Термічна обробка (термообробка, ТО) – це сукупність технологічних процесів, спрямованих на зміну структури та властивостей металів та сплавів за допомогою їх нагріву, витримки та охолодження. Основна мета термічної обробки полягає у покращенні механічних, фізичних та хімічних властивостей матеріалів для відповідності їх експлуатації у різних умовах.
Термічна обробка відіграє важливу роль у металургії та машинобудуванні, дозволяючи підвищити міцність, пластичність, твердість, зносостійкість, а також покращити корозійні характеристики виробів. Цей процес є універсальним для всіх видів металів, включаючи вуглецеву та леговану сталь, кольорові метали та сплави.
Етапи термічної обробки
- Нагрів – метал або сплав нагрівається до певної температури, за якої відбуваються структурні зміни. Температура нагрівання залежить від типу матеріалу та цілей обробки.
- Витримка – на цьому етапі метал утримується при заданій температурі певний час. Витримка необхідна для рівномірного розподілу тепла та стабілізації змін у структурі матеріалу.
- Охолодження – це ключовий етап, який визначає кінцеві властивості матеріалу. Охолодження може бути повільним або швидким залежно від необхідного результату. Наприклад, при загартуванні охолодження відбувається швидко, а при відпалі повільно.
Термічна обробка металів і сплавів включає різні методи, які спрямовані на зміну структури металу, його механічних і фізико-хімічних властивостей.
Основні види термічної обробки металів та сплавів
Термічна обробка поділяється на кілька основних видів, кожен з яких має свою мету та особливості.
Відпал
Відпал – це процес нагрівання металу до певної температури, витримки при цій температурі та подальшого повільного охолодження. Основні цілі відпалу:
- зменшення твердості та збільшення пластичності;
- зняття внутрішніх напруг;
- покращення структури металу після механічної обробки.
Нормалізація
Нормалізація схожа на відпал, але відрізняється швидшим охолодженням на повітрі. Цей процес застосовується для покращення механічних властивостей металів, таких як твердість та міцність, а також для усунення дефектів структури, що з’явилися під час лиття або зварювання.
Загартування
Загартування являє собою нагрівання металу до високих температур і швидке охолодження (у воді, олії або спеціальних середовищах). Загартування підвищує твердість і міцність металу, проте робить його більш крихким. Щоб усунути крихкість, після гарту часто проводиться відпустка.
Відпуск
Відпуск – це процес нагрівання загартованого металу до певної температури та його повільного охолодження. Мета відпустки – зменшити крихкість та підвищити пластичність матеріалу, зберігши при цьому його високу міцність.
Аустенізація
Аустенізація – це процес нагрівання сталі до температури, при якій вона повністю перетворюється на аустеніт. Цей процес передує загартування та нормалізацію та допомагає покращити властивості сталі.
Ізотермічне загартування
Ізотермічне загартування полягає в охолодженні металу до певної температури з витримкою протягом певного часу. Цей процес застосовується для отримання більш стабільної структури, збільшення ударної в’язкості та зниження ризику тріщин.
| Вид термічної обробки | Мета обробки | Температура (°C) | Час витримки | Охолодження |
|---|---|---|---|---|
| Відпал | Зменшення твердості, зняття напружень, поліпшення структури | 600–850 | 1–10 годин | Повільне охолодження в печі |
| Нормалізація | Поліпшення механічних властивостей, усунення дефектів | 850–950 | 1–2 години | Охолодження на повітрі |
| Гартування | Підвищення твердості і міцності | 750–900 | 30–60 хвилин | Швидке охолодження в маслі або воді |
| Відпуск | Зниження крихкості, підвищення пластичності | 200–600 | 30 хвилин – 2 години | Повільне охолодження на повітрі |
| Аустенізація | Повне перетворення сталі в аустеніт | 900–1100 | Залежно від типу сталі | Охолодження перед гартуванням або нормалізацією |
| Ізотермічне гартування | Підвищення ударної в’язкості, зменшення ризику тріщин | 250–450 | 1–3 години | Витримка в ізотермічному середовищі |
Термічна обробка зварних з’єднань
Зварні з’єднання вимагають особливої уваги при термічній обробці. Під час зварювання метал піддається нерівномірному нагріванню, що може призвести до внутрішньої напруги та дефектів у з’єднаннях. Для усунення цих проблем застосовується кілька методів термічної обробки:
Зняття напруги. Процес зняття напруги полягає в нагріванні зварного з’єднання до помірних температур (близько 600-700°C) і подальшому повільному охолодженні. Цей процес зменшує залишкові напруги, що виникають при зварюванні, що підвищує довговічність та міцність з’єднань.
