Разновидности термообработки стали и металлов

Термическая обработка (термообработка) стали, цветных металлов — процесс изменения структуры стали, цветных металлов, сплавов при нагревании и последующем охлаждении с определенной скоростью.
Термическая обработка (термообработка) приводит к существенным изменениям свойств стали, цветных металлов, сплавов. Химический состав металла не изменяется.

Виды термической обработки стали

Отжиг

Отжиг — термическая обработка (термообработка) металла, при которой производится нагревание металла, а затем медленное охлаждение. Эта термообработка (т. е. отжиг) бывает разных видов (вид отжига зависит от температуры нагрева, скорости охлаждения металла).

Закалка

Закалка — термическая обработка (термообработка) стали, сплавов, основанная на перекристаллизации стали (сплавов) при нагреве до температуры выше критической; после достаточной выдержки при критической температуре для завершения термической обработки следует быстрое охлаждение. Закаленная сталь (сплав) имеет неравновесную структуру, поэтому применим другой вид термообработки — отпуск.

Отпуск

Отпуск — термическая обработка (термообработка) стали, сплавов, проводимая после закалки для уменьшения или снятия остаточных напряжений в стали и сплавах, повышающая вязкость, уменьшающая твердость и хрупкость металла.

Нормализация

Нормализация — термическая обработка (термообработка), схожая с отжигом. Различия этих термообработок (нормализации и отжига) состоит в том, что при нормализации сталь охлаждается на воздухе (при отжиге — в печи).

Нагрев заготовки

Нагрев заготовки — ответственная операция. От правильности ее проведения зависят качество изделия, производительность труда. Необходимо знать, что в процессе нагрева металл меняет свою структуру, свойства и характеристику поверхностного слоя и в результате от взаимодействия металла с воздухом атмосферы, и на поверхности образуется окалина, толщина слоя окалины зависит от температуры и продолжительности нагрева, химического состава металла. Стали окисляются наиболее интенсивно при нагреве больше 900°С, при нагреве в 1000°С окисляемость увеличивается в 2 раза, а при 1200°С — в 5 раз.

Хромоникелевые стали называют жаростойкими потому, что они практически не окисляются.

Легированные стали образуют плотный, но не толстый слой окалины, который защищает металл от дальнейшего окисления и не растрескивается при ковке.

Углеродистые стали при нагреве теряют углерод с поверхностного слоя в 2-4 мм. Это грозит металлу уменьшением прочности, твердости стали и ухудшается закаливание. Особенно пагубно обезуглероживание для поковок небольших размеров с последующей закалкой.

Заготовки из углеродистой стали с сечением до 100 мм можно быстро нагревать и потому их кладут холодными, без предварительного прогрева, в печь, где температура 1300°С. Во избежание появлений трещин высоколегированные и высокоуглеродистые стали необходимо нагревать медленно.

При перегреве металл приобретает крупнозернистую структуру и его пластичность снижается. Поэтому необходимо обращаться к диаграмме «железо-углерод», где определены температуры для начала и конца ковки. Однако перегрев заготовки можно при необходимости исправить методом термической обработки, но на это требуется дополнительное время и энергия. Нагрев металла до еще большей температуры приводит к пережогу, от чего происходит нарушение связей между зернами и такой металл полностью разрушается при ковке.

Пережог

Пережог — неисправимый брак. При ковке изделий из низкоуглеродистых сталей требуется меньше число нагревов, чем при ковке подобного изделия из высокоуглеродистой или легированной стали.

При нагреве металла требуется следить за температурой нагрева, временем нагрева и температурой конца нагрева. При увеличении времени нагрева — слой окалины растет, а при интенсивном, быстром нагреве могут появиться трещины. Известно из опыта, что на древесном угле заготовка 10-20 мм в диаметре нагревается до ковочной температуры за 3-4 минуты, а заготовки диаметром 40-50 мм прогревают 15-25 минут, отслеживая цвет каления.

Химико-термическая обработка

Химико-термическая обработка (ХТО) стали — совокупность операций термической обработки с насыщением поверхности изделия различными элементами (углерод, азот, алюминий, кремний, хром и др.) при высоких температурах.

Поверхностное насыщение стали металлами (хром, алюминий, кремний и др.), образующими с железом твердые растворы замещения, более энергоемко и длительнее, чем насыщение азотом и углеродом, образующими с железом твердые растворы внедрения. При этом диффузия элементов легче протекает в решетке альфа-железо, чем в более плотноупакованной решетке гамма-железо.

