Термообработка металлов: какие бывают способы и технологии для стали

Термообработка сплавов является неотъемлемой частью производственного процесса чёрной и цветной металлургии. В результате такой процедуры металлы способны изменить свои характеристики до необходимых значений. В данной статье мы рассмотрим основные виды термообработки, применяемые в современной промышленности.

Сущность термической обработки

В процессе производства полуфабрикаты, металлические детали подвергаются термической обработке для придания им нужных свойств (прочности, устойчивость к коррозии и износу и т. д.). Термическая обработка сплавов – это совокупность искусственно созданных процессов, в ходе которых в сплавах под действием высоких температур происходят структурные и физико-механические изменения, но сохраняется химический состав вещества.

Назначение термообработки

Металлические изделия, которые используются ежедневно в любых отраслях народного хозяйства, должны отвечать высоким требованиям устойчивости к износу. Металл, как сырьё, нуждается в усилении нужных эксплуатационных свойств, которых можно добиться воздействием на него высокими температурами. Термическая обработка сплавов высокими температурами изменяет изначальную структуру вещества, перераспределяет составляющие его компоненты, преобразует размер и форму кристаллов. Всё это приводит к минимизации внутреннего напряжения металла и таким образом повышает его физико-механические свойства.

Виды термической обработки

Термообработка металлических сплавов сводится к трём незатейливым процессам: нагреву сырья (полуфабриката) до нужной температуры, выдерживанию его в заданных условиях необходимое время и быстрому охлаждению. В современном производстве используется несколько видов термообработки, отличающихся между собой некоторыми технологическими особенностями, но алгоритм процесса в общем везде остаётся одинаковым.

По способу совершения термическая обработка бывает следующих видов:

  • Термическая (закалка, отпуск, отжиг, старение, криогенная обработка).
  • Термо-механическая включает обработку высокими температурами в сочетании с механическим воздействием на сплав.
  • Химико-термическая подразумевает термическую обработку металла с последующим обогащением поверхности изделия химическими элементами (углеродом, азотом, хромом и др.).

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.

Закалка

Закалка – это манипуляция со сплавом, целью которой является достижение мартенситного превращения металл, обеспечивающее понижение пластичности изделия и повышение его прочности. Закалка, равно как и отжиг, предполагает нагрев металла в печи выше критической температуры до температуры закалки, отличие состоит в большей скорости охлаждения, которое происходит в ванне с жидкостью. В зависимости от металла и даже его формы применяют разные виды закалки:

  • Закалка в одной среде, то есть в одной ванне с жидкостью (вода – для крупных деталей, масло – для мелких деталей).
  • Прерывистая закалка – охлаждение проходит два последовательных этапа: сперва в жидкости (более резком охладителе) до температуры приблизительно 300 , затем на воздухе либо в другой ванне с маслом.
  • Ступенчатая – по достижению изделием температуры закалки, его охлаждают какое-то время в расплавленных солях с последующим охлаждением на воздухе.
  • Изотермическая – по технологии очень похожа на ступенчатую закалку, отличается только временем выдержки изделия при температуре мартенситного превращения.
  • Закалка с самоотпуском отличается от других видов тем, что нагретый метал охлаждают не полностью, оставив в середине детали тёплый участок. В результате такой манипуляции изделие приобретает свойства повышенной прочности на поверхности и высокой вязкости в середине. Такое сочетание крайне необходимо для ударных инструментов (молотки, зубила и др.)

Отпуск

Отпуск – это завершающий этап термической обработки сплавов, определяющий конечную структуру металла. Основная цель отпуска является снижение хрупкости металлического изделия. Принцип заключается в нагреве детали до температуры ниже критической и охлаждении. Поскольку режимы термической обработки и скорость охлаждения металлических изделий различного назначения могут отличаться, то выделяют три вида отпуска:

  • Высокий — температура нагрева от 350-600 до значения ниже критической. Данная процедура чаще всего используется для металлических конструкций.
  • Средний – термообработка при t 350-500, распространена для пружинных изделий и рессор.
  • Низкий — температура нагрева изделия не выше 250 позволяет достичь высокой прочности и износостойкости деталей.

