Способы металлоупрочнения разнообразны, и каждый из них эффективен только для определенных сплавов, форм, размерив 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 химикотермической 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-монтаж-ного 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 4000С. 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 (550650 °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, торсиопов 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 применяются 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 сердцевшгу и твердую поверхность детали, что в некоторых случаях весьма желательно.
Технологические процессы наплавки и напыления
Наплавка - это одна из разновидностей сварки, сущность которой заключается в нанесении слоя заданного состава на поверхность изделия. Наплавку применяют для восстановления и упрочнения деталей инструмента, штамповой и литейной оснастки, машин и оборудования. С помощью наплавки создают биметаллическое изделие, у которого выгодно сочетаются свойства основного и наплавленного материалов. Нанесенное наплавкой покрытие обладает необходимым комплексом свойств: высокой твердостью и износостойкостью, термостойкостью, кислотоупорностью и коррозионной стойкостью. Номенклатура наплавляемых деталей разнообразна по массе, форме, габаритам, материалам и условиям работы, что является основанием существования различных способов наплавки. Например, для наплавки автомобильных клапанов двигателей внутреннего сгорания используют плазменную наплавку, конусы и чаши загрузочных устройств доменных печей наплавляют дуговым способом самозащитными порошковыми лентами; шарошки буровых долот наставляют индукционным способом; лопатки вентиляторов упрочняют газопламенным напылением. Таким образом, наплавка может быть осуществлена многими способами, в основу классификации которых положены физические, технические и технологические признаки. Различают дуговую, газовую, электрошлаковую, плазменную, индукционную наплавки.
Дуговая наплавка заключается в том, что под действием высокой температуры электрической дуги, горящей между электродом и изделием, электродный и основной металлы расплавляются, создавая на поверхности изделия ванну, которая затем застывает, образуя наплавленный валик. Различают ручную и автоматизированную дуговую наплавку. При ручной наплавке требуется высокая квалификация электросварщика. Главные параметры режима ручной наплавки: сила тока, напряжение на дуге и скорость наплавки, тип электрода выбирают в зависимости от химсостава сплава, который необходимо наплавить. Автоматическая или механизированная электродугован наплавка под слоем флюса имеет существенные преимущества: высокое качество наплавленного валика, незначительные потери электродного материала, высокая производительность и более безопасные условия работы.
Наплавку самозащитными проволоками и лентами открытой дугой в атмосфере воздуха широко применяют в связи с тем, что можно достичь при оптимальных затратах высокого качества и производительности.
Плазменная наплавка позволяет обеспечить малую глубину про-плавления основного металла, возможность наплавки тонких слоев, высокое качество наплавления тугоплавких сплавов за счет высокой температуры плазмы (до 50 000 "С).
Газовую наплавку применяют в дорожном строительстве, в сельском хозяйстве для упрочнения и восстановления деталей машин. Расплавление присадочного материала осуществляется за счет теплоты, выделяемого при сжигании температура пламени составляет 3150 0С.
Электрошлаковая наплавка имеет значительные преимущества перед другими способами: возможность наплавки слоев значительных по площади и по толщине при высокой производительности и меньшем расходе электроэнергии (в 1,5-2 раза) и флюса (в 20 раз), получения высокого качества наплавленного слоя.
Индукционная наплавка заключается в том, что расплавление основного и присадочного материала производят за счет теплового действия индуктируемого тока. Для этого над наплавляемой поверхностью размещают водоохлаждаемый индуктор, по которому протекает ток высокой частоты, создающий переменное магнитное поле, которое возбуждает в поверхности вихревые токи, которые к. оплавляют материал. Преимущества индукционной наплавки: возможность получения минимального проплавления и высокая производительность.
Коррозией металлов называют процесс разрушения металлических материалов вследствие их физико-химического взаимодействия с окружающей средой. Примеров порчи металлоизделий вследствие коррозии достаточно много: коррозия морских и речных судов, трубопроводов, металлических мостов и переходов, коммуникаций, автомобилей, вагонов, сельскохозяйственных машин и т. д. В настоящее время общепризнано, что в результате коррозии примерно треть производимого в мире металла идет на восполнение коррозионных потерь, причем только две трети корродированного металла регенерируется. Однако основной вред от коррозии связан с выходом из строя дорогостоящего оборудования, в себестоимости которого стоимость металлов и сплавов незначительна, кроме того, огромные убытки приносят аварии сооружений и устройств из-за коррозии. В промышленно развитых странах убытки от коррозии составляют около 8 % национального дохода. В нашей республике около 500 тыс. тонн стали в год уходит на компенсацию потерь от коррозии, в США общие убытки, причиняемые коррозией, превышают 70 млрд долл. в год. Это указывает на огромную важность совершенствования технологических процессов защиты металлов и сплавов от коррозии.