Виды термообработки стали

Термическая обработка стали: описание, виды

Термообработка металла является важной частью производственного процесса в цветной и чёрной металлургии. После этой процедуры материалы приобретают необходимые характеристики. Термообработку использовали довольно давно, но она была несовершенна. Современные методы позволяют достичь лучших результатов с меньшими затратами, и снизить стоимость.

Особенности термической обработки

Для придания нужных свойств металлической детали она подвергается термической обработке. Во время этого процесса происходит структурное изменение материала.

Металлические изделия, используемые в хозяйстве, должны быть устойчивыми к внешнему воздействию. Чтобы этого достичь, металл необходимо усилить при помощи воздействия высокой температуры. Такая обработка меняет форму кристаллической решётки, минимизирует внутреннее напряжение и улучшает его свойства.

Виды термической обработки стали

Термообработка стали сводится к трём этапам: нагреву, выдержке и быстрому охлаждению. Существует несколько видов этого процесса, но основные этапы у них остаются одинаковыми.

Выделяют такие виды термической обработки:

• Техническая (отпуск, закалка, криогенная обработка, старение).
• Термомеханическая, при которой используют не только высокую температуру, но и физическое воздействие на металл.
• Химико-термическая включает в себя термическую обработку металла с последующим воздействием на поверхность азотом, хромом или углеродом.

Это производственный процесс нагрева металла до заданной температуры, а затем медленного охлаждения, которое происходит естественным путём. В результате этой процедуры устраняется неоднородность металла, снижается внутреннее напряжение, и уменьшается твёрдость сплава, что значительно облегчает его переработку. Существует два вида отжига: первого и второго рода.

При отжиге первого рода фазовое состояние сплава изменяется незначительно. У него есть разновидности:

• Гомогенизированный — температура составляет 1100−1200 °C, металл выдерживается от 7−14 часов в таких условиях.
• Рекристаллизационный — температура отжига 100−200 °C, эта процедура используется для клёпаной стали.

При отжиге второго рода происходит фазовое изменения металла. Процесс имеет несколько видов:

• Полный отжиг — металл нагревается на 25−40 °C выше критического значения для этого материала и охлаждается со специальной скоростью.
• Неполный — сплав нагревается до критической точки и долго остывает.
• Диффузионный — отжиг производится при температуре 1100−1200 °C.
• Изотермический — нагрев металла происходит как при полном отжиге, но охлаждение ниже критической температуры, остывание на открытом воздухе.
• Нормализованный — производится полный отжиг металла с остыванием на воздухе.

Это процесс манипуляции металлом для достижения мартенситного превращения, чем обеспечивается повышенная прочность и уменьшенная пластичность изделия. При закалке сплав нагревают до критического значения, как и при отжиге, но процесс охлаждения производится значительно быстрее, и для этого используют ванную с жидкостью. Существует несколько видов закалки:

• Закалка в одной жидкости, для мелких деталей используют масло, а для крупных — воду.
• Прерывистая закалка — понижение температуры происходит в два этапа: резкое охлаждение до температуры в 300 °C, с помощью воды, а затем изделие помещают в масло или на открытый воздух.
• Ступенчатая — при достижении металла необходимой температуры, его охлаждают в расплавленных солях, а затем на открытом воздухе.
• Изотермическая — сходный со ступенчатой, отличается во времени выдержки.
• Закалка с самоотпуском, сплав охлаждается не полностью, оставляется тёплый участок в середине. В результате металл получает повышенную прочность и высокую вязкость. Такое сочетание отлично подходит для ударных инструментов.

Неправильно сделанная закалка может привести к появлению таких дефектов:

• обезуглероживание;
• трещины;
• коробление или поводки.

Главная причина поводок и трещин — неравномерное изменение размера детали при охлаждении или нагреве. Они также могут возникнуть при резком повышении прочности в отдельных местах. Лучший способ избежать этих проблем — медленное охлаждение металла до значения мартенситного превращения.

