Виды термообработки стали

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.

Читайте также  Влияние алюминия на свойства стали

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.

ВИДЫ ТЕРМООБРАБОТКИ МЕТАЛЛА

Процедура, когда на металл воздействуют температурным режимом.

Виды термообработки металла:

— в равновесном состоянии;

— в неравновесном состоянии.

Рассмотрим каждый вид отдельно.

1. Термообработка в равновесном термодинамическом положении

Означает, что отклонения в строении и свойствах металла должны быть низкими. Сплав должен находиться в устойчивом состоянии.

При литье металла происходят процессы, которые влияют на его структуру и свойства. Литье и кристаллизация, горячая обработка давлением и холодная деформация приводят к неравномерности структуры, формы и распределении фаз, элементов сплавов и внутренних напряжений.

Непостоянные состояния и свойства металла можно уравновесить фазовыми превращениями в твердом состоянии с длительными температурными изменениями в области граничных линий.

Долгий отжиг внутри интервалов фазовых состояний тоже определяется термином Виды термообработки металла в равновесном положении.

У многофазных сплавов из-за этого могут появляться устойчивые фазы. Как правило, этот метод завершает предыдущие этапы изготовления и обработки, когда требуется равномерный гомогенный конечный продукт в стабильном состоянии. Заготовку затем в неравновесном состоянии, если нужно увеличить твердость.

1.1 Виды термообработки стали

Термообработка в равновесии может действовать как в фазовых преобразованиях твердый/твердый, так и в самостоятельных периодах. Чтобы подобрать соответствующую обработку нужно согласовать техническое состояние металла с его способностями.

РИСУНОК 1. Температурные зоны для рекристаллизационного отжига (1) и отжига для снятия внутренних напряжений стали (2).

1.1.2 Отжиг для снятия напряжений

Способ обработки при минимальной температуре, которая не вызывает структурных преобразований и не влияет на свойства металла. Снижение напряжения способствует сокращению напряжений в детали. Внутренние напряжения возникают от методов обработки – литья, ковки, рихтовки, обработки резанием, термической сварки и т.д.

Температура отжига колеблется, потому что имеет прямую зависимость от предыдущей обработки металла. Структура сплава должна оставаться неизменной. Получается, что максимальная точка температур у деталей с большим уровнем холодной деформации ниже, чем у литых деталей. Обычно температурный режим 400 – 600 С˚.

Длительность отжига составляет 2 часа и более.

Чтобы убрать разницу напряжений в том числе применяют вибрационную обработку. Но этот способ не такой результативный.

1.1.3. Рекристаллизационный отжиг

Здесь образуется новая структура. Вместе с низкой температурой и временем отжига нужен самый маленький уровень искажения. Температура способа колеблется в пределах 500 – 700 С˚.

Длительность отжига имеет зависимость от детали и влияет на окончательную структуру металла.

РИСУНОК 2. Температурная зона для нормализации а аустенизации стали.

1.1.4. Нормализационный отжиг

Важный способ термической обработки в равновесном состоянии, при котором достигается мелкая структура, одинаково распределенная по металлу. Доэвтектоидные стали нагреваются в зоне аустенита до 900 – 1000 С˚ и постепенно охлаждаются до отметки перлита.

1.1.5. Неполный отжиг

При таком виды термообработки металла пластины перлита трансформируются в зерна. Эвтектоидные сплавы, которые содержат 0,4 – 0,8% углерода, отжигают несколько часов при температуре ниже 700 С˚, потому что нельзя допускать, чтобы частицы растворялись и снова образовывался цементит. Для заэвтектоидных металлов как правило используют циклический отжиг при 700 С˚, потому что это ускоряет образование сетчатого строения цементита.

РИСУНОК 3. Температурная зона для не полного отжига стали

1.1.6. Диффузионный отжиг

Из-за того, что в кристаллах ликвидируются элементы, которые образуют твердый раствор, появляются отличия в скоплении внутри кристаллов.

Компонентом, который уничтожает кристаллы выступает фосфор. Поэтому в технических сплавах нужно различать первичную и вторичную структуру.

