У промисловому виробництві та інженерних додатках підвищення твердості поверхні матеріалу має вирішальне значення, задовольняючи основні потреби, такі як зносостійкість, втомна міцність, стійкість до корозії та стійкість до високотемпературного окислення. Ця стаття підсумовує чотири основні методи, щоб допомогти читачам отримати чітке уявлення для точного вибору на практиці.
I. Технологія поверхневого гартування
Поверхневе гартування є основним методом для поверхневого зміцнення шляхом швидкого нагрівання та охолодження, із загальними процесами, включаючи індукційне загартування, загартування в полум’ї та загартування лазером або електронним променем. Ці технології індукують поверхневе фазове перетворення з утворенням твердих фаз без зміни хімічного складу, вимагаючи, щоб матеріали мали певний вміст вуглецю та гарну здатність до гартування.
Індукційне загартування поміщає заготовку в котушку змінного струму, використовуючи поверхневі вихрові струми для швидкого нагрівання, а потім охолодження за допомогою розпилення води або самоохолодження. Він забезпечує швидкий нагрів, високу ефективність, мінімальну деформацію, легку автоматизацію та точний контроль глибини зміцненого шару за допомогою регулювання частоти.
Загартування полум'ям використовує високотемпературне полум'я для нагрівання поверхні заготовки до температури загартування з наступним негайним охолодженням водою. Він відрізняється простим обладнанням, низькою вартістю та гнучкістю, але погано контролює температуру та глибину шару, схильний до перегріву та нестабільної якості продукції.
Лазерне або електронно-променеве зміцнення сканує поверхню променями високої щільності енергії, швидко нагріваючи шар і покладаючись на теплопровідність заготовки для самоохолодження. Він забезпечує надвисоку щільність енергії, мінімальну деформацію та точну обробку складних локальних ділянок, утворюючи дрібнозернистий шар високої твердості, який відповідає суворим вимогам до деформації.
II. Технологія хіміко-термічної обробки
Хімічно-теплова обробка нагріває деталі в активному середовищі, щоб проникнути в поверхню такими елементами, як вуглець, азот і бор, змінюючи її хімічний склад і мікроструктуру для досягнення чудової продуктивності. Основні процеси включають цементацію, азотування, карбонітрування, борування та нанесення дифузійного покриття металом.
Цементація обробляє низьковуглецеву сталь у середовищі, багатому вуглецем, при високій температурі, утворюючи поверхневий шар з високим вмістом вуглецю. Подальша загартування та низькотемпературний відпуск дають глибокий загартований шар з високою твердістю та зносостійкістю, зберігаючи міцність серцевини.
Азотування застосовується до легованої сталі, що містить певні елементи, нагрівання в середовищі азотування при низькій температурі з утворенням нітридів високої твердості. Він забезпечує низьку температуру, мінімальну деформацію, високу поверхневу твердість і чудову стійкість до зношування, втоми та корозії, але має неглибокий шар і тривалий цикл обробки.
Карбонітрування просочує як вуглець, так і азот при температурі між науглерожуванням і азотуванням. Він поєднує в собі їх переваги: більш швидку обробку, малу деформацію, а також підвищену зносостійкість і втомну міцність.
Бороване та дифузійне покриття металу утворюють на поверхні надзвичайно міцні шари суміші, що надає матеріалам чудову стійкість до абразивного зносу та захист від задирів.
III. Технології покриття та нанесення поверхонь
Ці технології зміцнюють заготовки шляхом нанесення високоміцного, зносостійкого покриття або покриття, відмінного від підкладки. Основні методи включають фізичне осадження з парової фази (PVD), хімічне осадження з парової фази (CVD), термічне напилення, гальванічне та електрогальване покриття.
PVD випаровує матеріали покриття фізичними засобами у вакуумі, утворюючи тонкі плівки на поверхні. Він працює при низьких температурах, викликаючи мінімальну деформацію, має високу твердість покриття, правильний зовнішній вигляд і хороше зчеплення з основою.
CVD утворює тверді плівки за допомогою газофазних реакцій при високих температурах. Утворює щільні однорідні покриття з міцною адгезією до основи, що підходить для заготовок складної форми, але високі температури можуть спричинити деформацію та розм’якшення серцевини.
Термічне розпилення розпилює розплавлені або напіврозплавлені матеріали на поверхню за допомогою високошвидкісного повітряного потоку. Він підтримує широкий спектр матеріалів і товстих покриттів, але має нижчу міцність з’єднання, ніж PVD і CVD, і потенційну пористість.
Для гальванічного покриття використовується електроліз, тоді як для безгальванічного нанесення ґрунтується на хімічних реакціях для нанесення металевих або сплавних покриттів. Тверде хромування забезпечує чудову стійкість до зношування, а безгальванове нікельування має рівномірну товщину з твердістю, що піддається термообробці.
IV. Технологія поверхневого деформаційного зміцнення
У цьому методі використовуються механічні засоби для індукції пластичної деформації на поверхні заготовки, утворення шару зміцненого робочого шару та залишкової напруги стиску для підвищення втомної міцності та стійкості до корозії під напругою. Ключові процеси включають дробеструйну обробку та зміцнення прокаткою або екструзією.
Дробеструйне розпилення розпилює високошвидкісні снаряди на поверхню деталі, викликаючи пластичну деформацію та залишкову напругу стиску. Він значно покращує міцність на втому завдяки простому експлуатації та низькій вартості, насолоджуючись широким застосуванням.
Зміцнення прокаткою або екструзією застосовує тиск за допомогою твердих роликів або кульок до поверхні деталі, викликаючи пластичну деформацію та напругу стиску. Це не тільки підвищує міцність на втому, але й зменшує шорсткість поверхні, що підходить для зміцнення окремих ділянок.
Розуміння цих основних технологій дозволяє цілеспрямовано вибрати оптимальне рішення для зміцнення поверхні для конкретних вимог застосування.
