Технологический процесс термической обработки металлов

Термическая обработка стали

Термическая обработка стали позволяет придать изделиям, деталям и заготовкам требуемые качества и характеристики. В зависимости от того, на каком этапе в технологическом процессе изготовления проводилась термическая обработка, у заготовок повышается обрабатываемость, с деталей снимаются остаточные напряжения, а у деталей повышаются эксплуатационные качества.

Технология термической обработки стали – это совокупность процессов: нагревания, выдерживания и охлаждения с целью изменения внутренней структуры металла или сплава. При этом химический состав не изменяется.

Так, молекулярная решетка углеродистой стали при температуре не более 910°С представляет из себя куб объемно-центрированный. При нагревании свыше 910°С до 1400°С решетка принимает форму гране-центрированного куба. Дальнейший нагрев превращает куб в объемно-центрированный.

Сущность термической обработки сталей – это изменение размера зерна внутренней структуры стали. Строгое соблюдение температурного режима, времени и скорости на всех этапах, которые напрямую зависят от количества углерода, легирующих элементов и примесей, снижающих качество материала. Во время нагрева происходят структурные изменения, которые при охлаждении протекают в обратной последовательности. На рисунке видно, какие превращения происходят во время термической обработки.

Изменение структуры металла при термообработке

Назначение термической обработки

Термическая обработка стали проводится при температурах, приближенных к критическим точкам . Здесь происходит:

• вторичная кристаллизация сплава;
• переход гамма железа в состояние альфа железа;
• переход крупных частиц в пластинки.

Внутренняя структура двухфазной смеси напрямую влияет на эксплуатационные качества и легкость обработки.

Образование структур в зависимости от интенсивности охлаждения

Основное назначение термической обработки — это придание сталям:

• В готовых изделиях:
  1. прочности;
  2. износостойкости;
  3. коррозионностойкость;
  4. термостойкости.

• В заготовках:
  1. снятие внутренних напряжений после
     • литья;
     • штамповки (горячей, холодной);
     • глубокой вытяжки;
  2. увеличение пластичности;
  3. облегчение обработки резанием.

Термическая обработка применяется к следующим типам сталей:

1. Углеродистым и легированным.
2. С различным содержанием углерода, от низкоуглеродистых 0,25% до высокоуглеродистых 0,7%.
3. Конструкционным, специальным, инструментальным.
4. Любого качества.

Классификация и виды термообработки

Основополагающими параметрами, влияющими на качество термообработки являются:

• время нагревания (скорость);
• температура нагревания;
• длительность выдерживания при заданной температуре;
• время охлаждения (интенсивность).

Изменяя данные режимы можно получить несколько видов термообработки.

Виды термической обработки стали:

• Отжиг
  1. I – рода:
     • гомогенизация;
     • рекристаллизация;
     • изотермический;
     • снятие внутренних и остаточных напряжений;
  2. II – рода:
     • полный;
     • неполный;

• Закалка;
• Отпуск:
  1. низкий;
  2. средний;
  3. высокий.

• Нормализация.

Температура нагрева стали при термообработке

Отпуск

Отпуск в машиностроении используется для уменьшения силы внутренних напряжений, которые появляются во время закалки. Высокая твердость делает изделия хрупкими, поэтому отпуском добиваются увеличения ударной вязкости и снижения жесткости и хрупкости стали.

1. Отпуск низкий

Для низкого отпуска характерна внутренняя структура мартенсита, которая, не снижая твердости повышает вязкость. Данной термообработке подвергаются измерительный и режущий инструмент. Режимы обработки:

• Нагревание до температуры – от 150°С, но не выше 250°С;
• выдерживание — полтора часа;
• остывание – воздух, масло.

2. Средний отпуск

Для среднего отпуска преобразование мартенсита в тростит. Твердость снижается до 400 НВ. Вязкость возрастает. Данному отпуску подвергаются детали, работающие со значительными упругими нагрузками. Режимы обработки:

• нагревание до температуры – от 340°С, но не выше 500°С;
• охлаждение – воздух.

