Какие параметры выбирают при проведении термической обработки металлов

Термическая обработка стали

Термическая обработка стали позволяет придать изделиям, деталям и заготовкам требуемые качества и характеристики. В зависимости от того, на каком этапе в технологическом процессе изготовления проводилась термическая обработка, у заготовок повышается обрабатываемость, с деталей снимаются остаточные напряжения, а у деталей повышаются эксплуатационные качества.

Технология термической обработки стали – это совокупность процессов: нагревания, выдерживания и охлаждения с целью изменения внутренней структуры металла или сплава. При этом химический состав не изменяется.

Так, молекулярная решетка углеродистой стали при температуре не более 910°С представляет из себя куб объемно-центрированный. При нагревании свыше 910°С до 1400°С решетка принимает форму гране-центрированного куба. Дальнейший нагрев превращает куб в объемно-центрированный.

Сущность термической обработки сталей – это изменение размера зерна внутренней структуры стали. Строгое соблюдение температурного режима, времени и скорости на всех этапах, которые напрямую зависят от количества углерода, легирующих элементов и примесей, снижающих качество материала. Во время нагрева происходят структурные изменения, которые при охлаждении протекают в обратной последовательности. На рисунке видно, какие превращения происходят во время термической обработки.

Изменение структуры металла при термообработке

Назначение термической обработки

Внутренняя структура двухфазной смеси напрямую влияет на эксплуатационные качества и легкость обработки.

Образование структур в зависимости от интенсивности охлаждения

Основное назначение термической обработки — это придание сталям:

Термическая обработка применяется к следующим типам сталей:

Классификация и виды термообработки

Основополагающими параметрами, влияющими на качество термообработки являются:

Изменяя данные режимы можно получить несколько видов термообработки.

Виды термической обработки стали:

Температура нагрева стали при термообработке

Отпуск

Отпуск в машиностроении используется для уменьшения силы внутренних напряжений, которые появляются во время закалки. Высокая твердость делает изделия хрупкими, поэтому отпуском добиваются увеличения ударной вязкости и снижения жесткости и хрупкости стали.

1. Отпуск низкий

Для низкого отпуска характерна внутренняя структура мартенсита, которая, не снижая твердости повышает вязкость. Данной термообработке подвергаются измерительный и режущий инструмент. Режимы обработки:

2. Средний отпуск

Для среднего отпуска преобразование мартенсита в тростит. Твердость снижается до 400 НВ. Вязкость возрастает. Данному отпуску подвергаются детали, работающие со значительными упругими нагрузками. Режимы обработки:

3. Высокий отпуск

При высоком отпуске кристаллизуется сорбит, который ликвидирует напряжения в кристаллической решетке. Изготавливаются ответственные детали, обладающие прочностью, пластичностью, вязкостью.

Нагревание до температуры – от 450°С, но не выше 650°С.

Отжиг

Применение отжига позволяет получить однородную внутреннюю структуру без напряжений кристаллической решетки. Процесс проводят в следующей последовательности:

1. Гомогенизация

Гомогенизация, по-иному отжиг диффузионный, восстанавливает неоднородную ликвацию отливок. Режимы обработки:

2. Рекристаллизация

Рекристаллизация, по-иному низкий отжиг, используется после обработки пластическим деформированием, которое вызывает упрочнение за счет изменения формы зерна (наклеп). Режимы обработки:

3. Изотермический отжиг

Изотермическому отжигу подвергаются легированные стали, для того чтобы произошел распад аустенита. Режимы термообработки:

4. Отжиг для устранения напряжений

Снятие внутренних и остаточных напряжений отжигом используется после сварочных работ, литья, механической обработки. С наложением рабочих нагрузок детали подвергаются разрушению. Режимы обработки:

5. Отжиг полный

Отжиг полный позволяет получить внутреннюю структуру с мелким зерном, в составе которой феррит с перлитом. Полный отжиг используют для литых, кованных и штампованных заготовок, которые будут в дальнейшем обрабатываться резанием и подвергаться закалке.

Полный отжиг стали

6. Неполный отжиг

При неполном отжиге пластинчатый или грубый перлит преобразуется в ферритно-цементитную зернистую структуру, что необходимо для швов, полученных электродуговой сваркой, а также инструментальные стали и стальные детали, подвергшиеся таким методам обработки, температура которых не провоцирует рост зерна внутренней структуры.

Закалка

Закалку сталей применяют для:

Суть закалки – это максимально быстрое охлаждение прогретой насквозь детали в различных средах. Каление производится с полиморфными изменениями и без них. Полиморфные изменения возможны только в тех сталях, в которых присутствуют элементы способные к преобразованию.

