Тепловая обработка CNC-деталей: повышение прочности, твердости и производительности

Существует много способов изменить свойства металлов и их реакцию на прецизионную обработку. Один из них — термическая обработка. Тепловая обработка влияет на множество аспектов металлов: прочность, твердость, вязкость, технологичность, формовочность, пластичность и эластичность. Также затрагивает физические и механические свойства, меняя применение металла или его будущую обработку. Изменения происходят из-за трансформаций микроструктуры и иногда химического состава.

Здесь мы подробно изучаем наиболее часто применяемые термические обработки металлических сплавов в CNC-обработке и как они влияют на детали прецизионной обработки.

Что такое термическая обработка?

Многие стандартные CNC-производственные объекты используют термическую обработку. Производители могут менять прочность, пластичность и коррозионную стойкость готовых компонентов, выбирая включение термических процессов.

Эти обработки включают нагрев металлического сплава до (обычно) экстремальной температуры и затем охлаждение в контролируемых условиях для изменения физического состояния или механических свойств материала. Температура нагрева, время выдержки и скорость охлаждения сильно влияют на конечные физические свойства сплава.

Часть проектирования и инженерии — определить требуемые физические свойства детали и выбрать лучший металл. Термическая обработка сплавов до или после обработки может существенно улучшить ключевые физические свойства. Тепловая обработка повышает твердость, прочность или технологичность металла.

Виды термической обработки

Отжиг (Annealing)

Отжиг — термический процесс, при котором материал нагревают до критической температуры, затем медленно охлаждают. Процесс меняет физическую структуру, делая материал мягче и более пластичным.

Отжиг — метод, при котором металл (алюминий, медь, сталь, серебро, латунь) нагревают до определенной температуры, выдерживают для превращения, затем охлаждают на воздухе. Процесс повышает пластичность и снижает твердость, делая металл легче обрабатываемым. Медь, серебро, латунь можно охлаждать быстро или медленно, а черные металлы (сталь) должны всегда постепенно охлаждаться для отжига.

Отжиг обычно делают после формирования всех металлических сплавов и до дальнейшей обработки для размягчения и улучшения технологичности, чтобы более твердые материалы не трескались или не ломались. Если другая термическая обработка не указана, большинство CNC-деталей имеют свойства в отожженном состоянии.

Отпуск (Tempering)

Отпуск также нагревает детали при температуре ниже отжига, обычно после закалки мягких сталей (1045, A36) и легированных сталей (4140, 4240). Отпуск меняет твердость, пластичность и прочность, обычно делая их легче обрабатываемыми. Металл нагревают ниже критической точки, так как более низкая температура снижает хрупкость, сохраняя твердость.

Снятие напряжений (Stress relieving)

Снятие напряжений включает нагрев детали до высокой температуры (но ниже отжига), затем медленное охлаждение. Обычно после CNC-обработки для устранения остаточных напряжений, возникших при производстве. Таким образом получают детали с более согласованными механическими свойствами.

Устранение напряжений — необходимое условие для удаления внутренних напряжений материала от предыдущих производственных процессов. Без снятия напряжений детали могут треснуть или выйти за допуски в эксплуатации, приводя к поломке.

Закалка (Quenching)

Закалка включает нагрев металла до очень высокой температуры и последующее быстрое охлаждение. Обычно материал погружают в масло или воду или обдувают холодным воздухом. Но в зависимости от требуемых механических свойств иногда используют полимеры или соли. Быстрое охлаждение «замораживает» микроструктурные изменения, возникающие при нагреве, давая очень высокую твердость детали.

Детали обычно закаливают после CNC-обработки как последний этап производства для достижения высокой поверхностной твердости. Затем отпуск используется для контроля полученной твердости. Например, твердость инструментальной стали А2 после закалки 63–65 HRC, но отпуском можно получить 42–62 HRC. Отпуск снижает хрупкость, продлевая срок службы (оптимально 56–58 HRC).

Цементация / Направленное упрочнение (Case Hardening)

Цементация — серия термических обработок, дающая высокую поверхностную твердость при сохранении мягкости внутри. Обычно лучше, чем упрочнение всего объема (например закалкой), потому что более твердые детали также более хрупкие.

Карбонизация — самый частый вид цементации. Для металлов с низким углеродом (сталь) дополнительный углерод диффундирует в поверхность, затем деталь закаливают, «замораживая» углерод в матрице, что повышает поверхностную твердость стали аналогично тому, как анодирование повышает поверхностную твердость алюминиевых сплавов.

Цементация — процесс, обычно применяемый как последний шаг после обработки детали. Комбинируют высокий нагрев с другими элементами и химикатами для получения упрочненного внешнего слоя. Поскольку упрочнение делает металлы более хрупкими, поверхностное упрочнение полезно для применений, требующих гибких металлов с износостойким слоем.

Когда применяют термическую обработку

Металлический сплав можно термически обрабатывать на протяжении всего производственного процесса. Для CNC-деталей обычно используют:

До CNC-обработки: Если нужен стандартизированный металлический сплав, CNC-поставщик обрабатывает детали прямо из складского материала. Обычно лучший вариант для сокращения сроков поставки.

После CNC-обработки: Определенные термические обработки существенно повышают твердость материала или используются как финишный шаг после формовки. В этих случаях высокая твердость снижает технологичность, поэтому термическую обработку делают после CNC. Например, это стандартная практика при CNC-обработке инструментальных сталей.

Как указать термическую обработку в заказе

При размещении CNC-заказа есть три способа запросить термическую обработку:

Ссылка на производственные стандарты

Многие термические обработки стандартизированы и широко используются. Например, индекс T6 в алюминиевых сплавах (6061-T6, 7075-T6) указывает, что материал прошел выдельное упрочнение.

Указание требуемой твердости

Частый метод для задания термической обработки и поверхностного упрочнения инструментальных сталей. Указывает производителю, какую термическую обработку выполнить после CNC. Например, для инструментальной стали D2 обычно 56–58 HRC.

Указание цикла термической обработки

Требует продвинутых металлургических знаний. Если понимаете, как разные термические обработки влияют на металлы, можно указать нужный процесс для целенаправленного изменения материальных свойств приложения.