Поводка и коробление возникает при неравномерном охлаждении искривлённых деталей. Эти дефекты довольно невелики и могут быть исправлены шлифованием. Предварительный отжиг деталей и их постепенный и равномерный нагрев помогут избежать коробления.

Обезуглероживание металла происходит в результате выгорания углерода при длительном нагреве. Интенсивность процесса зависит от температуры нагрева, чем она выше, тем быстрее процесс. Для исправления деталь нагревают в нейтральной среде (муфельной печи).

Окалины на поверхности металла приводят к угару и деформации изделия. Это снижает скорость нагрева и делает механическую обработку более трудной. Окалины удаляются химическим или механическим способом. Для того чтобы избежать их появления, нужно использовать специальную пасту (100 г жидкого стекла, 25 г графита, 75 г огнеупорной глины, 14 г буры, 100 г воды, 30 г карборунда). Состав наносится на изделия и оставляется до полного высыхания, а затем нагревается как обычно.

Он смягчает воздействие закалки, снимает напряжение, уменьшает хрупкость, повышает вязкость. Отпуск производится с помощью нагрева детали, закалённой до критической температуры. В зависимости от значения температуры можно получить состояния тростита, мартенсита, сорбита. Они отличаются от похожих состояний в закалке по свойствам и структуре, которая более точечная. Это увеличивает пластичность и прочность сплава. Металл с точечной структурой имеет более высокую ударную вязкость.

В зависимости от температуры различают такие виды отпуска: низкий, средний, высокий.

Для точного определения температуры используют таблицу цветов. Плёнка окислов железа придаёт металлу разные цвета. Она появляется, если изделие очистить от окалин и нагреть до 210 °C, при повышении температуры толщина плёнки увеличивается.

При низком отпуске (температура до 300 °C) в составе сплава остаётся мартенсит, который изменяет структуру материала. Кроме того, выделяется карбид железа. Это увеличивает вязкость стали и уменьшает её твёрдость. При низком отпуске металл охлаждают в соляных и масляных ваннах.

Высокий отпуск значительно улучшает механические свойства стали, увеличивает вязкость, пластичность, прочность. Её широко используют для изготовления рессор, шатунов двигателей, кузнечных штампов, осей автомобилей. Для мелкозернистой легированной стали отпуск проводят сразу после нормализации.

Чтобы увеличить обрабатываемость металла, его нормализацию производят при высокой температуре (970 °C), что повышает его твёрдость. Для уменьшения этого параметра делают высокий отпуск.

Криогенная обработка

Изменения структуры металла можно добиться не только высокой температурой, но и низкой. Обработка сплава при температуре ниже 0 °C широко применяется в разных отраслях производства. Процесс происходит при температуре 195 °C.

Плюсы криогенной обработки:

• Снижает количество аустенита, что придаёт устойчивость размерам деталей.
• Не требует последующего отпуска, что сокращает производственный цикл.
• После такой обработки детали лучше поддаются шлифовке и полировке.

Химико-термическая обработка

Химико-термическая обработка включает в себя не только воздействие с помощью высокой температуры, но и химическое. Результатом этой процедуры является повышенная прочность и износостойкость металла, а также придание огнестойкости и кислотоустойчивости.

Различают такие виды обработки:

• Цементация.
• Азотирование.
• Нитроцементация.
• Борирование.

Цементация стали — представляет собой процесс дополнительной обработки металла углеродом перед закалкой и отпуском. После проведения процедуры повышается выносливость изделия при кручении и изгибе.

Перед началом цементации производится тщательное очищение поверхности, после чего её покрывают специальными составами. Процедуру производят после полного высыхания поверхности.

Различают несколько видов цементации: жидкая, твёрдая, газовая. При первом виде используют специальную печь-ванную, в которую засыпают 75% соды, 10% карбида кремния, 15% хлористого натрия. После чего изделие погружают в ёмкость. Процесс протекает в течение 2 часов при температуре 850 °C.