Такой сплав подвергается нагреву до той температуры, при которой кристаллическая решетка полиморфного элемента терпит изменения, за счет чего увеличивается растворяемость легирующих материалов. При снижении температуры решетка изменяет структуру из-за избытка легирующего элемента и принимает игольчатую структуру.

Невозможность полиморфных изменений при калении обусловлено ограниченной растворимостью одного компонента в другом при быстрой скорости охлаждения. Для диффузии мало времени. В итоге получается раствор с избытком нерастворенного компонента (метастабильтный).

Для увеличения скорости охлаждения стали используются такие среды как:

Сравнивая скоростной режим охлаждения стальных изделий на воздухе, то охлаждение в воде с 600°С происходит в шесть раз быстрее, а с 200°С в масле в 28 раз. Растворенные соли повышают закаливающую способность. Недостатком использования воды считается появление трещин в местах образования мартенсита. Техническое масло используется для закалки легирующих сплавов, но оно пригорает к поверхности.

Металлы, использующиеся при изготовлении изделий медицинской направленности не должны иметь пленки из оксидов, поэтому охлаждение происходит в среде разряженного воздуха.

Если деталям не требуется объемная термообработка, проводится каление только поверхностного слоя на установках ТВЧ (токами высокой частоты). При этом глубина термообработки составляет от 1 мм до 10 мм, а охлаждение происходит на воздухе. В итоге поверхностный слой становится износоустойчивым, а середина вязкая.

Процесс закалки предполагает прогревание и выдержку стальных изделий при температуре, достигающей порядка 900°С. При такой температуре стали с содержанием углерода до 0,7% имеют структуру мартенсита, который при последующей термообработке перейдет в требуемую структуру с появлением нужных качеств.

Нормализация

Нормализация формирует структуру с мелким зерном. Для низкоуглеродистых сталей — это структура феррит-перлит, для легированных – сорбитоподобная. Получаемая твердость не превышает 300 НВ. Нормализации подвергаются горячекатаные стали. При этом у них увеличивается:

Процесс нормализации стали

Преимущества термообработки

Термообработка стали – это технологический процесс, который стал обязательным этапом получения комплектов деталей из стали и сплавов с заданными качествами. Этого позволяет добиться большое разнообразие режимов и способов термического воздействия. Термообработку используют не только применительно к сталям, но и к цветным металлам и сплавам на их основе.

Стали без термообработки используются лишь для возведения металлоконструкций и изготовления неответственных деталей, срок службы которых невелик. К ним не предъявляются дополнительные требования. Повседневная же эксплуатация наоборот диктует ужесточение требований, именно поэтому применение термообработки предпочтительно.

В термически необработанных сталях абразивный износ высок и пропорционален собственной твердости, которая зависит от состава химических элементов. Так, незакаленные матрицы штампов хорошо сочетаются при работе с калеными пуансонами.

Источник

Термическая обработка металла. Особенности технологического процесса

После воздействия на сталь давлением (ковка, прессование, прокат, выдавливание) необходимо придать материалу дополнительные физико-механические свойства: жесткость и определенную твердость. Для этого в металлургии и производстве применяется воздействие температурами.

В данной статье рассмотрим все этапы и особенности процесса по порядку.

Параметры твердости и ее показатели

Твердость — один из интереснейших показателей для оценки свойств материала и металлических конструкций и деталей. На основе твердости можно вычислить прочность, параметры обрабатываемости, а также устойчивость к износу.

Последний показатель наиболее важен, поскольку он отвечает за срок службы и безопасность изделия из металла или сплава. В металлургической промышленности зарекомендовали себя несколько видов испытаний изделий на твердость:

Вне зависимости от способа установления показателей прочности, после правильной квалифицированной термической обработки металл становится прочнее.

Суть процесса

Термическая обработка — это воздействие на металл температурой с целью получения материала с иными характеристиками. Термообработка применяется для получения следующих результатов:

При обработке высокими температурами легко добиться однородности материала. Это помогает в последующем при механической обработке узлов и механизмов. Также снижается риск получить на производстве бракованную деталь из данного материала.

Также при помощи термической обработки можно повысить возможность деформации заготовки, чтобы из приготовленного материала было проще сделать готовый узел или необходимую деталь.

Виды термической обработки металла

Существует 3 основных вида термической обработки металла:

Также имеется еще и термохимическая обработка, которая относится к комбинированным методам придания материалу свойств повышенной твердости и износостойкости.

