Термообработка стали: виды, задачи, особенности

Термообработка стали является одной из обязательных процедур, позволяющих придать заготовкам и деталям требуемые свойства. Она может проводиться на разных этапах изготовления, при этом химический состав материала не меняется.

Такой процесс позволяет повысить обрабатываемость деталей, снять остаточное напряжение и в целом улучшить эксплуатационные характеристики. Подробнее о термообработке стали, а также о том, на каких этапах ее можно проводить, расскажем далее.

Задачи термообработки стали по ГОСТу

Термообработка стали выполняется при максимальной температуре, в процессе которой происходит:

• повторная кристаллизация стали,
• переход железа из гамма- в альфа-форму,
• преобразование крупных частиц в пластины.

Эксплуатационные свойства стали и легкость металлообработки непосредственно зависят от внутренней структуры двухфазной смеси.

Главное назначение термообработки стали:

• Создание прочных термоустойчивых износо- и коррозионностойких готовых стальных изделий.
• Снятие в заготовках внутреннего напряжения после литья, горячее и холодное штампование, глубокая вытяжка стали. При этом повышается ее пластичность и облегчается обработка резанием.

Термообработку применяют к таким типам сталей, как:

• углеродистая и легированная,
• с содержанием углерода от 0,25 % до 0,7 %,
• конструкционная, инструментальная и специальная,
• различного качества.

Качество термической обработки стали зависит от следующих основных параметров:

• продолжительность (скорость) нагрева,
• температура нагрева,
• длина выдержки при указанной температуре,
• интенсивность (период охлаждения).

Чтобы получить разные виды термической обработки стали, можно менять вышеперечисленные параметры.

4 основных вида термообработки стали

Термообработка стали – это процесс изменения внутреннего строения и структуры стали за счет воздействия на нее нагрева, выдержки и охлаждения. На каждом этапе тепловой обработки необходимо строгое соблюдение температуры, скорости и продолжительности, зависящие от доли углерода и легирующих элементов в сплаве. При нагревании происходят изменения структуры материала, а при охлаждении эти структурные изменения протекают в обратном порядке.

Виды тепловой обработки:

• Отжиг:

1. гомогенизация,
2. рекристаллизация,
3. изотермический отжиг,
4. отжиг для устранения напряжений,
5. отжиг полный,
6. неполный отжиг.

• Закалка

• Нормализация

• Отпуск:

1. низкий,
2. средний,
3. высокий.

Далее приведены подробности каждого вида термообработки.

Как стали и сплавы подвергаются термообработке

При отпуске

Данный вид термообработки очень часто используется в машиностроении при производстве стальных изделий различного назначения. Чтобы уменьшить внутреннее остаточное напряжение, отпуск применяется с закалкой. Данный метод позволяет получить прочный материал, снять его хрупкость, возникающую при влиянии повышенной температуры.

Еще одно важное предназначение отпуска – это повышение ударной вязкости металла, благодаря чему уменьшается его твердость. Поэтому сильное внешнее воздействие жесткими предметами не повредит поверхность материала.

Пользуются такой таблицей цветов побежалости при термообработке стали для уточнения режимов температуры:

Типы технологии отпуска:

• Низкий отпуск

Данный метод применяют для получения мартенситной структуры стали. Главная его функция – максимально повысить вязкость материала с сохранением его жесткости.

Обычная температура нагревания – +150 °С, максимальная – не более +250 °С. При обычном нагреве металл держат около 1,5 часа. Охлаждают в масле или на воздухе, чтобы увеличить прочность заготовки или готовой детали.

Применяют низкий отпуск при изготовлении измерительных инструментов или различных изделий для резания.

• Средний отпуск

Обычная температура нагрева при обработке – не более +340 °С. Отличительная особенность метода – увеличение максимальной температуры до +500 °С. Охлаждение производится воздухом.

• Высокий отпуск

Самый эффективный метод, позволяющий уменьшить высокое внутреннее напряжение. Материал нагревают до температуры от +450 до + 600 °С, чтобы повысить его вязкость и пластичность без снижения прочности. Сложный, но оптимальный способ при производстве ответственных деталей. Применяется при термообработке для большинства конструкционных сталей.