3. Высокий отпуск

При высоком отпуске кристаллизуется сорбит, который ликвидирует напряжения в кристаллической решетке. Изготавливаются ответственные детали, обладающие прочностью, пластичностью, вязкостью.

Нагревание до температуры – от 450°С, но не выше 650°С.

Отжиг

Применение отжига позволяет получить однородную внутреннюю структуру без напряжений кристаллической решетки. Процесс проводят в следующей последовательности:

• нагревание до температуры чуть выше критической точки в зависимости от марки стали;
• выдержка с постоянным поддержанием температуры;
• медленное охлаждение (обычно остывание происходит совместно с печью).

1. Гомогенизация

Гомогенизация, по-иному отжиг диффузионный, восстанавливает неоднородную ликвацию отливок. Режимы обработки:

• нагревание до температуры – от 1000°С, но не выше 1150°С;
• выдержка – 8-15 часов;
• охлаждение:
  • печь – до 8 часов, снижение температуры до 800°С;
  • воздух.

2. Рекристаллизация

Рекристаллизация, по-иному низкий отжиг, используется после обработки пластическим деформированием, которое вызывает упрочнение за счет изменения формы зерна (наклеп). Режимы обработки:

• нагревание до температуры – выше точки кристаллизации на 100°С-200°С;
• выдерживание — ½ — 2 часа;
• остывание – медленное.

3. Изотермический отжиг

Изотермическому отжигу подвергаются легированные стали, для того чтобы произошел распад аустенита. Режимы термообработки:

• нагревание до температуры – на 20°С — 30°С выше точки ;
• выдерживание;
• остывание:
  • быстрое – не ниже 630°С;
  • медленное – при положительных температурах.

4. Отжиг для устранения напряжений

Снятие внутренних и остаточных напряжений отжигом используется после сварочных работ, литья, механической обработки. С наложением рабочих нагрузок детали подвергаются разрушению. Режимы обработки:

• нагревание до температуры – 727°С;
• выдерживание – до 20 часов при температуре 600°С — 700°С;
• остывание — медленное.

5. Отжиг полный

Отжиг полный позволяет получить внутреннюю структуру с мелким зерном, в составе которой феррит с перлитом. Полный отжиг используют для литых, кованных и штампованных заготовок, которые будут в дальнейшем обрабатываться резанием и подвергаться закалке.

Полный отжиг стали

• температура нагрева – на 30°С-50°С выше точки ;
• выдержка;
• охлаждение до 500°С:
  • сталь углеродистая – снижение температуры за час не более 150°С;
  • сталь легированная – снижение температуры за час не более 50°С.

6. Неполный отжиг

При неполном отжиге пластинчатый или грубый перлит преобразуется в ферритно-цементитную зернистую структуру, что необходимо для швов, полученных электродуговой сваркой, а также инструментальные стали и стальные детали, подвергшиеся таким методам обработки, температура которых не провоцирует рост зерна внутренней структуры.

• нагревание до температуры – выше точки или , выше 700°С на 40°С — 50°С;
• выдерживание – порядка 20 часов;
• охлаждение — медленное.

Закалка

Закалку сталей применяют для:

• Повышения:
  1. твердости;
  2. прочности;
  3. износоустойчивости;
  4. предела упругости;

• Снижения:
  1. пластичности;
  2. модуля сдвига;
  3. предела на сжатие.

Суть закалки – это максимально быстрое охлаждение прогретой насквозь детали в различных средах. Каление производится с полиморфными изменениями и без них. Полиморфные изменения возможны только в тех сталях, в которых присутствуют элементы способные к преобразованию.

Такой сплав подвергается нагреву до той температуры, при которой кристаллическая решетка полиморфного элемента терпит изменения, за счет чего увеличивается растворяемость легирующих материалов. При снижении температуры решетка изменяет структуру из-за избытка легирующего элемента и принимает игольчатую структуру.

