Термическая обработка металла: виды и этапы

О чем речь? Термическая обработка металла – это использование нагрева в различных режимах и последующего охлаждения для изменения изначальных свойств материала. После процедуры увеличиваются прочность, твердость, снимаются внутренние напряжения.

На что обратить внимание? К методам термообработки относят отжиг, закалку, отпуск, цементацию и ряд других. Независимо от подхода, этапы будут одинаковые: нагрев, выдержка и охлаждение заготовки.

Суть термической обработки металла

Термическая обработка металла – это последовательная смена режимов нагревания и охлаждения. Степень нагрева и скорость процессов при этом должны обязательно контролироваться.

В меньшей степени она влияет на устойчивость к коррозии, электропроводность, магнитные свойства.

При плавном нагревании металла выше определенной степени аннулируются все ранее приобретенные им свойства. Такой предел называют температурой рекристаллизации, при которой кристаллическая решетка принимает максимально комфортное для себя состояние, соответствующее «сырому» материалу.

При термической обработке металлов важны следующие параметры:

• скорость нагрева и охлаждения;
• температура;
• время выдержки (структура металла полностью перестраивается спустя определенное время);
• условия охлаждения.

Зачастую эти процессы термической обработки металлов происходят одновременно с окислением поверхности металлической заготовки, в результате которого она меняет цвет, а на поверхности образуется окалина. Если детали из углеродистых типов стали нагреть до температуры более +1000 °С, они покроются толстым слоем окалины, а покрытия изделий из хромоникелевых нержавеющих сплавов при температуре свыше +800 °С приобретут сине-фиолетовый цвет.

Термическая обработка металлов используется для придания заготовкам твердости и прочности. Но важно понимать, что одновременно с повышением этих характеристик, снижается пластичность материала. Термообработка обычно завершается обезуглероживанием верхних слоев металла и дальнейшим покрытием его поверхности специальными газами.

Сферы применения термической обработки металла

Термообработкой начали заниматься еще в Средние века. В то время кузнецы нагревали металлы для изготовления оружия, а затем охлаждали его в холодной воде. В XIX веке мастера обрабатывали чугун, помещая его в емкость, наполненную льдом, сверху засыпали сахаром и нагревали в течение 20 часов. После этого материал можно было ковать.

Процессы термической обработки были описаны в XIX веке. Российский металлург и изобретатель Д. К. Чернов обнаружил и письменно зафиксировал, что свойства металлов при нагревании изменяются. Он же стоит у истоков науки материаловедения.

Эксплуатация металлических узлов для коммуникаций и элементов оборудования зачастую происходит в условиях интенсивных или экстремальных нагрузок (высокого давления, повышенной температуры и пр.). Для того чтобы изделия и конструкции могли им эффективно противостоять, они должны быть изготовлены из долговечных, износоустойчивых и надежных материалов. Поскольку изначально металлоконструкции не способны выдерживать подобные нагрузки, их подвергают термообработке.

Без термической обработки металлов и сплавов не обойтись при производстве деталей, узлов и конструкций в автомобиле- и машиностроительной отраслях, в самолетостроении, изготовлении промышленного оборудования и пр. При выборе подходящей технологии термообработки ориентируются на то, из чего выполнены заготовки.

Термическая обработка металлов и сплавов актуальна всех этапах производства металлических изделий. Она может использоваться, например, в качестве предварительной или промежуточной фазы для повышения качественных характеристик соединения или же в качестве завершающего этапа для достижения аналогичных целей. При работе с заготовками повышается твердость материала, улучшается его структура, облегчается последующая обработка, а также повышаются прочность и износостойкость.

При температурной обработке значительно меняются свойства стали: увеличивается срок службы, повышаются прочность, надежность, допустимое напряжение и пр.

Этапы термической обработки металла

Подобный процесс включает несколько этапов:

• нагрев заготовки до определенного предела;
• выдержка определенное количество времени;
• охлаждение.

Такие действия приводят к изменениям металлической микроструктуры и, как следствие, механических характеристик материала заготовки.

Конечный результат зависит от ряда факторов: длительности нагрева, времени выдержки, скорости охлаждения, условий окружающей среды.

Правильная термообработка металлов приводит к изменениям таких его характеристик, как твердость, хрупкость, вязкость, электромагнитные свойства, коррозионная устойчивость.

