Методы и способы упрочнения поверхности материалов
Упрочнение поверхностей – это обработка поверхностей материалов с целью увеличения их прочности.
Все способы поверхностного упрочнения материалов можно разделить на две основные группы:
- Упрочнение с изменением структуры и химического состава поверхностного слоя. Данные способы осуществляются при помощи нанесения защитных покрытий или химико-термической обработки.
- Упрочнение с изменением структуры поверхностного слоя, но без изменения его химического состава. Данное упрочнение достигается поверхностным пластическим деформированием, поверхностной закалкой и другими способами.
Самыми распространенными способами упрочнения поверхности материалов являются:
- Наклеп.
- Химико-термическая обработка металлов, к которой относятся закалка, азотирование, цементация, цианирование, борирование.
- Нанесение антифрикционных покрытий.
- Холодное газодинамическое напыление.
- Наплавка.
- Финишное плазменное упрочнение.
- PVD-процесс.
- HiFIT-метод повышения усталостной прочности.
- Газотермическое напыление, к которому относятся детонационное напыление, плазменное напыление, высокоскоростное газопламенное напыление.
PVD-процесс или вакуумное напыление - это методы напыления покрытий в вакууме, при которых покрытие получается в результате прямой конденсации пара наносимого материала.
Методы изменения структуры поверхностного слоя
Самыми распространенными методами упрочнения поверхностного слоя без изменения его химического состава являются закалка и разнообразные способы поверхностного пластического деформирования. Деформирование представляет собой самый простой способ, в результате которого возрастают прочностные характеристики. Основное назначение деформирования - увеличение усталостной прочности посредством наклепа поверхности на глубину от 0,2 до 0,4 миллиметров. Самыми распространенными видами деформирования являются дробеструйная обработка, обработка роликами, иглофрезерование и накатка рельефа.
Дробеструйная обработка заключается в обработке дробью поверхностей готовых деталей. Данный способ применяется для удаления окалины и упрочнения изделия. Дробеструйной обработке подвергаются рессоры, пружины, гильзы, поршни, зубчатые колеса, гусеницы. Обработка роликами производится посредством давления ролика из твердого металла на поверхность изделия. В данном случае усилия на роликах превышают предел текучести обрабатываемой поверхности и происходит наклеп на необходимую глубину. Такая обработка улучшает микрогеометрию готового изделия. Остаточные напряжения сжатия способствует увеличению долговечности деталей и пределу усталости. Обкатка роликами применяется при калибровке труб и прутков, а также обработке валов. Иглофрезерование при помощи фрез. На поверхности таких фрез может находиться до 40 миллионов игл из высокопрочной стальной проволоки, диаметр которой составляет от 0,2 до 0,8 миллиметров. Такой способ упрочнения поверхностей применяется при обработке цилиндрических и плоских поверхностей, а также при очистке деталей от окалин. При иглофрезеровании образуется поверхностный упрочненный слой.
Суть поверхностной закалки заключается в быстром нагреве поверхности детали до температуры выше, чем температура закалки, а затем происходит быстрое охлаждение, скорость процесса выше критической. Цели поверхностной закалки следующие - увеличение предела выносливости, износостойкости и твердости с сохранением вязкой середины. В промышленных масштабах самой распространенной является закалка индукционная с нагревом токами высокой частоты.
Методы изменения химического состава и структуры
К методам поверхностного упрочнения с изменением структуры и химического состава поверхности относит химико-термическая обработка. Данная обработка заключается в насыщении поверхностного слоя стали различными элементами при высокой температуре. В зависимости от используемого элемента существуют следующие виды химико-термической обработки:
- Азотирование.
- Цианирование или нитроцементация.
- Борирование.
- Цементация.
- Диффузионная металлизация, к которой относятся хромирование, силицирование, алитирование и т. п.
Общим признаком для всех вышеперечисленных способах обработки является увеличение твердости поверхностного слоя. Выбор того или иного способа зависит от условий эксплуатации детали, ее формы и размеров, марки выбранной стали и прочих факторов. Самым распространенным методом является насыщение поверхности сплава углеродом или цементация. Посредством цементации поверхности детали придается высокая износостойкость и твердость, при этом сохраняется ее пластичная и вязкая сердцевина.