Нормалізація зварених швів. Нормалізація зварних з’єднань здійснюється для покращення структури металу після зварювання. Цей процес дозволяє усунути крупнозернисту структуру, яка може виникнути в зоні термічного впливу при зварюванні, та відновити вихідні властивості матеріалу.
Загартування та відпуск зварних з’єднань. У випадках, коли потрібна висока твердість і міцність зварних з’єднань, може застосовуватися загартування з подальшою відпусткою. Цей процес є особливо актуальним для відповідальних конструкцій, що працюють в умовах високих навантажень.
Термічна обробка виробів із вуглецевої сталі
Вуглецева сталь є одним з найбільш поширених матеріалів, що використовуються в промисловості, завдяки своїм характеристикам міцності, доступності та універсальності. Одним з ключових процесів для поліпшення експлуатаційних властивостей виробів з вуглецевої сталі є термічна обробка, яка дозволяє змінювати структуру та властивості сталі, роблячи її більш міцною, зносостійкою або пластичною залежно від вимог.
Вплив вуглецю на властивості сталі
Кількість вуглецю в сталі визначає її твердість, міцність та пластичність. Залежно від вмісту вуглецю розрізняють три типи вуглецевих сталей:
- Низьковуглецева сталь (містить до 0,25% вуглецю) – характеризується гарною пластичністю та низькою твердістю, легко піддається термообробці та зварюванню.
- Середньовуглецева сталь (містить 0,25-0,6% вуглецю) – має підвищену міцність, але дещо гірше піддається зварюванню та обробці.
- Високовуглецева сталь (містить більше 0,6% вуглецю) – має високу твердість і зносостійкість, але стає більш крихкою і вимагає ретельної термічної обробки.
Основні види термічної обробки вуглецевої сталі
Для поліпшення експлуатаційних характеристик виробів із вуглецевої сталі застосовують такі методи термічної обробки:
Відпал
Відпал вуглецевої сталі полягає в її нагріванні до температури, при якій відбувається рекристалізація, витримка та повільне охолодження. Цей процес сприяє:
- зменшенню твердості сталі;
- поліпшення її оброблюваності;
- зняття внутрішніх напруг, що виникли при холодній обробці або зварюванні.
Відпал застосовується для деталей, які вимагають подальшої механічної обробки чи зварювання.
Нормалізація
Нормалізація – це процес нагрівання сталі до температур, при яких вона переходить у фазу аустеніту (близько 850-900 ° C), з подальшим охолодженням на повітрі. Цей процес сприяє:
- усунення дефектів, що з’явилися під час лиття та кування;
- поліпшення механічних властивостей, таких як міцність та пластичність.
Нормалізація широко використовується для виробів із середньо- та високовуглецевої сталі, що потребують покращеної структури та механічних характеристик.
Загартування
Загартування вуглецевої сталі передбачає її швидке нагрівання до температури аустеніту, з наступним різким охолодженням у воді, олії або спеціальних середовищах. Мета гарту – отримати високоміцну і тверду структуру металу. Однак загартування робить сталь крихкішою, що вимагає подальшої відпустки для поліпшення пластичності.
Загартовані вироби з вуглецевої сталі мають високу зносостійкість і застосовуються в умовах підвищених механічних навантажень.
Відпуск
Відпуск – це процес нагрівання загартованої сталі до температур, значно нижче температури аустеніту (150-700 ° C), з подальшим охолодженням на повітрі. Цей процес усуває надмірну крихкість сталі після загартування, збільшуючи її пластичність, зберігаючи при цьому достатню твердість.
Відпуск може бути низькотемпературною (150-250°C) для збільшення міцності або високотемпературною (500-700°C) для підвищення пластичності та ударної в’язкості.
Цементація
Цементація це процес насичення поверхневого шару вуглецевої сталі вуглецем. Цементація збільшує твердість поверхні виробів, при цьому їх серцевина зберігає пластичність та ударну в’язкість. Цей метод застосовується для деталей, що працюють в умовах абразивного зношування, таких як шестерні, вали та інші високонавантажені елементи.
Термічна обробка виробів із низьколегованої сталі
Низьколегована сталь є сталь з невеликим вмістом легуючих елементів, таких як хром, нікель, молібден, марганець і ванадій. Зазвичай їхня концентрація не перевищує 2-3%. Ці елементи покращують властивості сталі, такі як міцність, корозійна стійкість та зносостійкість. Термічна обробка низьколегованої сталі відіграє у оптимізації її експлуатаційних характеристик.
Основні цілі термічної обробки низьколегованої сталі
- Поліпшення механічних властивостей (міцності, твердості, пластичності).