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.

Криогенная обработка

Изменения структуры сплавов, а значит, и их свойств можно добиться не только высокими, но и крайне низкими температурами. Термическая обработка сплавов при t ниже нуля получила название криогенной. Данная технология широко используется в самых разных отраслях народного хозяйства в качестве дополнения к термообработкам с высокими температурами, поскольку позволяет существенно снизить расходы на процессы термического упрочнение изделий.

Криогенная обработка сплавов проводится при t -196 в специальном криогенном процессоре. Данная технология позволяет существенно увеличить срок службы обработанной детали и антикоррозионные свойства, а также исключить необходимость повторных обработок.

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.

Химико-термическая обработка

Изменить структуру и свойства сплавов возможно и с помощью химико-термической обработки, которая сочетает в себе термическое и химическое воздействие на металлы. Конечной целью данной процедуры помимо придания повышенной прочности, твёрдости, износостойкости изделия является и придание детали кислотоустойчивости и огнестойкости. К данной группе относятся следующие виды термообработки:

  • Цементация проводится для придания поверхности изделия дополнительной прочности. Суть процедуры заключается в насыщении металла углеродом. Цементация может быть выполнена двумя способами: твёрдая и газовая цементация. В первом случае обрабатываемый материал вместе с углём и его активатором помещают в печь и нагревают до определённой температуры с последующей выдержкой его в данной среде и охлаждением. В случае с газовой цементацией изделие нагревается в печи до 900 под непрерывной струёй углеродосодержащего газа.
  • Азотирование – это химико-термическая обработка металлических изделий путём насыщения их поверхности в азотных средах. Результатом данной процедуры становится повышение предела прочности детали и увеличение его коррозионной устойчивости.
  • Цианирование – насыщение металла одновременно и азотом и углеродом. Среда может быть жидкой (расплавленные углерод- и азотсодержащие соли) и газообразной.
  • Диффузионная металлизация представляет собой современный метод придания металлическим изделиям жаростойкости, кислотоустойчивости и износостойкости. Поверхность таких сплавов насыщают различными металлами (алюминий, хром) и металлоидами (кремний, бор).

Особенности термической обработки чугуна

Литейные сплавы чугуна повергаются термической обработке по несколько иной технологии, чем сплавы цветных металлов. Чугун (серый, высокопрочный, легированный) проходит следующие виды термообработки: отжиг (при t 500-650 ­), нормализация, закалка (непрерывная, изотермическая, поверхностная), отпуск, азотирование (серые чугуны), алитирование (перлитные чугуны), хромирование. Все эти процедуры в результате значительно улучшают свойства конечных изделий чугуна: увеличивают эксплуатационный срок, исключают вероятность возникновения трещин при использовании изделия, повышают прочность и жаростойкость чугуна.

Термообработка цветных сплавов

Цветные металлы и сплавы обладают отличными друг от друга свойствами, поэтому обрабатываются разными методами. Так, медные сплавы для выравнивания химического состава подвергаются рекристаллизационному отжигу. Для латуни предусмотрена технология низкотемпературного отжига (200-300 ), поскольку этот сплав склонен при влажной среде к самопроизвольному растрескиванию. Бронза подвергается гомогенизации и отжигу при t до 550 . Магний отжигают, закаляют и подвергают искусственному старению (естественное старение для закалённого магния не происходит). Алюминий, равно как и магний, подвергается трём методам термообработки: отжигу, закалке и старению, после которых деформируемые алюминиевые сплавы значительно повышают свою прочность. Обработка титановых сплавов включает: рекристаллизационный отжиг, закалку, старение, азотирование и цементацию.

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.

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.

