Термическая обработка стали и металлов

Основные свойства и качества металла определяются его структурой. Термическая обработка – наиболее распространенный способ воздействия на материал, который используется для изменения его структуры а, следовательно, и свойств. Как проводится термическая обработка стали и металлов – основные виды технологического процесса, и для каких целей используется этот вид обработки? Все эти знания можно получить, ознакомившись с основами технологии металлов – отрасли науки, изучающей приемы и способы создания и обработки металлических материалов.

Немного истории

Еще в древние времена мастера кузнецких дел использовали самые примитивные методы закалки. Для этого раскаленный кусок железа погружали в воду, масло или вино. Но время шло, и вместе с опытом развивались и способы закаливания металла.

В начале XIX века хрупкий чугун помещали в емкость со льдом и засыпали сахаром. После процесса нагревания продолжавшегося в течение 20 часов, чугун становился мягким и легко поддавался ковке.

Середина XIX века знаменательна тем, что русский изобретатель металлург Д. К. Чернов совершил выдающееся открытие. Он установил, что при смене температуры металл изменяет свои свойства.

Дмитрий Константинович Чернов стал основоположником науки изучающей свойства металлов – материаловедения.

Какие способы термообработки металла существуют

Чтобы изменить технические характеристики металла, можно создать сплав на его основе и добавить к нему другие компоненты. Однако существует ещё один способ изменения параметров металлического изделия — термообработка металла. С её помощью можно воздействовать на структуру материала и изменять его характеристики.

Особенности термической обработки

Термическая обработка металла — это ряд процессов, которые позволяют снять с детали остаточное напряжение, изменить внутреннюю структуру материала, повысить эксплуатационные качества. Химический состав металла после нагревания не изменяется. При равномерном разогревании заготовки изменяется размер зёрен структуры материала.

История

Технология термической обработки металла известна человечеству с давних времён. Во времена Средневековья, кузнецы разогревали и остужали заготовки для мечей с помощью воды.

К 19 веку человек научился обрабатывать чугун. Кузнец помещал металл в емкость полную льда, а сверху засыпал сахаром. Далее начинается процесс равномерного разогревания, продолжающийся 20 часов.

После этого чугунную заготовку можно было ковать.

В середине 19 века, русский металлург Д. К. Чернов задокументировал то, что при нагревании металла, его параметры изменяются. От этого учёного пошла наука — материаловедение.

Для чего нужна термическая обработка

Детали для оборудования и узлы коммуникаций, изготавливающиеся из металла, часто подвергаются серьёзным нагрузкам. Дополнительно к воздействию давлением, они могут находиться в условиях критических температур. Чтобы выдержать такие условия, материал должен быть износоустойчивым, надёжным и долговечным.

Покупные конструкции из металла не всегда способны длительное время выдерживать нагрузки. Чтобы они прослужили гораздо дольше, мастера металлургии применяют термическую обработку.

Во время и после нагревания химический состав металла остается прежним, а характеристики изменяются. Процесс термической обработки увеличивает коррозионную устойчивость, износоустойчивость и прочность материала.

Как это устроено. Термообработка

Термообработка цветных сплавов

Представленные виды термической обработки металлов не подходят для различных видов сплавов и цветного металла. Например, при работе с медью проводится рекристаллизационный отжиг. Бронза разогревается до 550 градусов. С латунью работают при 200 градусах. Алюминий изначально закаляют, затем отжигают и подвергают старению.

Термообработка металла считается необходимым процессом при изготовлении и дальнейшем использовании конструкций и деталей для промышленного оборудования, машин, самолётов, кораблей и другой техники. Материал становится прочнее, долговечнее и устойчивее к коррозийным процессам. Выбор технологического процесса зависит от используемого металла или сплава.

В чем заключаются преимущества термообработки?

При проведении термической обработки улучшаются свойства металла, что очень ценно в масштабах современного промышленного производства. К основным преимуществам термообработки можно отнести:

повышение износостойкости, а значит продление срока годности изделий из обработанного металла;
значительное уменьшение процента бракованных изделий;
экономия средств и ресурсов на производстве в результате повышения прочности и улучшения качественных характеристик деталей промышленного оборудования.

Суть термической обработки состоит в соблюдении определенной последовательности технологических операций по нагреву, выдержки и охлаждения металла.

Благодаря чему материалы приобретают иные физико-математические свойства за счет воздействия температур и изменения структуры металла.

Старение

Старение – это термическая обработка сплавов, обуславливающая процессы распада пересыщенного металла после закалки. Результатом старения является увеличение пределов твёрдости, текучести и прочности готового изделия. Старению подвергаются не только чугун, но и цветные металлы, в том числе и легко деформируемые алюминиевые сплавы. Если металлическое изделие, подвергнутое закалке выдержать при нормальной температуре, в нём происходят процессы, приводящие к самопроизвольному увеличению прочности и уменьшению пластичности. Это называется естественное старение металла. Если эту же манипуляцию проделать в условиях повышенной температуры, она будет называться искусственным старением.

Принципы обработки

Основной принцип – суммарное время термообработки на заготовку равняется времени необходимому на ее нагрев до требуемой температуры, времени выдержки металла под нужной температурой и способа охлаждения.

Время и степень нагрева материала определяется индивидуально, они зависят от нескольких факторов:

размера обрабатываемой детали;
вида металла;
типа печи, в которой обрабатывается заготовка;
скорости преобразования свойств материала.

Ознакомиться с основными видами и способами термической обработки можно на примере такого металла, как сталь. В современной промышленности сталь является самым востребованным видом металла. Она используется при изготовлении как массивных конструкций, так и при создании сверхточных инструментов.

Изобретение этого материала стало возможным в результате получения сплава железа и углерода. Содержание углерода в стальном сплаве составляет не более 2,1%. Как производится термическая обработка стальных изделий?

Термическая обработка металлов

Принцип термической обработки металлов

Результаты, которые могут быть получены при термической обработке, в значительной степени зависят от структуры металла и того, как структура изменяется при нагревании и охлаждении металла. Для чистых металлов термическая обработка малоэффективна, поскольку при нагревании их структура мало изменяется. С другой стороны, большинство сплавов поддаются термической обработке именно потому, что их структура изменяется в процессе нагревания и охлаждения.

Исходный сплав может находиться в следующих формах:

Твёрдого раствора;
Механической смеси;
Комбинации твёрдого раствора и механической смеси.

Когда сплав находится в форме твёрдого раствора, элементы и соединения, образующие сплав, растворяются один в другом, почти так же, как соль растворяется в стакане воды. Составные части не могут быть идентифицированы даже под микроскопом. Когда два или более элемента или соединения смешиваются, но могут быть идентифицированы с помощью микроскопического исследования, образуется механическая смесь.

Механическую смесь можно сравнить со смесью песка и гравия в бетоне, когда отчётливо видны и песок, и гравий. Подобно тому, как песок и гравий удерживаются вместе смесью цемента, так и другие составляющие сплава погружаются в смесь, образованную основным металлом.

Сплав, который находится в виде механической смеси при обычных температурах, может превращаться в твёрдый раствор при нагревании. При охлаждении до нормальной температуры сплав может вернуться к своей исходной структуре. Вместе с тем, он может оставаться твёрдым раствором или образовывать комбинацию твёрдого раствора и механической смеси.

Сплав, состоящий из комбинации твёрдого раствора и механической смеси при нормальных температурах, может превратиться в твёрдый раствор при нагревании. При охлаждении сплав может оставаться твёрдым раствором, возвращаться к своей первоначальной структуре или образовывать сложный раствор.

