Металловедение

181

Для получения небольшой толщины слоя (0,15-0,35 мм) цианирование ведут при температуре 820-860° С с выдержкой 30-90 мин в цианистых ваннах,

содержащих 20-25% NaCN, 25-50% NaCl и 25-50° Na2CO3 (рабочий состав ван-

ны). При нагреве ванны с цианистым натрием в ней происходят следующие ре-

акции

2NaCN + O2=2NaCNO; 2NaCNO + O2=Na2CO3 + CO + 2N (атомарный); 2СО=СO2 + С (атомарный)

Образующиеся атомарный азот и углерод диффундируют в сталь. Циани-

рованный слой содержит 0,6-0,7% С и 0,8-1,2% N. После цианирования детали закаливают непосредственно из цианистой ванны и затем подвергают низкому отпуску (180-200° С). Твердость цианированного слоя после термической обра-

ботки HRC58-62.

Для получения слоя толщиной от 0,5 до 2,0 мм цианирование ведут при температуре 930-960° С с выдержкой от 1,5 до 6 ч в цианистой ванне, содержа-

щей 8% NaCN, 10% NaCl, 82% ВаС12 (рабочий состав ванны). При нагреве в ванне происходят следующие реакции 2NaCN + ВаС12 =2NaCl + Ba(CN)2; Ba(CN)2 =BaCN2 + С (атомарный); BaCN2 + O2= BaO + СО + 2N (атомарный).

Образующиеся атомарный углерод и азот диффундируют в сталь. Цианирован-

ный слой содержит 0,8-1,2% С и 0,2-0,3% N. При высокой температуре циани-

рования (930-960° С) происходит рост зерна аустенита. Поэтому детали после цианирования непосредственной закалке не подвергают, а охлаждают на возду-

хе, а затем проводят закалку и низкий отпуск.

Недостатком цианирования является сильная ядовитость цианистых со-

лей. Поэтому цианистые ванны устанавливают в отдельном помещении, с вен-

тиляцией у каждой ванны. При работе па цианистых ваннах требуется большая осторожность и тщательное соблюдение правил техники безопасности. Нитро-

цементация. При нитроцементации детали нагревают в газовой смеси, состоя-

щей из науглероживающего газа и аммиака.

182

Таким образом, при нитроцементации совмещают процессы газовой це-

ментации и азотирования. Обычно используют эндогаз, к которому добавляют

4-13% природного газа и 3-8% аммиака. Кроме того, применяют специальный жидкий карбюризатор - триэтаноламин (C2H5O)3N, вводимый в виде капель в рабочее пространство шахтной печи.

Температура нитроцементации 850-870° С, время выдержки 2-10 ч с по-

лучением слоя толщиной 0,2-1 мм. После нитроцементации детали закаливают и затем подвергают низкому отпуску. Твердость цианированного слоя после термической обработки HRC60-62.

Нитроцементация деталей имеет следующие преимущества: по сравне-

нию с газовой цементацией - более низкая температура процесса (850-870° С

вместо 900-950° С), меньшая его продолжительность, большая износостойкость деталей, меньше коробление деталей; по сравнению с цианированием - без-

вредность процесса, возможность регулирования насыщения слоя азотом и уг-

леродом путем изменения количества подачи в печь аммиака и науглерожи-

вающего газа.

Процесс нитроцементации, наряду с газовой цементацией, является ос-

новным методом химико-термической обработки. Нитро-цементация применя-

ется для обработки широкой номенклатуры деталей и постепенно этот процесс вытесняет не только цианирование, но и газовую цементацию.

§ 5. Борирование

Борированием называют процесс химико-термической обработки, пред-

ставляющий собой диффузионное насыщение поверхностного слоя стали бором при нагреве в соответствующей среде. Целью борирования является получение высокой твердости, сопротивления абразивному износу, коррозионной стойко-

сти, теплостойкости и жаростойкости поверхности стальных деталей.

