Термическая обработка (термообработка, ТО) — это совокупность технологических процессов, направленных на изменение структуры и свойств металлов и сплавов посредством их нагрева, выдержки и охлаждения. Основная цель термической обработки заключается в улучшении механических, физических и химических свойств материалов для соответствия их эксплуатации в различных условиях.
Термическая обработка играет важную роль в металлургии и машиностроении, позволяя повысить прочность, пластичность, твёрдость, износостойкость, а также улучшить коррозионные характеристики изделий. Этот процесс является универсальным для всех видов металлов, включая углеродистую и легированную сталь, цветные металлы и сплавы.
Этапы термической обработки
- Нагрев — металл или сплав нагревается до определённой температуры, при которой происходят структурные изменения. Температура нагрева зависит от типа материала и целей обработки.
- Выдержка — на этом этапе металл удерживается при заданной температуре определённое время. Выдержка необходима для равномерного распределения тепла и стабилизации изменений в структуре материала.
- Охлаждение — это ключевой этап, который определяет конечные свойства материала. Охлаждение может быть медленным или быстрым, в зависимости от требуемого результата. Например, при закалке охлаждение происходит быстро, а при отжиге — медленно.
Термическая обработка металлов и сплавов включает в себя различные методы, которые направлены на изменение структуры металла, его механических и физико-химических свойств.
Основные виды термической обработки металлов и сплавов
Термическая обработка делится на несколько основных видов, каждый из которых имеет свою цель и особенности.
Отжиг
Отжиг — это процесс нагрева металла до определённой температуры, выдержки при этой температуре и последующего медленного охлаждения. Основные цели отжига:
- уменьшение твердости и увеличение пластичности;
- снятие внутренних напряжений;
- улучшение структуры металла после механической обработки.
Нормализация
Нормализация похожа на отжиг, но отличается более быстрым охлаждением на воздухе. Этот процесс применяется для улучшения механических свойств металлов, таких как твердость и прочность, а также для устранения дефектов структуры, появившихся при литье или сварке.
Закалка
Закалка представляет собой нагрев металла до высоких температур и быстрое охлаждение (в воде, масле или специальных средах). Закалка повышает твердость и прочность металла, однако делает его более хрупким. Чтобы устранить хрупкость, после закалки часто проводится отпуск.
Отпуск
Отпуск — это процесс нагрева закаленного металла до определённой температуры и его медленного охлаждения. Цель отпуска — уменьшить хрупкость и повысить пластичность материала, сохранив при этом его высокую прочность.
Аустенизация
Аустенизация — это процесс нагрева стали до температуры, при которой она полностью превращается в аустенит. Этот процесс предваряет закалку и нормализацию и помогает улучшить свойства стали.
Изотермическая закалка
Изотермическая закалка заключается в охлаждении металла до определённой температуры с выдержкой в течение определённого времени. Этот процесс применяется для получения более стабильной структуры, увеличения ударной вязкости и снижения риска трещин.
| Вид термической обработки | Цель обработки | Температура (°C) | Время выдержки | Охлаждение |
|---|---|---|---|---|
| Отжиг | Уменьшение твердости, снятие напряжений, улучшение структуры | 600–850 | 1–10 часов | Медленное охлаждение в печи |
| Нормализация | Улучшение механических свойств, устранение дефектов | 850–950 | 1–2 часа | Охлаждение на воздухе |
| Закалка | Повышение твёрдости и прочности | 750–900 | 30–60 минут | Быстрое охлаждение в масле или воде |
| Отпуск | Снижение хрупкости, повышение пластичности | 200–600 | 30 минут – 2 часа | Медленное охлаждение на воздухе |
| Аустенизация | Полное превращение стали в аустенит | 900–1100 | В зависимости от типа стали | Охлаждение перед закалкой или нормализацией |
| Изотермическая закалка | Повышение ударной вязкости, уменьшение риска трещин | 250–450 | 1–3 часа | Выдержка в изотермической среде |
Термическая обработка сварных соединений
Сварные соединения требуют особого внимания при термической обработке. Во время сварки металл подвергается неравномерному нагреву, что может привести к внутренним напряжениям и дефектам в соединениях. Для устранения этих проблем применяется несколько методов термической обработки:
Снятие напряжений. Процесс снятия напряжений заключается в нагреве сварного соединения до умеренных температур (около 600-700°C) и последующем медленном охлаждении. Этот процесс уменьшает остаточные напряжения, возникающие при сварке, что повышает долговечность и прочность соединений.