При отжиге

Отжиг – это вид термообработки стали, который используют для получения равновесной однородной внутренней структуры стали и значительного уменьшения ее напряжения. При обработке материал нагревают до высокой температуры, выдерживают и долго охлаждают.

В промышленности используют некоторые подвиды термической обработки:

• Гомогенизация, или диффузионный отжиг. Термическая обработка стали происходит при нагревании от +1 000 до +1 150 °С. Материал выдерживают в течение 8 часов. Для отдельных марок стали продолжительность выдержки увеличивают до 15 часов. При охлаждении наблюдают за температурой. Заготовку извлекают из печи только при остывании ее до +800 °С. После происходит воздушное охлаждение.
• Рекристаллизация – низкий отжиг, который необходим после деформации. Основная задача данного процесса – упрочнение стали с помощью изменения формы зерна в структуре металла. Температура нагревания от +100 до +200 °С. Продолжительность выдержки – не более двух часов. Длительное охлаждение осуществляется внутри печи.
• Снятие внутреннего и остаточного напряжения. Максимальная температура нагревания – +727 °С. Из всех видов отжига самая большая продолжительность выдержки – 20 часов. Охлаждение заготовки происходит очень медленно. Данный способ отжига подходит для изделий, прошедших механическую обработку, сваренных или обработанных при помощи литья.
• Изометрический отжиг. Данный вид термообработки используется только для легированных сталей. Температуру нагревания выбирают, исходя из природного предела для каждой конкретной марки стали. Максимум увеличивают еще на 20–30 °С. Охлаждается металл в два этапа – быстро и медленно. В таком состоянии аустенит будет понемногу распадаться.
• Полный отжиг. Применяют, чтобы получить мелкозернистую структуру стали, преимущественно с перлитом и ферритом. Процесс подходит для различных заготовок – штампованных, литых или кованых. Нагрев осуществляется так же, как и при изометрическом воздействии – температуру увеличивают до максимума, увеличив еще на 30–50 °С. Остывает заготовка до +500 °С. Наблюдают за скоростью охлаждения и указывают ее из расчета на один час. Углеродистая сталь при термообработке остывает до +150 °С, а легированная – до +50 °С.
• Неполный отжиг. Главная цель процесса – переход из перлитовой структуры в ферритно-цементитную. Применяется такая термообработка для изделий из стали, которые изготовлены посредством электродуговой сварки. Температура нагревания – +700 °С. Выдерживание – 20 часов. Медленное остывание заготовок. После этого увеличивается прочность и защита от механических повреждений.

При закалке

Закалка так же, как и отпуск – самый распространенный метод термообработки. Она необходима для повышения таких показателей стали, как твердость, максимальная упругость и износостойкость. С помощью данной обработки уменьшают предел прочности на сжатие и растяжение. Для улучшения эксплуатационных свойств такой термообработке часто подвергаются инструментальные стали.

Закалка – наиболее старый способ термообработки. Его особенность – быстрое охлаждение стали, нагретой до максимальной температуры. Максимум нагревания зависит от марки стали. Главное – учесть, при каком температурном режиме начинается процесс изменения внутренней кристаллической решетки.

От изменения марки сплава меняются следующие параметры:

• Охлаждающая среда. Наиболее легкий метод – окунание в воду. Чтобы улучшить показатели стали, охлаждение происходит с применением масла, инертного газа или соленых растворов.
• Скорость охлаждения. Зависит от начальной температуры нагревания. Отличаться может и температура газа, раствора с содержанием соли и воды.
• Нагревание. Подбирается на основании предела, при котором происходит изменение внутренней структуры. Для большинства марок сплавов – это +900 °С.

При нормализации

Нормализация – вид термообработки стали, при котором меняется структура и измельчается зерно внутри сплава. Такой процесс подходит для низкоуглеродистой и легированной стали.

