Виды и режимы термической обработки стали

Задачи и эффекты термообработки

При нагреве до температур, превышающих температуру рекристаллизации, микроструктура большинства марок сталей становится равновесной, а свойства – более равномерными во всех направлениях. Однако при естественном охлаждении такие преимущества не сохраняются. Более того, образуются грубые кристаллиты, возрастает полосчатость и иные дефекты, ухудшающие эксплуатационные свойства металла.

Для сохранения положительных характеристик было бы удобно зафиксировать при комнатных температурах благоприятные фазово-структурные изменения. Самый простой способ – нагреть изделие до нужной температуры, а затем быстро его охладить. На этом принципе построено большинство технологий термообработки.

Когда мы говорим об изменении механических свойств, то имеем в виду прочность на сдвиг, ударную вязкость предел прочности и твёрдость стали. Учет такого механического изменения свойств позволяет коечной продукции быть более эффективной при выполнении повседневных задач и более устойчивой к износу даже в самых тяжелых условиях. Правильная термообработка стали снижает трудоёмкость других важных этапов производства. Например, в результате разумно использованных возможностей процессов термообработки можно снять напряжения, облегчая сборку или сварку конструктивных элементов, а также оптимизировать размеры их сечений.

Шестерни, валы, подшипники и другие важные компоненты машиностроительных узлов значительно выигрывают от таких процессов термообработки, когда увеличивается их износостойкость и общий срок службы. В частности, повышение усталостной прочности позволяет стальным изделиям более эффективно сопротивляться знакопеременным и ударным нагрузкам.

Велика роль процессов термообработки и в инструментальном производстве. Твёрдые стали и сплавы часто используются в качестве режущих и штамповых деталей, где необходимо поддерживать четкость формы и кромки. При этом можно достигать требуемого баланса между поверхностными твёрдыми слоями инструмента и более вязкой, пластичной сердцевиной.

Суммируя, можно отметить, что в результате термической обработки материал:

• Становится более прочным и твёрдым (или, наоборот, более мягким и пластичным!);
• Повышает свою усталостную прочность;
• Улучшает свариваемость;
• Обеспечивает необходимую микроструктуру;
• В ряде случаев изменяет химический состав поверхности.

Во многих случаях термообработка обратима, что позволяет изменять свойства стали, если по каким-либо причинам полученные характеристики не удовлетворяют производственным требованиям.

Принцип термической обработки металлов

Результаты, которые могут быть получены при термической обработке, в значительной степени зависят от структуры металла и того, как структура изменяется при нагревании и охлаждении металла. Для чистых металлов термическая обработка малоэффективна, поскольку при нагревании их структура мало изменяется. С другой стороны, большинство сплавов поддаются термической обработке именно потому, что их структура изменяется в процессе нагревания и охлаждения.

Исходный сплав может находиться в следующих формах:

• Твёрдого раствора;
• Механической смеси;
• Комбинации твёрдого раствора и механической смеси.

Когда сплав находится в форме твёрдого раствора, элементы и соединения, образующие сплав, растворяются один в другом, почти так же, как соль растворяется в стакане воды. Составные части не могут быть идентифицированы даже под микроскопом. Когда два или более элемента или соединения смешиваются, но могут быть идентифицированы с помощью микроскопического исследования, образуется механическая смесь.

Механическую смесь можно сравнить со смесью песка и гравия в бетоне, когда отчётливо видны и песок, и гравий. Подобно тому, как песок и гравий удерживаются вместе смесью цемента, так и другие составляющие сплава погружаются в смесь, образованную основным металлом.

Сплав, который находится в виде механической смеси при обычных температурах, может превращаться в твёрдый раствор при нагревании. При охлаждении до нормальной температуры сплав может вернуться к своей исходной структуре. Вместе с тем, он может оставаться твёрдым раствором или образовывать комбинацию твёрдого раствора и механической смеси.

Сплав, состоящий из комбинации твёрдого раствора и механической смеси при нормальных температурах, может превратиться в твёрдый раствор при нагревании. При охлаждении сплав может оставаться твёрдым раствором, возвращаться к своей первоначальной структуре или образовывать сложный раствор.

