Для чего используется термообработка
Термообработка металла: история, виды, особенности
Один из способов обработки металла, позволяющих изменить технические свойства металла – создание сплава при помощи дополнительных компонентов. Но улучшить потребительские свойства металла можно и другим методом – термообработкой. Высокая температура воздействует на структуру, меняя состав, характеристики.
Особенности термической обработки
Термообработка металла – ряд последовательных процессов, в результате которых с него снимается остаточное напряжение, меняется его внутренняя структура и повышаются эксплуатационные свойства. При этом химический состав до и после термической обработки остаётся неизменным. При равномерном нагреве металла изменяется размер фракций, структура.
История
Технология обработки металлов высокими температурами используется несколько сотен лет. В Средневековье кузнецы при термообработке использовали воду. В 19-м веке был изобретён способ получить чугун. Кузнец помещал металлическую заготовку в посудину, заполненную льдом, сверху насыпался сахар. Такой «коктейль» равномерно разогревался в течение 20 часов. После этого болванку можно было ковать, придавая нужную форму.
В середине XIX века Д. К. Чернов опытным путём выяснил, что под воздействием высоких температур меняются физические свойства материала. Именно данный факт дал начало новой науке – материаловедению.
Для чего нужна термическая обработка
Конструкции, детали, элементы, производимые из металла, как правило, подвергаются критическим нагрузкам, в том числе и температурным. Чтобы выдержать такие эксплуатационные условия, материал должен быть долговечным, прочным, износоустойчивым.
Не все металлические конструкции способны выдержать экстремальные условия в течение длительного времени. Для улучшения потребительских свойств, позволяющих деталям прослужить дольше, используется тепловая обработка. При нагреве химический состав изделия остаётся неизменным, при этом меняются физические свойства. Термообработка делает материал устойчивым к коррозии, повышает прочность, износоустойчивость.
Преимущества термообработки
Термообработка металлических болванок – обязательный процесс, если их планируется использовать длительное время. Технология обеспечивает несколько существенных преимуществ:
Повышенная износоустойчивость конструкций;
В процессе производства снижается процент заводского брака;
Детали служат дольше;
Элементы из металла не подвержены коррозии;
После термообработки металлические детали выдерживают большие нагрузки, сохраняя надёжность.
Суть процесса
Термообработка – физический процесс, когда в результате воздействия высокой температуры меняются характеристики металла. Делается это со следующими целями:
Изделию придаётся повышенная прочность, твёрдость по всей поверхности, либо в определённом месте;
Улучшается микроструктура сплава, что расширяет область применения изделия;
На микроуровне корректируется химический состав сплава.
Термическая обработка позволяет добиться однородной структуры материала. Это упрощает дальнейшую обработку, производство готовой продукции. Снижается риск деформации в слабых местах, что позволяет выгибать, придавать заготовке любой формы без риска получить бракованную деталь.
Виды термической обработки стали
В металлургической отрасли используется три вида обработки: термомеханическая, техническая, химико-термическая. Каждый из способов – сложный технологический процесс, требующий отдельного изучения.
Отжиг
Один из этапов технической обработки материала. Он предполагает равномерное разогревание болванки до заданной температуры, после чего она остывает естественным путём. В результате воздействия устраняется внутреннее напряжение металла, его структура становится однородной. Также материал становится пластичней, что упрощает его дальнейшую промышленную обработку.
В производстве используется два вида обжига:
Первого рода с незначительным изменением кристаллической решётки материала;
Второго рода, когда в результате воздействия происходит фазовое изменение структуры металла. Такой способ также называют полным обжигом.
Диапазон температур в процессе обжига варьируется в пределах 25-1200 градусов по Цельсию.
Закалка
Ещё один из видов техобработки, в результате которого повышается прочность при одновременном снижении пластичности. Изделие поддаётся воздействию критической температуры, а затем быстро охлаждается путём погружения в ванну с технологической жидкостью.
Двухфазовое охлаждение. В процессе заготовка сначала охлаждается до 300 градусов по Цельсию водой, затем погружается в резервуар с маслом.