Диффузный отжиг от 1000 до 1200 С˚ уменьшает отличия концентрации в составе. Однако, для нелегированных углеродистых сталей долгий отжиг экономически невыгоден. Поэтому для них стремятся выдерживать содержание фосфора на маленькой позиции.

Это гарантирует постоянные качества металла. У легированных сталей и цветных металлов, наоборот, диффузный отжиг используют для гомогенизации сплава.

2. Виды термообработки металла в неравновесном состоянии.

Повышают прочность сплава. Существует 2 способа – изменение твердости в ходе фазовой трансформации и дисперсионное твердение. Изменение твердости является предпочтительным методом при закалке стали. Однако, дисперсионное твердение можно применять как дополнительное мартенситное упрочнение.

2.1 Процесс закалки стали с фазовой перекристаллизацией.

Предпосылкой для упрочнения материала путем изменения твердости является то, что в зависимости от температуры материал обнаруживает фазовое изменение в твердом состоянии.

Превращение является необходимым для твердения. Но одного его недостаточно для закалки низкоуглеродистой стали.

Нужно, чтобы растворимость элемента (например, углерода со сталью) в исходной фазе была больше, чем в конечной.

Также нужно, чтобы скорость фазового превращения была больше скорости диффузии, чтобы последняя не управляла процессом.

РИСУНОК 4. Сдвиг А1 и А3 – температуры превращения, начало промежуточной ступени Аz и образование мартенсита Мs в зависимости от скорости охлаждения доэвтектоидной стали; UK, OK – соответственно нижняя и верхняя критическая скорость охлаждения;
1- диаграмма равновесия железо-углерод; 2- температура превращения как функция скорости охлаждения.

Существует несколько методов закалки с фазой перекристаллизации:

  • Прямая закалка – резкое охлаждение заготовки от аустенитной до комнатной температуры.

Закалка в горячих средах — после выдержки в больших температурах металл охлаждают на воздухе до образования мартенсита.

Улучшение в промежуточной области – схож с предыдущим методом. Однако, температура в горячей среде удерживается до тех пор, пока переохлажденный аустенит изотермически полностью не превратится в промежуточную стадию.

Термомеханическая обработка – аустенит деформируется до или во время превращения.

Обработка холодом – металл обрабатывают в жидком СО2 при температуре -79 С˚ или в жидком N2 при температуре -196 С˚ в течении нескольких часов.

  • Улучшение – после закалки металл повторно нагревают и медленно охлаждают на воздухе или в печи.
  • Способы закалки поверхностного слоя

    Поверхность металла должна быть устойчивой к износу и эрозии, а также обладать противокоррозийными свойствами.

    Способы обработки бывают с химическими изменениями слоя (термохимический способ) или без них (термический способ).

    РИСУНОК 5. Возникновение мартенсита без макроскопической деформации вследствие закалки аустенита. Выравнивание мартенсита путем деформации создает мартенсит с макроскопической деформацией. Обратное преобразование в аустенит благодаря нагреванию ведет к восстановлению макроскопической деформации, т.е. проба принимает снова свою первоначальную форму (эффект памяти формы).

    2.2 Мартенситное превращение в цветных металлах

    Фазовое превращение, сравнимое м аустенитно-мартенситным превращением у сталей, проявляется и у некоторых цветных металлов.

    Оно может быть использовано для разработки сплавов с эффектом памяти формы. При этом методе меняют ориентацию области решетки, которые находятся в напряженном состоянии.

    По сравнению со сталью мартенсит у сплавов цветных металлов является мягким и пластичным. Поддается деформации.

    2.3 Процессы распада и дисперсионное твердение

    Дисперсионное твердение – повышение прочности путем распада твердого раствора и выделением метастабильных промежуточных фаз.

    Первое применение этот вид нашел у алюминиевых сплавов, которые стало возможно превратить в конструкционный материал. Таким способом повышают прочность сплавов на основе магния, титана, кобальта, меди, никеля, свинца, а также сплавы из благородных металлов.

    Для упрочнения сплава методом дисперсионного твердения должно быть выполнено несколько условий:

      В наличии должен быть один сплав, по крайней мере, из двух компонентов.

    Один компонент должен обнаруживать ограниченную растворимость в другом.