Отжиг

Суть отжига — металл нагревают до определенной температуры, держат необходимый промежуток времени, после чего медленно охлаждают до обычной комнатной температуры.

Чаще всего отжиг производится для решения следующих задач:

Отжиг — процесс, разделяющийся на несколько видов, в зависимости от нюансов проведения процедуры:

Методов отжига больше, но это основные и наиболее часто используемые.

Также процедура полного отжига подразумевает улучшения свойств материала для обработки и избавления от внутреннего сопротивления. Полный отжиг применяется для обработки:

При полном варианте процесса изделие доводят критической температуры ( точка А3) и после необходимого периода времени охлаждают до комнатных показателей. Так как конкретные параметры температуры зависят от вида используемых материалов. В следствии чего, время передержки также напрямую зависит от вида сплава, подвергающегося данному технологическому процессу.

При неполном отжиге конечная цель иная — по возможности создать более мягкий и пластичный материал. В этом случаи температура нагрева может достигать 770 градусов. Охлаждение делится на 2 этапа: сначала в печи, а затем уже на открытом воздухе.

Изотермическая разновидность отжига используется для высокохромистых сталей. При этом методе значительно экономится время производства, поскольку в одном из этапов охлаждения используется ускоренный процесс. Нет нужды ждать пока сталь остынет вместе с печью.

Закалка металла

При закалке происходит нагрев изделия до критических показателей. В следствии чего последующее охлаждение производится не постепенно и естественно, а резко и принудительно. При этом для снижения температуры применяются такие вещества как: сжатый воздух, водяной туман, а также жидкая полимерная закалочная среда. помимо прочности металл получает меньшие параметры вязкости и эластичности.

Способы закалки:

При таких методах металл приобретает иные свойства, поскольку резкое охлаждение влияют на внутреннее напряжение изделия. Но как показывает практика, при неправильном выборе среды для охлаждения можно испортить исходный материал. Важно, что именно используют для охлаждения. При применении воды качество металла сразу снижается. Поэтому лучше использовать масло.

Если материал или заготовка неравномерны по толщине, то в первую очередь охлаждают более толстую часть заготовки.

Длинные детали опускают в охлаждающую среду строго вертикально.

При нарушениях технологического процесса, при закалке могут возникнуть различные дефекты:

Исправить мелкие дефекты можно при помощи отжига, повторной закалки с использованием другой закалочной среды и соблюдением всех технологических деталей.

Отпуск

Отпуск — еще один вид воздействия высоких температур на исходный материал. Делится по показателям нагрева на низкий и высокий.

При низком варианте отпуска заготовку нагревают до 120-200°С. Применяется для последующего производства наиболее точных деталей и инструментов. После нагрева заготовку некоторое время держат при нужных показателях, а затем охлаждают естественным путем на воздухе.

Сталь при такой обработке не только сохраняет свою первичную твердость, но и становится прочнее за счет разрушения некоторых остаточных веществ.

Иногда измерительные инструменты и наиболее точные механизмы обрабатывают при помощи низкого отпуска при температуре не выше 160°С. Этот процесс специалисты называют еще искусственным старением.

При процессе высокого отпуска температурные параметры гораздо выше 350-600°С. Охлаждение также происходит на воздухе. Особую эффективность данный метод показывает при обработке углеродистой стали.

Температурные рамки отпуска часто зависят от деталей, которые производятся. Например, при выпуске пружин и прочих деталей с переменными нагрузками используют отпуск при температуре 350-450°С.

Процедура отпуска проводится в специальных печах шахтного типа, как в воздушной, так и в масляной среде.

Химико-термическая обработка

Это комбинированный метод, который позволяет придать металлу необходимые свойства прочности, твердости, эластичности и вязкости.

Процесс термо-химической обработки включает три ступени:

При этом размер диффузионного слоя напрямую зависит от температуры и времени выдержки металла при определенной температуре.

Среды, в которых проводится насыщение разделяют на газовые, жидкие и твердые. Поскольку газовый вариант среды нагревается в разы быстрее, его использует чаще, как наиболее удобный.

Имеется несколько видов химико-термической обработки:

Заключение

Это основные методы химико-термической обработки. Они помогают предотвратить раннюю коррозию металла, улучшают его параметры прочности при малом изменении гибкости.

Термическая обработка металлов — один из основных процессов современной металлургической промышленности и различного вида производств. В зависимости от выбранного вида производится различное воздействие температурами, чтобы добиться эффектов прочности и твердости металла.

Также термообработка позволяет избежать дополнительного брака в готовых деталях. Основа всех термических процессов — воздействие температурой с остыванием, резким или естественным.

