Обработка металла термическим способом — это изменение внутреннего строения (структуры) металла под воздействием изменения температурных условий и получение вследствие этого необходимых механических и физических свойств металла. Огромная часть термической обработки происходит при критических температурах, при которых происходит структурное превращение в сплавах.
Поэтому термическая обработка металла сводится к трём последовательным операциям и видам:
- нагрев металла с определённой скоростью до заданной температуры;
- выдержка металла в течение некоторого времени при этой температуре;
- охлаждение с заданной по процессу скоростью.
Зависит от того как надо изменить свойства определённого стального изделия и применяют различные виды термической обработки, которые отличаются максимальной температурой нагрева, временем выдержки и скоростью охлаждения. В машиностроении термическая обработка нашла самое широкое применение.
Содержание
Термическая обработка металла, сплава, стали
Все свойства любого сплава зависят от его структуры. Основной способ, который позволяет изменять эту структуру и является термическая обработка. Её основы разработал Чернов Д.К., а в дальнейшем его работы поддержали Бочвара А.А., Курдюмова Г.В., Гуляева А.П.
Термическая обработка металла и сплава — это последовательность операций таких как: нагрев, выдержка и охлаждение, которые выполняются в определённой последовательности и при определённом режиме, чтобы изменить внутреннее строение сплава и получения нужных свойств, при этом химический состав металла не изменяется.
В чём заключается термическая обработка металла и сплава?
- В отжиге
- Закалке
- Отпуске
- Нормализации
Отжиг. Это нагрев металла до высокой температуры, а потом происходит медленное охлаждение. Отжиг бывает разного вида — все зависит от температурного режима нагрева и скорости охлаждения.
Закалка. Термообработка стали, сплавов, металла, которая основана на перекристаллизации стали при нагреве выше критической температуры. После выдержки стали при такой температуре следует очень быстрое охлаждение. Такая сталь бывает неравновесной структуры и поэтому после закалки следует — отпуск.
Отпуск. Проводится после закалки, чтобы уменьшить или снять остаточное напряжение в стали и сплавах, повысить вязкость, уменьшить твёрдость и хрупкость металла.
Нормализация. Она похожа на отжиг, различие только в том, что нормализация металла происходит на воздухе, а отжиг — в печи.
Нагрев заготовки
Эта операция очень ответственная. От её правильного проведения зависит, во-первых — качество изделия, а во-вторых — производительность труда. Необходимо знать, что при нагреве металл меняет структуру, свойства и все характеристики поверхностного слоя. Так как при взаимодействии стали или сплава с воздухом происходит окисление железа и на поверхности образуется окалина. Толщина окалины зависит от того — какой химический состав металла, какая была температура и время его нагрева.
Сталь начинает интенсивно окисляться при нагреве больше 900 градусов, потом окисляемость увеличивается в два раза — при нагреве 1000 градусов С, а при температуре 1200 градусов С — в 5 раз.
Какое бывает окисление у разных сталей?
Хромоникелевая сталь — её называют жаростойкой потому, что она практически не поддаётся окислению.
Легированная сталь — у неё образуется плотный, но тонкий слой окалины, который защищает от дальнейшего окисления и не даёт растрескиваться при ковке.
Углеродистая сталь — она теряет около 2–4 мм углерода с поверхности при нагреве. Это для металла очень плохо, так как он теряет прочность, твёрдость и сталь ухудшается в закаливании. А особенно очень пагубным является обезуглероживание для ковки небольших деталей с последующей закалкой. Чтобы не было трещин на высоколегированной и высокоуглеродистой стали, их надо нагревать медленно.
Обязательно нужно обращаться к диаграмме «железо-углерод», где определена температура для начала и конца ковки. Делать это надо для того, чтобы металл при нагреве не приобретал крупнозернистую структуру и не снижалась его пластичность.
Но перегрев заготовки можно исправить методом термообработки, но для этого нужно дополнительная энергия и время. Если металл нагреть до ещё большей температуры, то это приведёт к пережогу, что дойдёт до того, что в металле нарушится связь между зёрнами и он полностью разрушится при ковке.
Пережог
Это самый неисправимый брак. При нагреве металла или сплава обязательно нужно следить за температурой, временем и конца нагрева. Окалина растёт, если увеличено время нагрева, а при быстром или интенсивном нагреве могут появиться трещины.
