›

Термомеханическая обработка металлов. Влияние термической и термомеханической обработки Термомеханическая обработка металлов и сплавов

Повышение прочности и других механических свойств металлов достигается многими способами, одним из наиболее распространенных является термомеханическая обработка. Этот метод сочетает в себе термообработку и пластическую деформацию.

Термомеханическая обработка металлов (ТМО) используется человеком давно, кузнецы еще в древние времена изготавливали клинки по этой технологии, они раскаляли заготовку в горне, потом обрабатывали ее молотом и резко охлаждали в холодной воде, процесс повторялся несколько раз.

Таким способом можно было создавать прочные, острые и достаточно стойкие изделия. В наши дни также применяется подобное воздействие на металл и сплавы; рассмотрим, какие виды ТМО существуют, и какие характеристики обрабатываемых заготовок они повышают.

Бывают такие виды термомеханической обработки:

  • Высокотемпературная;

  • Низкотемпературная.

Для каждого вида металла и сплава индивидуально выбирается схема обработки, поскольку все материалы отличаются своими физико-химическими свойствами. Познакомимся более подробно с технологией этих процессов.

Высокотемпературная термомеханическая обработка металлов

Деформация металла при этом виде обработки происходит после его предварительного разогрева. Температура материала должна быть выше температуры рекристаллизации, другими словами, он должен быть в аустенитном состоянии.

Пластическая деформация ведет к тому, что на аустените образуется наклеп, после чего металл подвергают закалке с отпуском.

Термомеханическая обработка металла при высокой температуре дает такие результаты:

  • Понижение температурного порога хладоломкости;

  • Повышение сопротивления хрупкому разрушению;

  • Устраняется развитие отпускной хрупкости;

  • Повышение ударной вязкости;

  • Понижается чувствительность к образованию трещин во время термической обработки.

Такой обработке поддаются легированные, конструкционные, пружинные, углеродистые и инструментальные стали.

Низкотемпературная термомеханическая обработка металлов

При этом виде обработки также осуществляется нагрев заготовки до состояния аустенита, ее выдерживают в этом состоянии, затем происходит охлаждение. При этом важно, чтобы температура после охлаждения была ниже, чем температура рекристаллизации, и выше, чем температура мартенситного превращения. В таком состоянии проводят пластическую деформацию деталей.

Также практикуется деформация аустенита, который пребывает в переохлажденном состоянии, когда его температура равна температуре бейнитного превращения.

Низкотемпературная термомеханическая обработка металла не дает устойчивости материала при отпуске, кроме того, пластическая деформация осуществляется с использованием мощного оборудования. Эти факторы ограничивают сферу применения данного метода в промышленности.

Где применяется термомеханическая обработка металлов

Сфер, в которых используется термомеханическая обработка металла, довольно много, поскольку она помогает значительно повысить качество изготавливаемых деталей.

Главным достоинством данной технологии является то, что она позволяет одновременно повысить пластичность и прочность материала, что является уникальным явлением.

В машиностроении, оборонной и транспортной промышленности такие качества ценятся очень высоко, потому технология применяется достаточно часто.

Поскольку металл упрочняется, и устраняются дефекты его кристаллической решетки, у готовых изделий повышается стойкость к эрозии и коррозии, в них нет остаточного напряжения, значительно увеличивается срок эксплуатации.

Какое оборудование используется для термомеханической обработки металлов

Термомеханическая обработка металла предполагает использование специальных приспособлений для нагрева, остужения и давления на заготовки.

Прежде всего, для разогрева деталей используются специальные печи, температурный режим в них может быть разным, все зависит от вида материала, который подлежит обработке.

Пластическая деформация осуществляется на специальных станках – это может быть протяжка, ковка или штамповка.

Мощные агрегаты могут быть включены в автоматические линии, что значительно упрощает процесс обработки и делает его более производительным.

