Что такое термическая обработка? - Процесс и методы

Что такое термообработка?

Термическая обработка — это процесс нагревания и охлаждения металлов с использованием заранее определенных методов для получения желаемых свойств. Как черные, так и цветные металлы проходят термическую обработку перед использованием.

Со временем было разработано множество различных методов. Даже сегодня металлурги постоянно работают над улучшением результатов и экономической эффективности этих процессов. Для этого они разрабатывают новые графики или циклы для производства различных сортов. Каждый график относится к разной скорости нагрева, выдержки и охлаждения металла.

Эти методы, если следовать им скрупулезно, могут производить металлы различных стандартов с удивительно специфическими физическими и химическими свойствами.

Преимущества термообработки

Существуют различные причины для проведения термической обработки. Некоторые процедуры делают металл мягким, а другие повышают твердость. Они также могут влиять на электрическую и теплопроводность этих материалов.

Некоторые методы термической обработки снимают напряжения, возникающие в более ранних процессах холодной обработки давлением. Другие придают металлам желаемые химические свойства. Выбор идеального метода действительно зависит от типа металла и требуемых свойств.

В некоторых случаях металлическая деталь может пройти несколько процедур термообработки. Например, некоторые суперсплавы, используемые в авиационной промышленности, могут подвергаться до шести различных этапов термообработки, чтобы оптимизировать их для конкретного применения.

Этапы процесса термообработки

Проще говоря, термическая обработка — это процесс нагревания металла, выдержки его при этой температуре, а затем обратного охлаждения. В процессе металлическая деталь будет претерпевать изменения в своих механических свойствах. Это связано с тем, что высокая температура изменяет микроструктуру металла. А микроструктура играет важную роль в механических свойствах материала.

Окончательный результат зависит от множества различных факторов. К ним относятся время нагрева, время выдержки металлической детали при определенной температуре, скорость охлаждения, окружающие условия и т. д. Параметры зависят от метода термообработки, типа металла и размеров детали.

В ходе этого процесса свойства металла будут меняться. Среди этих свойств — электрическое сопротивление, магнетизм, твердость, ударная вязкость, пластичность, хрупкость и коррозионная стойкость.

1. Отопление

Как мы уже обсуждали, микроструктура сплавов будет изменяться при термообработке. Нагрев осуществляется по заданному тепловому профилю.

Сплав может находиться в одном из трех различных состояний при нагревании. Это может быть механическая смесь, твердый раствор или их комбинация.

Механическая смесь аналогична бетонной смеси, в которой цемент связывает песок и гравий. Песок и гравий все еще видны как отдельные частицы. В металлических сплавах механическая смесь удерживается основным металлом.

С другой стороны, в твердом растворе все компоненты смешаны гомогенно. Это означает, что их невозможно идентифицировать по отдельности даже под микроскопом.

Каждое состояние приносит с собой различные качества. Возможно изменение состояния путем нагрева по фазовой диаграмме. Однако охлаждение определяет окончательный результат. Сплав может оказаться в одном из трех состояний, в зависимости исключительно от метода.

2. Удержание

На стадии выдержки или выдержки металл выдерживается при достигнутой температуре. Продолжительность зависит от требований.

Например, поверхностное упрочнение требует только структурных изменений поверхности металла для увеличения поверхностной твердости. В то же время другие методы нуждаются в единообразных свойствах. В этом случае период удержания больше.

Время замачивания также зависит от типа материала и размера детали. Для более крупных деталей требуется больше времени, когда целью являются однородные свойства. Просто сердцевине большой детали требуется больше времени, чтобы достичь необходимой температуры.

3. Охлаждение

После завершения этапа пропитки металл необходимо охладить в установленном порядке. На этом этапе также происходят структурные изменения. Твердый раствор при охлаждении может остаться прежним, полностью или частично превратиться в механическую смесь, в зависимости от различных факторов.

Различные среды, такие как рассол, вода, масло или принудительный воздух, регулируют скорость охлаждения. Последовательность названных выше охлаждающих сред находится в порядке убывания эффективной скорости охлаждения. Рассол поглощает тепло быстрее всего, а воздух — медленнее.

Также возможно использование печей в процессе охлаждения. Контролируемая среда обеспечивает высокую точность, когда необходимо медленное охлаждение.

