Термическая обработка металлов: Все, что вам нужно знать

Пользователи металлов в обрабатывающей промышленности научились улучшать огромные сорта металлов. В основном это делается для того, чтобы изменить их свойства в соответствии с поставленной задачей, например реакцией на прецизионная обработка.

Существует множество методов улучшения металлов, один из которых включает в себя термическую обработку металлов. Этот процесс может изменить ряд различных свойств, включая прочность, форму, эластичность, твердость, пластичность и обрабатываемость.

Как следует из темы этой статьи, она посвящена всему, что вам нужно знать о термической обработке металлов.

Что такое термическая обработка металлов

Термообработка - это общий процесс использования операций нагрева и охлаждения на различных ступенях для изменения физических свойств металлов (микроструктуры), таких как сталь, алюминий и многие другие. Основной целью такой обработки является улучшение физических и структурных свойств для определенного использования или будущей работы с металлом.

Существует огромное количество процессов термообработки, среди которых закалка, отжиг, отпуск, обезуглероживание, нормализация, закалка в корпусе, старение, закалка и другие. Хотя каждый из этих видов термообработки приводит к различным результатам в металле, все они включают три основных этапа. Эти этапы включают в себя нагрев, выдержку и охлаждение.

Преимущества термической обработки металлов

В мире производства обычно используется термическая обработка металлов, которая представляет собой точно контролируемый процесс нагрева и охлаждения. Термообработка не только делает металл тверже, но и делает его мягче. Размягчение позволяет использовать металл для таких операций, как холодная ковка, механическая обработка, глубокая вытяжка и многие другие. Термическая обработка металла имеет ряд преимуществ, к которым относятся следующие:

• Улучшение обрабатываемости или технологичности:

Термообработка помогает повысить технологичность металла. Это происходит за счет снятия внутренних напряжений в результате предыдущих процессов изготовления, таких как горячая и холодная обработка, механическая обработка, сварка и штамповка. Например, если металл очень трудно гнуть или обрабатывать, его можно подвергнуть отжигу или снятию напряжения. Это поможет снизить твердость такого материала. Если материал деформируется при механической обработке, чтобы предотвратить деформацию, его можно отжечь или снять напряжение. Термическая обработка с использованием индукции или пламени также может быть использована для смягчения определенного участка металла, оставляя остальную часть металла нетронутой.

• Повышение долговечности и износостойкости

Существует несколько процессов термообработки. Некоторые из этих процессов могут использоваться для повышения износостойкости за счет закалки металлов. Такие металлы, как титан, сталь, инконель и некоторые сплавы меди, могут быть закалены как на поверхности (корпусная закалка), так и насквозь (сквозная закалка). Это делается для того, чтобы сделать материал прочнее, долговечнее, жестче и устойчивее к износу. Этот метод лучше всего подходит для повышения прочности недорогой стали, в том числе 1018 или A-36.

Локальная закалка может осуществляться как индукционным, так и пламенным способом. Это также помогает закалить определенную часть, оставляя остальные части материала нетронутыми или неизменными. Наконец, азотирование используется для закалки поверхности детали при низких температурах, чтобы уменьшить деформацию.

• Повышение выносливости и прочности

Вязкость и прочность - это компромисс, поскольку повышение прочности, измеряемой твердостью, может привести к снижению вязкости и появлению хрупкости. Следовательно, термическая обработка может повлиять на предел прочности, предел текучести и вязкость разрушения. Повысить прочность материала поможет сквозная закалка или закалка в корпусе. Однако для уменьшения хрупкости материал необходимо подвергнуть обратной вытяжке или отпуску. Степень закалки определяется пределом прочности, который требуется для детали. Кроме того, если полученный материал слишком хрупкий, его можно подвергнуть термической обработке, повторному закаливанию или отжигу, чтобы сделать его более пригодным для использования (вязким).

• Улучшение магнитных свойств

Многие металлы, в том числе 316 или 1008, имеют тенденцию приобретать магнетизм, который измеряется как магнитная проницаемость. В основном это происходит, когда материалы подвергаются закалке с помощью таких методов, как механическая обработка, штамповка, формовка и гибка. Помимо усиления магнетизма, существует особый тип отжига, который помогает уменьшить магнитную проницаемость. Это важно сделать, если деталь будет применяться в электронной среде.