Невозможность полиморфных изменений при калении обусловлено ограниченной растворимостью одного компонента в другом при быстрой скорости охлаждения. Для диффузии мало времени. В итоге получается раствор с избытком нерастворенного компонента (метастабильтный).

Для увеличения скорости охлаждения стали используются такие среды как:

• вода;
• соляные растворы на основе воды;
• техническое масло;
• инертные газы.

Сравнивая скоростной режим охлаждения стальных изделий на воздухе, то охлаждение в воде с 600°С происходит в шесть раз быстрее, а с 200°С в масле в 28 раз. Растворенные соли повышают закаливающую способность. Недостатком использования воды считается появление трещин в местах образования мартенсита. Техническое масло используется для закалки легирующих сплавов, но оно пригорает к поверхности.

Металлы, использующиеся при изготовлении изделий медицинской направленности не должны иметь пленки из оксидов, поэтому охлаждение происходит в среде разряженного воздуха.

Чтобы полностью избавиться от аустенита, из-за которого у стали наблюдается высокая хрупкость, изделия подвергаются дополнительному охлаждению при температурах от — 40°С и до -100°С в специальной камере. Также можно использовать углекислую кислоту в смеси с ацетоном. Такая обработка повышает точность деталей, их твердость, магнитные свойства.

Если деталям не требуется объемная термообработка, проводится каление только поверхностного слоя на установках ТВЧ (токами высокой частоты). При этом глубина термообработки составляет от 1 мм до 10 мм, а охлаждение происходит на воздухе. В итоге поверхностный слой становится износоустойчивым, а середина вязкая.

Процесс закалки предполагает прогревание и выдержку стальных изделий при температуре, достигающей порядка 900°С. При такой температуре стали с содержанием углерода до 0,7% имеют структуру мартенсита, который при последующей термообработке перейдет в требуемую структуру с появлением нужных качеств.

Нормализация

Нормализация формирует структуру с мелким зерном. Для низкоуглеродистых сталей — это структура феррит-перлит, для легированных – сорбитоподобная. Получаемая твердость не превышает 300 НВ. Нормализации подвергаются горячекатаные стали. При этом у них увеличивается:

• сопротивление излому;
• производительность обработки;
• прочность;
• вязкость.

Процесс нормализации стали

• происходит нагрев до температуры – на 30°С-50°С выше точки ;
• выдерживание в данном температурном коридоре;
• охлаждение – на открытом воздухе.

Преимущества термообработки

Термообработка стали – это технологический процесс, который стал обязательным этапом получения комплектов деталей из стали и сплавов с заданными качествами. Этого позволяет добиться большое разнообразие режимов и способов термического воздействия. Термообработку используют не только применительно к сталям, но и к цветным металлам и сплавам на их основе.

Стали без термообработки используются лишь для возведения металлоконструкций и изготовления неответственных деталей, срок службы которых невелик. К ним не предъявляются дополнительные требования. Повседневная же эксплуатация наоборот диктует ужесточение требований, именно поэтому применение термообработки предпочтительно.

В термически необработанных сталях абразивный износ высок и пропорционален собственной твердости, которая зависит от состава химических элементов. Так, незакаленные матрицы штампов хорошо сочетаются при работе с калеными пуансонами.

Термическая обработка металла. Особенности технологического процесса

После воздействия на сталь давлением (ковка, прессование, прокат, выдавливание) необходимо придать материалу дополнительные физико-механические свойства: жесткость и определенную твердость. Для этого в металлургии и производстве применяется воздействие температурами.

В данной статье рассмотрим все этапы и особенности процесса по порядку.

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:

1. 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.
2. 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.
3. 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°
4. 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.
5. 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.
6. По Мартенсу. Так оценивается пластическая и упругая деформация при помощи проникновения инструмента в виде пирамиды в испытуемый образец.
7. 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.

Суть процесса

Термическая обработка — это воздействие на металл температурой с целью получения материала с иными характеристиками. Термообработка применяется для получения следующих результатов:

• придать изделию необходимый уровень твердости в каком-либо отдельном узле или по всей поверхности металла;
• придать наилучшую микроструктуру сплаву или стали;
• корректировка химического состава в частицах микроструктуры различных сплавов.

