Термическая обработка металлов — это совокупность технологических процессов нагрева, выдержки и охлаждения сплавов для изменения их структуры и свойств. Такая процедура позволяет улучшить механические характеристики изделий, таких как твердость, прочность, пластичность, износостойкость и коррозионная устойчивость.
Термическая обработка стали особенно важна в машиностроении, строительстве, авиационной и судостроительной промышленности. Благодаря термообработке возможно добиться оптимального баланса между твердостью и вязкостью. Это позволяет изготавливать детали с высокими эксплуатационными характеристиками.
В статье расскажем про понятие термической обработки металлов, ее виды, этапы и особенности этого процесса.
Общие сведения: что такое термообработка и зачем она нужна
Термическая обработка металлов и сплавов — это технологический процесс, при котором материалы подвергаются нагреву, выдержке при заданной температуре и последующему охлаждению с целью изменения их структуры и механических свойств.
Эта процедура особенно востребована в металлургии, строительстве и машиностроении. Термообработка позволяет получить материалы с оптимальными характеристиками для конкретных эксплуатационных условий.
Основные цели термической обработки:
- Повышение прочности и твердости
Термообработка позволяет улучшить механические характеристики металла, сделать его более устойчивым к нагрузкам и износу. - Уменьшение хрупкости
Правильная комбинация нагрева и охлаждения позволяет снизить риск появления повреждений в конструкции. - Снижение остаточных напряжений
В процессе литья, сварки и механической обработки в металле могут появляться внутренние напряжения, которые уменьшаются или устраняются с помощью термообработки. - Изменение пластичности и вязкости
Материалы могут становиться как более пластичными для последующей обработки, так и более упругими для эксплуатации в тяжелых условиях. - Улучшение коррозионной стойкости
Некоторые методы термообработки, например, азотирование, позволяют защитить металл от коррозии и окисления. - Изменение структуры металла
Процесс термообработки способствует контролируемому изменению внутренней микроструктуры материала, что влияет на его сущность — физико-химические и механические свойства. - Подготовка материала к дальнейшей обработке
Снижение твердости облегчает резку, ковку, прокатку и другие технологические операции.
Виды термической обработки
Существует несколько основных типов термической обработки металлов и сплавов, каждый из которых применяется для получения определенных свойств материалов.
Рассмотрим основные виды термической обработки.
Нормализация
Суть этого метода обработки заключается в нагреве стали выше критической температуры, выдержке в течение определенного времени и охлаждении на воздухе.
Нормализация металлов и сплавов выполняет следующие функции:
- Повышает механическую прочность и твердость.
- Уменьшает внутренние напряжения.
- Улучшает обрабатываемость и пластичность.
- Применяется перед закалкой и цементацией для подготовки структуры.
Отжиг
Это процесс термической обработки, при котором металл нагревается до определенной температуры, выдерживается при ней в течение установленного времени, а затем медленно охлаждается.
Основные цели проведения отжига:
- Снижение твердости и улучшение пластичности металла для облегчения механической обработки (резка, штамповка, ковка, сверление).
- Устранение внутренних напряжений, возникших после сварки, литья, ковки или прокатки.
- Улучшение однородности структуры сплава, устранение дефектов, вызванных термическими и механическими воздействиями.
- Обеспечение равномерного распределения легирующих элементов.
- Подготовка материала к последующей термической обработке — закалке, цементации, нормализации.
Этот способ термической обработки металла отличается от нормализации более низкой температурой нагрева.
Существует несколько типов отжига, применяемых в зависимости от вида металла и требуемых характеристик:
- Полный. Этот вид отжига применяется для снижения твердости и увеличения пластичности. Нагрев осуществляется выше критической температуры обычно на 30–50 °C. Охлаждается металл очень медленно, как правило, вместе с печью.
- Неполный. Такой отжиг используется для устранения напряжений, улучшения обрабатываемости и повышения прочности.
- Изотермический. Применяется для легированных сталей. Термическая обработка заключается в нагреве до требуемой температуры, выдержке и ступенчатом охлаждении с остановкой при определенной температуре для стабилизации структуры. Изотермический отжиг улучшает обрабатываемость металла.