    Ограниченная растворимость должна зависеть от температуры. Растворимость должна уменьшаться с повышением температуры.

    Эти условия необходимы, но недостаточны. Чтобы достигнуть полезного повышения прочности необходимо, чтобы один компонент, находящийся в неравновесном состоянии, после определенной кинетики выделения выпадал.

    Такие промежуточные состояния вызывают нарушения в решетке, которые ведут к повышению прочности.

    2.4 Дисперсное твердение.

    Механизм увеличения прочности этим способом аналогичен действию некогерентно дисперсионных фаз. Некогерентно затвердевшие частицы диспергтрованного твердого вещества препятствуют процессу скольжения в матрице по механизму Орована.

    Повышающие прочность частицы не должны растворяться. Дисперсия может вводиться в расплав методом порошковой металлургии или благодаря внутреннему окислению.

    В данной статье мы рассмотрели Виды термообработки металла, которые повышают его прочность и способствуют долговечности и большему сопротивлению коррозии.

    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.

    Термическая обработка стали

    Термической обработкой металлических изделий называют операции, в ходе которых изделия подвергаются нагреванию, выдержке и охлаждению по заранее составленным температурно-временным графикам.

    Проще говоря, металлическая заготовка или уже готовая деталь нагревается до определенной температуры, затем выдерживается заданное время при этой температуре, после чего охлаждается. При этом в ходе одной ТО может быть несколько циклов нагрев-охлаждение.

    Термическая (тепловая) обработка стали (ТО стали) изменяет физическую структуру кристаллической решетки металла, придавая изделию новые механические качества и характеристики. Температурная обработка не меняет химического состава изделия.

    Сталь после термической обработки имеет более высокие эксплуатационные качества, которые трудно, а иногда и невозможно получить без проведения ТО.

    Термическую обработку могут проводить, как промежуточную операцию для улучшения обрабатываемости изделия, так и на финальном этапе технологического процесса.

    ТО, проводимое после литья, горячей или холодной штамповки, глубокой вытяжки, снимает внутренние напряжения в деталях, которые неизбежно появляются в ходе данных технологических операций.

    Детали и изделия, прошедшие ТО в качестве промежуточного технологического цикла, обладают более высокой пластичностью, легче поддаются обработке резанием.

    Готовые изделия, прошедшие ТО, имеют повышенную прочность, износостойкость, менее подвержены коррозии, и более термостойки.

    Таким образом, можно говорить о том, что свойства стали после термической обработки улучшаются.

    Виды термической обработки стали

    Всего различают 4 вида ТО:

    1. Отжиг – изделие нагревается до нужной температуры, а затем подвергается медленному охлаждению в печи.
    2. Закалка – изделие нагревается до температуры выше критической, в результате чего кристаллическая решетка подвергается перекристаллизации, после заданной выдержки изделие подвергается быстрому охлаждению.
    3. Отпуск – проводится после закалки с целью снятия остаточных напряжений; у изделия, прошедшего отпуск, повышается вязкость, снижается хрупкость и твердость.
    4. Нормализация – изделие, как и при отжиге, подвергается нагреву до заданной температуры с последующим охлаждением на воздухе, которое идет более быстро, чем при отжиге.

    Типы сталей, подвергающихся ТО:

    Термическая обработка применяется к следующим типам сталей:

    • Углеродистым (низкоуглеродистым и высокоуглеродистым);
    • Легированным;
    • Конструкционным;
    • Специальным;
    • Инструментальным.

    Этапы термической обработки стали

    Как уже было сказано выше, главное назначение термической обработки стали заключается в улучшении ее эксплуатационных качеств.

    Любая технология термической обработки стали включает три этапа: нагрев, выдержку и охлаждение.

    Кристаллическая решетка стальных изделий, подвергаемых нагреву и охлаждению, претерпевает различные фазовые превращения.

    Нагрев изделия является очень ответственной операцией. В процессе нагрева изделия его поверхность покрывается слоем окалины, что говорит об обезуглероживании поверхностного слоя изделия, в результате чего поверхность теряет твердость и прочность. Толщина слоя окалины зависит от химического состава изделия, продолжительности нагрева и температуры. Интенсивное образование окалины на поверхности стальных изделий начинается с температуры выше 900°С.