Химико-термическая обработка повышает твердость, износостойкость, кавитационную, коррозионную стойкость. Химико-термическая обработка, создавая на поверхности изделий благоприятные остаточные напряжения сжатия, увеличивает надежность, долговечность.

Цементация стали

Цементация стали — химико-термическая обработка поверхностным насыщением малоуглеродистой (С<0,2%) или легированных сталей при температурах 900…950°С — твердым (цементация твердым карбюризатором), а при 850…900°С — газообразным (газовая цементация) углеродом с последующей закалкой и отпуском. Цель цементации и последующей термической обработки — повышение твердости, износостойкости, также повышением пределов контактной выносливости поверхности изделия при вязкой сердцевине, что обеспечивает выносливость изделия в целом при изгибе и кручении.

Детали, предназначенные для цементации, сначала очищают. Поверхности не подлежащие науглероживанию, покрывают специальными предохранительными противоцементными обмазками.

1-ый состав простейшей обмазки: огнеупорная глина с добавлением 10% асбестового порошка, вода. Смесь разводят до консистенции густой сметаны и наносят на нужные участки поверхности изделия. После высыхания обмазки можно производить дальнейшую цементацию изделия.

2-ой состав применяемой обмазки: каолин — 25%, тальк — 50%: вода — 25%. Разводят эту смесь жидким стеклом или силикатным клеем.

Цементацию делают после полного высыхания обмазки.

Вещества, которые входят в состав обмазки, называют карбюризаторами. Они бывают твердые, жидкие и газообразные.

В условиях домашней небольшой мастерской удобнее осуществлять цементацию с помощью пасты. Это цементация в твердом карбюризаторе. В состав пасты входят: сажа — 55%, кальцинированная сода — 30%, щавелевокислый натрий — 15%, вода для образования сметанообразной массы. Пасту наносят на нужные участки изделия, дают высохнуть. Затем изделие помещают в печь, выдерживая при температуре 900-920°С в течение 2-2,5 часов. При использовании такой пасты цементация обеспечивает толщину науглероженного слоя 0,7-0,8 мм.

Жидкостная цементация также возможна в небольшой мастерской при наличии печи-ванной, в которой и происходит науглероживание инструментов и других изделий. В состав жидкости входят: сода — 75-85%, 10-15% хлористого натрия, 6-10% карбида кремния. Печь-ванну наполняют этим составом и погружают изделие или инструмент. Процесс протекает при температуре 850-860°С в течение 1,5-2 часов; толщина науглероженного слоя достигает при этом 0,3-0,4 мм.

Газовую цементацию производят в смеси раскаленных газов, содержащих метан, окись углерода в специальных камерах при температуре 900-950°С и только в производственных условиях. После цементации детали охлаждают вместе с печью, затем закаляют при 760-780°С е окончательным охлаждением в масле.

Азотирование стали

Азотирование стали — химико-термическая обработка поверхностным насыщением стали азотом путем длительной выдержки ее при нагреве до б00…650°С в атмосфере аммиака NН3. Азотированные стали обладают очень высокой твердостью (азот образует различные соединения с железом, алюминием, хромом и другими элементами, обладающие большей твердостью, чем карбиды). Азотированные стали обладают повышенной сопротивляемостью коррозии в таких средах, как атмосфера, вода, пар.

Азотированные стали сохраняют высокую твердость, в отличие от цементованных, до сравнительно высоких температур (500…520°С). Азотированные изделия не коробятся при охлаждении, так как температура азотирования ниже, чем цементации. Азотирование сталей широко применяют в машиностроении для повышения твердости, износостойкости, предела выносливости и коррозионной стойкости ответственных деталей, например, зубчатых колес, валов, гильз цилиндров.

Нитроцементация (цианирование) стали

Нитроцементация (цианирование) стали — химико-термическая обработка с одновременным поверхностным насыщением изделий азотом и углеродом при повышенных температурах с последующими закалкой и отпуском для повышения износо- и коррозионной устойчивости, а также усталостной прочности. Нитроцементация может проводиться в газовой среде при температуре 840..860°С — нитроцианирование, в жидкой среде — при температуре 820…950°С — жидкостное цианирование в расплавленных солях, содержащих группу NaCN.

