Термическая обработка стали: закалка, отпуск, отжиг, нормализация

Оглавление

Сталь — самый важный материал, который используется в промышленных секторах. Этот материал различных марок применяется как в строительстве, так и в тяжёлой промышленности. Правильный выбор материала — чрезвычайно важный нюанс в строительных работах. Однако не всегда возможно приспособить сталь к требованиям конструкции или механизма. Следовательно, необходима термическая обработка.

Термообработка также используется при выпуске многих полуфабрикатов. Чаще всего она применяется в машиностроении и тяжёлой промышленности.

Физические принципы термообработки

Этот процесс отвечает за нагрев и охлаждение металла. Он служит для изменения его физических свойств, что позволяет по мере необходимости адаптировать материал к условиям эксплуатации. Чтобы подобрать процесс термической обработки в большинстве случаев необходимо использовать диаграмму железо-углерод. Благодаря ей можно прогнозировать структуру сплавов.

Применение различных технологий термической обработки в отношении стали позволяет добиваться ожидаемых и необходимых результатов. Это значит, что благодаря термической обработке можно придавать металлу нестандартные формы (при обработке давлением), прогнозируемо изменять его физические характеристики и прочность. Конечным результатом процесса является получение стали с заданными механическими свойствами.

Несомненно, термообработка — незаменимый процесс во многих отраслях промышленности. Следует помнить, что здесь очень важны заложенные конструктором характеристики изделия, которые окажут влияние на долговечность металлических элементов при эксплуатации. Для правильного выбора технологии термической обработки металла нужно верно оценить условия работы детали или механизма.

Параметры оценки характеристик металла

Основные механические свойства металлов, учитываемые при металлообработке, это: прочность, пластичность, структура, твёрдость, ударная вязкость и упругость. Большая часть этих свойств определяется экспериментальным путём. Рассмотрим подробнее каждый из параметров оценки характеристик:

Прочность. Под ней понимается способность металла сопротивляться разрушению под механическим воздействием.
Пластичность. Это способность сплава к необратимому изменению формы и размеров при внешнем или внутреннем воздействии с сохранением структурной целостности.
Ударная вязкость. Под этим свойством понимается способность материала противостоять воздействию ударных нагрузок. Этот параметр обозначается в виде Дж/см2 или кгс•м/см, определяющих отношение затрачиваемой на разрушение изделия механической работы к площади его поперечного сечения.
Упругость. Это способность сплава восстанавливать изначальную форму и объём после прекращения внешнего воздействия. Эта величина выражается в МПа или кгс/мм2, определяющих соотношение применённого напряжения к вызываемой упругой деформации. Высокая упругость требуется сплавам, применяемым для изготовления пружин или рессор.
Твёрдость. Под твёрдостью понимается способность металла сопротивляться внедрению в него тела с большей твёрдостью. Определяется она несколькими способами: по прибору Бринелля (НВ), Роквелла (HRA, HRB, HRC), Виккерса (HV), Шора (HSD). Например, среднее значение твёрдости углеродистой стали до закалки составляет 100–150 HB по шкале Бринелля, после закалки — 500–600 HB.
Структура. Металлы (сталь и её сплавы) состоят из множества зёрен, соприкасающихся друг с другом. Размер этих зёрен определяется в процессе литья — для уменьшения размера зерен на этапе производства выполняется модификация сплава (добавление нерастворимых веществ). Чем меньше размер зерен металла, тем он прочнее, твёрже и лучше обрабатывается.

Свойства металла напрямую зависят от совокупности всех его характеристик, а цель его термической обработки в том, чтобы изменять эти параметры, добиваясь оптимальных значений в зависимости от назначения и условий эксплуатации обрабатываемого изделия.

Классификация и виды термической обработки

Термическая обработка позволяет придавать изделиям различные физические свойства. Под этим термином понимается процесс изменения структуры стали и металлических сплавов путём термического воздействия на них. Хотя термообработка может применяться и в отношении цветных металлов, наибольшее распространение она получила в сфере обработки стали и черных металлов.

Термообработка сталей - одна из важнейших операций в сфере металлообработки. К главным преимуществам термической обработки относятся:

повышение износостойкости стали и её сплавов;
обеспечение выпуска долговечных и механически прочных изделий;
возможность изменения физических свойств стальных деталей в соответствии с техническими требованиями;
снижение количества брака при выпуске металлических изделий.

Ответственные конструкции производятся только из прошедших термообработку металлов. Причина здесь в том, что только в отношении таких изделий можно давать чёткие прогнозы относительно срока службы и устойчивости к внешним факторам.

В зависимости от выбранного режима нагрева, вида термической обработки, его длительности, температуры и режима охлаждения обеспечивается получение необходимой структуры кристаллической решётки и, соответственно, физических свойств обработанного изделия. В металлургии и металлообработке используются следующие виды технической термообработки:

Отжиг

С его помощью достигается получение равновесной структуры стали. В металлообработке применяется отжиг 1 рода, включающий гомогенизацию, рекристаллизацию и снятие напряжения, и отжиг 2 рода, подразделяемый на нормализацию, полный и неполный отжиг. Если в первом случае достигается упорядочение структуры стали или её сплавов, то во втором получают разупрочнение металлов и сплавов (уменьшение прочности и твердости), повышение пластичности и снятие остаточных напряжений.