При обработке высокими температурами легко добиться однородности материала. Это помогает в последующем при механической обработке узлов и механизмов. Также снижается риск получить на производстве бракованную деталь из данного материала.

Также при помощи термической обработки можно повысить возможность деформации заготовки, чтобы из приготовленного материала было проще сделать готовый узел или необходимую деталь.

Виды термической обработки металла

Существует 3 основных вида термической обработки металла:

Также имеется еще и термохимическая обработка, которая относится к комбинированным методам придания материалу свойств повышенной твердости и износостойкости.

Отжиг

Суть отжига — металл нагревают до определенной температуры, держат необходимый промежуток времени, после чего медленно охлаждают до обычной комнатной температуры.

Чаще всего отжиг производится для решения следующих задач:

• увеличение механических показателей материала;
• приведения материала к однородному состоянию;
• улучшение пластичности;
• повышение уровня сопротивляемости;
• уменьшение внутреннего сопротивления материала для последующей ковки.

Отжиг — процесс, разделяющийся на несколько видов, в зависимости от нюансов проведения процедуры:

• диффузионный;
• полный или неполный;
• сфероидизация;
• изотермический;
• нормализация.

Методов отжига больше, но это основные и наиболее часто используемые.

Также процедура полного отжига подразумевает улучшения свойств материала для обработки и избавления от внутреннего сопротивления. Полный отжиг применяется для обработки:

• стали с минимальным количеством карбона;
• доэвтектоидного сплава.

При полном варианте процесса изделие доводят критической температуры ( точка А3) и после необходимого периода времени охлаждают до комнатных показателей. Так как конкретные параметры температуры зависят от вида используемых материалов. В следствии чего, время передержки также напрямую зависит от вида сплава, подвергающегося данному технологическому процессу.

При неполном отжиге конечная цель иная — по возможности создать более мягкий и пластичный материал. В этом случаи температура нагрева может достигать 770 градусов. Охлаждение делится на 2 этапа: сначала в печи, а затем уже на открытом воздухе.

Изотермическая разновидность отжига используется для высокохромистых сталей. При этом методе значительно экономится время производства, поскольку в одном из этапов охлаждения используется ускоренный процесс. Нет нужды ждать пока сталь остынет вместе с печью.

Закалка металла

При закалке происходит нагрев изделия до критических показателей. В следствии чего последующее охлаждение производится не постепенно и естественно, а резко и принудительно. При этом для снижения температуры применяются такие вещества как: сжатый воздух, водяной туман, а также жидкая полимерная закалочная среда. помимо прочности металл получает меньшие параметры вязкости и эластичности.

Способы закалки:

1. Использование одной среды — простой метод, который, однако, имеет ограничения по материалу использования. Происходит быстрое охлаждение и возникает неравномерность температур. Нельзя так обрабатывать металл с большим содержанием углерода, поскольку такой материал может разрушиться от агрессивного воздействия.
2. Многоступенчатая закалка — сначала металл термически обрабатывают, а после достижения необходимой температуры его укладывают в соляную ванну. Температура уравнивается и только потом материал охлаждают с использованием масла, воздуха или тумана.
3. Светлая закалка. При таком методе, сначала материал выдерживают в соляной ванне с добавлением хлористого натрия. Потом его же охлаждают в ванне с едким натрием и едким калием.
4. Самоотпуск. При таком способе деталь вытаскивается из системы охлаждения еще до того момента, как температура упадет. В центре заготовки или детали в это время еще сохранится высокий показатель температуры. После того, как закончен отпуск детали, ее охлаждают полностью с помощью погружения в специальную среду.
5. Изотермическое закаливание. Аналог ступенчатой закалки с более долгим временем передержки в соляной ванне.

