Про термическую обработку металлов (что, зачем и как). Что такое термическая обработка стали?

Чтобы отжечь продукт, его нагревают, выдерживают при температуре, а затем медленно охлаждают. Чтобы уменьшить скорость охлаждения, материал заворачивают в хлопок или огнеупорный материал и часто оставляют остывать вместе с печью. Этот процесс может занять до 2 дней.

Термообработка стали: виды, задачи, особенности

Термическая обработка стали является одним из наиболее важных процессов для достижения желаемых свойств деталей и компонентов. Термообработка может проводиться на разных стадиях производства без изменения химического состава материала.

Этот процесс улучшает обрабатываемость, снижает остаточные напряжения и улучшает общие эксплуатационные характеристики. Более подробно о термической обработке стали и этапах, на которых она может применяться, рассказано здесь.

Задачи термообработки стали по ГОСТу

Термическая обработка стали проводится при максимальной температуре, при которой она происходит:

• повторная кристаллизация стали,
• переход железа из гамма- в альфа-форму,
• преобразование крупных частиц в пластины.

Эксплуатационные характеристики стали и легкость обработки металла напрямую связаны с внутренней структурой двухфазной смеси.

Основная цель термической обработки стали:

• Создание прочных термоустойчивых износо- и коррозионностойких готовых стальных изделий.
• Снятие в заготовках внутреннего напряжения после литья, горячее и холодное штампование, глубокая вытяжка стали. При этом повышается ее пластичность и облегчается обработка резанием.

Термическая обработка используется для таких марок стали, как:

• углеродистая и легированная,
• с содержанием углерода от 0,25 % до 0,7 %,
• конструкционная, инструментальная и специальная,
• различного качества.

Качество термической обработки стали зависит от следующих основных параметров:

• продолжительность (скорость) нагрева,
• температура нагрева,
• длина выдержки при указанной температуре,
• интенсивность (период охлаждения).

Для получения различных типов термообработанной стали можно варьировать вышеуказанные параметры.

4 основных вида термообработки стали

Для получения различных типов стали можно варьировать следующие параметры: Термическая обработка стали — это процесс изменения внутренней структуры и микроструктуры стали путем нагрева, выдержки и охлаждения. На каждом этапе термообработки необходимо строго соблюдать температуру, скорость и продолжительность, в зависимости от доли углерода и легирующих элементов в сплаве. При нагревании происходят изменения в структуре материала, а при охлаждении эти структурные изменения происходят в обратном порядке.

Виды термической обработки:

• Отжиг:

1. гомогенизация,
2. рекристаллизация,
3. изотермический отжиг,
4. отжиг для устранения напряжений,
5. отжиг полный,
6. неполный отжиг.

• Закалка

• Нормализация

• Отпуск:

1. низкий,
2. средний,
3. высокий.

Далее следует подробное описание каждого вида термической обработки.

Механика термической обработки металлов

Для каждого вида термической обработки приводятся следующие подробности. При нагревании материал теряет свою прочность и постепенно размягчается, пока в конце концов не превратится в расплав.

В зависимости от температуры и химического состава каждый металл имеет ряд специфических вариаций своей структуры — того, как элементарные частицы расположены в кристаллической решетке. Фазовая составляющая становится особенностью каждой структуры, и ее определение отражает свойства материала в соответствующий момент времени.

Изменение фазовых составляющих в сталях очень показательно:

• аустенит;
• перлит;
• феррит;
• цементит;
• мартенсит;
• сорбит;
• троостит.

Они встречаются как в чистом виде, так и в сложных комбинациях (например, цементит + перлит или аустенит + вторичный цементит). Это можно сравнить с салатом, в котором различные ингредиенты хорошо перемешаны и образуют однородную массу.

Исходная структура зависит от химического состава металла (в случае сталей и чугунов — от содержания углерода). Он изменяется при нагревании выше определенных температур, известных как критические точки. После достижения желаемого состояния путем термической обработки результат изменяется и упрочняется путем ускоренного или замедленного охлаждения.

Термическая обработка — это систематический процесс нагрева и охлаждения с контролируемой температурой и скоростью. Все это позволяет получить и укрепить металлическую конструкцию, отличную от исходной.

Вместе с фазовым превращением происходит непосредственное влияние на механические свойства материала — прочность, твердость и ударопрочность. В меньшей степени от структуры зависят и другие свойства, такие как коррозионная стойкость, электропроводность и способность действовать как магнит.