- Гомогенизационный (диффузионный). Отжиг этого типа применяется для устранения химической неоднородности литых заготовок. Температура нагрева очень высокая (1000–1200 °C), выдержка длительная от 8 часов.
- Рекристаллизационный. Такой отжиг позволяет восстановить пластичность и сделать материал прочнее. Используется для устранения наклепа в металлах после холодной пластической деформации.
Закалка
Это процесс упрочнения металла путем быстрого охлаждения после нагрева. В результате формируется структура, которая отличается высокой твердостью.
Методы закалки:
- Непрерывная — погружение в одну среду (масло, вода, полимеры). Подходит для обработки углеродистых и легированных сталей.
- Прерывистая — охлаждение в нескольких средах последовательно.
- Ступенчатая — выдержка при промежуточной температуре перед окончательным охлаждением.
- Изотермическая — охлаждение с выдержкой при температуре, обеспечивающей бейнитное превращение.
Отпуск
Термический отпуск металла — это процесс нагрева закаленного материала до температур ниже критической точки с последующим охлаждением.
Различают:
- Низкий отпуск — снимает остаточные напряжения без значительного изменения твердости.
- Средний отпуск — снижает хрупкость, повышает ударную вязкость.
- Высокий отпуск — обеспечивает баланс между прочностью и пластичностью.
Старение
Старение — это процесс упрочнения, связанный с изменением структуры металла под воздействием времени или температуры.
Выделяют следующие виды старения:
- Естественное. Процесс старения происходит при комнатной температуре.
- Искусственное. Процедура проводится при повышенной температуре для ускорения процесса.
Применяется для алюминиевых, медных и титановых сплавов, а также для высокопрочных сталей.
Снятие напряжения
Этот процесс устраняет остаточные напряжения в металле, возникающие после механической обработки, литья или сварки. Производится путем нагрева до температуры чуть ниже критической и медленного охлаждения.
Преимущества снятия напряжений:
- Снижение риска появления трещин.
- Уменьшение деформаций в изделиях.
- Улучшение эксплуатационных характеристик.
Цементация стали
Это химико-термическая обработка металлов, при которой поверхность насыщается углеродом. Применяется для упрочнения наружного слоя изделий, что повышает износостойкость деталей.
Термомеханический процесс
Термомеханическая обработка сочетает пластическую деформацию с термообработкой, что позволяет:
- Улучшить механические свойства металла.
- Добиться высокой прочности при сохранении пластичности.
- Повысить износостойкость и ударную вязкость.
Такая термическая обработка металлов и сплавов применяется при производстве труб, рельсов, броневой стали и ответственных конструкционных элементов.
Термическая обработка металлов позволяет обеспечить оптимальные механические характеристики материалов и добиться необходимых свойств, таких как твердость, пластичность, коррозионная устойчивость.
Процессы нормализации, закалки, отпуска и старения широко применяются в различных отраслях промышленности, повышая надежность и долговечность металлических изделий.
Преимущества термообработки
Термическая обработка металлов и сплавов применяется в различных областях промышленности благодаря многочисленным плюсам, которые она позволяет получить:
- Повышение твердости сплавов
Одним из главных преимуществ термообработки является возможность значительного увеличения прочностных характеристик металлов.