При таких методах металл приобретает иные свойства, поскольку резкое охлаждение влияют на внутреннее напряжение изделия. Но как показывает практика, при неправильном выборе среды для охлаждения можно испортить исходный материал. Важно, что именно используют для охлаждения. При применении воды качество металла сразу снижается. Поэтому лучше использовать масло.

Если материал или заготовка неравномерны по толщине, то в первую очередь охлаждают более толстую часть заготовки.

Длинные детали опускают в охлаждающую среду строго вертикально.

При нарушениях технологического процесса, при закалке могут возникнуть различные дефекты:

• крупнозернистая структура материала;
• повышенные параметры хрупкости;
• заготовку или деталь может при закалке покоробить;
• возникают трещины.

Исправить мелкие дефекты можно при помощи отжига, повторной закалки с использованием другой закалочной среды и соблюдением всех технологических деталей.

Отпуск

Отпуск — еще один вид воздействия высоких температур на исходный материал. Делится по показателям нагрева на низкий и высокий.

При низком варианте отпуска заготовку нагревают до 120-200°С. Применяется для последующего производства наиболее точных деталей и инструментов. После нагрева заготовку некоторое время держат при нужных показателях, а затем охлаждают естественным путем на воздухе.

Сталь при такой обработке не только сохраняет свою первичную твердость, но и становится прочнее за счет разрушения некоторых остаточных веществ.

Иногда измерительные инструменты и наиболее точные механизмы обрабатывают при помощи низкого отпуска при температуре не выше 160°С. Этот процесс специалисты называют еще искусственным старением.

При процессе высокого отпуска температурные параметры гораздо выше 350-600°С. Охлаждение также происходит на воздухе. Особую эффективность данный метод показывает при обработке углеродистой стали.

Температурные рамки отпуска часто зависят от деталей, которые производятся. Например, при выпуске пружин и прочих деталей с переменными нагрузками используют отпуск при температуре 350-450°С.

Процедура отпуска проводится в специальных печах шахтного типа, как в воздушной, так и в масляной среде.

Химико-термическая обработка

Это комбинированный метод, который позволяет придать металлу необходимые свойства прочности, твердости, эластичности и вязкости.

Процесс термо-химической обработки включает три ступени:

При этом размер диффузионного слоя напрямую зависит от температуры и времени выдержки металла при определенной температуре.

Среды, в которых проводится насыщение разделяют на газовые, жидкие и твердые. Поскольку газовый вариант среды нагревается в разы быстрее, его использует чаще, как наиболее удобный.

Имеется несколько видов химико-термической обработки:

1. Диффузная металлизация — сталь поверхностно насыщают металлами. Проводить данный процесс можно в любой из сред. В итоге получается тонкий диффузный слой. Температура проведения процесса — 900-1200°С. Детали получаются исключительно жаропрочными. В свою очередь в зависимости от используемых веществ металлизацию подразделяют на хромирование, борирование, алитирование.
2. Науглероживание. Это процедура по насыщению поверхности основного металла углеродом. Повышает параметры твердости и износостойкости на поверхности металла.
3. Азотирование. Процедура насыщения азотом. Производится при высоких температурах в аммиаке.
4. Цианирование. Обработка стали двумя веществами — азотом и углеродом. Применяется на обработку стали с низким стартовым количеством углерода. Проводится в газовой или жидкой среде.

Заключение

Это основные методы химико-термической обработки. Они помогают предотвратить раннюю коррозию металла, улучшают его параметры прочности при малом изменении гибкости.

Термическая обработка металлов — один из основных процессов современной металлургической промышленности и различного вида производств. В зависимости от выбранного вида производится различное воздействие температурами, чтобы добиться эффектов прочности и твердости металла.

Также термообработка позволяет избежать дополнительного брака в готовых деталях. Основа всех термических процессов — воздействие температурой с остыванием, резким или естественным.

Сущность и основные способы термообработки стали

Что такое термическая обработка стали, ее назначение, принципы и виды. Сущность горячей и холодной обработки. Химико-термическая, термомеханическая и криогенная обработка. Виды печей для термообработки. Особенности работы с цветными сплавами.

