Термическая обработка металлов: назначение и виды

Наделить материал прочностью, пластичностью или другими необходимыми свойствами возможно благодаря термической обработке металлов и сплавов. Технология позволяет перестроить внутреннюю структуру металлического изделия без изменения его химического состава. В статье расскажем о видах и особенностях воздействия разных температур на материал.

Процесс изменения свойств материала происходит в три этапа:

• нагрев — в специальной вакуумной печи изделие накаляют до нужной температуры;
  
  
• выдержка — сохраняют установленные температурные показатели на некоторое время;
  
  
• охлаждение — постепенно, с определенной скоростью, дают детали остыть.
  
  

Характеристики, которые должен иметь металл после термической обработки, определяют степень и интенсивность нагрева, длительность выдержки и темпы охлаждения.

С помощью высоких температур решают разные задачи:

• черновые заготовки подготавливают к дальнейшей обработке механическим воздействием, давлением или готовят к проведению сварочных работ;
  
  
• готовые изделия наделяют прочностью, твердостью, устойчивостью к коррозии, определенным уровнем тепло- и электропроводности, прочими свойствами.
  
  

Некоторые образцы подвергают термической обработке несколько раз, например, детали для авиастроения, автомобильной промышленности или производства медицинских изделий.

Термообработку проводят для черных металлов, например, чугуна и нержавеющей стали, а также для алюминиевых, медных, титановых и прочих цветных сплавов.

К распространенным разновидностям относят отжиг и закаливание, а также:

• отпуск,
  
  
• нормализацию;
  
  
• старение, или дисперсионное твердение.
  
  

Также выделяют криогенную и химико-термическую обработку. Каждая имеет особенности, которые стоит рассмотреть более подробно.

Технология позволяет добиться определенного уровня пластичности и вязкости материала, подготовить его к механическому воздействию, а также снять напряжение после холодной обработки.

Отжиг предполагает увеличение температуры выше критической отметки и низкую скорость охлаждения.

Существует отжиг I и II рода. К первому относят:

• гомогенизацию — устраняет ликвацию, или химическую неоднородность литейных сплавов, за счет нагревания до 1000–1150 °C, выдержки до 15 часов и постепенного остывания в течение 8 часов;
  
  
• рекристаллизацию — меняет кристаллическую структуру изделия, делая его более твердым и прочным посредством накаливания в течение двух часов до отметки, превышающей температуру кристаллизации на 100–200 градусов, и медленного охлаждения;
  
  
• изотермический отжиг — применяется для легированных сталей и предполагает нагрев на 20–30 °C выше критической отметки с низким или высоким темпом снижения температуры;
  
  
• отжиг, снимающий остаточное или внутреннее напряжение металла после сварки или механической обработки — используется температура в 725–727 °C, выдерживаемая на протяжении 20 часов.
  
  

Отжиг II рода бывает полным и неполным. Первым обрабатывают заготовки, созданные посредством отливки, ковки или штамповки. Он подготавливает образцы к дальнейшему резанию и закаливанию с помощью нагрева на 50 градусов выше критической точки.

Важно отметить скорость охлаждения — углеродистая сталь за час не должна потерять свыше 120–150 °C, а легированная — более 50 °C.

В отличие от полного, неполный отжиг производится при температуре чуть ниже предельного уровня нагрева и с медленным снижением градуса.

Подобная термообработка стали и прочих металлов позволяет:

• усилить прочность и твердость материала,
  
  
• повысить предел упругости и степень устойчивости к изменению формы,
  
  
• снизить уровень пластичности и предел прочности на сжатие.
  
  

Данные характеристики появляются, когда металлический образец нагревают до температуры, меняющей структуру кристаллической решетки, и после этого довольно быстро охлаждают посредством воды и соляных растворов, а также технических масел и инертных газов.

Охлаждение деталей для производства медицинских изделий проводят на разряженном воздухе, чтобы исключить появление оксидной пленки.

Чтобы получить образец с наибольшей прочностью и избавиться от аустенита, являющегося причиной высокой хрупкости металла, на него дополнительно воздействуют температурами до 80–100 градусов ниже нуля.

Метод применяют после закаливания: повышая ударную вязкость, обработка избавляет от возникших внутренних напряжений, которые делают материал хрупким.

