Тепловые обработки металлов: процессы, цели и классификация

Тепловая обработка — комплекс нагрева и охлаждения металла для изменения физико-механических свойств. Используется для гомogeneизации литых сплавов, изменения микроструктуры, достижения заданных свойств. Выполняется в печах с контролем атмосферы (защита от окисления). Безопасность — приоритет из-за высоких температур.

Цели тепловой обработки

• Итончение зерна.
• Повышение резаемости.
• Устранение остаточных внутренних напряжений.
• Удаление газов, ломкостящих сталь.
• Изменение поверхностного состава диффузией.
• Получение заданных механических/физических/химических свойств.
• Размягчение закаленной стали.

Параметры, влияющие на свойства

1. Атмосфера
2. Поверхностное покрытие
3. Поверхностная диффузия
4. Охлаждение
5. Нагрев
6. Деформация (работа)
7. Время

Классификация видов тепловой обработки

Общие (базовые) виды

1. Гомогенизация
2. Отжиг
3. Нормализация

Поверхностные (химико-термические) — изменение химии поверхности

1. цементация
2. азотирование
3. цианнирование (карбонитрирование)
4. нитрокарбонирование (ферритное нитрокарбонирование)

Структурные (термические) — изменение фазовой структуры

1. Закалка
2. Отпуск
3. Индукционная закалка

Специальные

1. Синтерирование (в порошковой металлургии)

Описание основных процессов

Общие виды

Гомогенизация — выравнивание температуры по объему перед основной обработкой, устранение литературы (неравномерности состава).

Отжиг — нагрев выше критической точки (для стали >727°C), выдержка, медленное охлаждение (с печью). Цель: повышение вязкости, снижение твердости, уменьшение дислокаций. Этапы: восстановление, рекристаллизация, рост зерна.

Нормализация — нагрев выше 910°C (аустенитизация), охлаждение на воздухе. Тонкоперлитная структура, хорошая твердость и вязкость. Для ферристых металлов — улучшение механических свойств.

Поверхностные виды

Цементация — насыщение поверхности углеродом (низкоуглеродистая сталь) при высокой температуре в углеродоносной среде. Методы: в угле (порошковая), газовая, вакуумная, жидкофазная. После цементации — закалка + низкотемпературный отпуск. Преимущества: для простых и сложных деталей, высокая поверхностная твердость, износостойкость, устойчивость к усталости.

Азотирование — диффузия азота в поверхность (сталь) при 600°C. Методы: газовое (диссоциация NH₃) и плазменное (ионы азота). Не требует закалки, малые деформации, высокая твердость корпуса, износо- и коррозийностойкость, усталостная прочность.

Карбонитрирование (цианнирование) — одновременная диффузия C и N. Температура ниже цементации → меньше деформаций. 0,5–0,8% C, 0,2–0,4% N. Закалка в масле. Преимущества: высокая твердость и износостойкость, +30–100% усталостная прочность, хороша для высоких температур.

Ферритное нитрокарбонирование — ниже критической температуры (650°C), структура остается ферритной. Твердый износостойкий корпус на сталях низких марок.

Структурные виды

Закалка — нагрев выше АС₃/АС₁, быстрый охлаждение (вода, масло, воздух). Повышает твердость и прочность, но увеличивает ломкость.

Отпуск — нагрев закаленной стали до температуры ниже закальной, охлаждение на воздухе. Снятие внутренних напряжений, снижение ломкости при сохранении твердости.

Индукционная закалка — поверхностная закалка ВЧ-индуктором (медная катушка с водяным охлаждением). Ядро остается мягким. Закалка до заданной глубины, затем закалка в масле/среде.

Синтерирование

Нагрев порошкового прессовка ниже температуры плавления. Снижение пористости, повышение прочности, твердости, теплопроводности.

Правильный выбор режима тепловой обработки — основа получения деталей с заданными эксплуатационными свойствами.