Термическая обработка металлов

Термическая обработка металла – это изменение его структуры посредством нагрева и последующего охлаждения, проводимых предварительно определенным способом и направленных на получение желаемых качеств. Термообработку с воздействием определенных температур перед применением проходят как черные, так и цветные металлические сплавы для изменения их физических и механических свойств. Основной целью этого процесса считается получение максимальной твердости, прочности и пластичности исходного материала.

Полезные свойства

Термообработка металлов – это эффективный и доступный способ изменения их физических и механических качеств. Это позволяет использовать их в любой желаемой сфере – строительной, автомобильной, аэрокосмической.

Температурной обработке могут подвергаться все виды стали, сплавов и цветных металлов. Уникальная структура и специфические качества начального сырья зависят от выбранного режима нагревания, способа обрабатывания и выставленных температурных показателей. Существует множество вариантов проведения такого процесса, которые и сегодня активно совершенствуются для получения лучшего результата и максимальной рентабельности температурной обработки.

Польза термообработки материалов:

• придание материалу желаемых качеств – мягкости или твердости;
• улучшение тепло- и электропроводности материала;
• снятие напряжения, возникающего во время более ранней процедуры холодной обработки;
• придание обрабатываемому материалу необходимых химических свойств.

При выборе оптимальной методики горячей обработки следует ориентироваться на вид используемого металла и качеств, которые нужно получить.

При возникновении необходимости конструкции разрешается подвергать нескольким процедурам термообработки. Чаще всего это относится к суперсплавам, применяемым в сфере авиастроения, которые в процессе изготовления до 4–6 раз подвергаются различным температурным воздействиям для получения необходимых физических и химических качеств.

Этапы

Термообработка металлического сплава состоит из нескольких этапов, к которым относится нагревание материала до определенного температурного уровня, выдержка в течение конкретного времени и последующее охлаждение.

В результате воздействия температурных факторов механические свойства обрабатываемой металлической детали изменяются. Это обусловлено изменением металлической микроструктуры повышенной температурой, что влияет на общие механические свойства.

На окончательный результат влияют различные факторы. В первую очередь речь идет о продолжительности нагрева, времени выдержки элемента из металла в определенном температурном режиме, скорости его охлаждения и условиях окружающей среды.

После правильного проведения процедуры изменяются первоначальные характеристики обработанного материала – показатели его твердости, податливости, вязкости, хрупкости, электросопротивления, магнетизма и стойкости к коррозии.

Нагревание

В процессе термической работы с металлическим сплавом осуществляется его нагревание для изменения микроструктуры с учетом заранее установленного термического профиля. Этот процесс предполагает нахождение обрабатываемого материала в различных состояниях – механической смеси, твердого раствора, а также их сочетания.

Особенности механической смеси соответствуют характеристикам бетонной, где для связи цемента используются гравий с песком. При использовании металла в состоянии механической смеси в качестве фиксирующего элемента выступает основной металл.

Твердый сплав предполагает гомогенное смешивание всех составных компонентов – то есть таким образом, что их отдельная идентификация невозможна даже при условии использования микроскопа.

Свойства каждого из состояний существенно отличаются. Изменить его возможно по фазовой диаграмме с помощью нагревания, но только после окончательного охлаждения определяется полноценный результат.

Выдержка

Процесс выдержки представляет собой выдерживание обрабатываемого металла или сплава при достижении определенного температурного показателя. Длительность этого этапа определяется требованиями к конечному результату.

Для повышения твердости металлической поверхности требуются структурные изменения. В таком случае необходимо незначительное время выдержки. При других методиках возникает необходимость в получении единых свойств, соответственно, длительность выдержки материала увеличивается.

При определении оптимальной продолжительности выдержки учитывают вид металла или сплава, а также индивидуальные параметры детали. Для крупных элементов и объектов, для которых необходимо получение однородных свойств, требуется больше времени, так как при больших размерах сердцевина отличается медленным нагревом.

Охлаждение

После окончания выдерживания обрабатываемой металлической детали начинается этап ее охлаждения. Этот процесс осуществляется согласно установленному порядку и сопровождается активными структурными переменами. На основании ряда факторов во время охлаждения раствор может преобразоваться в смесь механического типа или же сохранить первоначальный вид.

Для регулирования скорости охлаждения используются различные средства. Чаще всего прибегают к помощи влаги, раствора соли, масла или же воздуха. Свойством в максимально короткие сроки поглощать тепло обладает солевой раствор, медленнее всего работает воздух.

В отдельных случаях во время охлаждения может использоваться специальная печь. Благодаря корректируемой среде удается получить исключительную точность в процессе постепенного охлаждения.

Диаграммы состояния

Любой металл или сплав имеет свою диаграмму состояния, с учетом которой и строится схема проведения термической обработки. В этом графике отображается полный спектр структурных изменений, которые происходят при разнообразных температурных показателях и химических характеристиках.