Таким образом, все виды термической обработки стали представляются цепочкой взаимосвязанных событий/циклов. Эти циклы включают:

• Нагрев (обычно медленный, для того, чтобы обеспечить структурную равномерность);
• Выдержку металла при заданной температуре в течение определённого периода времени;
• Охлаждение (или возвращение) металла к комнатной температуре, иногда быстро, иногда медленно.

В цикле нагрева первостепенное значение имеет равномерность температур. Если одна часть детали нагревается быстрее, чем другая, возникающее в результате неравномерное расширение часто вызывает деформацию или растрескивание детали.

Скорость нагрева детали зависит от нескольких факторов. Одним из важных является теплопроводность металла. Металл, который легко проводит тепло, может нагреваться с большей скоростью, чем металл, при котором тепло не может быстро поглощается всей деталью. Состояние металла также влияет на скорость его нагрева. Например, скорость нагрева закалённых инструментов и деталей должна быть ниже, чем у металлов, не находящихся в напряженном состоянии.

Размер и поперечное сечение имеют важное влияние на скорость нагрева. Детали с развитым поперечным сечением требуют более медленного нагрева, чем тонкие детали. Эта необходимо для того, чтобы внутреннее пространство было нагрето до той же температуры, что и поверхность. Нагрев таких заготовок затруднён, зато они менее склонны к растрескиванию или чрезмерной деформации.

Целью термической обработки является изменение свойств металла. Для этого металл должен быть нагрет до температуры, при которой происходят внутренние структурные изменения. Эти изменения происходят, когда составляющие металла переходят в раствор. Однако каждый металл обладает свойством тепловой инерции. Это означает, что, после того, как металл нагреется до надлежащей температуры, его необходимо выдерживать при этой же температуре, пока металл не прогреется полностью.

Время выдержки зависит от химического состава металла и массы детали. Если стальные детали неоднородны по поперечному сечению, то время выдержки определяется самым большим сечением.

Температура металла редко повышается от комнатной до конечной за одну операцию. Поэтому сталь медленно нагревают до температуры ниже точки, при которой образуется твёрдый раствор, а затем выдерживают при этой температуре до тех пор, пока тепло не поглотится металлом. Эта стадия называется предварительным нагревом, после него нагрев можно вести быстрее. Предварительный нагрев способствует достижению равномерной температуры по всей детали, снижая риск деформации и растрескивания.

После нагрева до надлежащей температуры металл необходимо вернуть к комнатной температуре, завершив процесс термообработки. Металл охлаждается путем непосредственного контакта с газом, жидкостью или их сочетанием. Твердое, жидкое или газообразное вещество, используемое для охлаждения металла, называется «охлаждающей средой». Скорость охлаждения металла зависит от:

• Вида металла,
• Желаемых свойств;
• Характеристик охлаждающей среды.

Выбор охлаждающей среды имеет важное влияние на получаемые свойства. Чаще других используют масло и воду. Вода (и растворы на её основе) охлаждают быстрее и должны использоваться только для металлов, которые требуют быстрого охлаждения. Масло охлаждает медленнее и больше подходит для металлов, которые легко повредить при быстром охлаждении. Углеродистые стали чаще охлаждают в воде, а легированные стали - в масле.

Виды термообработки стали

Включают в себя отжиг, закалку, отпуск, термомеханическую и механо-термическую обработку, а также химико-термическую обработку и обработку холодом.

Отжиг

Операция отжига состоит в нагреве стали до заданной температуры, выдержки при этой температуре и в последующем медленном охлаждении (часто – вместе с печью). Главная цель отжига – получение равновесной структуры. Поэтому в процеесе отжига улучшаются механические свойства, выравнивается химический состав сталей, улучшается их обрабатываемость, уменьшаются остаточные деформации. Часто отжиг входит в число предварительных операций термообработки, в результате которой требуется подготовить исходную структуру к дальнейшим переходам. Отжиг подразделяют на:

• Рекристаллизационный, целью которого является снятие наклёпа;
• Полный или неполный – различаются степенью завершённости структурных перестроек;
• Сфероидизационный, который выполняется с целью получения структуры зернистого перлита;
• Изотермический, которому подвергают легированные стали;
• Низкотемпературный (для снятия внутренних напряжений);
• Диффузионный, при котором гарантируется наивысшая структурная однородность металла.

