Термическая и термохимическая обработка металлических материалов

Отжиг – вид термообработки, устраняющий химическую и физическую неоднородности, полученные в результате предшествующей обработки. При отжиге металл нагревают до определенной температуры, затем длительно выдерживают при ней и медленно охлаждают с целью получения однородных структур. Отжиг бывает низкотемпературным и высокотемпературным. В первом случае температура нагрева не превышает температуру фазовых превращений, а во втором – выше этой температуры.

Отжиг применяется с целью снятия внутренних напряжений, возникших в результате сварки, после литья, обработки металлов давлением и т.д. в результате такой термообработки увеличивается пластичность и снижается твердость. Такая операция является необходимой для выполнения последующей операции механообработки.

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 до нужной температуры обеспечивается за счет индукционных токов нужной частоты. Изменение магнитного поля вызывает появление на поверхности детали индукционного тока, прохождение которого по поверхности способствует тепловыделению. Это, в конечном итоге, приводит к нагреву поверхностных слоев.

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.

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.

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.

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.

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