (при этой температуре исходная феррито-перлитная структура сталей превращается в аустенит), выдержку при этой температуре и последующее быстрое охлаждение с целью получения неравновесной структуры мартенсита, которая характеризуется высокой твердостью и пониженной вязкостью.

Мартенсит – основная структурная составляющая закаленной стали, представляющая собой перенасыщенный твердый раствор углерода в железе. В большинстве случаев стремятся получить именно эту структуру, так как сталь, закаленная на мартенсит, обладает высокой твердостью (HRCЭ 52…66), повышенной прочностью и износостойкостью.

Закалке подвергают практически все детали машин и механизмов.

Эффективность закалки во многом зависит от важного свойства металлов – закаливаемости. Под закаливаемостью понимают способность сталей к повышению твердости в результате закалки. Закаленные стали имеют повышенные значения прочности, твердости и предела упругости, но при этом пониженные значения пластичности и вязкости.

Способ закалки выбирают в зависимости от марки стали, формы и размеров изделий, а также от технических требований, предъявляемых к этим изделиям.

По способу нагрева различают объемную закалку в электропечи и способы поверхностной закалки: в электролите, контактным электронагревом, токами высокой частоты, газовым пламенем (обычно прямым нагревом детали ацетиленокислородным пламенем), а по способу охлаждения – закалку в воде, масле, солях и на воздухе.

Скорость охлаждения стальных деталей, нагретых до температуры закалки, во многом зависит от состава и свойств охлаждающих сред и обусловливает степень упрочнения металла при проведении термической обработки.

Вода по сравнению с машинным маслом охлаждает сталь примерно в 6 раз быстрее при температуре нагрева 550…650°С и в 28 раз быстрее при температуре нагрева 200°С. Однако высокая скорость охлаждения в воде в области температур мартенситного превращения является причиной образования поверхностных трещин и больших остаточных напряжений и деформаций деталей. Добавление к воде поваренной соли, щелочей и соды вызывает значительное увеличение ее охлаждающей способности и делает охлаждение более равномерным. Это позволяет применять воду для охлаждения углеродистых сталей, которым свойственна большая критическая скорость закалки, а масло – для охлаждения легированных сталей, имеющих малую критическую скорость закалки.

Преимущество масла как охлаждающей среды заключается в том, что оно обеспечивает небольшую скорость охлаждения в области температур мартенситного превращения, что снижает опасность образования трещин и коробления деталей. Недостатками машинного масла является легкая воспламеняемость, потеря жидкотекучести с течением времени и пригорание к поверхности изделий.

Для предотвращения образования трещин и значительного коробления деталей при получении высокой твердости (HRCЭ 46…56) применяют изотермическую закалку, которая заключается в быстром переохлаждении нагретой до аустенитного состояния стальной детали путем погружения в соляную ванну, имеющую температуру 200…350ºС (температура, соответствующая наибольшей скорости мартенситного превращения), выдержке при этой температуре и дальнейшем охлаждении на воздухе до температуры 18…20ºС. При указанных режимах охлаждения превращение аустенита в мартенсит идет совместно с процессом отпуска, что позволяет снизить уровень остаточных напряжений.

Закалка ТВЧ является наиболее распространенным и высокопроизводительным способом поверхностной закалки. Она позволяет получить требуемые свойства закаленного слоя и сердцевины при благоприятном характере переходной зоны. Передача электрического тока без соприкосновения с обрабатываемой деталью позволяет получить после закалки чистую, без окалины поверхность изделия.

При закалке ТВЧ деталь или участок детали, который необходимо закалить, помещают в индуктор, изготовленный из медной трубки, в которую подается охлаждающая вода. К индуктору через трансформатор от специального генератора подводится ток высокой частоты (8…500 кГц). Внутри индуктора возникает переменное магнитное поле, индуктирующее на поверхности детали электродвижущую силу,

под действием которой в металле возникают электрические вихревые токи. Эти токи и вызывают нагрев поверхности детали до высокой температуры в течение нескольких секунд. Достаточно часто в качестве охлаждающей среды при поверхностной закалке применяют водовоздушную смесь, подаваемую под давлением около 0,3 МПа. После закалки детали подвергают низкому отпуску для снятия остаточных напряжений. Толщина закаленного слоя может составлять 1,0…10 мм, причем её можно регулировать путем изменения частоты тока.