Например, закалка стали в сочетании с отпуском позволяет получить материал с высокой твердостью, способный выдерживать значительные нагрузки без пластической деформации. - Снижение хрупкости и увеличение ударной вязкости
Некоторые металлы после закалки приобретают излишнюю хрупкость. Проведение отпуска позволяет сбалансировать структуру, увеличить ударную вязкость и снизить риск разрушения. - Улучшение пластичности и обрабатываемости
Некоторые виды термообработки, такие как отжиг, позволяют смягчить металл, облегчая его последующую механическую обработку — резку, ковку, штамповку. Это особенно важно для материалов с высокой твердостью, таких как инструментальные стали и сплавы. - Снятие остаточных напряжений
После механической обработки, литья или сварки в металле могут оставаться внутренние напряжения. Они могут привести к деформациям или трещинам в процессе эксплуатации. Термическая обработка, помогает устранить эти остаточные напряжения и увеличить долговечность изделия. - Повышение износостойкости
Некоторые детали, например, шестерни, валы, подшипники, работают в условиях постоянного трения. Для повышения их износостойкости применяется цементация или азотирование. Такие способы термической обработки увеличивают твердость поверхностного слоя, сохраняя при этом вязкость сердцевины. - Улучшение коррозионной стойкости
Некоторые методы термообработки, такие как азотирование и хромирование, делают металл менее подверженным окислению и агрессивным средам. Это особенно важно для деталей, которые используются в химической промышленности и судостроении. - Оптимизация структуры металла
Термообработка позволяет контролировать внутреннюю микроструктуру материала, оказывая влияние на размер и форму зерен. Это играет важную роль в создании сплавов с определенными механическими и физическими характеристиками. - Продление срока службы изделий
Это преимущество особенно важно для конструкций, работающих под высоким давлением и нагрузками. Благодаря повышению прочности, твердости, износостойкости и устранению остаточных напряжений, термообработка значительно увеличивает срок службы металлов. - Возможность адаптации материала под различные эксплуатационные условия
В зависимости от требований к конечному изделию можно подобрать оптимальный метод термообработки, который обеспечит лучшие свойства металла для конкретных условий эксплуатации. - Стабильность размеров и формы
Это особенно важно для высокоточных деталей в авиационной и автомобильной промышленности. Термическая обработка может использоваться для стабилизации размеров и формы деталей, особенно после механической обработки или литья.
Этапы
Процесс термической обработки состоит из трех основных этапов: нагрева, выдержки и охлаждения. Каждый из них играет важную роль в формировании структуры металла и изменении его свойств.
Неправильное проведение одного из этапов может привести к дефектам, ухудшению механических характеристик или даже полному разрушению изделия. Поэтому соблюдение технологических параметров на каждой стадии термической обработки металлов и сплавов критически важно.
Нагрев
Это первый этап термообработки. Цель нагрева металла — инициировать изменения в микроструктуре материала, такие как растворение избыточных фаз, рекристаллизация или изменение формы зерен.
В зависимости от вида термической обработки температура нагрева может варьироваться от нескольких сотен до 1000 °C и более. Нужное значение определяется в зависимости от состава металла и требуемых свойств. Например, при закалке сталей температура нагрева должна быть выше критической точки, а при нормализации — незначительно превышать ее.
Медленный нагрев предотвращает термические напряжения, но в промышленных масштабах может замедлять процесс. Быстрый нагрев сокращает время обработки, но может привести к перегреву и нежелательным изменениям в структуре.
Для проведения процедуры используются газовые, электрические печи, индукционные нагреватели или специализированные вакуумные камеры. Нагрев в вакууме или в защитной среде (аргон, азот) предотвращает окисление и обезуглероживание поверхности.
Индукционный — применяется для быстрого локального нагрева деталей (например, перед поверхностной закалкой). Газопламенный — используется в кузнечной и сварочной обработке, а электрический — в термических печах с точным контролем температуры.
Выдержка
Это процесс удержания металла при заданной температуре в течение определенного времени. Продолжительность выдержки зависит от типа металла, его состава и размеров изделия.
Зачем нужна выдержка:
- Для равномерного прогрева всего объема детали.
- Для завершения фазовых превращений.
- Для удаления внутренних напряжений и выравнивания структуры металла.
Продолжительность выдержки:
- Для тонкостенных деталей — короткое время выдержки, так как материал прогревается быстро.
- Для массивных заготовок — длительная выдержка для достижения равномерности температуры по всему объему.
- Для сложнолегированных сталей — выдержка может быть увеличена, чтобы обеспечить растворение легирующих элементов в матрице.
При химико-термической обработке (цементации, азотировании) выдержка также обеспечивает насыщение поверхности неметаллическими или металлическими элементами, улучшая ее эксплуатационные характеристики.