- Підвищення стійкості до корозії та зносу.
- Знімає внутрішні напруги після обробки або зварювання.
- Забезпечує однорідну структуру матеріалу для стабільної роботи під навантаженням.
Основні види термічної обробки низьколегованої сталі
Відпал
Відпал низьколегованої сталі включає нагрівання до температури вище за критичну (зазвичай близько 850-950°C), витримку при цій температурі і повільне охолодження. Цілі відпалу:
- зменшення твердості для покращення оброблюваності;
- зняття внутрішніх напруг, що виникають при механічній обробці або зварюванні;
- поліпшення пластичності та структурної однорідності матеріалу.
Відпал часто застосовується для заготівель та зварних конструкцій, щоб полегшити подальшу механічну обробку.
Нормалізація
Нормалізація полягає в нагріванні сталі до температурної зони аустенітної фази (850-950°C) з подальшим охолодженням на повітрі. Мета нормалізації – усунути структурні дефекти, що виникають при литті або куванні, та покращити механічні властивості сталі. Процес нормалізації допомагає усунути нерівномірну зернистість та збільшити міцність, пластичність та ударну в’язкість матеріалу.
Цей процес часто використовується для виробів, що зазнали інтенсивного зварювання або механічної обробки.
Загартування
Загартування низьколегованої сталі здійснюється шляхом нагрівання до високих температур (850-1000°C), з подальшим швидким охолодженням у воді, олії або іншому загартованому середовищі. Загартування дозволяє значно підвищити твердість і міцність сталі, роблячи її придатною для роботи в умовах високого механічного навантаження. Проте загартування збільшує крихкість матеріалу, тому процес часто супроводжується відпусткою.
Відпуск
Відпуск – це процес повторного нагрівання загартованої сталі до нижчої температури (150-700 ° C) з метою усунення крихкості, зберігаючи при цьому високу міцність. Існує кілька типів відпустки:
- Низькотемпературна відпустка (150-250 ° C) – використовується для виробів, де необхідна висока твердість, такі як ріжучі інструменти.
- Середньотемпературна відпустка (250-450 ° C) – зменшує крихкість і покращує ударну в’язкість, зберігаючи при цьому міцність.
- Високотемпературна відпустка (450-700°C) — застосовується для деталей, що вимагають високої пластичності та ударної в’язкості, наприклад, валу або шестерень.
Загартування в олії
Для деяких низьколегованих сталей загартування в олії є кращим варіантом, так як вона забезпечує більш м’яке охолодження порівняно із загартуванням у воді, знижуючи ризик деформації та утворення тріщин.
Термічна обробка зварних з’єднань
Зварювання низьколегованої сталі може спричинити утворення внутрішніх напруг та змінити структуру металу в зоні термічного впливу. Для усунення цих ефектів застосовують процеси термообробки:
Зняття напруги – нагрівання до температури близько 600-700 ° C з наступним повільним охолодженням усуває внутрішні напруги.
Нормалізація зварних швів – покращує структуру та підвищує міцність зварних з’єднань.
Приклади застосування термічної обробки
Термічна обробка металів та сплавів знаходить широке застосування у різних галузях промисловості:
Мостобудування та суднобудування
У будівництві великих металевих конструкцій, таких як мости та корпуси суден, термообробка відіграє ключову роль. Наприклад, нормалізація зварних з’єднань допомагає усунути дефекти, що виникають при зварюванні товстостінних металоконструкцій, підвищуючи їхню міцність і довговічність.
Автомобілебудування
В автомобільній промисловості загартування та відпустка застосовуються для обробки таких компонентів, як колінчасті вали, шестерні та підшипники. Ці деталі вимагають високої твердості для зниження зносу та збільшення терміну служби, при цьому їхня пластичність дозволяє витримувати ударні навантаження.
Виробництво різальних інструментів
Загартування та подальша термічна обробка різальних інструментів, таких як свердла, ножі та пили, забезпечує їх необхідну твердість та зносостійкість. Такі інструменти повинні зберігати ріжучі властивості навіть при високих навантаженнях та нагріванні.
Сільськогосподарська техніка
Для виробництва деталей сільськогосподарської техніки, таких як лемеха плугів та ножі косарок, також застосовується загартування. Ці деталі працюють в умовах абразивного зношування, тому термообробка суттєво продовжує їх термін служби.
Термічна обробка металів та сплавів – це необхідний етап виробництва металевих виробів, що забезпечує оптимальні експлуатаційні характеристики матеріалів. Різні методи термообробки дозволяють отримувати деталі з потрібними механічними властивостями, забезпечувати довговічність та надійність виробів, особливо в умовах високих навантажень та агресивних середовищ.