Термическая обработка — это процесс нагрева и охлаждения металлов по заранее установленным методам для получения желаемых свойств. Как черные, так и цветные металлы проходят термическую обработку перед введением в эксплуатацию.
Со временем было разработано множество различных методов. Даже сегодня металлурги постоянно работают над улучшением результатов и снижением стоимости этих процессов.
Для этого они разрабатывают новые режимы или циклы для получения различных марок металлов. Каждый режим подразумевает разную скорость нагрева, выдержки и охлаждения металла.
Когда эти методы соблюдаются строго, они позволяют получать металлы различного качества с исключительно точными физическими и химическими свойствами.
Существует множество причин для проведения термической обработки. Некоторые процедуры делают металл более мягким, в то время как другие увеличивают твердость. Они также могут влиять на электрическую и тепловую проводимость материалов.
Некоторые методы термической обработки снимают напряжения, возникшие в процессе предыдущей холодной обработки. Другие формируют необходимые химические свойства металлов. Выбор идеального метода зависит от типа металла и требуемых свойств.
В некоторых случаях металлическая деталь может проходить несколько процедур термической обработки. Например, некоторые суперсплавы, используемые в авиационной промышленности, могут подвергаться до шести различных этапов термообработки для оптимизации их свойств под конкретное применение.
В упрощенном виде термическая обработка — это процесс нагрева металла, выдержки при заданной температуре и последующего охлаждения. В процессе происходит изменение механических свойств детали, поскольку высокая температура изменяет микроструктуру металла, а микроструктура играет ключевую роль в определении механических свойств материала.
Окончательный результат зависит от множества факторов: времени нагрева, продолжительности выдержки при определенной температуре, скорости охлаждения, условий окружающей среды и т.д. Параметры определяются методом обработки, типом металла и размером детали.
В ходе процесса свойства металла меняются. К ним относятся электрическое сопротивление, магнитные свойства, твердость, вязкость, пластичность, хрупкость, а также коррозионная стойкость.
Как уже было сказано, микроструктура сплавов изменяется в ходе термической обработки. Нагрев осуществляется в соответствии с предписанным температурным режимом.
При нагреве сплав может находиться в одном из трех состояний: механическая смесь, твердый раствор или их комбинация.
Механическую смесь можно сравнить с бетонной смесью, где цемент связывает песок и гравий, которые остаются видимыми как отдельные частицы. В металлических сплавах механическая смесь удерживается основным металлом.
В свою очередь, в твердом растворе все компоненты смешаны гомогенно и неразличимы даже под микроскопом.
Каждое состояние придает сплаву определенные свойства. Состояние можно изменить нагревом в соответствии с диаграммой фазовых превращений. Однако именно охлаждение определяет итоговый результат: сплав может оказаться в одном из трех состояний, только в зависимости от метода охлаждения.
Во время этапа выдержки (или пропитки) металл удерживается при заданной температуре. Длительность выдержки определяется требованиями процесса.
Например, цементация требует изменения структуры только на поверхности металла для увеличения ее твердости. В то же время другие методы требуют однородных свойств по всему объему детали — в таком случае период выдержки дольше.
Время выдержки также зависит от типа материала и размера детали. Более крупные детали требуют больше времени для достижения равномерных свойств, поскольку ядру требуется дольше прогреваться до нужной температуры.
После завершения выдержки металл должен быть охлажден определенным образом. На этом этапе также происходят структурные изменения. При охлаждении твердый раствор может сохраниться, полностью или частично превратиться в механическую смесь — в зависимости от различных факторов.
Различные среды, такие как рассол, вода, масло или принудительный воздух, контролируют скорость охлаждения. Перечисленные охлаждающие среды расположены в порядке уменьшения эффективности: рассол отводит тепло быстрее всего, воздух — медленнее всего.
Также возможно использование печей для охлаждения. Контролируемая среда обеспечивает высокую точность при необходимости медленного охлаждения.
Каждый металлический сплав имеет свою фазовую диаграмму. Как уже было сказано, термическая обработка проводится строго по этим диаграммам. Они показывают структурные изменения, происходящие при различных температурах и химических составах.
В качестве примера рассмотрим железо-углеродную диаграмму, поскольку она наиболее известна и широко изучается в университетах.
Фазовая диаграмма железо-углерод — важный инструмент для изучения поведения различных марок углеродистых сталей при термической обработке. По оси X откладывается содержание углерода в сплаве, по оси Y — температура.
Обратите внимание, что при содержании углерода выше 2,14% сталь становится чугуном.
Диаграмма отображает различные области, в которых металл существует в разных микросостояниях, таких как аустенит, цементит и перлит. Эти области разграничены линиями A1, A2, A3 и Acm. На этих границах происходят фазовые переходы при изменении температуры или содержания углерода.
A1: Верхний предел фазы цементит/феррит.
A2: Предел, при котором железо теряет магнитные свойства. Температура, при которой металл теряет магнитность, называется температурой Кюри.
A3: Граница, разделяющая фазу аустенит + феррит и γ (гамма) аустенит.
Acm: Граница между γ аустенитом и областью аустенит + цементит.