Твёрдую цементацию удобно выполнять в домашней мастерской. Для неё используют специальную пасту на основе кальцинированной соды, сажи, щавелево-кислого натрия и воды. Полученный состав наносят на поверхность и ждут высыхания. После этого изделие помещают в печь на 2 часа при температуре в 900 °C.

При газовой цементации используют смеси газов, содержащие метан. Процедура происходит в специальной камере при температуре в 900 °C.

Азотирование стали — процесс насыщения поверхности металла азотом при помощи нагрева до 650 °C в аммиачной атмосфере. После обработки сплав увеличивает свою твёрдость, а также приобретает сопротивление к коррозии. Азотирование, в отличие от цементации, позволяет сохранить высокую прочность при больших температурах. А также изделия не коробятся при охлаждении. Азотирование металла широко применяется в промышленности для придания изделию износостойкости, увеличения твёрдости и защиты от коррозии.

Нитроцементация стали заключается в обработке поверхности углеродом и азотом при высокой температуре с дальнейшей закалкой и отпуском. Процедура может осуществляться при температуре 850 °C в газовой среде. Нитроцементацию используют для инструментальных сталей.

При борировании стали на поверхность металла наносят слой бора. Процедура происходит при температуре 910 °C. Такая обработка используется для повышения стойкости штампового и бурового инструментов.

Термомеханическая обработка

При использовании этого метода применяют высокую температуру и пластическую деформацию. Различают такие виды термомеханической обработки:

• Высокотемпературная.
• Низкотемпературная.
• Предварительная.

При высокотемпературной обработке деформация металла происходит после разогрева. Сплав подогревают выше температуры рекристаллизации. После чего производится закалка с отпуском.

Высокотемпературная обработка металла:

• Повышает вязкость.
• Устраняет отпускную хрупкость.

Такой обработке подвергают конструкционные, инструментальные, углеродистые, пружинные, легированные стали.

При низкотемпературной обработке заготовку после охлаждения выдерживают при температуре ниже значения рекристаллизации и выше мартенситного превращения. На этом этапе делают пластическую деформацию. Такая обработка не даёт устойчивости металлу при отпуске, а для её осуществления необходимо мощное оборудование.

Для осуществления термомеханической обработки необходимо применять специальные приспособления для давления, нагрева и охлаждения заготовки.

Термообработка цветных сплавов

Цветные металлы отличаются по своим свойствам друг от друга, поэтому для них применяют свои виды термообработки. Для выравнивания химического состава меди её подвергают рекристаллизационному отжигу. Латунь обрабатывают при низкой температуре (200 °C). Бронзу подвергают отжигу при температуре 550 °C. Магний закаляют, отжигают и подвергают старению, алюминий подвергают похожей обработке.

В чёрной и цветной металлургии широко применяются разные виды термической обработки металлов. Их используют для получения нужных свойств у сплавов, а также экономии средств. Для каждой процедуры и металла подбираются свои значения температуры.

Термическая обработка металла. Особенности технологического процесса

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

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

Параметры твердости и ее показатели

Твердость — один из интереснейших показателей для оценки свойств материала и металлических конструкций и деталей. На основе твердости можно вычислить прочность, параметры обрабатываемости, а также устойчивость к износу.

Последний показатель наиболее важен, поскольку он отвечает за срок службы и безопасность изделия из металла или сплава. В металлургической промышленности зарекомендовали себя несколько видов испытаний изделий на твердость:

