Что такое термическая обработка металлов и сплавов

Для изменения эксплуатационных свойств металлов используется метод термической обработки. Он позволяет повлиять на структуру исходного сырья с последующей корректировкой начальных характеристик. Под воздействием высокой температуры улучшается степень обрабатываемости заготовок и снимается остаточное напряжение с деталей.

Историческая справка

Первые упоминания о термической обработке металлов появились в далеком прошлом. В Средневековье кузнецы отправляли заготовки для оружия в специальные печи, а затем остужали их водой.

В XIX в. появились первые технологии обработки чугуна. Для этого исходное сырье погружалось в резервуар со льдом, поверх которого высыпался сахар.

После этого начинался цикл равномерного разогрева, который занимал до 20 часов. Дальше разогретый металл подвергался ковке с получением требуемой формы.

В середине XIX в. металлург из Российской империи Д.К. Чернов опубликовал статью, в которой указал, что при нагревании металлических сплавов происходит изменение их технических характеристик. Ему присвоили звание автора новой науки — материаловедения.

Назначение термической обработки

Изделия для оборудования и коммуникационные узлы, выполненные из металла, часто оказываются под воздействием больших нагрузок. Кроме этого, они могут эксплуатироваться в условиях критических температур, которые негативно сказываются на рабочих свойствах.

С целью защиты деталей от быстрого износа, повышения их надежности и долговечности применяется цикл термической обработки.

В процессе нагрева и после него химический состав материала не меняется, при этом эксплуатационные свойства становятся другими. Такая процедура увеличивает устойчивость заготовки к коррозии, износу и разрушению от механических нагрузок.

Принципы термообработки

Термообработка подразумевает фазовые изменения внутренней структуры материала при подогреве или охлаждении.

Вся процедура включает в себя такие этапы:

1. Нагрев, который влияет на структуру кристаллической решетки заготовки.
2. Охлаждение, позволяющее зафиксировать изменения, которые были достигнуты во время предыдущего этапа.
3. Отпуск, устраняющий напряжение и выравнивающий готовую структуру.

Ключевой особенностью термической обработки стальных изделий является то, что под воздействием температуры в 727 °C они приобретают форму аустенита — твердого расплава. В таком состоянии атомы углерода начинают проникать внутрь структурных ячеек железа, формируя равномерное соединение.

При постепенном охлаждении материал возвращается к прежнему состоянию, а при интенсивном — остается в виде аустенита или прочей структуры.

В зависимости от технологии охлаждения и последующего отпуска определяются конечные свойства закаленного металла. В данном случае применяется принцип: чем быстрее охлаждается исходное сырье, тем выше твердость и хрупкость готового продукта.

Термообработка является незаменимым технологическим процессом при работе со сплавами железа и углерода. Для примера, чтобы сформировать ковкую чугунную основу, нужно выполнить термическую обработку белого чугуна.

Ключевые преимущества

При производстве деталей для продолжительной эксплуатации термообработка является обязательным этапом.

Популярность технологии обусловлена ее следующими преимуществами:

1. Улучшение устойчивости к износу металлической заготовки.
2. Увеличение срока эксплуатации готовых изделий и снижение количества брака.
3. Повышение коррозийной стойкости.

Обработанные конструкции справляются с большими нагрузками, а срок их службы увеличивается в несколько раз.

Чередование циклов подогрева и охлаждения положительно сказывается на твердости, износостойкости и ударной вязкости. Также подобная процедура позволяет вносить структурные изменения в поверхностном слое или оказывать воздействие на часть заготовки.

Совмещение термообработки и горячей обработки под давлением повышает твердость материала намного лучше, чем нагартовка или закалка.

Оборудование для проведения работ дешевле, чем установки механообрабатывающих и литейных предприятий.

Параметры твердости и ее показатели

Твердость является важной характеристикой для оценки технических характеристик материала и деталей на его основе. С учетом этого параметра вычисляется прочность, обрабатываемость и износостойкость конечной продукции.

В металлургии используются несколько вариантов проверки твердости:

1. По Роквеллу. Наиболее быстрый автоматизированный способ испытаний. Для определения твердости применяется специальное приспособление со сферической или конической конфигурацией, которое изготовляется из сверхпрочных материалов, например алмаза или твердого сплава. Под воздействием давления от инструмента проверяется глубина проникновения.
2. По Бриннелю. Технология распространена при диагностике конструкций с низкой и средней твердостью. Она подразумевает выбор закаленного стального шарика. Финальные показатели определяются прикладываемым усилием, диаметром шарика и конечного отпечатка.
3. По Виккерсу. Метод одинаково эффективен при любой твердости металла. Его применяют при обработке заготовок, прошедших термическую и химическую обработки. В качестве приспособления для оценки показателей используют алмазную пирамиду с углом 136°.

Классификация и виды термической обработки

В металлургической отрасли распространено несколько методов обработки стали.

Среди них:

1. Технический.
2. Термомеханический.
3. Химико-термический.

Каждый вариант представлен несколькими разновидностями.

Отжиг

Принцип сводится к нагреву материала до заданной температуры, удерживанию в таком режиме в течение нужного времени и последующему охлаждению до комнатных показателей.

В большинстве случаев отжиг применяется для:

1. Улучшения механических свойств металла.
2. Получения однородной консистенции материала.
3. Повышения пластичности и степени сопротивляемости.
4. Уменьшения внутреннего сопротивления заготовки.

В зависимости от специфики проведения работ отжиг бывает изотермическим, полным или неполным, диффузионным и т.д.