Одна из наиболее актуальных и распространенных – фазовая диаграмма железо-углерод, считающаяся основополагающим моментом при исследовании поведения разных видов углеродистой стали во время термической обработки.

На диаграмме указываются разные зоны с различными микросостояниями металла. Именно на их границах осуществляются фазовые колебания при прохождении через них температуры. С помощью фазовой диаграммы определяются конечный результат и общая польза от проведения термической обработки. Любая из структур служит для привнесения желаемых качеств в готовый материал, на основании чего и осуществляется выбор наиболее подходящей методики.

Варианты термической обработки

На сегодня разработано множество вариантов термической обработки металлов:

• отжиг;
• закалка;
• нормализация;
• отпуск;
• старение;
• снятие напряжения;
• темперирование;
• цементация стали.

Каждый метод термообработки имеет свои специфические особенности, преимущества и назначение.

Отжиг

В процессе отжига металлический сплав нагревают, доводя до температуры выше критической отметки, после чего медленно охлаждают.

Основная цель отжига – улучшение мягкости и податливости материала. После окончания процесса он может использоваться для формовки или холодной обработки. Также он обеспечивает улучшение показателей пластичности, вязкости и обрабатываемости.

Этот тип термообработки снимает напряжения в изделии, спровоцированные ранее проводимой холодной обработкой. Рекристаллизация способствует устранению пластических деформаций при пересечении температурной отметкой верхнего критического предела.

К наиболее распространенным и востребованным вариантам отжига относятся окончательный, частичный, полный и рекристаллизационный типы.

Закалка

Закалка считается наиболее распространенным типом термической обработки. Ее основная цель – улучшение твердости обрабатываемого материала или же только его поверхности. Обработанный элемент отличается максимальной прочностью и твердостью, но показатели его хрупкости также увеличиваются.

В процессе обработки деталь проходит закалку путем нагрева до определенного температурного показателя и быстрого охлаждения в холодной среде. Для этой цели допускается применение солевого раствора, масла, воды.

Для упрочнения исключительно внешнего слоя заготовки применяется так называемое цементное упрочнение. Оно идентично обычному процессу, единственным отличием становится конечный результат – максимальная твердость внешнего слоя с мягкостью сердцевины.

К другим распространенным видам закалки относятся дифференциальная, индукционная, а также обработка пламенем.

Нормализация

Нормализацией называется термическая обработка, направленная на устранение внутренних напряжений, спровоцированных ранее проведенной сваркой, литьем или закалкой. На этом этапе металлический сплав нагревают на 40° выше от его критической температурной отметки.

Температура нагрева при нормализации значительно превышает показатели во время закалки или отжига. Выдерживание в этом температурном режиме на протяжении установленного срока заканчивается охлаждением материала в условиях открытого воздуха. Это способствует созданию однородных зерен по всему элементу.

После окончания нормализации сталь приобретает особую твердость и прочность по сравнению с любыми другими состояниями. Именно по этой причине все элементы и изделия, предназначенные для выдерживания повышенных нагрузок, в обязательном порядке проходят процесс нормализации.

Старение

Метод дисперсионного твердения или же старения обычно применяют для того, чтобы повысить уровень текучести ковкого металла. В процессе обработки в структуре металлических зерен формируется множество равномерно диспергированных частиц, провоцирующих изменение в физических и химических свойствах обрабатываемого материала.

Методика старения заключается в повышении температуры до средних показателей и ее быстрого снижения. Проведение осадочного твердения чаще всего предполагает предварительную термическую обработку с достижением максимально высоких температур.

У отдельных материалов имеется свойство к естественному старению, другие же поддаются этому процессу исключительно искусственным путем, то есть при повышении температурных показателей.

Отпуск

Отпуск представляет собой процесс, помогающий уменьшить чрезмерную твердость и хрупкость материала, образовавшуюся после проведения закалки. Также он позволяет нейтрализовать внутренние напряжения. Процедура отпуска обеспечивает пригодность металла для использования в различных сферах, в которых требуются именно эти характеристики.

При отпуске поддерживается уровень температуры значительно ниже, чем при затвердевании. Чем выше ее показатель, тем лучше мягкость и податливость обрабатываемого материала. На его структуру не оказывает никакого воздействия длительность охлаждения, поэтому чаще всего этот процесс проходит на воздухе.

Снятие напряжения

Этот процесс обязателен для комплектующих элементов котла, аккумулятора, баллона с кислородом. Он состоит из нескольких пошаговых этапов – нагрева металлического сплава немного меньше критического лимита и последующего медленного охлаждения.

Метод помогает нейтрализовать внутренние напряжения, образующиеся в конструкциях в результате ранее проведенных процессов – обработок, формовок, правки или прокатки.

Цементация

Цементация стали представляет собой нагревание материала или сплава с использованием другого металла, способного выделять определенную часть углерода в процессе разложения. Поверхность металлической детали поглощает высвобожденную часть углерода, что обеспечивает ее твердость и прочность в сравнении со структурой и свойствами внутреннего ядра.