39(28). Термомеханическая обработка и ее разновидности

Термомеханическая обработка (ТМО) заключается в сочетании пластической деформации при повышенной температуре с последующим быстрым охлаждением – закалкой и низким отпуском при температуре 100…300 ^оС. Упрочнение гораздо большее, чем при обычной ТО происходит в результате суммирования влияния пластической деформации и полиморфного превращения при закалке. Повышенное упрочнение достигается за счет увеличения плотности дислокаций, их более равномерного распределения и измельчения зерен за счет образованием блочной структуры^.

Различают два основных способа ТМО:

• низкотемпературную ТМО (НТМО),

• высокотемпературную ТМО (ВТМО).

При НТМО сталь деформирует в температурной зоне существования переохлажденного аустенита при температуре 400…600 ^оС, со степенью деформации 75…95 %; после этого немедленно производится закалка и низкий отпуск. НТМО создает наиболее плотную (до 10¹³ см^–2) дислокационную структуру.

При ВТМО сталь деформирует при температуре выше линии А₃ со степенью деформации 20…50 %; затем немедленно следует закалка и низкий отпуск.

На практике чаще применяют ВТМО, которая по сравнению с НТМО более технологична (можно осуществлять на обычных прокатных станах и прессах) и дает более высокие значения вязкости разрушения К_1с (трещиностойкости), работы распространения трещины КСТ и сопротивления усталости σ_R при пониженной критической температуре хрупкости и меньшей чувствительности к концентраторам напряжений.

Сравнительные данные по механическим свойствам

Вид обработки	σв, МПа	σт, МПа	, %	, %
НТМО	2400 – 2900	2000 – 2400	5 – 8	15 – 30
ВТМО	2100 – 2700	1900 – 2200	7 – 9	25 – 40
ТО (закалка + высокий отпуск)	1400	1100	2	3

ТМО резко повышает как прочностные, так и пластические свойства по сравнению с традиционной ТО, что позволяет значительно уменьшить массу машин и механизмов (однако, детали, подвергнутые ТМО, нельзя сваривать, так как нагрев при сварке приводит к разупрочнению стали).

Разновидностью ТМО является механотермическая обработка (МТО), которая производится путем закалки на мартенсит и последующей пластической деформацией. Частным случаем МТО является патентирование, широко используемое при производстве высокопрочных стальных лент и проволоки, в том числе канатной.

При патентировании сначала путем специального отжига с повышенной скоростью охлаждения получают структуру троостита, а затем проводят интенсивную холодную пластическую деформацию. Именно таким образом получают сверхпрочную проволоку диаметром порядка 0,1 мм, имеющую предел прочности до 5000 МПа – это ~ ¹/₃ теоретической прочности стали. Такую проволоку используют при изготовлении сверхпрочных канатов, а также в качестве корда для автотракторных покрышек.

40(29). Химико-термическая обработка, ее разновидности и применение

Химико-термической обработкой (ХТО) называется процесс насыщения поверхности деталей металлами и неметаллами для придания требуемых свойств, проводимый при повышенной температуре для ускорения диффузии.

Различают следующие основные виды ХТО:

1. Цементация состоит в насыщении поверхности детали углеродом до содержания 1,1…1,2 %. Процесс проводят в газообразном или твердом карбюризаторе. Цементации подвергаются низкоуглеродистые (в том числе, низколегированные) стали, содержащие не более 0,2 % углерода. После цементации производится сложная ТО, завершающаяся закалкой и низким отпуском. Цементация позволяет получить твердую, прочную, износостойкую поверхность и вязкую, пластическую сердцевину, что хорошо сказывается на эксплуатации ответственных деталей, работающих при знакопеременных и ударных нагрузках (валы, шестерни, кулачки и т. п.).

2. Азотирование состоит в насыщении поверхности азотом при нагреве в аммиачной среде. Азотирование очень сильно повышает износостойкость, предел выносливости и сопротивление коррозии в водной и воздушной среде; не требует последующей ТО и дает большую твердость поверхности, чем цементация (причем эта твердость сохраняется вплоть до 600 ^оС, а не до 200 ^оС как при цементации). Азотированию подвергают шестерни, многие детали станков, цилиндры мощных двигателей и др. детали от мелких до особо крупных.

3. Цианирование и нитроцементация – это совместное насыщение стали углеродом и азотом. Цианирование проводят в расплавах солей на основе цианистого натрия (NaCN) при 820…960 ^оС, а нитроцементацию – в газовой смеси, содержащей науглероживающий газ и аммиак, при 850…870 ^оС. В результате повышаются поверхностная прочность, твердость и выносливость. Процесс применяется при изготовлении ответственных мелких деталей (шестерен, пальцев, гаек и т. п.).

4. Алитирование состоит в насыщении поверхности алюминием. Проводится при температуре 900…1050 ^оС в течение 3…12 часов в порошкообразных смесях, содержащих алюминий. В результате на поверхности стали образуется пленка Al₂O₃, обладающая высокой окалиностойкостью до 900 ^оС. Используется для защиты деталей разливочных ковшей, клапанов и др. деталей ДВС (двигателей внутреннего сгорания).

5. Хромирование позволяет повысить твердость, износостойкость и окалиностойкость (до 800 ^оС) стальных деталей. Хромирование ведут в порошкообразных смесях при температуре 1000…1050 ^оС в течение нескольких часов. Применяется при обработке деталей паросилового оборудования, клапанов ДВС, а также деталей, работающих в агрессивных средах. Позволяет частично отказаться от применения дорогостоящих высокохромистых сталей.

6. Силицирование производится в порошкообразных или газовых средах, содержащих кремний, при температуре 950…1000 ^оС для повышения коррозийнной стойкости стали в морской воде, азотной, серной и соляной кислотах, а также увеличения износостойкости (последнее связано с тем, что силицированный слой, несмотря на низкую твердость, отличается повышенной пористостью и хорошо удерживает смазочное масло). Силицированию подвергают детали оборудования, применяемого в химической, бумажной и нефтяной промышленности (валики насосов, трубопроводы, арматуру и т. п.).

7. Борирование и титанирование позволяет получить наибольшую твердость поверхностного слоя (до 2000 и 2700 HV, соответственно), благодаря образованию сверхтвердых карбидов бора или титана. Борирированию подвергают рабочие поверхности штампов для горячей штамповки; втулки нефтянных грязевых насосов и наконечники пескоструйных аппаратов для повышения устойчивости против абразивного износа. Титанирование применяют для лопастей гребных винтов, поршней судовых двигателей, фильер для протяжки проволоки и т. п.