Термообработка металлов: всё, что нужно знать

Специалисты обрабатывающей промышленности, работающие с металлами, научились улучшать самые разные металлы. В основном это делается для того, чтобы адаптировать их свойства к конкретной задаче, например к реакции на прецизионную механообработку.

Существует множество методов улучшения металлов, один из которых — термообработка металлов. Этот процесс позволяет изменять целый ряд свойств, включая прочность, формуемость, упругость, твёрдость, пластичность и обрабатываемость резанием.

Как следует из темы статьи, она посвящена всему, что нужно знать о термообработке металлов.

Что такое термообработка металлов

Термообработка — это общий процесс нагрева и охлаждения на различных этапах, применяемый для изменения физических свойств металлов (микроструктуры), таких как сталь, алюминий и многие другие. Основная цель такой обработки — улучшить физические и структурные свойства металла для конкретного применения или последующей обработки.

Существует множество видов термообработки, среди которых поверхностная закалка, отжиг, отпуск, обезуглероживание, нормализация, старение, закалка и другие. Хотя каждый из этих видов термообработки даёт разные результаты для металла, все они включают три основных этапа: нагрев, выдержку и охлаждение.

Преимущества термообработки металлов

В обрабатывающей промышленности термообработка металлов применяется повсеместно и представляет собой точно контролируемый процесс нагрева и охлаждения. Термообработка не только делает металл твёрже, но и может делать его мягче. Размягчение позволяет выполнять с металлами такие операции, как холодная ковка, механообработка, глубокая вытяжка и многие другие. Термообработка металлов даёт следующие преимущества:

• Улучшение обрабатываемости или технологичности:

Термообработка помогает улучшить технологичность металла. Это достигается за счёт снятия внутренних напряжений, возникших в предыдущих процессах изготовления, таких как горячая обработка, холодная обработка, механообработка, сварка и штамповка. Например, если металл очень трудно гнуть или обрабатывать, к нему можно применить отжиг или снятие напряжений. Это поможет снизить твёрдость такого материала. Если материал деформируется при механообработке, для предотвращения деформации его можно отжечь или снять напряжения. Термообработка индукцией или пламенем также может применяться для размягчения определённого участка металла без воздействия на остальную его часть.

• Повышение долговечности и износостойкости

Существует несколько видов термообработки. Некоторые из них позволяют повысить износостойкость за счёт упрочнения металлов. Такие металлы, как титан, сталь, Inconel и некоторые сплавы меди, можно упрочнять либо по поверхности (поверхностная закалка), либо по всему объёму (объёмная закалка). Это делается для того, чтобы материал стал прочнее, долговечнее, вязче и более стойким к износу. Этот метод — лучший и наиболее распространённый способ повышения долговечности недорогих сталей, включая 1018 или A-36.

Локальное упрочнение можно выполнять индукцией или пламенем. Это также позволяет упрочнить определённую часть, не затрагивая и не изменяя остальной материал. Наконец, азотирование применяется для упрочнения поверхности детали при низких температурах, чтобы снизить коробление.

• Повышение вязкости и прочности

Вязкость и прочность — это компромисс: повышение прочности, измеряемой твёрдостью, может снижать вязкость и приводить к хрупкости. Следовательно, термообработка влияет на предел прочности при растяжении, предел текучести и вязкость разрушения. Объёмная или поверхностная закалка помогает повысить прочность материала. Однако после этого материал необходимо подвергнуть отпуску, чтобы снизить хрупкость. Степень отпуска определяется требуемой конечной прочностью детали. Кроме того, если полученный материал слишком хрупкий, его можно подвергнуть термообработке — повторному отпуску или отжигу, — чтобы сделать его более пригодным для использования (пластичным).

• Улучшение магнитных свойств

Многие металлы, включая 316 или 1008, склонны приобретать магнитные свойства, которые измеряются как магнитная проницаемость. Это в основном происходит, когда рассматриваемые материалы подвергаются наклёпу с помощью таких методов, как механообработка, штамповка, формовка и гибка. Помимо приобретения магнитных свойств, существует особый вид отжига, который помогает снизить магнитную проницаемость. Его важно проводить, если деталь применяется в электронной среде.

Какие металлы можно подвергать термической обработке?