Какие металлы можно подвергать термообработке?

В мире термообработки черные металлы составляют большую часть термообработанных материалов. Около 80% термообработанных черных металлов приходится на различные марки стали. Другие примеры черных металлов, которые поддаются термообработке, включают нержавеющую сталь и чугун. Однако другие металлы, включая магний. Алюминий, никель, титан, латунь, медные сплавы и многие другие поддаются термообработке.

Термообработка алюминия

Термическая обработка алюминий помогает укрепить и упрочнить определенную группу сплавов алюминия. К ним относятся деформируемые и литые сплавы, поддающиеся закалке осадком. К таким сплавам алюминия, закаливаемым осадками, относятся сплавы марок 2XXX, 6XXX, 7XXX и 8XXX. Отжиг также может потребоваться для деталей, подвергшихся деформационному упрочнению в процессе формования.

Типичная термическая обработка алюминия включает отжиг, естественное и искусственное старение, гомогенизацию и термическую обработку раствором. Хотя термическая обработка алюминия отличается от обработки других металлов, таких как сталь, температура в печи может варьироваться от 240 до 1000oF в зависимости от конкретного используемого процесса.

Термическая обработка стали

Как уже упоминалось, наиболее термически обработанным черным металлом является сталь. Регулировка содержания углерода в стали является простейшей термической обработкой стали. Это позволяет изменить механические свойства стали. При термообработке происходят дополнительные изменения - например, ускорение скорости охлаждения через точку превращения аустенита в феррит. Кроме того, увеличение скорости охлаждения перлитной стали (0,77% углерода) до 200oC в минуту создает DPH около 300, а охлаждение при 400oC в минуту увеличивает DPH до 400. Увеличение твердости объясняется образованием более тонкой перлитной и ферритной микроструктуры, которая может быть получена при медленном охлаждении в условиях окружающего воздуха.

В целом, обычно используемые процессы термической обработки стали включают отжиг, закалку, отпуск, борирование, науглероживание, закалку в корпусе, азотирование, обезуглероживание, цианистую закалку и многие другие. Однако не каждая марка стали должна проходить все перечисленные виды термообработки, но все стали должны быть обработаны.

Термическая обработка нержавеющей стали

Еще один металл, поддающийся термообработке, - нержавеющая сталь. Термическая обработка нержавеющей стали обычно зависит от ее марки или типа сплава. Методы термообработки, включая закалку, снятие напряжения и отжиг, помогают повысить коррозионную стойкость и пластичность нержавеющей стали в процессе производства. Они также помогают создать твердую структуру, способную противостоять истиранию и высоким механическим нагрузкам.

Термическая обработка нержавеющей стали в основном проводится в контролируемых условиях для предотвращения обезуглероживания, науглероживания и образования окалины на поверхности нержавеющей стали. К широко используемым методам термообработки нержавеющей стали относятся отжиг (закалочный отжиг, технологический отжиг и стабилизирующий отжиг), закалка, снятие напряжения и многие другие.

Термообработка титана

Титан и его сплавы подвергаются термической обработке для уменьшения остаточных напряжений, возникающих при изготовлении (снятие напряжений). Кроме того, она приводит к получению оптимального сочетания стабильности размеров и обрабатываемости (отжиг). Для повышения прочности титана и его сплавов используются обработка раствором и старение. Когда речь идет о термической обработке, титановые сплавы классифицируются как сплавы альфа, около альфа, альфа-бета или бета.

• Хотя сплавы титана альфа и около альфа можно снимать напряжение и отжигать, высокая прочность не может быть достигнута никакими видами термообработки.
• Коммерческие бета-сплавы рассматриваются как метастабильные бета-титановые сплавы. При воздействии выбранных высоких температур сохранившаяся бета-фаза распадается и происходит упрочнение материала. Для получения сплавов Бета можно комбинировать старение и обработку для снятия напряжения, а отжиг и обработка раствором могут быть идентичными операциями.
• Как следует из названия, альфа-бета-сплавы - это двухфазные сплавы, в состав которых входят альфа- и бета-фазы. Они являются наиболее универсальными и распространенными из трех разновидностей сплавов титана.

