Термічна обробка, або термообробка, — це сукупність технологічних процесів, спрямованих на зміну структури та властивостей металів і сплавів шляхом контрольованого нагрівання, витримки та охолодження.
Термообробка дає змогу підвищити міцність, твердість, пластичність, зносостійкість і довговічність металевих виробів, а також зняти внутрішні напруження, що виникають після зварювання, лиття або механічної обробки. Конкретний режим обирають з урахуванням марки матеріалу, розмірів деталі та умов її експлуатації.
Основні етапи термічної обробки
Процес термообробки включає три основні етапи:
Нагрівання. Метал нагрівають до заданої температури, за якої починаються необхідні структурні зміни.
Витримка. Виріб протягом певного часу утримують за встановленої температури. Це необхідно для рівномірного прогрівання та завершення структурних перетворень.
Охолодження. Метал охолоджують із заданою швидкістю. Саме умови охолодження значною мірою визначають кінцеву твердість, міцність, пластичність і структуру матеріалу.
Охолодження може відбуватися в печі, на повітрі, у воді, мастилі або спеціальному середовищі. Вибір способу залежить від виду обробки та необхідного результату.
Основні види термічної обробки
Відпал
Відпал передбачає нагрівання металу до встановленої температури, витримку та подальше повільне охолодження.
Основні завдання відпалу:
-
зменшення твердості;
-
підвищення пластичності;
-
поліпшення оброблюваності;
-
зняття внутрішніх напружень;
-
вирівнювання структури матеріалу.
Відпал часто проводять перед механічною обробкою, зварюванням або подальшою термообробкою виробу.
Нормалізація
Нормалізація за принципом подібна до відпалу, але відрізняється охолодженням металу на повітрі. Процес допомагає усунути структурні дефекти, що виникли після лиття, кування або зварювання, а також поліпшити міцність і однорідність матеріалу.
Нормалізацію застосовують для підготовки виробів до подальшої обробки та отримання більш рівномірної дрібнозернистої структури.
Гартування
Гартування полягає в нагріванні металу до необхідної температури з подальшим швидким охолодженням у воді, мастилі або іншому гартувальному середовищі.
Основна мета гартування — підвищити твердість, міцність і зносостійкість виробу. Водночас матеріал може стати більш крихким, тому після гартування зазвичай проводять відпуск.
Вибір охолоджувального середовища має велике значення. Вода забезпечує інтенсивніше охолодження, а мастило дає змогу знизити ймовірність деформацій і утворення тріщин.
Відпуск
Відпуск проводять після гартування. Метал повторно нагрівають до температури нижче критичної, витримують і охолоджують.
Процес дає змогу:
-
зменшити крихкість;
-
зняти залишкові напруження;
-
підвищити пластичність;
-
зберегти необхідний рівень твердості та міцності.
Залежно від температури розрізняють низький, середній і високий відпуск. Конкретний режим обирають з урахуванням призначення деталі.
Аустенітизація
Аустенітизація являє собою нагрівання сталі до температури утворення аустенітної структури. Цей етап зазвичай передує гартуванню або нормалізації та забезпечує необхідні умови для подальших структурних перетворень.
Ізотермічне гартування
Під час ізотермічного гартування метал охолоджують до заданої температури та витримують в ізотермічному середовищі протягом певного часу.
Такий процес дає змогу отримати стабільнішу структуру, підвищити ударну в’язкість і зменшити ризик утворення тріщин та деформацій.
Порівняння видів термічної обробки
| Вид обробки | Основна мета | Орієнтовна температура | Витримка | Спосіб охолодження |
|---|---|---|---|---|
| Відпал | Зниження твердості, зняття напружень, поліпшення структури | 600–850 °C | 1–10 годин | Повільне охолодження в печі |
| Нормалізація | Поліпшення структури та механічних властивостей | 850–950 °C | 1–2 години | Охолодження на повітрі |
| Гартування | Підвищення твердості, міцності та зносостійкості | 750–900 °C | 30–60 хвилин | Швидке охолодження у воді, мастилі або спеціальному середовищі |
| Відпуск | Зниження крихкості після гартування | 200–600 °C | Від 30 хвилин до 2 годин | Охолодження на повітрі |
| Аустенітизація | Отримання аустенітної структури перед подальшою обробкою | 900–1100 °C | Залежить від марки сталі | Відповідно до подальшого процесу |
| Ізотермічне гартування | Підвищення ударної в’язкості та зниження ризику тріщин | 250–450 °C | 1–3 години | Витримка в ізотермічному середовищі |
Зазначені температури та тривалість витримки є орієнтовними. Точний режим визначається маркою металу, хімічним складом, розмірами виробу та необхідними характеристиками.