Методы термической обработки

Существует довольно много методов термообработки на выбор. Каждый из них обладает определенными качествами.

К наиболее распространенным методам термообработки относятся:

• Отжиг
• Нормализация
• Укрепление
• Старение
• Снятие стресса
• Закалка
• Науглероживание

1. Отжиг

При отжиге металл нагревается выше верхней критической температуры, а затем медленно охлаждается.

Отжиг проводят для размягчения металла. Это делает металл более подходящим для холодной обработки и формовки. Это также повышает обрабатываемость металла, пластичность и ударную вязкость.

Отжиг также полезен для снятия напряжений в детали, вызванных предшествующими процессами холодной обработки. Имеющиеся пластические деформации устраняются во время рекристаллизации, когда температура металла пересекает верхнюю критическую температуру.

Металлы могут подвергаться множеству методов отжига, таких как рекристаллизационный отжиг, полный отжиг, частичный отжиг и окончательный отжиг.

2. Нормализация

Нормализация – это процесс термической обработки, используемый для снятия внутренних напряжений, вызванных такими процессами, как сварка, литье или закалка.

В этом процессе металл нагревается до температуры, которая на 40°C выше его верхней критической температуры.

Эта температура выше, чем при закалке или отжиге. После выдержки его при этой температуре в течение назначенного периода времени его охлаждают на воздухе. Нормализация создает одинаковый размер и состав зерна по всей детали.

Нормализованная сталь тверже и прочнее отожженной стали. На самом деле, в нормализованном виде сталь прочнее, чем в любом другом состоянии. Вот почему детали, которые требуют ударной прочности или должны выдерживать большие внешние нагрузки, почти всегда будут нормализованы.

3. Укрепление

Наиболее распространенный процесс термической обработки, закалка используется для повышения твердости металла. В некоторых случаях может быть закалена только поверхность.

Заготовку закаляют, нагревая ее до заданной температуры, а затем быстро охлаждая, погружая в охлаждающую среду. Можно использовать масло, рассол или воду. Получившаяся деталь будет иметь повышенную твердость и прочность, но одновременно увеличивается и хрупкость.

Цементная закалка — это тип процесса закалки, при котором закаливается только внешний слой заготовки. Используемый процесс тот же, но поскольку этому процессу подвергается тонкий внешний слой, полученная заготовка имеет твердый внешний слой, но более мягкую сердцевину.

Это обычное дело для валов. Твердый внешний слой защищает его от износа материала. В противном случае при установке подшипника на вал он может повредить поверхность и сместить некоторые частицы, что ускорит процесс износа. Закаленная поверхность обеспечивает защиту от этого, а сердцевина по-прежнему обладает необходимыми свойствами, чтобы выдерживать усталостные напряжения.

4. Старение

Старение или дисперсионное твердение — это метод термической обработки, в основном используемый для повышения предела текучести ковких металлов. В результате этого процесса образуются равномерно распределенные частицы в зернистой структуре металла, что приводит к изменению свойств.

Дисперсионное твердение обычно происходит после другого процесса термической обработки, при котором достигаются более высокие температуры. Старение, однако, только повышает температуру до среднего уровня и снова быстро снижает ее.

Некоторые материалы могут стареть естественным образом (при комнатной температуре), тогда как другие стареют только искусственно, то есть при повышенных температурах. Естественно стареющие материалы удобно хранить при более низких температурах.

5. Снятие стресса

Снятие напряжения особенно характерно для деталей котлов, баллонов с воздухом, аккумуляторов и т. д. Этот метод доводит металл до температуры чуть ниже его нижней критической границы. Процесс охлаждения медленный и поэтому равномерный.

Это делается для снятия напряжений, накопившихся в деталях из-за более ранних процессов, таких как формовка, механическая обработка, прокатка или правка.

6. Закалка

Отпуск — это процесс снижения избыточной твердости и, следовательно, хрупкости, возникающей в процессе закалки. Также снимается внутреннее напряжение. Прохождение этого процесса может сделать металл пригодным для многих применений, требующих таких свойств.

Температуры обычно намного ниже температур закалки. Чем выше используемая температура, тем мягче становится конечная заготовка. Скорость охлаждения не влияет на структуру металла при отпуске и обычно металл охлаждается в неподвижном воздухе.