Термообработка меди

Медь как металл имеет приятный цвет, но наиболее важными характеристиками меди являются ее высокая тепло- и электропроводность, прочность, обрабатываемость, хорошая коррозионная стойкость, немагнитность и простота изготовления. Конечные продукты производства меди обычно описываются как литейная и прокатная продукция. Это может быть кабель и проволока, лента, пруток, трубы, литье, формы для порошковой металлургии, листы, плиты, прутки, поковки и многое другое. Эти вышеупомянутые изделия производятся с использованием меди и ее сплавов и могут подвергаться термической обработке для самых разных целей.

Наиболее часто используемые методы термообработки меди включают гомогенизацию, снятие напряжения, отжиг, закалку осадком и многие другие.

Распространенные методы термообработки

Отжиг

Отжиг - это метод термической обработки, заключающийся в нагреве металла до определенной температуры и последующем охлаждении с медленной скоростью, в результате чего образуется утонченная микроструктура. Этот процесс может быть осуществлен как полностью, так и частично, путем разделения составляющих. Этот метод обычно используется для размягчения металла для холодной обработки с целью улучшения его характеристик или свойств, таких как обрабатываемость, электропроводность, пластичность и вязкость.

Это полезно для снятия напряжений в металле, возникших в результате предыдущих процессов холодной обработки. Во время рекристаллизации пластическая деформация снимается, когда температура металла пересекает верхнюю критическую температуру.

При использовании этого метода термообработки детали, подлежащие термообработке, могут проходить через огромное количество методик. К таким методам относятся, в частности, частичный отжиг, полный отжиг, рекристаллизация и окончательный отжиг.

Черные сплавы могут подвергаться либо технологическому отжигу, либо полному отжигу. В этом случае технологический отжиг предполагает более высокую скорость охлаждения вплоть до нормализации для получения однородной микроструктуры. Полный отжиг, напротив, предполагает медленное охлаждение для получения крупнозернистого перлита.

Что касается цветных металлов, то они чаще всего подвергаются самым разнообразным методам отжига. К ним относятся частичный отжиг, полный отжиг, рекристаллизационный отжиг и окончательный отжиг.

Нормализация

Метод нормализующей термообработки используется, когда требуется снять внутренние напряжения. Эти напряжения могут быть вызваны такими процессами, как литье, сварка или закалка. Этот процесс требует нагрева металлических деталей до температуры, которая на 40oC выше верхней критической температуры.

Еще одна полезная функция нормализации - обеспечение однородности размеров и состава при создании сплава. Нормализацию также можно использовать для аустенизированных черных сплавов, которые были охлаждены на открытом воздухе.

Эта технология выгодна тем, что при ней образуются мартенсит, перлит и даже бейнит. В результате получается более твердая и прочная сталь, чем отожженная. Фактически нормализованная сталь прочнее любой термообработанной стали. Поэтому детали, которые должны выдерживать большие внешние нагрузки или иметь ударную прочность, всегда подвергаются нормализации. Это поможет детали соответствовать требованиям, предъявляемым к деталям, необходимым для проекта.

Снятие стресса

Когда некоторые детали подвергаются таким процессам, как формовка, прокатка, правка или механическая обработка, это оставляет в них определенное внутреннее напряжение. Чтобы снять это внутреннее напряжение, используется метод термообработки для снятия напряжения.

Метод термообработки для снятия напряжений используется для уменьшения или удаления напряжений, возникших в детали в результате предыдущих технических операций, выполняемых с такими деталями. В основном это делается путем нагрева деталей до температуры, которая ниже критической, и последующего равномерного охлаждения.

Метод термообработки, снимающий напряжение, используется для изготовления таких изделий, как котлы, воздушные резервуары, сосуды под давлением и многое другое.

Старение

Старение иначе называют закалкой осадков. Этот метод термообработки известен прежде всего тем, что применяется для повышения предела текучести ковких металлов. Механизм действия этого метода заключается в образовании равномерно диспергированных частиц в структуре зерна металла, что приводит к изменению его свойств.

После термической обработки, при которой достигаются высокие температуры, наступает закалка осадком. Старение же лишь повышает температуру до оптимального уровня и быстро снижает ее.