Оборудование для ТМО на выставке

Узнать, как происходит ТМО и другие процессы обработки металла, можно на , которая состоится в московском «Экспоцентре».

Мероприятие будет интересным для посещения владельцам промышленных заводов и небольших мастерских, поскольку на нем представители более 1000 компаний продемонстрируют новейшие станки, инструменты и другое оборудование.

Также экспоненты из разных стран представят гостям свои инновационные технологии, которые помогают оптимизировать бизнес и повысить его прибыльность.

31 октября 2011

На рисунке приведены основные схемы ТМО стареющих сплавов. Зубчатыми линиями обозначена пластическая деформация.

Низкотемпературная термомеханическая обработка (НТМО)

НТМО стареющих сплавов — это первая по времени появления (30-е годы) и наиболее широко используемая в промышленности термомеханическая обработка.

Основное назначение НТМО — повышение прочностных свойств.

При НТМО сплав вначале подвергают обычной закалке, а затем перед старением — холодной деформации.

По сравнению со старением без предшествующей деформации при НТМО получают более высокие пределы прочности и текучести, но и более низкие показатели пластичности.

На рисунке показано влияние степени холодной деформации на твердость закаленного никелевого сплава (кривая 1) и того же сплава, состаренного после деформации (кривая 2).

Влияние степени обжатия при волочении после закалки с 1000 °С на твердость холоднотянутой и состаренной проволоки диаметром 4 мм из сплава нимоник-90 (по данным У. Беттериджа):

1 — холоднотянутая;
2 — деформация + старение при 460 °С, 16 ч.

Упрочнение при НТМО вызвано двумя причинами. Во-первых, холодная деформация создает наклеп, и последующее дисперсионное твердение начинается от более высокого исходного уровня твердости сплава. Во-вторых, что особенно важно, холодная деформация увеличивает эффект дисперсионного твердения. Так, при отсутствии холодного наклепа упрочнение сплава нимоник-90 в результате старения при 450 °С очень мало — всего 15 кгс/мм 2 . С увеличением степени холодной деформации упрочнение при старении непрерывно возрастает (кривые 1 и 2 на рисунке расходятся).

При обжатии 90% прирост твердости в результате старения составил 175 кгс/мм 2 . Следовательно, в рассматриваемом случае холодный наклеп увеличил упрочнение при старении на порядок (!). Такой сильный эффект упрочнения от НТМО по сравнению с упрочнением при термической обработке по обычной схеме (закалка + старение) — сравнительно редкое явление.

Обусловлен он тем, что температура старения 450 °С слишком низка для нимоника, и при отсутствии холодного наклепа распад пересыщенного раствора при этой температуре развивается очень вяло. Если после закалки проводить старение при температуре, оптимальной для максимального упрочнения (около 700 °С), то эффект от введения холодного наклепа будет значительно меньше.

В самом первом приближении можно утверждать, что холодный наклеп, повышая плотность несовершенств в кристаллах пересыщенного раствора, делает его термодинамически менее стабильным и ускоряет старение. Однако экспериментальные факты и более детальный анализ показывают, что влияние наклепа на старение может быть весьма сложным. Характер этого влияния зависит от режимов закалки, деформации и старения, от природы сплава, а для одного сплава — от типа выделений при старении.

«Теория термической обработки металлов»,
И.И.Новиков


При ВТМО аустенит деформируют в области его термодинамической стабильности и затем проводят закалку на мартенсит (смотрите рисунок Схема обработки легированной стали). После закалки проводят низкий отпуск. Основная цель обычной термообработки с деформационного (прокатного ковочного) нагрева — исключить специальный нагрев под закалку и благодаря этому получить экономическии эффект. Главная же цель ВТМО — повышение механических свойств…

Большой интерес представляет обнаруженное М. Л. Бернштейном явление наследования («обратимости») упрочнения от ВТМО при повторной термической обработке. Оказалось, что упрочнение от ВТМО сохраняется, если сталь перезакалить с кратковременной выдержкой при температуре нагрева под закалку или если упрочненную ВТМО сталь вначале подвергнуть высокому отпуску, а затем перезакалить. Например, предел прочности стали 37XH3A после ВТМО по режиму…

