Виды термической обработки стали и их назначение

Виды термической обработки стали

Чтобы придать металлам необходимые характеристики, прибегают к термической обработке. Завод металлоконструкций ЧЗМК выполняет закалку и отжиг стали и цветных сплавов.

Назначение термической обработки

Поскольку металлические конструкции и изделия подвергают разнообразным нагрузкам и испытаниям, они должны быть прочными, износостойкими, сопротивляться коррозии и другим разрушительным факторам. Чтобы повысить их стойкость, придать другие необходимые свойства, прибегают к термической обработке, которая меняет физико-механические характеристики сплавов. Иногда это промежуточный этап на стадии производства металлической продукции, иногда – конечный.

В процессе происходят важнейшие изменения в структуре металла. В зависимости от выбранного вида термообработки, будет отличаться и результат. В металлообрабатывающей промышленности с помощью таких технологий создают сплавы с уникальными характеристиками. Если назначение термической обработки – повысить податливость, пластичность, после нее металл будет легче резать, придавать ему желаемую форму.

Но некоторые операции увеличивают такие характеристики, как твердость, циклическая прочность. Кроме того, при помощи термообработки удается устранить дефекты, которые вызваны ошибками или просчетами на предыдущих производственных этапах.

Преимущества термообработки металлов

При грамотно выбранном режиме и продолжительности процедур удается добиться заданных характеристик. Термическую обработку ценят за следующие достоинства:

• увеличивается стойкость металла к износу;
• за счет улучшения технических показателей возрастает срок службы металлоконструкций и изделий;
• уменьшается количество деталей, непригодных к использованию;
• благодаря повышению прочности, долговечности и износостойкости сокращаются финансовые издержки.

Чтобы стали обрели желаемые свойства, необходимо специальное оборудование. Это высокотехнологичные печи, в которых за счет высоких температур добиваются сильного нагрева, вызывающего изменения в структуре металла. Однако для качественной термообработки важна регулировка мощности, других настроек. Поскольку каждому металлу требуется свой температурный режим. Также его подбирают под цели термической обработки – в зависимости от того, какие именно свойства нужно придать стали или цветному сплаву.

Принцип термической обработки

Хотя процессы отличаются температурным режимом, длительностью и другими тонкостями, в целом процедура протекает по одному и тому же принципу. Термическую обработку стали выполняют в следующей последовательности:

1. Нагрев.
2. Выдержка.
3. Охлаждение.

Для первого этапа крайне важно точно подобрать температуру и выполнить нагрев до указанного предела. Температурный режим предопределяется тем, предстоит ли работать со сталью или с другими сплавами, какие именно свойства следует придать металлу.

Также имеет значение продолжительность выдержки. Сплавы претерпевают желаемые изменения в структуре, только когда температура держится в конкретном диапазоне в течение определенного времени.

Скорость охлаждения – не менее значимая константа. В некоторых случаях в работе со сталью при термообработке ее оставляют в печи, где она очень долго остывает вместе с оборудованием. Но иногда требуется более быстрое понижение температуры металла, чтобы в структуре не произошли нежелательные изменения. И тогда после термической обработки заготовку выставляют остывать на воздухе.

Виды термообработки стали

Имея общий алгоритм действий, предприятия выполняют термическую обработку разными способами. Располагая всего тремя инструментами – нагрев, выдержка и охлаждение, удается решать широчайший круг задач. Если одни виды термической обработки стали предназначены для увеличения ее прочности, то другие повышают пластичность и текучесть. Поэтому важен профессионализм, четкое понимание процессов, протекающих в структуре.

Отжиг

К одним из самых востребованных видов термообработки относят отжиг, который выполняют для понижения твердости и снятия внутреннего напряжения. Зачастую он необходим после горячей обработки стали давлением. Например, такой термической обработке подвергают заготовки после ковки, прокатки и штамповки. Иногда к отжигу прибегают вслед за сваркой. Он же используется, если на предыдущем этапе работы со сталью допущены ошибки и возникли дефекты.