1. Твердость по Роквеллу. Это вариант быстрого, автоматизированного метода тестирования. При этом используется специфический инструмент конической или сферической формы, изготовленный из ультрапрочных материалов, в частности алмаз или твердый сплав. Данный инструмент производит давление на образец испытуемой детали. Сначала применяется испытательное количество силы для воздействия на образец, а затем прикладывается еще и дополнительная на необходимый промежуток времени. После этого дополнительное воздействие убирается и расчет твердости происходит по глубине проникновения и численных показателей N и S.
2. Твердость по Бриннеллю. Данный метод применяется в самых разных конструкциях, для металла от низкой до средней степени твердости. В данном случае инструментом избирается закаленный шарик из стали. Конечная величина зависит от прикладываемой силы, диаметра шарика, а также диаметра полученного отпечатка.
3. Твердость по Виккерсу. Способ примени вне зависимости от твердости металла. Распространяется на конструкции, прошедшие химическую и термическую закалки. Инструментом для проверки считается алмазная пирамида, у которой угол при вершине равен 136°
4. Твердость по Кнупу. Этот способ очень схож с методом Виккерса, но полученный отпечаток имеет форму удлиненного ромба. Для расчета необходимы показатели прилагаемой силы, параметры большой диагонали ромба.
5. Твёрдость по отпечатку шариком. В данном случае метод больше подходит не для металла, а для изделий из твердой резины. В качестве инструмента используется закаленный шарик из стали с диаметров 0.5 см. Испытуемый образец не должен иметь толщину меньше диаметра шарика.
6. По Мартенсу. Так оценивается пластическая и упругая деформация при помощи проникновения инструмента в виде пирамиды в испытуемый образец.
7. Склероскоп. Этот способ помогает установить твердость громоздкий и крупных конструкций из металла.

Вне зависимости от способа установления показателей прочности, после правильной квалифицированной термической обработки металл становится прочнее.

Суть процесса

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

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

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

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

Виды термической обработки металла

Существует 3 основных вида термической обработки металла:

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

Отжиг

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

Чаще всего отжиг производится для решения следующих задач:

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

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

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

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

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

• стали с минимальным количеством карбона;
• доэвтектоидного сплава.

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

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

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

Закалка металла

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

Способы закалки:

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

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

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

Длинные детали опускают в охлаждающую среду строго вертикально.

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

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

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

Отпуск

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

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

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

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

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

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

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

Химико-термическая обработка

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

Процесс термо-химической обработки включает три ступени:

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

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

Имеется несколько видов химико-термической обработки:

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

Заключение

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

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

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

Виды термической обработки стали

Шире других видов термической обработки применяют отжиг, нормализацию, закалку и отпуск стали.

Отжиг стали производят в тех случаях, когда необходимо уменьшить твердость, повысить пластичность и вязкость, ликвидировать последствия перегрева, получить равновесное состояние, улучшить обрабатываемость при резании.

Полный отжиг стали производят путем нагрева ее до температуры выше верхних критических точек на 20. 50 СС (Лс3 + 20. 50°С), т.е. выше линии GS (см. 9.12), выдержки при такой температуре до полного прогрева слитка с последующим очень медленным охлаждением (вместе с охлаждаемой печью, под слоем песка, золы, шлака и т. п.).

При неполном отжиге сталь нагревают выше нижних критических точек на 2О. 5О°С (ЛЙ+20. 50° С), выдерживают при этой температуре с последующим медленным охлаждением. При неполном отжиге происходит только частичная перекристаллизация. Неполному отжигу подвергают стали, не требующие исправления структуры, т. е. измельчения.

Для снятия внутренних напряжений, снижения твердости, улучшения обрабатываемости металлов применяют низкотемпературный отжиг при нагреве до температуры, лежащей ниже критических точек. Температура нагрева этого вида отжига определяется по формуле 7р = 0,4 ТПЛ, где Тр — температура рекристаллизации; Т„л — температура плавления сплава.

Нормализация заключается в нагреве стали на ЗО. 5О°С выше критических точек (Ас для доэвтектоид-ной и Ас — для эвтектоидной и заэвтектоидной сталей), непродолжительной выдержке при этой температуре и последующем охлаждении на воздухе. В результате нормализации стали с содержанием углерода менее 0,3 % приобретают ферритоперлитовую структуру, а стали с содержанием углерода 0,3. 0,7 % и низколегированные — сорбитовую. Нормализацию стали применяют в тех случаях, когда необходимо получить мелкозернистую однородную структуру с более высокими твердостью и прочностью, но с несколько меньшей пластичностью, чем после отжига.