Нитроцементация эффективна для инструментальных (в частности, быстрорежущих) сталей; она используется для деталей сложной конфигурации, склонных к короблению. Однако, поскольку этот процесс связан с использованием токсичных цианистых солей, он не нашел широкого распространения.

Борирование стали

Борирование стали — химико-термическая обработка насыщением поверхностных слоев стальных изделий бором при температурах 900…950°С. Цель борирования — повышение твердости, износостойкости и некоторых других свойств стальных изделий. Диффузионный слой толщиной 0,05…0,15 мм, состоящий из боридов FeB и Fе2В, обладает весьма высокой твердостью, стойкостью к абразивному изнашиванию и коррозионной стойкостью. Борирование особенно эффективно для повышения стойкости (в 2…10 раз) бурового и штампового инструментов.

Цинкование (Zn), алюминирование (Аl), хромирование (Сr), силицирование (Si) сталей

Цинкование (Zn), алюминирование (Аl), хромирование (Сr), силицирование (Si) сталей выполняются аналогично цементации с целью придания изделиям из стали некоторых ценных свойств: жаростойкости, износостойкости, коррозионной устойчивости. В настоящее время все большее распространение получают процессы многокомпонентного диффузионного насыщения

Термомеханическая обработка (ТМО) стали

Термомеханическая обработка (ТМО) стали — совокупность операций термической обработки с пластической деформацией, которая проводится либо выше критических точек (ВТМО), либо при температуре переохлажденного (500… 700°С) аустенита (НТМО). Термомеханическая обработка позволяет получить сталь высокой прочности (до 270 МПа). Формирование структуры стали при ТМО происходит в условиях повышенной плотности и оптимального распределения дислокаций. Окончательными операциями ТМО являются немедленная закалка во избежании развития рекристаллизации и низкотемпературный (Т=100…300 °С) отпуск.

Термомеханическая обработка с последующими закалкой и отпуском позволяют получить очень высокую прочность ( s= 2200…3000 МПа) при хорошей пластичности (d = 6…8%, y= 50…60%) и вязкости. В практических целях большее распространение получила ВТМО, обеспечивающая наряду с высокой прочностью хорошее сопротивление усталости, высокую работу распространения трещин, а также сниженные критическую температуру хрупкости, чувствительность к концентраторам напряжений и необратимую отпускную хрупкость.

ВТМО осуществляется в цехах прокатного производства на металлургических заводах, например, при упрочнении прутков для штанг, рессорных полос, труб и пружин.

Отпуск стали

Отпуск стали смягчает действие закалки, уменьшает или снимает остаточные напряжения, повышает вязкость, уменьшает твердость и хрупкость стали. Отпуск производится путем нагрева деталей, закаленных на мартенсит до температуры ниже критической. При этом в зависимости от температуры нагрева могут быть получены состояния мартенсита, тростита или сорбита отпуска. Эти состояния несколько отличаются от соответственных состояний закалки по структуре и свойствам: при закалке цементит (в троостите и сорбите) получается в форме удлиненных пластинок, как в пластинчатом перлите. А при отпуске он получается зернистым, или точечным, как в зернистом перлите.

Преимуществом точечной структуры является более благоприятное сочетание прочности и пластичности. При одинаковом химическом составе и одинаковой твердости сталь с точечной структурой имеет значительно более высокое относительное сужение, ударную вязкость, повышенное удлинение и предел текучести по сравнению со сталью с пластинчатой структурой.

Отпуск разделяют на низкий, средний и высокий в зависимости от температуры нагрева.

Для определения температуры при отпуске изделия пользуются таблицей цветов побежалости.

Термообработка — основополагающий химический процесс, проводимый при работе со сплавами. В черной и цветной металлургии методика берется за основу и имеет огромное количество различных вариаций. От правильного проведения операции зависят химические, технические и механические свойства металла. Все виды термообработки стали подразделяются на определённые группы, что позволяет подбирать рациональные вариации.

Основные виды термической обработки

На промышленных предприятиях все процессы автоматизированы и человек принимает в них лишь косвенное участие. Все технологии практически идентичные, но имеют отличия по условиям температуры и другим факторам. В первую очередь сплав нагревается до определённой температуры, далее его выдерживают в этих температурных режимах. На последнем этапе происходит моментальное охлаждение. Таким образом, термообработанная сталь будет иметь уникальные технические характеристики. Основные типы технологий:

  1. Термическое воздействие включает в себя закалку, старение, отпуск, криогенный нагрев.
  2. Термомеханические методики. Сопровождаются не только нагревом, но и механическими воздействиями.
  3. Термохимические технологии. После воздействия температурой происходит обработка различными типами жидкостей или газов, что может упрочнять сплав.