Суть такой термической обработки заключается в нагреве выше критической точки, последующей выдержке и охлаждении. Благодаря этому структура обретает равновесность, впоследствии со сталью проще работать способом резания.

Закалка

Эту термическую обработку выполняют, чтобы увеличить твердость сплава. Если говорить о процессах, которые происходят со сталью, то в ее структуре вместо перлита образовывается мартенсит, проходя через стадию аустенита.

Воздействуя при помощи высоких температур на металл, сначала добиваются аустенитного превращения. Чтобы избежать промежуточную структуру, заготовку помещают в масло. Там происходит быстрое охлаждение стали до мартенситных превращений. Однако далее снижение температур должно замедлиться. Иначе распад аустенита будет неполным и не удастся при помощи термообработки придать стали желаемую твердость.

Отпуск

Такую термическую обработку осуществляют для повышения пластичности одновременно со снижением хрупкости. При этом удается сохранить высокую прочность стали. Отпуск делят на три вида, в зависимости от уровня нагрева металла. Он бывает:

• низкотемпературным;
• среднетемпературным;
• высокотемпературным.

В первом случае термическую обработку выполняют, доведя сплав до 250 градусов. Преимущественно данный способ применим для закаленной стали. Также низкотемпературному отпуску подвергают инструменты из углеродистых и низколегированных металлов.

Второй вид предполагает термическую обработку стали с нагревом до 350-500 градусов. Он обеспечивает повышение упругости и выносливости. Улучшается еще одно ценное свойство – релаксационная стойкость.

Среднетемпературный отпуск протекает с охлаждением в два этапа – сначала в воде, а затем на воздухе. Благодаря этому стали придают сжимающие остаточные напряжения, что улучшает выносливость.

Высокотемпературный отпуск – это нагрев до 500-680 градусов. Благодаря данной термической обработке удается совместить высокую прочность с пластичностью и вязкостью. Подобные свойства особенно ценятся при производстве деталей, на которые будут выпадать повышенные ударные нагрузки. Например, это валы и зубчатые колеса.

Эти виды термообработки приводят к распаду мартенсита. Также в процессе происходит полигонизация и рекристаллизация.

Химико-термическая обработка

Суть подобных мероприятий заключается в нагреве и выдержке в химически активных средах. Посредством такой термообработки удается поменять химический состав, а не только структуру и свойства стали.

Процедура показана по отношению к заготовкам, в которых должна сохраняться твердость поверхности и вязкость сердцевины. Также удается повысить коррозионную стойкость и сопротивление усталости.

Химико-термическую обработку осуществляют, применяя жидкие, твердые и газообразные среды. В зависимости от того, какими веществами насыщается металл, выделяют следующие виды процедур:

• цементация;
• азотирование;
• цианирование и пр.

Если термообработку совмещают с нанесением углерода, как в первом случае, сталям придают высокую прочность и сопротивление истиранию. Процесс происходит с погружением в порошкообразную смесь, в соляные ванны или в печи с цементирующими газами.

Суть азотирования заключается в насыщении стали азотом. Термообработку выполняют в печи, меняя длительность процесса, в зависимости от нужной глубины проникновения химического вещества.

Цианирование предполагает насыщение углеродом и азотом одновременно. Благодаря этому сталям придают высокую твердость, стойкость к истиранию и к коррозии. Такую термическую обработку выполняют, используя цианистые соли, азотирующие газы, порошки и пасты.

Термомеханическая обработка

Данная методика сравнительно новая. Она позволяет сохранить пластичность, выполнить пластическую деформацию и упрочнить структуру.

Металл доводят до аустетинтного состояния. При быстром охлаждении начинается формирование мартенсита. В это же время выполняют наклеп аустенита – посредством прокатки, штамповки либо ковки. За счет этого и происходит улучшение физико-механических свойств стали.

В зависимости от того, какая используется температура, термомеханическая обработка бывает:

• высокотемпературной;
• низкотемпературной.

В первом случае превышают высшую критическую точку, приступают к пластической деформации и завершают закалкой. Во втором – сначала происходит нагрев, затем охлаждение до температуры, когда сохраняется аустенит, но еще не начинается рекристаллизация. На этой стадии осуществляют пластическую деформацию.