Таким образом, все виды термической обработки стали представляются цепочкой взаимосвязанных событий/циклов. Эти циклы включают:

Нагрев (обычно медленный, для того, чтобы обеспечить структурную равномерность);
Выдержку металла при заданной температуре в течение определённого периода времени;
Охлаждение (или возвращение) металла к комнатной температуре, иногда быстро, иногда медленно.

В цикле нагрева первостепенное значение имеет равномерность температур. Если одна часть детали нагревается быстрее, чем другая, возникающее в результате неравномерное расширение часто вызывает деформацию или растрескивание детали.

Скорость нагрева детали зависит от нескольких факторов. Одним из важных является теплопроводность металла. Металл, который легко проводит тепло, может нагреваться с большей скоростью, чем металл, при котором тепло не может быстро поглощается всей деталью. Состояние металла также влияет на скорость его нагрева. Например, скорость нагрева закалённых инструментов и деталей должна быть ниже, чем у металлов, не находящихся в напряженном состоянии.

Размер и поперечное сечение имеют важное влияние на скорость нагрева. Детали с развитым поперечным сечением требуют более медленного нагрева, чем тонкие детали. Эта необходимо для того, чтобы внутреннее пространство было нагрето до той же температуры, что и поверхность. Нагрев таких заготовок затруднён, зато они менее склонны к растрескиванию или чрезмерной деформации.

Целью термической обработки является изменение свойств металла. Для этого металл должен быть нагрет до температуры, при которой происходят внутренние структурные изменения. Эти изменения происходят, когда составляющие металла переходят в раствор. Однако каждый металл обладает свойством тепловой инерции. Это означает, что, после того, как металл нагреется до надлежащей температуры, его необходимо выдерживать при этой же температуре, пока металл не прогреется полностью.

Время выдержки зависит от химического состава металла и массы детали. Если стальные детали неоднородны по поперечному сечению, то время выдержки определяется самым большим сечением.

Температура металла редко повышается от комнатной до конечной за одну операцию. Поэтому сталь медленно нагревают до температуры ниже точки, при которой образуется твёрдый раствор, а затем выдерживают при этой температуре до тех пор, пока тепло не поглотится металлом. Эта стадия называется предварительным нагревом, после него нагрев можно вести быстрее. Предварительный нагрев способствует достижению равномерной температуры по всей детали, снижая риск деформации и растрескивания.

После нагрева до надлежащей температуры металл необходимо вернуть к комнатной температуре, завершив процесс термообработки. Металл охлаждается путем непосредственного контакта с газом, жидкостью или их сочетанием. Твердое, жидкое или газообразное вещество, используемое для охлаждения металла, называется «охлаждающей средой». Скорость охлаждения металла зависит от:

Вида металла,
Желаемых свойств;
Характеристик охлаждающей среды.

Выбор охлаждающей среды имеет важное влияние на получаемые свойства. Чаще других используют масло и воду. Вода (и растворы на её основе) охлаждают быстрее и должны использоваться только для металлов, которые требуют быстрого охлаждения. Масло охлаждает медленнее и больше подходит для металлов, которые легко повредить при быстром охлаждении. Углеродистые стали чаще охлаждают в воде, а легированные стали — в масле.

Классификация и виды термообработки

Существует несколько видов термической обработки стали:

термическая – характеризуется исключительно температурным воздействием на свойства металлов;
термомеханическая обработка – сочетание воздействия температуры и пластической деформации заготовки;
химико-термическая обработка – представляет собой совокупность температурного воздействия с химическими веществами.

В зависимости от структуры стали, виды термической обработки подразделяются следующим образом:

процесс отжига;
нормализация;
закалка;
обработка холодом;
отпуск.

Термическая обработка стали проводится для придания металлу свойств, необходимых при промышленной эксплуатации изделий, например, повышенной прочности. А также при технологических процессах, когда термическая обработка является промежуточной операцией, а не завершающей.

Это требуется когда необходимо осуществить понижение твердости стали для последующей обработки. Уменьшение твердости требуется при обработке начальных заготовок из стали. Для обработки же готовых деталей используются процессы, способствующие повышению их прочности, износостойкости и твердости.

Термическая обработка сталей и металлов, что это такое – основные виды термообработки сплавов

14Ноя

статьи

Разновидности металлических веществ имеют различную степень прочности, склонность к коррозии и прочим химическим реакциям.

С помощью нагрева можно добиться от заготовки необходимых свойств, улучшить износостойкость, подготовить к дальнейшим процедурам в ходе металлообработки.

В статье расскажем про термическую обработку деталей из стали – что это такое, какие основные виды термообработки металлов бывают.

Назначение технологического процесса

Работать можно как с заготовками, так и с готовыми изделиями. У первых снимается внутреннее напряжение после различных типов литья и штамповки, материал становится более пластичным, с ним намного проще работать, особенно резать его. Если обрабатывается целая деталь, то преследуются цели:

повышение прочности;
защита от преждевременного ржавления;
увеличение стойкости к температурным перепадам, становится больше верхний и нижний порог температур, при которых можно использовать предмет;
продление потенциальной длительности эксплуатации.

Преимущества технологии

Этот процесс применяется повсеместно на многих предприятиях – каждое второе производство металлической продукции требует теплового воздействия. Это обусловлено достоинствами:

Работать можно со сталью, цветными металлами и сплавами – широкий спектр.
Увеличение срока годности изделия.
Снижение уровня абразивного износа.
Намного меньше становится процент брака на производственных цехах.
Экономия средств, так как с термообработанной заготовкой проще проводить ряд манипуляций.

Принципы обработки

Главное правило – время, затраченное на одну деталь равняется длительности нагрева материала в зависимости от его предельной температуры, периоду выдержки и охлаждению. Суммарный подсчет позволяет вычислить итоговое временное значение. Каждый из этих пунктов зависит от:

габаритов заготовки;
вида металла, подвергаемого термообработке;
мощности печи.

От всего этого зависит, как скоро произойдут преобразования.

Классификация

Все разновидности используются с различными целями, с разными материалами. Для этого остается прежней технология – нагрев, выдержка, остужение, но при этом меняется время каждого из этапов. Особенности представлены в видео:

Низкий

Основная задача – повышение вязкости при той же твердости. Это достигается путем придания внутренней микроструктуры игольчатого или пластиночного типа. Часто применяют для термической обработки режущих деталей, медицинских инструментов. Заготовку нагревают в пределах 150-250 градусов. Выдерживают не менее полутора часов, а затем остужают с помощью воздуха или масла.

Средний

Здесь мартенсит (вид структуры, описанный выше) преобразуется в трустит, что характерно для чугуна. Особенность – высокая дисперсия. При такой же высокой вязкости твердость тоже растет. Это очень важно для элементов, на которые будут возлагаться большие упругие нагрузки. Температурные пределы – от 340 до 500, воздушное охлаждение.

Высокий

Кристаллизация происходит с появлением сорбита. Благодаря ему совершенно ликвидируется напряжение внутри сплава. Такой метод применяется для конструкций, имеющих очень важное значение – в самолетостроении, при строении космических объектов. Температура нагрева – от 450 до 650 градусов.

Общее определение и виды

При отливе или прочих первичных процессах обработки помимо напряжения появляются дефекты. Убрать эти изменения и добиться однородной структуры кристаллической решетки можно с помощью следующего алгоритма действий:

нагрев – необходимо немного превысить критическую отметку для этой разновидности стали;
определенный период требуется держать стабильный температурный режим;
следует медленно остудить заготовку вместе с печью.