Выделяют три типа отпуска:

• низкий — нагревом до 250 градусов и полуторачасовой выдержкой с охлаждением маслом добавляют вязкости без снижения жесткости;
  
  
• средний — температурой до 500 °C уменьшают твердость до 300–40 HB, увеличивая пластичность изделий, которые регулярно подвергают упругой деформации;
  
  
• высокий — накаливанием в пределах 450–650 °C устраняют напряжение в структуре металла с помощью кристаллизации сорбита.
  
  

Отпуск применяют для заготовок и готовых изделий, которые будут использованы в авиа-, машиностроении и прочих отраслях промышленности, где металлические детали должны быть прочными при сохранении пластичности.

Является одним из ключевых способов обработки горячекатаной стали: метод формирует мелкозернистую структуру сплава, что делает его более прочным, пластичным и устойчивым к излому.

Для нормализации используется температура, выше предельной на 50 градусов. Охлаждается образец на открытом воздухе.

Технологию применяют для сплавов типа твердый раствор, где кристаллическая структура одного металла — растворителя — сохраняется и поглощает атомы другого — растворенного.

Под воздействием высокой температуры твердый раствор выделяет множество частиц мелкодисперсной фазы, которые не позволяют кристаллической решетке деформироваться. Таким образом достигается высокая прочность материала.

Искусственное старение проводят только после закаливания.

Нагревание металлов происходит в твердой, жидкой или газообразной среде с химически активными элементами, которые наделяют изделие особыми свойствами.

Существует множество методов химико-термической обработки, разновидность которой определяет то вещество, характеристики которого получает металл, например:

• углерод — цементация;
  
  
• азот — азотирование;
  
  
• хром — хромирование;
  
  
• бор — борирование;
  
  
• кремний — силицирование;
  
  
• алюминий — алитирование.
  
  

Чтобы понять, как происходит термообработка с участием химических элементов, в качестве примера можно использовать цементацию. Сплав нагревается в присутствии материала, который при разложении выделяет углерод. Вещество оседает на поверхности металла, упрочняя его.

Поскольку химико-термическую обработку подразделяют на два типа — одно- и многокомпонентную — металлическое изделие приобретает характеристики единственного элемента или комбинации нескольких.

Отдельно в списке методов термообработки стоит криогенный способ: в отличие от предыдущих, для усиления свойств металлов применяют не высокие, а низкие температуры.

Процесс обработки проходит в три этапа:

1. Изделие помещают в специальную криогенную камеру, которая снижает его температуру до отметки ниже 155 градусов.
   
   
2. Выдерживают его в таких условиях в течение нескольких часов, в зависимости от специфики металла.
   
   
3. Постепенно прогревают деталь, доводя до температуры окружающей среды.
   
   

Благодаря криогенной обработке сплав избавляется от остаточных напряжений, обретает прочность, становится более устойчивым к износу за счет увеличения рабочего ресурса.

Чугун и нержавеющую сталь различных видов можно не только закаливать, но и воздействовать на них методами отжига, отпуска, нормализации, а также подвергать криогенной и химико-термической обработкам большинства разновидностей.

Термообработка является обязательным этапом при производстве металлических изделий из стали и черных сплавов. Заготовки, которые не были усилены влиянием определенных температурных режимов, применяют только для изготовления металлоконструкций или деталей с малым периодом эксплуатации.

С цветными металлами несколько сложнее: здесь выбор термообработки зависит от химических свойств материала. Например, медным сплавам подойдут отжиг, закаливание и дисперсионное твердение.

Сплавы с алюминием обрабатывают посредством отжига, закаливания и старения.

Не все виды металла могут выдерживать воздействие высоких или низких температур. Чтобы точно определить, подойдет ли термическая обработка конкретному образцу, например, из титана, никеля или цинка, необходимо:

1. Выделить основные химические элементы, присутствующие в сплаве.
   
   
2. Изучить фазную диаграмму, описывающую изменения в структуре материала при повышении либо снижении температуры и добавления дополнительных химических элементов.
   
   

Проведя тщательный анализ данных о составе и свойствах металлической заготовки, можно принимать решение, проводить термическую обработку или нет.