Преимущества термообработки

Термическая обработка металлических заготовок является обязательным процессом, если дело касается изготовления конструкций для длительного пользования. У этой технологии существует ряд преимуществ:

  1. Повышенная износостойкость металла.
  2. Готовые детали служат дольше, снижается количество бракованных заготовок.
  3. Улучшается устойчивость к коррозийным процессам.

Металлические конструкции после термической обработки выдерживают большие нагрузки, увеличивается их срок эксплуатации.

Виды термической обработки стали

В металлургии применяется три вида обработки стали: техническая, термомеханическая и химико-термическая. О каждом из представленных способах термической обработки необходимо поговорить отдельно.

Отжиг

Разновидность или еще один этап технической обработки металла. Это процесс подразумевает под собой равномерное нагревание металлической заготовки до определённой температуры и последующее её остывание естественным путём. После отжига исчезает внутреннее напряжение металла, его неоднородность. Материал размягчается под воздействием температуры. Его проще обрабатывать в дальнейшем.

Существует два вида отжига:

  1. Первого рода. Происходит незначительное изменение кристаллической решётки в металле.
  2. Второго рода. Начинаются фазовые изменения структуры материала. Его ещё называют полный отжиг металла.

Диапазон воздействия температур при проведении этого процесса — от 25 до 2019 градусов.

Закалка

Ещё один этап технической обработки. Металлическая закалка проводится для увеличения прочности заготовки и уменьшения её пластичности. Изделие разогревается до критических температур, а затем быстро остужается методом окунания в ванну с различными жидкостями. Виды закалки:

  1. Двухэтапное охлаждение. Изначально заготовка остужается до 300 градусов водой. После этого деталь кладут в ванну, заполненную маслом.
  2. Использование одной жидкости. Если обрабатываются небольшие детали используется масло. Большие заготовки охлаждаются водой.
  3. Ступенчатая. После разогревания заготовку охлаждают в расплавленных солях. После этого её выкладывают на свежий воздух до полного остывания.

Также можно выделить изотермический вид закалки. Он похож на ступенчатый, однако изменяется время выдержки заготовки в расплавленных солях.

Термомеханическая обработка

Это типовой режим термической обработки сталей. При таком технологическом процессе используется оборудование создающее давление, нагревательные элементы и ёмкости для охлаждения. При различных температурах заготовка подвергается разогреву, а после этого происходит пластическая деформация.

Отпуск

Это заключительный этап технической термообработки стали. Проводится этот процесс после закалки. Повышается вязкость металла, снимается внутреннее напряжение. Материал становится более прочным. Может проводиться при различных температурах. От этого изменяется сам процесс.

Криогенная обработка

Главное отличие термической обработки от криогенного воздействия в том, что последний подразумевает под собой охлаждение заготовки. По окончанию такой процедуры детали становятся прочнее, не требуют проведения отпуска, лучше шлифуются и полируются.

При взаимодействии с охлаждающими средами температура опускается до минус 195 градусов. Скорость охлаждения может изменяться в зависимости от материала. Чтобы охладить изделие до нужной температуры, используется процессор который генерирует холод. Заготовка равномерно охлаждается и остаётся в камере на определённый промежуток времени. После этого её достают и дают самостоятельно нагреться до комнатной температуры.

Химико-термическая обработка

Ещё один вид термообработки, при котором заготовка разогревается и подвергается воздействию различных химических элементов. Поверхность заготовки очищается и покрывается химическими составами. Проводится этот процесс перед закалкой.

Мастер может насыщать поверхность изделия азотом. Для этого они нагревается до 650 градусов. При нагревании заготовка должна находиться в криогенной атмосфере.

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.

При закалке металлов образуется внутреннее напряжение. Если его не устранить, готовое изделие будет иметь высокий показатель хрупкости. Пластичность будет значительно ниже нормы. Для устранение этих проблем используется отпуск стали. Это один из нескольких процессов термической обработки металлов.