Стоит отметить, что в большинстве случаев систематический нагрев свыше определенной температуры заставляет металл благополучно «забыть» все, что от него ранее хотели. Этот порог называется температурой рекристаллизации, при которой кристаллическая решетка восстанавливается до наиболее благоприятного состояния, соответствующего «сырью».

Что важно при термической обработке:

• скорость нагрева;
• температура нагрева;
• время выдержки при достижении нужной температуры (структуре нужен запас, чтобы полностью перестроиться);
• скорость охлаждения;
• условия охлаждения.

Часто все эти процессы сопровождаются окислением поверхностного слоя металла, что вызывает изменение цвета поверхности и образование налета. Например, углеродистые стали могут расслаиваться после 1000°C, в то время как нержавеющие хромоникелевые стали просто становятся сине-фиолетовыми при 800°C.

Нагрев деталей может осуществляться тремя способами: путем нагрева вместе с печью, путем помещения в нагретую печь и путем местного нагрева. Для этого можно использовать различные техники:

• в газовых и электропечах;
• токами высокой частоты (ТВЧ);
• электронным лучом;
• с помощью тлеющего разряда в ионизирующей атмосфере при пониженном давлении;
• сфокусированным лазерным лучом.

Классификация методов термообработки

Термическая обработка — это невероятно широкий спектр вариаций технологического воздействия на материал. Перечисление всех известных методов потребовало бы списка из нескольких сотен позиций, поскольку каждый сплав требует практически индивидуального подхода, а общая стратегия не ограничивается изменением прочности.

Наиболее подходящая классификация основана на трех основных методах: Отпуск, отжиг и закалка. Из их комбинаций и режимов подбираются варианты для каждого конкретного случая.

Отжиг

Основными задачами этого вида термообработки являются устранение внутренних напряжений, стабилизация структуры, приближение химического состава и физико-механических свойств. Кроме того, происходит определенная степень закалки за счет устранения структурных дефектов.

Для отжига изделия его нагревают, выдерживают при температуре и медленно охлаждают. Чтобы уменьшить скорость охлаждения, материал обертывают шерстью или огнеупорными материалами и часто оставляют остывать вместе с печью. Этот процесс может занять до 2 дней.

Различают в зависимости от степени поражения структуры:

• отжиг I рода — фазовых превращений не происходит, но уходят структурные дефекты;
• отжиг II рода — минимальные фазовые превращения присутствуют.

Различие проводится в зависимости от степени воздействия:

• полный отжиг — с нагревом выше третьей критической точки, что соответствует полной рекристаллизации («сброс» до исходных характеристик металла);
• неполный отжиг — с нагревом между первой и третьей критической точкой, с частичной рекристаллизацией.

В зависимости от типа эффекта различают:

• нормализационный отжиг (нормализация) — выравнивание структуры, измельчение зерна материала;
• изотермический отжиг — позволяет произвести полный распад аустенита до перлита;
• сфероидизирующий отжиг — для сфероидизации карбидов и превращения пластинчатого перлита в зернистый;
• гомогенизированный отжиг — выравнивание химического состава;
• отжиг, увеличивающий зерно;
• рекристаллизационный отжиг — устраняет наклеп с поверхности.

Литые и сварные конструкции чаще всего подвергаются отжигу. Отжиг может быть объемным, т.е. воздействию подвергается вся деталь, или локальным, т.е. сосредоточенным в точно определенной зоне. Так обрабатываются сварные швы на стальных электросварных трубах: Они нагреваются с помощью ТВЧ или лазера. Отжиг снимает растягивающие остаточные напряжения и снижает риск образования трещин в сварном шве до минимума.

Старение металла также можно описать как особый вид отжига. Этот процесс включает медленный нагрев с длительным временем выдержки (от нескольких часов до нескольких дней), контролируемое охлаждение и циклическое повторение процесса. Это придает металлу равновесие и закаленную структуру, которую он приобрел бы после нескольких месяцев работы.

Отпуск

Этот вид термообработки оправдывает свое название. Закаливание — это возможность сбросить накопленный вес, омолодиться и выйти на работу свежим. Отпуск в первую очередь проводится для закаленных сплавов, чтобы уменьшить полученную твердость, снизить нагрузку на металл и вернуть ему первоначальные свойства.

Механизм отпуска состоит из нагрева до определенной температуры, во время которого закаленные структуры заменяются другими, времени ожидания и времени отдыха. Отпуск похож на отжиг в некоторых отношениях, но служит совершенно другой цели и является сопутствующим процессом после закалки.

Термообработка различных материалов

Термообработка сталей и чугунов

Технология термической обработки металлов различается в большей степени для черных и углеродистых сплавов. Именно здесь наиболее широко используются возможности термической обработки.