Закалка ТВЧ применима как для цилиндрических, так и для плоских деталей, работающих при трении скольжения или качения, а также в условиях динамического нагружения. Для таких деталей необходимы высокая твердость и износостойкость поверхностного слоя, а их сердцевина должна быть вязкой и иметь повышенную усталостную прочность. Способ закалки ТВЧ является весьма эффективным и высокоэкономичным в условиях серийного и массового производства, т. е. когда закалочная установка загружена полностью.

В закаленных сталях наряду с мартенситом всегда присутствует остаточный аустенит, поскольку мартенситное превращение никогда не происходит полностью.

В большинстве случаев наличие остаточного аустенита в стали нежелательно, поскольку оно приводит к снижению твердости и износостойкости. Устранение остаточного аустенита достигается обработкой холодом. Эта обработка представляет собой дополнительное охлаждение закаленных изделий из стали, в структуре которой имеется остаточный аустенит, до температуры -80С с целью более полного превращения остаточного аустенита в мартенсит.

Обработка холодом целесообразна только для сталей, у которых температура окончания процесса мартенситного превращения ниже 18…20С.

Закалку вместе с последующим высоким отпуском называют улучшением стальных деталей. Улучшению подвергаются углеродистые и легированные стали, так называемые улучшаемые стали. Стали после улучшения приобретают однородную дисперсную структуру сорбита, обладающую достаточной прочностью, высокой пластичностью и вязкостью.

Нормализация – вид термической обработки, заключающийся в нагреве стальных деталей до температур аустенитного состояния (примерно до 750…950°С), выдержке и последующем охлаждении на воздухе.

Нормализация, вызывающая перекристаллизацию металла, проводится с целью повышения прочности, пластичности и вязкости. В результате проведения нормализации в деталях происходит снижение и выравнивание остаточных напряжений, а также улучшение структуры. Нормализованные углеродистые и низколегированные стали содержат однородную мелкозернистую структуру перлита или троостита, которые характеризуются высокими механическими свойствами.

Достаточно часто нормализацию используют в качестве подготовительной операции под закалку. Вместе с тем нормализация может иметь самостоятельное значение как основная и окончательная термическая операция, заменяющая требующий длительного времени отжиг.

При термической обработке с высоким нагревом деталей в окислительной атмосфере происходит обезуглероживание поверхностного слоя изделий, т. е. выгорание в металлах углерода, которое приводит к снижению твердости после проведения закалки и усталостной прочности деталей. Следует отметить, что снижение усталостной прочности при обезуглероживании существенно зависит от исходной структуры материала деталей. Наибольшее снижение (до 40%) предела выносливости наблюдается у структуры мартенсита.

Для предотвращения нагреваемых деталей от окисления и обезуглероживания в рабочем пространстве печи создают защитную газовую среду, получившую название контролируемой атмосферы. Для закалки, нормализации и отжига применяют эндотермическую контролируемую атмосферу (20% CO, 40% H2, 40% N2), получаемую в генераторе путем пропускания смеси углеводородных газов и воздуха через катализатор при температуре 1000…1200С. При отсутствии контролируемых атмосфер для снижения обезуглероживания детали перед нагревом упаковывают в ящики с отработанным карбюризатором (насыщающей средой), в пережженный асбест, чугунную стружку, погружают в насыщенный раствор буры или наносят на поверхность изделий специальную обмазку или электролитические покрытия, например электролитический слой меди.

Не допустить образование обезуглероженного слоя можно также путем проведения термической обработки в вакууме.

Наконец, если не удалось предотвратить обезуглероживание, то полученный дефектный обезуглероженный слой можно удалить с поверхности деталей механической обработкой при наличии достаточного припуска.

В ремонтном производстве для нагрева мелких и средних деталей применяют камерные и шахтные печи периодического действия. Чаще всего используют электрические печи.

Печи-ванны на ремонтных предприятиях используют для нагрева изделий при закалке, отпуске и химико-термической обработке. В них детали нагревают в расплавленных солях, щелочах, реже – в металлах, таких как силумин, сплавы свинца и др. Во избежание обезуглероживания материала деталей соляные растворы подвергают тщательному раскислению.