Процессы ТМО сталей начали интенсивно изучать с середины 50-х годов в связи с изысканием новых путей повышения конструктивной прочности. Низкотемпературная термомеханическая обработка (НТМО) При НТМО переохлажденный аустенит деформируется в области его повышенной устойчивости, но обязательно ниже температуры начала рекристаллизации и затем (превращается в мартенсит. После этого проводят низкий отпуск (на рисунке не показан). Схема обработки…

Степень воздействия жидкометаллической среды на деформируемый материал зависит от его термической и термомеханической обработки. В значительной мере это влияние определяется уровнем прочности и размером зерна, которые приобретают материалы в результате обработки. Ho действие термической и термомеханической обработки связано также с некоторыми особенностями структурного состояния материала.
В. Г. Марков исследовал эффект воздействия жидкого олова на перлитные хромомолибденованадиевые стали, подвергнутые отпуску при различных температурах. Закалку во всех случаях производили с 990° С, а отпуск - при 270, 370, 470, 570, 670 и 770° С; продолжительность отпуска при каждой температуре составляла 1,5 ч. Из заготовок сталей, прошедших указанные режимы термической обработки, изготовляли образцы с цилиндрической рабочей частью диаметром 6 мм, которые затем испытывали на растяжение со скоростью 1,25 мм/мин. Испытание образцов производили в ванне с жидким оловом и на воздухе при температуре 250/650° С.
Установлено, что наибольшему воздействию жидкого металла подвергается сталь после низкого и среднего отпуска (при температуре 270/470° С). Образцы, прошедшие такую термическую обработку, разрушаются хрупко, без пластической деформации, предел их прочности в 1,5-2 раза ниже, чем предел текучести на воздухе. Образцы, отпущенные при 570° С, разрушаются в олове нигде некоторой пластической деформации, диаграмма их растяжения обрывается в области равномерного деформирования. Отпуск при 670° С приводит к дальнейшему ослаблению влияния олова на сталь. В этом случае пределы текучести, предел прочности и равномерное удлинение образцов, испытанных на воздухе и в олове, одинаковы; влияние жидкого металла выражается лишь в снижении сосредоточенного удлинения. Образцы, прошедшие отпуск при 770° С, не обнаружили никакого влияния жидкометаллической среды.
Таким образом, повышение температуры отпуска приводит к уменьшению воздействия жидкого металла на механические свойства перлитной стали. Основная причина ослабления эффекта обусловлена в данном случае, по видимому, снижением прочности стали. Так, предел прочности на воздухе изменяется непрерывно приблизительно со 130 кг/mm2 после отпуска при 270° С до 55 кг/мм2 после отпуска при 670° С.
Аналогичные закономерности влияния термической обработки стали 30ХГСА на величину эффекта воздействия жидкого олова и оловянно-свинцового припоя установлены и работах, результаты их рассмотрены выше (см. табл. 35). В работе отмечено, что высокотемпературный отпуск перлитных хромоникелевых и углеродистых сталей уменьшает их чувствительность к воздействию расплавленных припоев.

