Отжиг проводится для размягчения металла. Это делает металл более пригодным для холодной обработки и формовки. Он также повышает обрабатываемость, пластичность и вязкость металла.
Что такое термическая обработка металлов? Методы и преимущества
Термическая обработка — это процесс нагрева и охлаждения металлов с использованием определенных заранее выбранных методов для получения желаемых свойств. Как черные, так и цветные металлы проходят термическую обработку перед их применением.
Со временем было разработано множество различных методов. Даже сегодня металлурги постоянно работают над улучшением результатов и рентабельности этих процессов.
Для этого они разрабатывают новые графики или циклы для производства различных сортов. Каждый график относится к разной скорости нагрева, выдержки и охлаждения металла.
При тщательном соблюдении этих методов можно производить металлы различных стандартов с удивительно конкретными физическими и химическими свойствами.
Польза
Причины проведения термообработки могут быть разными. Некоторые процедуры делают металл мягким, а другие повышают твердость . Они также могут влиять на электрическую и теплопроводность этих материалов.
Некоторые методы термообработки снимают напряжения, возникшие в более ранних процессах холодной обработки. Другие придают металлам желаемые химические свойства. Выбор идеального метода зависит от типа металла и требуемых свойств.
В некоторых случаях металлическая деталь может пройти несколько процедур термической обработки. Например, некоторые суперсплавы, используемые в авиастроении, могут пройти до шести различных этапов термообработки, чтобы оптимизировать их для применения.
Интересен вариант закалки с самоотпуском. В этом случае охлаждению повергают исключительно поверхностную зону металла, а последующий отпуск происходит под влиянием остаточного тепла, распространяющегося от сердцевины наружу.
Термическая обработка стали
Термическая обработка стали позволяет придать изделиям, деталям и заготовкам требуемые качества и характеристики. В зависимости от того, на каком этапе в технологическом процессе изготовления проводилась термическая обработка, у заготовок повышается обрабатываемость, с деталей снимаются остаточные напряжения, а у деталей повышаются эксплуатационные качества.
Технология термической обработки стали – это совокупность процессов: нагревания, выдерживания и охлаждения с целью изменения внутренней структуры металла или сплава. При этом химический состав не изменяется.
Так, молекулярная решетка углеродистой стали при температуре не более 910°С представляет из себя куб объемно-центрированный. При нагревании свыше 910°С до 1400°С решетка принимает форму гране-центрированного куба. Дальнейший нагрев превращает куб в объемно-центрированный.
Термическая обработка стали
Сущность термической обработки сталей – это изменение размера зерна внутренней структуры стали. Строгое соблюдение температурного режима, времени и скорости на всех этапах, которые напрямую зависят от количества углерода, легирующих элементов и примесей, снижающих качество материала. Во время нагрева происходят структурные изменения, которые при охлаждении протекают в обратной последовательности. На рисунке видно, какие превращения происходят во время термической обработки.
Изменение структуры металла при термообработке
Термообработка стали – это технологический процесс, который стал обязательным этапом получения комплектов деталей из стали и сплавов с заданными качествами. Этого позволяет добиться большое разнообразие режимов и способов термического воздействия. Термообработку используют не только применительно к сталям, но и к цветным металлам и сплавам на их основе.
Стали без термообработки используются лишь для возведения металлоконструкций и изготовления неответственных деталей, срок службы которых невелик. К ним не предъявляются дополнительные требования. Повседневная же эксплуатация наоборот диктует ужесточение требований, именно поэтому применение термообработки предпочтительно.
В термически необработанных сталях абразивный износ высок и пропорционален собственной твердости, которая зависит от состава химических элементов. Так, незакаленные матрицы штампов хорошо сочетаются при работе с калеными пуансонами.
Некоторые материалы могут стареть естественным образом (при комнатной температуре), в то время как другие стареют только искусственно, то есть при повышенных температурах. Для естественно стареющих материалов может быть удобно хранить их при более низких температурах.
Принцип термической обработки
Термическая обработка металлов основана на фазовых изменениях внутренней структуры, происходящих при их нагреве или охлаждении. В общем виде процесс термообработки состоит из следующих этапов:
- нагрева, изменяющего структуру кристаллической решетки металла;
- охлаждения, фиксирующего достигнутые при нагреве изменения;
- отпуска, снимающего механические напряжения и упорядочивающего полученную структуру.
Особенностью технологии термической обработки стали является то, что при нагреве до 727 ºC она переходит в состояние твердого расплава — аустенита, в котором атомы углерода проникают внутрь элементарных ячеек железа, создавая равномерную структуру. При медленном охлаждении сталь возвращается в исходное состояние, а при быстром — фиксируется в виде аустенита или других структур. От способа охлаждения и дальнейшего отпуска зависят свойства закаленной стали. Здесь соблюдается принцип: чем быстрее охлаждение и ниже температура, тем выше ее хрупкость и твердость. Термообработка является одним из ключевых технологических процессов для всех сплавов железа с углеродом. Например, получить ковкий чугун можно только путем термической обработки белого чугуна.