Криогенная обработка

Чтобы поменять свойства металлов, используют не только высокие, но и низкие температуры. Как и при термообработке, удается снять остаточные напряжения и повысить износостойкость деталей. Увеличивается твердость заготовок, их прочность. В процессе остаточный аустенит трансформируется в мартенсит. Данные мероприятия выполняют в криогенном процессоре.

Применяемое оборудование

В термических цехах встречаются разнообразные установки. Поскольку и назначение термической обработки бывает различным, возникает потребность в нескольких видах печей:

• шахтные;
• камерные;
• вакуумные;
• с выдвижным подом.

Первые называют универсальными. В них возможно выполнять термообработку разными способами. В шахтных печах размещаются заготовки любого размера. Сюда отправляют детали для нагрева перед закалкой, для отжига и отпуска, для цементации. Более того, в них работают не только со сталями, но и с цветными металлами.

В камерных печах обрабатывают преимущественно заготовки среднего и мелкого размера. Их устанавливают на различных предприятиях и в качестве самостоятельных единиц, и в составе автоматизированного комплекса.

В вакуумных печах, помимо термической обработки, можно выполнять пайку, спекание материалов. Оборудование ценят за то, что оно в точности придерживается заданных технологических параметров. Температура не откланяется от нужного предела больше чем на 5 градусов. Такие печи используются для термической обработки конструкционной стали. В них проходят разнообразные процедуры титановые сплавы, тугоплавкие металлы.

Печи с выдвижным поддоном особенно удобны, когда необходимо обработать очень крупную деталь либо узел. Для загрузки и выгрузки стали обычно используют специальные краны и кран-балки. Однако оборудование этого типа имеет существенные недостатки. Во-первых, оно громоздкое, поэтому не на каждом предприятии найдется пространство для его установки. Во-вторых, из-за специфики конструкции высоки теплопотери.

В основном печи с выдвижным поддоном применимы для отжига сварных конструкций. В них доводят заготовки крупных габаритов до аустенитного состояния. Еще один способ применения – подготовка для ковки.

Особенности термообработки цветных сплавов

Цветные металлы требуют особого подхода к обработке, в отличие от работы со сталями. Индивидуальный подход обусловлен особенностями строения кристаллической решетки. Режим и характер воздействия подбирают также с учетом теплопроводности, химической активности. Но многие процессы с цветными металлами протекают в тех же печах, где обрабатывают стали.

Завод металлоконструкций ЧЗМК подвергает термической обработке различные стали, цветные металлы. Для этого предприятие оснащено разнообразным современным оборудованием. Высокая квалификация и профессионализм специалистов служат залогом превосходного результата.

Виды термообработки

Термическая обработка (термообработка) стали, цветных металлов — процесс изменения структуры стали, цветных металлов, сплавов при нагревании и последующем охлаждении с определенной скоростью.
Термическая обработка (термообработка) приводит к существенным изменениям свойств стали, цветных металлов, сплавов. Химический состав металла не изменяется.

Виды термической обработки стали

Отжиг

Отжиг — термическая обработка (термообработка) металла, при которой производится нагревание металла, а затем медленное охлаждение. Эта термообработка (т. е. отжиг) бывает разных видов (вид отжига зависит от температуры нагрева, скорости охлаждения металла).

Закалка

Закалка — термическая обработка (термообработка) стали, сплавов, основанная на перекристаллизации стали (сплавов) при нагреве до температуры выше критической; после достаточной выдержки при критической температуре для завершения термической обработки следует быстрое охлаждение. Закаленная сталь (сплав) имеет неравновесную структуру, поэтому применим другой вид термообработки — отпуск.

Отпуск

Отпуск — термическая обработка (термообработка) стали, сплавов, проводимая после закалки для уменьшения или снятия остаточных напряжений в стали и сплавах, повышающая вязкость, уменьшающая твердость и хрупкость металла.

Нормализация

Нормализация — термическая обработка (термообработка), схожая с отжигом. Различия этих термообработок (нормализации и отжига) состоит в том, что при нормализации сталь охлаждается на воздухе (при отжиге — в печи).