Закалка стали заключается в нагреве ее до температуры образования аустенита, выдержке при этой температуре и последующем быстром охлаждении. В зависимости от скорости охлаждения сталь получают в состоянии мартенсита, троостита или сорбита закалки.

При закалке обычной углеродистой стали в слабых водных растворах — электролитах или в холодной воде сталь получает структуру мартенсита; при закалке в горячей воде или минеральном масле — структуру троостита и в расплавленном свинце — структуру сорбита. Стали с содержанием углерода менее 0,2 % практически не воспринимают закалку.

Закалке подвергают готовые изделия с целью повышения твердости, и прочности. Изделия, от которых требуются высокое сопротивление истиранию и повышенная вязкость, подвергают поверхностной закалке; металл при этом нагревается или пламенем газовой горелки (газовая поверхностная закалка), или чаще всего токами высокой частоты. При поверхностной закалке повышаются твердость и износостойкость только поверхностных слоев изделия, середина же изделия сохраняет свою первоначальную структуру и свойства.

Метод термомеханической обработки (ТМО), получивший за последние годы большое развитие, проводят в две стадии: 1) горячая или теплая деформация в области существования высокотемпературной фазы — аусте-нита (выше критических точек Лез, либо ниже критических точек Ас); 2) последующее регламентированное охлаждение, в процессе которого деформированный ау-стенит претерпевает полиморфное превращение. Чаще всего применяют закалку на мартенсит. Высокие механические свойства после ТМО обусловливаются получением мелкодисперсной структуры с повышенной плотностью.

Отпуском называют термическую обработку, при которой закаленную сталь нагревают до температуры ниже критических точек Ас (723 °С), выдерживают при этой температуре, а затем охлаждают. При отпуске стали мартенсит закалки и остаточный аустенит распадаются, образуя более устойчивые структуры (троостит, сорбит). Цель отпуска — уменьшение внутренних напряжений, снижение твердости и хрупкости, повышение пластичности.

Различают три вида отпуска: низкий (в интервале температур 150. 200°С), средний (300. 400°С), высокий (500. 600°С). При низком отпуске сталь сохраняет структуру мартенсита, а изменение механических свойств объясняется уменьшением закалочных напряжений, переходом остаточного аустенита в мартенсит I’ частичным выделением из мартенсита в высокодисперсном состоянии карбидов железа (цементита). При среднем и высоком отпуске проходят диффузионные процессы и мартенсит распадается с образованием смеси феррита с высокодисперсными частицами цементита (троостита или сорбита). При этом снижаются твердость и прочность стали, повышается пластичность, практически полностью снимаются внутренние напряжения в стали.

Неправильное проведение термообработки, т. е. отклонение от установленного режима, может ухудшить качество стали. Причинами брака могут быть недостаточность нагрева стали, малая скорость охлаждения, перегрев, коробление, закалочные трещины, обезуглероживание.

Термической обработкой можно также улучшить качество чугунных отливок, которые часто имеют литейные напряжения. Напряжения эти снимаются при низкотемпературном отжиге до 500 °С в течение 3. 5 ч, а для больших деталей — «старением», т. е. выдержкой в течение 3. 12 мес при нормальной температуре.

Термическая обработка представляет собой комплекс операций теплового воздействия, проводимых в определенной последовательности с целью изменения свойств сплава путем изменения его структуры. Термической обработке подвергается почти половина объема стали, используемой в машиностроении.

Термическая обработка является одним из самых эффективных и распространенных методов изменения свойств металлов и сплавов. Являясь, как правило, конечной технологической операцией при изготовлении деталей машин и инструментов, она определяет их структуру, механические и эксплуатационные свойства. Термической обработке подвергают также слитки, отливки, полуфабрикаты, сварные соединения.