Как правило, одним из последних этапов в изготовлении изделия из стали является термическая обработка. Нагрев до требуемой температуры c дальнейшим охлаждением приводит к значительным изменениям во внутренней структуре металла. Вследствие этого он приобретает новые свойства, которые напрямую зависят от выбранных термических режимов. Термообработка стали позволяет изменять ее твердость, хрупкость и вязкость, а также делать ее устойчивой к деформации, износу и химической коррозии. К основным видам термообработки относят закалку, отпуск и отжиг. Кроме этого, существуют комбинированные способы: химико-термическая и термомеханическая обработки, сочетающие в себе нагрев и охлаждение с другими видами воздействия на структуру металла. При всем многообразии базовых видов и их разновидностей сущность у всех этих технологий одна – изменение внутренних фазных и структурных состояний металла с целью придания ему требуемых свойств.

Назначение термической обработки

Главная задача термической обработки изделия из стали — придать ему требуемое эксплуатационное качество или совокупность таких качеств. При термообработке режущего инструмента из инструментальных и легированных сталей достигается твердость 63 HRC и повышенная износостойкость. А ударный инструмент после нее должен иметь твердый поверхностный слой и пластичную ударопрочную сердцевину. Стали для изготовления пружин и рессорных пластин после термической обработки становятся прочными на изгиб и упругими, а металл для рельсов — устойчивым к деформациям и износу. Кроме того, термическими способами производят упрочнение поверхностных слоев стальных изделий, насыщая их при высокой температуре углеродом, азотом или другими соединениями, а также укрепляя закалкой нагартовку после горячей обработки давлением. Другое назначение термической обработки — это восстановление изначальных свойств металла, которое достигается их отжигом.

Преимущества термообработки металлов

Термическая обработка кардинально изменяет эксплуатационные свойства металлов, используя при этом только внутреннее перестроение их кристаллических решеток. С помощью чередования циклов нагрева и охлаждения можно в разы увеличить твердость, износостойкость, пластичность и ударную вязкость изделия. Помимо этого, термическая обработка дает возможность производить структурные изменения только в поверхностном слое на заданную глубину или воздействовать только на часть заготовки. Сочетание термообработки с горячей обработкой давлением приводит к значительному увеличению твердости металла, превышающему результаты, полученные отдельно при нагартовке или закалке. При химико-термической обработке поверхностный слой металла диффузионным способом насыщается химическими элементами, значительно повышающими его износостойкость и твердость. При этом основная часть изделия сохраняет вязкость и пластичность. С производственной точки зрения оборудование для термической обработки гораздо проще и дешевле, чем станки и установки механообрабатывающих и литейных производств.

Принцип термической обработки

• нагрева, изменяющего структуру кристаллической решетки металла;
• охлаждения, фиксирующего достигнутые при нагреве изменения;
• отпуска, снимающего механические напряжения и упорядочивающего полученную структуру.

Особенностью технологии термической обработки стали является то, что при нагреве до 727 ºC она переходит в состояние твердого расплава — аустенита, в котором атомы углерода проникают внутрь элементарных ячеек железа, создавая равномерную структуру. При медленном охлаждении сталь возвращается в исходное состояние, а при быстром — фиксируется в виде аустенита или других структур. От способа охлаждения и дальнейшего отпуска зависят свойства закаленной стали. Здесь соблюдается принцип: чем быстрее охлаждение и ниже температура, тем выше ее хрупкость и твердость. Термообработка является одним из ключевых технологических процессов для всех сплавов железа с углеродом. Например, получить ковкий чугун можно только путем термической обработки белого чугуна.

Виды термообработки стали

Отжиг

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

Еще одно достаточно распространенное применение отжига как в промышленности, так и в домашних мастерских — восстановление исходных свойств стали после неудачной закалки или проведения пробной термической обработки.