Нормализация сварных швов. Нормализация сварных соединений осуществляется для улучшения структуры металла после сварки. Этот процесс позволяет устранить крупнозернистую структуру, которая может возникнуть в зоне термического влияния при сварке, и восстановить исходные свойства материала.
Закалка и отпуск сварных соединений. В случаях, когда требуется высокая твердость и прочность сварных соединений, может применяться закалка с последующим отпуском. Этот процесс особенно актуален для ответственных конструкций, работающих в условиях высоких нагрузок.
Термическая обработка изделий из углеродистой стали
Углеродистая сталь является одним из наиболее распространённых материалов, используемых в промышленности, благодаря своим прочностным характеристикам, доступности и универсальности. Одним из ключевых процессов для улучшения эксплуатационных свойств изделий из углеродистой стали является термическая обработка, которая позволяет изменять структуру и свойства стали, делая её более прочной, износостойкой или пластичной в зависимости от требований.
Влияние углерода на свойства стали
Количество углерода в стали определяет её твёрдость, прочность и пластичность. В зависимости от содержания углерода различают три типа углеродистых сталей:
- Низкоуглеродистая сталь (содержит до 0,25% углерода) — характеризуется хорошей пластичностью и низкой твёрдостью, легко поддаётся термообработке и сварке.
- Среднеуглеродистая сталь (содержит 0,25-0,6% углерода) — обладает повышенной прочностью, но несколько хуже поддаётся сварке и обработке.
- Высокоуглеродистая сталь (содержит более 0,6% углерода) — имеет высокую твёрдость и износостойкость, но становится более хрупкой и требует тщательной термической обработки.
Основные виды термической обработки углеродистой стали
Для улучшения эксплуатационных характеристик изделий из углеродистой стали применяют следующие методы термической обработки:
1. Отжиг
Отжиг углеродистой стали заключается в её нагреве до температуры, при которой происходит рекристаллизация, выдержке и медленном охлаждении. Этот процесс способствует:
- уменьшению твёрдости стали;
- улучшению её обрабатываемости;
- снятию внутренних напряжений, возникших при холодной обработке или сварке.
Отжиг применяется для деталей, которые требуют дальнейшей механической обработки или сварки.
2. Нормализация
Нормализация — это процесс нагрева стали до температур, при которых она переходит в фазу аустенита (около 850-900°C), с последующим охлаждением на воздухе. Этот процесс способствует:
- устранению дефектов, появившихся при литье и ковке;
- улучшению механических свойств, таких как прочность и пластичность.
Нормализация широко используется для изделий из средне- и высокоуглеродистой стали, требующих улучшенной структуры и механических характеристик.
3. Закалка
Закалка углеродистой стали предполагает её быстрый нагрев до температуры аустенита, с последующим резким охлаждением в воде, масле или специальных средах. Цель закалки — получить высокопрочную и твёрдую структуру металла. Однако закалка делает сталь более хрупкой, что требует последующего отпуска для улучшения пластичности.
Закалённые изделия из углеродистой стали обладают высокой износостойкостью и применяются в условиях повышенных механических нагрузок.
4. Отпуск
Отпуск — это процесс нагрева закаленной стали до температур, значительно ниже температуры аустенита (150-700°C), с последующим охлаждением на воздухе. Этот процесс устраняет избыточную хрупкость стали после закалки, увеличивая её пластичность, при этом сохраняя достаточную твёрдость.
Отпуск может быть низкотемпературным (150-250°C) для увеличения прочности или высокотемпературным (500-700°C) для повышения пластичности и ударной вязкости.
5. Цементация
Цементация — это процесс насыщения поверхностного слоя углеродистой стали углеродом. Цементация увеличивает твёрдость поверхности изделий, при этом их сердцевина сохраняет пластичность и ударную вязкость. Этот метод применяется для деталей, работающих в условиях абразивного износа, таких как шестерни, валы и другие высоконагруженные элементы.
Термическая обработка изделий из низколегированной стали
Низколегированная сталь представляет собой сталь с небольшим содержанием легирующих элементов, таких как хром, никель, молибден, марганец и ванадий. Обычно их концентрация не превышает 2-3%. Эти элементы улучшают свойства стали, такие как прочность, коррозионная стойкость и износостойкость. Термическая обработка низколегированной стали играет важную роль в оптимизации её эксплуатационных характеристик.
Основные цели термической обработки низколегированной стали
- Улучшение механических свойств (прочности, твёрдости, пластичности).
