Методы упрочнения металлов можно условно разделить на несколько классов. Методами одного класса осуществляются процессы различных типов. Внешние условия протекания процессов неодинаковы: в газовой среде; в жидкости; в пасте; без использования или с использованием теплоты при нормальном, повышенном или высоком давлении; в низком, среднем или глубоком вакууме; в атмосфере водяного, водогазового или ионного пара; в контролируемых атмосферах экзогаза или эндогаза; в электропроводящей или диэлектрической среде; в среде с поверхностно- активными или абразивными свойствами; в магнитном, электрическом, гравитационном или термическом поле. Выбор сочетаний внешних условий и характеризует специфические особенности технологических процессов.

Термические методы

ОТЖИГ Для получения структур, близких к равновесному состоянию, применяют отжиг – нагрев стали до заданной температуры, выдержку при ней и последующее медленное охлаждение. В процессе отжига улучшаются механические свойства и выравнивается химический состав стали, улучшается обрабатываемость ее на станках, уменьшаются остаточные деформации, осуществляется подготовка структуры стали для последующей термической обработки

Различают следующие виды отжига: рекристаллизационный, полный, неполный; отжиг на зернистый перлит (сфероидизация); изотермический, низкотемпературный; диффузионный (гомогенизация).

Нормализация Процесс нагрева стали; выдержку при этой температуре и последующее охлаждение на спокойном воздухе называют нормализацией. Нормализацию применяют, в основном, для снятия внутренних напряжений и улучшения обрабатываемости стали.

Закалка сталей Операцию, при которой сталь нагревают и после выдержки при этой температуре быстро охлаждают в воде, масле или на воздухе (в зависимости от состава стали), называют закалкой В результате закалки получают неравномерные структуры, так как быстрое охлаждение препятствует фазовым превращениям. После закалки сталь становится твердой и хрупкой. Способы закалки отличаются условиями нагрева и охлаждения стали. Сочетание способов позволяет создать в закаленной стали структуру, наиболее отвечающую требованиям работоспособности изделия.

Отпуск закалённых сталей Процесс нагрева и выдержки закаленной стали при температуре на °С ниже критической Отпуску необходимо подвергать все закаленные детали, кроме тех, которые прошли изотермическую закалку. В зависимости от требуемых температур отпуск проводят в масляных или селитровых ваннах, в печах с принудительной циркуляцией воздуха, а также в ваннах с расплавленной щелочью (светлый отпуск).

Химико-термическая обработка (ХТО) Нагрев и выдержка металлических (а в ряде случаев и неметаллических) материалов при высоких температурах в химически активных средах (твердых, жидких, газообразных). В подавляющем большинстве случаев химико- термическую обработку проводят с целью обогащения поверхностных слоев изделий определенными элементами. Их называют, насыщающими элементами или компонентами насыщения. В результате ХТО формируется диффузионный слой, т.е. изменяется химический состав, фазовый состав, структура и свойства поверхностных слоев. Изменение химического состава обуславливает изменения структуры и свойств диффузионного слоя.

Классификация процессов химико- термической обработки однокомпонентные: цементация - насыщение углеродом; азотирование - насыщение азотом; алитирование - насыщение алюминием; хромирование - насыщение хромом; борирование - насыщение бором; силицирование - насыщение кремнием; многокомпонентные: нитроцементация (цианирование, карбонитрация) - насыщение азотом и углеродом; боро- и хромоалитирование - насыщение, бором или хромом и алюминием, соответственно; хромосилицирование – насыщение хромом и кремнием и т.д.

На практике в подавляющем большинстве случаев ХТО подвергают сплавы на основе железа (стали и чугуны), реже - сплавы на основе тугоплавких металлов, твердые сплавы и еще реже сплавы цветных металлов, хотя практически все металлы могут образовывать диффузионные слои с подавляющим большинством химических элементов Периодической системы элементов Д.И. Менделеева.