Кроме того, термическая обработка применяется и как промежуточная операция для улучшения технологических свойств металла (обрабатываемости давлением, резанием и др.).

В основе процессов термической обработки лежит явление аллотропии – существование одного и того же металла или сплава в различных кристаллических формах. Как известно (раздел 5), аллотропические превращения происходят при определенных температурах, называемых критическими точками. При этом образуются структуры с теми или иными свойствами. Поэтому изменение свойств сплавов при термической обработке является следствием определенных изменений их структуры.

Основными технологическими параметрами, определяющими свойства сплавов после термической обработки, являются температура и скорость нагрева, длительность выдержки при выбранной температуре нагрева и скорость последующего охлаждения. Изменяя эти параметры, можно получить сплав с теми или иными физико-механическими и эксплуатационными свойствами.

В зависимости от режимов обработки, определяющих фазовые и структурные изменения в металле, различают следующие виды термической обработки – закалку, отпуск и отжиг. Некоторые из этих операций имеют разновидности.

Виды термообработки стали

Термообработка металлических изделий подразделяется на несколько видов: закалка, отжиг, нормализация, отпуск, а также термообработка сварных швов. Обработка металла под воздействием высокой температуры позволяет добиться более высокой прочности на поверхности изделия, а также размягчает металл при деформации. Индукционная установка отлично подходит для термообработки стали. Ниже мы более подробно рассмотрим каждый вид обработки стали и сможем подобрать более подходящий для удовлетворения той или иной потребности.

Термообработка стали – Отжиг

Отжиг – это один из видов высокотемпературной обработки металлического изделия, подразумевающий нагрев металла, а затем медленное охлаждение. Отжиг также подразделяется на несколько видов в зависимости от температуры, до которой будет нагреваться изделие, а также процесса охлаждения изделия.

• Во время отжига структура металла переходит из неравновесного состояния до более равновесного. Ниже мы рассмотрим возможные виды отжига стали.
• Возврат или, как его еще называют, отдых стали. При использовании данного способа изделие нагревается до 200-400°С. Возврат производится для уменьшения уровня наклепа. Результатом данного вида отжига становиться уменьшение искажений решеток у кристаллов, а также частичный возврат физико-химических свойств стали.
• Рекристаллизация. При использовании данного вида отжига изделие нагревается до температуры 500-550°С. Если необходимо снять внутреннее напряжение металла, то нагрев производится до температуры 600-700°С. Рекристаллизационный способ отжига применяется для снятия внутреннего напряжения металла отливок от неравномерного охлаждения частей. Рекристаллизация позволяет восстановить новые кристаллы из деформированных зерен в структуре металла. При использовании рекристаллизационного отжига твердость стали немного уменьшается, зато ее вязкость и пластичность становятся выше.
• Гомогенизация или диффузионный отжиг стали. Применяется в тех случаях, когда сталь обладает внутрикристаллической ликвацией. Результатом применения гомогенизации становится получение стали однородного состава. При использовании данного вида отжига очень важно сохранять высокую температуру нагрева, но не допускать пережога зерен. Пережог исправить не получится, а потому изделие будет считаться бракованным.
• Полный отжиг стали. Применяется для того, чтобы произвести улучшения структуры стали, тем самым облегчив его последующую обработку, например, штамповку или закалку.
• Неполный отжиг стали. Применяется, как правило, после высокотемпературной обработки изделия под давлением, если у него мелкозернистая структура.
• Изотермический отжиг. Данный способ термообработки металла применяется гораздо чаще в последнее время, потому что позволяет сократить время нагрева и охлаждения металла, тем самым повышая производительность предприятия. Изотермический отжиг производится за 4-7 часов, в то время как на обычный тратится до 15 часов.

