Виды термической обработки стали

Термическая обработка предполагает воздействие на металл высоких или низких температур, в результате чего меняется его кристаллическая решетка. Различные виды обработки стали позволяют подготовить ее к использованию в машиностроении и других отраслях промышленного производства. Методики температурного воздействия могут использоваться для черных и цветных металлов, однако чаще всего они применяются для различных видов стали.

Для чего нужна обработка стали?

Основное назначение термообработки – обеспечивать стали требуемые механические свойства для дальнейшего производства изделий. Температурное воздействие дает возможность преобразовать структуру металла, превратить крупные частицы в тоненькие пластинки, уменьшить зернистость. С его помощью также можно изменить модификацию металла, например, превратить гамма-железо в альфа-версию и придать ему магнитные свойства. 

Термическая обработка стали решает сразу несколько задач:

• Повышение износостойкости и устойчивости к нагреву или охлаждению. В результате повышается надежность металлических изделий.
• Увеличение пластичности. В результате расширяются возможности дальнейшей обработки металла, его применения в промышленном производстве.
• Устранение внутреннего напряжения. Это позволяет предотвратить быстрый износ или деформацию готовых деталей.
• Повышение коррозионной стойкости. Обработка продлевает срок службы металлоизделий, предотвращает их разрушение под действием факторов среды.

Рассмотрим ниже, какие виды обработки сталей помогают решить эти задачи и улучшить эксплуатационные характеристики сплавов.

Параметры оценки характеристик металла

Все основные виды обработки стали проводятся с учетом ее механических свойств. Особенности сплава оцениваются по следующим характеристикам:

• Прочность. Она предполагает устойчивость к механическим нагрузкам. Термообработка дает возможность повысить прочность и износостойкость стали, в результате готовые изделия способны выдерживать более интенсивное внешнее воздействие.
• Пластичность. Эта характеристика указывает на способность металла менять форму с сохранением целостности структуры.
• Ударная вязкость. Показатель рассчитывается в Дж/см², под ним понимается способность металла противостоять действию ударных нагрузок.
• Упругость. Характеристика оценивается в МПа, указывается на способность металла возвращаться к изначальной форме и восстанавливать объем после воздействия.
• Твердость. Это способность противостоять внедрению другого тела, обладающего большей твердостью.
• Структурные особенности. Любые разновидности стали обладают зернистой структурой, и от величины зерна зависит прочность, твердость и способность к обработке. Чтобы его уменьшить, сплавы модифицируются с помощью введения в состав нерастворимых компонентов.

Отпуск

Отпуск – это методика температурного воздействия, направленная на снятие остаточных напряжений в структуре металла и понижение его хрупкости. Как правило, этот метод используется на финишном этапе обработки материала. Технология отпуска предполагает нагрев металла до высоких температур, после чего он медленно остывает естественным путем. В результате повышается ударная вязкость металла и понижается его жесткость – это повышает устойчивость к ударным нагрузкам.

Различают несколько технологий отпуска в зависимости от температурного уровня и поставленных задач:

• Низкий. Металлическая заготовка при этом нагревается только до 250-300°С. Метод применяется при обработке инструментальных сталей: вязкость металла значительно увеличивается, в результате режущие и другие инструменты становятся более устойчивыми к интенсивным нагрузкам.
• Средний. Такая обработка проводится при температурном режиме от 350 до 400°С, ее используют преимущественно для деталей, которые должны выдерживать ударные нагрузки. Заготовки выдерживаются под нагревом несколько часов, а затем постепенно остывают на воздухе.
• Высокий. Температурный режим отпуска — от 450 до 650°С, после него вязкость металла увеличивается без потери прочности. Такой метод используется при обработке ответственных деталей.

Отжиг

Отжиг – разновидность термической обработки стали, направленная на устранение внутреннего напряжения с обеспечением максимально однородной структуры металла. Отжиг предполагает нагрев металла почти до критической точки, выдержку при постоянной высокой температуре, а затем заготовки медленно охлаждаются.

Важно! В отличие от отпуска, когда металл охлаждается на открытом воздухе, при отжиге охлаждение проводится прямо в печи.

Различные виды отжига при термической обработке стали выбираются в зависимости от разновидности материала и поставленной задачи. Основные способы:

• Гомогенизация – обработка для обеспечения однородности отливки. Нагрев запускает процесс диффузии, при котором все элементы сплава равномерно распределяются в его структуре. Металл прогревается до температуры выше точки кристаллизации, выдерживается до 15 часов, а затем постепенно остывает. Метод, как правило, используется для заготовок из легированных сталей.
• Рекристаллизация. Такую технологию еще называют низким отжигом. Ее задача – восстановление первоначальной кристаллической решетки, устранить последствия деформаций повысить пластичность металла. Такая обработка может использоваться как предварительный этап перед холодной штамповкой.
• Изометрический отжиг. Этот метод направлен на разрушение аустенита. Металл нагревается до температуры, которая превышает критическую на 20-30°С, выдерживается в печи или емкости с соляным расплавом, затем быстро остужается до температуры 630°С и окончательно медленно остывает. В результате структура легированной стали улучшается.
• Отжиг для устранения внутреннего напряжения, которое возникает при неравномерном прогреве металла, слишком быстром охлаждении или деформацией после механической нагрузки. Температура нагрева металла в этом случае может достигать 700°С, остывание должно быть самым медленным среди всех методов отжига.
• Полный отжиг, благодаря которому металлу придаётся мелкозернистая структура. Методика широко применяется для обработки заготовок, полученных методом литья, ковки или штамповки.
• Неполный отжиг. Его отличие в назначении: такой метод применяется для деталей после их соединения электродуговой сваркой. В результате обработки перлит переходит в феррито-цементную структуру.