Одноэтапное охлаждение. После нагрева происходит охлаждение только маслом. Для больших заготовок вместо масла часто используется вода.
Ступенчатая закалка. После нагревания болванки попадают в расплавленные соли. Далее, заготовка попадает на свежий воздух, где остывает естественным путём.
Изотермическая закалка. Метод схож со ступенчатым, но здесь меняется время выдержки нагретой заготовки в расплавленных солях.
Термомеханическая обработка
Один из базовых методов обработки металла. Во время технологического процесса специализированное оборудование, нагнетающее давление на нагревательные элементы, резервуары для охлаждения. Заготовка подвергается воздействию заданной температуры, затем под давлением происходит пластическая деформация, придающая нужной формы, улучшенных физических свойств.
Отпуск
Заключительный этап, который выполняется после закалки. В результате отпуска повышается вязкость металла, устраняется внутреннее напряжение, повышается прочность. Процедура выполняется при различных температурах. Выбор режима напрямую влияет на физические свойства обрабатываемого металла.
Криогенная обработка
Химико-термическая обработка
Тип обработки металла, когда заготовка после нагрева подвергается воздействию химических составов. Контактная поверхность очищается, покрывается хим. средством. Химико-термическая обработка применяется перед закалкой. При необходимости мастер насыщает поверхность заготовки азотом. Для этого используется криогенная камера, в которой и происходит первичный нагрев до 650 градусов.
Термообработка цветных сплавов
Описанные выше способы обработки подходят не для всех сплавов, цветного металла. Например, для термической обработки меди применяется рекристализационный отжиг, когда материал разогревается до 550 градусов. Если в производстве используется латунь, она нагревается до 200 градусов. Алгоритм термообработки алюминия включает первичную закалку, отжиг, после чего материал подвергается старению.
Термическая обработка металла – важный этап в производстве готовой продукции, позволяющий производить компоненты для промышленного оборудования, автомобилей, судов, другой техники. В результате воздействия материал становится прочнее, появляются антикоррозийные свойства. Выбор техпроцесса зависит от типа металла, сплава.
Какие способы термообработки металла существуют
Чтобы изменить технические характеристики металла, можно создать сплав на его основе и добавить к нему другие компоненты. Однако существует ещё один способ изменения параметров металлического изделия — термообработка металла. С её помощью можно воздействовать на структуру материала и изменять его характеристики.
Термообработка металла
Особенности термической обработки
Термическая обработка металла — это ряд процессов, которые позволяют снять с детали остаточное напряжение, изменить внутреннюю структуру материала, повысить эксплуатационные качества. Химический состав металла после нагревания не изменяется. При равномерном разогревании заготовки изменяется размер зёрен структуры материала.
История
Технология термической обработки металла известна человечеству с давних времён. Во времена Средневековья, кузнецы разогревали и остужали заготовки для мечей с помощью воды. К 19 веку человек научился обрабатывать чугун. Кузнец помещал металл в емкость полную льда, а сверху засыпал сахаром. Далее начинается процесс равномерного разогревания, продолжающийся 20 часов. После этого чугунную заготовку можно было ковать.
В середине 19 века, русский металлург Д. К. Чернов задокументировал то, что при нагревании металла, его параметры изменяются. От этого учёного пошла наука — материаловедение.
Для чего нужна термическая обработка
Детали для оборудования и узлы коммуникаций, изготавливающиеся из металла, часто подвергаются серьёзным нагрузкам. Дополнительно к воздействию давлением, они могут находиться в условиях критических температур. Чтобы выдержать такие условия, материал должен быть износоустойчивым, надёжным и долговечным.
Покупные конструкции из металла не всегда способны длительное время выдерживать нагрузки. Чтобы они прослужили гораздо дольше, мастера металлургии применяют термическую обработку. Во время и после нагревания химический состав металла остается прежним, а характеристики изменяются. Процесс термической обработки увеличивает коррозионную устойчивость, износоустойчивость и прочность материала.