Нагрев заготовки

Нагрев заготовки — ответственная операция. От правильности ее проведения зависят качество изделия, производительность труда. Необходимо знать, что в процессе нагрева металл меняет свою структуру, свойства и характеристику поверхностного слоя и в результате от взаимодействия металла с воздухом атмосферы, и на поверхности образуется окалина, толщина слоя окалины зависит от температуры и продолжительности нагрева, химического состава металла. Стали окисляются наиболее интенсивно при нагреве больше 900°С, при нагреве в 1000°С окисляемость увеличивается в 2 раза, а при 1200°С — в 5 раз.

Хромоникелевые стали называют жаростойкими потому, что они практически не окисляются.

Легированные стали образуют плотный, но не толстый слой окалины, который защищает металл от дальнейшего окисления и не растрескивается при ковке.

Углеродистые стали при нагреве теряют углерод с поверхностного слоя в 2-4 мм. Это грозит металлу уменьшением прочности, твердости стали и ухудшается закаливание. Особенно пагубно обезуглероживание для поковок небольших размеров с последующей закалкой.

Заготовки из углеродистой стали с сечением до 100 мм можно быстро нагревать и потому их кладут холодными, без предварительного прогрева, в печь, где температура 1300°С. Во избежание появлений трещин высоколегированные и высокоуглеродистые стали необходимо нагревать медленно.

При перегреве металл приобретает крупнозернистую структуру и его пластичность снижается. Поэтому необходимо обращаться к диаграмме «железо-углерод», где определены температуры для начала и конца ковки. Однако перегрев заготовки можно при необходимости исправить методом термической обработки, но на это требуется дополнительное время и энергия. Нагрев металла до еще большей температуры приводит к пережогу, от чего происходит нарушение связей между зернами и такой металл полностью разрушается при ковке.

Пережог

Пережог — неисправимый брак. При ковке изделий из низкоуглеродистых сталей требуется меньше число нагревов, чем при ковке подобного изделия из высокоуглеродистой или легированной стали.

При нагреве металла требуется следить за температурой нагрева, временем нагрева и температурой конца нагрева. При увеличении времени нагрева — слой окалины растет, а при интенсивном, быстром нагреве могут появиться трещины. Известно из опыта, что на древесном угле заготовка 10-20 мм в диаметре нагревается до ковочной температуры за 3-4 минуты, а заготовки диаметром 40-50 мм прогревают 15-25 минут, отслеживая цвет каления.

Химико-термическая обработка

Химико-термическая обработка (ХТО) стали — совокупность операций термической обработки с насыщением поверхности изделия различными элементами (углерод, азот, алюминий, кремний, хром и др.) при высоких температурах.

Поверхностное насыщение стали металлами (хром, алюминий, кремний и др.), образующими с железом твердые растворы замещения, более энергоемко и длительнее, чем насыщение азотом и углеродом, образующими с железом твердые растворы внедрения. При этом диффузия элементов легче протекает в решетке альфа-железо, чем в более плотноупакованной решетке гамма-железо.

Химико-термическая обработка повышает твердость, износостойкость, кавитационную, коррозионную стойкость. Химико-термическая обработка, создавая на поверхности изделий благоприятные остаточные напряжения сжатия, увеличивает надежность, долговечность.

Цементация стали

Тонкая пленка окислов железа, придающая металлу различные быстро меняющиеся цвета — от светло-желтого до серого. Такая пленка появляется, если очищенное от окалины стальное изделие нагреть до 220°С; при увеличении времени нагрева или повышении температуры окисная пленка утолщается и цвет ее изменяется. Цвета побежалости одинаково проявляются как на сырой, так и на закаленной стали.

При низком отпуске (нагрев до температуры 200-300° ) в структуре стали в основном остается мартенсит, который, однако, изменяется решетку. Кроме того, начинается выделение карбидов железа из твердого раствора углерода в альфа-железе и начальное скопление их небольшими группами. Это влечет за собой некоторое уменьшение твердости и увеличение пластических и вязких свойств стали, а также уменьшение внутренних напряжений в деталях.