Наиболее распространенными растворами для сталей являются:

• отжиг — для отливок, штамповок, поковок и сварных конструкций;
• объемная закалка с высоким отпуском (улучшение) — для рычагов, колес и валов или если решите заказать нестандартный крепеж;
• объемная закалка с низким отпуском — для нагруженных деталей малого размера (шестерни, ролики);
• поверхностная закалка токами высокой частоты — для шеек валов под подшипники, зубьев колес;
• сорбитизация (закалка с поверхностным охлаждением спрейером) — для крановых колес.

Все виды стали могут быть закалены, но эффект тем сильнее, чем выше содержание углерода. Этот элемент отвечает за то, насколько высок скачок прочности после достижения мартенситной структуры. Стали с содержанием углерода менее 0,3 % практически не реагируют на закалку, в то время как инструментальные стали с содержанием углерода более 0,8 % имеют твердость более 60 HRC.

При работе с чугуном следует как можно тщательнее контролировать процессы нагрева и охлаждения. В отличие от сталей, чугун не прощает ошибок, и неверное решение приведет к быстрому развитию внутренних напряжений. Бывали случаи, когда чугунные детали буквально взрывались сами по себе, куски металла разлетались на несколько метров.

Используется чугун:

• низкотемпературный отжиг;
• графитизирующий отжиг;
• нормализацию;
• закалку.

Путем закалки чугуна можно достичь твердости около 51 HRC. Такая термообработка используется редко, поскольку ее очень сложно проводить. В основном, чугунные (особенно легированные) отливки просто отжигают.

Термообработка медных сплавов

Термообработка также доступна для промышленной и электрической меди, латуни и бронзы. Они используются для балансировки химического состава, снятия остаточных напряжений после волочения или прессования, а также для повышения прочности и пластичности.

ГОСТ 1535-2016 и ГОСТ 2060-2006 могут быть использованы для определения основных микроструктурных состояний медных сплавов:

• мягкое (полностью отожженное);
• полутвердое (частично отожженное);
• твердое (напряженное).

Каждый вариант привносит не только очевидное изменение механических свойств, но и некоторую динамику электро- и теплопроводности. Особенно это касается металла, используемого в производстве теплотехнических изделий и кабелей. Например, мягкие отожженные медные проволоки в основном используются для сердечников гибких проводов, а полутвердые латунные трубки больше подходят для теплообменников.

Термообработка алюминия и титана

По сравнению со сталью, все цветные сплавы гораздо хуже поддаются закалке в процессе термической обработки. Поэтому специалисты по термической обработке обычно используют свои навыки только для смягчения металла и снятия напряжений. Но алюминий и его команда являются здесь интересным исключением.

Существует целый ряд возможных видов термической обработки для материалов этой категории:

Все о термической обработке стали

Термическая обработка металлов, легирование и обогащение углеродом стальных сплавов — это один из способов вывести механические параметры стали и других сплавов на новый уровень. При использовании этого метода необходимо строго соблюдать все правила.

Что это такое?

При термической обработке стали стальные заготовки нагреваются, выдерживаются при определенной температуре в течение определенного периода времени, а затем охлаждаются. Термообработка основана на изменении состава фаз и улучшении кристаллической решетки сплава. Структура молекул располагается иначе, чем изначально.

Термическая обработка сталей используется как промежуточная и окончательная мера для улучшения и облегчения обработки зазоров при обработке деталей с желаемой структурой. Например, операции резки и точения могут быть улучшены для придания продукту желаемых свойств.

Время нагрева и выдержки материала имеет решающее значение. Если металл нагревается слишком быстро, а затем слишком быстро охлаждается, вместо закалки может произойти размягчение. Хотя более мягкие металлы обладают лучшей пластичностью, прочность и общая несущая способность страдают. Улучшение прочностных и упругих свойств показано на графике изменений в стальных образцах, взятых для этой процедуры. Каждая сталь (или семейство сплавов) имеет свои кривые (корреляции или взаимозависимости), которые показывают, где находится наилучшая рабочая точка процесса для достижения наилучших характеристик металла или сплава по всем параметрам. Высокотемпературная печь непрерывного действия используется для улучшения процессов термообработки, устраняя необходимость в рискованной ручной работе персонала цеха.