Термообработка стали – Закалка

Закалка – это вид высокотемпературной обработки металла, который основывается на перекристаллизации стали при ее нагреве до температуры, которая несколько выше критической. После выдержки изделия в тепловой среде, оно проходит процесс охлаждения.
Чаще всего закалка производится в отношении изделий, требующих высокой прочности. Металл, прошедший закалку, становится более прочным на поверхности, но сохраняет вязкость внутри. В некоторых случаях закалка может сделать изделие наоборот очень вязким, например, если очень быстро охладить его – это производится для деформации металла.
Закалка ТВЧ дает возможность получить необходимые результаты от закалки за короткий промежуток времени. Программное обеспечение индукционного оборудования может полностью контролировать весь закалочный процесс, соблюдая все заданные параметры (температура, время выдержки, способ охлаждения и т.п.).

Термообработка стали – Отпуск

Отпуск – это еще один вид высокотемпературной обработки стали, позволяющий уменьшить остаточное напряжение металла после закалки, повышая вязкость изделия и уменьшая хрупкость металла. Отпуск стали позволяет смягчить эффект закалки.
Производится отпуск при помощи нагрева металлического изделия, закаленного на мартенсит. Во время отпуска, зависимо от температуры нагрева, есть возможность получения состояния мартенсита, сорбита или троостита.
Отпуск может быть низким, средним или высоким – его уровень полностью зависит от температуры, до которой будет нагреваться изделие.

Термообработка стали – нормализация

Нормализация – это вид термообработки металла, проводящийся преимущественно по окончании обработки изделия для его финального нагрева и выравнивания напряжения по всей поверхности.
После нормализации сталь, содержащая более 0,4% углерода, становится более прочной. На практике данный вид стали обрабатывают при помощи нормализации, а затем применяют отпуск в диапазоне температур 650-700°С, чтобы немного понизить уровень плотности.
Индукционная установка отлично подходит для термообработки металлических изделий, позволяя производить ее быстро, качественно и с высокой точностью. Только при использовании программного обеспечения ТВЧ оборудования можно четко проконтролировать процесс нагрева изделия, время его выдержки, а также охлаждение.

Способы и виды термической обработки стали

Термическая обработка стали проводится с целью придания материала определенного набора свойств путем изменения его внутренней структуры на молекулярном уровне. Метод подразумевает нагрев или охлаждение металла до определенного температурного уровня с его последующим возвращением к нормальному состоянию. Иногда применяется многофазная термообработка, которая позволяет производить наиболее закаленные марки сталей.

Процедура протекает в специальных печах или холодильных установках, которые дают возможность четко контролировать температуру на каждом этапе технологического процесса. Это очень важное условия успешной закалки, так как несоблюдение технологии может наоборот придать металлу негативные свойства. Режимы термообработки стали зависят от структурного состава материала. Все они были установлены опытным путем в результате многократных испытаний, поэтому современные способы закалки при соблюдении всех условий позволяют получать материалы высокого качества с большим запасом прочности. Термообработка сталей должна подготовить их к эксплуатации в агрессивной среде под воздействием разрушающих факторов.

Выделяют следующие виды термообработки сталей: закалка, отпуск, отжиг, нормализация, воздействие холодом и химико-термическая обработка.

Закалка стали

Закалка подразумевает прогрев металла до установленной температуры и поддержание достигнутого уровня в течение определенного периода времени. Временной интервал определяется скоростью превращения внутренней структуры сплава устойчивое вещество. После этого сталь быстро охлаждают в воде или масле, так как постепенное остывание может привести к нарушению достигнутой структуры кристаллической решетки.

Закалка придает материалу твердости, но снижает его ударную вязкость, что делает сталь более хрупкой. Такой обработке подвергают детали, которые предназначены для эксплуатации под воздействием статической нагрузки без влияния динамических колебаний. Отпуску подвергаются некоторые детали после закалки. Его суть состоит в повторном нагревании металла до температуры ниже, чем температура закалки. Это позволит снова нарушить достигнутые межмолекулярные связи и приведет к их перестроению.