ХТО применяют с целью: поверхностного упрочнения металлов и сплавов (повышения твердости, износостойкости, усталостной и коррозионно-усталостной прочности, сопротивления кавитации и т.д.); сопротивления химической и электрохимической коррозии в различных агрессивных средах при комнатной и повышенных температурах; придания изделиям требуемых физических свойств (электрических, магнитных, тепловых и т.д.); придания изделиям соответствующего декоративного вида (преимущественно с целью окрашивания изделий в различные цвета); облегчения технологических операций обработки металлов (давлением, резанием и др.).

Химическая обработка металлов Существует несколько способов химической обработки металла, которые, впрочем, имеют одну общую цель – повышение показателей прочности, долговечности и стойкости к коррозии металлических изделий. Для химической обработки металла применяют такие методы, как распыление (струйная обработка низкого давления), погружение, паро- и гидроструйный методы. Для осуществления первых двух методов используют специальные агрегаты химической подготовки поверхности (АХПП). В основном выбор метода подготовки поверхности зависит от производственной программы, конфигурации и габаритов изделий, производственных площадей и ряда других факторов.

Распыление Опишем первый метод химико- термической обработки металла – распыление. Для обработки металла методом распыления используется АХПП как тупикового, так и проходного типов. Высокую производительность обеспечивают агрегаты проходного типа непрерывного действия. Немаловажное преимущество АХПП проходного типа - возможность применения одного конвейера для участков подготовки поверхности и окраски изделий.

Обработка металлов погружением Обработка металла погружением – другой метод химической обработки. Для обработки металла методом погружения используют АХПП, которые состоят из ряда последовательно расположенных ванн, оборудования перемешивания, транспортера, разводки трубопроводов и камеры сушки. Изделия транспортируют с помощью тельфера, автооператора или кран-балки. Прибор для обработки погружением требует значительно меньше производственной площади относительно оборудования для обработки распылением. Но в этом случае после подготовки поверхности потребуется введение дополнительной операции перевешивания изделий на конвейер окраски.

Газотермическое напыление Газотермическое напыление (англ. Thermal Spraying) – это процесс нагрева, диспергирования и переноса конденсированных частиц распыляемого материала газовым или плазменным потоком для формирования на подложке слоя нужного материала.

Под общим названием газотермическое напыление (ГТН) объединяют следующие методы: газопламенное напыление, высокоскоростное газопламенное напыление, детонационное напыление, плазменное напыление, напыление с оплавлением, электродуговая металлизация активированная электродуговая металлизация.

Как правило, ГТН применяют для создания на поверхности деталей и оборудования функциональных покрытий – износостойких, коррозионно-стойких, антифрикционных, антизадирных, теплостойких, термобарьерных, электроизоляционных, электропроводных, и т.д. Материалами для напыления служат порошки, шнуры и проволоки из металлов, металлокерамики и керамики. Некоторые из методов газотермического напыления являются альтернативой методам гальванической, химико-термической обработки металлов, плакирования, другие – методам покраски, полимерным покрытиям. Ещё одно распространенное применение ГТН - ремонт и восстановление деталей и оборудования. С помощью напыления можно восстановить от десятков микрон до миллиметров металла.

Особенностями технологии являются: Возможность нанесения покрытий из различных материалов (практически любой плавящийся материал, который можно подать как порошок или проволоку); Отсутствие перемешивания материала основы и материала покрытия; Невысокий (не более 150°С) нагрев поверхности при нанесении покрытия; Возможность нанесения нескольких слоев, каждый из которых несет свою функцию (например, стойкий к высокотемпературной коррозии + термобарьерный); Легкость обеспечения защиты работников и окружающей среды при нанесении (с помощью воздушных фильтров).

Наплавка Наплавка это нанесение слоя металла или сплава на поверхность изделия посредством сварки плавлением. Технология Восстановительная наплавка применяется для получения первоначальных размеров изношенных или поврежденных деталей. В этом случае наплавленный металл близок по составу и механическим свойствам основному металлу. Наплавка функциональных покрытий служит для получения на поверхности изделий слоя с необходимыми свойствами. Основной металл обеспечивает необходимую конструкционную прочность. Слой наплавленного металла придаёт особые заданные свойства: износостойкость, жаростойкость, жаропрочность, коррозионную стойкость и т. д.