    Углеродистые стали в процессе нагрева обезуглероживаются на глубину 2-4 мм, что особенно пагубно сказывается на изделиях небольших размеров, которые затем подвергаются последующей закалке.

    Окалина практически не образуется на изделиях из хромоникелевой стали. Тонкий и плотный слой окалины образуется на поверхности изделий из легированных сталей. Такие изделия не подвергаются дальнейшему окислению и не растрескиваются при ковке.

    Заготовки из высокоуглеродистой и высоколегированной стали требуют «нежного» нагрева, т.к. быстрый нагрев приводит к образованию трещин на поверхности таких деталей. А вот изделия из углеродистой стали, толщина которых превышает 100 мм, не боятся быстрого нагрева, поэтому их можно помещать холодными в уже разогретую печь.

    Процессы термической обработки стали

    Отжиг

    В процессе отжига изделие приобретает однородную внутреннюю структуру, лишенную напряжений.

    • При гомогенизации:
      • Температура нагрева 1000°С – 1150°С;
      • Время выдержки 8-15 часов;
      • Охлаждение в печи в течение 8 часов до 800°С.
      • При рекристаллизации (низком отжиге):
        • Температура нагрева выше точки кристаллизации на 100°С-200°С;
        • Время выдержки 0,5-2 часа;
        • Охлаждение медленное.
        • При изотермическом отжиге происходит распад аустенита:
          • Температура нагрева выше точки кристаллизации на 20°С-30°С;
          • Выдержка;
          • Охлаждение быстрое до температуры 630°С или выше.
          • Для устранения внутренних напряжений:
            • Температура нагрева до 727°С;
            • Время выдержки до 20 часов при 600°С — 700°С;
            • Охлаждение медленное.
            • Полный отжиг, позволяющий получить мелкозернистую структуру феррита с перлитом:
              • Температура нагрева выше точки кристаллизации на 30°С-50°С;
              • Выдержка;
              • Охлаждение до 500°С.
              • Неполный отжиг:
                • Температура нагрева выше точки кристаллизации на 40°С-50°С;
                • Время выдержки 20 часов;
                • Охлаждение медленное.

    Закалка

    Изделие, прошедшее закалку, обладает повышенной твердостью, прочностью, износоустойчивостью и пределом упругости. Закалка снижает пластичность изделия.

    Характерной особенностью термообработки стального изделия при закалке является быстрое охлаждение хорошо прогретой заготовки. Разогретую деталь опускают в воду, соляной раствор, техническое масло или охлаждают в инертных газах.

    Воды в качестве охлаждающей жидкости в процессе закалки применяют редко по причине высокой вероятности растрескивания изделия. Чаще используют техническое масло. Если сравнивать скорость охлаждения разогретого изделия на воздухе и в других средах, то в воде, начиная с 600°С охлаждение протекает в 6 раз быстрее, а с 200°С в масле в 28 раз.

    В процессе закалки стальное изделие разогревается до температуры порядка 900°С.

    Отпуск

    Процесс отпуска применяется в термической обработке для снятия внутренних напряжений, которые появляются в изделиях, прошедших закалку. Закаленные изделия становятся твердыми, но хрупкими. Отпуск снижает жесткость и хрупкость и повышает ударную вязкость стального изделия.

    • Низкий отпуск (предназначен для измерительного и режущего инструмента):
      • Температура нагрева 150°С-250°С;
      • Время выдержки 90 минут;
      • Охлаждение на воздухе или в масле.
      • Средний отпуск (предназначен для деталей, работающих под высокими упругими нагрузками):
        • Температура нагрева до 340°С-500°С;
        • Охлаждение на воздухе.
        • Высокий отпуск (предназначен для ответственных деталей):
          • Температура нагрева до 450°С-650°С.

    Нормализация

    Процесс нормализации позволяет получить изделие с мелкозернистой структурой и твердостью до 300 НВ. Нормализации подвергаются горячекатаные стали.

    Изделия, прошедшие нормализацию, имеют повышенное сопротивление излому, прочность и вязкость.

    • Температура нагрева выше точки кристаллизации на 30°С-50°С;
    • Выдержка;
    • Охлаждение на открытом воздухе.