Пережог сплава происходит вследствие диффузии кислорода на границах зёрен, где сразу образуются окислы, которые разъединяют зёрна при высокой температуре сплава и при этом сразу резко падает прочность. А пластичность в это время приходит к нулю. Этот брак сразу отправляется на переплавку.
Какой бывает термообработка металла и сплавов
Термическая обработка подразделяется на:
- термическую;
- термомеханическую;
- химикотермическую
В термическую обработку входят основные виды — отжиг 1-го рода, отжиг 2-го рода, закалка и отпуск. Нормализация применяется не ко всем видам стали, все зависит от её степени легированности.
У всех видов термической обработки разная температура нагрева, продолжительность выдержки при этой температуре и скорость охлаждения после окончания выдержки.
1-ый род отжига — это диффузионный отжиг, отжиг для снятия напряжений.
2-ой род отжига подразделяется на неполный, полный, изотермический отжиг, сфероидезацию, нормализацию.
Закалка применяется для того, чтобы изделия были твёрдые, прочные и износостойкие.
Химикотермическая обработка
Это такая термообработка стали, которая совокупляется с насыщением поверхности изделия — углеродом, азотом, алюминием, кремнием, хромом и др., которые образуют с железом твёрдые растворы замещения. Они более длительные и энергоёмкие, чем сталь насыщенная железом и углеродом, образующая с железом твёрдые растворы внедрения.
Химико — термическая обработка при создании на поверхности изделий благоприятных остаточных напряжений сжатия увеличивает долговечность и надёжность изделия. Также она повышает коррозионную стойкость, твёрдость.
Такая обработка предназначена для изменения в определённом слое состава стали. К таким методам относятся:
- цементация — при таком методе верхний слой стали обогащается углеродом. При этом получаются изделия с комбинированными свойствами — мягкая сердцевина и твёрдый поверхностный слой;
- азотирование — это обогащение поверхностного слоя азотом, чтобы была повышена коррозионная стойкость и усталостная прочность изделия;
- борирование — это насыщение поверхностных слоёв стали бором, при таком методе у изделия повышается износостойкость, особенно при трении и сухом скольжении. Кроме того при борировании исключается схватываемость или сваривание деталей в холодном состоянии. Детали после борирования делаются очень стойкими к кислоте и щелочи;
- алитирование — это насыщение стали алюминием. Делается это для того, чтобы придать стали стойкость к агрессивным газам — серному ангидриду, сероводороду;
- хромирование — насыщение хромом поверхностного слоя стали. Хромирование малоуглеродистых сталей почти совсем не влияет на их прочностные характеристики. Хромирование стали с более высоким содержанием хрома называется твёрдым хромированием, так как на поверхности деталей образуется карбид хрома, который имеет:
- высокую твёрдость
- окалиностойкость
- коррозионную стойкость
- повышенную износостойкость
Криогенная обработка
Это упрочняющая термическая обработка металла и сплавов при криогенных, очень низких температурах — ниже -153 градусов С. Ранее такая термическая обработка называлась «обработка холодом» или «термическая обработка металла при температуре ниже нуля». Но эти названия не совсем отображали всю суть криогенной обработки.
Её суть заключается в следующем: обрабатываемые детали помещают в криогенный процессор, где происходит их медленное охлаждение, а потом выдерживают детали при температуре -196 градусов С определённое время. Затем они постепенно возвращаются опять к комнатной температуре. Когда идёт этот процесс, то в металле происходят структурные изменения. За счёт этого повышается износостойкость, циклическая прочность, коррозионная и эрозионная стойкости.
Основные свойства, полученные при обработке, как холодное охлаждение, сохраняются на весь срок службы обрабатываемой детали и поэтому не требует повторной обработки.
Конечно, криогенная технология не заменит методы термического упрочнения, а при обработке холодом придаст материалу новые свойства.
Инструменты обработанные сверхнизкими температурами позволяют предприятиям сократить расходы потому, что:
- увеличивается износостойкость инструмента, деталей и механизмов;
- снижается количество брака;
- сокращаются затраты на ремонт и замену технологического оснащения и инструмента.
Именно советские учёные позволили полноценно оценить эффект влияния обработки холодом на металл и сплав и положили начало для использования этого метода.