Цикл полного отжига позволяет улучшить технические характеристики исходного сырья для последующей обработки. В таком варианте изделие разогревается до критической температуры, а затем постепенно охлаждается.

Неполный отжиг подразумевает получение более пластичного и мягкого материала. Его осуществляют при температуре до 770°C.

Цикл охлаждения разделен на 2 этапа:

1. В специальной печи.
2. На открытом пространстве.

Изотермический отжиг популярен при подготовке сталей с высоким содержанием хрома. Технология позволяет уменьшить затраты времени на производство, т.к. она проводится с использованием ускоренного охлаждения.

Отпуск

В зависимости от интенсивности нагрева разделяется на 2 типа:

1. Низкий.
2. Высокий.

В первом случае изделие подвергается нагреву до 120-200°C. С помощью технологии можно производить детали и инструменты с ювелирной точностью. После разогрева сырье удерживается в таком состоянии в течение заданного промежутка времени, а затем охлаждается естественным путем.

Под воздействием такой обработки сталь не только удерживает первичную твердость, но и становится более прочной. Это обусловлено разрушением отдельных остаточных компонентов.

В некоторых случаях измерительное оборудование и различные механизмы производят при температуре до 160°C. Подобная обработка получила название «искусственное старение».

При высоком отпуске заготовку нагревают до температуры 350-600°C. Цикл охлаждения выполняется на открытом воздухе. Технология популярна при подготовке углеродистой стали.

Нормализация

С помощью нормализации можно сформировать мелкозернистую структуру. При обработке сталей с низким содержанием углерода получается феррито-перлитная структура, легированных — сорбитоподобная. Степень твердости конечного изделия достигает 300 НВ.

Процессу нормализации можно подвергать горячекатанные стали. Это приводит к увеличению сопротивления излому, прочностных свойств и вязкости.

Закалка

Используется нагрев исходного сырья до критических значений. Охлаждение выполняется принудительным путем, а не постепенно. Для этой процедуры подходит сжатый воздух, водяной туман или жидкая закалочная среда. Помимо повышения прочностных свойств, металл становится менее эластичным и вязким.

Закалка может проводиться с использованием нескольких способов:

1. Одной среды. Технология отличается простотой, но имеет ряд ограничений по типу исходного сырья. Она подразумевает быстрое охлаждение для получения неравномерности температур. Метод не подходит для обработки высокоуглеродистых металлов, т.к. они подвергаются разрушению при агрессивном тепловом воздействии.
2. Многоступенчатой закалки. Изначально материал подвергается термообработке, а после нагрева — перемещению в соляную ванну. Когда температурный режим нормализуется, заготовку охлаждают с помощью воздуха, тумана или масла.
3. Светлой закалки. Этот вариант подразумевает выдерживание металла в соляной ванне с включением хлористого натрия. Затем деталь остужается в резервуаре с едким калием и натрием.

Криогенное воздействие

Метод сводится к охлаждению стали до критически низких температур, после чего кристаллическая решетка подвергается тем же изменениям, что и при закалке на мартенсит.

Заготовку помещают в емкость с жидким азотом, имеющим температуру -195°C и удерживают там нужный промежуток времени (точный интервал определяется маркой стали и массой конструкции).

Затем деталь помещается в условия комнатной температуры, где разогревается естественным путем. Подобный цикл способствует повышению прочности и твердости. Кроме этого, изделие менее подвергается износу и становится долговечным.

Химико-термическая

Метод совмещает несколько технологий и придает материалу твердость, прочность, вязкость и эластичность.

Вся процедура состоит из 3 этапов:

1. Диссоциация.
2. Адсорбция.
3. Диффузия.

Величину диффузионного слоя определяют с учетом температуры и временного промежутка выдержки материала.

Среды, в которые погружается заготовка, бывают жидкими, твердыми и газовыми. Наиболее часто используется последний вариант, что обусловлено повышенной интенсивностью его нагрева.

Термомеханическое воздействие

Под механическим давлением посредством нагартовки материал уплотняется и становится прочным. Эта особенность востребована при подготовке изделий комбинированным путем — с использованием горячей прокатки, волочения или штамповки.

Если нагартованный металл мгновенно погрузить в охлаждающую среду, его структура не успеет поменять свои свойства, а твердость будет повышена путем закалки.

Существуют 2 технологии термомеханической обработки:

1. Высокотемпературная.
2. Низкотемпературная.

В 2 случаях нужно проводить повторную термообработку с отпуском в температуре 200-300°C.

Особенности термообработки цветных сплавов

Работая с цветными металлами, важно учитывать специфику строения их кристаллических решеток, степень теплопроводности и химическую активность в отношении водорода и кислорода.

Так, у металлургов не возникает сложностей при обработке сплавов алюминия или меди. А теплопроводность титана в 15 раз ниже, чем у алюминиевых заготовок.

При подготовке конструкций из деформируемых сплавов алюминия нужно придерживаться заданной температуры в пределах 450-500°C.

Оборудование, используемое для термообработки

В металлургической отрасли применяют разные типы специализированного оборудования.

Среди самых популярных:

1. Шахтные печи.
2. Камерные печи.
3. Печи с выдвижным подом.

Антикоррозионная обработка изделий

После завершения цикла термической обработки необходимо защитить изделие от коррозийных процессов. Для этого нужно погрузить очищенные, промытые и просушенные заготовки на 5 минут в раствор нитрита 20-30% концентрации, а затем завернуть в пропитанную этим средством бумагу. В таком состоянии детали можно оставить на длительное время.