В мире термической обработки чёрные металлы составляют большинство термообрабатываемых материалов. Около 80% термообрабатываемых чёрных металлов приходится на различные марки стали. Другие примеры чёрных металлов, поддающихся термической обработке, включают нержавеющую сталь и чугун. Однако термической обработке поддаются и другие металлы, включая магний, алюминий, никель, титан, латунь, медные сплавы и многие другие.

Термическая обработка алюминия

Термическая обработка алюминия помогает упрочнить и закалить определённую подгруппу алюминиевых сплавов. К ним относятся деформируемые и литейные сплавы, упрочняемые старением. Такие дисперсионно-твердеющие алюминиевые сплавы включают марки 2XXX, 6XXX, 7XXX и 8XXX. Отжиг также может потребоваться для деталей, подвергшихся деформационному упрочнению в процессе формовки.

Типичная термическая обработка алюминия включает отжиг, естественное и искусственное старение, гомогенизацию и термическую обработку на твёрдый раствор. Хотя термическая обработка алюминия отличается от обработки других металлов, например стали, температура печи может составлять от 240 до 1000 °F в зависимости от конкретного применяемого процесса.

Термическая обработка стали

Как упоминалось ранее, наиболее часто термически обрабатываемым чёрным металлом является сталь. Регулировка содержания углерода в стали — простейший способ термической обработки стали. Это помогает изменить механические свойства стали. Дополнительные изменения достигаются термической обработкой — например, ускорением скорости охлаждения через точку превращения аустенита в феррит. Кроме того, повышение скорости охлаждения перлитной стали (0,77% углерода) примерно до 200 °C в минуту даёт твёрдость по DPH около 300, а охлаждение со скоростью 400 °C в минуту повышает DPH примерно до 400. Рост твёрдости объясняется образованием более мелкой микроструктуры перлита и феррита, которую можно получить при медленном охлаждении на открытом воздухе.

В целом к обычно применяемым процессам термической обработки стали относятся отжиг, закалка, отпуск, борирование, цементация, поверхностная закалка, азотирование, обезуглероживание, цианирование и многие другие. Однако не каждая марка стали должна проходить все перечисленные виды термической обработки, но любая сталь нуждается в обработке.

Термическая обработка нержавеющей стали

Ещё один термообрабатываемый металл — нержавеющая сталь. Нержавеющую сталь обычно обрабатывают в зависимости от марки или типа сплава. Такие методы термической обработки, как закалка, снятие напряжений и отжиг, помогают повысить коррозионную стойкость и пластичность нержавеющей стали при изготовлении. Это также помогает сформировать твёрдую структуру, устойчивую к истиранию и высоким механическим нагрузкам.

Термическую обработку нержавеющей стали в основном проводят в контролируемых условиях, чтобы предотвратить обезуглероживание, науглероживание и окалинообразование на поверхности нержавеющей стали. К обычно применяемым методам термической обработки нержавеющей стали относятся отжиг (закалочный отжиг, промежуточный отжиг и стабилизирующий отжиг), закалка, снятие напряжений и многие другие.

Термическая обработка титана

Титан и его сплавы подвергают термической обработке для снижения остаточных напряжений, возникающих при изготовлении (снятие напряжений). Кроме того, это обеспечивает оптимальное сочетание размерной стабильности и обрабатываемости (отжиг). Для повышения прочности титана и его сплавов применяют обработку на твёрдый раствор и старение. В отношении термической обработки титановые сплавы классифицируются как альфа-, псевдоальфа-, альфа-бета- или бета-сплавы.

• Хотя альфа- и псевдоальфа-сплавы титана можно подвергать снятию напряжений и отжигу, высокую прочность нельзя получить никаким видом термической обработки
• Промышленные бета-сплавы рассматриваются как метастабильные бета-сплавы титана. При воздействии выбранных высоких температур остаточная бета-фаза распадается и происходит упрочнение материала. Для получения бета-сплавов можно сочетать старение и снятие напряжений, тогда как отжиг и обработка на твёрдый раствор могут быть идентичными операциями.
• Как следует из названия, альфа-бета-сплавы — это двухфазные сплавы, содержащие как альфа-, так и бета-фазу. По-видимому, они являются наиболее универсальными и распространёнными из трёх разновидностей титановых сплавов.