Возможные ошибки:
- Недостаточная выдержка приводит к неравномерному прогреву, что может вызвать напряжения и микротрещины.
- Чрезмерная выдержка способствует росту зерна, снижая механические свойства металла (например, ударную вязкость).
Охлаждение
Это завершающий этап термической обработки, во время которого в структуре металла происходят ключевые изменения. От скорости охлаждения зависят такие свойства, как твердость, пластичность, прочность и ударная вязкость.
Методы охлаждения:
- Медленное охлаждение (отжиг) — позволяет устранить внутренние напряжения, способствует формированию равновесной структуры.
- Охлаждение на воздухе (нормализация) — приводит к измельчению зерна и улучшению механических характеристик.
- Быстрое охлаждение в воде или масле (закалка) — формирует твердую, но хрупкую структуру, требующую последующего отпуска.
- Ступенчатое охлаждение — применяется для снижения напряжений и контроля фазовых превращений.
- Криогенная обработка — дополнительное охлаждение до температур ниже 0 °C (например, в жидком азоте) для превращения остаточного аустенита в мартенсит.
Особенности охлаждающих сред:
- Вода — обеспечивает высокую скорость охлаждения, но повышает риск образования внутренних напряжений и растрескивания.
- Масло — замедляет охлаждение, снижает вероятность образования трещин.
- Воздух — применяется для мягкого охлаждения, предотвращает перегрев.
- Соли и расплавленные металлы — обеспечивают равномерное охлаждение с минимальными термическими напряжениями.
Ошибки на этапе охлаждения:
- Чрезмерно резкое охлаждение может привести к короблению, образованию трещин и внутренним напряжениям.
- Слишком медленное охлаждение может не дать желаемых механических характеристик.
- Неправильный выбор охлаждающей среды может привести к дефектам на поверхности изделия.
Где применяется обработка?
Термическая обработка широко применяется во многих отраслях промышленности, где требуется улучшение механических, физических и эксплуатационных характеристик металлов. Рассмотрим популярные области применения.
Машиностроение
Термообработка применяется для улучшения свойств деталей и механизмов, работающих в условиях высоких нагрузок, трения и вибраций.
Она позволяет решить следующие задачи:
- Повысить прочность и износостойкость шестерен, валов, подшипников и других движущихся частей.
- Повысить ударную вязкость осей, штоков, шатунов и соединительных элементов.
- Продлить срок службы инструмента, такого как сверла, фрезы, резцы, за счет термического упрочнения.
Авиационная и аэрокосмическая промышленность
Металлы и сплавы, используемые в авиационной и космической технике, должны обладать высокой прочностью, легкостью и устойчивостью к экстремальным температурам.
Термическая обработка позволяет:
- повысить прочность алюминиевых и титановых сплавов при сохранении малой массы;
- улучшить жаропрочность и усталостную стойкость компонентов авиационных двигателей;
- предотвратить усталостное разрушение элементов фюзеляжа, шасси и турбинных лопаток.
Судостроение
В этой сфере термообработка применяется для повышения коррозионной стойкости и прочности металлоконструкций, находящихся в агрессивной морской среде.
Автомобильная промышленность
С помощью термообработки металлов и сплавов удается упрочнить рамы и кузовные элементы для повышения безопасности и устойчивости к ударам. Повысить термостойкость выхлопных систем и других элементов, подвергающихся воздействию высоких температур.
Металлургия
В металлургической промышленности термообработка используется для получения заготовок с заданными свойствами перед их дальнейшей обработкой или применением.
Энергетика
В энергетической отрасли металлические конструкции и детали эксплуатируются при высоких температурах. Такие изделия нуждаются в улучшении жаропрочности и коррозионной стойкости. Повысить эксплуатационные характеристики помогает термическая обработка изделий.
Строительство
В этой отрасли термическая обработка используется для повышения прочности, долговечности и устойчивости металлоконструкций.
Применение:
- Закалка и отпуск арматурной стали для повышения ее прочности и пластичности.