Для низкого отпуска детали выдерживают в течение определенного времени обычно в масляных или соляных ваннах. Если для низкого отпуска детали нагревают на воздухе, то для контроля температуры часто пользуются цветами побежалости, появляющимися на поверхности детали.

Появление этих цветов связано с интерференцией белого света в пленках окисла железа, возникающих на поверхности детали при ее нагреве. В интервале температур от 220 до 330 ° в зависимости от толщины пленки цвет изменяется от светло-желтого до серого. Низкий отпуск применяется для режущего, измерительного инструмента и зубчатых колес.

При среднем (нагрев в пределах 300-500°) и высоком (500-700°) отпуске сталь из состояния мартенсита переходит соответственно в состояние тростита или сорбита. Чем выше отпуск, тем меньше твердость отпущенной стали и тем больше ее пластичность и вязкость.

При высоком отпуске сталь получает наилучшее сочетание механических свойств, повышение прочности, пластичности и вязкости, поэтому высокий отпуск стали после закалки ее на мартенсит назначают для кузнечных штампов, пружин, рессор, а высокий — для многих деталей, подверженных действию высоких напряжений (например, осей автомобилей, шатунов двигателей).

Для некоторых марок стали отпуск производят после нормализации. Этот относится к мелкозернистой легированной доэвтектоидной стали (особенно никелевой), имеющий высокую вязкость и поэтому плохую обрабатываемость режущим инструментом.

Для улучшения обрабатываемости производят нормализацию стали при повышенной температуре (до 950-970°), в результате чего она приобретает крупную структуру (определяющую лучшую обрабатываемость) и одновременно повышенную твердость (ввиду малой критической скорости закалки никелевой стали). С целью уменьшения твердости производят высокий отпуск этой стали.

Дефекты закалки

К дефектам закалки относятся:

• трещины,
• поводки или коробление,
• обезуглероживание.

Главная причина трещин и поводки — неравномерное изменение объема детали при нагреве и, особенно, при резком охлаждении. Другая причина — увеличение объема при закалке на мартенсит.

Трещины возникают потому, что напряжения при неравномерном изменении объема в отдельных местах детали превышают прочность металла в этих местах.

Лучшим способом уменьшения напряжений является медленное охлаждение около температуры мартенситного превращения. При конструировании деталей необходимо учитывать, что наличие острых углов и резких изменений сечения увеличивает внутреннее напряжение при закалке.

Коробление (или поводка)возникает также от напряжений в результате неравномерного охлаждения и проявляется в искривлениях деталей. Если эти искривления невелики, они могут быть исправлены, например, шлифованием. Трещины и коробление могут быть предотвращены предварительным отжигом деталей, равномерным и постепенным нагревом их, а также применением ступенчатой и изотермической закалки.

Обезуглероживание стали с поверхности — результат выгорания углерода при высоком и продолжительном нагреве детали в окислительной среде. Для предотвращения обезуглероживания детали нагревают в восстановительной или нейтральной среде (восстановительное пламя, муфельные печи, нагрев в жидких средах).

Образование окалины на поверхности изделия приводит к угару металла, деформации. Это уменьшает теплопроводность и, стало быть, понижает скорость нагрева изделия в печи, затрудняет механическую обработку. Удаляют окалину либо механическим способом, либо химическим (травлением).

Выгоревший с поверхности металла углерод делает изделия обезуглероженным с пониженными прочностными характеристиками, с затрудненной механической обработкой. Интенсивность, с которой происходит окисление и обезуглерожевание, зависит от температуры нагрева, т. е. чем больше нагрев, тем быстрее идут процессы.

