Звоните, мы сейчас работаем:
Бесплатный номер 8 (800) 301-99-67
Офис в Москве +7 (499) 403-38-65
Скопировать sale10@vt-metall.ru
sale10@vt-metall.ru
Заказать звонок
Металлообрабатывающая компания VT-METALL
Звоните, мы сейчас работаем
8 (800) 301-99-67 sale10@vt-metall.ru
МЕНЮ
  • Главная >
  • Блог >
  • Термическая обработка металлов: принципы, преимущества, этапы
13.06.2023
200
Время чтения: 10 минут

Термическая обработка металлов: принципы, преимущества, этапы

Редакция сайта VT-Metall
Сохранить статью:

Что это такое? Термическая обработка подразумевает нагрев металлического компонента до высокой температуры с целью изменения его физических свойств. Этот процесс может быть использован для изменения твердости, прочности, пластичности или других свойств материала. Он часто применяется в сочетании с другими процессами, такими как ковка или механическая обработка, поскольку помогает улучшить качество продукта или компонента, делая его более прочным и долговечным.

Какой метод использовать? Термообработка включает в себя нагрев металлического компонента до определенной температуры в течение длительного периода времени, а затем его быстрое охлаждение для достижения желаемых результатов.

Вопросы, рассмотренные в материале:

  • Для чего нужна термическая обработка металла
  • Принципы термообработки
  • Преимущества термообработки
  • Какие металлы подходят для термообработки
  • Оборудование для термической обработки
  • Этапы процесса термообработки
  • Распространенные методы термической обработки
  • Химико-термическая обработка
  • Термообработка цветных сплавов

Для чего нужна термическая обработка металла

Детали из металла, которые предназначаются для комплектования оборудования и различных силовых узлов, подвергаются существенным динамическим нагрузкам. Кроме различных по вектору усилий, на них может действовать избыточное давление газа или жидкости. Помимо этого, расчетные условия работы могут предусматривать воздействие высокой или сверхнизкой температуры. Чтобы на постоянной основе выдерживать воздействие указанных факторов, материал должен быть долговечным.

Для чего нужна термическая обработка металла

Чтобы детали из стали, ее соединений, а также из сплавов цветных металлов служили дольше, при их изготовлении используют технологии термической обработки. Речь идет о различных режимах нагревания заготовок, в результате чего химический состав материала не меняется, а физические характеристики готового изделия улучшаются.

Термическая обработка металла способна:

  1. увеличить коррозионную стойкость изделия;
  2. повысить износоустойчивость;
  3. придать материалу (металлу) дополнительную прочность.

Принципы термообработки

Во время термообработки проявляются фазовые видоизменения структуры металла, причем происходит это как при нагревании, так и при охлаждении. Процесс термообработки предусматривает следующие фазы:

  • Нагревание (если речь идет о железе и его сплавах, то минимум до температуры +400 °C). При таком нагреве начинают происходить изменения в кристаллической решетке материала.
  • Охлаждение. Изменения, которые происходят во время нагревания, в некоторых случаях не являются обратимыми. Собственно, именно для этого и производят процедуру термообработки. После обратного охлаждения заготовки такие модификации фиксируются.
  • Отпуск (процесс, приводящий к устранению внутренних напряжений в массиве заготовки).

Крайне важные особенности термообработки стали проявляются при температуре +727 °C. Металл приобретает форму твердого расплава – аустенита. Атомы углерода при этом начинают проникать в ячейки кристаллической решетки железа. В итоге образуется равномерное соединение, обладающее повышенной прочностью. Плавное охлаждение способно вернуть ситуацию к начальному состоянию, но вот интенсивное остужение металла приведет к тому, что массив останется в формате аустенита.

Выбранная технология фактически определяет итоговые свойства формируемого изделия, но общий принцип такой: ускоренное охлаждение приводит к росту твердости и хрупкости металлической заготовки. Вообще, термообработку можно назвать одной из стадий металлургического процесса, при которой формируются финальные свойства сплава железа с углеродом и другими присадками.

Преимущества термообработки

Если вам нужно изготовить стальную конструкцию длительного использования, то термообработка в данном случае является обязательной, так как:

  1. металл приобретает повышенную износостойкость;
  2. термообработка дает возможность частично исправить брак, в результате чего также улучшаются эксплуатационные характеристики заготовок;
  3. повышается стойкость железа и его сплавов к коррозионному воздействию.

Металлоконструкции, прошедшие термическую обработку, могут выдерживать повышенные динамические нагрузки (как при работе на сжатие, так и на растяжение и излом), что значительно увеличивает их полезный эксплуатационный период.