Наибольшее распространение получили электрические и газовые печи-ванны. Электрические печи-ванны, предназначенные для нагрева деталей под закалку, изготовляют двух типов:

1. с внешним обогревом тигля при помощи нагревательных элементов, изготовленных из проволоки или ленты;
2. с внутренним обогревом тигля при помощи нагревательных электродов.

В электродных ваннах предусмотрена активная циркуляция расплавленной соли, благодаря чему обеспечивается высокая скорость и равномерность нагрева.

Закалочные баки бывают двух типов:

1. немеханизированные, т. е. не имеющие специальных устройств для выдачи охлажденных изделий на воздух;
2. механизированные бесконвейерные и конвейерные.

Закалочные баки изготовляются без системы охлаждения закалочной среды или с ее охлаждением тем или иным способом.

Закалку проводят в специальных закалочных машинах, которые обеспечивают равномерное охлаждение деталей, а также позволяют производить охлаждение их отдельных частей с различной скоростью. Для снижения остаточных деформаций при их закалке в таких машинах детали зажимаются между роликами и штампами или в специальных приспособлениях.

Химико-термическая обработка стали (ХТО) заключается в поверхностном насыщении стальных деталей различными химическими элементами (например, углеродом, азотом, алюминием, хромом), которое осуществляется при нагреве и выдержке деталей при высокой температуре в активных газовых, жидких или твердых средах. В результате этого образуется поверхностный диффузионный слой детали, отличающийся от исходного материала по химическому составу, структуре и свойствам. Этот защитный слой способствует повышению поверхностной твердости детали, её эксплуатационных свойств: износостойкости, усталостной прочности, жаростойкости, коррозионной и кавитационной стойкости.

На практике для упрочнения стали широко применяют следующие виды ХТО: цементацию, азотирование, цианирование и диффузионную металлизацию.

Цементация – процесс насыщения поверхностного слоя стали углеродом при нагреве без доступа воздуха до температуры 900…950°С в среде углерода.

Цементацию проводят для получения высокой твердости поверхностного слоя при условии сохранения мягкой и вязкой сердцевины, а также для повышения износостойкости и усталостной прочности стальных деталей, которые обеспечиваются проведением после цементации дополнительной термической обработки, например закалки с низким отпуском.

Обычно цементации подвергают малоуглеродистые стали с содержанием углерода до 0,25%, в результате чего твердость внутренних слоев изделия после закалки не изменяется и остается равной НRC 30…45, а твердость поверхностного слоя повышается до НRC 59…63. Толщина упрочненного слоя после цементации для большинства деталей составляет 0,5…2 мм.

Различают цементацию твердым и газообразным карбюризатором. Цементация в твердых карбюризаторах в основном применяется для неответственных деталей. При цементации твердым карбюризатором детали после предварительной очистки от загрязнений укладывают в металлические ящики и засыпают карбюризатором, состоящим в основном из древесного угля с добавлением углекислого бария (ВаСО3), соды (NaCO3), углекислого кальция (СаСО3) и крахмала в количестве от 10 до 40% от массы угля. После обмазывания крышки ящика огнеупорной глиной его помещают в печь.

Продолжительность цементации в зависимости от размеров ящика и количества загруженных деталей составляет 10…20 ч. После цементации детали в ящиках охлаждают вместе с печью или на воздухе, а затем подвергают закалке и низкому отпуску.

Цементация в твердом карбюризаторе в большинстве случаев не отвечает современным требованиям технологичности и не позволяет получить высокое качество обработки. Поэтому более широкое применение нашла цементация в газовых средах. Газовая цементация по сравнению с цементацией твердым карбюризатором является более высокопроизводительным способом, длительность процесса сокращается в 2,5…3 раза.

Печи для газовой цементации должны быть герметичными, что достигается применением специальных жароупорных муфелей.

Для обеспечения высокой твердости деталей в процессе газовой цементации осуществляют регулирование концентрации углерода в поверхностном слое путем изменения состава газа. Делают это при помощи автоматических оптико-акустических газоанализаторов с инфракрасным излучением.