Образование окалины при нагреве можно избежать, если под закалку применить пасту, состоящую из жидкого стекла — 100 г, огнеупорной глины — 75 г, графита — 25 г, буры — 14 г, карборунда — 30 г, воды — 100 г. Пасту наносят на изделие и дают ей высохнуть, затем нагревают изделие обычным способом. После закалки его промывают в горячем содовом растворе. Для предупреждения образования окалины на инструментах быстрорежущей стали применяют покрытие бурой. Для этого нагретый до 850°С инструмент погружают в насыщенный водный раствор или порошок буры

Антикоррозионная обработка изделий после термической обработки

После термической обработки, связанной с применением солей, щелочей, воды и прочих веществ, могущих вызывать при длительном хранении изделий коррозию, следует провести антикоррозионную обработку стальных изделий, заключающуюся в том, что очищенные, промытые и высушенные изделия погружают на 5 минут в 20 — 30% водный раствор нитрита натрия, после чего заворачивают в пропитанную этим же раствором бумагу.
В таком виде изделия могут храниться длительное время

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.

Назначение и виды термической обработки

Назначение и виды термической обработки

Термическая обработка формирует физико-механические свойства инструмента: теплостойкость, прочность, твердость, износостойкость. Для изготовления инструмента используют такие виды термической обработки, как отжиг, закалка, отпуск, химико-термическая обработка. При неправильно выбранных или при нарушении заданных режимов термической обработки инструмент может оказаться вообще неработоспособным. Поэтому высокая культура термической обработки, особенно закалки и отпуска, предопределяет высокое качество инструмента.

Отжиг.

Отжиг осуществляют для снятия внутренних напряжений и понижения твердости после горячей обработки давлением (прокатка, ковка, штамповка) и сварки заготовок. Перед повторной закалкой инструментов, если первичная выполнена неправильно, инструменты также отжигают. Для этого заготовку или инструмент нагревают до температуры 830—850 °С, выдерживают при этой температуре 3—4 часа, а затем охлаждают с различными скоростями. Приблизительный режим отжига быстрорежущей стали представлен диаграммой рис. 3.18. Более предпочтительный — изотермический отжиг по диаграмме рис. 3.19.

Повышение температуры отжига и увеличение выдержки при этой температуре способствуют более полному растворению карбидов в аустените. После закалки и отпуска получается более легированный мартенсит, что повышает красностойкость инструмента. Однако увеличивается опасность окисления и обезуглероживания поверхностных слоев заготовки или инструмента. Поэтому обычно стремятся сокращать время нагрева стали при высоких температурах. Для повышения пластичности быстрорежущей стали перед холодной обработкой давлением (волочение, редуцирование, ротационное обжатие, прокат тонких листов, рубка, штамповка) рекомендуют термическую обработку, занимающую промежуточное место между отжигом и неполной закалкой. Сталь нагревают до 720—780 °С, выдерживают при этой температуре один час, после чего охлаждают в масле или на воздухе. Закалка.

Цель закалки — увеличить твердость инструмента, превратив исходную перлитную структуру быстрорежущей стали в мартенсит. Для этого необходимо исходный перлит превратить в аустенит, нагревая сталь до температуры аустенитных превращений. Затем сталь быстро охлаждают в масле до температуры мартенситных превращений, чтобы аустенит не превратился в промежуточные структуры. После этого охлаждение должно быть медленным, чтобы обеспечить более полный распад аустенита.

Нагрев. Быстрорежущая сталь обладает пониженной теплопроводностью. Поэтому нагрев до закалочной температуры 1200—1300 °С необходимо осуществлять медленно, для того чтобы избежать появления закалочных трещин — следствия высоких внутренних растягивающих напряжений в сердцевине инструмента от разности объемов горячих поверхностных слоев инструмента и относительно холодной сердцевины. Инструмент сначала медленно подпревают до температуры 780—840 °С, а затем быстро нагревают до окончательной температуры. Быстрый нагрев уменьшает рост зерна стали и обезуглероживание поверхностных слоев инструмента. Крупногабаритные и фасонные инструменты подогревают дважды, сначала до 400—500 °С, а затем до 780—840 °С.

Температура окончательного нагрева, продолжительность подогрева и окончательного нагрева зависят от целого ряда факторов:

а) требуемых физико-механических свойств инструмента;

б) химсостава стали;

в) теплоемкости и теплопроводности стали,

г) продолжительности фазовых превращений и процессов растворения карбидов в аустените;

д) физических свойств нагревающей среды;

е) конфигурации и размера нагреваемого инструмента.

