Термическая обработка металлов: процессы, методы и преимущества

Что такое термическая обработка?

Термическая обработка — процесс нагрева и охлаждения металлов по заранее определенным режимам для получения требуемых свойств. И ферристые, и неферристые металлы проходят термическую обработку перед использованием.

Со временем разработано множество методов. Сегодня металлурги постоянно работают над улучшением результатов и стоимостной эффективности, разрабатывая новые режимы или циклы для получения различных марок. Каждый режим — своя скорость нагрева, выдержки и охлаждения.

При строгом соблюдении эти методы дают металлы разных стандартов с удивительно специфическими физическими и химическими свойствами.

Преимущества термической обработки

Причин много. Некоторые методы смягчают металл, другие — повышают твердость. Также влияют на электрическую и тепловую проводимость.

Некоторые методы снимают остаточные напряжения от холодной деформации. Другие развивают желаемые химические свойства. Выбор идеального метода зависит от типа металла и требуемых свойств.

Иногда деталь проходит несколько термообработок. Например, некоторые никелевые суперсплавы в авиации проходят до шести различных этапов для оптимизации под применение.

Этапы процесса термической обработки

Простыми словами: нагрев металла, выдержка при температуре, затем охлаждение. В процессе деталь меняет механические свойства, так как высокая температура изменяет микроструктуру. Микроструктура ключева для механических свойств.

Итог зависит от множества факторов: времени нагрева, времени выдержки, скорости охлаждения, окружающих условий. Параметры зависят от метода, типа металла, размера детали.

В процессе меняются: электрическое сопротивление, магнитность, твердость, вязкость, пластичность, хрупкость, коррозионная стойкость.

1. Нагрев

Микроструктура сплавов меняется при нагреве. Нагрев ведется по заданному термическому профилю.

Сплав при нагреве может находиться в одном из трех состояний: механическая смесь, твердый раствор или комбинация обоих.

Механическая смесь аналогична бетону: цемент связывает песок и щебень, они видны как отдельные частицы. В металлических сплавах базовое металл связывает механическую смесь.

В твердом растворе все компоненты смешаны гомогенно — неотличимы даже под микроскопом.

Каждое состояние дает разные свойства. Можно менять состояние нагревом согласно фазовой диаграмме. Но охлаждение определяет финальный результат. Сплав может закончиться в одном из трех состояний в зависимости от метода.

2. Выдержка (пропускание)

На стадии выдержки металл держат на достигнутой температуре. Длительность зависит от требований.

Например, цементация требует структурных изменений только на поверхности для повышения твердости. Другие методы нуждаются в равномерных свойствах — тогда выдержка дольше.

Время выдержки также зависит от материала и размера детали. Крупные детали требуют больше времени для равномерных свойств — ядру крупной детали дольше нагреться.

3. Охлаждение

После выдержки металл охлаждают заданным образом. На этом этапе тоже происходят структурные изменения. Твердый раствор при охлаждении может остаться прежним, стать механической смесью полностью или частично — в зависимости от факторов.

Разные среды (раствор соли, вода, масло, принудительный воздух) контролируют скорость охлаждения. Последовательность выше — по убыванию эффективности: раствор соли отбирает тепло быстрее, воздух — медленнее.

Можно использовать печи для охлаждения. Контролируемая среда дает высокую точность при медленном охлаждении.

Методы термической обработки

Существует несколько техник. Каждая дает свои качества.

Наиболее распространенные методы:

• Отжиг
• Нормализация
• Закалка
• Старение (выстаивание)
• Снятие напряжений
• Отпуск
• Цементация

1. Отжиг

Металл нагревают выше верхней критической температуры и медленно охлаждают.

Цель — смягчить металл. Делает его более пригодным для холодной деформации и формовки. Повышает обрабатываемость на станках, пластичность и вязкость.

Также полезен для снятия напряжений от предыдущей холодной деформации. Пластические деформации удаляются при рекристаллизации при переходе верхней критической температуры.

Существует множество видов отжига: рекристаллизационный, полный, частичный, финальный.

2. Нормализация

Процесс для снятия внутренних напряжений от сварки, литья, закалки.

Металл нагревают на 40 °C выше верхней критической температуры — выше, чем для закалки или отжига. После выдержки охлаждают на воздухе. Нормализация создает равномерный размер зерна и состав по всей детали.

