Термическая обработка металла

• Назначение термической обработки
• Классификация и виды термической обработки
• Отпуск стали
• Низкий отпуск стали
• Средний отпуск стали
• Высокий отпуск стали
• Отжиг металла
• Гомогенизация
• Рекристаллизация
• Изометрический отжиг
• Отжиг для снятия напряжения
• Полный отжиг
• Неполный отжиг
• Закалка стали
• Нормализация
• Преимущества термической обработки металлов

Термическая обработка стали – технология температурного воздействия на металл, цель которого придание материалу необходимых технических характеристик. Технология представляет собой совокупность процессов нагревания, выдерживания и охлаждения. В результате воздействий изменяется кристаллическая решетка металла.

Назначение термической обработки

Термическую обработку стальных сплавов проводят при температурах, близким к критическим. Подобный процесс приводит к следующим изменениям:

• вторичная кристаллизация;
• преобразование крупных частиц в пластинки;
• переход гамма-железа в альфа-железо.

В результате термической обработки улучшаются эксплуатационные характеристики материала:

• прочность и износостойкость;
• антикоррозийные характеристики;
• пластичность, что облегчает процесс дальнейшей обработки;
• устраняется внутреннее напряжение в деталях.

Существуют различные технологии термической обработки. Способ выбирают с учетом предназначения и условий дальнейшей эксплуатации материала или заготовок.

Классификация и виды термической обработки

Результат термической обработки зависит от следующих параметров:

• температура нагревания металла;
• время доведения металла до нужной температуры (скорость);
• время выдерживания при максимальной температуре нагрева;
• интенсивность охлаждения.

При изменении перечисленных режимов получают разные виды термообработки и, как следствие, металл с разными характеристиками.

Выделяют следующие виды термической обработки:

• отпуск;
• отжиг;
• закалка.

Отпуск стали

В процессе закалки стали повышается твердость металла за счет внутреннего напряжения. Это делает готовые изделия чрезмерно хрупкими. Технологию отпуска стали применяют для снятия внутреннего напряжения, обеспечения ударной вязкости, снижения жесткости.

Технология отпуска заключается в нагревании металла до температур ниже критических. В зависимости от используемой температуры выделяют низкий, средний и высокий отпуск. Температуру для термической обработки подбирают на основе таблицы цветов побежалости металлов – цвета оксидной пленки, которая появляется при нагревании.

Низкий отпуск стали

При низком отпуске температура нагрева не превышает 250-300С. Эту технологию используют для сохранения структуры мартенсита и увеличения вязкости металла. Такую обработку применяют для измерительных и режущих инструментов.

Температурный режим подбирают с учетом необходимых характеристик. Так, при температуре 120-150С устраняются напряжения, а параметры прочности остаются прежними. Чтобы повысить прочность, требуется нагрев от 200С и выдержка в этом температурном режиме не менее часа.

Иногда при использовании технологии низкого отпуска снижается вязкость металла, этот эффект называют «отпускной хрупкостью». Для устранения дефекта требуется повторная термообработка.

Обработанные детали выдерживают в соляных или масляных ваннах, это также способствует повышению прочности заготовки. При выдерживании в воздушных ваннах для контроля за температурой также пользуются таблицами цветов побежалости.

В результате обработки с помощью технологии низкого отпуска повышается вязкость, устойчивость к механическим воздействиям, износостойкость. Такая технология подходит для инструментальной стали и позволяет получать долговечные и прочные изделия. Низкий отпуск также используют для конструкционных сталей, предварительно подвергнутых термохимической обработки.

Средний отпуск стали

Технологию применяют для деталей и элементов, подвергающихся упругим нагрузкам. Цель термической обработки – преобразование мартенсита в тростит. В результате снижается твердость металла и повышается вязкость.

Температурный режим для среднего отпуска стали – от 350 до 400С, выдержка может составлять несколько часов. Охлаждение заготовок проводят на воздухе.

Высокий отпуск стали

При нагреве до высоких температур в заготовках кристаллизируется сорбит, что приводит к устранению напряжений в детали и заготовки, повышению вязкости при сохранении хороших показателей прочности металла. Для этой технологии применяют нагрев от 450 до 650С. Эту технологию применяют для обработки ответственных деталей.

Отжиг металла

Технология отжига металла применятся для получения однородной структуры, при этом не образуется напряжение. Этот вид термической обработки включает следующие этапы:

• нагревание (применяют нагрев немного выше критической точки);
• выдержка (в процессе выдержки поддерживается постоянная температура);
• медленное охлаждение (как правило, при отжиге металла охлаждение проводят прямо в печи).

Для разных сортов стали могут применяться различные технологии отжига.