7. Науглероживание

В этом процессе термообработки металл нагревается в присутствии другого материала, который при разложении выделяет углерод.

Выделившийся углерод поглощается поверхностью металла. Содержание углерода в поверхности увеличивается, что делает ее более твердой, чем внутреннее ядро.

Какие металлы подходят для термообработки?

Хотя черные металлы составляют большую часть термообрабатываемых материалов, сплавы меди, магния, алюминия, никеля, латуни и титана также могут подвергаться термообработке.

Около 80% термически обработанных металлов составляют различные марки стали. Черные металлы, которые можно подвергать термической обработке, включают чугун, нержавеющую сталь и различные марки инструментальной стали.

Такие процессы, как закалка, отжиг, нормализация, снятие напряжения, поверхностная закалка, азотирование и отпуск, обычно выполняются на черных металлах.

Медь и медные сплавы подвергаются таким методам термической обработки, как отжиг, старение и закалка.

Алюминий подходит для таких методов термообработки, как отжиг, термообработка на твердый раствор, естественное и искусственное старение. Термическая обработка алюминия является точным процессом. Объем процесса должен быть установлен, и его следует тщательно контролировать на каждом этапе для достижения желаемых характеристик.

Очевидно, что не все материалы пригодны для форм термической обработки. Точно так же один материал не обязательно будет полезен для каждого метода. Поэтому каждый материал следует изучать отдельно для достижения желаемого результата. Использование фазовых диаграмм и доступной информации о влиянии вышеупомянутых методов является отправной точкой.

Часто задаваемые вопросы.

Что такое термическая обработка?

Термическая обработка — это процесс нагревания металла, не позволяя ему достичь стадии расплавления или плавления, а затем контролируемого охлаждения металла для выбора желаемых механических свойств. Термическая обработка используется, чтобы сделать металл более прочным или более ковким, более устойчивым к истиранию или более пластичным.

Что такое примеры термообработки?

Например, автомобильные отливки из алюминиевого сплава подвергаются термообработке для повышения твердости и прочности; изделия из латуни и бронзы проходят термообработку для повышения прочности и предотвращения растрескивания; конструкции из титанового сплава подвергаются термообработке для повышения прочности при высоких температурах.

Какие существуют два типа термообработки?

Ниже приведены различные типы процессов термообработки:

• Отжиг.
• Нормализация.
• укрепление.
• Закалка.
• Азотирование.
• Цианирование.
• Индукционная закалка.
• Закалка пламенем.

Почему мы проводим термообработку?

Термическая обработка имеет много преимуществ, в том числе она может изменить физические (механические) свойства материала и помогает на других этапах производства. Он снимает напряжение, облегчая обработку детали или сварку. Повышает прочность, делая материал пластичным или более гибким.

Сколько существует видов термической обработки?

В этом посте мы рассмотрим четыре основных типа термической обработки стали, которым сегодня подвергаются:отжиг, нормализация, закалка и отпуск.

Каковы 3 этапа процесса термообработки?

Этапы термической обработки

• Этап нагрева.
• Этап замачивания.
• Стадия охлаждения.

Каковы пять основных процессов термообработки?

К методам термической обработки относятся отжиг, цементация, дисперсионное упрочнение, отпуск, науглероживание, нормализация и закалка.

Как работает термообработка?

Проще говоря, термическая обработка — это процесс нагревания металла, выдержки его при этой температуре, а затем обратного охлаждения. В процессе металлическая деталь будет претерпевать изменения в своих механических свойствах. Это связано с тем, что высокая температура изменяет микроструктуру металла.

Что такое закалка и отпуск?

Закалка и отпуск — это процессы, которые упрочняют такие материалы, как сталь и другие сплавы на основе железа. Эти процессы упрочняют сплавы путем нагревания материала при одновременном охлаждении в воде, масле, нагнетаемом воздухе или газах, таких как азот.

Что такое сталь и сплав?

По сути, сталь представляет собой сплав железа с небольшим содержанием углерода. Существуют тысячи различных типов стали, созданных для различных применений. Их можно разделить на четыре типа:углеродистая сталь, инструментальная сталь, нержавеющая сталь и легированная сталь.

Что такое отжиг при термообработке?