Отжиг - это вид термической обработки стали, при котором происходит нагрев до заданной температуры и быстрое охлаждение заготовки. Закалка при помощи отжига позволяет получить структуру стали, обеспечивающую более высокую прочность. Технология закалки основана на нагреве заготовки выше отметки критической температуры для конкретного сплава с последующим выдерживанием в этом температурном диапазоне и резким охлаждением в среде с высокой теплопроводностью.

Главное отличие отжига от закалки стальных деталей заключается в скорости охлаждения, последующего после термического нагрева до критических температур.

Нормализация

Являясь одним из подвидов отжига, нормализация стали предусматривает охлаждение изделия на открытом воздухе, тогда как при отжиге оно охлаждается в печи. Но цель здесь одна — упорядочить структуру кристаллической решётки стали.

Отпуск

Отпуск стали первостепенно используется во избежание получения неравновесных структур после закалки. В ходе этого метода термической обработки производится снятие внутренних остаточных напряжений стали. Именно благодаря отпуску обеспечивается получение изделия с высокими показателями вязкости, пониженной хрупкостью и твёрдостью.

Криогенная обработка

Она заключается в охлаждении до сверхнизких температур (ниже -153 градусов). Криогенная обработка является одним из наиболее эффективных термических методов стабилизации и увеличения износостойкости стальных деталей.

Старение

Это разновидность термической обработки, протекающая естественным (без воздействия температур) и искусственным путём (при температурном воздействии). При искусственном старении осуществляется нагрев до 120–150 градусов и выдержка детали в течение 10–36 часов при заданной температуре. Эта операция стабилизирует состояние углерода в структуре стали без снижения её твёрдости.

В качестве основного оборудования, используемого в технической термообработке, применяются печи и индукторы, обеспечивающие нагрев заготовок до высоких, близких к критическим, температур. На крупных производствах используются различные печи с разными температурными режимами, предназначенные для термообработки разных металлов и их сплавов.

Помимо технической термической обработки, в металлургии также применяется термомеханическое и химико-термическое воздействие. Рассмотрим кратко их особенности.

Химико-термическая обработка

Химико-термическая обработка подразумевает термообработку металла с воздействием химических средств. Её результатом становится обеспечение повышенной прочности, износостойкости и/или коррозионной стойкости металла. Различают несколько видов химико-термической обработки стали.

Цементация

Она заключается в дополнительном насыщении стали углеродом перед закалкой и отпуском. Эта процедура дополнительно повышает износостойкость готового изделия.

Азотирование

При этом процессе производится насыщение стали азотом путём нагрева изделия до 500-650 градусов в аммиачной среде. Этот метод позволяет увеличить твёрдость и устойчивость сплава к коррозии. Детали при азотировании, как и после цементации, также повышают свою поверхностную твердость.

Нитроцементация

Этот способ заключается в обработке предварительно разогретой до высоких температур поверхности стали углеродом и азотом с последующей закалкой и отпуском изделия. Обычно нитроцементация проводится при температуре 840-860 градусов и применяется при выпуске изделий из конструкционных низкоуглеродистых сталей.

Борирование

Этот метод заключается в нанесении на металлическую поверхность слоя бора при её предварительном нагреве до 910 градусов. Такой способ повышает стойкость металла и используется в производстве штамповых и буровых инструментов.

Химико-термическая обработка подразумевает тщательную очистку поверхностей металла во избежание посторонних примесей, существенно снижающих физико-химические свойства готового изделия.

Термомеханическая обработка

Термомеханическая металлообработка заключается в комбинации высокотемпературного и механического воздействия на сталь. Различают следующие виды термомеханической обработки металлов:

Высокотемпературная. Она способствует повышению вязкости и устранению отпускной хрупкости металла. При ней деформация металла производится после его нагрева выше температуры кристаллизации с обязательной последующей закалкой и отпуском. Такой вид обработки применяется при выпуске изделий из конструкционных, инструментальных, углеродистых, пружинных и легированных сталей.
Низкотемпературная. При ней деформация производится при тепловом воздействии температурой 400–600 градусов, что даёт эффект упрочнения. Последующая закалка и отпуск обязательны.
Предварительная. Технология широко применяется в изготовлении полуфабрикатов методом прессования. Она подразумевает выполнение пластической деформации, а уже затем высокотемпературный отпуск, механическую обработку и закалку детали. Это придаёт металлу высокую прочность.

Термообработка металлов позволяют значительно увеличить их прочность и износостойкость, защитить материалы от высокотемпературного воздействия и коррозии. Одновременно она решает одну из важнейших задач — устраняет внутреннее напряжение в заготовках, минимизируя риск их деформации. Поэтому при выпуске изделий, являющихся составными частями ответственных конструкций, термообработка попросту обязательна. При этом может использоваться сразу несколько методов в различном сочетании в зависимости от назначения изделия и типа сплава.

←Обратно к списку

Статьи по теме:

Виды отжига стали

Конструкционные стали: марки, применение, методы термической обработки

Что такое закалка?