Преимущества термообработки
Термическая обработка металлических заготовок является обязательным процессом, если дело касается изготовления конструкций для длительного пользования. У этой технологии существует ряд преимуществ:
Металлические конструкции после термической обработки выдерживают большие нагрузки, увеличивается их срок эксплуатации.
Устойчивость к коррозии
Виды термической обработки стали
В металлургии применяется три вида обработки стали: техническая, термомеханическая и химико-термическая. О каждом из представленных способах термической обработки необходимо поговорить отдельно.
Отжиг
Разновидность или еще один этап технической обработки металла. Это процесс подразумевает под собой равномерное нагревание металлической заготовки до определённой температуры и последующее её остывание естественным путём. После отжига исчезает внутреннее напряжение металла, его неоднородность. Материал размягчается под воздействием температуры. Его проще обрабатывать в дальнейшем.
Существует два вида отжига:
Диапазон воздействия температур при проведении этого процесса — от 25 до 1200 градусов.
Закалка
Ещё один этап технической обработки. Металлическая закалка проводится для увеличения прочности заготовки и уменьшения её пластичности. Изделие разогревается до критических температур, а затем быстро остужается методом окунания в ванну с различными жидкостями. Виды закалки:
Также можно выделить изотермический вид закалки. Он похож на ступенчатый, однако изменяется время выдержки заготовки в расплавленных солях.
Термомеханическая обработка
Это типовой режим термической обработки сталей. При таком технологическом процессе используется оборудование создающее давление, нагревательные элементы и ёмкости для охлаждения. При различных температурах заготовка подвергается разогреву, а после этого происходит пластическая деформация.
Отпуск
Это заключительный этап технической термообработки стали. Проводится этот процесс после закалки. Повышается вязкость металла, снимается внутреннее напряжение. Материал становится более прочным. Отпуск стали может проводиться при различных температурах. От этого изменяется сам процесс.
Закалка стали
Криогенная обработка
Главное отличие термической обработки от криогенного воздействия в том, что последний подразумевает под собой охлаждение заготовки. По окончанию такой процедуры детали становятся прочнее, не требуют проведения отпуска, лучше шлифуются и полируются.
При взаимодействии с охлаждающими средами температура опускается до минус 195 градусов. Скорость охлаждения может изменяться в зависимости от материала. Чтобы охладить изделие до нужной температуры, используется процессор который генерирует холод. Заготовка равномерно охлаждается и остаётся в камере на определённый промежуток времени. После этого её достают и дают самостоятельно нагреться до комнатной температуры.
Химико-термическая обработка
Ещё один вид термообработки, при котором заготовка разогревается и подвергается воздействию различных химических элементов. Поверхность заготовки очищается и покрывается химическими составами. Проводится этот процесс перед закалкой.
Мастер может насыщать поверхность изделия азотом. Для этого они нагревается до 650 градусов. При нагревании заготовка должна находиться в криогенной атмосфере.
Термообработка цветных сплавов
Представленные виды термической обработки металлов не подходят для различных видов сплавов и цветного металла. Например, при работе с медью проводится рекристаллизационный отжиг. Бронза разогревается до 550 градусов. С латунью работают при 200 градусах. Алюминий изначально закаляют, затем отжигают и подвергают старению.
Термообработка металла считается необходимым процессом при изготовлении и дальнейшем использовании конструкций и деталей для промышленного оборудования, машин, самолётов, кораблей и другой техники. Материал становится прочнее, долговечнее и устойчивее к коррозийным процессам. Выбор технологического процесса зависит от используемого металла или сплава.
Термическая обработка стали: описание, виды
Термообработка металла является важной частью производственного процесса в цветной и чёрной металлургии. После этой процедуры материалы приобретают необходимые характеристики. Термообработку использовали довольно давно, но она была несовершенна. Современные методы позволяют достичь лучших результатов с меньшими затратами, и снизить стоимость.
Особенности термической обработки
Для придания нужных свойств металлической детали она подвергается термической обработке. Во время этого процесса происходит структурное изменение материала.