- Термическое улучшение балок, колонн и каркасных элементов зданий и мостов.
- Улучшение износостойкости металлоконструкций, подверженных постоянным нагрузкам и внешним воздействиям.
Производство инструментов и быстрорежущего оборудования
Металлические инструменты и оборудование подвергаются высокой механической нагрузке. Чтобы предотвратить преждевременный износ изделий, используется термообработка.
Применение:
- Закалка сверл, фрез, ножей, пил для повышения их режущих свойств и срока службы.
- Азотирование и цементация инструментов для защиты их поверхностей от быстрого износа.
- Улучшение ударной вязкости и прочности молотков, зубил и прочего ударного инструмента.
Медицинская промышленность
В медицине применяются специальные сплавы, которые должны обладать высокой коррозионной стойкостью и биосовместимостью.
Применение:
- Термообработка медицинских инструментов (скальпели, щипцы, иглы) для улучшения их прочности и антикоррозионных свойств.
- Повышение прочности и биосовместимости титановых имплантов и протезов.
- Улучшение свойств нержавеющих сталей для оборудования операционных и стерилизационных приборов.
Термическая обработка металлов и сплавов используется в самых разных отраслях промышленности. От машиностроения и авиастроения до медицины и строительства — везде, где требуются высокопрочные, износостойкие и долговечные материалы.
Оптимальный выбор типа термической обработки позволяет повысить эксплуатационные характеристики металлов, продлить срок службы изделий и повысить их надежность.
Термообработка различных материалов
Термическая обработка применяется не только к стали, но и к другим металлам и сплавам, таким как чугун, алюминий, медь и титан.
В зависимости от состава и свойств материала выбирается соответствующий метод термообработки, позволяющий улучшить его эксплуатационные характеристики.
Термообработка сталей и чугунов
Методы обработки зависят от химического состава материалов и назначения изделий из них.
Основные виды термообработки сталей:
- Закалка — проводится для повышения твердости и прочности, обычно сопровождается последующим отпуском.
- Отжиг — снижает твердость и улучшает обрабатываемость.
- Нормализация — улучшает механические свойства и измельчает структуру.
- Цементация и азотирование — создают упрочненный поверхностный слой.
Особенности термообработки чугунов:
- Гомогенизационный отжиг — устраняет неоднородности структуры.
- Графитизирующий отжиг — применяется для высокопрочного чугуна.
- Закалка и отпуск — используются для упрочнения отдельных деталей.
Термообработка медных сплавов
Медь и ее сплавы (латунь и бронза) отличаются высокой теплопроводностью и коррозионной стойкостью, но имеют низкую твердость. Термообработка меди используется для улучшения механических свойств и снятия остаточных напряжений.
Основные виды термообработки медных сплавов:
- Отжиг — снижает твердость и увеличивает пластичность.
- Закалка с последующим старением — применяется для упрочнения некоторых бронз и латуней.
- Рекристаллизационный отжиг — устраняет наклеп, возникающий при холодной обработке.
Термообработка алюминия и титана
Алюминий и титан — легкие металлы с высокой прочностью, которые широко применяются в авиационной, космической и автомобильной промышленности. Их термообработка направлена на увеличение прочности, пластичности и коррозионной стойкости.
Основные методы термообработки алюминиевых сплавов:
- Закалка и старение — повышают твердость и прочность.
- Отжиг — снижает остаточные напряжения после деформации.
- Гомогенизация — улучшает однородность структуры.
Особенности термообработки титана:
- Отжиг — снижает хрупкость и улучшает коррозионную стойкость.
- Закалка с последующим старением — применяется для повышения прочности.
- Термомеханическая обработка — улучшает механические свойства при минимальном изменении массы изделия.
Заключение
Термическая обработка является одним из ключевых этапов производства металлических конструкций. Эта современная технология применяется во многих отраслях промышленности — от машиностроения и авиастроения до энергетики и медицины.
Она позволяет продлевать срок службы изделий из металла за счет улучшения их свойств — твердости, пластичности, коррозионной устойчивости и т. д.