Термічна обробка зварних з’єднань
Під час зварювання метал зазнає нерівномірного нагрівання та охолодження. Це може призвести до появи залишкових напружень, деформацій, крупнозернистої структури та зниження міцності зварного з’єднання.
Для усунення таких наслідків застосовують декілька методів.
Зняття внутрішніх напружень
Зварне з’єднання нагрівають приблизно до 600–700 °C, витримують і повільно охолоджують. Обробка зменшує залишкові напруження та знижує ризик деформацій або руйнування конструкції під час експлуатації.
Нормалізація зварних швів
Нормалізація дає змогу поліпшити структуру металу в зоні термічного впливу, зменшити неоднорідність і відновити необхідні механічні властивості з’єднання.
Гартування з подальшим відпуском
Таку обробку застосовують для відповідальних зварних конструкцій, яким необхідні підвищена твердість, міцність і стійкість до механічних навантажень.
Особливості обробки вуглецевої сталі
Властивості вуглецевої сталі значною мірою залежать від вмісту вуглецю.
Низьковуглецева сталь містить до 0,25 % вуглецю. Вона відрізняється хорошою пластичністю, порівняно невисокою твердістю та хорошою зварюваністю.
Середньовуглецева сталь містить від 0,25 до 0,6 % вуглецю. Вона має підвищену міцність, але потребує точнішого вибору режиму обробки.
Високовуглецева сталь містить понад 0,6 % вуглецю. Такий матеріал має високу твердість і зносостійкість, але відрізняється підвищеною крихкістю.
Для вуглецевих сталей застосовують відпал, нормалізацію, гартування та відпуск. Режим обирають залежно від вмісту вуглецю та призначення виробу.
Для деталей, яким необхідна тверда зносостійка поверхня зі збереженням пластичної серцевини, може застосовуватися цементація. Процес передбачає насичення поверхневого шару вуглецем і використовується під час виготовлення шестерень, валів та інших навантажених деталей.
Особливості обробки низьколегованої сталі
Низьколегована сталь містить невелику кількість легувальних елементів, наприклад хрому, нікелю, молібдену, марганцю або ванадію. Ці добавки дають змогу підвищити міцність, зносостійкість і стійкість матеріалу до зовнішніх впливів.
Основні завдання термообробки низьколегованої сталі:
-
підвищення міцності та твердості;
-
поліпшення пластичності й ударної в’язкості;
-
зняття напружень після зварювання та механічної обробки;
-
отримання однорідної структури;
-
зниження ризику деформацій і тріщин.
Для таких сталей також застосовують відпал, нормалізацію, гартування та відпуск. Під час гартування часто використовують мастило, оскільки воно забезпечує менш інтенсивне охолодження порівняно з водою та зменшує ймовірність пошкодження виробу.
Де застосовується термічна обробка
Термообробка використовується практично в усіх галузях, пов’язаних із виробництвом та експлуатацією металевих виробів.
Мостобудування та суднобудування
Під час виготовлення великих зварних конструкцій термообробка допомагає зняти внутрішні напруження, поліпшити структуру зварних з’єднань і збільшити строк служби металоконструкцій.
Автомобілебудування
Гартування та відпуск застосовують під час виробництва колінчастих валів, шестерень, підшипників та інших деталей, що працюють за підвищених навантажень і тертя.
Виробництво різального інструменту
Свердла, ножі, пилки та інші різальні інструменти піддають гартуванню та відпуску для підвищення твердості, зносостійкості та здатності зберігати різальні властивості.
Сільськогосподарська техніка
Термообробка застосовується під час виготовлення лемешів, ножів косарок та інших деталей, які постійно контактують із ґрунтом і зазнають абразивного зношування.
Висновок
Термічна обробка металів і сплавів дає змогу цілеспрямовано змінювати структуру та експлуатаційні характеристики матеріалу. Правильно підібраний режим нагрівання, витримки й охолодження підвищує міцність, твердість, пластичність і зносостійкість виробів, а також допомагає знизити внутрішні напруження та ризик передчасного руйнування.
Для отримання прогнозованого результату режим термообробки необхідно підбирати індивідуально з урахуванням марки сталі, геометрії деталі, попередніх технологічних операцій та умов подальшої експлуатації.