Конкретные температуры нагрева металла при отжиге зависят от марки стали.

Закалка

Режим термической обработки стали при закалке устанавливается по химсоставу и структуре стали. В зависимости от структуры различают доэвтектоидные и заэвтектоидные стали. После завершения процесса кристаллизации первые содержат не более 0,8 % С, вторые – более 0,8% С. В структуре доэвтектоидных сталей присутствуют феррит и перлит, в то время как структуру заэвтектоидных сталей представляют перлит и вторичный цементит Fe₃C.

На типовой диаграмме состояния углеродистых сталей линия Ас₃, которая определяет температурную границу аустенитного превращения, зависит от процентного содержания углерода. С увеличением этого содержания она снижается от 900⁰С (для малоуглеродистых сталей) до 723⁰С – для средне- и высокоуглеродистых.

Доэвтектоидную сталь нагревают до температуры, на 20…30⁰С превышающую линию Ас₃, а заэвтектоидную – до температур, на 20…30⁰С превышающих температуру точки Ас₁.

В результате закалки в стали образуются неравновесные структуры, поскольку последующее быстрое охлаждение затрудняет любые фазовые превращения. Поэтому твёрдость (а, следовательно, и хрупкость) стали после закалки резко увеличивается. В структуре таких сталей присутствуют мартенсит, значительное количество не успевших раствориться карбидов, а также остаточный аустенит.

Закалку подразделяют на полную, неполную и изотермическую. Во многих случаях закалку ведут по ступенчатой схеме, многократно нагревая металл. В результате структурные изменения наблюдаются по всему сечению, с соответствующим превращением аустенита в мартенсит.

Сталь после закалки не может непосредственно использоваться для дальнейшей обработки, поэтому возникающие структурные напряжения приходится снимать последующим отпуском.

Отпуск

Представляет собой операцию нагрева и выдержки предварительно закалённой стали при температуре на 20…300С ниже критической точки начала мартенситного превращения. Как следствие, происходит частичное превращение остаточного аустенита и мартенсита, сопровождающееся снятием внутренних напряжений, снижением хрупкости, повышением вязкости и пластичности стали. Несколько снижается твёрдость металла.

Отпуску подвергают все предварительно закалённые детали, за исключением тех, которые прошли изотермическую закалку. Отпуск ведут в масляных средах, селитровых ваннах или в отпускных печах с принудительной циркуляцией воздуха.

Режимы отпуска определяются химическим составом и необходимыми показателями твёрдости стали.

Химико-термическая обработка

Основное назначение термической обработки стали – изменение её структуры и твёрдости, однако в некоторых случаях требуется менять также и химический состав поверхностных и особенно – глубинных слоёв изделия. Эту функцию выполняют процессы химико-термической обработки.

Эти процессы различаются:

• Источниками получаемых изменений. Ими могут быть тепло, генерируемое нагретыми рабочими средами (газом, расплавами) и электроэнергией (в последнем случае отдельно выделяют технологии электро-химико-термической обработки;
• Материалами или соединениями, которые внедряются в исходную микроструктуру. По этому принципу отдельно рассматривают операции азотирования, борирования, цементирования, нитридирования (отличается от азотирования тем, что в структуре присутствует не сам азот, а его соединения), алюминирования, сульфидирования и т.д.
• Способами реализации: электрическом дуговым разрядом, электроисковым легированием, диффузионной металлизацией и пр.

По ряду причин химико-термическая обработка является наиболее универсальным, прогрессивным и точным методом желаемого изменения структуры и свойств термически обрабатываемой стали.

Термомеханическая обработка

Этот вид тепловой обработки сталей (как и родственная ему механо-термическая обработка) относится к числу комбинированных технологий. Она заключается в одновременном воздействии на металл высоких температур и пластических деформаций, которые ведутся в диапазонах структурных превращений. Эффективность способов обуславливается меньшим временем и более высокой однородностью происходящих структурных превращений.