Из способов борирования практически применяются жидкостное элек-

тролизное и газовое. При жидкостном электролизном бориро-вании в тигель с

183

расплавленной бурой (температура 9500 С) помещают графитовый стержень

(анод) и обрабатываемую деталь (катод). Бура разлагается и образующийся атомарный бор диффундирует в поверхность обрабатываемой детали. Газовое борирование осуществляют в газовой смеси, состоящей из диборана В2Н6 и во-

дорода при температуре 850-900° С.

Борированные слои имеют очень высокую твердость - до HV2000 вслед-

ствие образования на поверхности боридов железа.

Борированная сталь теплостойка до температуры 900° С, а жаростойка -

до 800° С. Недостатком борированных слоев является их высокая хрупкость.

Борированию можно подвергать любые стали.

§ 6. Диффузионное насыщение металлами

Диффузионное насыщение металлами, или диффузионную метал-

лизацию, проводят с целью упрочнения или придания особых физико-

химических свойств поверхностному слою детали. Наиболее распространен-

ными способами являются алитирование, хромирование, силицирование.

Алитирование. Алитированием называют процесс химико-термической обработки - диффузионное насыщение поверхностного слоя стали алюминием

при нагреве в соответствующей среде.

Целью алитирования является получение высокой жаростойкости по-

верхности стальных деталей. Алитированные детали устойчивы при нагреве до температуры 900° С. При алитировании алюминий диффундирует в сталь и об-

разует твердый раствор с железом. Поверхность алитированной стали окисля-

ется с образованием плотной пленки окиси алюминия, которая и предохраняет от окисления при высоких температурах основной металл. Алитирование

обычно проводят в твердых и жидких средах.

При алитировании в твердой среде детали помещают в стальной ящик со смесью, состоящей из 49% порошка алюминия или ферроалюминия, 49% гли-

нозема (окиси алюминия) и 2% хлористого аммония

184

NH4C1. При нагреве до температуры 950-1050° С в ящике, в связи с взаимодей-

ствием алюминия и хлористого аммония, образуется хлористый алюминий А1С13, разлагающийся с образованием атомарного алюминия, который и диф-

фундирует в сталь. После выдержки при 950° С в течение 3-12 ч толщина слоя,

насыщенного алюминием, получается равной 0,3-0,5 мм.

При жидкостном алитировании детали нагревают при температуре 750-

800° С в ванне с расплавленным алюминием, содержащим 6-8% Fe, которое до-

бавляется в ванну с целью предохранения деталей от растворения в расплав-

ленном алюминии. После выдержки в течение 45-90 мин получается слой тол-

щиной 0,20-0,35 мм.

Хромирование. Хромированием называют процесс химико-термической обработки - диффузионное насыщение поверхностного слоя стали хромом при нагреве в соответствующей среде. Целью хромирования является получение высокой твердости, износостойкости, жаростойкости и коррозионной стойко-

сти поверхности стальных деталей.

Хромирование проводят в твердой, газовой и жидкой средах. Сущность происходящих процессов аналогична алитированию. Разница заключается только в том, что при хромировании в твердой среде источником насыщения хромом служит хром или феррохром, образующий хлорид хрома СrС12. Газовое хромирование проводят в ретортах в газовой среде при разложении паров хло-

рида хрома. Жидкостное хромирование проводят путем нагрева деталей в ван-

не, состоящей из солей ВаС12 и NaCl, в которую добавляют 10-15% хлорида хрома. Температура хромирования 900-1100° С, выдержка 5-20 ч. Получаемая толщина слоя 0,1-0,3 мм. Твердость хромированного слоя низкоуглеродистой стали - HV200-250, а средне-и высокоуглеродистой - НV1200-1300.

Силицирование. Силицированием называют процесс химико-термической обработки - диффузионное насыщение поверхностного слоя стали кремнием при нагреве в соответствующей среде. Целью силицирования является получе-

185

ние коррозионной стойкости и жаростойкости поверхности стальных деталей.

