4.3. Термомеханическая обработка стали

Термомеханическая обработка (ТМО) стали заключается в сочетании пластической деформации в аустенитном состоянии с закалкой.

Пластическое деформи­рование при ТМО возможно прокаткой, ковкой, штамповкой и другими способами обработки металлов давлением.

Различают два способа тер­момеханической обработки - высокотемпературную (ВТМО) и низкотемпературную (НТМО) (рис. 4.12).

Рис. 4.12. Схема термомеханической обработки стали:

а — высокотемпературная, б низкотемпературная

При ВТМО сталь нагревают выше точки Асз, пластически деформируют при этой температуре (степень деформации 20 – 30 %) и закаливают.

При НТМО сталь нагревают выше точки Асз, охлаждают до температуры относительной устой­чивости аустенита, но ниже температуры рекристаллизации, пластически деформируют при этой температуре (степень деформации 75 – 95 %) и закаливают.

В обоих случаях после закалки сле­дует низкий отпуск. ВТМО можно подвергать любые стали, а НТМО - только стали с повы­шенной устойчивостью переохлажденного аусте­нита (легированные стали).

По сравнению с обычной закалкой после ТМО механические свойства получаются более высокими. Наибольшее упрочнение достигается после НТМО (σ_в = 2800 -3300 МПа, δ = 6 %), по­сле обычной закалки и низкого отпуска предел прочности σ_в не превышает 2000 -2200 МПа и δ = 3 – 4 %.

При термомеханической обработке стали по­вышение прочности объясняется тем, что в ре­зультате деформации аустенита происходит дробление его зерен. При последующей закалке из такого аустенита образуются более мелкие пластинки мартенсита, что положительно сказы­вается на пластических свойствах и вязкости стали.

Механические свойства после разных видов ТМО для машиностроительных сталей в среднем имеют следующие характеристики, табл. 4.2.

Таблица 4.2. Сравнительные данные для различных видов ТМО

Вид	σв , МПа	σт. МПа	σ, %	Ψ, %
НТМО	2400 -2900	2000-2400	5 - 8	15 -30
ВТМО	2100-2700	1900-2200	7-9	25 – 40
ТО	1400	1100	2	3 (сталь 40 после обычной закалки)

4.4. Химико-термическая обработка

Химико–термическая обработка - процесс химического и термического воздействия на поверхностный слой стали с целью изменения состава, структуры и свойств. Химико-термическая обработка повышает твердость поверхности стали, ее износостойкость, коррозионную стойкость, кислотоустойчивость и другие свойства. Химико - термическая обработка нашла широкое применение в машиностроении, так как является од­ним из наиболее эффективных методов упрочне­ния стальных деталей для повышения их долго­вечности.

Химико-термической обработке можно под­вергать различные по размерам и форме детали и получать обработанный слой одинаковой толщины. При химико-термической обработке за счет изменения химического состава, поверхност­ного слоя достигается большое различие свойств поверхности и сердцевины детали. Недостатком процессов химико-термической обработки явля­ется их малая производительность.

Основные условия проведения химико - термической обработки:

1. Металл, подвергающийся насыщению (основной металл), должен быть помещен в среду, в которой образуются активные атомы диффундирующего вещества.

2. Атомы диффундирующего вещества должны растворяться в основном металле, т. е. компоненты должны образовывать твердые растворы.

Так, например, если атомы основного металла и диффундирующего вещества образуют диаграмму состояния I типа (рис.13, а), в этом случае химико - термическая обработка невозможна.

Химико - термическая обработка возможна, если компоненты образуют твердые растворы. На рис. 4.13, б, в, г, д приведены диаграммы состояния сплавов, для которых возможна химико -термическая обработка.

Рис. 4.13. Связь диаграмм состояния с возможностью химико – термической обработки: химико - термическая обработка невозможна (а); химико - темическая обработка возможна (б), (в), (г), (д)

3. Температура должна быть достаточно высокая, обеспечивающая подвижность атомов для необходимых диффузионных перемещений.

Любой процесс химико-термической обработки состоит из 3 элементарных процессов:

1) образования во внешней среде активных атомов диффундирующего вещества, например распада (диссоциации) аммиака с выделением активного(атомарного) азота по реакции

2 NH₃ → 2 N _ат + З Н ₂,

диссоциации окиси углерода с выделением атомарного углерода

2 СО → С0 ₂ + С_ат ,

диссоциации метана с выделением атомарного углерода

СН₄ = С + 2Н₂

Скорость диссоциации зависит от газовой среды;

2) абсорбции, т.е. поглощения поверхностью основного металла свободных атомов диффундирующего вещества;

3) диффузии, т. е. перемещения этих атомов внутрь основного металла.

Скорость диффузии зависит от температуры.

Оптимальными условиями химико - термической обработки являются такие, когда скорость диссоциации равна скорости диффузии.

Наиболее распространенными видами хими­ко-термической обработки является цементация (насыщение поверхностного слоя углеродом), цианирование (углеродом и азотом), борирование (бором), алитирование (алюминием) и др.