Любой способ подразумевает под собой получение требуемых условий, поэтому в случае возникновения сложностей вторичная обработка будет неприемлемой. Каждая технология по-своему уникальна, но при этом основывается на нагревании металлов.

Поэтому требуется более основательно разобраться с различиями и другими факторами. Это позволит получить более конкретную информацию обо всех интересующих аспектах.

Отжиг металлов в печи

Стандартная методика, при которой заготовки отправляют в печь и нагревают. В дальнейшем остывание происходит не в отдельных камерах, а в той же печи. Таким образом, начинается естественный процесс остывания за счет температуры окружающей среды. Если рассматривать виды термообработки металлов, то представленная технология — одна из самых простых. Технология позволяет получить следующие свойства:

  1. Уменьшается твердость, в дальнейшем легко перерабатывать сплавы.
  2. Повышается зернистость структуры.
  3. Исчезают неоднородные сегменты.
  4. Исчезает внутреннее напряжение.

В настоящее время представленная технология реализуется в нескольких разнообразных вариациях. Как указывает технологический справочник, для различных нужд создаются оптимальные условия. На промышленных предприятиях данные работы должны проводиться в специальных печах. Сегодня отжиг стальных заготовок применяется для получения высококачественной стали. Такие методики очень важны для промышленности и развития индустрии в этом сегменте.

Технология закалки

Один из самых распространённых методов термической обработки — это закалка. Технология представляет собой термические манипуляции с металлами и нагрев их до критических температур. Результатом технологии становится повышение пластичности и прочности сплавов. Отличием закалки от отжига является довольно быстрое охлаждение. Для этих целей применяются ванны с водой, что в значительной степени ускоряет процессы. С технической точки зрения это уникальная методика. Существует несколько основных разновидностей закалки:

  1. Технология, где используют только один тип жидкости для охлаждения.
  2. Прерывистая методика. Сначала металл нагревают до критического показателя и опускают в воду. После остывания до температуры 300 градусов оставляют на воздухе или в масле.
  3. Ступенчатая. В этом случае применяется методика охлаждения в воде, потом в специальных солях и на последнем этапе оставляют остывать на воздухе. Таким образом, на каждом этапе металл приобретает более уникальные технические характеристики.
  4. Изотермическая — практически идентична ступенчатой закалке.
  5. Частичная закалка. Охлаждение происходит только по краям металла, в середине он остается горячим. Такая методика применяется при изготовлении отбойных инструментов, так как сплав получается вязким в середине и прочным по краям.

Технология закалки очень часто используется в кузницах как основной метод термообработки. Его эффективность подтверждается многими годами использования и указывает на невероятные преимущества. В настоящее время на каждом этапе технологического процесса нужно контролировать показатели. Это позволит получить металл с требуемыми характеристиками.

Отпуск и старение сплавов

Если нет информации о том, какая обработка стальных изделий характеризуется улучшением технических показателей, то можно выбрать любую методику. Все связано с тем, что каждая технология имеет определённые преимущества и достоинства. Отпуск — это методика, используемая на последнем этапе обработки металлов, таким образом, за счет нее придаются различные физические свойства конечного формата. Для этого металлическую деталь нагревают до температуры, которая должна быть ниже критической, и проводят охлаждения. В настоящее время известно несколько основных типов отпуска:

  • высокий;
  • средний;
  • низкий.

Процесс старения применяется для обработки чугуна и различных типов цветных металлов. Технология очень распространена, так как позволяет увеличивать пределы текучести и прочности металлов. Проводят старение после отжига при нормальной температуре, это позволяет добиться требуемого эффекта без каких-либо сторонних технологий.

Особенность любого типа термической обработки заключается в профессионализме исполнителей. У каждого специалиста, работающего с металлом, есть свои секреты, которые он применяет на практике. Удается получать металл с уникальными техническими характеристиками. В заводских условиях нужно придерживаться технического регламента, поэтому металл всегда одинакового формата, это иногда является большой проблемой. Технические стандарты остаются постоянными.