У отжига есть следующие разновидности.

Гомогенизация

Относится к первому роду, когда изменения считаются незначительными. Задача подобной манипуляции – убрать неоднородность структуры, привести ее к однообразию. При этом следует нагревать изделие в температурном режиме от 1000 до 1150 градусов, затем выдерживать около 8-15 часов и постепенно снижать нагрев, охлаждая заготовку кислородом.

Рекристаллизация

Тоже разновидность 1 фазы отжига. Задача процедуры – привести все кристаллы в единый вид, а также снять внутреннее напряжение металла. Существует два подвида:

смягчающий – обычно используется в качестве финальной обработки, подразумевает улучшение пластических характеристик;
упрочняющий – увеличивает упругость, особенно актуально для закалки пружин.

Температура выбирается в зависимости от сплава, обычно на 100-200 градусов выше, чем точка рекристаллизации. Час или два необходимо поддерживать температурный режим, чтобы потом дать остывать не спеша.

Изотермический отжиг

Цель – достижение высокотемпературной гранецентрированной модификации железа (распад аустенита) для его смягчения. При этом получается более однородная структура изделия. Чаще такой тип металлообработки применяют к небольшим штамповкам, потому что их можно без проблем подвергнуть быстрому охлаждению. Процесс:

нагрев на 20-30 градусов больше предела материала;
непродолжительное выдерживание;
быстрое остывание – это преимущество перед прочими подвидами.

Для устранения напряжений

Это операция удаления, снятия негативного внутреннего состояния излишней твердости, из-за которой металл становится хрупким и недолговечным. Он быстро деформируется от внешних физических воздействий. Процесс подразумевает температуры от 700 до 750, затем небольшое охлаждение до 600 и выдержку до 20 часов, затем под воздействием воздуха медленное остужение.

Отжиг полный

Применяется для создания пластичной, однородной мелкозернистой структуры. Наиболее характерный метод промежуточного воздействия на металлопрокат – после литья, ковки, штамповки и до резания любым способом. Этапы:

нагрев на 30-50 больше предела стали;
выдерживание;
очень медленное остывание вместе с печью – в 60 минут не более 50-150 градусов.

Неполный

Значительные преобразования на уровне кристаллической решетки отсутствуют, но придается твердость ранее пластичным материалам. Это особенно нужно конструкциям, образованным методом сварных соединений, а также инструментам, которым нужна особенная прочность. Метод предполагает температуру около 700, и спустя 20 часов постепенное охлаждение.

Закалка, как основной вид термической обработки стали

Очень распространенный метод термообработки, так как он позволяет сделать изделие менее восприимчивым к сжатию, сдвигу, а также придать ему прочность и долговечность, невосприимчивость к внешним физическим воздействиям. Это происходит за счет придания игольчатой структуры металлу. «Иглами» вещество застывает из-за недостатка легирующих материалов.

Заготовку сильно прогревают, а потом охлаждают максимально быстро, используя внешние источники – воду, масло, раствор с добавлением соли. Из-за скорости в полурасплавленном сплаве не успевают произойти диффузионные процессы. Дешевле всего создавать водяные ванны, но на поверхности могут появиться трещины, масляная среда – самая предпочтительная.

Криогенная термообработка

Еще один термальный способ воздействия, но без нагрева. Изделие помещают в холодильную установку, иногда ей является целый цех при крупногабаритных конструкциях. Низкие температуры и последующее согревание снижает риск коррозии, продлевает срок эксплуатации, увеличивая прочность.

Термомеханическое воздействие

ТМО пользовались еще кузнецы в древности. Это любые пластичные деформации (удары, сжатия), производимые посредством нагревания всего изделия или элемента. Его обычно сочетают с закаливанием, то есть после деформирования быстро охлаждают.

Закаливаемость и прокаливаемость стали

Этими показателями определяются результаты всех вышеперечисленных процедур. Первый термин – это твердость, которая напрямую связана с количеством углерода, а второй – это глубина закалки, то есть какой верхний слой был подвергнут изменениям.

Способы охлаждения

Есть несколько сред, в которых можно снимать температуру:

воздух;
жидкость;
расплавленная соль;
масло;
соляной раствор;
комбинирование вышеперечисленных веществ.

Выбирается в зависимости от разновидности термообработки.

Вывод

Это один из самых часто встречаемых на производстве методов металлообработки, без него часто не приступают к горячей штамповке, к резке. Мы перечислили все основные виды термической обработки металлов и сплавов, их особенности, а в качестве завершения статьи посмотрим несколько видео:

Чтобы уточнить интересующую вас информацию, свяжитесь с нашими менеджерами по телефонам;; 8 (800) 707-53-38. Они ответят на все ваши вопросы.

Общее определение и виды отжига

В процессе литья, ковки и прочих операций, применяемых для изготовления заготовок, металл приобретает неоднородную структуру, появляются внутренние напряжения.

Неоднородность химического состава отливок вызывает дефекты и для его устранения применяется процесс отжига. Принцип этого способа состоит в том, что заготовку или деталь нагревают до определенной температуры, а затем производится процесс медленного охлаждения.

Отжиг также подразделяется на несколько режимов:

отжиг 1-го рода – диффузионный, рекристаллизационный, уменьшающий напряжение металла;
отжиг 2-го рода – полный, неполный, изотермический.

Задачи и эффекты термообработки

При нагреве до температур, превышающих температуру рекристаллизации, микроструктура большинства марок сталей становится равновесной, а свойства – более равномерными во всех направлениях. Однако при естественном охлаждении такие преимущества не сохраняются. Более того, образуются грубые кристаллиты, возрастает полосчатость и иные дефекты, ухудшающие эксплуатационные свойства металла.
Для сохранения положительных характеристик было бы удобно зафиксировать при комнатных температурах благоприятные фазово-структурные изменения. Самый простой способ – нагреть изделие до нужной температуры, а затем быстро его охладить. На этом принципе построено большинство технологий термообработки.

Когда мы говорим об изменении механических свойств, то имеем в виду прочность на сдвиг, ударную вязкость предел прочности и твёрдость стали. Учет такого механического изменения свойств позволяет коечной продукции быть более эффективной при выполнении повседневных задач и более устойчивой к износу даже в самых тяжелых условиях. Правильная термообработка стали снижает трудоёмкость других важных этапов производства. Например, в результате разумно использованных возможностей процессов термообработки можно снять напряжения, облегчая сборку или сварку конструктивных элементов, а также оптимизировать размеры их сечений.

Шестерни, валы, подшипники и другие важные компоненты машиностроительных узлов значительно выигрывают от таких процессов термообработки, когда увеличивается их износостойкость и общий срок службы. В частности, повышение усталостной прочности позволяет стальным изделиям более эффективно сопротивляться знакопеременным и ударным нагрузкам.

Велика роль процессов термообработки и в инструментальном производстве. Твёрдые стали и сплавы часто используются в качестве режущих и штамповых деталей, где необходимо поддерживать четкость формы и кромки. При этом можно достигать требуемого баланса между поверхностными твёрдыми слоями инструмента и более вязкой, пластичной сердцевиной.

Суммируя, можно отметить, что в результате термической обработки материал:

Становится более прочным и твёрдым (или, наоборот, более мягким и пластичным!);
Повышает свою усталостную прочность;
Улучшает свариваемость;
Обеспечивает необходимую микроструктуру;
В ряде случаев изменяет химический состав поверхности.

