Многие детали работают в условиях повышенного износа поверхности. Поэтому есть необходимость эту поверхность как-то защитить. Это достигается методами поверхностного упрочнения.

Упрочнить поверхность – значит повысить свойства поверхности: твердость, износостойкость, коррозионную стойкость. Если надо изменить свойства, то это значит, что должна измениться структура поверхностного слоя. Для изменения структуры можно использовать деформацию, термическую обработку с нагревом различными способами, изменение химического состава поверхности, нанесение защитных слоев.
В основном методы упрочнения поверхностей можно разбить на две основные группы:
1) упрочнение изделия без изменения химического состава поверхности, но с изменением структуры. Упрочнение достигается поверхностной закалкой, поверхностным пластическим деформированием и другими методами.
2) упрочнение изделия с изменением химического состава поверхностного слоя и его структуры. Упрочнение осуществляется различными методами химико-термической обработки и нанесением защитных слоев.

Методы изменения структуры

Из методов упрочнения без изменения химического состава поверхности, но с изменением ее структуры, наиболее распространены способы поверхностной закалки и различные виды поверхностного пластического деформирования (ППД).
В сущности, деформация поверхности – это наиболее простой способ, при котором прочностные характеристики поверхности возрастают. Здесь использован следующий принцип. Если вспомнить кривую деформационного упрочнения, то окажется, что чем больше растягиваем металл, тем больше металл сопротивляется, тем больше сила растяжения Р_max (до определенного предела, конечно). Упрочняется металл и при кручении, и при сжатии. В технологиях ППД поверхностный слой металла деформируют (наклепывают) различными способами.
Основное назначение ППД – повышение усталостной прочности путем наклепа поверхности на глубину 0,2—0,4 мм. Разновидностями ППД являются дробеструйная обработка, обработка роликами, иглофрезерование, накатка рельефа и др.
Дробеструйная обработка - обработка дробью поверхности готовых деталей. Применяется для упрочнения деталей, удаления окалины. Дробеструйной обработке подвергают изделия типа пружин, рессор, звенья цепей, гусениц, гильзы, поршни, зубчатые колеса.
При обработке роликами деформация осуществляется давлением ролика из твердого металла на поверхность обрабатываемого изделия. При усилиях на ролик, превышающих предел текучести обрабатываемого материала, происходит наклеп на нужную глубину.
Обработка роликами улучшает микрогеометрию изделия. Создание остаточных напряжений сжатия повышает предел усталости и долговечность изделия. Обкатка роликами применяется при обработке валов, калибровке труб, прутков. На рис. 1 показан упрочненный поверхностный слой образца стальной оси железнодорожного вагона из стали 45. Микроструктура слоя представляет собой деформированные зерна феррита и перлита. Накатка роликом измельчила структуру, в поверхностном слое отдельные зерна неразличимы (рис.1,а). Там, где деформация была меньше, можно различить структуру, которая имеет направленность, характерную для деформации (рис.1,б). Глубину упрочнения контролируют по изменению микротвердости (рис.2).

а	б

Рисунок 1. Микроструктура поверхностного слоя стали 45 после накатки роликом

Рисунок 2. Изменение микротвердости по глубине поперечного сечения валов различного диаметра.

Иглофрезерование при помощи фрез, на поверхности которых находится от 200 тысяч до 40 миллионов плотно расположенных игл из высокопрочной стальной проволоки диаметром 0,2—0,8 мм, также позволяет проводить упрочнение поверхности деталей. Иглофрезерование применяют для обработки плоских и цилиндрических поверхностей, а также для очистки деталей от окалины. При иглофрезеровании тоже образуется упрочненный поверхностный слой (рис. 3). В данном случае упрочненный слой состоит из деформированных зерен феррита и перлита (рис.3, а). На поверхности, подвергавшейся обработке,  видны следы фрезы (рис.3,б).

а	б

Рисунок 3. Микроструктура упрочненного слоя стали 20ХНР (а), исходное состояние-нормализация; поверхность после иглофрезерования (б).

Сущность  поверхностной закалки состоит в том, что поверхностные слои стальной детали быстро нагревают выше температуры закалки, а затем охлаждают со скоростью выше критической. Основное назначение поверхностной закалки: повышение твердости, износостойкости и предела выносливости поверхности при сохранении вязкой сердцевины. Нагрев, в принципе, может быть осуществлен разными способами. В промышленности самым распространенным способом поверхностного упрочнения является индукционная закалка с нагревом токами высокой частоты. Как правило, упрочненный слой виден уже при макроструктурном анализе (рис. 4). Слева – нетравленный участок образца. Он сильнее отражает свет при съемке, поэтому выглядит темным. Справа – участок после травления. Закаленный слой хорошо виден.

Рисунок 4. Фрагмент автомобильной детали; макроструктура

И при макроструктурном, и при микроструктурном (рис.5,а) анализе видно, что упрочненная зона состоит из 2 слоев: светлый у самой поверхности и далее более темный. Верхний светлый слой имеет структуру мартенсита закалки (рис.5,б). Мартенсит образовался при быстром охлаждении поверхности. Более темный слой – мартенсит отпуска (рис.5,в). Это тот мартенсит, который тоже образовался при ускоренном охлаждении, но дольше находился при повышенной температуре, чего оказалось достаточно для того, чтобы произошел отпуск. В сердцевине детали на разной глубине могут быть сорбит или троостит (рис.5,г).