Нагрев сплава приводит к истощению содержания углерода (по массе) на поверхности заготовки. Факт, что часть углерода можно сжечь, отжигая стальную или железную заготовку так, чтобы поверхность стала немного мягче, чем более глубокие слои вблизи сердцевины. При нагревании и охлаждении стальных сплавов в их составе происходят фазовые переходы. Они сопровождаются критическими температурными точками. Согласно одному из них, перлитная сталь превращается в аустенитную при температуре 727°C. При температуре 768°C происходит переход в феррит. Феррит и цементит затем возвращаются в аустенитное состояние.

Критические точки характеризуются поведением стали во время нагрева и постепенного охлаждения. Важно по возможности избегать окисления (покрытия оксидной пленкой).

Виды и особенности отпуска

Отверждение происходит при низких, средних или высоких температурах. Оно происходит на воздухе, в воде или масле при медленном охлаждении в лере. Официально отверждение как процесс делится на низкое, среднее и высокое отверждение.

Низкий

Низкая закалка происходит при температуре 150-250°C. Сталь теряет внутренние напряжения, мартенситная закалка превращается в закалку мартенситной стали, прочность увеличивается, а вязкость немного улучшается без значительного снижения твердости. Закаленный сплав с содержанием углерода до 1,3% (по массе) сохраняет твердость на уровне 58-63 единиц по Роквеллу. Низкотемпературный отпуск характерен для высокоскоростных сталей и сталей для измерительных инструментов.

Детали, подвергнутые поверхностной закалке, цементации, цианированию или нитроцементации, сохраняют прочность в течение примерно 2 часов, с более длительным временем закалки для крупных деталей.

Нагрев

Компоненты двигателя в топке

Как мы уже обсуждали, микроструктура сплавов изменяется в процессе термообработки. Нагрев происходит по заранее заданному тепловому профилю.

Во время нагрева сплав может находиться в одном из трех различных состояний. Это может быть механическая смесь, твердый раствор или комбинация того и другого.

Механическая смесь похожа на бетонную, где цемент удерживает песок и гравий вместе. Песок и гравий все еще видны в виде отдельных частиц. В металлических сплавах механическая смесь удерживается вместе основным металлом.

В твердом растворе, с другой стороны, все компоненты однородно перемешаны. Это означает, что их невозможно идентифицировать по отдельности даже под микроскопом.

Каждое состояние несет в себе различные свойства. Согласно фазовой диаграмме, можно изменить состояние путем нагревания. Однако охлаждение имеет решающее значение для конечного результата. В зависимости от метода, сплав может перейти в одно из трех состояний.

Выдержка

Во время закалки металл поддерживается при достигнутой температуре. Продолжительность зависит от требований.

Например, поверхностная закалка требует только структурных изменений поверхности металла для увеличения поверхностной твердости. Другие методы, однако, требуют единых свойств. В этом случае время ожидания увеличивается.

Время выдержки также зависит от типа материала и размера заготовки. Для больших деталей требуется больше времени, если целью является получение однородных свойств. Это происходит потому, что сердцевине более крупной детали требуется больше времени для достижения необходимой температуры.

Охлаждение

После завершения закалки металл необходимо охладить в установленном порядке. На этом этапе также происходят структурные изменения. Твердый раствор может оставаться неизменным при охлаждении, либо полностью или частично превращаться в механическую смесь, в зависимости от различных факторов.

Скорость охлаждения регулируется с помощью различных средств, таких как рассол, вода, масло или воздух. Вышеупомянутый порядок охлаждающих сред соответствует порядку убывания эффективной холодопроизводительности. Рассол быстрее поглощает тепло, а воздух — медленнее.

Также можно использовать духовку для процесса охлаждения. Контролируемые среды обеспечивают высокую точность при необходимости медленного охлаждения.

Виды термообработки стали

Каждый вид термической обработки относится к определенной группе в соответствии с его включением в технологическую операцию. Предварительная обработка включает нормализацию и отжиг, основная обработка включает различные процессы закалки и термообработки, а окончательная обработка включает закалку в различных средах. Такое разделение термических процессов несколько условно, поскольку иногда закалка происходит в начале термической обработки, а нормализация и отжиг — в конце. Технология термической обработки металлов включает в себя нагрев, поддержание рабочей температуры в течение необходимого времени и охлаждение с заданной скоростью. Кроме того, для повышения износостойкости изделий из легированной стали проводится холодная термообработка путем погружения заготовки в криогенную среду с охлаждением ниж е-150 ºC.