Силицирование проводят обычно в газовой среде, в ретортах, при разложении паров хлорида кремния SiCl4. Газовое силицирование проводят при тем-

пературе 950-1050° С с выдержкой 2-5 ч с получением слоя толщиной 0,6-1,4

мм. Твердость силицированного слоя HV200-300, жаростойкость до 800-850° С.

Силицированные детали устойчивы в азотной, серной и соляной кислотах.

186

Глава X

МЕТОДЫ ВЫЯВЛЕНИЯ ДЕФЕКТОВ БЕЗ РАЗРУШЕНИЯ

ДЕТАЛЕЙ

§ 1. Магнитный метод

Для контроля стальных деталей с целью выявления дефектов без разрушения детали широко применяется магнитный метод (магнитная дефектоскопия). Этим методом выявляются мелкие трещины,

раковины, волосовины и другие дефекты, расположенные на поверхности или близко около поверхности. Сущность магнитного метода заключается в следующем. Деталь намагничивают в специаль-

ном приборе - магнитном дефектоскопе. При на-

личии в детали дефекта возникающий при намаг-

ничивании магнитный поток рассеивается в месте расположения дефекта и выходит на поверхность

(рис. 118). Затем намагниченную деталь по-

крывают магнитным порошком окиси железа (су-

хой метод) или поливают жидкостью (суспен-

зией), состоящей из порошка окиси железа и керосина, или деталь погружают в суспензию (мокрый метод). Порошок окиси железа притягивается вышедшим на поверхность магнитным потоком, т. е. в тех местах, где имеется дефект; в

результате невидимый дефект становится хорошо заметным.

§ 2. Рентгеновский метод

Рентгеновский метод выявления дефектов, называемый рентгеновской дефектоскопией, основан на способности рентгеновских лучей проникать через любое тело и в различной степени поглощаться при прохождении через металл различной плотности.

187

Если на пути рентгеновских лучей поместить деталь с дефектом (трещиной, раковиной и т. п.), то рентгеновские лучи в большей степени будут погло-

щаться (ослабляться) основным металлом и в меньшей степени - при прохождении через дефект (рис. 119). В

ные места. Темные места на пленке в виде точек, ли-

ний или пятен характеризуют наличие в детали дефек-

тов.

Рентгеновская дефектоскопия имеет большое значение и применяется в заводской практике для контроля (выявления дефектов) литых, кованых и штампованных деталей, а также сварных соединений без их разрушения.

§ 3. Люминесцентный метод

Люминесценцией называют холодное свечение вещества, вызываемое различными причинами: его освещением, прохождением в нем электрического тока (в газах и парах), химическими процессами.

Если вещество светится при освещении его светом и прекращает светить-

ся после прекращения освещения, то такое явление свечения называется флюо-

ресценцией. При этом обычно цвет лучей, которые вызывают свечение, отлича-

ется от цвета лучей, которые испускает вещество. Например, керосин при ос-

вещении его солнечными лучами испускает слабый голубоватый свет.

На свойстве некоторых органических соединений флюоресцировать, т. е.

светиться под действием ультрафиолетовых лучей, и основан люминесцентный метод выявления дефектов.

Этим методом контроля можно выявить только открытые поверхностные дефекты, например микротрещины и др. Практически контроль люминесцент-

ным методом осуществляют следующим образом.

188

Деталь, подлежащую контролю, тщательно очищают и погружают в ван-

ну, содержащую флюоресцирующий раствор (смесь трансформаторного масла,

керосина и специального зелено-золотистого порошка), и выдерживают в нем

10-15 мин. При погружении в ванну раствор не только покрывает поверхность, но и про-

никает в микротрещины.

Затем флюоресцирующий раствор смы-

вают с поверхности детали водой, поверх-

ность сушат на воздухе, облучают ультрафио-

летовым светом и осматривают ее. При нали-

чии поверхностных микротрещин проникший в них флюоресцирующий

раствор под действием ультрафиолетовых лу-

чей светится зеленоватым светом и тем самым позволяет их выявить.