В качестве карбюризатора используют предельные и непредельные газообразные углеводороды, например природный газ – метан, пропан, бутан, – которые при нагреве диссоциируют с выделением атомарного углерода.

Азотирование – процесс насыщения поверхностного слоя азотом при нагреве деталей до температуры 500…520°С в среде аммиака (NH ).

Азотирование проводят для повышения твердости поверхностного слоя, износо- и теплостойкости, а также коррозионной стойкости деталей. Оно снижает вязкость сталей и повышает их прочность, ослабляет влияние поверхностных дефектов на предел выносливости, повышает сопротивление изнашиванию схватыванием и существенно повышает усталостную прочность деталей, работающих в агрессивных средах. Азотированные детали отличаются от деталей, прошедших цементацию, более высокой твердостью при глубине упрочненного слоя 0,25…0,65 мм. Однако недостаточная толщина упрочненного слоя не позволяет эксплуатировать азотированные детали в условиях высоких удельных нагрузок.

Азотирование является эффективным, но низкопроизводительным процессом, так как цикл насыщения азотом составляет 30…90 ч, а последующее охлаждение деталей вместе с печью – 4…5 ч. Поэтому азотированию подвергают лишь ответственные изделия из легированных сталей, прошедшие термическую (закалку с высоким отпуском) и механическую обработку.

Перед азотированием участки деталей, не подлежащие упрочнению, защищают различного рода обмазками или электролитическими покрытиями, например электролитическим слоем олова. Затем детали укладывают равномерно в герметически закрывающийся муфель (реторту), который помещают в электропечь. В муфель из баллонов подается аммиак, который при нагреве разлагается, образуя атомарный азот. Азот, внедряясь в поверхностный слой деталей, взаимодействует с легирующими элементами Cr, Al, Mo с образованием твердых дисперсных нитридов.

Вместе с прочностным азотированием легированных сталей нашел применение процесс антикоррозионного декоративного азотирования мелких деталей из углеродистых сталей или чугуна, который проводят для повышения коррозионной стойкости при работе деталей во влажной атмосфере и пресной воде. Антикоррозионное азотирование в ряде случаев позволяет заменить гальваническое хромирование, никелирование, цинкование и др.

Подготовка поверхности деталей перед азотированием зависит от того, будут ли они после азотирования полироваться (тогда они перед азотированием также полируются) или будут эксплуатироваться с матовой поверхностью.

Процесс антикоррозионного азотирования, включающий нагрев деталей до температуры 620…700°С, выдержку при этой температуре в течение 40…60 мин, завершается образованием твердого слоя нитридов Fe2N, Fe4N на поверхности изделий.

Следует отметить, что в большинстве случаев азотирование выполняют перед окончательной механической обработкой и после его проведения детали больше не подвергают термической обработке.

Это позволяет снизить уровень технологических остаточных деформаций изделий.

Цианирование (нитроцементация) – процесс одновременного насыщения поверхности стальных деталей азотом и углеродом. Главным условием качественного цианирования является применение насыщающих сред с умеренной цементирующей и азотирующей способностью. Цианирование проводят для повышения твердости и износостойкости поверхностного слоя деталей из сталей, содержащих 0,2…0,4% углерода. Высокая прочность нитроцементованных сталей позволяет применять цианирование для ответственных, тяжело нагруженных деталей, например для зубчатых колес, валов коробок передач и др.

Цианирование производится в твердых, жидких и газообразных средах. Твердое цианирование применяют крайне редко, так как оно менее эффективно по сравнению с жидким и газовым цианированием. Наибольшее распространение получило цианирование в жидкой среде. Детали, прошедшие механическую обработку, погружают в специальную ванну с расплавом солей, состоящим из 20…25% NaCN, остальное – NaCl и Na2CO3.

В зависимости от необходимой толщины упрочненного слоя применяют низкотемпературное цианирование (мягкое азотирование), цианирование при средних температурах и высокотемпературное цианирование.