Во многих случаях термообработка обратима, что позволяет изменять свойства стали, если по каким-либо причинам полученные характеристики не удовлетворяют производственным требованиям.

Описание отжига 1-го рода

Целью проведения термических операций, относящихся к 1 типу отжига, является устранение неоднородности и неравновесия структуры стали возникших в результате предшествующих технологических обработок. Исходя из состояния заготовки, к нему могут применяться следующие процессы:

снятие внутренних напряжений;
рекристаллизация;
гомогенизация (диффузионный отжиг).

Отжиг 1-го рода применяется по отношению к любому виду металла или сплава, его проведение не влечет за собой какие-либо фазовые превращения. Решающими факторами этого способа термообработки стали являются: высокая температура нагрева и время выдержки металла при этой температуре.

Термомеханическая обработка

Новый метод обработки сплавов сочетает в себе обработку металлов при высоких температурах с механической деформацией изделий, находящихся в пластичном состоянии. Термомеханическая обработка (ТМО) по способу совершения может быть трёх видов:

Низкотемпературная ТМО состоит из двух этапов: пластической деформации с последующим закалкой и отпуском детали. Главное отличие от других видов ТМО – температура нагрева до аустенитного состояния сплава.
Высокотемпературная ТМО подразумевает нагрев сплава до мартенситного состояния в сочетании с пластической деформацией.
Предварительная – деформация производится при t 20 с последующей закалкой и отпуском металла.

Диффузионный отжиг или гомогенизация

Смысл диффузионного отжига заключается в нагреве заготовки до температуры не менее 1000˚C, выдержке при высоких температурах от 8 до 15 часов и постепенном охлаждении. В результате длительного воздействия нагрева ускоряются диффузионные процессы, благодаря чему структура металла становится более однородной.

При обработке этим методом легированной стали удается добиться ее пластичности, что значительно облегчает ее дальнейшую механическую обработку.

К недостаткам диффузионного метода относится – возможность возникновения следующих побочных эффектов:

ухудшение механических свойств стали ввиду роста зерна;
появление вторичной неоднородности и пористости;
возникновение коагуляции избыточных фаз.

По этой причине гомогенизация считается предварительной обработкой.

После нее рекомендуется провести полный отжиг или нормализацию стали.

Отжиг

Отжиг – производственный процесс, при котором металлы и сплавы подвергаются нагреванию до заданного значения температуры, а затем вместе с печью, в которой происходила процедура, очень медленно естественным путём остывают. В результате отжига удаётся устранить неоднородности химического состава вещества, снять внутренне напряжение, добиться зернистой структуры и улучшить её как таковую, а также снизить твёрдость сплава для облегчения его дальнейшей переработки. Различают два вида отжига: отжиг первого и второго рода.

Отжиг первого рода подразумевает термическую обработку, в результате которой изменения фазового состояния сплава незначительны или отсутствуют вовсе. У него также есть свои разновидности: гомогенизированный – температура отжига составляет 1100-1200 , в таких условиях сплавы выдерживают в течение 8-15 часов, рекристаллизационный (при t 100-200 ) отжиг применяется для клёпаной стали, то есть деформированной уже будучи холодной.

Отжиг второго рода приводит к значимым фазовым изменениям сплава. Он также имеет несколько разновидностей:

Полный отжиг – нагрев сплава на 30-50 выше критической температурной отметки, характерной для данного вещества и охлаждения с указанной скоростью (200 /час – углеродистые стали, 100 /час и 50 /час – низколегированные и высоколегированные стали соответственно).
Неполный – нагрев до критической точки и медленное охлаждение.
Диффузионный – температура отжига 1100-1200.
Изотермический – нагрев происходит так же, как при полном отжиге, однако после этого проводят быстрое охлаждение до температуры несколько ниже критической и оставляют остывать на воздухе.
Нормализованный – полный отжиг с последующим остыванием металла на воздухе, а не в печи.

Отжиг методом рекристаллизации

В процессе проведения холодной пластической деформации в структуре стали может возникнуть неоднородность, а также изменения размеров и формы кристаллов и рост внутреннего напряжения металла.

Для устранения подобных явлений применяется рекристаллизационный способ отжига. Рекристаллизационный отжиг может быть двух видов: упрочняющий и смягчающий.

Смягчающий способ часто используется в качестве окончательной обработки – для улучшения пластичных свойств при сохранении достаточной прочности металла.

Упрочняющий вид отжига применяется для улучшения упругости таких деталей, как мембраны или пружины.

В промышленности рекристаллизационный тип отжига применяется в качестве предварительной обработки перед обработкой металла методом холодного давления, а также для окончательной обработки деталей для закрепления необходимых свойств.

Уменьшение напряжений металла (низкий отжиг)

Остаточное напряжение металла является побочным явлением литья, ковки или некоторых видов термической или механической обработки и способны вызвать разрушение металла. Низкий отжиг применяется для того, чтобы полностью или частично снять эти напряжения.

Метод состоит в том, что отжиг совершается при температурном режиме ниже 700˚C на протяжении примерно 20 часов. Этого времени достаточно для практически полной ликвидации остаточных напряжений.

Промышленная термообработка

Особенности отжига 2-го рода

При обработке стали методами отжига 2-го рода происходит полное или частичное изменение структуры материала. Происходит этот процесс из-за двойной перекристаллизации, благодаря которой размеры зерен уменьшаются, а также происходит устранение внутренних напряжений.

В промышленном производстве этот вид отжига используется при проведении предварительной или окончательной обработки заготовки.

Существуют следующие виды отжига 2-го рода:

полный;
неполный;
сфероидизирующий отжиг;
изотермический.

Значение полного отжига

Эта технология применяется для создания мелкозернистой структуры стальных заготовок, произведенных методом ковки, литья или горячей штамповки. В результате обработки материал становится пластичным, исчезает внутреннее напряжение. Сталь приобретает однородную мелкозернистую структуру.

Методом полного отжига обрабатывается сталь, предназначенная для последующей обработки резанием и закаливания изделия.

При проведении полного отжига температура нагрева превышает установленные критические показатели на 40–50˚C.

Процесс неполного отжига

При этом виде термической обработки стали фазовые превращения, как правило, отсутствуют или проявляются в количестве, не имеющем какого-либо влияния на результат. Изделия или заготовки из стали подвергаются нагреву при температурах выше нижнего критического уровня. После выдерживания в нагретом состоянии в течение определенного времени, металл медленно охлаждается.

Отжиг на зернистый перлит (сфероидизация)

Сфероидизирующий отжиг широко используется для термообработки углеродистой и легированной инструментальной стали. Металл нагревается примерно на 30˚C выше критической точки, и выдерживают установленное количество времени. До 600˚C процесс охлаждения проходит очень медленно в печи, затем сталь остывает на воздухе. Благодаря такому способу обработки удается получить зернистую (округлую) форму перлита, что значительно облегчает обработку резанием заготовки.

Изотермический отжиг

Суть изотермического отжига стали заключается в накаливании металла, его быстрого охлаждения до определенного температурного уровня и выдержки до распада аустенита.

Далее, охлаждение продолжают на открытом воздухе.

Структура стали при использовании этого метода становится более однородной, как при полном отжиге. Преимущество изотермического способа заключается в том, что по сравнению с полным отжигом весь технологический процесс занимает меньше времени. Изотермическая обработка применяется в основном для отжига небольших изделий – штамповок, заготовок для инструментов.