Поэтому режим термической обработки назначают и экспериментально проверяют не только для конкретного инструмента из стали данной марки, но и для каждого номера плавки стали этой же марки, и даже для каждого проката стали той же плавки. Установленный таким образом режим нагрева строго контролируется и поддерживается. Например, отклонение температуры нагрева допускается в пределах ± 10°С. Время выдержки при окончательном нагреве быстрорежущей стали в хлорбариевых ваннах 6—7 с на каждый миллиметр сечения инструмента, а в печах с газовой средой 10—12 с. Температура окончательного нагрева, в зависимости от марки стали, колеблется в пределах 1200—1300 °С. Уточненные значения температуры и времени выдержки при нагреве под закалку можно найти в специальной литературе, например, [14; 170]. Инженеру-механику важно знать, что повышение температуры окончательного нагрева и увеличение времени выдержки при этой температуре способствует более полному растворению карбидов. В результате после закалки и отпуска получаем более легированный мартенсит, что повышает твердость и теплостойкость инструмента. Однако при этом увеличивается опасность окисления и обезуглероживания поверхности инструмента, структура металла становится крупнозернистой, появляется ледобу- ритная сетка, что понижает прочность инструмента. Кроме того, уменьшение содержания свободных карбидов в стали вследствие их более полного растворения понижает износостойкость инструмента. Поэтому повышенные температуры нагрева и увеличенные выдержки можно рекомендовать лишь для простых инструментов, работающих с высокими скоростями, например, для резцов общего назначения. Дня сложнорежущих и мелкопрофильных инструментов, протяжек, зуборезных, резьбонарезных и других подобных инструментов такой нагрев неприемлем.

Охлаждение. Выбор метода охлаждения и охлаждающих сред зависит от состава стали, сложности инструмента и требуемых свойств.

Охлаждение до температуры мартенситного превращения следует вести быстро, чтобы аустенит не превратился в промежуточные структуры. Для каждой марки стали существует своя постоянная скорость охлаждения, а стало быть, и своя охлаждающая среда.

Охлаждение в интервале температур мартенситного превращения (300—200 °С) следует вести более медленно, так как при быстрых структурных превращениях объем металла изменяется быстро, что может явиться причиной появления трещин. Поэтому для разных марок сталей и форм инструмента чаще всего применяется комбинированное охлаждение: сначала в одной среде, а затем в другой.

Охлаждающими средами могут быть: вода, масло, расплавы и растворы солей, щелочей, воздух.

Инструменты из углеродистой стали сложной конфигурации сначала охлаждают в воде до температуры 300—250 °С, а затем в масле. Простые инструменты охлаждают только в воде.

Быстрорежущие инструменты простой формы охлаждают в масле, а небольшого поперечника (3—5 мм) даже на спокойном воздухе или под вентилятором.

Инструменты сложной формы, фасонные, подвергают ступенчатой закалке, т.е. комбинированному охлаждению, с целью снижения деформаций и возможности появления трещин. Сначала инструмент охлаждают в расплавленной калиевой селитре (хуже — в натриевой, разъедает инструмент) до температуры 500—450 °С с выдержкой при этой температуре 2—5 мин, в зависимости от сечения инструмента. Это область температур наибольшей устойчивости аустенита. Затем инструмент охлаждают на воздухе.

Для инструментов особо сложной формы, а также крупных размеров и большой длины рекомендуется изотермическая закачка, значительно уменьшающая внутренние напряжения и деформацию. При этом инструмент сначала охлаждают в соли с температурой 250—300 °С, выдерживают 40—60 мин., а затем на воздухе. Если температура соли 200—250 °С, то выдержка при этой темперагуре 30—40 мин, дальнейшее охлаждение на воздухе. Охлаждающая среда — смесь едких щелочей NaOH и КОН в различной пропорции в зависимости от требуемой температуры. Можно использовать смесь селитр KN03 (56 %) и NaN03 (44 %).