Гомогенизация

Диффузный отжиг или гомогенизация используется для создания однородной структуры отливок. В результате температурного воздействия за счет диффузии происходит распределение химических элементов по всему объему изделия. Технология подразумевает следующие режимы термической обработки:

• нагрев выше точки кристаллизации (температура нагрева превышает температуру кристаллизации металла на 100-200С);
• выдерживание от 8 до 15 часов при максимальной температуре нагрева;
• медленное остывание.

В печи металл остывает до температуры 800С, далее проводится остывание на воздухе. В результате длительной выдержки металл становится крупнозернистым. Этот дефект устраняют последующим отжигом на мелкое зерно.

Как правило, технологию диффузного отжига применяют для заготовок из легированной стали для повышения однородности структуры и пластичности.

Рекристаллизация

Технология рекристаллизации или низкого отжига применяется после обработки металла методом пластического деформирования. В процессе обработки в структуре изменяется форма зерна, что приводит к снижению жесткости и повышению пластичности металла. Термообработка методом рекристаллизации восстанавливает структуру кристаллической решетки, устраняет искажения и деформации. Рекристаллизация проводится следующим образом:

• нагрев до температуры свыше критической на 100-200С;
• выдержка при максимальной температуре на протяжении двух часов;
• медленное остывание в печи.

При использовании холодной штамповки рекристаллизация может применяться в качестве предварительной обработки или как завершающий этап по приданию деталям нужной пластичности.

Изометрический отжиг

Технология изометрического воздействия используется для легированных сталей. Цель термической обработки – распад аустенита.

Изотермическое воздействие проводят следующим образом:

• нагревание до температуры, превышающей критическую на 20-30С;
• выдерживание (период выдерживания зависит от марки стали, выдерживание могут проводить в печи, либо в ванне с расплавом солей, длительность выдержки определяют размерами деталей и сортом стали);
• быстрое остывание до температуры не ниже 630С;
• медленное остывание при положительных температурах.

Изотермический отжиг применяют для стали с содержанием углерода не менее 0,8%. Технология позволяет улучшить структуру легированных сталей.

Отжиг для снятия напряжения

В результате термической или механической обработки в металле возникают внутренние напряжения. Это явление обусловлено неравномерным прогревом различных частей, разной скоростью охлаждения или деформацией при механической обработке. Внутреннее напряжение металла снижает прочность изделий и устойчивость к эксплуатационным нагрузкам.

Для снятия внутреннего и остаточного напряжения также применяют технологию отжига. Этот вид термической обработки используется после механической обработки металла, включая сваривания или литья.

Термическая обработка для снятия напряжения проводится следующим образом:

• нагрев до температуры от 150 до 700С (температура нагрева зависит как от сорта металла, так и от размеров детали);
• выдерживание при температурах 600-700С;
• медленное остывание (отжиг для снятия напряжения подразумевает самое медленное остывание, продолжительность процесса может составлять 20 часов).

Полный отжиг

Технологию полного отжига применяют для обработки кованых, штампованных или литых заготовок. Цель термической обработки – получение мелкозерновой внутренней структуры, в составе которой феррит с перлитом.

Полный отжиг проводится следующим образом:

• нагрев до температур, на 30-50С превышающих критическую;
• выдержка;
• остывание с заданной скоростью.

При полном отжиге важно четко контролировать скорость остывания металла. Этот параметр зависит от сорта стали. Для углеродистых сталей температура остывания должна быть не более 150С в час, для легированных – не более 50С в час.

Неполный отжиг

Неполный отжиг применяют для деталей, которые обрабатывались с помощью технологии электродуговой сварки. Цель термической обработки металла в данном случае – перевод перлита в ферритно-цементную структуру. Такой метод также применяют для инструментальной стали. В результате обработки значительно повышается прочность металла, в том числе в области сварочного шва.

Неполный отжиг проводят следующим образом:

• нагревание до температуры, превышающей критическую на 40С;
• выдерживание около 20 часов;
• медленное охлаждение.

Технология неполного отжига также позволяет повысить устойчивость к повреждениям и ударопрочность.

Закалка стали

Закалка стали – один из старейших методов придания металлу необходимых параметров прочности и износостойкости. Технология термической обработки подразумевает нагрев металла до определенных температур и последующее охлаждение. В результате подобных воздействий происходит перекристаллизация кристаллической решетки, повышается не только прочности стали, но также упругость, износостойкость, устойчивость к коррозии.

При закалке стали важно подбирать температуру нагрева и условия охлаждения с учетом вида металла. Ошибки могут привести к повышению хрупкости или мягкости поверхностного слоя.

Регулировать параметры можно следующим образом:

1. В качестве среды охлаждения используют воду (самый простой способ). Также могут применять солевые растворы, среду инертных газов, технические масла.
2. Скорость охлаждения может меняться в зависимости от температуры прогрева, а также температуры охлаждающей среды.
3. Величина нагрева подбирается с учетом сорта стали. При выборе режима учитывают температуру разрушения кристаллической решетки.