Криогенное воздействие

В настоящее время техника и технология постоянно развиваются, появляются новые варианты воздействий на сплавы. Сегодня можно использовать не только высокие температуры, но и низкие. То есть холод также улучшает качество материалов. Существуют специальные криогенные камеры, в которых и проводятся технологические процедуры. Температура, при которой находятся детали и заготовки, равна -196 градусов Цельсия. Преимущество технологии заключается в том, что не требуется повторная обработка.

Конечно же, технология не всегда бывает подходящей и имеет множество различных нюансов. Рекомендуется пользоваться технологическими регламентами, что позволит в значительной степени повысить качество продукта. Также при такой обработке в значительной степени снижаются затраты. Достаточно использовать холодильник, при высоких температурах нужны сторонние ресурсы на разогрев печи и так далее.

Термомеханическое воздействие

Из всех перечисленных технологий представленная методика в промышленных масштабах используется уже давно. Суть заключается в предварительном нагревании металла до пластичного состояния и в дальнейшем механическом воздействии. Термомеханическая обработка может быть нескольких видов:

  1. Низкотемпературная обработка. Ее отличие заключается в том, что металл нагревается до аустенитного состояния. Технология включает в себя пластическую деформацию, закалку и отпуск. Все делается в соответствии с техническим регламентом.
  2. Высокотемпературная обработка. Металл нагревается до мартенситного состояния, проводится пластическая деформация.
  3. Предварительная обработка.

Выбрать нужный метод позволяют практика и те цели, которые вы преследуете. С технологической точки зрения каждый метод любого типа термической обработки подходит только для определённых металлов и сплавов. Именно этим фактором обусловлено разнообразие. То есть ни в коем случае нельзя подвергать сталь воздействию определенного типа, если оно не подходит. Это приведет к ухудшению качества материалов.

Химическая обработка

Химические реакции с металлами в совокупности с термическими воздействием приводят к повышению износостойкости, устойчивости к воздействию кислот и щелочей. В настоящее время существуют специализированные промышленные условия для проведения большого количества процессов. Важно различать методики и использовать их в нужный момент. Типы термохимических реакций:

  1. Цианирование — металл подвергают одновременному воздействию углерода и азота. Основа методики заключается в насыщении сплава данными элементами.
  2. Азотирование — технология, позволяющая повысить коррозионную устойчивость металлов до максимальных показателей, также повышается прочность. Для этого сплавы погружают в азотную среду.
  3. Диффузионная металлизация — очень сложная технология, но схожая с предыдущими. Благодаря ее проведению металл становится более прочным, износостойким и не подвергается воздействию агрессивных средств. Для этого поверхность сплавов обрабатывают бромом, хромом, алюминием.
  4. Цементация — методика, повышающая прочность металла. Для этого используют углерод, который в газовом состоянии непрерывно подается на металл в печи.

В каждом отдельном случае важно соблюдать все правила технологического сопровождения. Сплав при неправильном воздействии может потерять свои технические характеристики и будет отправлен на дополнительную переплавку. В таких ситуациях используются контрольно-измерительные приборы, исключающие нарушение технологии.

Цветные сплавы

Каждый отдельный цветной металл или сплав отличается от других физическими и химическими свойствами, что не скажешь о черных металлах. Поэтому рекомендуется для каждого отдельного случая подбирать свои методики, чтобы не потерять качество. Рекристализационный отжиг проводится для меди, что в значительной степени повышает качество, и происходит термоупрочнение. Различают такие особенности:

  1. Латунь ни в коем случае нельзя сильно нагревать, предел — 250−300 градусов Цельсия. При неправильной обработке либо высоких температурах происходит растрескивание структуры.
  2. Бронзу нужно гомогенизировать и в последующем нагревать до 600 градусов Цельсия.
  3. Магний можно обрабатывать различными методами: старение, отжиг и так далее.
  4. Титановые сплавы можно закаливать, отжигать, подвергать старению, цементации.

В настоящее время существуют специальные справочники и технические пособия, позволяющие подбирать соответствующие методики для повышения технических свойств металлов. Специалисты, работающие на промышленных предприятиях, действуют по заранее заложенным планам и техническим документам. Таким образом, каждая методика по-своему уникальна и делает металлы и сплавы более качественными и подходящими для технических и промышленных нужд.

Промышленные компании применяют практически все существующие методы, что дает возможность получить сплавы различного формата. Очень важно придерживаться регламентов и стандартов ГОСТ. Каждая рассмотренная термическая обработка имеет свои стандарты и технические нормативы. Любое отклонение приведет к получению некачественного материала, и, следовательно, будет брак.