Закалка

Это один из самых старых способов обработки стали, его основное назначение – повышение прочности и износостойкости. Металл прогревается и быстро охлаждается, это запускает процесс перекристаллизации его структуры. Закалка не только увеличивает механическую устойчивость металла к нагрузкам, но и повышает его упругость и стойкость к коррозионному воздействию.

Закалка может проводиться при разных температурных режимах: учитывается температура, при которой начинает разрушаться кристаллическая решетка металла. Параметры обработки регулируются следующими способами:

• Выбор подходящей охлаждающей среды. С давних времен для этого в кузнечном деле использовалась вода, сейчас для охлаждения используются технические масла, растворы солей и другие среды.
• Выбор температуры. На составляет от 800 до 1300°С, некоторые виды стали можно закалять только в условиях доменной печи.
• Выбор способа охлаждения заготовок. Например, закалка может быть поэтапной: медленную обработку организуют для самых хрупких заготовок с тонкими металлическими стенками.

Важно! В качестве охлаждающей среды при закалке может использоваться не вода, а техническое масло. Однако в этом случае есть риск, что оно загорится при контакте с раскаленным металлом.

Нормализация

Нормализация – вид технической обработки стали, при которой заготовка приобретает внутреннюю мелкозернистую структуру. Его применяют для горячекатаных деталей, в результате заготовки становятся более устойчивыми к излому, более вязкими и прочными. Технология нормализации предполагает следующие основные шаги:

• Заготовка разогревается до температуры на 30-50°С больше критического значения;
• Она выдерживается в заданном температурном диапазоне;
• Металл охлаждается в открытой воздушной среде.

Как правило, такая обработка проводится на завершающем этапе создания детали. Например, нормализацию проводят после ковки с механической деформацией металла – это позволяет устранить внутреннее напряжение. Также эта методика может применяться перед закалкой, чтобы предотвратить образование вторичного цемента и улучшить структуру металла.

Криогенная термообработка

Криогенная термообработка металла предполагает воздействие не высокой, а низкой температуры. Она проводится с использованием жидкого азота: металл помещают в среду с температурой -195°С, выдерживают, а затем извлекают, и он прогревается естественным путем. Такая обработка приводит к значительным изменениям кристаллической решетки: криогенное воздействие повышает прочность и твердость сплава, а также замедляет процесс старения металла.

Криогенная обработка часто проводится после закалки, ее цель – остановка мартенситного преобразования. В результате стальные заготовки становятся более износостойкими.

Старение

Естественное старение металла – медленный постепенный процесс изменения его свойств, в результате чего они начинают отклоняться от нормы. Атомы в металле движутся под воздействием внешних температур, УФ-излучения и других природных факторов, с течением времени это приводит к увеличению прочности и других характеристик.

Искусственное старение – это ускоренная обработка для получения нужных характеристик в минимальный промежуток времени. При такой обработке металл прогревается до температуры 120-150°С, выдерживается при таком температурном уровне до трех суток, а затем охлаждается. В результате запускается процесс стабилизации углерода в составе стали с сохранением ее первоначальной прочности.

Термомеханическая обработка

Термомеханическая обработка – комбинированный способ воздействия, при котором металл одновременно подвергается и действию высоких температур, и механической нагрузке. Различают два вида такой обработки:

• Низкотемпературная. Металл разогревается до температурного диапазона 400-600°С, проходит механическую деформацию, а затем подвергается закалке и отпуску. Метод позволяет существенно повысить прочность заготовок.
• Высокотемпературная. С ее помощью можно устранить отпускную хрупкость металлической заготовки и повысить ее вязкость. Заготовка деформируется под прессом, а затем проходит высокотемпературный отпуск.

Важно! Термомеханическая обработка устраняет дефекты кристаллической решётки металла, что делает его более устойчивым к коррозии. В результате готовые изделия служат дольше, они меньше подвержены деформации и различным разрушительным воздействиям среды.

Химико-термическая обработка

Различные виды химико-термической обработки стали предполагают совмещение температурного воздействия и контакта с различными реагентами. Наиболее востребованные технологии:

Цементация

Цементация проводится перед проведением отпуска и закалки готового металлического изделия. Ее задача – насытить его углеродом, что позволяет повысить устойчивость к износу. Цементация предполагает разогрев заготовок в печи, после чего внутрь подается углеводородный газ, с помощью которого верхние слои металла обогащаются углеродом. Метод получил широкое применение в машиностроении, где нужно добиться максимальной прочности деталей.

Азотирование

Азотирование предполагает насыщение металлического сплава азотом в условиях температурного диапазона 500-650°С. Разогретый металл помещается в аммиачную среду, в результате сплав приобретает повышенную устойчивость к коррозии, а также стойкость к механическим нагрузкам.

Нитроцементация

Нитроцементация – технология воздействия на металл углеродом и азотом. Поверхность металла разогревается до температурного уровня 840-860°С, а затем обрабатывается химическими соединениями для обогащения. Метод активно применяется для низкоуглеродистых сталей, помогает повысить их прочность и износостойкость.

Борирование

Борирование – химико-термический метод обработки, при котором металлическая заготовка прогревается до температуры в 910°С, а затем на ее поверхность наносится слой бора. Такая технология дает возможность повысить прочность изделия, устойчивость к ударным нагрузкам. Она применяется для изготовления приспособлений для штамповки и производстве инструментов для бурения.

Заключение

Таким образом, основные виды термической обработки стали – то закалка, отпуск и отжиг, они применяются в течение сотен лет. Их дополняют нормализация, старение, а также различные способы термомеханической и химико-термической обработки. Широкий спектр применяемых методов дает возможность улучшать итоговое качество изделий и придавать им улучшенные эксплуатационные свойства.