Нагрев

При термической обработке металл нагревают, чтобы добиться изменения структуры его кристаллической решетки, исходя из заранее установленного термического профиля. При этом металлическая заготовка находится в нескольких состояниях: механической смеси, твердого раствора, а также их сочетания.

Характеристики механической смеси можно сравнить с бетонной, только в данном случае роль связующих песка и гравия играет основной металл.

В твердом сплаве все компоненты гомогенизированы, т. е. смешаны настолько плотно, что невозможно добиться их идентификации даже при микроскопическом исследовании.

Свойства этих состояний заметно различаются. Их можно менять путем нагревания металлической заготовки, ориентируясь на фазовую диаграмму, однако оценить конечный результат возможно только после полного охлаждения детали или конструкции.

Выдержка

На этом этапе металлическая заготовка выдерживается в течение определенного времени при заданной температуре. Продолжительность процесса зависит от того, каких результатов требуется достичь.

Для повышения твердости металла необходимы определенные изменения его кристаллической структуры. Этот процесс занимает непродолжительный период, соответственно, и времени для выдержки также нужно немного. Если в результате термической обработки необходимо получить единые свойства, длительность этапа возрастает.

Оптимальную продолжительность выдержки определяют, исходя из вида металла или сплава, а также индивидуальных параметров заготовки. Крупные детали и конструкции, для которых важна однородность свойств, требуют большего количества времени, поскольку середина габаритных элементов нагревается медленнее.

Охлаждение

Данный этап термической обработки металлов состоит в охлаждении заготовок, при котором структура материала претерпевает активные изменения. В зависимости от определенных факторов раствор при охлаждении может как стать смесью механического типа, так и остаться в первоначальном виде.

При необходимости заготовки охлаждают в специальных печах. В этом случае охлаждающую среду можно корректировать, что позволяет добиться большей точности и постепенности.

Методы термической обработки металла

Термическая обработка металлов выполняется различными методами, каждый из которых обладает собственными достоинствами и недостатками.

Наиболее часто применяются такие виды термической обработки металлов, как отжиг, нормализация, закаливание, старение, снятие напряжения, темперирование, цементация:

Отжиг

В процессе заготовку нагревают выше верхнего критического предела (при такой температуре начинается распад кристаллической решетки), а затем медленно охлаждают в определенной среде. Посредством отжига металлы размягчают, одновременно с этим повышая их вязкость и пластичность. Эта технология подготавливает заготовки к дальнейшей холодной обработке.

Отжиг способствует снятию внутренних и поверхностных напряжений в заготовках. Следует иметь в виду, что при повторном нагревании металла выше критической отметки происходит повторная перекристаллизация решетки, аннулирующая любые пластические деформации.

В процессе эксплуатации металлические конструкции могут неоднократно подвергаться отжигу. В качестве примера можно привести отжиг ядерных реакторов ВВР (при температуре +430 °С), устраняющий радиационное охрупчивание и продлевающий более чем в два раза срок службы корпуса реактора.

Отжиг может быть:

• рекристаллизационным;
• полным;
• частичным;
• окончательным.

Нормализация

Для снятия внутренних напряжений, возникающих при литье, закалке, сварке и т. п., применяют особый вид термической обработки металлов – нормализацию. В этом случае деталь или конструкцию нагревают до температуры, минимум на 40 °C превышающую верхний критический предел, затем выдерживают в течение длительного периода времени и охлаждают на воздухе.

Температура при нормализации выше, чем при таких видах термообработки, как отжиг или закалка.

Стоимость нормализации существенно превышает цену отжига, однако за счет нее достигается однородный размер микрозерен во всем металлическом массиве. Твердость нормализованных типов стали также выше, чем у сплавов, обработанных посредством отжига.

Закалка

Один из наиболее популярных способов термической обработки металлов. С его помощью повышают твердость материалов. Она подходит как для работы со всей деталью, так и только с ее поверхностью.

Этот вариант термообработки предполагает нагрев заготовки до температуры, не превышающей верхнего критического предела, с последующим быстрым ее охлаждением. Чтобы охладить, деталь погружают в плотный охладитель (солевой раствор, воду или масло). Металл становится более твердым, но при этом более хрупким.

К разновидности закалки относится цементация (цементное упрочнение), при которой обрабатывается только поверхностная часть заготовки. В этом случае деталь нагревают быстрее, выдерживают в течение непродолжительного времени, в охлаждающую среду также помещают ненадолго. В результате твердость внешнего слоя повышается, в то время как сердцевина остается мягкой.