Применяемое оборудование

Термические печи можно разделить на два основных типа: периодические и непрерывные. Принципиальная разница между ними заключаются в том, как обрабатываемые заготовки размещаются в агрегатах, и как они взаимодействуют с атмосферой внутри печей.

Основными источниками энергии для нагрева оборудования являются природный газ и электричество. Реже используются альтернативные источники энергии, например, мазут.

Печи, в которых ведётся термообработка металлов, классифицируются по верхнему пределу температуры нагрева. Обычно используемый температурный диапазон – от 600 до 8000С. Преимущественно применяется конвекционный нагрев, основанный на циркуляции воздуха, продуктов сгорания или инертного газа находящихся внутри печи.

Установки периодического действия, как правило, обрабатывают заготовки партиями, причём нагрев каждой партии может продолжаться несколько часов (а иногда – и суток). В печи периодического действия рабочая загрузка обычно является стационарной, так что взаимодействие с изменениями в атмосфере печи осуществляется в условиях, близких к равновесным. Типы периодических печей:

Колпаковые;
Коробчатые;
Нагревательные колодцы;
С подвижным подом;
С псевдоожиженным слоем;
Шахтные;
Вакуумные.

Печи непрерывного действия различаются способом движения обрабатываемых заготовок и характеристиками рабочей среды (воздух, инертный газ или вакуум).

Типы печей непрерывного действия:

Камерные;
Ленточные
Монорельсовые
Толкательные
С роликовым/вращающимся подом;
Печи с вибрирующим подом;
Вакуумные печи;
С шагающими балками.

Наилучшее регулирование параметрами нагрева обеспечивают электропечи.

Нормализация стали

Процесс представляет собой нагрев стали, с небольшой выдержкой в определенном температурном режиме и с последующим охлаждением на воздухе, а не в печи.

Широко используется в качестве промежуточной обработки стали для улучшения структуры металла перед его закалкой, и для его смягчения перед резанием. По своей сути нормализация напоминает процесс отжига.

В основном процесс нормализации применяется для термической обработки углеродистых сталей. В результате отпадает необходимость в закалке стали со средним содержанием углерода.

В ходе обработки наступает полная перекристаллизация стали и устраняется крупнозернистость структуры. А также нормализацию часто применяют для термообработки низкоуглеродистой стали вместо полного отжига. Для стальных сплавов с высоким содержанием углерода полный отжиг необходим.

Особенности термообработки цветных сплавов

Большинство сплавов можно подвергать двум видам термообработки – закалке и старению. Последняя разновидность представляет собой отпуск, проводимый при температурах 120…2000С, с охлаждением при комнатной температуре (естественное старение) или с подачей воздушной струи (искусственное старение).

Однако существует большой разброс между многими комбинациями металлов и цветных сплавов по скорости деформационного упрочнения, что затрудняет систематизацию процессов термообработки цветных сплавов.

Основные особенности:

Сплавы системы «медь-никель» эффективно поддаются механо-термической обработке, при которой структура становится мелкозернистой, но твёрдость повышается.
Все виды цветных сплавов поддаются отжигу, при этом тип нагрева не имеет значения, поскольку интенсивность окалинообразования невысока. Меньшее влияние на эффективность отжига оказывает время, чем температура.
Закалка цветных сплавов значительно менее эффективна. За исключением титана, широко используемые сплавы алюминия, меди и магния не являются аллотропными; таким образом, они не реагируют так же, как стали, при своём нагревании и охлаждении.
Многие сплавы типа бронз термообработке вообще не поддаются, поскольку для этих сплавов твердые растворы, образующиеся при повышенной температуре, остаются полностью стабильными при комнатной температуре или ниже.
Температурные и временные циклы термообработки охватывают широкий диапазон, который зависит не только от состава сплава, но и от того, находится ли сплав в деформируемом или литом состоянии.

Цветные металлы редко подвергаются предварительному нагреву, поскольку он приводит к увеличению размера зерна и ухудшает структуру сплава.

Закалка стали

Закалка – способ термической обработки стали, в процессе которого производится нагрев металла приблизительно до 900˚C, определенной выдержки и последующего очень быстрого охлаждения. Благодаря такой технологии повышается прочность и износостойкость сплава, и улучшение его других физико-механических характеристик.

Для проведения успешной термической обработки правильный выбор закалочной среды имеет большое значение.

Наиболее часто для проведения закалки используется:

вода;
солевые растворы;
едкие щелочные материалы;
технические масла.

Масло один из материалов используемый для закалки металла

Резюме

Термическая обработка металлов и сплавов является основным технологическим процессом, как в чёрной, так и в цветной металлургии. Современные технологии располагают множеством методов термообработки, позволяющих добиться нужных свойств каждого вида обрабатываемых сплавов. Для каждого металла свойственна своя критическая температура, а это значит, что термообработка должна производиться с учётом структурных и физико-химических особенностей вещества. В конечном итоге это позволит не только достичь нужных результатов, но и в значительной степени рационализировать производственные процессы.

Закаливаемость и прокаливаемость стали

Для закалки характерны следующие показатели – закаливаемость и прокаливаемость материала:

Закаливаемость определяет твердость, которую приобретает сталь после проведения закалки. Твердость имеет прямую зависимость от содержания углерода в обрабатываемом металле. Например, к материалу с содержанием углерода ниже 0,3% закалка не применяется ввиду ее неэффективности.
Прокаливаемость определяет глубину, на которую распространяется область закалки. Этот показатель зависит от химического состава стали, а также от скорости охлаждения. Чем быстрее происходит охлаждение металла, тем глубже прокаливается заготовка. Содержание углерода также имеет влияние на этот показатель – чем выше его содержание, тем больше степень прокаливания. Размер заготовки или детали являются еще одним фактором, определяющим глубину обработки – большим деталям требуется больше времени для остывания, следовательно, и прокаливание распространится на меньшую глубину.

Сущность процессов термообработки

Задачами различных технологий термической обработки является:

Обеспечение наиболее благоприятной микроструктуры сталей и сплавов;
Получение нужного уровня твёрдости: либо в тонкой поверхностной (или подповерхностной) зоне, либо по всему поперечному сечению заготовки;
Коррекция химического состава в зёрнах макроструктур различных сплавов.

В первом случае необходимо обеспечить максимальную степень однородности свойств металлов, что важно, например, для последующей механической или – особенно – деформирующей их обработки. В результате условия формоизменения заготовки по всем трём координатным осям оказываются одинаковыми, а брак конечной детали исключается.

Термическая обработка металла

Кроме того, выравнивание микро и макроструктуры для процессов обработки металлов давлением необходимо для того, чтобы повысить степень деформации полуфабрикатов, приближая в итоге форму заготовки к форме готового изделия. Причём за наименьшее количество переходов, и используя минимально необходимое для этого усилие оборудования.

Изменение твёрдости (как следствие термической обработки) имеет своей целью улучшение эксплуатационных показателей деталей. Поскольку условия эксплуатации могут быть самыми разными, то и комплекс физико-механических свойств подбирается строго индивидуально: универсальных процессов термообработки сплавов с различным составом не существует.

Изменение химического состава в зёрнах микроструктуры, вследствие образования новых соединений в большинстве случаев не только поднимает показатели твёрдости, но и повышает износостойкость деталей, которые должны эксплуатироваться при повышенном трении, температуре или увеличенных против обычного удельных нагрузках.

Закалка-отпуск

В первую группу технологий термообработки различных сплавов, включая сталь, входят отжиг и отпуск. Во вторую — закалка, нормализация, улучшение, старение, обработка холодом. В третью – все виды термохимической обработки.