Источник

Современные технологии термической обработки металлов

В большинстве случаев для сталей и сплавов, получаемых после их выплавки и последующей первичной обработки давлением – прокатки, выдавливания или ковки – получить необходимые физико-механические свойства и структуру не удаётся. Что и понятно: повышение пластичности, например, способствует снижению суммарных энергозатрат при обработке заготовок, а неравномерная структура стального слитка неизбежна ввиду особенностей ведения большинства металлургических процессов.

Термическая обработка металлов

Но для дальнейшей эксплуатации деталей и узлов оборудования зачастую требуются совсем иные характеристики – прочность, твёрдость, жёсткость и т.д. Именно для этих целей и предназначена термическая обработка металлов.

Сущность процессов термообработки

Задачами различных технологий термической обработки является:

В первом случае необходимо обеспечить максимальную степень однородности свойств металлов, что важно, например, для последующей механической или – особенно – деформирующей их обработки. В результате условия формоизменения заготовки по всем трём координатным осям оказываются одинаковыми, а брак конечной детали исключается.

Термическая обработка металла

Кроме того, выравнивание микро и макроструктуры для процессов обработки металлов давлением необходимо для того, чтобы повысить степень деформации полуфабрикатов, приближая в итоге форму заготовки к форме готового изделия. Причём за наименьшее количество переходов, и используя минимально необходимое для этого усилие оборудования.

Изменение химического состава в зёрнах микроструктуры, вследствие образования новых соединений в большинстве случаев не только поднимает показатели твёрдости, но и повышает износостойкость деталей, которые должны эксплуатироваться при повышенном трении, температуре или увеличенных против обычного удельных нагрузках.

Закалка-отпуск

В первую группу технологий термообработки различных сплавов, включая сталь, входят отжиг и отпуск. Во вторую — закалка, нормализация, улучшение, старение, обработка холодом. В третью – все виды термохимической обработки.

Отжиг

Суть процессов, протекающих в структуре большинства сплавов, подвергаемых отжигу – обеспечить наиболее равновесную структуру заготовки, в которой или отсутствуют внутренние напряжения, или их уровень достаточно низок, а потому не влияет на последующую обрабатываемость металлов/сплавов.

Печи для отжига производства BOSIO

Исходная структура практически всех сплавов и сталей представляет собой достаточно крупные зёрна, между которыми располагаются включения и примеси, преимущественно сера и фосфор. Это увеличивает хрупкость металла, что может быть важно при формообразовании из слитка (или катанки) изделий сложной конфигурации. Поэтому необходимо снизить размер зерна и придать ему оптимальную форму эллипсоида, при которой механические свойства будут примерно одинаковы по всем трём координатным осям.

Отжиг цветных металлов

С этой целью исходную заготовку необходимо нагреть до температуры на 50…70 0 С выше температуры начала аустенитного превращения. Именно его итогом является образование мелких и хорошо ориентированных зёрен аустенита между зёрнами основных структурных составляющих стали – феррита и цементита. Аустенит образуется из перлита – структуры, имеющей наиболее крупные зёрна, которая способствует повышенной хрупкости любого слитка. Аустенитное превращение для большинства сплавов протекает достаточно медленно, поэтому отжиг – длительная процедура, которая должна продолжаться не менее часа.

Вторая важная задача отжига – снять внутренние напряжения, которые формируются в заготовке при её обработке давлением в холодном состоянии. Дело в том, что любая деформация сопровождается дроблением зёрен исходной структуры сталей и сплавов. В итоге зёрен становится больше, сопротивление деформации возрастает, что не только требует повышенного усилия деформирования, но и становится причиной разрушения полуфабриката, степень деформации которого превысила критический для данного металла показатель.

Соответственно, для реализации первой задачи применяется технология высокотемпературного отжига (для сталей, в зависимости от содержания углерода, она колеблется в пределах 550…750 0 С), а во втором – низкотемпературного отжига (180…220 0 С).

Способы высокотемпературного отжига

Нагрев происходит медленно, с последующей выдержкой изделия при заданной температуре, после чего следует медленное же охлаждение. Для легированных сталей и сплавов такое охлаждение ведут с особо низкой скоростью, в самой печи, где происходил отжиг.

Отпуск

Отпуск по технологии напоминает отжиг, но производится не с заготовкой, а с готовым изделием, а потому преследует иные задачи – снять внутренние напряжения после термической обработки, которая проводилась на повышенную твёрдость детали.