Низкотемпературное цианирование проводят для поверхностного упрочнения гильз цилиндров, поршневых пальцев, коленчатых валов, кулачков распределительных валов, шатунов, толкателей и других деталей, прошедших улучшение, окончательную и отделочную механическую обработку. Процесс осуществляют при температуре 560…580С в течение 1…3 ч в неразбавленных другими веществами расплавах цианистых солей, содержащих 40% KCN и 60% NaCN, продуваемых сухим воздухом. Цианирование при указанных температурах, по существу, является азотированием в жидких средах, поскольку науглероживание, т. е. насыщение углеродом, практически не происходит. Низкотемпературным цианированием достигается высокая поверхностная твердость (микротвердость составляет 6000…8000 МПа) при глубине упрочненного слоя 0,15…0,2 мм. Это способствует значительному увеличению износостойкости и усталостной прочности ответственных изделий.

Одной из причин, препятствующей широкому применению низкотемпературного цианирования, является необходимость использования ядовитых цианистых солей.

Высокотемпературное цианирование применяют для средне- и малоуглеродистых сталей. Оно проводится при температуре 930…960°С в течение 10…40 мин с последующей закалкой и низким отпуском. В результате поверхностная твердость деталей возрастает до HRCЭ 59…63 при глубине упрочненного слоя до 2,0 мм.

Наибольшее распространение получило цианирование при средних температурах 850…870С. При таких температурах расплава с применением эндотермической атмосферы (добавка природного газа не должна превышать 15%, а аммиака 10%) получают упрочненный слой толщиной до 0,35 мм. При более глубокой нитроцементации (свыше 0,5 мм) добавки природного газа и аммиака должны быть еще меньшими (не более 5% CH4 и 3% NH3).

Необходимо отметить, что из-за высокой склонности нитроцементованного слоя к обезуглероживанию недопустимо в процессе цианирования прерывать на длительное время добавку жидкого карбюризатора в садочных печах при включенной добавке аммиака.

Диффузионная металлизация – процесс насыщения поверхностей стальных деталей различными металлами. Наиболее часто применяют металлизацию алюминием (алитирование), хромом (хромирование), кремнием (силицирование), бором (борирование).

Диффузионная металлизация повышает жаростойкость (окалиностойкость) до 1100С, микротвердость до 5000 МПа и, соответственно, износостойкость, коррозионную стойкость стальных и чугунных деталей. Насыщение проводят в твердых, жидких и газообразных средах при температуре 1000…1200С.

Процесс диффузии при металлизации происходит значительно медленнее, чем при других видах ХТО, поэтому получение даже очень тонких слоев требует много времени.

Алитирование преимущественно малоуглеродистых стальных деталей проводят с целью повышения жаростойкости (окалиностойкости) деталей, работающих при температурах до 900С в агрессивных газовых средах, в том числе содержащих сероводород. Поэтому алитированные изделия можно использовать вместо деталей, изготовленных из жаростойких (окалиностойких) сталей.

Алитирование деталей осуществляют в порошкообразной смеси, содержащей 49% алюминия, 39% оксида алюминия и 12% хлористого аммония. Смесь засыпают в стальной ящик с уложенными для алитирования деталями. Далее стальные ящики помещают в печь и нагревают до температуры 950…1050С. После выдержки в течение 4…12 ч на поверхности алитированной детали образуется тонкая тугоплавкая (температура плавления более 2000С) пленка оксида алюминия

(Al2O3) толщиной 0,1…1,0 мм, предохраняющая металл от окисления. Алитированию подвергают топливники и колосники газогенераторных тракторов и автомобилей, выпускные клапаны, выпускные тракты двигателей внутреннего сгорания.

Диффузионное хромирование стальных деталей проводят с целью повышения их износостойкости, жарои коррозионной стойкости. При хромировании на поверхности деталей из среднеи высокоуглеродистых сталей образуется тонкий (0,02…0,03 мм) карбидный слой высокой твердости (микротвердость достигает более 10000 МПа).

Наибольшее применение нашло газовое хромирование в среде газообразного хлора или смеси водорода и хлористого водорода. В качестве карбюризатора используют феррохром или хром; температура нагрева в реторте или печи достигает 950…1050С; продолжительность процесса составляет 4…6 ч. Хромированные изделия, например шарниры втулочно-роликовых цепей комбайнов, довольно хорошо работают в условиях абразивного изнашивания, в том числе в окислительных средах.