Отжиг

Суть процессов, протекающих в структуре большинства сплавов, подвергаемых отжигу – обеспечить наиболее равновесную структуру заготовки, в которой или отсутствуют внутренние напряжения, или их уровень достаточно низок, а потому не влияет на последующую обрабатываемость металлов/сплавов.

Печи для отжига производства BOSIO

Исходная структура практически всех сплавов и сталей представляет собой достаточно крупные зёрна, между которыми располагаются включения и примеси, преимущественно сера и фосфор. Это увеличивает хрупкость металла, что может быть важно при формообразовании из слитка (или катанки) изделий сложной конфигурации. Поэтому необходимо снизить размер зерна и придать ему оптимальную форму эллипсоида, при которой механические свойства будут примерно одинаковы по всем трём координатным осям.

Отжиг цветных металлов

С этой целью исходную заготовку необходимо нагреть до температуры на 50…700С выше температуры начала аустенитного превращения. Именно его итогом является образование мелких и хорошо ориентированных зёрен аустенита между зёрнами основных структурных составляющих стали – феррита и цементита. Аустенит образуется из перлита – структуры, имеющей наиболее крупные зёрна, которая способствует повышенной хрупкости любого слитка. Аустенитное превращение для большинства сплавов протекает достаточно медленно, поэтому отжиг – длительная процедура, которая должна продолжаться не менее часа.

Отжиг металла

Вторая важная задача отжига – снять внутренние напряжения, которые формируются в заготовке при её обработке давлением в холодном состоянии. Дело в том, что любая деформация сопровождается дроблением зёрен исходной структуры сталей и сплавов. В итоге зёрен становится больше, сопротивление деформации возрастает, что не только требует повышенного усилия деформирования, но и становится причиной разрушения полуфабриката, степень деформации которого превысила критический для данного металла показатель.

Соответственно, для реализации первой задачи применяется технология высокотемпературного отжига (для сталей, в зависимости от содержания углерода, она колеблется в пределах 550…7500С), а во втором – низкотемпературного отжига (180…2200С).

Способы высокотемпературного отжига

Нагрев происходит медленно, с последующей выдержкой изделия при заданной температуре, после чего следует медленное же охлаждение. Для легированных сталей и сплавов такое охлаждение ведут с особо низкой скоростью, в самой печи, где происходил отжиг.

Отпуск

Отпуск по технологии напоминает отжиг, но производится не с заготовкой, а с готовым изделием, а потому преследует иные задачи – снять внутренние напряжения после термической обработки, которая проводилась на повышенную твёрдость детали.

Отпуск металла

Самостоятельным процессом термической обработки отпуск не является. В отличие от отжига, отпуск иногда выполняется в несколько приёмов: в большинстве случаев это касается изделий, для производства которых использовались различные виды высоколегированной стали.

Закалка

Схема структурных превращений мартенсита в стали у-8 при нагреве
Закалка заключается в быстром нагреве заготовки до температуры окончания аустенитного превращения (900…11000С – для низкоуглеродистых сталей, 750…8500С – для высокоуглеродистых) и последующем быстром охлаждении в специальных закалочных средах. В качестве последних используется вода (для изделий малоответственного назначения) или масло.

Режимы закалки отличаются наибольшим разнообразием. Основным фактором, определяющим эффективность закалки, является интенсивность образования в структуре мартенсита – высокотемпературной составляющей, которая придаёт металлу или сплаву повышенную твёрдость.

Условия образования мартенсита определяются следующими обстоятельствами:

Марками сталей или сплавов.

Интервал температур нагрева под закалку углеродистых сталей
Исходной структурой.
Требуемой конечной твёрдостью.
Необходимостью наличия ряда соединений в микроструктуре, которые образуются лишь при повышенных температурах.

Соответственно для каждой марки стали или сплава разработаны индивидуальные режимы закалки, которые различаются:

Скоростью нагрева заготовки до необходимых температур (допускаемая погрешность для некоторых видов

Режим закалки стали в зависимости от марки
высоколегированных сплава может составлять 20…300С, что вынуждает применять закалочные печи с автоматически регулируемой температурой в рабочем пространстве);
Длительностью выдержки изделия в печи при заданной температуре;
Интенсивностью охлаждения изделия;
Количеством циклов закалки и последующего отпуска.

Особенно тщательно ведут закалку сталей и сплавов со сложным составом, включающим несколько легирующих элементов (в частности, кобальта, молибдена). Указанные металлы в процессе образуют по границам зёрен основной структуры интерметаллидные соединения, которые существенно увеличивают твёрдость и прочность сталей (в частности, инструментальных). Форма и концентрация интерметаллидов зависят только от точности соблюдения технологии закалки.

Присутствие в стали молибдена или вольфрама повышает теплостойкость, прокаливаемость и уменьшает склонность к обратимой хрупкости

Виды закалки определяются оборудованием, на котором она выполняется. Например, для таких изделий, как шестерни, валы, направляющие колонки, где требуется оптимальное сочетание высокой поверхностной твёрдости и относительно вязкой сердцевины, используется поверхностная закалка токами высокой частоты.

Закалка ТВЧ, закалка стали, температура закалки

Для этого изделие помещают в индукционную катушку, по которой пропускается высокочастотный (до 15000…25000 Гц) ток. Проникая на ограниченную глубину, этот ток способствует увеличению поверхностной прочности сталей или сплавов. В результате усталостная прочность деталей, которые работают при циклически изменяющихся напряжениях растяжения-сжатия, заметно возрастает.

Более интенсивное изменение твёрдости поверхности детали можно получить, используя для закалки высокоэнергетические источники тепла – искровой или дуговой разряд. Разряды должны возбуждаться в жидкой среде, куда помещают обрабатываемую заготовку или деталь.

Режимы термической обработки углеродистых инструментальных сталей во время закалки и после отпуска

После закалки в подавляющем большинстве случаев необходим отпуск, иначе чрезмерная конечная твёрдость детали становится причиной повышенной хрупкости при ударных нагрузках.

Влияние способов охлаждения на закалку

В зависимости от способа охлаждения стали закалка классифицируется следующим образом:

Закалка в одной среде – самый простой и наиболее часто применяемый в промышленности способ термообработки. Главным его недостатком является возможность возникновения внутренних напряжений металла.
Закалка в двух средах – при использовании этого метода материал охлаждают попеременно в двух жидкостях. Для процесса могут быть использованы вода и масло.
Изотермическая закалка – принцип этого метода аналогичен ступенчатой закалке. Для охлаждения материала используется расплавленная соль или масло. Этот вид закалки широко используется для заколки небольших деталей – шайбы, пружины, болты.
Ступенчатая закалка – производится охлаждение изделия с помощью соляного раствора, имеющего температуру 200–300˚C. После определенного периода выдержки проводится окончательное остывание стали на открытом воздухе. Ступенчатая закалка способствует снятию внутренних напряжений и уменьшает возможность появления трещин.

Применение термической обработки стали: основные виды, плюсы и минусы

Термообработка металла является важной частью производственного процесса в цветной и чёрной металлургии. После этой процедуры материалы приобретают необходимые характеристики. Термообработку использовали довольно давно, но она была несовершенна. Современные методы позволяют достичь лучших результатов с меньшими затратами, и снизить стоимость.
Для придания нужных свойств металлической детали она подвергается термической обработке. Во время этого процесса происходит структурное изменение материала.

