Для чего проводят термическую обработку

Чаще всего термообработка металлов нужна для изменения их физических свойств. Из-за сложных химических процессов в результате термообработки полностью или частично меняется структура металлического изделия. Благодаря такому воздействию, металл лучше обрабатывается, а его эксплуатационные свойства улучшаются.

Обрабатывают как заготовки и полуфабрикаты, так и готовые детали.

Как правило, в ходе термообработки металл сначала нагревается до определенной температуры, выдерживается в таком состоянии какое-то время, в затем остужается. От того, как долго металл будет нагрет и как быстро он будет остужаться, напрямую зависят его будущие физические свойства.

Один из видов термообработки — отпуск. Он уменьшает хрупкость, снимает внутреннее напряжение металла и повышает его вязкость. В зависимости от того, как сильно раскаляется деталь, отпуск разделяют на низкий, средний и высокий. Низкий отпуск (до 250 градусов) чаще всего применяется при обработке режущих инструментов, которые в результате теряют хрупкость и сохраняет твердость. Средний (300-500 градусов) отпуск предает детали «пружинистость», а высокий (до 600 градусов) — полностью снимает внутреннее напряжение металла.

Отжиг облегчает последующую обработку стали. Заготовку нагревают, а потом медленно охлаждают при комнатной температуре.

Закалка — еще один вид термической обработки деталей. Она придает твердость и износостойкость. Металл нагревают, выдерживают какое-то время, а затем быстро охлаждают. Для охлаждения обычно используют масло или воду. Если форма закаленной детали сложная, то ее сначала охлаждают в воде, а потом — в масле.

Иногда сочетают сразу несколько видов термообработки (например, сначала закаляют, а потом делают отпуск).

Термообработка металла — один из старейших способов улучшения изделий, проверенный веками и применяемый до сих пор.

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

Цементация стали — химико-термическая обработка поверхностным насыщением малоуглеродистой (С табл.1

Температура, °С Цвета каления Температура, °С Цвета каления 1600 Ослепительно бело-голубой 850 Светло-красный 1400 Ярко-белый 800 Светло-вишневый 1200 Желто-белый 750 Вишнево-красный 1100 Светло-белый 600 Средне-вишневый 1000 Лимонно-желтый 550 Темно-вишневый 950 Ярко-красный 500 Темно-красный 900 Красный 400 Очень темно-красный (видимый в темноте)

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

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.