Огромное значение для получения необходимых эксплуатационных свойств изделий при их восстановлении имеют подготовительные операции и технологические приемы, применение которых обусловлено спецификой способов восстановления и материалом исходных заготовок. Поэтому достаточно часто термическая обработка в технологических процессах наряду с операциями термического упрочнения используется в качестве подготовительной операции (отжига или отпуска) перед нанесением покрытий и технологических приемов (предварительного, сопутствующего и последующего подогрева деталей) при восстановлении изделий наплавкой или напылением.

Предварительная термическая подготовка детали перед наплавкой или напылением проводится с целью устранения закалочной структуры металла исходных заготовок, снятия остаточных напряжений закалки и снижения вероятности образования трещин. Подготовительная операция представляет собой отпуск или отжиг изделий.

Устранение перед наплавкой закалочной структуры металла исходных заготовок необходимо по нескольким причинам:

1. при наплавке не представляется возможным сохранить прежние свойства закаленного слоя, так как под воздействием тепла дуги происходят структурные изменения в основном металле на достаточно большой глубине (5…6 мм);
2. закаленные слои металла, обладающие высокой хрупкостью и твердостью, снижают после наплавки ударную вязкость металла детали в целом;
3. неравновесная закалочная структура способствует при наплавке возникновению дополнительных остаточных напряжений и образованию трещин.

В том случае, когда ремонтное предприятие не располагает возможностью проведения термической обработки в полном объеме, рекомендуется наплавку закаленных и цементированных исходных заготовок проводить соответствующими электродами. Однако при этом следует иметь в виду, что наплавка деталей, содержащих повышенное количество углерода, приводит к подкаливанию основного металла. Процесс подкаливания перерастает в закалку по мере повышения содержания углерода в основном металле в пределах от 0,3 до 0,8%. Полученный при наплавке закаленный слой основного металла толщиной 1,0…2,5 мм имеет мелкозернистое строение с высокой твердостью HB 285 (при содержании углерода 0,8%) и большими остаточными напряжениями, которые инициируют развитие трещин. Поэтому наплавку таких деталей следует проводить с предварительным подогревом, который способствует укрупнению зерна основного металла, снижению твердости и уровня остаточных напряжений. Предварительный подогрев способствует более легкому выделению газов и шлаков из наплавляемого металла, при этом нанесенный слой получается плотным и износостойким, без инородных включений и трещин.

Температура предварительного подогрева при наплавке твердыми материалами оказывает большое влияние на твердость наплавленного металла. При этом следует отметить, что недостаточная температура предварительного подогрева создает опасность возникновения трещин, а чрезмерный нагрев вызывает снижение скорости охлаждения и увеличение глубины проплавления основного металла, что не обеспечивает требуемой твердости наплавленного металла. Температуру предварительного подогрева, осуществляемого обычно газовыми горелками, выбирают в зависимости от химического состава и свойств основного металла.

Для получения качественного изделия кроме предварительного подогрева в ряде случаев необходимо применять последующий нагрев наплавленного изделия. Он позволяет снизить скорость охлаждения нанесенного металла и за счет этого предотвратить растрескивание и отрыв наплавленного слоя от основного металла. Обычно последующий нагрев осуществляют также газовой горелкой.

Во многих случаях детали из малоуглеродистых или низколегированных сталей наплавляют высоколегированными износостойкими сплавами, т. е. сплавами иного химического состава, чем основной металл. Соединение разнородных металлов происходит через зону сплавления, которая, как правило, представляет собой явно выраженную границу раздела между наплавленным слоем и основным металлом. Она является сильнейшим концентратором напряжений, приводящим к отслоению покрытия при воздействии на деталь внешних нагрузок.

Предварительный подогрев исходных заготовок способствует получению плавного перехода (диффузионного слоя) от наплавленного слоя к основному металлу и, как следствие, повышению прочности сцепления наплавленного покрытия с основой. Кроме того, структурная и химическая неоднородность зоны сплавления металлов наплавленных деталей в значительной степени может сглаживаться смягчающей термической обработкой (например, нормализацией), направленной на выравнивание структуры наплавленного слоя и повышение пластичности и вязкости материала. При этом за счет повышающейся обрабатываемости материала существенно облегчается механическая обработка наплавленных деталей. Однако происходящее при нормализации уменьшение твердости наплавленного слоя приводит к некоторому снижению эксплуатационных свойств деталей. Поэтому для повышения твердости после механической обработки деталь дополнительно подвергают упрочняющей термической обработке (закалке).

