Для придания металлоизделиям соответствующих механических свойств (необходимой твердости поверхности и механической прочности) после литья, сварки, пластической деформации и обработки резанием применяют различные способы металлоупрочнения. В настоящее время практически все металлоизделия подвергаются соответствующему упрочнению, что повышает срок их эксплуатации и надежность в десятки и даже в сотни раз. Без применения техпроцессов упрочнения металлоизделий немыслимо производство таких изделий, как автомобили, самолеты, двигатели различного назначения, сельхозмашины, горнодобывающая техника и дорожные машины.
Способы металлоупрочнения разнообразны, и каждый из них эффективен только для определенных сплавов, форм, размеров и габаритов изделий и условий их работы. Так, объемная закалка используется преимущественно для упрочнения большинства стальных деталей относительно небольших размеров, поверхностная закалка токами высокой частоты хорошо себя зарекомендовала для обработки массивных деталей, но может быть успешно использована и для мелких заготовок, для которых важна высокая твердость на поверхности (валы, оси, зубчатые колеса и шестерни). Малоуглеродистые стали можно упрочнить или пластической холодной деформацией, или химико-термической обработкой.
Основные способы упрочнения металлоизделий следующие: термообработка (закалка, улучшение), химико-термическая обработка, термомеханическая обработка, холодная пластическая деформация, диффузионное насыщение поверхности металлоизделия высокопрочными и износостойкими элементами, наплавление и напыление, лазерное упрочнение, плакирование поверхности изделия высокопрочными сплавами, армирование сплава изделия прочными элементами (усами углерода), изготовление изделий из композиционных материалов (биметаллов, триметаллов и многослойных заготовок).
Термообработка металлоизделий наиболее часто применяется при производстве самых различных изделий: режущего и слесарно-монтажного инструмента, штампов и прессформ, деталей двигателя и ходовой части транспортных средств, сельскохозяйственного инвентаря, деталей бытовой техники и т.д. Сущность одного из видов термообработки (закалки), заключается в том, что заготовку нагревают по определенному режиму до температуры структурных изменений (для стали - 800-920 °С), затем резко охлаждают в минеральном масле, в воде или в струе холодного воздуха, фиксируя тем самым структуру металла, которая обеспечивает требуемую твердость. При этом нагрев заготовки может осуществляться не обязательно по всему объему, в некоторых случаях целесообразно нагревать и закаливать только поверхностные слои (на глубину от 0,5 до 15 мм). Это можно реализовать с помощью токов высокой частоты, применяя индукционный метод электронагрева. После закалки обязателен отпуск, который снимает термические напряжения в объеме заготовки. Температура нагрева при отпуске зависит от марки стали и требуемых в соответствии с чертежом значений твердости. Обычно температура отпуска стальных изделий лежит в пределах от 150 до 400 °С. После закалки твердость стали составляет 45-65 HRC. Природа углеродистой конструкционной и легированной стали не позволяет получить твердость выше 65 HRC. Твердые сплавы могут иметь твердость до 87 HRC, естественный алмаз - 90 HRC.
Улучшение стали предусматривает закалку и последующий высокий отпуск (550-650 °С). Этому виду термообработки подвергают крепежные детали (винты, болты, гайки, саморезы и т. д.), валы, оси, рычаги и т. п.
Для нагрева заготовок используют пламенные печи, расплавы солей, электронагрев, в том числе и индукционные установки.
Холодная пластическая деформация сопровождается наклепом материала, в результате которого прочность возрастает в некоторых случаях в несколько раз. Это явление эффективно используется при изготовлении изделий из листов, например, деталей кузова легкового автомобиля. Одним из вариантов этого вида упрочнения является поверхностная пластическая деформация, с помощью которой производят упрочнение валов, деталей подшипников качения, пружин, торсионов и т.д. Эту обработку производят на завершающей стадии изготовления деталей, после закалки и шлифовки. Наклеп выполняют в тонком поверхностном слое толщиной несколько микрометров, что позволяет повысить усталостную прочность деталей в десятки раз.
Сочетание горячей пластической деформации и термообработки носит наименование термомеханической обработки (ТМО), причем различают высокотемпературную термомеханическую обработку (ВТМО) и низкотемпературную (НТМО). ТМО преимущественно применяется при изготовлении поковок ответственного назначения и позволяет повысить прочность некоторых деталей в 1,2-1,8 раза.
Химико-термическая обработка заготовок заключается в поверхностном диффузионном насыщении определенными химическими элементами, которые при последующей термообработке придают изделию высокую твердость и износостойкость. Наиболее часто в промышленности применяется цементация, азотирование, нитроцементация, борирование. Технологический процесс выполняют в среде газового или твердого карбюризатора при обязательном нагреве и выдержке заготовок при высокой температуре в специальных печах. Глубина насыщения зависит от температуры нагрева, времени выдержки и от карбюризатора, составляет обычно 0,2 - 1,5 мм. Этот процесс позволяет получить вязкую сердцевину и твердую поверхность детали, что в некоторых случаях весьма желательно.
Химические покрытия получают в специальных растворах с пропусканием или без пропускания электрического тока. К таким покрытиям относятся: цинкование, кадмирование, хромирование, никелирование, алютирование, меднение и т. д. К особому технологическому способу следует отнести фосфатирование, которое применяют для повышения коррозионной стойкости металлоизделий и адгезии других материалов. Фосфатная пленка является наилучшим грунтом под многие лакокрасочные покрытия, она устойчива к топливам, маслам, бензину, многим газам.
Оксидирование - это процесс получения оксидных пленок на поверхности металлоизделий, его получают химическим, термическим и термохимическим способами. Например, оксидирование черных металлов возможно: обработкой в растворе каустической соды и натриевой селитры; погружением нагретых на воздухе до температуры 450-500 °С деталей в льняное масло (воронение); погружением в расплав натриевой селитры; обработкой горячим воздухом или перегретым паром. Образующаяся при этом окисная пленка имеет обычно состав Fe3O4 и толщину от 0,6 до 10 мкм.
Гальванические покрытия благородными металлами (серебром, золотом, платиной) применяют часто в электронном приборостроении для защиты контактов от окисления и повышения их износостойкости.
Диффузионные покрытия по назначению подразделяют на коррозионно-стойкие, износостойкие, жаростойкие, пленки-смазки, декоративные и с особыми электрическими свойствами. Их наносят как на металлические поверхности, так и неметаллические изделия. Наиболее распространенными диффузионными покрытиями являются: цементация, азотирование, борирование, силицирование, алитирование, хромирование, сульфоцинкование и цианирование.
Цементация - это процесс поверхностного насыщения стали углеродом, при этом повышается твердость и износостойкость поверхности детали. Цементация происходит ни нагреве обрабатываемых заготовок до определенных температур в среде твердого, жидкого или газообразного карбюризатора.
Хромирование - это насыщение поверхности металлоизделия хромом для повышения коррозионной стойкости, твердости и износостойкости. Процесс обычно ведут при температуре 1000-1050 °С.
Алитирование - это насыщение поверхности стали алюминием, процесс ведут при температуре 900-1050 °С. Поверхность приобретает свойства высокой коррозионной стойкости и повышенной окалиностойкости, кроме того, улучшается внешний вид изделий. Широко используется при изготовлении метизов и слесарно-монтажного инструмента, деталей машин.