Некоторые металлы стареют естественным образом (при комнатной температуре), другие - искусственно, при повышенных температурах. Естественно стареющие металлы очень легко хранить при пониженных температурах. Естественно стареющие сплавы в некоторых случаях хранят в морозильной камере, чтобы избежать затвердевания до тех пор, пока не наступит время их использования. К сплавам, которые могут подвергаться закалке осаждением, относятся сплавы алюминия (2000-й серии, 6000-й серии и 7000-й серии), стали (мартенситно-стареющая сталь) и многие другие.

Закаливание

Закалка или закаливание подразумевает нагрев деталей выше их верхней критической температуры для быстрого возвращения температуры детали к комнатной. Возвращение к комнатной температуре осуществляется путем помещения горячего металла в масло, рассол, полимер, растворенный в воде, или другую подходящую жидкость для полного затвердевания структуры. Этот процесс осуществляется в быстром режиме. Закалка производится как для черных, так и для цветных сплавов. Если из цветного металла получаются более мягкие, чем обычно, детали, то из черных сплавов - более твердые.

Закаленная твердость требуемой детали зависит от используемого метода закалки и химического состава металла. Закалка проводится для черных металлов, включая железо и сталь, и цветных металлов, включая сплавы никеля, меди, алюминия и многих других. Однако большинство цветных металлов при закалке дают обратный эффект. К таким материалам относятся алюминий, медь или никель, аустенитная нержавеющая сталь, например 316 и 304.

Закаливание

В области термообработки закалка является наиболее распространенным методом, используемым для повышения твердости деталей. В некоторых случаях закалке подвергается только поверхность деталей.

Для этого требуемая для термообработки деталь закаливается путем термообработки до заданной температуры, затем быстро охлаждается путем помещения в охлаждающую среду. В качестве охлаждающей среды могут использоваться, в частности, рассол, вода или масло. Конечный продукт термообработки путем закалки повышает прочность и твердость, однако одновременно увеличивается хрупкость материала.

Разновидностью процесса закалки является корпусная закалка, при которой твердость внешнего слоя проявляется только у металлических деталей. Это означает, что полученная деталь будет иметь более мягкую сердцевину, но более твердый внешний слой. Такая твердость внешнего слоя характерна для валов, поскольку защищает их внешний слой от износа.

Отпуск

Отпуск - это метод термической обработки, используемый для повышения прочности сплавов на основе железа, таких как сталь. Хотя сплавы на основе железа обладают высокой твердостью, они часто слишком хрупки для большинства применений. В результате закалка используется для изменения пластичности, твердости, прочности и хрупкости, чтобы облегчить обработку. Для этого деталь подвергается термообработке ниже критической точки, так как более низкая температура уменьшает хрупкость, сохраняя твердость детали. С другой стороны, если требуется повышенная пластичность при снижении твердости и прочности, необходима более высокая температура.

Другой подход к решению этой проблемы - приобретение деталей, прошедших закалку, или закалка детали перед обработкой. В отличие от процесса обработки после обработки, он может быть сложным для обработки, но исключает риск изменения размеров детали. Этот процесс также помогает устранить необходимость в шлифовальном цехе для получения жестких допусков или отделки.

Обезуглероживание

Обезуглероживание подразумевает удаление углерода с поверхности требуемых деталей либо в результате нормального процесса старения окисления, либо под воздействием тепла. Это явление деградации поверхности при термообработке и ковке стали. Его также можно описать как металлургический процесс, в ходе которого поверхность стали очищается от содержания углерода. Это происходит в основном за счет химического воздействия или нагрева стальной детали выше нижней критической температуры.

Содержание углерода в металле влияет на его твердость. В процессе обезуглероживания углерод диффундирует с поверхности металла, что приводит к его ослаблению. Хотя этот процесс снижает прочность металла, он также увеличивает деформацию сдвига под поверхностью металла. Это также снижает усталостную прочность, а скорость износа и рост трещин увеличиваются.

Общий процесс термической обработки

Существует огромное количество методов термообработки, используемых в производственной сфере. Каждый из методов термообработки дает разные результаты, но у них есть общие этапы, включая:

• Отопление
• Замачивание
• Охлаждение

Отопление

В большинстве процессов термообработки первым этапом является нагрев. Многие сплавы, поддающиеся термообработке, меняют структуру при нагреве до определенной температуры. При комнатной температуре структура сплава может представлять собой либо механическую смесь твердых растворов, либо комбинацию механической смеси и смеси твердых растворов.