Фазовая диаграмма — важный инструмент для определения целесообразности термической обработки. Каждая структура придает конечному продукту определенные свойства, и выбор метода обработки осуществляется исходя из этого.
Существует множество методов термической обработки, каждый из которых придает металлу определенные свойства.
Наиболее распространенные методы термообработки включают:
При отжиге металл нагревают выше верхней критической температуры, после чего медленно охлаждают.
Отжиг применяется для смягчения металла, делает его более пригодным к холодной обработке и формовке, улучшает обрабатываемость, пластичность и вязкость.
Также отжиг эффективен для снятия напряжений, возникших в результате предыдущей холодной обработки. Пластические деформации устраняются в процессе рекристаллизации при достижении металлом верхней критической температуры.
Существует множество видов отжига: рекристаллизационный, полный, частичный, окончательный и др.
Нормализация — это процесс термической обработки, направленный на снятие внутренних напряжений, возникающих при сварке, литье или закалке.
Металл нагревают до температуры на 30–50°C выше верхней критической.
Эта температура выше, чем при закалке или отжиге. После выдержки при этой температуре металл охлаждается на воздухе. Нормализация обеспечивает однородный размер и состав зерна по всему объему детали.
Нормализованная сталь тверже и прочнее отожженной. В нормализованном состоянии сталь наиболее вязкая и способна выдерживать ударные нагрузки, поэтому детали, испытывающие большие внешние воздействия, почти всегда нормализуют.
Самый распространенный процесс термической обработки — закалка, применяемая для увеличения твердости металла. В некоторых случаях закалке подвергается только поверхность.
Деталь нагревают до определенной температуры, после чего быстро охлаждают (закаляют), погружая в охлаждающую среду — масло, рассол, полимеры или чаще всего воду (среда для закалки). В результате твердость и прочность изделия возрастают, но одновременно повышается и хрупкость.
Цементация — это разновидность закалки, при которой упрочняется только внешний слой детали. Процесс аналогичен, но обрабатывается только тонкая внешняя оболочка, в результате чего сердцевина остается более мягкой.
Это часто применяется для валов. Твердая поверхность защищает их от износа. При установке подшипника на вал без закалки возможно повреждение поверхности и ускорение износа. Закаленная поверхность защищает от этого, а сердцевина сохраняет необходимые свойства для восприятия усталостных нагрузок.
Существуют и другие виды закалки: индукционная, дифференцированная, поверхностная (пламенная). Однако пламенная закалка может привести к образованию зоны термического влияния после охлаждения.
Старение или упрочнение выделениями — это метод термической обработки, в основном используемый для повышения предела текучести пластичных металлов. В результате процесса в структуре металла формируются равномерно распределенные частицы, что меняет свойства материала.
Упрочнение выделениями обычно проводится после другой термической обработки при более высоких температурах. Само старение происходит при средних температурах и быстром охлаждении.
Некоторые материалы способны к естественному старению (при комнатной температуре), другие требуют искусственного старения — при повышенных температурах. Для естественного старения материалы удобно хранить при пониженных температурах.
Снятие напряжений особенно актуально для элементов котлов, воздушных баллонов, аккумуляторов и т.д. При этом металл нагревают до температуры чуть ниже нижней критической точки. Охлаждение происходит медленно и равномерно.
Этот процесс необходим для снятия напряжений, накопленных в деталях в результате операций формовки, обработки, прокатки или правки.
Отпуск — это процесс снижения избыточной твердости (и, соответственно, хрупкости), возникшей после закалки. Также снимаются внутренние напряжения. Прошедшие отпуск металлы становятся пригодными для многих областей, где требуются такие свойства.
Температуры отпуска гораздо ниже закалочных. Чем выше температура отпуска, тем мягче становится деталь. Скорость охлаждения не влияет на структуру металла при отпуске — обычно охлаждение происходит на воздухе.
В этом процессе термической обработки металл нагревают в присутствии вещества, которое при разложении выделяет углерод.
Выделившийся углерод поглощается поверхностью металла, увеличивая ее содержание и делая поверхность тверже, чем внутренний слой.
Хотя большинство термически обрабатываемых материалов — это черные металлы, сплавы меди, магния, алюминия, никеля, латуни и титана также могут подвергаться термообработке.
Около 80% всех термически обработанных металлов — различные марки стали. К черным металлам, которые можно подвергать термообработке, относятся чугун, нержавеющая сталь и различные инструментальные стали.
Такие процессы, как закалка, отжиг, нормализация, снятие напряжений, цементация, азотирование и отпуск, обычно применяются к черным металлам.
Медь и ее сплавы обрабатывают методами отжига, старения и закалки.
Алюминий подходит для таких методов, как отжиг, термическая обработка в растворе, естественное и искусственное старение. Термическая обработка алюминия требует высокой точности: параметры должны быть четко определены и строго контролироваться на каждом этапе для достижения желаемых характеристик.
Очевидно, что не все материалы подходят для всех видов термической обработки. Точно так же один и тот же материал не обязательно выигрывает от каждого метода. Поэтому каждый материал должен быть изучен отдельно для достижения требуемого результата. Отправной точкой является использование фазовых диаграмм и информации о влиянии соответствующих методов.