Какие металлы подходят для термообработки

Абсолютное большинство всех металлов, поддающихся термообработке, – это сталь и ее сплавы (примерно 80 %). Как правило, сюда входят различные марки чугуна, легированные, а также инструментальные сорта стали. Но температурной обработке также подлежат и соединения меди, магния, алюминия, латуни и даже «пожароопасного» титана.

Какие металлы подходят для термообработки

К процессам температурной обработки относят:

  • закалку;
  • отжиг;
  • нормализацию;
  • снятие напряжений;
  • цементирование;
  • азотирование;
  • отпуск.

Большинство из них используются при обработке черных металлов. Применительно к медным сплавам применяются такие процессы, как отжиг, старение и закалка. Процессы термообработки алюминия – отжиг, обработка на твердый раствор, а также искусственное старение. С алюминием работать сложнее всего, так как это точный процесс, при котором требуется контроль с минимальными допусками на каждой стадии (иначе не получится добиться требуемых характеристик).

Далеко не каждый сплав подходит для термической обработки. Но определить заранее, достигните ли вы требуемого результата при термообработке какого-то конкретного металла или нет, можно при использовании фазовых диаграмм.

Оборудование для термической обработки

При осуществлении термической обработки нужно тщательно контролировать процессы нагрева и охлаждения. Это можно сделать только при условии использования соответствующего оборудования, то есть печь должна быть приспособлена для поддержания нужной температуры для каждой отдельной технологической операции. Атмосферные условия, которые формируются внутри печи, должны соответствовать используемым материалам, а также выбранной закалочной среде.

Основные виды печей для осуществления термической обработки металлов:

  • Печь периодического действия.

В ней присутствуют несколько отдельных камер со стальными кожухами и различными системами нагрева. Доступ к каждой камере предусмотрен сепаратный.

  • Колпаковая печь.

Заготовка помещается в печи через горловину, перекрываемую специальной термоизоляционной крышкой-колпаком. Она весьма массивная, а потому поднимается и опускается с помощью крана (тельферного).

  • Коробчатые печи.

Представляют собой масштабные конструкции, поэтому их обычно не разбирают, а модернизируют (в настоящий момент – до полунепрерывных периодических печей). В них предусмотрена отдельная камера медленного отпуска, кроме того, рядом обычно устраивается закалочная ванна.

  • Печь с выдвижным полом.

Это также весьма габаритная печь периодического действия, оборудованная тележкой из жаропрочной стали. Последняя нужна, чтобы доставать из печки крупногабаритную раскаленную заготовку или же помещать новую.

  • Печь элеваторного типа.

Тележка, на которой располагается заготовка, не заезжает в печь, а подкатывается под нее.

  • Печь с кипящим слоем.

Она рассчитана на работу с повышенной температурой. Представляет собой реторту, которая изготавливается из жаропрочного сплава. После того как внутрь помещается заготовка, реторта герметично запаивается.

  • Шахтная печь.

Оправдывает свое название – она представляет собой отделанное шамотным кирпичом углубление в земле, причем кромка шахты «торчит» немного выше уровня пола.

  • Печь для соляных ванн.

На самом деле данная печь также предназначена для термической обработки металлов, просто в качестве расходных компонентов используются различные соли, которые придают поверхностному слою металлической заготовки особые свойства.

Этапы процесса термообработки

Термическая обработка металла представляет собой процесс его нагрева, выдержки при определенной температуре и дальнейшего охлаждения. При осуществлении этого цикла заготовка изменяет свои физические, а иногда и химические свойства: сильный нагрев воздействует на структуру кристаллической решетки на молекулярном уровне, что и приводит к изменению механических качеств материала.

Этапы процесса термообработки

Однако не стоит думать, что термообработка – это просто. Результат зависит от большого числа факторов, учесть которые может только опытный металлург. Это и время осуществления нагрева и выдержки заготовки при достигнутой температуре, и интенсивность остужения металла, а также химический состав окружающей среды. Все указанные параметры подбираются и устанавливаются в зависимости от необходимого итога, от метода обработки, типа металла заготовки и даже от ее размеров.

В процессе термической обработки изменяются такие свойства металлов, как электрическое сопротивление, магнетизм и способность удерживать наведенное электромагнитное поле, твердость, вязкость/хрупкость, пластичность, коррозионная стойкость.

Нагрев

Структура сплавов (на микроуровне) в процессе повышения температуры начинает изменяться. Нагрев в каждом конкретном случае осуществляется в строгом соответствии с термическим профилем, который подбирается для металлической заготовки определенной массы и формы. При этом сплав достигает одного из трех возможных состояний:

  • Механическая смесь.
  • Твердый раствор.
  • Комбинация двух первых состояний.