Закалка

Скорость нагревания при термической обработке полностью зависит от марки стали, массы и формы детали, типа источника тепла и требуемого результата. Поэтому его можно подобрать или по справочным таблицам или же только опытным путем. Это же относится и к скорости охлаждения, которая также находится в зависимости от перечисленных характеристик. При выборе охлаждающей среды в первую очередь ориентируются на скорость охлаждения, но при этом учитывают и другие ее особенности. В первую очередь к ним относятся стабильность и безвредность ее состава, а также легкость удаления с поверхности изделия. Кроме того, при работе насосного и перемешивающего оборудования, используемого при термической обработке, важны такие характеристики, как вязкость и текучесть.

Отпуск

1. Низкий. Нагрев осуществляется до 200 ºC. Такой отпуск применяют к режущему инструменту и цементированным сталям для сохранения высокой твердости и стойкости к износу.
2. Средний. Изделия нагревают до температуры 300÷450 ºC. Этот вид отпуска используют для повышения упругости и сопротивления усталости рессорных и пружинных сталей.
3. Высокий. Диапазон нагрева составляет 460÷710 ºC. Термическая обработка, включающая в себя закалку с высоким отпуском, у термистов носит название улучшение, т. к. в этом случае достигается наилучшее соотношение пластичности, износостойкости и вязкости.

При низкотемпературном термическом нагреве металл покрывается цветными оксидными пленками, которые меняют свою окраску в зависимости от температуры от бледно-желтого до серовато-сизого. Это довольно надежный индикатор нагрева детали, и многие производят отпуск, ориентируясь на цвет побежалости.

Химико-термическая обработка

1. Цементация. Насыщение верхнего слоя стали углеродом при температуре в диапазоне от 900 до 950 ºC.
2. Нитроцементация. В этом случае термическое насыщение производится одновременно азотом и углеродом из газообразной среды при нагреве от 850 до 900 ºC.
3. Цианирование. Поверхностный слой насыщается теми же элементами, что и при нитроцементации, но из расплава солей цианидов.
4. Азотирование. Выполняется при температуре не выше 600 ºC.
5. Насыщение твердыми соединениями металлов и неметаллов (бора, хрома, титана, алюминия и кремния).

При первых четырех видах насыщение происходит из газовых сред, а при последнем — из порошков, расплавов, паст и суспензий.

Термомеханическая обработка

Криогенная обработка

Криогенная обработка заключается в охлаждении стали до критически низких температур, в результате чего в ее кристаллической решетке происходят те же процессы, что и при термической закалке на мартенсит. Для этого деталь погружается в жидкий азот, который имеет температуру -195 ºC и выдерживается в нем в течение расчетного времени, зависящего от марки стали и массы изделия. После этого она естественным образом нагревается до комнатной температуры, а затем, как и при обычной термической закалке, подвергается отпуску, параметры которого зависят от требуемого результата. У изделия из стали, обработанного таким образом, повышается не только твердость, но и прочность. Кроме того, после воздействия сверхнизких температур в нем прекращаются процессы старения и в течение времени оно не меняет своих линейных размеров.

Применяемое оборудование

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

К первому виду относятся камерные печи для термообработки металлов и сплавов. Кроме того, нагрев может осуществляться высокочастотными индукторами, газоплазменными установками и ваннами с жидкими расплавами. Отдельным видом нагревательного оборудования являются установки для химико-термической и термомеханической обработки. Загрузка и выгрузка изделий производится с помощью мостовых кранов, кран-балок и других подъемных механизмов, а перемещение между операционными узлами термической обработки — специальными тележками с крепежной оснасткой. Устройства, обеспечивающие процесс термообработки жидкими и газообразными средами, обычно располагаются вблизи соответствующего оборудования или же соединены с ним трубопроводами. Основной измерительной техникой термического цеха являются различные пирометры, а также стандартный измерительный инструмент.

Особенности термообработки цветных сплавов

При термической обработке изделий из деформируемых алюминиевых сплавов (профили, трубы, уголки) требуется очень точное соблюдение температуры нагрева, при этом она не очень высокая: всего 450÷500 ºC. А как можно решить эту задачу в домашних условиях минимальными средствами? Если кто-нибудь знает ответ на этот вопрос, поделитесь, пожалуйста, информацией в комментариях.