Отпуск стали

Что такое отпуск?

Отпуск металла — термический процесс, который применяется для всех закалённых деталей. Многие начинающие мастера не понимают, насколько для материала важна совокупность этапов термической обработки. Термообработка металлов позволяет улучшить характеристики металлической детали. В ходе подобной обработки изменяется структура стали. Из-за этого ухудшаются или улучшаются отдельные свойства материала.

Такая термообработка позволяет снять внутреннее напряжение, образующееся после закалки стали. Если этого не сделать материал будет хрупким и не выдержит серьёзных нагрузок. Помимо снятия внутренних напряжений, этот процесс увеличивает твердость стали. Это важная особенность при изготовлении инструментов и деталей для промышленного оборудования.

Температурный режим выбирают в зависимости от того, какую марку материала будут обрабатывать. Исходя из этого металл можно охлаждать в разных растворах:

  • в емкостях, заполненных расплавленной щелочью;
  • в ваннах, заполненных селитрой;
  • в емкостях с маслом или водой.

На производстве металлические детали охлаждают в печах. При этом на оборудование устанавливается система принудительной вентиляции.

Виды

Температура отпуска стали считается самым главным параметром при проведении этого технологического процесса. Существует три вида термической обработки отпуском. Особенности проведения технологического процесса зависят от типа термообработки.

Низкий

Термообработка подразумевает под собой охлаждение закаленной стали до температур ниже критической. Скорость охлаждения при этом зависит от марки материала. Металл разогревается до температуры в 250 градусов по Цельсию. Низкий отпуск используется для обработки деталей, прошедших цементацию или нитроцементацию. Мастера могут проводить данный вид термообработки при проведении токов высокой частоты через заготовку.

Средний

Процесс среднего отпуска проходит в температурном режиме от 350 до 400 градусов по Цельсию. При проведении этого метода, уменьшается размер зёрен в структуре материала. Снижается внутреннее напряжение. Если не «отпустить» заготовку, механические нагрузки быстро выведут её из строя. Это необходимая процедура при обработке упругих деталей.

Высокий

Высокий отпуск представляет собой технологию нагрева закалённых сталей до высоких температур. Температурный диапазон, при котором протекает этот процесс — 450–550 градусов по Цельсию. Заготовки из углеродистых сталей могут разогреваться до больших температур. При этом изменяется структура материала. Может меняться форма заготовки и размер зёрен.

В процессе разогревания, увеличиваются частицы цементита. Благодаря этому зёрна приобретают форму сфер. Применяется эта технология для конструкционных металлов. Такая обработка считается обязательной при изготовлении износоустойчивых деталей.

Высокий отпуск стали

Явление отпускной хрупкости

Отпускная хрупкость — процесс изменение ударной вязкости материала. Он становится более хрупким, неустойчивым к физическим нагрузкам. При этом другие характеристики не меняются. Появляться такие изменения могут при температурном диапазоне 250–550 градусов.

Чтобы повысить показатель прочности, нужно провести дополнительную термическую обработку. Однако на втором этапе нагревания и остужения необходимо быстро отсудить заготовку. Для этого её погружают в воду или масло.

Термообработка инструментальных сплавов

Инструментальные сплавы или быстрорежущие металлы, использующиеся для изготовления износоустойчивых инструментов, обязательно подвергаются термообработке. При повышении температур у них не увеличивается показатель пластичности и не снижается прочность.

Чтобы улучшить характеристики инструментальных сплавов, в их состав добавляют легирующие присадки — вольфрам, молибден, ванадий или кобальт. Далее заготовки закаляются при температуре в 2019 градусов.

Отпуск считается одним из ключевых этапов термообработки. Он позволяет снять внутреннее напряжение, повысить прочность металла. Важно подобрать правильный температурный режим и скорость охлаждения заготовки. Для охлаждения применяются емкости с различными растворами.