Механическая смесь подобна бетону: цемент в нем связывает между собой песок и щебень. Несмотря на то, что затвердевший бетон представляет собой монолит, в нем можно разглядеть отдельные частицы песка и камешки щебня. Так же и с металлом: основной его массив механическим образом удерживает присадки. Твердый раствор представляет собой коллоидную смесь: все ее составные части гомогенно перемешаны, и даже под микроскопом невозможно идентифицировать отдельные составные части (только на молекулярном уровне).

В каждом состоянии материал демонстрирует различные качественные характеристики. Фазовые диаграммы позволяют понять, как изменится материал во время нагрева. Но следует помнить, что конечный результат виден лишь после окончания процедуры охлаждения.

Выдержка

Представляет собой временной лаг, в течение которого максимальная достигнутая температура металла поддерживается на постоянном уровне. Продолжительность выдержки зависит от того, какие качественные характеристики необходимо получить на выходе. К примеру, упрочнение поверхности требует осуществления структурных изменений лишь поверхностных слоев. Если необходимы изменения физических характеристик всего массива металлической заготовки, то период выдержки возрастает.

Во многом время выдержки зависит от размеров заготовки и ее формы. Габаритные детали нуждаются в более долгом прогревании, если конечной целью является достижение гомогенности материала.

Охлаждение

Должно начинаться только после выдержки. Здесь также на молекулярном уровне происходят структурные видоизменения. Но их может и не быть.

Интенсивность, то есть скорость охлаждения, регулируется посредством изменения среды, в которой пребывает металл. Это может быть:

  • солевой раствор;
  • вода;
  • масло;
  • воздух.

Данные среды указаны по убыванию скорости охлаждения. Солевой раствор является наиболее плотной средой, поэтому он интенсивнее всех поглощает тепло. Воздух же имеет наименьшую плотность из указанных сред, поэтому раскаленный металл в воздухе охлаждается крайне медленно. Следует отметить, что указанные условия могут создаваться непосредственно в камерах печи.

Распространенные методы термической обработки

Выделяется большое количество методов термообработки металлических заготовок. У каждого способа есть преимущества и недостатки. Наиболее распространены следующие приемы: отжиг, нормализация, закаливание, старение, снятие напряжения, темперирование, цементация.

Отжиг

Представляет собой процедуру термообработки металла, при которой осуществляется его нагрев выше верхней критической точки (температуры, при которой начинается процесс распада кристаллической решетки), после чего заготовку медленно охлаждают в требуемой среде. Обычно отжиг применяют для того, чтобы добиться размягчения материала. Металл, нагретый таким способом, наиболее пригоден для холодной обработки. Одновременно повышается его пластичность и вязкость.

Распространенные методы термической обработки

Благодаря отжигу, снимаются внутренние, а также поверхностные напряжения в заготовке. Любые пластические деформации уходят во время повторной кристаллизации, при которой температура нагрева металла вновь пересекает критическую точку.

За время эксплуатации металлических деталей данная процедура может производиться несколько раз. Ярким примером является отжиг ядерных реакторов ВВР (при температуре +430 °С), благодаря которому удается устранить радиационное охрупчивание и продлить срок действия корпуса реактора более чем в два раза.

Выделяют несколько видов отжига:

  • рекристаллизационный;
  • полный;
  • частичный;
  • окончательный.

Нормализация

Это термическая обработка для устранения внутренних напряжений в массиве металлической заготовки, которые могут быть вызваны такими технологическими процессами, как литье, закалка или электросварка. Нормализация подразумевает нагрев металлической заготовки до температуры, превышающей верхнюю критическую точку не менее чем на 40 °C.

Эта температура выше, чем при отжиге или закалке. Кроме того, после нагрева заготовку выдерживают при такой температуре в течение длительного времени. Охлаждение осуществляется в воздушной среде. Нормализация – это намного более дорогостоящий процесс, чем отжиг, зато он позволяет создать во всем массиве детали однородный размер микрозерна. Да и по твердости нормализованная сталь превышает показатели отожженной.

Закалка

Самым известным и наиболее распространенным процессом термической обработки металла является закалка. Она применяется для усиления такого качественного показателя, как твердость. Закаливать можно как весь массив заготовки, так и лишь ее поверхность.

При закалке заготовка нагревается до заданной температуры, которая ниже верхней критической точки, после чего производят быстрое охлаждение металла путем погружения в плотный охладитель. В качестве последнего может применяться солевой раствор, вода или масло. В итоге массив материала обретет более высокую твердость, но вместе с этим увеличится и его хрупкость.