Авторы работы исследовали влияние ртути при комнатной температуре на механические свойства дисперсионно-твердеющих алюминиевых сплавов в зависимости от продолжительности старения. На рис. 88 приведены результаты испытаний алюминиевого сплава, легированного 4,5% Cu, 0,6% Mn и 1,5% Mg. Видно, что увеличение продолжительности старения сплава, сопровождающееся упрочнением на воздухе, приводит к резкому падению его прочности в среде жидкой ртути. Интересно, что уже незначительное упрочнение сплава в начале процесса старения вызывает сильное влияние жидкого металла. Это указывает на зависимость воздействия жидкометаллической среды от структурного состояния материала.
Несколько иной характер влияния жидкого металла (ртуть с 2% Na) наблюдался при старении сплава Cu - 2% Be. Из рис. 89 следует, что испытание сплава в жидком металле не вызывает искажения (в качественном отношении) характера влияния старения на его предел текучести. В этом случае наблюдаются обычные стадии упрочнения и затем разупрочнения (при увеличении выдержки), связанного с перестарением сплава. Что же касается влияния жидкого металла на относительное удлинение материала, то оно было подобно влиянию на прочность, установленному в работе, т. е. эффект воздействия среды, выразившийся в снижении относительного удлинения, усиливается по мере упрочнения сплава и имеет наибольшую величину при максимальном упрочнении. Перестарение сплава приводит к уменьшению охрупчающего действия жидкометаллического покрытия.

На рис. 89 приводятся также результаты испытания медно-бериллиевого сплава, подвергнутого наклепу после закалки. Такая обработка способствует еще большему упрочнению сплава при старении, уменьшение же относительного удлинения выражено гораздо слабее. Например, наибольшее уменьшение удлинения после закалки и наклепа составляло около 60%, тогда как после одной закалки было близко к 100%.
Применение наклепа после термической обработки сплава, как показано в работах, обычно не вызывает изменения в степени воздействия жидкого металла. Так, наклеп медно-бериллиевого сплава после закалки и старения при 370° С в течение 0,5 и 12 ч, т. е. до пика упрочнения и за ним (см. рис. 89), не приводит ни к усилению, ни к ослаблению влияния жидкометаллической среды. Сплав, подвергшийся максимальному упрочнению при термической обработке (закалка и старение при 370° С в течение 1 ч), обнаружил усиление воздействия среды с увеличением степени наклепа.
Термомеханическая обработка материала в ряде случаев дает возможность повысить его прочность в жидкометаллической среде. В работах исследовалось влияние термомеханической обработки на механические свойства стали 40Х на воздухе и в контакте с эвтектикой Pb-Sn. Испытывали цилиндрические образцы диаметром 10 мм с круговым надрезом. Обработку материала производили в области концентратора напряжения. Образец устанавливали на специальном станке и нагревали пропусканием через него электрического тока до температуры аустенитизации; затем его охлаждали до температуры 400/600° С, при которой производили обкатку концентратора профильными роликами. Начальная глубина надреза, наносимого на токарном станке, составляла 1 мм, радиус у вершины - 0,2 мм, угол - 0,8 рад. Обкаткой роликами глубина надреза увеличивалась до 1,5 мм, радиус оставался неизменным. После обкатки образец подвергали закалке в масле с последующим отпуском. Кроме термомеханической обработки с обкаткой роликами применяли еще обработку с деформацией образца кручением. Оценивали также влияние наклепа при комнатной температуре на эффект воздействия жидкого металла на сталь после закалки и нормализации.

Из приведенных на рис. 90 диаграмм растяжения видно, что при температуре 400 и 500° С образцы, прошедшие закалку, разрушаются под действием жидкого металла в упругой области, испытывая многократное снижение прочности. Некоторое повышение прочности достигается наклепом образцов, обкаткой роликами при комнатной температуре и термомеханической обработкой с помощью кручения. К наибольшему же повышению прочности приводит термомеханическая обработка с использованием обкатки образцов роликами. Однако хотя при испытании на воздухе такая обработка дает резкое повышение пластичности образцов, при испытании в расплаве образцы разрушаются хрупко. Следует отмстить, что способ термомеханической обработки, оказавшийся эффективным для стали 40Х, не дал положительного результата для стали 2X13 ни при испытании на воздухе, ни в расплаве эвтектики Pb-Sn. Степень влияния жидкого металла в этом случае была примерно такая же, как и после закалки и отпуска, сообщающих стали тот же уровень прочности и пластичности.
Приведенные выше данные показывают, что повышение прочности материала в результате термической или термомеханической обработки приводит, как правило, к усилению воздействия жидкого металла. Эффект упрочнения стали 40Х в эвтектике Pb-Bi после обкатки концентратора напряжения роликами связан, очевидно, в основном с появлением в поверхностном слое образца сжимающих напряжений, так как термомеханическая обработка по такому же режиму, но с деформацией образца кручением не приводит к аналогичным результатам. Структурный фактор оказывает, по-видимому, влияние на степень воздействия жидкометаллической среды в случае испытания дисперсионно-упроченных сплавов. Следует ожидать усиления влияния среды на эти сплавы, так как в них возможно появление значительных концентраций напряжений в районе мелкодисперсных выделений, являющихся серьезными препятствиями на пути движения дислокаций.