Термическая обработка меди

Медь как металл имеет приятный цвет, но важнейшие её свойства — высокая тепло- и электропроводность, прочность, обрабатываемость, хорошая коррозионная стойкость, немагнитность и простота изготовления. Конечные продукты обработки меди обычно подразделяют на литейную и прокатную продукцию. К ним относятся кабель и проволока, полоса, пруток, трубка, отливки, изделия порошковой металлургии, лист, плита, стержни, поковки и многое другое. Перечисленные изделия изготавливают из меди и её сплавов и могут подвергать термической обработке для самых разных целей.

К наиболее распространённым методам термической обработки меди относятся гомогенизация, снятие напряжений, отжиг, дисперсионное твердение и многие другие.

Распространённые методы термической обработки

Отжиг

Отжиг — это метод термической обработки, который заключается в нагреве металла до определённой температуры и последующем медленном охлаждении, что обеспечивает получение улучшенной микроструктуры. Этот процесс можно выполнять полностью или частично, разделяя составляющие. Обычно этот метод применяют для размягчения металла перед холодной обработкой, чтобы улучшить его характеристики или свойства, такие как обрабатываемость, электропроводность, пластичность и вязкость.

Он полезен для снятия напряжений в металле, возникающих в результате предшествующих процессов холодной обработки. Во время рекристаллизации пластическая деформация, возникшая ранее, устраняется, когда температура металла превышает верхнюю критическую температуру.

При использовании этого метода термической обработки детали могут проходить через самые разные технологические приёмы. К таким приёмам относятся, в частности, неполный отжиг, полный отжиг, рекристаллизационный отжиг и окончательный отжиг.

Чёрные сплавы могут подвергаться либо неполному, либо полному отжигу. В этом случае неполный отжиг предполагает более высокую скорость охлаждения вплоть до нормализации для получения однородной микроструктуры. Полный отжиг, напротив, предполагает медленное охлаждение с образованием грубопластинчатого перлита.

Цветные металлы чаще всего подвергают самым разным методам отжига. К ним относятся неполный отжиг, полный отжиг, рекристаллизационный отжиг и окончательный отжиг.

Нормализация

Метод термической обработки «нормализация» применяют, когда требуется снять внутренние напряжения. Эти напряжения могут быть вызваны такими процессами, как литьё, сварка или закалка. Для этого процесса металлические детали нагревают до температуры на 40 °C выше их верхней критической температуры.

Ещё одна полезная функция нормализации — обеспечение однородности размеров и состава при создании сплава. Нормализацию также можно применять для аустенитизированных чёрных сплавов, охлаждённых на открытом воздухе.

Этот метод полезен тем, что обеспечивает образование мартенсита, перлита и даже бейнита. Это даёт более твёрдую и прочную сталь, чем отожжённая. Верно и то, что нормализованная сталь вязче любой термически обработанной стали. Поэтому детали, которые должны выдерживать большие внешние нагрузки или работать в условиях ударных нагрузок, всегда нормализуют. Это помогает детали соответствовать требованиям, предъявляемым к ней в проекте.

Снятие напряжений

Когда детали подвергаются таким процессам, как формовка, прокатка, правка или механообработка, в них остаются определённые внутренние напряжения. Для снятия этих внутренних напряжений применяют метод термической обработки «снятие напряжений».

Метод термической обработки «снятие напряжений» применяют для уменьшения или устранения напряжений, накопившихся в детали в результате предшествующих технологических операций. Чаще всего его выполняют путём нагрева деталей до температуры ниже критической с последующим равномерным охлаждением.

Метод термической обработки «снятие напряжений» применяют для таких изделий, как котлы, воздушные резервуары, сосуды под давлением и многие другие.

Старение

Старение иначе называют дисперсионным твердением. Этот метод термической обработки известен главным образом своим применением для повышения предела текучести ковких металлов. Механизм действия этого метода обеспечивает равномерно распределённые частицы в зеренной структуре металла, что приводит к изменению свойств.

После термической обработки, достигающей высоких температур, следует дисперсионное твердение. Старение, в свою очередь, лишь повышает температуру до оптимального уровня и быстро снижает её снова.