Цементация (цементное упрочнение) представляет собой разновидность закалки, когда целью является усиление твердости лишь внешнего слоя. В этом случае нагрев осуществляется быстрее, выдержку делают короче, равно как и пребывание заготовки в охлаждающей среде. В итоге при более твердом внешнем слое деталь будет иметь мягкую сердцевину.

Традиционно процессу закалки подвергали холодное оружие. Но с наступлением индустриальной эры закалять начали и всевозможные валы. Высокая твердость внешнего слоя любой детали повышает ее износостойкость, такое качество как раз необходимо гнездам подшипников. После закаливания они становятся практически нечувствительными к износу, а более вязкая сердцевина вала позволяет успешно противостоять усталостным напряжениям.

Выделяют несколько видов закалки:

  • индукционную;
  • дифференциальную;
  • закалку пламенем (здесь может образоваться зона термического влияния, что не очень хорошо с точки зрения прочностных характеристик детали).

Старение

Старение по-другому называют дисперсионным твердением. Оно представляет собой такой способ термической обработки металла, который направлен на увеличение уровня предела его текучести. В структуре металлического зерна происходит образование диспергированных частиц, что приводит к изменению физических характеристик.

Старение

Обычно эффект дисперсионного твердения проявляется после того, как производится дополнительная термическая обработка при более высокой (чем в предшествующем случае) температуре. Впрочем, некоторые металлы имеют свойство стареть естественным образом (без повышения температуры).

Снятие напряжения

Снятие напряжения особенно актуально для составных габаритных деталей, которые подвержены статическим и динамическим перегрузкам. Это могут быть котлы различных типов (в том числе ядерные реакторы), воздушные баллоны, пневматические аккумуляторы и пр. Такие объекты нагреваются до температуры ниже нижней критической точки. Охлаждение при этом производится крайне медленно, последовательно и постоянно.

Равномерное распределение одинаковой температуры по всему массиву позволяет устранить внутренние напряжения, которые могли возникнуть в металле в результате таких процессов, как сварка, механическая обработка, прокатка или же формовка.

Отпуск

Это процесс снижения высокой твердости и сопровождающей ее хрупкости, которые возникают при закалке. Одновременно происходит снятие внутренних напряжений. Металл в данном случае становится более вязким и пластичным. Температура отпуска существенно ниже температуры кристаллизации. При этом скорость охлаждения никак не влияет на структуру зерна, а потому металл в данном случае охлаждается в условиях статичной воздушной среды.

Цементация стали

Подразумевает нагрев металла в присутствии другого материала (обычно перегретого кокса), выделяющего газообразный углерод. Свободный углерод насыщает собой сначала поверхность, а потом и внутренний массив металла. Чем ближе его поверхность расположена к источнику, тем больше углерода «впитывают» зерна в структуре кристаллической решетки металла, что делает поверхностный слой заготовки особенно твердым, хоть и хрупким.

Химико-термическая обработка

Другим видом термической обработки металла является его разогрев в присутствии специальных химических составов. В данном случае заблаговременно очищенная от окалины и оксидной пленки поверхность заготовки покрывается специальными химическими реагентами. Этот процесс осуществляется непосредственно перед закалкой. Иногда поверхность насыщается азотом. Перед этим, находясь в криогенной атмосфере, ее необходимо нагреть до +650 °С.

Термообработка цветных сплавов

Все разновидности термической обработки металла, которые были представлены выше, применяются исключительно для обработки стали и сплавов, но при этом они абсолютно не подходят для цветных металлов. Для последних существуют специальные технологии. К примеру, обработка заготовок из меди включает в себя кристаллизационный отжиг. Бронзу закаляют, доводя ее до температуры +550 °С, а латунь вообще не разогревают выше +200 °С. Алюминий может подвергаться как закалке, так и отжигу, старению.

Термическая обработка металла представляет собой важный процесс при производстве элементов и деталей промышленного оборудования, строительных конструкций, машин и оборудования. Благодаря термообработке металлическая заготовка получает подчас уникальные свойства, такие как повышенная износостойкость, устойчивость к коррозийным процессам, долговечность и пр. Следует принимать во внимание, что технология в каждом конкретном случае зависит от физических характеристик детали и материала, из которого она выполнена.


Читайте также
Максим Игоревич Макаров
Максим Игоревич печатает ...

Узнайте цены на изделия со скидками
до 30%

Скачать прайс
Написать на почту

Напишите
письмо на почту

Позвонить бесплатно

Позвонить
бесплатно

Написать на почту

Написать
письмо на почту

Яндекс.Метрика