Металлические изделия, используемые в хозяйстве, должны быть устойчивыми к внешнему воздействию. Чтобы этого достичь, металл необходимо усилить при помощи воздействия высокой температуры. Такая обработка меняет форму кристаллической решётки, минимизирует внутреннее напряжение и улучшает его свойства.
Виды термической обработки стали
Термообработка стали сводится к трём этапам: нагреву, выдержке и быстрому охлаждению. Существует несколько видов этого процесса, но основные этапы у них остаются одинаковыми.
Выделяют такие виды термической обработки:
Отжиг
Это производственный процесс нагрева металла до заданной температуры, а затем медленного охлаждения, которое происходит естественным путём. В результате этой процедуры устраняется неоднородность металла, снижается внутреннее напряжение, и уменьшается твёрдость сплава, что значительно облегчает его переработку. Существует два вида отжига: первого и второго рода.
При отжиге первого рода фазовое состояние сплава изменяется незначительно. У него есть разновидности:
При отжиге второго рода происходит фазовое изменения металла. Процесс имеет несколько видов:
Закалка
Это процесс манипуляции металлом для достижения мартенситного превращения, чем обеспечивается повышенная прочность и уменьшенная пластичность изделия. При закалке сплав нагревают до критического значения, как и при отжиге, но процесс охлаждения производится значительно быстрее, и для этого используют ванную с жидкостью. Существует несколько видов закалки:
Неправильно сделанная закалка может привести к появлению таких дефектов:
Главная причина поводок и трещин — неравномерное изменение размера детали при охлаждении или нагреве. Они также могут возникнуть при резком повышении прочности в отдельных местах. Лучший способ избежать этих проблем — медленное охлаждение металла до значения мартенситного превращения.
Поводка и коробление возникает при неравномерном охлаждении искривлённых деталей. Эти дефекты довольно невелики и могут быть исправлены шлифованием. Предварительный отжиг деталей и их постепенный и равномерный нагрев помогут избежать коробления.
Обезуглероживание металла происходит в результате выгорания углерода при длительном нагреве. Интенсивность процесса зависит от температуры нагрева, чем она выше, тем быстрее процесс. Для исправления деталь нагревают в нейтральной среде (муфельной печи).
Окалины на поверхности металла приводят к угару и деформации изделия. Это снижает скорость нагрева и делает механическую обработку более трудной. Окалины удаляются химическим или механическим способом. Для того чтобы избежать их появления, нужно использовать специальную пасту (100 г жидкого стекла, 25 г графита, 75 г огнеупорной глины, 14 г буры, 100 г воды, 30 г карборунда). Состав наносится на изделия и оставляется до полного высыхания, а затем нагревается как обычно.
Отпуск
Он смягчает воздействие закалки, снимает напряжение, уменьшает хрупкость, повышает вязкость. Отпуск производится с помощью нагрева детали, закалённой до критической температуры. В зависимости от значения температуры можно получить состояния тростита, мартенсита, сорбита. Они отличаются от похожих состояний в закалке по свойствам и структуре, которая более точечная. Это увеличивает пластичность и прочность сплава. Металл с точечной структурой имеет более высокую ударную вязкость.
В зависимости от температуры различают такие виды отпуска: низкий, средний, высокий.
Для точного определения температуры используют таблицу цветов. Плёнка окислов железа придаёт металлу разные цвета. Она появляется, если изделие очистить от окалин и нагреть до 210 °C, при повышении температуры толщина плёнки увеличивается.
При низком отпуске (температура до 300 °C) в составе сплава остаётся мартенсит, который изменяет структуру материала. Кроме того, выделяется карбид железа. Это увеличивает вязкость стали и уменьшает её твёрдость. При низком отпуске металл охлаждают в соляных и масляных ваннах.
Высокий отпуск значительно улучшает механические свойства стали, увеличивает вязкость, пластичность, прочность. Её широко используют для изготовления рессор, шатунов двигателей, кузнечных штампов, осей автомобилей. Для мелкозернистой легированной стали отпуск проводят сразу после нормализации.
