Термическая обработка металлов. Особенности каждого вида обработки

Многие металлические изделия практически всегда подлежат термообработке, задача которой - управление последующими механическими параметрами и структурой изделия. Целями операций термообработки является изменение твёрдости, микро- и макроструктуры деталей.

Классификация
Отжиг, его задачи и технология проведения
Нормализация и её необходимость
Закалка: разновидности, технология
Отпуск и улучшение
Криогенная обработка

Классификация

Согласно требованиям чертежа или по условиям последующих формоизменяющих (либо сборочных операций), термообработка металлических деталей классифицируется по следующим признакам:

По величине итоговой твёрдости изделия – упрочняющая или разупрочняющая.
По наличию изменений в структуре – поверхностная или глубинная.
По источнику внешнего воздействия – пламенная или высокоэнергетическая.
По месту процесса в общей – последовательности технологических операций – предварительная, промежуточная, конечная (финишная).
По уровню температурных воздействий – обработка при повышенных или пониженных температурах.

Наиболее распространённые виды термической обработки металлов различают по параметрам необходимой температуры и времени обработки. Главным образом, термообработке подвергают изделия из стали, а также из некоторых металлов и сплавов – например, дюралюминия, титана.

Отжиг, его задачи и технология проведения

Цель отжига – обеспечить выравнивание механических свойств, структуры, а также добиться ликвидации внутренних напряжений, которые практически всегда появляются в результате формоизменяющих операций (преимущественно ковки или холодной объёмной штамповки). Отожжённые детали характеризуются повышенной технологической обрабатываемостью, но уменьшенной твёрдостью.

Отжиг может быть:

Рекристаллизационным, вследствие которого понижается предел прочности. Такой отжиг может быть низко-, средне- и высокотемпературным;
Диффузионным, после чего структура стали становится более равномерной;
Сфероидизирующим, который обеспечивает улучшенную обрабатываемость.

В общем случае, технология проведения отжига состоит из переходов нагрева заготовки в пламенной печи до требуемой температуры, выдержки её при этой температуре некоторое время и последующее медленное охлаждение: вначале в печи, а далее - на спокойном воздухе.

Нормализация и её необходимость

Под нормализацией понимают повышение температуры детали до значений, на 30…60⁰С превышающих температуру структурных превращений, после чего заготовка/изделие находится под воздействием этих температур, а далее медленно охлаждается.

Нормализации подвергают преимущественно конструкционные стали, поскольку после неё обрабатываемость металла увеличивается, а внутренние напряжения исчезают. С увеличением процентного содержания углерода в стали, требуемые температуры для проведения увеличиваются. Как и отжиг, ее ведут преимущественно в пламенных печах.

Нормализация часто является промежуточной стадией процессов термообработки, поскольку достигаемая при этом твёрдость не обеспечивает должной стойкости детали при её работе в составе какого-либо узла или конструкции.

Закалка: разновидности, технология

Суть закалки – быстрый нагрев до температур начала формирования неравновесных структур – мартенсита, аустенита и высокотемпературных карбидов. Для определённых групп сталей (сложнолегированных) при закалке происходят процессы дисперсионного твердения, в результате которых повышение твёрдости достигается не вследствие повышенного карбидообразования, а как результат осаждения интерметаллидных составляющих, главным образом, титана, кобальта, молибдена. Твёрдость таких сталей возрастает особенно интенсивно.

При необходимых температурах структурных превращений металл выдерживают определённое время, после чего интенсивно охлаждают, фиксируя неравновесные структуры в конечном изделии. Закалку проводят полностью погружая изделие в воду или (для особо ответственных деталей сложной конфигурации) в масло.

Закалка – одна из наиболее ответственных операций термообработки. Выбор способа определяется многими факторами: химическим составом сплава, заданным уровнем твёрдости, предельными значениями остаточных внутренних напряжений, конфигурацией детали и т.д.

Закалка может быть по объёму и по поверхностному слою детали. В первом случае, процесс ведут в пламенных печах с контролируемой атмосферой. Для поверхностной закалки используют высокочастотные электрические установки, которые обеспечивают требуемый комплекс физико-механических свойств лишь в относительно небольшом по толщине слое.

Основными дефектами закалки являются перегрев и пережог готового изделия. В результате перегрева формируется грубодисперсная структура с неравномерной твёрдостью и сниженной пластичностью. Этот дефект можно исправить повторным проведением данной операции. При значительном превышении верхнего предела закалочной температуры в микроструктуре металла происходят необратимые изменения: его кристаллическая структура разрушается, а в межзёренных промежутках появляются жидкие фазы легкоплавких примесей – серы и фосфора. Это – пережог, необратимый дефект термической обработки, потому как пережжённые детали разрушаются при малейших механических нагрузках на них.

Отпуск и улучшение

Часто наличие внутренних напряжений в закалённой детали приводят к её короблению и потере пластических свойств, что особенно недопустимо для инструментальных и легированных конструкционных сталей. Поэтому практически во всех случаях после закалки термообрабатываемые изделия подвергают отпуску.

Отпуск заключается в нагреве изделия до температур, которые несколько меньше температур начала структурных превращений, последующей выдержке и дальнейшему медленному охлаждению. Отпуск подразделяют на одно- и многократный. После него хрупкость металлов уменьшается, а показатели пластичности и вязкости возрастают.

Разновидностью отпуска считается улучшение. Оно проводится с целью эксплуатационных свойств изделий, которые в дальнейшем будут подвергаться значительным знакопеременным нагрузкам. Поэтому температура выдержки при улучшении несколько выше, чем при отпуске.

Криогенная обработка

Желаемого изменения структуры и физико-механических характеристик металлов можно достичь не только при их нагреве, но и при глубоком охлаждении. Многие конструкционные стали обрабатывают холодом при температурах -60…-120⁰С.

Криогенной обработкой решаются следующие задачи:

Повышается стойкость изделий к износу;
Размеры деталей становятся стабильными;
Улучшается качество последующей поверхностной доводки и полирования;
Увеличивается твёрдость.

Особенно эффективна обработка холодом для легированных сталей, которые содержат значительный процент сравнительно мягкого остаточного аустенита. В процессе глубокого охлаждения аустенит превращается в значительно более твёрдую структурную составляющую – мартенсит.

Кроме объёмных процессов термической обработки широкое распространение получили также процессы, при которых повышается твёрдость лишь тонкого поверхностного слоя изделия. Такая термообработка выполняется электрофизическими методами (воздействием на поверхность металла теплом искрового или дугового разрядов) или электрохимическими методами – термообработкой в расплавах или в атмосфере различных веществ.