Нормализованные стали тверже и прочнее отжиженных. В нормализованном состоянии сталь вязче, чем в любом другом. Поэтому детали, требующие ударной вязкости или выдерживающие массивные нагрузки, почти всегда нормализуют.

3. Закалка

Самый частый метод — повышение твердости металла. Иногда закаляют только поверхность.

Деталь нагревают до заданной температуры, затем быстро охлаждают погружением в охлаждающую среду. Масло, раствор соли или вода. Результат: повышенная твердость и прочность, но одновременно растет хрупкость.

Цементация (закалка поверхности) — только внешний слой закаляется. Процесс тот же, но тонкий внешний слой подвергается воздействию, в результате — твердая поверхность, мягкое ядро.

Распространено для валов. Твердая поверхность защищает от износа. При насадке подшипника на вал может повредить поверхность и выбить частицы, ускоряющие износ. Закаленная поверхность защищает, а ядро сохраняет свойства для усталостных напряжений.

4. Старение (выстаивание / упрочнение высачиванием)

Метод в основном для повышения предела текучести ковких металлов. Процесс создает равномерно распределенные частицы в зернистой структуре металла, меняющие свойства.

Старение обычно идет после другой термообработки с более высокими температурами. Старение только поднимает температуру до средних уровней и быстро снижает снова.

Некоторые материалы стареют естественно (при комнатной температуре), другие — только искусственно, при нагреве. Для естественного старения удобно хранить при пониженных температурах.

5. Снятие напряжений

Особенно часта для деталей котлов, воздушных баллонов, аккумуляторов. Нагрев до температуры чуть ниже нижней критической границы. Охлаждение медленное, поэтому равномерное.

Цель — снять напряжения, накопленные от формовки, обработки, прокатки, выпрямления.

6. Отпуск

Процесс снижения избыточной твердости и хрупкости, возникшей при закалке. Внутренние напряжения тоже снимаются. Делает металл пригодным для применений, требующих таких свойств.

Температуры намного ниже закалочных. Чем выше температура, тем мягче итоговая деталь. Скорость охлаждения не влияет на структуру при отпуске — обычно охлаждают в неподвижном воздухе.

7. Цементация

Металл нагревают в присутствии другого материала, выделяющего углерод при разложении.

Выделенный углерод впитывается в поверхность металла. Углеродистое содержание поверхности растет, делая ее тверже внутреннего ядра.

Какие металлы подходят для термической обработки?

Хотя ферристые металлы составляют большинство термообрабатываемых материалов, сплавы меди, магния, алюминия, никеля, латуни, титана также термообрабатывают.

~80% термообрабатываемых металлов — разные марки стали. Ферристые: чугун, нержавеющая сталь, разные марки инструментальной стали.

Закалка, отжиг, нормализация, снятие напряжений, цементация, нитрирование, отпуск — обычно для ферристых металлов.

Медь и медь сплавы: отжиг, старение, закалка.

Алюминий: отжиг, термическая обработка растворением, естественное и искусственное старение. Термообработка алюминия — точностный процесс. Область процесса должна быть установлена и тщательно контролироваться на каждом этапе для нужных характеристик.

Очевидно, не все материалы подходят для всех видов термообработки. Один материал не обязательно выиграет от каждого метода. Поэтому каждый материал изучают отдельно для получения результата. Фазовые диаграммы и информация об эффектах методов — отправная точка.

Часто задаваемые вопросы

Что такое термическая обработка?

Процесс нагрева металла без достижения плавления, затем контролируемого охлаждения для выбора желаемых механических свойств. Используется для усиления металла или повышения ковкости, износостойкости, пластичности.

Примеры термической обработки?

Алюминиевые автолитья термообрабатывают для повышения твердости и прочности; латунь и бронза — для прочности и предотвращения трещин; титановые сплавы — для прочности при высоких температурах.

Каковы два типа термической обработки?

Различные типы процессов:

• Отжиг
• Нормализация
• Закалка
• Отпуск
• Нитрирование
• Цианирование
• Индукционная закалка
• Пламенная закалка

Зачем термическая обработка?

Много преимуществ: меняет физические (механические) свойства, помогает в других этапах производства. Снимает напряжения — деталь легче обрабатывать или сваривать. Повышает прочность, делая материал более ковким или гибким.