Закалку стали проводят в специальных печах, способных нагревать металл до температуры 800С и поддерживать заданную температуру на протяжении длительного времени. Некоторые сорта стали требует специального доменного оборудования, так как закалку следует проводить при температурах свыше 1300С.

Также применяется поэтапная закалка. В этом случае металл сначала прогревают до 500С, после равномерного прогрева массы температуру постепенно доводят до критической. Такой метод термической обработки применяют для хрупких и тонкостенных заготовок. Эта технология также получила название холодной закалки. Стоит учитывать, что применение поэтапного нагрева не приводит к перекристаллизации решетки, следовательно эксплуатационные характеристики металла улучшаются лишь частично.

Теперь рассмотрим влияние на конечные характеристики стали среды охлаждения. Традиционный способ охлаждения – вода. Важно, чтобы жидкость не содержала никаких посторонних примесей. Оптимальная температура воды для закалки стали – 30С. Охлаждение водой применяют с следующих случаях:

• цементирование металла;
• поверхностная закалка;
• для деталей с несложной формой.

Недостатком метода также является появление трещин в местах образования мартенсита. Иногда применяют солевые растворы для повышения закаливающей способности.

Для повышения твердости металлов используют охлаждение в ваннах с раствором каустической соды. Используют раствор с температурой 60С. Таким образом можно закаливать и тонкостенные элементы и детали.

Минеральные масла применяют, если нужно достичь равномерного охлаждения заготовки. Однако этот способ имеет множество недостатков, среди которых стоит выделить высокую стоимость, выделение токсичных веществ при охлаждении, риск возгорания масла при контакте с горячим металлом. Как правило, охлаждение в масле применяют для легированных сталей.

В среде защитного газа проводят охлаждение деталей из закаленной стали, если необходимо избежать появления окалины и достичь высокой точности деталей. Например, сталь для медицинских инструментов охлаждают в среде разряженного воздуха.

Закалка стали обеспечивает следующие характеристики металла:

• высокая прочность и устойчивость к механическим воздействиям;
• повышение твердости поверхностного слоя;
• придание необходимых показаний пластичности и повышение устойчивости на изгиб;
• уменьшение веса изделия при сохранении высоких показателей прочности и износостойкости.

Однако для того, чтобы достичь желаемого результата, необходимо четко соблюдать технологию закалки. При нарушении технологии могут возникнуть следующие дефекты:

• деформация, неоднородность состава и механических характеристик (при неравномерном нагреве либо охлаждении);
• пережог (при попадании на поверхность кислородных молекул в результате выгорания углерода);
• образование трещин (при попадании воды в масляную охлаждающую среду).

Все перечисленные дефекты являются неисправимыми.

Нормализация

Нормализация – технология термообработки металлов, в результате которой формируется структура с мелким зерном. Структура зависит от сорта стали, в легированных образуется сорбитоподобная структура, в низкоуглеродистых сталях - феррит-перлит.

Такой вид обработки проводят для горячекатаного металла, в результате повышаются следующие эксплуатационные характеристики:

• сопротивление на излом;
• простота обработки;
• вязкость;
• прочность.

Нормализация стали производится следующим образом: нагрев до температуры выше критической на 30-50С, выдержка при заданном температурном режиме, охлаждение на открытом воздухе.

Нормализацию стали могут проводить как в качестве завершающей обработки, так и при подготовке к дальнейшей обработке. Нормализации подвергаются детали после обработки методом механической деформации. Например, после ковки. В этом случае снимается напряжение, выравнивается структура металла.

Технологию также используют совместно с отпуском металла в качестве альтернативы закалки. Подобный метод термообработки подходит, если требуется изготовить детали сложной формы с перепадами по сечению. В этом случае значительно снижается риск появления дефектов.

Нормализацию также используют перед закалкой стали. В этом случае цель обработки – улучшение структуры и устранение сетки вторичного цемента.

Преимущества термической обработки металлов

Термическая обработка металлов позволяют получать детали, обладающие необходимыми техническими характеристиками. В частности, технологии используют для повышения:

• прочности;
• пластичности;
• устойчивости к коррозии;
• упрощения дальнейшей обработки металла;
• повышения вязкости и т.д.

Разработано множество методов закалки металла. При изменении температур, режима выдержки, среды и скорости охлаждения можно получать металл, полностью соответствующий требуемым характеристикам. Термообработку также применяют к цветным металлам и различным сплавам.

Сталь без предварительной термической обработки может применяться только для изготовления металлоконструкций и неответственных деталей. Следует учитывать, что срок службы таких изделий будет невелик.