Одни металлы стареют естественным образом (при комнатной температуре), другие — искусственно, то есть при повышенных температурах. Металлы, стареющие естественным образом, очень легко хранить при пониженных температурах. В некоторых применениях естественно стареющие сплавы держат в морозильной камере, чтобы избежать упрочнения до момента их использования. К сплавам, способным подвергаться дисперсионному твердению, относятся алюминиевые сплавы (серии 2000, 6000 и 7000), сталь (мартенситностареющая сталь) и многие другие.

Закалка

Закалка, или закалочное упрочнение, включает нагрев деталей выше их верхней критической температуры и быстрое возвращение температуры такой детали к комнатной. Возврат к комнатной температуре осуществляется путём погружения раскалённого металла в масло, соляной раствор, полимер, растворённый в воде, или другую подходящую жидкость для полного упрочнения структуры. Этот процесс выполняется быстро. Закалку применяют как для чёрных, так и для цветных сплавов. Цветные металлы дают более мягкие, чем обычно, детали, а чёрные сплавы — более твёрдую деталь.

Твёрдость закалённой детали зависит от метода закалки и химического состава металла. Закалку применяют для чёрных металлов, включая железо и сталь, и цветных металлов, включая сплавы никеля, меди, алюминия и многие другие. Однако большинство цветных металлов при закалке дают противоположный эффект. К таким материалам относятся алюминий, медь или никель, аустенитная нержавеющая сталь, например 316 и 304.

Упрочнение

В области термической обработки упрочнение — наиболее распространённая методика повышения твёрдости деталей. В некоторых случаях упрочняется только поверхность таких деталей.

Для этого нужную деталь упрочняют термической обработкой до заданной температуры, а затем быстро охлаждают, погружая в охлаждающую среду. Используемые охлаждающие среды включают, помимо прочего, соляной раствор, воду или масло. Конечный результат термической обработки упрочнением — повышение прочности и твёрдости, однако одновременно возрастает и хрупкость материала.

Один из видов упрочнения — поверхностное упрочнение, при котором твёрдость приобретает только наружный слой металлических деталей. Это означает, что полученная деталь будет иметь более мягкую сердцевину, но более твёрдый наружный слой. Такая твёрдость наружного слоя типична для валов, поскольку она защищает их наружный слой от износа материала.

Отпуск

Отпуск — это метод термической обработки, применяемый для повышения упругости сплавов на основе железа, таких как сталь. Хотя сплавы на основе железа обладают высокой твёрдостью, они часто слишком хрупки для большинства применений. Поэтому отпуск применяют для изменения пластичности, твёрдости, прочности и хрупкости, чтобы облегчить обработку. Для этого деталь подвергают термической обработке ниже критической точки: более низкая температура снижает хрупкость, сохраняя твёрдость детали. С другой стороны, если требуется повышенная пластичность при меньшей твёрдости и прочности, необходима более высокая температура.

Другой подход — закупать уже упрочнённые детали или упрочнять деталь перед механообработкой. В отличие от обработки после механообработки, такую деталь может быть сложнее обрабатывать, но это исключает риск изменения её размеров. Этот процесс также помогает отказаться от услуг шлифовального цеха для достижения жёстких допусков или чистоты поверхности.

Обезуглероживание

Обезуглероживание — это удаление углерода с поверхности нужных деталей либо в ходе обычного процесса старения под действием окисления, либо путём нагрева. Это явление поверхностной деградации при термической обработке и ковке стали. Его также можно описать как металлургический процесс, при котором поверхность стали обедняется углеродом. Происходит это в основном за счёт химического воздействия или нагрева стальной детали выше нижней критической температуры.

Содержание углерода в металле влияет на его твёрдость. В процессе обезуглероживания углерод диффундирует с поверхности металла, что приводит к его ослаблению. Хотя процесс снижает прочность металла, он также увеличивает деформацию сдвига под поверхностью металла. Он также снижает усталостную стойкость, при этом скорость износа и рост трещин возрастают.

Распространённый процесс термической обработки

В производстве применяется множество разнообразных методов термической обработки. Каждый метод термической обработки даёт разные результаты, но у них есть общие этапы, включая:

• Нагрев
• Выдержка
• Охлаждение

Нагрев

В большинстве процессов термической обработки нагрев является первым этапом. Многие термически упрочняемые сплавы изменяют структуру при нагреве до определённой температуры. При комнатной температуре структура сплава может представлять собой твёрдый раствор, механическую смесь или сочетание механической смеси и твёрдого раствора.