После нагрева металл вытаскивают из печи и дают остыть естественным путем без применения охладителей. Такая процедура несколько снижает твердость, но при этом повышает ударную вязкость и ковкость. Так что после закалки с последующим отпуском сталь будет тверже и пластичнее, чем необработанный сплав. Отжиг проводится по схеме нагрева металла с последующим медленным остыванием прямо в печи без использования специальных средств. Это убирает неоднородность распределения элементов в сплаве и позволяет создать устойчивое соединение железа с углеродом на межмолекулярном уровне.

После отжига значительно уменьшается твердость стали, но возрастает ее пластичность и ковкость. Такой обработке подвергается материал, предназначенный для последующей штамповки или раскатки. Нормализация технологически повторяет процесс отжига, только после нагрева сплав остывает не непосредственно в печи, а на открытом воздухе. Это позволяет добиться хороших показателей ковкости и пластичности без существенного снижения твердости.

Воздействие холодом

Воздействие холодом необходимо для завершения превращения аустенита в мартенсит. Он придает металлу дополнительную упругость и препятствует образованию рваных трещин при воздействии избыточного давления на деталь. Такой материал хорошо подходит для эксплуатации под влиянием высоких динамических нагрузок. Необходимой твердости ему обычно добавляют с помощью соответствующих присадок.

Химико-термическая обработка

Химико-термическая обработка подразумевает насыщение верхних слоев стали каким-либо элементом под воздействием высокой температуры. Различают несколько видов данной процедуры. Цементация означает пропуск через сталь углерода при температуре 950 градусов по Цельсию. Это придает поверхности дополнительной твердости, не затрагивая при этом внутренние слои материала.

Азотирование позволяет насытить верхний слой стали азотом для повышения его коррозийной стойкости, прочности и предела устойчивости. Проводится процедура путем нагревания сплава до 700 градусов в аммиачной среде. Хромирование позволит придать поверхности материала повышенную устойчивость к пресной и соленой воде и некоторым видам кислотных и оксидных сред. Это позволяет подготовить сталь к эксплуатации в неблагоприятных условиях. Цианирование совмещает в себе одновременное насыщение верхних слоев стали углеродом и азотом. Это позволяет одним махом увеличить твердость материала и защитить его от воздействия коррозии.

Термообработка разных видов стали

Термообработка легированной стали должна производиться с медленным прогревом до необходимой температуры, а затем с медленным остыванием заготовки. В результате добавления легирующих присадок стали данной марки имеют низкую теплопроводность, поэтому резкое изменение температуры может привести к короблению или образованию трещин. Также очень важно, чтобы нагревание происходило равномерно по всей площади детали.

Термообработка нержавеющей стали тоже содержит свои нюансы.После отжига ее необходимо оставить в печи до полного остывания, а затем провести процедуру отпуска, чтобы получить материал оптимального качества. Резкое изменение температур также нежелательно, так как может негативно отразиться на эксплуатационных свойствах.

Термообработка аустенитных сталей проводится в печах при равномерном нагреве заготовки до температуры 1000-1150 градусов по Цельсию. После этого следует быстрое охлаждение в жидкости, что позволяет получить материал с устойчивой ферритной внутренней структурой. Эти стали применяются для изготовления конструкционных материалов, поэтому должны получить повышенную прочность при закалке.

Термообработка быстрорежущей стали является трудоемким процессом. Она относится к классу высоколегированных сплавов, поэтому не переносит резких перепадов температур. Закалка данного материала производится на высокоточном оборудовании, позволяющем четко регулировать каждую фазу технологического процесса. Эта марка используется для производства инструментов для резки, которые даже при нагреве до 600 градусов не теряют своей первоначальной твердости.

Термообработка углеродистой стали сводится к получению устойчивой связи между атомами железа и углерода в кристаллической решетке. Метод зависит от необходимости получения конкретного вещества по завершению процесса.