02.01.2020

К устройствам горно-обогатительной отрасли относят валковые дрорбилки. В Великобритании в 1908 году была сконструирована первая такая машина. В крайндерском руднике...

02.01.2020

Нормальное функционирование современного офиса сложно представить себе без соответствующей мебели. Сюда относятся рабочие столы, кресла, стулья, разнообразные полки и...

02.01.2020

Пенобетон – это жидкая бетонная смесь, которая в процессе застывает и разрезается на формы необходимые по проекту. Пенобетон изготавливается из смеси цемента, песка,...

30.12.2019

Новомодные методы коммуникации влияют на уровень досуга современных людей. Сегодня азартные пользователи хотят оторваться на всю катушку......

30.12.2019

В современном строительстве свайный фундамент используется широко. Обращаются к нему при возведении и частных построек, и крупных объектов недвижимости, включая торговые...

30.12.2019

Интернет открывает массу возможностей любителям риска и азарта. Игровые автоматы являются самым популярным видом азартных развлечений....

29.12.2019

Корпусная мебель сегодня является наиболее востребованным вариантом среди всех существующих. Особенность мебели такого типа – она изготавливается из древесных плит,...

Термомеханическая обработка включает в себя пластическую деформацию, которая влияет на формирование структуры во время термического воздействия на металл. Пластическая деформация изменяет характер распределения и увеличивает плотность дефектов кристаллической решетки, что в свою очередь сильно влияет на характер формирования структуры при фазовых превращениях. Таким образом, после ТМО в сплаве образуется структура с повышенной плотностью дефектов кристаллического строения, что ведет к получению новых механических свойств.

Для стали применяют в основном два вида термомеханической обработки низкотемпературную и высокотемпературную.

При НТМО переохлажденный аустенит деформируется в области его повышенной устойчивости, но обязательно ниже температуры начала рекристаллизации. После этого он превращается в мартенсит (рис. 53). В качестве окончательной термообработки проводят низкий отпуск.

Причина упрочнения стали при НТМО – наследование мартенситом дислокационной структура деформированного аустенита. Дислокации при образовании мартенсита не исчезают, а передаются от исходной фазы к новой, т.е. мартенсит наследует субструктуру деформированного аустенита. Высокая плотность дислокаций закрепленных атомами углерода и включениями карбидов обусловливает получение высокой прочности с приемлемым уровнем пластичности.

Рис. 53 Схема низко температурной (НТМО)

термомеханической обработки стали

НТМО применима только для легированных сталей обладающих достаточным уровнем устойчивости переохлажденного аустенита. Кроме того для проведения НТМО требуется наличие мощного деформирующего оборудования.

При ВТМО аустенит деформируют в области его высокотемпературной устойчивости, а затем проводят закалку на мартенсит (рис.54). После закалки следует низкий отпуск.

Рис. 54 Схема высоко температурной (ВТМО)

термомеханической обработки стали.