Металлические изделия, используемые в хозяйстве, должны быть устойчивыми к внешнему воздействию. Чтобы этого достичь, металл необходимо усилить при помощи воздействия высокой температуры. Такая обработка меняет форму кристаллической решётки, минимизирует внутреннее напряжение и улучшает его свойства.

Виды термической обработки стали

Термообработка стали сводится к трём этапам: нагреву, выдержке и быстрому охлаждению. Существует несколько видов этого процесса, но основные этапы у них остаются одинаковыми.

Выделяют такие виды термической обработки:

Техническая (отпуск, закалка, криогенная обработка, старение).
Термомеханическая, при которой используют не только высокую температуру, но и физическое воздействие на металл.
Химико-термическая включает в себя термическую обработку металла с последующим воздействием на поверхность азотом, хромом или углеродом.

Отжиг

Это производственный процесс нагрева металла до заданной температуры, а затем медленного охлаждения, которое происходит естественным путём. В результате этой процедуры устраняется неоднородность металла, снижается внутреннее напряжение, и уменьшается твёрдость сплава, что значительно облегчает его переработку. Существует два вида отжига: первого и второго рода.

При отжиге первого рода фазовое состояние сплава изменяется незначительно. У него есть разновидности:

Гомогенизированный — температура составляет 1100−1200 °C, металл выдерживается от 7−14 часов в таких условиях.
Рекристаллизационный — температура отжига 100−200 °C, эта процедура используется для клёпаной стали.

При отжиге второго рода происходит фазовое изменения металла. Процесс имеет несколько видов:

Полный отжиг — металл нагревается на 25−40 °C выше критического значения для этого материала и охлаждается со специальной скоростью.
Неполный — сплав нагревается до критической точки и долго остывает.
Диффузионный — отжиг производится при температуре 1100−1200 °C.
Изотермический — нагрев металла происходит как при полном отжиге, но охлаждение ниже критической температуры, остывание на открытом воздухе.
Нормализованный — производится полный отжиг металла с остыванием на воздухе.

Закалка

Это процесс манипуляции металлом для достижения мартенситного превращения, чем обеспечивается повышенная прочность и уменьшенная пластичность изделия. При закалке сплав нагревают до критического значения, как и при отжиге, но процесс охлаждения производится значительно быстрее, и для этого используют ванную с жидкостью. Существует несколько видов закалки:

Закалка в одной жидкости, для мелких деталей используют масло, а для крупных — воду.
Прерывистая закалка — понижение температуры происходит в два этапа: резкое охлаждение до температуры в 300 °C, с помощью воды, а затем изделие помещают в масло или на открытый воздух.
Ступенчатая — при достижении металла необходимой температуры, его охлаждают в расплавленных солях, а затем на открытом воздухе.
Изотермическая — сходный со ступенчатой, отличается во времени выдержки.
Закалка с самоотпуском, сплав охлаждается не полностью, оставляется тёплый участок в середине. В результате металл получает повышенную прочность и высокую вязкость. Такое сочетание отлично подходит для ударных инструментов.

Неправильно сделанная закалка может привести к появлению таких дефектов:

обезуглероживание;
трещины;
коробление или поводки.

причина поводок и трещин — неравномерное изменение размера детали при охлаждении или нагреве. Они также могут возникнуть при резком повышении прочности в отдельных местах. Лучший способ избежать этих проблем — медленное охлаждение металла до значения мартенситного превращения.

Поводка и коробление возникает при неравномерном охлаждении искривлённых деталей. Эти дефекты довольно невелики и могут быть исправлены шлифованием. Предварительный отжиг деталей и их постепенный и равномерный нагрев помогут избежать коробления.

Обезуглероживание металла происходит в результате выгорания углерода при длительном нагреве. Интенсивность процесса зависит от температуры нагрева, чем она выше, тем быстрее процесс. Для исправления деталь нагревают в нейтральной среде (муфельной печи).

Окалины на поверхности металла приводят к угару и деформации изделия. Это снижает скорость нагрева и делает механическую обработку более трудной. Окалины удаляются химическим или механическим способом.

Для того чтобы избежать их появления, нужно использовать специальную пасту (100 г жидкого стекла, 25 г графита, 75 г огнеупорной глины, 14 г буры, 100 г воды, 30 г карборунда).

Состав наносится на изделия и оставляется до полного высыхания, а затем нагревается как обычно.

Отпуск

Он смягчает воздействие закалки, снимает напряжение, уменьшает хрупкость, повышает вязкость. Отпуск производится с помощью нагрева детали, закалённой до критической температуры.

В зависимости от значения температуры можно получить состояния тростита, мартенсита, сорбита. Они отличаются от похожих состояний в закалке по свойствам и структуре, которая более точечная. Это увеличивает пластичность и прочность сплава.

Металл с точечной структурой имеет более высокую ударную вязкость.

В зависимости от температуры различают такие виды отпуска: низкий, средний, высокий.

Для точного определения температуры используют таблицу цветов. Плёнка окислов железа придаёт металлу разные цвета. Она появляется, если изделие очистить от окалин и нагреть до 210 °C, при повышении температуры толщина плёнки увеличивается.

При низком отпуске (температура до 300 °C) в составе сплава остаётся мартенсит, который изменяет структуру материала. Кроме того, выделяется карбид железа. Это увеличивает вязкость стали и уменьшает её твёрдость. При низком отпуске металл охлаждают в соляных и масляных ваннах.

Высокий отпуск значительно улучшает механические свойства стали, увеличивает вязкость, пластичность, прочность. Её широко используют для изготовления рессор, шатунов двигателей, кузнечных штампов, осей автомобилей. Для мелкозернистой легированной стали отпуск проводят сразу после нормализации.

Чтобы увеличить обрабатываемость металла, его нормализацию производят при высокой температуре (970 °C), что повышает его твёрдость. Для уменьшения этого параметра делают высокий отпуск.

Криогенная обработка

Изменения структуры металла можно добиться не только высокой температурой, но и низкой. Обработка сплава при температуре ниже 0 °C широко применяется в разных отраслях производства. Процесс происходит при температуре 195 °C.

Плюсы криогенной обработки:

Снижает количество аустенита, что придаёт устойчивость размерам деталей.
Не требует последующего отпуска, что сокращает производственный цикл.
После такой обработки детали лучше поддаются шлифовке и полировке.

Химико-термическая обработка

Химико-термическая обработка включает в себя не только воздействие с помощью высокой температуры, но и химическое. Результатом этой процедуры является повышенная прочность и износостойкость металла, а также придание огнестойкости и кислотоустойчивости.

Различают такие виды обработки:

Цементация.
Азотирование.
Нитроцементация.
Борирование.

Цементация стали — представляет собой процесс дополнительной обработки металла углеродом перед закалкой и отпуском. После проведения процедуры повышается выносливость изделия при кручении и изгибе.

Перед началом цементации производится тщательное очищение поверхности, после чего её покрывают специальными составами. Процедуру производят после полного высыхания поверхности.

Различают несколько видов цементации: жидкая, твёрдая, газовая. При первом виде используют специальную печь-ванную, в которую засыпают 75% соды, 10% карбида кремния, 15% хлористого натрия. После чего изделие погружают в ёмкость. Процесс протекает в течение 2 часов при температуре 850 °C.

Твёрдую цементацию удобно выполнять в домашней мастерской. Для неё используют специальную пасту на основе кальцинированной соды, сажи, щавелево-кислого натрия и воды. Полученный состав наносят на поверхность и ждут высыхания. После этого изделие помещают в печь на 2 часа при температуре в 900 °C.