отжиг, обработка металла или сплава путем нагревания до заданной температуры, выдержки в течение определенного времени, а затем охлаждения до комнатной температуры для повышения пластичности и снижения хрупкости.

Каковы преимущества закалки?

Закалка помогает снять напряжение, облегчая сварку или обработку металла. Повышает прочность, делая материал более гибким и пластичным. Повышает твердость и придает износостойкие свойства поверхности или всему металлу.

Какие бывают виды отжига?

Некоторые из различных типов процесса отжига:

• Полный отжиг . При использовании этого метода стальные детали нагреваются до тех пор, пока их температура не станет примерно на 30 °C выше их критической температуры трансформации.
• Изотермический отжиг.
• Сферический отжиг.
• Рекристаллизационный отжиг.
• Диффузионный отжиг.

Вы нормализуете перед термообработкой?

Обзор процесса нормализации. Нормализующая термическая обработка способствует удалению примесей, повышению пластичности и ударной вязкости. В процессе нормализации материал нагревается до 750–980 °C (1320–1796 °F).

Какова основная цель отжига?

Основные преимущества отжига заключаются в том, как этот процесс улучшает обрабатываемость материала, повышает ударную вязкость, снижает твердость, повышает пластичность и обрабатываемость металла.

Что такое время выдержки при термической обработке?

Время выдержки — это время, в течение которого сталь выдерживается при желаемой температуре, которая в данном случае составляет 1500 градусов по Фаренгейту. По истечении времени замачивания очень быстро, но осторожно достаньте образец щипцами.

Какова цель усиления?

Закалка — это металлургический процесс металлообработки, используемый для повышения твердости металла. Твердость металла прямо пропорциональна одноосному пределу текучести в месте приложенной деформации.

Ослабляет ли нагрев металла его?

Это простое действие, если его нагреть до точного температурного диапазона, может создать более чистый и твердый металл. Его часто используют для создания стали, которая прочнее, чем отжиг металла, но при этом создает менее пластичный продукт. Итак, тепло действительно может сделать металл слабее.

В чем разница между отпуском и закалкой?

Закалка или закалка – это процесс повышения твердости металла. Закалка — это процесс нагревания вещества до температуры ниже его критической температуры, выдержки и последующего охлаждения.

Что произойдет, если вы закалите сталь?

При достаточно высокой температуре и достаточном времени сталь будет мягче, чем если бы вы вообще не закаливали ее, а просто дали ей медленно остыть. Таким образом, в зависимости от вашей цели, вы можете полностью перекалить лезвие. Это сделает лезвие более мягким, но и менее ломким.

Почему после закалки обязателен отпуск?

Отпуск стали обязателен после закалки. Это просто потому, что была создана новая фаза, которая является мартенситом. Помните, что необходимо перейти в аустенитную фазу, прежде чем можно будет создать мартенсит.

Почему после закалки требуется отпуск?

После закалки металл находится в очень твердом состоянии, но хрупкий. Сталь закаляется, чтобы уменьшить часть твердости и повысить пластичность. Он нагревается в течение заданного периода времени при температуре от 400°F до 1105°F.

Сплавом чего является латунь?

латунь, сплав меди и цинка, имеющий историческое и непреходящее значение благодаря своей твердости и обрабатываемости.

Что такое процесс укрепления?

Процесс закалки состоит из нагрева компонентов выше критической (нормализующей) температуры, выдержки при этой температуре в течение одного часа на дюйм толщины, охлаждения со скоростью, достаточной для того, чтобы материал превратился в гораздо более твердую и прочную структуру, а затем отпуска. .

Почему требуется индукционная закалка?

Индукционная закалка — это процесс термической обработки, проводимый для улучшения механических свойств в локализованной области железного компонента. Образовавшаяся закаленная зона улучшает износостойкость и сопротивление усталости, а также прочностные характеристики.

Какие материалы можно упрочнять пламенем?

Пламенной закалке подвергаются детали из низкоуглеродистой, легированной, среднеуглеродистой стали и чугуна. Как следует из названия, при закалке пламенем используется прямое тепло кислородно-газового пламени.

Как вы проводите закалку?

Отпуск обычно выполняется после закалки, чтобы уменьшить часть избыточной твердости, и осуществляется путем нагревания металла до температуры ниже критической точки в течение определенного периода времени, а затем позволяет ему остыть на воздухе.