Закалку традиционно использовали при изготовлении холодного оружия. Развитие промышленности привело к расширению сфер применения этого вида термической обработки металлов. За счет высокой твердости поверхности повышается износостойкость деталей, что актуально, к примеру, для гнезд подшипников.

В результате закаливания существенно повышается их износостойкость, при этом за счет более вязкой сердцевины вала они устойчивы к усталостным напряжениям.

Закалка бывает:

• индукционной;
• дифференциальной;
• пламенем (в этом случае существует риск образования зоны термического влияния, негативно сказывающейся на прочностных характеристиках деталей и конструкций).

Старение

Другое название этого вида термической обработки металлов и сплавов – дисперсионное твердение. Технология призвана повысить пределы текучести материала. Изменение его физических характеристик достигается за счет образования диспергированных частиц в структуре материала заготовки.

Ряд металлов и сплавов стареют естественным образом, не требуя температурной обработки.

Снятие напряжения

Это особенно актуально для составных габаритных деталей, эксплуатируемых в условиях статических и динамических перегрузок. К ним относятся котлы различных типов (в том числе ядерные реакторы), воздушные баллоны, пневматические аккумуляторы и пр. Заготовки и конструкции нагревают до температуры ниже нижней критической точки, а затем очень медленно, постоянно и последовательно охлаждают.

Благодаря равномерному распределению одинаковой температуры по всему металлическому массиву снимаются внутренние напряжения, возникновение которых могло быть обусловлено сваркой, механической обработкой, прокаткой или формовкой.

Отпуск

Процесс используют для того, чтобы снизить высокую твердость и, как следствие, хрупкость металла или сплава, возникающих в результате закалки. При этом способе термической обработки снимаются внутренние напряжения, увеличивается вязкость и пластичность материала.

Температура отпуска значительно ниже температуры кристаллизации решетки. А поскольку скорость охлаждения не оказывает влияния на структуру зерна, то охлаждают заготовки на воздухе.

Цементация стали

Эта технология термической обработки металлов и сплавов заключается в нагревании заготовки совместно с другим материалом (чаще всего для этих целей используют перегретый кокс), выделяющим газообразный углерод. Сначала внешние, а затем и внутренние слои материала изделия насыщаются свободным углеродом, повышающим его твердость и хрупкость. Чем ближе к источнику находится поверхность заготовки, тем больше этого химического элемента проникает в зерна кристаллической решетки.

Химико-термическая обработка

Еще одна разновидность термической обработки металлов – их нагревание в специальных химических составах. Поверхность заготовки перед началом термообработки соответствующим образом подготавливается, удаляются следы окалины, оксидная пленка, после чего на нее наносятся специальные химические составы. Этот процесс предшествует закалке.

Для обработки верхнего слоя иногда используется азот. В таком случае деталь перед помещением в криогенную среду нагревают до +650 °С.

Почему следует обращаться именно к нам

Мы с уважением относимся ко всем клиентам и одинаково скрупулезно выполняем задания любого объема.

Наши производственные мощности позволяют обрабатывать различные материалы:

• цветные металлы;
• чугун;
• нержавеющую сталь.

При выполнении заказа наши специалисты применяют все известные способы механической обработки металла. Современное оборудование последнего поколения дает возможность добиваться максимального соответствия изначальным чертежам.

Для того чтобы приблизить заготовку к предъявленному заказчиком эскизу, наши специалисты используют универсальное оборудование, предназначенное для ювелирной заточки инструмента для особо сложных операций. В наших производственных цехах металл становится пластичным материалом, из которого можно выполнить любую заготовку.

Преимуществом обращения к нашим специалистам является соблюдение ими ГОСТа и всех технологических нормативов. На каждом этапе работы ведется жесткий контроль качества, поэтому мы гарантируем клиентам добросовестно выполненный продукт.

Благодаря опыту наших мастеров на выходе получается образцовое изделие, отвечающее самым взыскательным требованиям. При этом мы отталкиваемся от мощной материальной базы и ориентируемся на инновационные технологические наработки.

Мы работаем с заказчиками со всех регионов России. Если вы хотите сделать заказ на металлообработку, наши менеджеры готовы выслушать все условия. В случае необходимости клиенту предоставляется бесплатная профильная консультация.