Термическая и термохимическая обработка металлических материалов

Для повышения механических свойств металлов (прочности, износостойкости, исправления структуры) их подвергают термической (совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения) или химико-термической обработке (процесс диффузии в поверхностный слой материала углерода, азота, кремния и др. элементов за счет воздействия среды на нагретую заготовку). Возможно также механическое упрочнение поверхностных слоев деталей. К основным видам термической обработки относятся: отжиг, нормализация, закалка, отпуск и улучшение.

Отжиг – вид термообработки, устраняющий химическую и физическую неоднородности, полученные в результате предшествующей обработки. Отжиг бывает низкотемпературным и высокотемпературным. В первом случае температура нагрева не превышает температуру фазовых превращений, а во втором – выше этой температуры. Отжиг дает возможность уменьшить в заготовках внутренние напряжения и тем самым улучшить их структуру перед последующей механической обработкой. Отжиг достигается их нагревом (для углеродистых и легированных сталей до температуры 800... 900 °С) и медленным охлаждением вместе с печью или на воздухе.

В результате такой термообработки увеличивается пластичность и снижается твердость. Такая операция является необходимой для выполнения последующей операции механообработки.

Нормализация отличается от отжига технологией охлаждения заготовок и обеспечивает несколько большую твердость и прочность материала.

Закалка представляет собой процесс нагрева стали до температуры выше температуры фазовых изменений, выдержке при этой температуре и последующего охлаждения с большой скоростью. При этом материал упрочняется, но остается хрупким. Закалка не является окончательной операцией термообработки. Чтобы уменьшить хрупкость, снять остаточные напряжения и получить требуемые механические свойства, закаленные детали подвергают отпуску.

Закалка может быть выполнена по всему объему или по поверхности. Поверхностная закалка повышает твердость материала, его износостойкость и т.д. При таком виде закалки основная объемная часть материала остается пластичной, что благоприятным образом сказывается на конструкции в целом. По этой причине такой вид термообработки часто используется на практике. Нагрев поверхности детали производят с большой скоростью токами высокой частоты (ТВЧ), электронным лучом, газовой горелкой. При этом сердцевина детали не прогревается до температуры закаливания стали. Повышается твердость и прочность только поверхностных слоев, а сердцевина стали остается вязкой, что предохраняет деталь от поломок, уменьшает коробление. Так закаливают валы, кулачки, зубья крупномодульных колес из сталей 40, 45, 50, 40Х, 40ХН и др.

Малоуглеродистые стали с содержанием углерода до 0,25 % закалке не подлежат. Для повышения их механических свойств проводят химико-термическую обработку поверхностных слоев деталей на глубину 0,2...2 мм, что обеспечивает после закалки их высокую контактную прочность при сохранении вязкой сердцевины.

Отпуск заключается в нагреве металла до температуры ниже критической, выдержке при этой температуре и охлаждения с определенной скоростью. Отпуск бывает: низкотемпературным, когда температура нагрева T⁰C≤250, среднетемпературным с 350≤T⁰C≤500 и высокотемпературным 500≤T⁰C≤680.

Термообработка, состоящая из закалки и высокого отпуска, называется улучшением. Улучшение состоит из закалки и высокотемпературного (нагрев до 500... 670°С) отпуска. Его используют для повышения прочности деталей машин при сохранении или повышении вязкости материала. Улучшение обеспечивает большую твердость стали, чем нормализация. Например, нормализованная сталь 45 имеет твердость 170... 217 НВ, улучшенная - 269... 302 НВ.

Кроме термической, металлы могут подвергаться термохимической обработке (поверхностному легированию), т.е. термическому и химическому воздействию на поверхностный слой. Наиболее распространенным видом такой обработки является цементация, при которой поверхностный слой насыщается углеродом и азотом. При таком варианте термообработки цементируемый слой может наноситься только на отдельные участки детали. На цементацию поступают детали после механообработки, так как после нее допускается только операция шлифования. Для цементации чаще всего используют низкоуглеродистые легированные стали. В результате на их поверхности образуется диффузионный слой, химический состав которого сильно зависит от глубины. Это можно объяснить тем, что проникновение диффундирующего элемента в глубинные слои оказывается затрудненным. Цементируют детали из низкоуглеродистых сталей марок 15, 20, 20Х, 12ХНЗА и других

Нитроцементация – процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя углеродом и азотом, протекающий при температуре T =840…860 ⁰C.

Азотирование – термохимическая обработка, при которой поверхностный слой насыщается азотом. Азотирование сильно повышает твердость поверхности, ее износостойкость, предел выносливости и стойкость к коррозии, причем твердость сохраняется до температуры 500 ⁰С. Азотируют детали - из сталей марок 38Х2МЮА, 38Х20 и др.

Цианирование – термохимическая обработка, при которой поверхностный слой одновременно насыщается углеродом и азотом.

Борирование – термохимическая обработка, при которой поверхностный слой насыщается бором. Глубина насыщения 0,2 – 1 мм.

Механическое упрочнение поверхностных слоев деталей методами пластического деформирования (наклепом) производят накаткой роликами или шариками, чеканкой, дробеструйным способом и др. При этом повышается предел выносливости сталей. Так упрочняют детали, работающие в ответственных узлах (гребные винты, канаты, валы, рессоры и др.).

В последние годы широкое распространение получает обработка поверхностей деталей концентрированными потоками энергии (лазерная, плазменная), которые существенно повышают прочность и износостойкость поверхностных слоев деталей.