В данное время метод криогенной обработки изделий широко применяется во всех отраслях промышленности.
Машиностроение и металлообработка:
- увеличивает ресурс оборудования и инструмента до 300%;
- увеличивает износостойкость материала;
- увеличивает циклическую прочность;
- увеличивает коррозионную и эрозионную стойкость;
- снимает остаточное напряжение.
Спецтехника и транспорт:
- увеличивает ресурс тормозных дисков на 250%;
- повышает эффективность работы тормозной системы;
- увеличивает циклическую прочность пружин подвески и других упругих элементов на 125%;
- увеличивает ресурс и мощность двигателя;
- снижает расходы на эксплуатацию транспортных средств.
Оборонная промышленность:
- увеличивает живучесть стволов до 200%;
- уменьшает влияние нагрева стволов на результаты стрельбы;
- увеличивает ресурс узлов и механизмов.
Добывающая и обрабатывающая промышленность:
- увеличивает стойкость породоразрушающего инструмента до 200%;
- уменьшает абразивный износ узлов и механизмов;
- увеличивает коррозионную и эрозийную стойкость оборудования;
- увеличивает ресурс промышленного и горнодобывающего оборудования.
Аудиотехника и музыкальные инструменты:
- уменьшает искажение сигнала в проводниках;
- улучшает музыкальную деятельность, ясность и прозрачность звучания;
- расширяет диапазон звучания музыкальных инструментов.
Криогенная обработка применяется практически во всех отраслях, где необходимо повысить ресурс, увеличить прочность и износостойкость, а также поднять производительность.
Для чего нужна термическая обработка?
Надёжность и долговечность металлических конструкций, оборудования, трубопроводов зависит от качества изготовления узлов, деталей, элементов из которых они состоят. Во время эксплуатации они подвергаются статистическим, динамическим и циклическим нагрузкам и влиянию агрессивных сред. Им приходится работать при низких и высоких температурах и находится в условиях быстрого износа.
И поэтому эксплуатация любых металлоизделий напрямую зависит от износостойкости, прочности, термо- и коррозионной стойкости элементов из которых они состоят.
Для того чтобы повысить все эти характеристики необходимо правильно подобрать материал для деталей, усовершенствовать их конструкцию, устранить неточности сборки, улучшить методы горячей и холодной обработки.
Таким высоким требованиям редко отвечают материалы в состоянии поставки. Основная часть доставляемых конструкционных элементов нуждается в стабилизации эксплуатационных свойств, чтобы они не изменялись с течением времени. И чтобы повысить механические и физико-химические свойства металлических материалов, применяют термическую обработку. Это последовательность операций нагрева, выдержки и охлаждения металлов и сплавов.
Её проводят для изменения структуры и свойств металлов и сплавов в направлении, которое было задано. Термообработка применяется для изменения структуры фазового состава и перераспределения компонентов, размера и формы кристаллических зёрен, видов дефектов, их количества и распределения. И это все позволяет достаточно легко получить требуемое свойство материала.
Обязательно надо помнить, что свойства металла и сплавов зависит не только от не только от структуры, но и от химического состава, который образуется во время металлургического и литейного процесса.
Задачей термической обработки является ликвидация внутреннего напряжения в металле и сплаве, улучшение механических и эксплуатационных свойств и другое.
Термической обработке подвергается сталь, чугун, сплав на основе цветных металлов.
Нужно знать, что материалам с одним химическим составом при проведении различных режимов термообработки можно получить несколько совершенно разных структур, которые будут обладать абсолютно разными свойствами. При улучшении механических свойств с помощью термической обработки можно использовать сплавы более простого состава. Допускаемые напряжения, уменьшение массы деталей и механизмов, повышение их надёжности и долговечности также можно достичь с помощью термической обработки.
При малых затратах на термообработку результат её может оказывать огромное влияние на трудоёмкость и стоимость работ на смежных участках производства. Многие производители не проводят термическую обработку изделий, тем самым сокращают весь технологический процесс при изготовлении изделий. Иногда это оправдано, а иногда — нет.
Всегда нужно не только тщательно продумывать весь процесс объёмной и местной термообработки, но и строго соблюдать их режимы, чтобы добиться оптимальных структур и высокого уровня физико-механических и эксплуатационных свойств в изделиях для обеспечения их надёжной и длительной работы.
