На этой стадии актуальна задача формирования комплекса свойств, характеризующих прочность и надежность изделия в соответствии с техническими требованиями.
Возможности увеличения прочности и твердости конструкционных сталей за счет термической и химико-термической обработки оценивают величиной 200…300 % от значения параметров материала в «сыром» состоянии. Задача может рассматриваться для изделия в целом (объемная обработка) или его поверхностного слоя (при необходимости, для отдельных участков поверхности).
Решение, в большинстве случаев, обеспечивается маршрутом, представленным на рис. 5.1.
Рис. 5.1. Схема применения ТО и ХТО
Наиболее часто применяют следующие методы термической обработки.
Закалка – подразумевает нагрев стали до температуры 30…50 °С с последующим быстрым охлаждением (со скоростью больше критической). В результате получают структуру, обладающую высокой твердостью, хрупкостью и пониженной вязкостью. После закалки, для получения необходимого комплекса механических свойств, всегда проводят операцию отпуска.
Отпуск – предполагает нагрев закаленной стали с выдержкой и последующим охлаждением, как правило, на воздухе.
Отпуск решает следующие задачи:
– снятие внутренних напряжений, возникших при закалке;
– получение структуры с необходимым комплексом свойств.
Для конструкционных сталей, в большинстве случаев, проводят высокий отпуск с нагревом до температуры 550...650 °С. Закалка с высоким отпуском (термическое улучшение) позволяет получить хорошие показатели прочности и надежности для среднеуглеродистых сталей, но с ограничением по размерам сечения (мелкие детали с диаметром не более 10…15 мм). Причина заключается в недостаточной прокаливаемости.
Необходимо иметь в виду, что низкоуглеродистые нелегированные стали (например, Сталь 10) закалить практически невозможно, так как углерода недостаточно.
Для получения твердого поверхностного слоя с вязкой сердцевиной (сочетание износоустойчивости с высокой динамической прочностью) применяют методы поверхностной закалки – нагрев поверхностного слоя с последующим быстрым охлаждением. Поверхностной закалке с последующим низким отпуском подвергают среднеуглеродистые стали, что позволяет сформировать твердый поверхностный слой (структура – отпущенный мартенсит) с достаточно вязкой и прочной сердцевиной. Схема обработки применима для ответственных деталей в условиях средних режимов нагрузки.
Вторым направлением решения задачи упрочнения поверхностного слоя является применение методов химико-термической обработки (ХТО).
Сущность методов заключается в том, что изделие помещается в среду, насыщенную элементом, который диффундирует в металл. В результате образуется слой с концентрацией элемента, уменьшающейся в направлении от поверхности к сердцевине. Метод может быть реализован, если элемент образует с металлом систему твердых растворов, т. е. основан на способности металлов растворять различные элементы. Диффузионное насыщение возможно как неметаллами, так и металлами.
ХТО уступает закалке по производительности, но имеет ряд преимуществ:
– результаты не зависят от внешней формы изделия;
– обеспечиваются большие различия свойств поверхности и сердцевины.
В отраслевом машиностроении наиболее распространена цементация – насыщение углеродом поверхностного слоя изделия (поверхности, участка поверхности).
Окончательное формирование свойств обеспечивает закалка, при которой на поверхности образуется высокоуглеродистый мартенсит. Последующий низкий отпуск снимает внутренние (закалочные) напряжения. В результате поверхность имеет твердость HRCэ 58…62, а сердцевина HRCэ 25…35 для легированных сталей и менее HRCэ18 для низкоуглеродистых сталей.
Цементации подвергают низкоуглеродистые и низкоуглеродистые легированные стали (с содержанием углерода 0,1…0,25 %). Глубина слоя цементации достигает 1,5…2,0 мм.
Применение сталей, легированных нитридообразующими элементами (Al, Cr, Mo), позволяет провести азотирование – насыщение поверхностного слоя азотом за счет диффузии, что обеспечивает повышение твердости, износоустойчивости, усталостной прочности и сопротивления коррозии.
До азотирования заготовку подвергают закалке и высокому отпуску, проводят чистовую обработку. После азотирования выполняют отделочные операции (тонкое шлифование, притирку, доводку и т. п.). Азотированию подвергают лишь отдельные поверхности, все остальные участки защищают гальваническим лужением. Процесс имеет существенный недостаток – низкую производительность, что ограничивает возможности использования.
Для получения более высокого сопротивления износу, большей твердости, лучшего сопротивления коррозии, повышенной усталостной прочности применяют нитроцементацию.
Нитроцементация стали – процесс одновременного насыщения поверхностного слоя углеродом и азотом при использовании газообразной среды. После нитроцементации сразу проводят закалку с низким отпуском, обеспечивая высокую твердость.