Отжиг

Основной особенностью отжига является нагрев до высоких температур и очень медленное, постепенное охлаждение. Эти термические режимы способствуют формированию однородной кристаллической структуры и полному снятию остаточных напряжений. В зависимости от типа металла и желаемого результата отжиг подразделяется на следующие виды:

1. Диффузионный. Деталь нагревают до температуры около 1200 ºC, а затем постепенно остужают в течение десятков часов (для массивных изделий — до нескольких суток). Обычно такой термической обработкой устраняют дендритные неоднородности структуры стали.
2. Полный. Нагрев заготовки производится за критическую точку образования аустенита (727 ºC) с последующим медленным остужением. Этот вид отжига используется чаще всего и применяется в основном для конструкционной стали. Его результатом является снижение зернистости кристаллической структуры, улучшение ее пластических свойств и понижение твердости, а также снятие внутренних напряжений. Полный отжиг иногда применяют до закалки для понижения зернистости металла.
3. Неполный. В этом случае нагрев происходит до температуры выше 727 ºC, но не более чем на 50 ºC. Результат при таком отжиге практически такой же, что и при полном, хотя он не обеспечивает полного изменения кристаллической структуры. Но он менее энергозатратный, выполняется за более короткий период, а на детали образуется меньше окалины. Такая термическая обработка используется для инструментальных и подобных им сталей.
4. Изотермический. Нагревание осуществляется до температуры, немного превышающей 727 ºC, после чего изделие сразу же переносят в ванну с расплавом при 600÷700 ºC, где оно выдерживается определенное время до окончания формирования требуемой структуры.

Другим относительно распространенным применением отжига, как в промышленности, так и в быту, является восстановление первоначальных свойств стали после неудачной закалки или пробной термической обработки.

Закалка

Закалка лежит в основе большинства процессов термической обработки, так как она гарантирует, что закаленный металл обладает желаемыми эксплуатационными свойствами. Закалка проводится в три этапа: нагрев до температуры выше 727 ºC, поддержание этой температуры до образования желаемой кристаллической структуры и быстрое охлаждение для стабилизации результата. Наиболее важными параметрами процесса закалки являются температуры нагрева и охлаждения, а также скорость этих тепловых процессов. Температура нагрева для нелегированных сталей (до 0,8 %) напрямую зависит от содержания углерода (см. рисунок ниже): чем ниже содержание углерода, тем дольше необходимо нагревать продукт. Для инструментальных сталей достаточно нагрева на 30÷50ºC выше 727ºC. Параметры термической обработки легированных сталей в значительной степени зависят от их состава, поэтому выбор температурных режимов для этих сталей должен производиться в соответствии с технологическими справочниками.

Применяемое оборудование

Оборудование, используемое для термообработки, включает в себя пять основных категорий, которые можно найти в любой установке для термообработки:

• нагревательные установки;
• закалочные емкости;
• устройства для приготовления и подачи жидких и газообразных сред;
• подъемное и транспортное оборудование;
• измерительная и лабораторная техника.

К первому типу относятся камерные печи для термической обработки металлов и сплавов. Кроме того, нагрев может осуществляться с помощью высокочастотных индукторов, систем газовой плазмы и ванн для плавления жидкостей. Для химико-термического и термомеханического лечения используется другое нагревательное оборудование. Погрузка и разгрузка продукции осуществляется с помощью кранов, подъемников и других подъемных устройств, а транспортировка между установками термообработки — с помощью специальных тележек с крепежными устройствами. Установки для термической обработки жидких и газообразных сред обычно располагаются вблизи соответствующего завода или соединены с ним трубопроводами. Наиболее важными измерительными приборами в лаборатории термообработки являются различные пирометры, а также стандартные измерительные приборы.

Особенности термообработки цветных сплавов

Основные различия в термической обработке цветных металлов и сплавов связаны с особенностями строения их кристаллической решетки, повышенной или пониженной теплопроводностью и химической активностью по отношению к кислороду и водороду. Например, при термической обработке алюминиевых и медных сплавов практически не возникает проблем с прокаливаемостью, тогда как для титана это одна из главных инженерных проблем, поскольку его теплопроводность в пятнадцать раз ниже, чем у алюминия. Медные сплавы активно реагируют с кислородом при высоких температурах, поэтому термическая обработка должна проводиться в защитной среде. Алюминиевые сплавы практически инертны к атмосферным газам, но титан склонен к гидрогенизации и должен быть отожжен в вакуумной среде для снижения содержания водорода.

Термообработка изделий из деформируемых алюминиевых сплавов (профилей, труб, уголков) требует очень точного поддержания температуры нагрева, которая не очень высока: всего 450÷500 ºC. Как можно решить эту проблему в домашних условиях с минимальными ресурсами? Если кто-то знает ответ на этот вопрос, пожалуйста, поделитесь им в комментариях.