Например, механическую смесь можно сравнить с бетоном: песок и гравий удерживаются в едином монолите цементом. Аналогично, в механической смеси элементы и соединения различимы и удерживаются вместе матрицей из основных металлов.

Твёрдым раствором называют раствор, в котором два или более металла поглощаются другим, образуя единое целое. Таким образом, когда сплав находится в форме твёрдого раствора, элементы и соединения, составляющие изделие, взаимно поглощены друг другом.

При комнатной температуре металл в виде механической смеси при нагреве переходит в частичный раствор, или твёрдый раствор. В ходе этого процесса химические свойства и состав изделия могут изменяться по размеру зерна и структуре. В зависимости от применяемой технологии сплав может оказаться в одном из трёх состояний, описанных выше.

Выдержка

Этот этап также называют этапом выдержки: металл, подвергаемый термической обработке, выдерживается при требуемой температуре. Металл должен оставаться при этой температуре до равномерного распределения тепла, что и называется выдержкой. Продолжительность выдержки при этой температуре зависит от требований. Например, чем больше масса детали, тем больше времени требуется для её прогрева. Ещё один фактор, влияющий на продолжительность, — тип материала.

Охлаждение

После надлежащей выдержки детали следующим этапом является её охлаждение. Здесь структура детали может претерпевать изменения от одного химического состава к другому, может вернуться к исходной форме или остаться прежней. В зависимости от скорости охлаждения и типа металла металл в виде твёрдого раствора может остаться неизменным при охлаждении, превратиться в сочетание двух состояний или в механическую смесь. Примечательно, что результат предсказуем, поэтому можно ожидать, что деталь приобретёт ожидаемые свойства.

Следовательно, множеству разнообразных металлов можно придать определённые структуры для повышения их вязкости, твёрдости, предела прочности при растяжении, пластичности и многих других характеристик.

Необходимое оборудование для термической обработки

Для успешного процесса термической обработки требуется строгий контроль всех факторов, влияющих на нагрев и охлаждение детали. Такой контроль возможен только при наличии надлежащего оборудования, которое должным образом соответствует требованиям проекта. Поэтому используемая печь должна быть надлежащего типа и размера, а температура в ней должна контролироваться и поддерживаться в пределах, предписанных для каждой операции.

Кроме того, атмосферные условия внутри печи могут влиять на состояние деталей, подвергаемых термической обработке. Помимо этого, закалочная среда и закалочное оборудование должны выбираться с учётом используемого материала и процесса термической обработки. Наконец, необходимо предусмотреть оборудование для обработки деталей и материалов, правки деталей и очистки металлов. Ниже приведены различные типы печей, необходимых для процесса термической обработки:

• Печь периодического действия: состоит из изолированных камер с системой нагрева, стальным кожухом и доступом в камеру.
• Колпаковая печь: состоит из съёмных колпаков, которые можно опускать над садкой и подом с помощью крана
• Камерная печь: большинство модернизировано до полунепрерывной печи периодического действия с такими функциями, как камеры медленного охлаждения и встроенные закалочные баки.
• Печь с выкатным подом: также называется печью с тележкой; это очень крупная печь периодического действия с подвижной изолированной тележкой, которую можно вкатывать в печь и выкатывать из неё.
• Печь с подъёмным подом: под и тележка вкатываются в положение под печью, в отличие от печи с выкатным подом
• Печь с кипящим слоем: состоит из цилиндрического реторта, изготовленного из жаропрочного сплава.
• Шахтная печь: печь сооружается в приямке и доходит до уровня пола или чуть выше
• Соляная печь: использует различные соли для термической обработки

Резюме

В заключение: термообработка — это способ использования контролируемого нагрева и охлаждения для изменения физических свойств металлов с целью их улучшения. В результате такие металлы получают возможность применяться в самых разных отраслях промышленности. Кроме того, термообработка является неотъемлемой частью процесса прецизионной механообработки, позволяя преобразовывать детали и гарантировать, что ваши детали будут работать так, как ожидается в ваших проектах.