Термомеханическая обработка применима не ко всем видам сталей.

Криогенная обработка

Как ни парадоксально, но термообработка металлов может проводиться не только при повышенных, но и при пониженных температурах заготовок. Такие процессы называют также обработкой холодом.

Необходимость в криогенной обработке связана с тем, что в некоторых случаях отпуск закалённых сталей не приносит должного результата, поскольку количество нежелательного остаточного аустенита остаётся высоким. Применение криогенной обработки обеспечивает:

• Улучшение механических свойств сталей, особенно быстрорежущих;
• Повышение износостойкости контрольно-измерительных инструментов;
• Увеличение твёрдости нержавеющих сталей;
• Повышение качества поверхности, которая в дальнейшем будет подвергаться полировке.

Во всех случаях обработка холодом способствует стабилизации размеров заготовок.

Применяемое оборудование

Термические печи можно разделить на два основных типа: периодические и непрерывные. Принципиальная разница между ними заключаются в том, как обрабатываемые заготовки размещаются в агрегатах, и ​​как они взаимодействуют с атмосферой внутри печей.

Основными источниками энергии для нагрева оборудования являются природный газ и электричество. Реже используются альтернативные источники энергии, например, мазут.

Печи, в которых ведётся термообработка металлов, классифицируются по верхнему пределу температуры нагрева. Обычно используемый температурный диапазон – от 600 до 800⁰С. Преимущественно применяется конвекционный нагрев, основанный на циркуляции воздуха, продуктов сгорания или инертного газа находящихся внутри печи.

Установки периодического действия, как правило, обрабатывают заготовки партиями, причём нагрев каждой партии может продолжаться несколько часов (а иногда – и суток). В печи периодического действия рабочая загрузка обычно является стационарной, так что взаимодействие с изменениями в атмосфере печи осуществляется в условиях, близких к равновесным. Типы периодических печей:

• Колпаковые;
• Коробчатые;
• Нагревательные колодцы;
• С подвижным подом;
• С псевдоожиженным слоем;
• Шахтные;
• Вакуумные.

Печи непрерывного действия различаются способом движения обрабатываемых заготовок и характеристиками рабочей среды (воздух, инертный газ или вакуум).

Типы печей непрерывного действия:

• Камерные;
• Ленточные
• Монорельсовые
• Толкательные
• С роликовым/вращающимся подом;
• Печи с вибрирующим подом;
• Вакуумные печи;
• С шагающими балками.

Наилучшее регулирование параметрами нагрева обеспечивают электропечи.

Особенности термообработки цветных сплавов

Большинство сплавов можно подвергать двум видам термообработки – закалке и старению. Последняя разновидность представляет собой отпуск, проводимый при температурах 120…200⁰С, с охлаждением при комнатной температуре (естественное старение) или с подачей воздушной струи (искусственное старение).

Однако существует большой разброс между многими комбинациями металлов и цветных сплавов по скорости деформационного упрочнения, что затрудняет систематизацию процессов термообработки цветных сплавов.

Основные особенности:

1. Сплавы системы «медь-никель» эффективно поддаются механо-термической обработке, при которой структура становится мелкозернистой, но твёрдость повышается.
2. Все виды цветных сплавов поддаются отжигу, при этом тип нагрева не имеет значения, поскольку интенсивность окалинообразования невысока. Меньшее влияние на эффективность отжига оказывает время, чем температура.
3. Закалка цветных сплавов значительно менее эффективна. За исключением титана, широко используемые сплавы алюминия, меди и магния не являются аллотропными; таким образом, они не реагируют так же, как стали, при своём нагревании и охлаждении.
4. Многие сплавы типа бронз термообработке вообще не поддаются, поскольку для этих сплавов твердые растворы, образующиеся при повышенной температуре, остаются полностью стабильными при комнатной температуре или ниже.
5. Температурные и временные циклы термообработки охватывают широкий диапазон, который зависит не только от состава сплава, но и от того, находится ли сплав в деформируемом или литом состоянии.

Цветные металлы редко подвергаются предварительному нагреву, поскольку он приводит к увеличению размера зерна и ухудшает структуру сплава.