Чтобы увеличить обрабатываемость металла, его нормализацию производят при высокой температуре (970 °C), что повышает его твёрдость. Для уменьшения этого параметра делают высокий отпуск.
Криогенная обработка
Изменения структуры металла можно добиться не только высокой температурой, но и низкой. Обработка сплава при температуре ниже 0 °C широко применяется в разных отраслях производства. Процесс происходит при температуре 195 °C.
Плюсы криогенной обработки:
Химико-термическая обработка
Химико-термическая обработка включает в себя не только воздействие с помощью высокой температуры, но и химическое. Результатом этой процедуры является повышенная прочность и износостойкость металла, а также придание огнестойкости и кислотоустойчивости.
Различают такие виды обработки:
Цементация стали — представляет собой процесс дополнительной обработки металла углеродом перед закалкой и отпуском. После проведения процедуры повышается выносливость изделия при кручении и изгибе.
Перед началом цементации производится тщательное очищение поверхности, после чего её покрывают специальными составами. Процедуру производят после полного высыхания поверхности.
Различают несколько видов цементации: жидкая, твёрдая, газовая. При первом виде используют специальную печь-ванную, в которую засыпают 75% соды, 10% карбида кремния, 15% хлористого натрия. После чего изделие погружают в ёмкость. Процесс протекает в течение 2 часов при температуре 850 °C.
Твёрдую цементацию удобно выполнять в домашней мастерской. Для неё используют специальную пасту на основе кальцинированной соды, сажи, щавелево-кислого натрия и воды. Полученный состав наносят на поверхность и ждут высыхания. После этого изделие помещают в печь на 2 часа при температуре в 900 °C.
Азотирование стали — процесс насыщения поверхности металла азотом при помощи нагрева до 650 °C в аммиачной атмосфере. После обработки сплав увеличивает свою твёрдость, а также приобретает сопротивление к коррозии. Азотирование, в отличие от цементации, позволяет сохранить высокую прочность при больших температурах. А также изделия не коробятся при охлаждении. Азотирование металла широко применяется в промышленности для придания изделию износостойкости, увеличения твёрдости и защиты от коррозии.
Нитроцементация стали заключается в обработке поверхности углеродом и азотом при высокой температуре с дальнейшей закалкой и отпуском. Процедура может осуществляться при температуре 850 °C в газовой среде. Нитроцементацию используют для инструментальных сталей.
При борировании стали на поверхность металла наносят слой бора. Процедура происходит при температуре 910 °C. Такая обработка используется для повышения стойкости штампового и бурового инструментов.
Термомеханическая обработка
При использовании этого метода применяют высокую температуру и пластическую деформацию. Различают такие виды термомеханической обработки:
При высокотемпературной обработке деформация металла происходит после разогрева. Сплав подогревают выше температуры рекристаллизации. После чего производится закалка с отпуском.
Высокотемпературная обработка металла:
Такой обработке подвергают конструкционные, инструментальные, углеродистые, пружинные, легированные стали.
При низкотемпературной обработке заготовку после охлаждения выдерживают при температуре ниже значения рекристаллизации и выше мартенситного превращения. На этом этапе делают пластическую деформацию. Такая обработка не даёт устойчивости металлу при отпуске, а для её осуществления необходимо мощное оборудование.
Для осуществления термомеханической обработки необходимо применять специальные приспособления для давления, нагрева и охлаждения заготовки.
Термообработка цветных сплавов
Цветные металлы отличаются по своим свойствам друг от друга, поэтому для них применяют свои виды термообработки. Для выравнивания химического состава меди её подвергают рекристаллизационному отжигу. Латунь обрабатывают при низкой температуре (200 °C). Бронзу подвергают отжигу при температуре 550 °C. Магний закаляют, отжигают и подвергают старению, алюминий подвергают похожей обработке.
В чёрной и цветной металлургии широко применяются разные виды термической обработки металлов. Их используют для получения нужных свойств у сплавов, а также экономии средств. Для каждой процедуры и металла подбираются свои значения температуры.