При газовой цементации используют смеси газов, содержащие метан. Процедура происходит в специальной камере при температуре в 900 °C.

Азотирование стали — процесс насыщения поверхности металла азотом при помощи нагрева до 650 °C в аммиачной атмосфере. После обработки сплав увеличивает свою твёрдость, а также приобретает сопротивление к коррозии.

Азотирование, в отличие от цементации, позволяет сохранить высокую прочность при больших температурах. А также изделия не коробятся при охлаждении.

Азотирование металла широко применяется в промышленности для придания изделию износостойкости, увеличения твёрдости и защиты от коррозии.

Нитроцементация стали заключается в обработке поверхности углеродом и азотом при высокой температуре с дальнейшей закалкой и отпуском. Процедура может осуществляться при температуре 850 °C в газовой среде. Нитроцементацию используют для инструментальных сталей.

При борировании стали на поверхность металла наносят слой бора. Процедура происходит при температуре 910 °C. Такая обработка используется для повышения стойкости штампового и бурового инструментов.

Термомеханическая обработка

При использовании этого метода применяют высокую температуру и пластическую деформацию. Различают такие виды термомеханической обработки:

Высокотемпературная.
Низкотемпературная.
Предварительная.

При высокотемпературной обработке деформация металла происходит после разогрева. Сплав подогревают выше температуры рекристаллизации. После чего производится закалка с отпуском.

Высокотемпературная обработка металла:

Повышает вязкость.
Устраняет отпускную хрупкость.

Такой обработке подвергают конструкционные, инструментальные, углеродистые, пружинные, легированные стали.

При низкотемпературной обработке заготовку после охлаждения выдерживают при температуре ниже значения рекристаллизации и выше мартенситного превращения. На этом этапе делают пластическую деформацию. Такая обработка не даёт устойчивости металлу при отпуске, а для её осуществления необходимо мощное оборудование.

Для осуществления термомеханической обработки необходимо применять специальные приспособления для давления, нагрева и охлаждения заготовки.

Цветные металлы отличаются по своим свойствам друг от друга, поэтому для них применяют свои виды термообработки. Для выравнивания химического состава меди её подвергают рекристаллизационному отжигу. Латунь обрабатывают при низкой температуре (200 °C). Бронзу подвергают отжигу при температуре 550 °C. Магний закаляют, отжигают и подвергают старению, алюминий подвергают похожей обработке.

В чёрной и цветной металлургии широко применяются разные виды термической обработки металлов. Их используют для получения нужных свойств у сплавов, а также экономии средств. Для каждой процедуры и металла подбираются свои значения температуры.

В чем заключается процесс отпуска стали?

Отпуск – это вид завершающей стадии термической отделки стали, во время которого происходит окончательное формирование структуры материала. Процесс отпуска состоит из нагрева до температуры ниже критической точки, за которым следует охлаждение.

Сам процесс подразделяется на три вида:

Низкий отпуск – происходит при температурном режиме 150–250˚C. При протекании процесса низкого отпуска происходит уменьшение внутренних напряжений и хрупкости металла, а вязкость стали немного повышается. Твердость при этом остается практически неизмененной.
Средний отпуск – характеризуется тем, что процесс проходит при температуре от 350 до 450 ˚C. Отличие от других видов отпуска состоит в том, что твердость детали уменьшается, а вязкость значительно увеличивается. Используется для обработки деталей, которые при эксплуатации испытывают умеренные ударные нагрузки.
Высокий отпуск – производится при соблюдении температурного интервала от 500 до 650˚C, с последующим постепенным охлаждением. Внутренние напряжения материала при этом практически устраняются. Прочность и пластичность при этом виде обработки имеют высокие характеристики в сочетании с достаточной твердостью металла. Высокий отпуск применяется для углеродистых и легированных видов заготовок, предназначенных для изготовления валов, шестерней.

Отпуск

Для нормализации характеристик стальных заготовок после закалки рекомендуется делать ее отпуск. Его суть заключается в термическом воздействии температурами, при которых не происходит фазового превращения. Итогом этой операции будет однородность структуры стали.

Виды отпуска для металлических заготовок:

Низкий. Применяется для углеродистых сортов стали. Максимальная температура воздействия — +200°С. В результате уменьшается показатель хрупкости и снижается натяжение в структуре.
Средний. Термическая обработка происходит при +400°С. Технология необходима для удаления избыточного углерода. При этом кристаллическая решетка становится кубической.
Высокий. Температура обработки – до +650°С. Применяется для появления оптимальных характеристик прочности, вязкости и пластичности.

Определяющим показателем для этого процесса является отпускная хрупкость. Она указывает на степень падения ударной вязкости при резких перепадах температур.

Криогенная обработка

Отделка холодом также относится к способам термической обработки. Производится операция после проведения закалки методом охлаждения в специальных криогенных камерах при отрицательных температурах в течение установленного времени. После этого состояние детали возвращается к комнатной температуре. Криогенная отделка позволяет увеличить износостойкость и прочность изделий, а также повышает стойкость к коррозии.

Из всего вышеизложенного следует один важный вывод – термообработка стали является неотъемлемой частью современной промышленности.

Параметры твердости и ее показатели

Твердость — один из интереснейших показателей для оценки свойств материала и металлических конструкций и деталей. На основе твердости можно вычислить прочность, параметры обрабатываемости, а также устойчивость к износу.

Последний показатель наиболее важен, поскольку он отвечает за срок службы и безопасность изделия из металла или сплава. В металлургической промышленности зарекомендовали себя несколько видов испытаний изделий на твердость:

Твердость по Роквеллу. Это вариант быстрого, автоматизированного метода тестирования. При этом используется специфический инструмент конической или сферической формы, изготовленный из ультрапрочных материалов, в частности алмаз или твердый сплав. Данный инструмент производит давление на образец испытуемой детали. Сначала применяется испытательное количество силы для воздействия на образец, а затем прикладывается еще и дополнительная на необходимый промежуток времени. После этого дополнительное воздействие убирается и расчет твердости происходит по глубине проникновения и численных показателей N и S.
Твердость по Бриннеллю. Данный метод применяется в самых разных конструкциях, для металла от низкой до средней степени твердости. В данном случае инструментом избирается закаленный шарик из стали. Конечная величина зависит от прикладываемой силы, диаметра шарика, а также диаметра полученного отпечатка.
Твердость по Виккерсу. Способ примени вне зависимости от твердости металла. Распространяется на конструкции, прошедшие химическую и термическую закалки. Инструментом для проверки считается алмазная пирамида, у которой угол при вершине равен 136°
Твердость по Кнупу. Этот способ очень схож с методом Виккерса, но полученный отпечаток имеет форму удлиненного ромба. Для расчета необходимы показатели прилагаемой силы, параметры большой диагонали ромба.
Твёрдость по отпечатку шариком. В данном случае метод больше подходит не для металла, а для изделий из твердой резины. В качестве инструмента используется закаленный шарик из стали с диаметров 0.5 см. Испытуемый образец не должен иметь толщину меньше диаметра шарика.
По Мартенсу. Так оценивается пластическая и упругая деформация при помощи проникновения инструмента в виде пирамиды в испытуемый образец.
Склероскоп. Этот способ помогает установить твердость громоздкий и крупных конструкций из металла.

Вне зависимости от способа установления показателей прочности, после правильной квалифицированной термической обработки металл становится прочнее.

См.также: Обработка металла давлением