Режим ВТМО выбирают так, чтобы к началу мартенситного превращения аустенит имел развитую полигонизованную структуру. Степень деформации не должна быть слишком большой, чтобы не вызвать рекристаллизацию снижающую упрочнение. После окончания деформирования необходима немедленная закалка, чтобы предотвратить статическую рекристаллизацию и сохранить деформированную структуру к началу мартенситного превращения. Мартенситные кристаллы не выходят за пределы субзерен аустенита, что обусловливает их значительное измельчение и получение высокого комплекса свойств.

Важнейшее преимущество ВТМО – способность одновременно повышать и показатели прочности, и вязкость разрушения. Кроме того для проведения ВТМО не требуется мощное специализированное оборудование.


6.Химико-термическая обработка стали

6.1. Общая характеристика химико-термической обработки стали

Химико-термической обработкой (ХТО) называют поверхностное насыщение стали некоторыми химическими элементами, а именно неметаллами и металлами (например, углеродом, азотом, алюминием, хромом и др.) путем их диффузии в атомарном состоянии из внешней среды при высокой температуре. В ходе данных процессов обязательно изменяется химический состав, микроструктура и свойства поверхностных слоев изделий. При ХТО обрабатываемые детали нагревают в каких-либо химически активных средах. Основные параметры обработки - температура нагрева и продолжительность выдержки. ХТО обычно осуществляется за длительное время. Температуру процесса выбирают конкретно для каждого вида обработки.

Первостепенными процессами любого вида ХТО являются диссоциация, абсорбция и диффузия.

Диссоциация - разложение химического соединения для получения химических элементов в более активном, атомарном состоянии. Абсорбция – поглощение поверхностью детали атомов указанных неметаллов. Диффузия - перемещение абсорбированного элемента вглубь изделия. Скорости всех трех процессов обязательно должны согласовываться друг с другом. Для абсорбции и диффузии необходимо, чтобы насыщающий элемент взаимодействовал с основным металлом с образованием либо твердого раствора, либо химического соединения, так как при отсутствии этого химико-термическая обработка невозможна.

Основными видами химико-термической обработки стали являются цементация, азотирование, нитроцементация, цианирование и диффузионная металлизация.

Скорость диффузии атомов в решетку железа неодинакова и зависит от состава и строения образующихся фаз. При насыщении углеродом или азотом, составляющими с железом твердые растворы внедрения, диффузия протекает быстрее, чем при насыщении металлами, образующими твердые растворы замещения. Поэтому в данном случае, используют более высокие температуры и длительное время обработки, но, несмотря на это, получают меньшую толщину слоя, чем при азотировании и особенно науглероживании.

При определении толщины диффузионного слоя, полученного при насыщении стали тем или иным элементом, обычно указывается не полная его величина с измененным составом, а только глубина до определенной твердости или структуры (эффективная толщина).

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 . 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.

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

Термическая обработка металлов основана на фазовых изменениях внутренней структуры, происходящих при их нагреве или охлаждении. В общем виде процесс термообработки состоит из следующих этапов:

  • 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 можно только путем термической обработки белого чугуна.

Виды термообработки стали

Каждый вид операций термической обработки относится к определенной группе в соответствии со своей принадлежностью к технологическому этапу. К предварительным относят нормализацию и отжиг, к основным - разнообразные способы закалки и обработки с нагревом, а к заключительным - отпуск в различных средах. Такое деление термических операций в какой-то мере является условным, т. к. иногда отпуск производят в начале термообработки, а нормализацию и отжиг - в конце. Технология горячей обработки металлов включает в себя нагревание, удержание рабочей температуры в течение требуемого периода и охлаждение с заданной скоростью. Помимо этого, для повышения износостойкости изделий из легированных сталей используется холодная термическая обработка с погружением заготовки в криогенную среду с охлаждением ниже -150 ºC.