- Повышение устойчивости к коррозии и износу.
- Снятие внутренних напряжений после обработки или сварки.
- Обеспечение однородной структуры материала для стабильной работы под нагрузкой.
Основные виды термической обработки низколегированной стали
1. Отжиг
Отжиг низколегированной стали включает нагрев до температуры выше критической (обычно около 850-950°C), выдержку при этой температуре и медленное охлаждение. Цели отжига:
- уменьшение твёрдости для улучшения обрабатываемости;
- снятие внутренних напряжений, возникающих при механической обработке или сварке;
- улучшение пластичности и структурной однородности материала.
Отжиг часто применяется для заготовок и сварных конструкций, чтобы облегчить дальнейшую механическую обработку.
2. Нормализация
Нормализация заключается в нагреве стали до температурной зоны аустенитной фазы (850-950°C), с последующим охлаждением на воздухе. Цель нормализации — устранить структурные дефекты, возникающие при литье или ковке, и улучшить механические свойства стали. Процесс нормализации помогает устранить неравномерную зернистость и увеличить прочность, пластичность и ударную вязкость материала.
Этот процесс часто используется для изделий, подвергшихся интенсивной сварке или механической обработке.
3. Закалка
Закалка низколегированной стали осуществляется путём нагрева до высоких температур (850-1000°C), с последующим быстрым охлаждением в воде, масле или другой закалочной среде. Закалка позволяет значительно повысить твёрдость и прочность стали, делая её пригодной для работы в условиях высокой механической нагрузки. Однако закалка увеличивает хрупкость материала, поэтому процесс часто сопровождается отпуском.
4. Отпуск
Отпуск — это процесс повторного нагрева закалённой стали до более низкой температуры (150-700°C) с целью устранения хрупкости, сохраняя при этом высокую прочность. Существует несколько типов отпуска:
- Низкотемпературный отпуск (150-250°C) — используется для изделий, где необходима высокая твёрдость, такие как режущие инструменты.
- Среднетемпературный отпуск (250-450°C) — уменьшает хрупкость и улучшает ударную вязкость, сохраняя при этом прочность.
- Высокотемпературный отпуск (450-700°C) — применяется для деталей, требующих высокой пластичности и ударной вязкости, например, вала́ или шестерён.
5. Закалка в масле
Для некоторых низколегированных сталей закалка в масле является предпочтительным вариантом, так как она обеспечивает более мягкое охлаждение по сравнению с закалкой в воде, снижая риск деформации и образования трещин.
6. Термическая обработка сварных соединений
Сварка низколегированной стали может вызвать образование внутренних напряжений и изменить структуру металла в зоне термического влияния. Для устранения этих эффектов применяют процессы термообработки:
- Снятие напряжений — нагрев до температуры около 600-700°C с последующим медленным охлаждением устраняет внутренние напряжения.
- Нормализация сварных швов — улучшает структуру и повышает прочность сварных соединений.
Примеры применения термической обработки
Термическая обработка металлов и сплавов находит широкое применение в различных отраслях промышленности:
1. Мостостроение и судостроение
В строительстве крупных металлических конструкций, таких как мосты и корпуса судов, термообработка играет ключевую роль. Например, нормализация сварных соединений помогает устранить дефекты, возникающие при сварке толстостенных металлоконструкций, повышая их прочность и долговечность.
2. Автомобилестроение
В автомобильной промышленности закалка и отпуск применяются для обработки таких компонентов, как коленчатые валы, шестерни и подшипники. Эти детали требуют высокой твердости для снижения износа и увеличения срока службы, при этом их пластичность позволяет выдерживать ударные нагрузки.
3. Производство режущих инструментов
Закалка и последующая термическая обработка режущих инструментов, таких как сверла, ножи и пилы, обеспечивает их необходимую твердость и износостойкость. Такие инструменты должны сохранять режущие свойства даже при высоких нагрузках и нагреве.
4. Сельскохозяйственная техника
Для производства деталей сельскохозяйственной техники, таких как лемеха плугов и ножи косилок, также применяется закалка. Эти детали работают в условиях абразивного износа, поэтому термообработка существенно продлевает их срок службы.
Термическая обработка металлов и сплавов — это необходимый этап производства металлических изделий, обеспечивающий оптимальные эксплуатационные характеристики материалов. Различные методы термообработки позволяют получать детали с нужными механическими свойствами, обеспечивать долговечность и надёжность изделий, особенно в условиях высоких нагрузок и агрессивных сред.