Важнейшие требования, предъявляемые к наплавке, заключаются в следующем: минимальное проплавление основного металла; минимальное перемешивание наплавленного слоя с основным металлом; минимальное значение остаточных напряжений и деформаций металла в зоне наплавки; занижение до приемлемых значений припусков на последующую обработку деталей.

Способы наплавки Ручная дуговая наплавка покрытыми электродами Дуговая наплавка под флюсом проволоками и лентами Дуговая наплавка в защитных газах вольфрамовыми (неплавящимися) и проволочными металлическими (плавящимися) электродами Дуговая наплавка самозащитными порошковыми проволоками Электрошлаковая наплавка Плазменная наплавка Лазерная наплавка Электронно-лучевая наплавка Индукционная наплавка Газопламенная наплавка

Применение Наплавку производят при восстановлении изношенных и при изготовлении новых деталей машин и механизмов. Наиболее широко наплавка применяется при ремонтных работах. Восстановлению подлежат корпусные детали различных двигателей внутреннего сгорания, распределительные и коленчатые валы, клапаны, шкивы, маховики, ступицы колес и т. д.

PVD-процесс Напыление конденсацией из паровой (газовой) фазы (англ. physical vapour deposition; сокращённо PVD) обозначает группу методов напыления покрытий (тонких плёнок) в вакууме, при которых покрытие получается путём прямой конденсации пара наносимого материала.

Различают следующие стадии PVD- процесса: Создание газа (пара) из частиц, составляющих напыление; Транспорт пара к субстрату; Конденсация пара на субстрате и формирование покрытия;

Применение PVD-процесс применяют для создания на поверхности деталей, инструментов и оборудования функциональных покрытий износостойких, коррозионно-стойких, эрозионностойких, антифрикционных,антизадирных, барьерных и т. д Процесс используется при производстве часов с золотым покрытием. Материалами для напыления служат диски из титана, алюминия, вольфрама, молибдена, железа, никеля, меди, графита, хрома и их сплавов; ацетилен (для покрытий, содержащих углерод); азот. С помощью PVD-процесса получают покрытия толщиной до 5 мкм, обычно после нанесения покрытия поверхность не требует дополнительной обработки.

Самораспространяющийся высокотемпературный синтез Реагенты в СВС процессах используются в виде тонкодисперсных порошков, тонких пленок, жидкостей и газов. Наиболее распространены два типа систем: смеси порошков (спрессованные или насыпной плотности) и гибридные системы газ- порошок (или спрессованный агломерат). Известны СВС-процессы и в системах: порошок-жидкость, газовзвесь, пленка-пленка, газ-газ.

В создании СВС системы могут участвовать все химически активные при высоких температурах вещества в качестве реагентов (химические элементы, индивидуальные соединения, многофазные структуры) и инертные вещества в качестве наполнителей или разбавителей. Наиболее популярные реагенты: H 2, B, Al, C, N 2, O 2, Mg, Ti, Nb, Mo, Si, Ni, Fe, B 2 O 3, TiO 2, Cr 2 O 3, MoO 3, Fe 2 O 3, NiO и др.

Основные характеристики Процесс распространения волны характеризуют: пределом погасания (связь между параметрами системы, разделяющие две ситуации: распространение волны и отсутствия горения при любых условиях инициирования) пределом потери устойчивости (связь между параметрами системы, разделяющими режимы стационарного и неустойчивого горения) скоростью распространения фронта, максимальной температурой и темпом нагрева вещества в волне стационарного горения, в неустойчивых процессах - частотой пульсаций, скоростью движения очага по винтовой траектории, величиной сверхадиабатического эффекта и др. глубиной химического превращения исходных реагентов в конечные продукты (полнота горения)