Например, механическую смесь можно сравнить с бетоном, так как песок и гравий удерживаются вместе цементом. Точно так же в механической смеси элементы и соединения видны и удерживаются вместе матрицей из неблагородных металлов.

Твердым раствором называется раствор, в котором два или более металлов поглощаются друг другом, образуя единое целое. Поэтому, когда сплав находится в форме твердого раствора, элементы и соединения, входящие в его состав, впитываются друг в друга.

При комнатной температуре металл в своей механической смеси переходит в частичный раствор или твердый раствор при нагревании. Во время этого процесса химические свойства и состав детали могут изменяться в размере и структуре зерен. В зависимости от используемой технологии сплав может оказаться в одном из трех состояний, описанных ранее.

Замачивание

Этот этап также считается этапом выдержки: металл, подвергаемый термообработке, поддерживается при требуемой температуре. Металл должен оставаться при этой температуре до тех пор, пока тепло не будет равномерно распределено, что называется выдержкой. Продолжительность пребывания при этой температуре зависит от требований. Например, чем больше масса детали, тем больше времени требуется для ее выдержки. Еще одним фактором, влияющим на продолжительность, является тип материала.

Охлаждение

После того как деталь пропиталась, наступает следующий этап - ее охлаждение. Здесь структура детали может претерпеть изменения от одного химического состава к другому, вернуться к первоначальной форме или остаться прежней. В зависимости от скорости охлаждения и типа металла, металл в твердом растворе может оставаться неизменным при охлаждении, превращаться в комбинацию этих двух компонентов или в механическую смесь. Интересен тот факт, что результат предсказуем, поэтому можно предположить, что деталь в итоге получится такой, как ожидалось.

Таким образом, огромное количество металлов может быть приведено в соответствие с определенными структурами для повышения их прочности, твердости, прочности на разрыв, пластичности и многого другого.

Необходимое оборудование для термообработки

Для успешного процесса термообработки необходим тщательный контроль над всеми факторами, влияющими на нагрев и охлаждение детали. Такой контроль возможен только при наличии соответствующего оборудования и его правильном подборе в соответствии с требованиями проекта. Следовательно, используемая печь должна быть соответствующего типа и размера, в которой температура должна контролироваться и поддерживаться в пределах, предписанных для каждой операции.

Атмосферные условия внутри печи также могут повлиять на состояние деталей, подвергаемых термообработке. Кроме того, закалочная среда и закалочное оборудование должны быть подобраны в соответствии с используемым материалом и процессом термообработки. Наконец, необходимо предусмотреть оборудование для перемещения деталей и материалов, правки деталей и очистки металлов. Ниже перечислены различные типы печей, необходимых для процесса термообработки:

• Печь периодического действия: состоит из изолированных камер, оснащенных системой нагрева, стальной оболочкой и доступом в камеру.
• Печь колокольного типа: состоит из съемных крышек, называемых колоколами, которые опускаются над грузом и очагом с помощью крана
• Печь коробчатого типа: большинство из них были модернизированы в полунепрерывную печь периодического действия с камерами медленного охлаждения и встроенными закалочными баками.
• Печь вагонеточного типа: также рассматривается как тележечный горн, который представляет собой чрезвычайно большую печь периодического действия с подвижным изолированным вагоном, который можно перемещать в печь и из нее.
• Печь элеваторного типа: в отличие от вагонетки, горн и вагонетка закатываются под печь.
• Печь с кипящим слоем: состоит из цилиндрической реторты, изготовленной из высокотемпературного сплава.
• Печь в яме: печь сооружается в яме и выдвигается на уровень пола или чуть выше
• Печь с соляной ванной: для термообработки используется соль различных сортов

Резюме

В заключение следует отметить, что термическая обработка - это способ использования контролируемого нагрева и охлаждения для изменения физических свойств металлов с целью улучшения их свойств. В результате такие металлы получают возможность использования в самых разных отраслях промышленности. Кроме того, термообработка является важной частью процесса прецизионной обработки для преобразования деталей и обеспечения ожидаемой эффективности ваших проектов.