Светлая закалка. Нагрев инструмента обычный, в соляных ваннах, а охлаждение в растворе щелочей: 80 % КОН + 20 % NaOH + + 6 частей воды на 100 частей щелочей. Чтобы поверхность инструмента не была пятнистой, перед нагревом его обезжиривают в горячем растворе следующего состава: на 1 л воды 250 г NaOH и 15 г Na3PG4. Затем инструмент высушивают при температуре 400—500 °С и только после этого переносят в ванну для нагрева под закалку, так как попадание влаги в соляную ванну может вызвать взрыв и выплескивание солей. После охлаждения инструмент промывают в горячей воде для удаления солей и высушивают или сразу же отпускают. Такая промывка с просушкой предохраняет инструмент от коррозии.

Отпуск.

Нормальный отпуск. После закалки быстрорежущей стали в ее структуре остается около 20 % аустенита. В результате — пониженная твердость инструмента. Кроме того, во время работы инструмента под воздействием температуры резания аустенит как бы самопроизвольно распадается, превращаясь в мартенсит. Казалось бы, это неплохо. Но беда в том, что при таких структурных превращениях изменяется объем стали, причем только в отдельных частях инструмента. Возникают внутренние напряжения, которые, складываясь с напряжениями от действия сил резания, могут привести к поломке инструмента. Таким образом, прочность инструмента понижена. Понижена также и износостойкость, так как аустенит мягкий и быстро размазывается по детали. Поэтому оставшийся после закалки аустенит необходимо перевести в мартенсит. Этой цели служит отпуск. Закаленные инструменты загружают в печь, нагревают до 525—575 °С, выдерживают 1,0—1,5 часа и выгружают для остывания на воздухе. Так повторяют два-три раза, т.е. делают двух-, трехкратный отпуск. В это время происходит превращение остаточного аустенита в мартенсит и выделение мелкодисперсных, устойчивых против коагуляции карбидов, что вызывает дисперсионное твердение, называемое вторичной твердостью. В результате остается 2—3 % аустенита, повышается твердость инструмента на 2—3 единицы HRC3. Во время последнего отпуска окончательно снимаются внутренние напряжения, что является второй задачей отпуска. Первая задача — перевод остаточного аустенита в мартенсит.

Обработка холодом. Сразу после закалки инструмент можно обработать холодом в жидком азоте (-197 °С) или в твердой углекислоте, растворенной в бензине (-80… -100 °С). После такой обработки в стали практически не остается аустенита и можно обойтись только одним отпуском для снятия внутренних напряжений. Кроме того, обработка в жидком азоте даже готового инструмента повышает его стойкость тем значительнее, чем больше нарушен режим термообработки инструмента.

Высокий отпуск. Задние поверхности многих инструментов после закалки и отпуска не шлифуют, как, например, у стандартных фасонных фрез, резьбонарезных гребенчатых фрез, резьбонарезных плашек. Не шлифуют фасонные поверхности инструментов, если в инструментальном цехе конкретного завода по той или иной причине сделать это невозможно. Тем не менее шероховатость таких поверхностей должна быть минимальной, и ее надо обеспечить лезвийной обработкой. Для этой цели делают неполную закалку инструмента с последующим высоким отпуском, нагрев до 920—950 °С, охлаждение на воздухе или в масле и высокий отпуск при температуре 700—720 °С. После отпуска сталь имеет твердость 260—270 НВ, несколько труднее обрабатывается, но обеспечивает меньшую шероховатость обработанной поверхности.

Такой закалке с высоким отпуском подвергают также протяжки перед чистовой лезвийной обработкой, хотя после последующей нормальной закалки и отпуска их шлифуют.

Высокий отпуск делают лапкам конусов инструментов и ушкам ножовочных полотен для понижения их твердости.

Низкий отпуск. Его проводят при температурах 200—250 °С для ответственных режущих инструментов, например, внутренних протяжек, чтобы исключить их поводку во время эксплуатации под действием остаточных внутренних напряжений. Такому отпуску подвергают уже готовые инструменты или инструменты перед чистовым шлифованием.

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.

Термообработка металла

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.

Устойчивость к коррозии

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 1200 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. Отпуск стали может проводиться при различных температурах. От этого изменяется сам процесс.

Закалка стали

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.