Современные технологии термической обработки металлов

В большинстве случаев для сталей и сплавов, получаемых после их выплавки и последующей первичной обработки давлением – прокатки, выдавливания или ковки – получить необходимые физико-механические свойства и структуру не удаётся. Что и понятно: повышение пластичности, например, способствует снижению суммарных энергозатрат при обработке заготовок, а неравномерная структура стального слитка неизбежна ввиду особенностей ведения большинства металлургических процессов.

Но для дальнейшей эксплуатации деталей и узлов оборудования зачастую требуются совсем иные характеристики – прочность, твёрдость, жёсткость и т.д. Именно для этих целей и предназначена термическая обработка металлов.

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 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.

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…70 0 С 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…750 0 С), а во втором – низкотемпературного отжига (180…220 0 С).

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

Закалка заключается в быстром нагреве заготовки до температуры окончания аустенитного превращения (900…1100 0 С – для низкоуглеродистых сталей, 750…850 0 С – 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…30 0 С, что вынуждает применять закалочные печи с автоматически регулируемой температурой в рабочем пространстве);

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.

Улучшение и нормализация

Как виды термообработки, эти процессы схожи с отжигом, хотя и предназначены для иных целей – повышения эксплуатационной долговечности ответственных деталей машин и инструмента.

При нормализации деталь подвергается медленному нагреву, выдерживается при заданной температуре, после чего обязательно охлаждается вместе с печью. В результате структура детали становится более равновесной, а уровень внутренних напряжений понижается.

Закалка стали (график)

Существенным отличием считается состав атмосферы, печи, в которой выполняются данные операции термической обработки. Она должна быть безокислительной, поскольку интенсивное оксидообразование на поверхности изделия не только ухудшает его товарный вид, но и изменяет размеры. Выгорание углерода, которым также сопровождается термообработка в обычной печи, ухудшает химический состав стали и снижает её прочность.

Уменьшение доступа кислорода к поверхности детали при нормализации выполняют несколькими путями:

Термообработка металла от отжига до нормализации

• Нагревом при плановом недостатке кислорода. В этом случае стабильность работы газовых горелок печей для термообработки компенсируют увеличением скорости подачи воздуха в зону горения;
• Термической обработкой в среде защитных газов. Для ответственных деталей применяются пары лития, аргон или другие благородные газы, в остальных случаях – двуокись углерода;
• Нанесением защитных обмазок на поверхность изделия, подлежащего нормализации.

После нормализации деталь охлаждают на спокойном воздухе, не допуская её обдув: это может вызвать неоднородную, «пятнистую» микроструктуру изделия.

Нормализация металла

Улучшение – операция термообработки, в результате которой повышается механическая обрабатываемость сталей и сплавов, снижается уровень остаточных напряжений в них. Это сопровождается некоторым уменьшением твёрдости.

Криогенная обработка

Мартенситная составляющая в структуре большинства сталей и сплавов может появиться не только при повышенной, но и при пониженной температуре. Технология обработки холодом выгодно отличается от традиционных технологий термической обработки следующим:

В результате криогенной обработки количество остаточного аустенита в сталях снижается. Это стабилизирует размеры деталей (что особо важно для высокоточного инструмента), повышает Криогенная обработка

теплопроводность и магнитные свойства, увеличивает итоговую прочность изделия.

Для быстрорежущих сталей (из которых изготавливается высокостойкая инструментальная оснастка для Определение криогенной обработки

металлорежущего и штамповочного оборудования) обработка холодом – единственный способ увеличить твёрдость, не потеряв при этом в показателях упругости.

Особый вид термообработки представляют процессы химико-термической обработки. Их задачей является формирование в поверхностной микроструктуре карбидов и нитридов – соединений, существенно увеличивающих микротвёрдость деталей, и создающих в них остаточные напряжения сжатия. Такие изделия показывают особо высокую стойкость при знакопеременных нагрузках.