Отпуск металла

Самостоятельным процессом термической обработки отпуск не является. В отличие от отжига, отпуск иногда выполняется в несколько приёмов: в большинстве случаев это касается изделий, для производства которых использовались различные виды высоколегированной стали.

Закалка

Закалка заключается в быстром нагреве заготовки до температуры окончания аустенитного превращения (900…1100 0 С – для низкоуглеродистых сталей, 750…850 0 С – для высокоуглеродистых) и последующем быстром охлаждении в специальных закалочных средах. В качестве последних используется вода (для изделий малоответственного назначения) или масло.

Режимы закалки отличаются наибольшим разнообразием. Основным фактором, определяющим эффективность закалки, является интенсивность образования в структуре мартенсита – высокотемпературной составляющей, которая придаёт металлу или сплаву повышенную твёрдость.

Условия образования мартенсита определяются следующими обстоятельствами:

Соответственно для каждой марки стали или сплава разработаны индивидуальные режимы закалки, которые различаются:

Особенно тщательно ведут закалку сталей и сплавов со сложным составом, включающим несколько легирующих элементов (в частности, кобальта, молибдена). Указанные металлы в процессе образуют по границам зёрен основной структуры интерметаллидные соединения, которые существенно увеличивают твёрдость и прочность сталей (в частности, инструментальных). Форма и концентрация интерметаллидов зависят только от точности соблюдения технологии закалки.

Присутствие в стали молибдена или вольфрама повышает теплостойкость, прокаливаемость и уменьшает склонность к обратимой хрупкости

Виды закалки определяются оборудованием, на котором она выполняется. Например, для таких изделий, как шестерни, валы, направляющие колонки, где требуется оптимальное сочетание высокой поверхностной твёрдости и относительно вязкой сердцевины, используется поверхностная закалка токами высокой частоты.

Закалка ТВЧ, закалка стали, температура закалки

Для этого изделие помещают в индукционную катушку, по которой пропускается высокочастотный (до 15000…25000 Гц) ток. Проникая на ограниченную глубину, этот ток способствует увеличению поверхностной прочности сталей или сплавов. В результате усталостная прочность деталей, которые работают при циклически изменяющихся напряжениях растяжения-сжатия, заметно возрастает.

Более интенсивное изменение твёрдости поверхности детали можно получить, используя для закалки высокоэнергетические источники тепла – искровой или дуговой разряд. Разряды должны возбуждаться в жидкой среде, куда помещают обрабатываемую заготовку или деталь.

Режимы термической обработки углеродистых инструментальных сталей во время закалки и после отпуска

После закалки в подавляющем большинстве случаев необходим отпуск, иначе чрезмерная конечная твёрдость детали становится причиной повышенной хрупкости при ударных нагрузках.

Улучшение и нормализация

Как виды термообработки, эти процессы схожи с отжигом, хотя и предназначены для иных целей – повышения эксплуатационной долговечности ответственных деталей машин и инструмента.

При нормализации деталь подвергается медленному нагреву, выдерживается при заданной температуре, после чего обязательно охлаждается вместе с печью. В результате структура детали становится более равновесной, а уровень внутренних напряжений понижается.

Закалка стали (график)

Существенным отличием считается состав атмосферы, печи, в которой выполняются данные операции термической обработки. Она должна быть безокислительной, поскольку интенсивное оксидообразование на поверхности изделия не только ухудшает его товарный вид, но и изменяет размеры. Выгорание углерода, которым также сопровождается термообработка в обычной печи, ухудшает химический состав стали и снижает её прочность.

Уменьшение доступа кислорода к поверхности детали при нормализации выполняют несколькими путями:

После нормализации деталь охлаждают на спокойном воздухе, не допуская её обдув: это может вызвать неоднородную, «пятнистую» микроструктуру изделия.

Нормализация металла

Улучшение — операция термообработки, в результате которой повышается механическая обрабатываемость сталей и сплавов, снижается уровень остаточных напряжений в них. Это сопровождается некоторым уменьшением твёрдости.

Криогенная обработка

Мартенситная составляющая в структуре большинства сталей и сплавов может появиться не только при повышенной, но и при пониженной температуре. Технология обработки холодом выгодно отличается от традиционных технологий термической обработки следующим:

Особый вид термообработки представляют процессы химико-термической обработки. Их задачей является формирование в поверхностной микроструктуре карбидов и нитридов – соединений, существенно увеличивающих микротвёрдость деталей, и создающих в них остаточные напряжения сжатия. Такие изделия показывают особо высокую стойкость при знакопеременных нагрузках.

Видео: Как закалить любую марку стали

Источник