Общая схема люминесцентного метода обнаружения дефектов приведена на рис. 120.

§ 4. Ультразвуковой метод

Дефект в изделии можно обнаружить при помощи звука. Например, по-

стукивая молотком по бандажу вагонного колеса, по звуку определяют, есть ли в нем дефект или нет.

Но по звуку, слышимому человеком, можно обнаружить только дефекты больших размеров. Это объясняется тем, что человеческое ухо улавливает зву-

ки, создаваемые телами, которые колеблются с частотой от 16 до 20 000 коле-

баний в секунду. Если тело колеблется с частотой выше 20 000 колебаний в се-

кунду, то звук от такого колебания человеческое ухо не улавливает. Такие не-

слышимые звуки называются ультразвуками.

189

При помощи ультразвуков можно обнаружить очень мелкие дефекты де-

тали, расположенные очень глубоко. Это объясняется тем, что частота ультра-

звуков очень большая и равна сотням тысяч или даже миллионам колебаний в секунду; чем больше частота, тем меньше длина звуковой волны, тем меньший дефект она может обнаружить.

Отражением звуковых волн является эхо. Но эхо возникает только в том случае, если на пути звуковых волн встречается такое крупное препятствие, как лес, горы и т. п. В других случаях, например в поле, эхо не слышится, так как в данном случае длина звуковых волн больше, чем размер встречающихся на их пути препятствий, звуковые волны их огибают, не отражаясь.

Ультразвуковой метод выявления дефектов основан на отражении звуко-

вых волн от дефекта, расположенного внутри металла.

Ультразвуковой прибор для обнаружения дефектов в деталях работает следующим образом (рис. 121). Для получения очень высокой частоты ультра-

звуковых колебаний (порядка несколь-

ких миллионов колебаний в секунду)

используется пьезокварцевая пластин-

ка. Если такую пластинку поместить между двумя металлическими пла-

стинками и подключить к ним пере-

менный ток высокой частоты, то под действием переменных электрических зарядов пьезокварцевая пластинка нач-

нет сжиматься и расширяться в такт с электрическими колебаниями. В резуль-

тате колебаний с высокой частотой пьезокварцевой пластинки в воздухе обра-

зуются ультразвуковые волны. Такой пучок ультразвуковых волн, получаемых пьезокварцевой пластинкой, направляется на поверхность исследуемой детали и через всю толщу металла проходит ультразвуковая волна.

190

Если внутри детали имеется дефект (трещина, раковина и т. п.), то нор-

мальное распространение ультразвуковых волн нарушается. Часть волн отра-

жается от дефекта, возвращается к поверхности и появляется ультразвуковое эхо. Остальные волны идут дальше и возвращаются обратно к поверхности по-

сле отражения от донной части детали.

Ультразвуковое эхо улавливается той же пьезокварцевой пластинкой и возбуждает на металлических пластинках, между которыми она находится, пе-

ременные электрические заряды. Эти заряды можно усилить и измерить элек-

трическим измерительным прибором.

Таким образом, пьезокварцевая пластинка является основным элементом в ультразвуковом дефектоскопе. Для определения глубины залегания дефекта в детали ультразвук посылается в деталь не непрерывно, а периодически с пере-

рывами.

По времени между посылкой ультразвука в деталь и возвращением его обратно (эхо) и определяют глубину залегания дефекта в детали. Для измерения этого времени используют электроннолучевую трубку. В тот момент, когда на поверхность детали направляются ультразвуковые волны, на экране трубки по-

является выброс 1 (см. рис. 121), при этом электронный луч двигается слева на-

право, прочеркивая на экране горизонтальную линию. Когда на поверхность детали возвращаются ультразвуковые волны, отраженные от дефекта, па экране появляется выброс 2, располагающийся правее выброса 1. При возвращении ультразвуковых волн, отраженных от донной части детали, с правой стороны экрана появляется выброс 3. Измерением расстояния до выброса 2 определяют глубину залегания дефекта в детали.