Для упрочнения углеродистых сталей чаще всего применяют закалку, обеспечивающую повышение твердости путем фиксации пересыщенного твердого раствора углерода в железе. Углерод оказывает прямое влияние на формирование структуры стали, ее механические свойства и получаемую при закалке твердость. При повышении содержания углерода в металле происходит увеличение искажений решетки тетрагонального мартенсита. Это приводит к закономерному повышению твердости. При содержании углерода около 0,7…0,8% твердость достигает своего максимального значения HRC 60…62, которое обеспечивает наибольшую износостойкость деталей.

Термическая обработка деталей, восстановленных сваркой и наплавкой, является наиболее эффективным способом изменения в требуемом направлении структуры, свойств и напряженного состояния наплавленного и основного металлов. Это происходит в том случае, когда такая обработка выполняется правильно, без нарушений режимов термического воздействия на металл.

Неправильно проведенная термическая обработка значительно ухудшает прочность и износостойкость деталей или создает дефектную структуру сплавов (например, сетку карбидов химических элементов по границам зерен), которая приводит к разрушениям материала вследствие развития межкристаллитной коррозии.

При восстановлении деталей иногда необходимую термическую обработку заменяют способом наложения отжигающих валиков или местным нагревом детали ацетиленокислородным пламенем. Такие технологические мероприятия, направленные на снижение остаточных напряжений, не всегда достигают своей цели, поскольку не обеспечивают равномерности нагрева всей детали, так как температуру нагрева и глубину зоны термического влияния, зависящих от многих факторов, не всегда удается поддерживать в требуемых пределах при проведении указанных мероприятий. Поэтому местный нагрев рекомендуется применять при невозможности проведения объемной термической обработки путем нагрева детали в печи до заданной температуры.

Для полного снятия или значительного уменьшения остаточных напряжений в деталях во многих случаях достаточно ограничиться низкотемпературным отжигом с нагревом стальных деталей до температуры 500…600С с последующим медленным охлаждением вместе с печью или высоким отпуском с нагревом до температуры 500…650С, выдержкой при этой температуре в течение 2…3 ч и охлаждением на спокойном воздухе. При повышении или понижении этих температур должно быть соответствующим образом скорректировано время выдержки с учетом веса и конструкции нагреваемой детали.

В том случае, когда проведение отжига или отпуска деталей не представляется возможным, изношенные детали рекомендуется восстанавливать наплавкой электродами, дающими наплавленный металл умеренной твердости, который в дальнейшем будет способен к закаливанию. Такой металл удовлетворительно обрабатывается режущим инструментом и после закалки получает необходимую твердость и износостойкость.

Особое место термическая обработка занимает в технологических процессах восстановления нежестких деталей с высокими показателями точности и параметрами физического состояния поверхностного слоя. Дело в том, что такие детали сильно подвержены короблению при выполнении механической обработки и термические операции призваны снизить уровень остаточных напряжений.

В существующих технологических процессах восстановления нежестких деталей рекомендуется проводить несколько стабилизирующих термических обработок соответственно после чернового, получистового и чистового точения.

Практический опыт показывает, что минимальный уровень остаточных напряжений в деталях может быть получен при наименее термонасыщенных режимах и способах термической обработки. Одним из таких способов является стабилизирующий отпуск для снятия остаточных напряжений, при котором для уменьшения деформаций изделий их подвешивают в вертикальном положении.

Однако технологии восстановления нежестких деталей, основанные на термической стабилизации остаточных напряжений в сочетании с механической обработкой нанесенных покрытий, реализуют экстенсивный путь достижения точности, т. е. путем постепенного

снижения коробления от одной технологической операции к другой позволяют добиться минимальных остаточных деформаций. При этом необходимо отметить, что стабилизирующий отпуск для снятия остаточных напряжений является весьма энергоемким способом с достаточно продолжительным циклом, требующим применения дорогостоящего технологического оборудования. Поэтому его нежелательно применять в широкой практике, если он не предусматривает одновременное устранение метастабильных структур обрабатываемого металла или не предполагает совмещение процесса снижения остаточных напряжений с процессом устранения технологических остаточных деформаций, т. е. с правкой деталей в рамках одной технологической операции.