а	б
в	г

Рисунок 5. Микроструктура слоя (на рис.4), полученного закалкой ТВЧ: а – слои мартенсита закалки и отпуска, б – мартенсит закалки, в- мартенсит отпуска, г – троостит и мартенсит в сердцевине.

Методы изменения структуры и состава

К методам упрочнения с изменением химического состава и структуры поверхности относится химико-термическая обработка (ХТО). Она заключается в насыщении поверхностного слоя стали различными элементами при высокой температуре. В зависимости от насыщающего элемента существуют следующие разновидности химико-термической обработки: цементация, азотирование, нитроцементация (цианирование), борирование, диффузионная металлизация (алитирование, хромирование, силицирование и т.д.). Общим для всех видов поверхностного упрочнения является повышение твердости поверхностного слоя. Выбор метода поверхностного упрочнения детали зависит от условий ее эксплуатации, формы, размеров, марки выбранной стали и других факторов.
Наиболее широко используется цементация – насыщение поверхности стали углеродом. Цементация придает поверхности стали высокую твердость и износостойкость при сохранении вязкой и пластичной сердцевины. Окончательные свойства цементированные изделия приобретают после закалки и низкого отпуска. Цементации обычно подвергаются детали, изготовленные из сталей с содержанием углерода до 0,25%, работающие в условиях контактного износа и приложения знакопеременных нагрузок: среднеразмерные зубчатые колеса, втулки, поршневые пальцы, кулачки, валы коробок передач автомобилей, отдельные детали рулевого управления и т.д.
Цементированный слой имеет переменную концентрацию углерода по толщине, уменьшающуюся от поверхности к сердцевине стальной детали. Поэтому структура, которая формируется при цементации в поверхностном слое, будет иметь разное соотношение перлита, феррита и цементита. Различают четыре основные зоны стального изделия после цементации (рис.6 ):

Рис. 6. Микроструктура углеродистой доэвтектоидной стали 10 после цементации.

1 – заэвтектоидная зона, состоящая из перлита и цементитной сетки (рис.7а);
2 – эвтектоидная зона, представляющая собой перлит (рис.7б);
3 –доэвтектоидная зона, в которой по мере приближения к сердцевине уменьшается количество углерода, перлита, а количество феррита возрастает (рис.7в);
4 – исходная, без изменения после цементации, структура стального изделия .
За глубину цементированного слоя "h" принимают сумму заэвтектоидной, эвтектоидной и половину доэвтектоидной зоны, где количество феррита и перлита составляет по 50%.

а	б	в

 Рисунок 7. Структура зон цементованной детали: а – заэвтектоидная зона (цементит + перлит), б – зона эвтектоида (перлит), в – доэвтектоидная зона (перлит + феррит).

Рисунок 8. Изменение твердости в поверхностном слое после цементации и термической обработки

Азотирование представляет собой процесс насыщения поверхностного слоя стали азотом и чаще всего проводится при температурах 500—600 ^оС. Азотирование, так же как и цементация, повышает твердость и износостойкость поверхности стали. На рис.9 показана серия отпечатков при измерении микротвердости на поперечном шлифе азотированного образца. Вверху – упрочненный слой (темная полоса). Диаметр отпечатков снижается по мере приближения к поверхности. Там твердость выше.

Рисунок 9. «Дорожка» отпечатков микротвердости; стальная деталь после азотирования

Азотированный слой как правило, имеет белый цвет. Сам слой при металлографическом травлении не изменяется, а под ним сталь имеет структуру, соответствующую термической обработке (рис.10). На рис.11 показана автомобильная деталь и изменение микротвердости по разным "зубьям". 

Рисунок 10. Азотированный слой на стали 40ХГНМ

а	б

Рисунок 11. Автомобильная деталь (а) и изменение микротвердости (б) ее поверхностного слоя после азотирования

В настоящее время широко применяется плазменное и ионно-плазменное азотирование. Структура поверхностного слоя после такой обработки представляет собой мелкодисперсный мартенсит (1), под которым находится переходная зона (2); глубже располагается не изменившаяся структура (3) (рис. 12).

Рисунок 12. Структура поверхностного слоя после обработки плазмой азота; сталь У8А

Борирование — процесс химико-термической обработки, диффузионного насыщения поверхности металлов и сплавов бором при нагреве. Борирование приводит к существенному повышению твердости поверхности. Борирование проводят в порошковых смесях, электролизом. Есть также жидкостное безэлектролизное борирование, ионное борирование и борирование из обмазок (паст). Борирование чаще всего проводят при электролизе расплавленной буры (Na₂B₄O₇). Изделие служит катодом. Температура насыщения 930—950 °C, выдержка 2 — 6 часов.
На поверхности образца после борирования формируется плотный белый слой боридов (рис.13). Белый слой состоит из переплетающихся столбчатых кристаллов состава FeB и Fe₂B. На строение боридного слоя влияет состав стали. В стали 25ХГТ (рис. 13, а) и в стали 45 (рис. 13, б) между кристаллами боридов есть зона твердого раствора. В стали 40Х (рис. 13, в) слой составляют только протяженные иглы боридов. Между борированным слоем и сердцевиной формируется зигзагообразная граница раздела.

а	б	в

Рисунок 13. Структура борированных слоев в сталях 25ХГТ (а), 45 (б), 40Х (в)