Отжиг

Главной особенностью отжига является нагрев изделий до высокой температуры и очень медленное постепенное охлаждение. Такие термические режимы способствуют формированию равномерной кристаллической структуры и полному снятию остаточных напряжений. В зависимости от типа металла и требуемого результата отжиг делится на следующие виды:

  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.
  5. Рекристаллизационный. Эта разновидность термической обработки применяется только для устранения нагартовки после протяжки, штамповки, волочения и пр. В данном случае стальная деталь подвергается термическому нагреву ниже 727 ºC, определенное время выдерживается в этом состоянии, а затем медленно остужается.
  6. Сфероидизирующий. Специальный вид отжига, применяемый к высокоуглеродистым сталям (более 0.8 %), при котором происходит трансформация перлитовой структуры из пластинчатой в зернистую (сферическую).

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

Закалка является центральным звеном большинства процессов термической обработки, т. к. именно она обеспечивает получение требуемых эксплуатационных качеств закаливаемого металла. Закалка включает в себя три основных этапа: нагревание изделия выше 727 ºC, поддержание заданной температуры до завершения формирования требуемой кристаллической структуры и быстрое охлаждение для фиксации полученного результата. Основными технологическими параметрами при закалке являются температуры нагрева и охлаждения, а также скорости прохождения этих термических процессов. Температура нагревания низкоуглеродистой (до 0.8 %) стали напрямую зависит от процентного содержания углерода (см. график ниже): чем оно ниже, тем больше нужно разогревать изделие. Для инструментальных сталей достаточно нагревания на 30÷50 ºC выше 727 ºC. Параметры термической обработки легированных сталей сильно зависят от их состава, поэтому выбор температурных режимов для них необходимо производить по технологическим справочникам.

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

Отпуск - это, как правило, финишная операция термической обработки изделия. Он производится после закалки для снятия в стали остаточных напряжений и уменьшения ее хрупкости, а также повышения вязкости и сопротивляемости ударным нагрузкам. При отпуске деталь нагревают до температуры, которая находится ниже 727 ºC, а затем медленно остужают на воздухе. В зависимости от используемых температурных диапазонов обычно выделяют следующие типы отпусков:

  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

Одна из разновидностей комбинированной термической обработки - это высокотемпературное насыщение верхнего слоя металла химическими веществами, повышающими его твердость и износостойкость. В зависимости от состава соединений, используемых для такого насыщения, химико-термическую обработку стали делят на следующие виды:

  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

При механической обработке давлением в результате нагартовки происходит уплотнение и упрочнение поверхности металла. Это свойство стали используется при термомеханической обработке, сочетающей в себе горячую прокатку, волочение или штамповку с быстрой закалкой. Если горячий сразу погрузить в охлаждающую среду, его уплотненная структура не успевает измениться, при этом ее твердость дополнительно повышается за счет закалки. Обычно выделяют две разновидности термомеханической обработки: высоко- и низкотемпературную, которые отличаются нагревом (выше и ниже температуры начала образования аустенита). После обоих видов необходимо проводить дополнительную термическую обработку: отпуск в температурном диапазоне 200÷300 ºC. По сравнению с обычной закалкой сочетание механической и термической обработки позволяет повысить прочность металла на 30÷40 % с одновременным увеличением его пластичности.

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

Оборудование, используемое для термообработки, включает в себя пять основных категорий, которые присутствуют в любом термическом цехе:

  • 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

Основные отличия термической обработки цветных металлов и сплавов связаны с особенностью строения их кристаллических решеток, повышенной или пониженной теплопроводностью, а также химической активностью в отношении кислорода и водорода. К примеру, практически не существует проблем с прокаливаемостью при термообработке алюминиевых и медных сплавов, а для титана это является одной из основных инженерных задач, т. к. его теплопроводность в пятнадцать раз ниже, чем у алюминия. Сплавы меди при высоких температурах активно взаимодействуют с кислородом, поэтому их термическая обработка должна выполняться в защитных средах. Алюминиевые сплавы практически инертны к атмосферным газам, а титан, напротив, имеет склонность к наводороживанию, поэтому для снижения доли водорода его необходимо отжигать в вакуумной среде.

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.