Основные направления достижения высокой точности изделий путем устранения технологических остаточных деформаций связаны не с использованием высокоточного оборудования, а с разработкой оригинальных технологических процессов, предусматривающих нестандартные решения. Поэтому для восстановления прецизионных нежестких деталей рекомендуется применять современные технологические способы термической обработки, такие как термосиловая правка, которая совмещает процесс правки детали с формированием необходимых физико-механических свойств материала изделий.

Для сохранения точности и снижения интенсивности деформационного изнашивания высокоточных деталей в процессе эксплуатации при восстановлении следует уделять особое внимание повышению твердости. Повысить твердость можно традиционными термическими (например, закалкой) и современными малодеформационными методами упрочнения, такими как ионная цементация, азотирование, лазерная закалка и др. Кроме того, по возможности следует применять традиционные методы химико-термического упрочнения. Так, достаточно часто для повышения твердости материала изделий их подвергают цементации или азотированию, обеспечивающим твердый слой (HRCЭ 52…56). Причем азотирование является более предпочтительной операцией, так как при нем не происходит значительного коробления изделий. Кроме того, азотированный слой обладает высоким сопротивлением изнашиванию, его износостойкость в 2…4 раза выше, чем износостойкость материала после цементации.

Необходимо отметить, что термические упрочняющие операции, такие как цементация и закалка, следует проводить перед операцией чернового шлифования, а азотирование – в конце технологического процесса перед чистовым шлифованием. Это обусловлено прежде всего объемным изменением размеров (до 0,03 мм) деталей, которое происходит в результате структурно-фазовых превращений в материале.

В большинстве случаев после напыления покрытие имеет пористую структуру с большим содержанием кислорода, азота и водорода. Кроме того, покрытия с такой структурой характеризуются низкой прочностью сцепления с основным металлом, слабым сцеплением частиц внутри покрытия и неудовлетворительной пластичностью. Для повышения эксплуатационных характеристик таких покрытий применяют термическую обработку в печи, в том числе с водородной атмосферой. Так, проведение отжига с нагревом деталей с покрытиями до температуры 600 С, длительной выдержкой при этой температуре и последующим медленным охлаждением является вполне достаточным технологическим мероприятием для снижения содержания кислорода в покрытии и повышения его механических свойств.

Комбинированная обработка напыленных покрытий, представляющая собой нагрев до температуры 900°С и кратковременное приложение давления (48 МПа), позволяет снизить пористость покрытия, а также существенно повысить его адгезионные и когезионные свойства.

Оплавление газовой горелкой или ТВЧ покрытий из самофлюсующихся сплавов позволяет также через совершенствование структуры напыленного материала уменьшить пористость покрытий, повысить их твердость и прочность сцепления с основным металлом. Статическая прочность оплавленных покрытий может превышать 295 МПа. Термически уплотненные таким образом покрытия обладают высокой коррозионной стойкостью, износостойкостью против абразивного изнашивания и хорошо работают в условиях высоких рабочих температур.

Термическая обработка с целью получения диффузионного слоя на границе покрытия с основным металлом также придает восстановленной детали высокую жаростойкость и коррозионную стойкость. Так, диффузионная термическая обработка напыленного на стальную деталь алюминиевого покрытия включает нанесение на поверхность покрытия смеси кремнийорганической смолы с алюминиевым

порошком и нагрев этого слоя до температуры 800…900°С, выдержку при этой температуре в течение 5…10 мин и медленное охлаждение на спокойном воздухе. Кроме того, на поверхность изделия могут наносить защитный слой жидкого стекла или раствора буры толщиной 0,3 мм с последующим нагревом до температуры 800…850°С и выдержкой при этой температуре в течение 30…180 мин. Во время выдержки при высокой температуре на границе раздела происходит взаимная диффузия алюминия и железа с образованием плавного перехода между напыленным слоем и основным металлом. При этом следует иметь в виду, что на участках пор и трещин, выходящих из покрытия на поверхность основного металла, слой взаимной диффузии алюминия – железа не образуется.