Охлаждающая среда – воздух. Предел температуры нагревания – увеличение еще на 50 °С к установленному максимуму для конкретной марки стали.

Нюансы термообработки стали разных марок, а также цветных сплавов

Термообработка легированных сталей марок 20Х, 15ХГН2ТА, 4Х5МФС, 20Х2Н4А, 50ХГФА, 6ХВ2С, 18ХГ, У9, 45Г2, 20ХГР, 38ХН3МА, 7Х3, 20ХН3А имеет общие требования для мартенсита, перлитных и аустенитных сплавов. Есть определенные критичные точки на графике для получения перлита, мартенсита, аустенитовой или ферритовой стали. Термическая обработка таких сплавов происходит с помощью длительного нагревания до определенной температуры.

Также этот процесс сопровождается затяжной выдержкой и медленным охлаждением. Но надо иметь в виду, что при закалке охлаждение более быстрое. Законы физики объясняют, почему происходит медленное нагревание и остывание: чем выше теплообмен, тем ниже вероятность повреждения сплава. Нагрев выполняют постепенно, по всей поверхности изделия.

После термообработке нержавеющей стали марок 07Х16Н6, 20Х13, 20Х14, 20Х16, 20Х18Н9Т и подобные сплавы (имеющие в маркировке обозначение «Х» – процент хрома в массе) оставляют медленно остывать в печи. Также сюда можно отнести сплавы с содержанием хрома 13 % и выше по весу заготовки. В составе печи для отложенного накаливания на некоторых производствах применяют электрообогревательное оборудование, которое будет нагревать металл по определенному алгоритму. Это позволит соблюсти технологию изготовления.

При термообработке аустенитные стали в печи временно нагревают до +1 150 °С. После нужной выдержки каленую сталь охлаждают в масле до окончательного остывания или по определенному алгоритму. Это позволяет добиться устойчивой внутренней структуры. Сплав при этом улучшает все свои свойства.

Быстрорежущая сталь при термообработке нагревается в печке с предельно точным термическим датчиком. Медленное нагревание и охлаждение. При правильной технологии сталь может потерять свою начальную твердость только при +650…+700 °С.

В зависимости от того, какой род стали нужно получить, простые углеродистые стали марок Ст3, Ст4, Ст5, Ст6, Ст8, Ст10, Ст15, Ст20, Ст25, Ст30, Ст35, Ст40, Ст45, Ст50, Ст55, Ст60, Ст75, содержащие сотые доли углерода по массе заготовок, нормализуют и отпускают, отжигают по общей технологии «мартенсит – перлит – аустенит – феррит». Основная задача – повышение устойчивости молекулярной связи в кристаллической решетке и снижение хрупкости.

Термообработка цветных сплавов отличается от других металлов особенной кристаллической решеткой, увеличенной или уменьшенной теплопроводностью и химической реакции на кислород и водород:

• При термической обработке алюминиевых и медных сплавов нет сложностей с накаливанием, а для титанового сплава – это основная проблема, так как его тепловая проводимость ниже в 15 раз, чем у алюминиевого.
• Медные сплавы при максимальной температуре контактируют с кислородом, на основании этого термообработка проводится в защитной среде.
• Сплавы с алюминием фактически пассивны к атмосферным газам, а титановый сплав, наоборот, наводороживается. Поэтому для снижения процента водорода титан обрабатывают в вакуумной среде. Термообработка стали из деформируемых металлов с алюминием (профили, трубы, уголки) выполняется с соблюдением температуры нагревания +450–500 °С.

Термическую обработку невозможно увидеть без специальных устройств. Чтобы оценить результат, полученный термистами, нужно воспользоваться микроскопом по микрошлифам или приборами для измерения механических свойств металла.

Термообработка стали играет огромную роль в формировании всех характеристик готовых изделий. Благодаря ей повышается износостойкость и эксплуатационная прочность деталей, и, как следствие, улучшается работа машин или механизмов. Также по справочнику, содержащему сведения по термообработке стали, можно уточнить свойства и конструктивные схемы изделий, используемых в термоцехах.