Сколько типов термической обработки существует?

В этом обзоре рассмотрены четыре базовых типа для стали: отжиг, нормализация, закалка, отпуск.

Каковы 3 этапа процесса термической обработки?

• Стадия нагрева
• Стадия выдержки
• Стадия охлаждения

Каковы пять базовых процессов термической обработки?

Техники: отжиг, цементация, упрочнение высачиванием, отпуск, нормализация, закалка.

Как работает термическая обработка?

Простыми словами: нагрев металла, выдержка при температуре, охлаждение. Деталь меняет механические свойства, так как высокая температура изменяет микроструктуру.

Что такое закалка и отпуск?

Процессы усиления сталей и других железных сплавов. Укрепляют сплавы нагревом с одновременным охлаждением в воде, масле, принудительном воздухе или газах (азот).

Из чего состоит сталь?

Фундаментально — сплав железа с малым содержанием углерода. Тысячи марок для разных применений. Обобщенно: углеродистая, инструментальная, нержавеющая, легированная сталь.

Что такое отжиг в термической обработке?

Обработка металла или сплава нагревом до заданной температуры, выдержкой и охлаждением до комнатной температуры для повышения пластичности и снижения хрупкости.

Преимущества отпуска?

Снимает напряжения — металл легче сваривать или обрабатывать. Повышает прочность, делая материал более гибким и пластичным. Повышает твердость и вводит износостойкие свойства на поверхности или через весь металл.

Виды отжига?

• Полный отжиг. Детали нагревают на ~30 °C выше критической трансформационной температуры.
• Изотермический отжиг.
• Сфероидизирующий отжиг.
• Рекристаллизационный отжиг.
• Диффузионный отжиг.

Нормализуют ли перед термической обработкой?

Обзор нормализации. Помогает удалить примеси, улучшить пластичность и вязкость. При нормализации материал нагревают до 750–980 °C (1320–1796 °F).

Главная цель отжига?

Преимущества: улучшает технологичность материала, повышает вязкость, снижает твердость, повышает пластичность и обрабатываемость.

Что такое время выдержки в термической обработке?

Время выдержки — время удержания стали при нужной температуре (в примере 1500 °F). По окончании быстро, но осторожно извлекают образец клещами.

Цель закалки?

Металлургический процесс повышения твердости металла. Твердость прямо пропорциональна безосевой напряженности текучести в точке наложенной деформации.

Ослабляет ли нагрев металл?

Если нагреть до точного температурного диапазона, можно получить более чистый, твердый металл. Часто для создания стали прочнее отжига, но менее ковкой. Так что нагрев может сделать металл слабее.

В чем разница между отпуском и закалкой?

Закалка — повышение твердости. Отпуск — нагрев ниже критического диапазона, выдержка, охлаждение.

Что если переотпустить сталь?

При достаточно высокой температуре и долгой выдержке сталь станет мягче, чем если не закаливать вовсе и просто медленно охладить. Можно абсолютно переотпустить лезвие — станет мягче, но менее хрупким.

Почему отпуск обязателен после закалки?

Обязательно отпускать сталь после закалки. Новая фаза — мартенсит. Необходимо пройти аустенитную фазу перед образованием мартенсита.

Зачем отпуск после закалки?

После закалки металл очень тверд, но хрупок. Отпуск снижает твердость и повышает пластичность. Нагревают заданное время при температуре 200–600 °C (400–1105 °F).

Из чего латунь?

Сплав меди и цинка, исторически и навсегда важный благодаря твердости и обрабатываемости.

Какой процесс закалки?

Нагрев выше критической (нормализационной) температуры, выдержка 1 час на дюйм толщины, охлаждение со скоростью, достаточной для превращения в более твердую, прочную структуру, затем отпуск.

Зачем индукционная закалка?

Термическая обработка для улучшения механических свойств в локальной зоне ферристой детали. Закаленная зона улучшает износостойкость, усталостную прочность и силовую характеристику.

Какие материалы можно пламенно закалить?

Пламенная закалка: мягкая сталь, легированные стали, среднеуглеродистые стали, чугун. Использует прямой нагрев оксигазовым пламенем.

Как проводить процесс отпуска?

Обычно после закалки для снижения избыточной твердости: нагрев металла до температуры ниже критической на определенное время, затем охлаждение в неподвижном воздухе.