Виды термообработки стали
Каждый вид операций термической обработки относится к определенной группе в соответствии со своей принадлежностью к технологическому этапу. К предварительным относят нормализацию и отжиг, к основным — разнообразные способы закалки и обработки с нагревом, а к заключительным — отпуск в различных средах. Такое деление термических операций в какой-то мере является условным, т. к. иногда отпуск производят в начале термообработки, а нормализацию и отжиг — в конце. Технология горячей обработки металлов включает в себя нагревание, удержание рабочей температуры в течение требуемого периода и охлаждение с заданной скоростью. Помимо этого, для повышения износостойкости изделий из легированных сталей используется холодная термическая обработка с погружением заготовки в криогенную среду с охлаждением ниже -150 ºC.
Отжиг
Главной особенностью отжига является нагрев изделий до высокой температуры и очень медленное постепенное охлаждение. Такие термические режимы способствуют формированию равномерной кристаллической структуры и полному снятию остаточных напряжений. В зависимости от типа металла и требуемого результата отжиг делится на следующие виды:
- Диффузионный. Деталь нагревают до температуры около 1200 ºC, а затем постепенно остужают в течение десятков часов (для массивных изделий — до нескольких суток). Обычно такой термической обработкой устраняют дендритные неоднородности структуры стали.
- Полный. Нагрев заготовки производится за критическую точку образования аустенита (727 ºC) с последующим медленным остужением. Этот вид отжига используется чаще всего и применяется в основном для конструкционной стали. Его результатом является снижение зернистости кристаллической структуры, улучшение ее пластических свойств и понижение твердости, а также снятие внутренних напряжений. Полный отжиг иногда применяют до закалки для понижения зернистости металла.
- Неполный. В этом случае нагрев происходит до температуры выше 727 ºC, но не более чем на 50 ºC. Результат при таком отжиге практически такой же, что и при полном, хотя он не обеспечивает полного изменения кристаллической структуры. Но он менее энергозатратный, выполняется за более короткий период, а на детали образуется меньше окалины. Такая термическая обработка используется для инструментальных и подобных им сталей.
- Изотермический. Нагревание осуществляется до температуры, немного превышающей 727 ºC, после чего изделие сразу же переносят в ванну с расплавом при 600÷700 ºC, где оно выдерживается определенное время до окончания формирования требуемой структуры.
Еще одно достаточно распространенное применение отжига как в промышленности, так и в домашних мастерских — восстановление исходных свойств стали после неудачной закалки или проведения пробной термической обработки.
Закалка
Закалка является центральным звеном большинства процессов термической обработки, т. к. именно она обеспечивает получение требуемых эксплуатационных качеств закаливаемого металла. Закалка включает в себя три основных этапа: нагревание изделия выше 727 ºC, поддержание заданной температуры до завершения формирования требуемой кристаллической структуры и быстрое охлаждение для фиксации полученного результата. Основными технологическими параметрами при закалке являются температуры нагрева и охлаждения, а также скорости прохождения этих термических процессов. Температура нагревания низкоуглеродистой (до 0.8 %) стали напрямую зависит от процентного содержания углерода (см. график ниже): чем оно ниже, тем больше нужно разогревать изделие. Для инструментальных сталей достаточно нагревания на 30÷50 ºC выше 727 ºC. Параметры термической обработки легированных сталей сильно зависят от их состава, поэтому выбор температурных режимов для них необходимо производить по технологическим справочникам.
Технология термической обработки метизов включает закалку с отпуском, идущие после основной формующей операции (холодной или горячей высадки, точения или фрезерования). В редких случаях заготовку сначала калят, а только потом начинают обрабатывать. Удобство и безопасность такого варианта просчитывают технологи.
Принципы термообработки
Термообработка подразумевает фазовые изменения внутренней структуры материала при подогреве или охлаждении.
Вся процедура включает в себя такие этапы:
- Нагрев, который влияет на структуру кристаллической решетки заготовки.
- Охлаждение, позволяющее зафиксировать изменения, которые были достигнуты во время предыдущего этапа.
- Отпуск, устраняющий напряжение и выравнивающий готовую структуру.
Ключевой особенностью термической обработки стальных изделий является то, что под воздействием температуры в 727 °C они приобретают форму аустенита — твердого расплава. В таком состоянии атомы углерода начинают проникать внутрь структурных ячеек железа, формируя равномерное соединение.
При постепенном охлаждении материал возвращается к прежнему состоянию, а при интенсивном — остается в виде аустенита или прочей структуры.
В зависимости от технологии охлаждения и последующего отпуска определяются конечные свойства закаленного металла. В данном случае применяется принцип: чем быстрее охлаждается исходное сырье, тем выше твердость и хрупкость готового продукта.
Термообработка является незаменимым технологическим процессом при работе со сплавами железа и углерода. Для примера, чтобы сформировать ковкую чугунную основу, нужно выполнить термическую обработку белого чугуна.
График термической обработки.
Ключевые преимущества
При производстве деталей для продолжительной эксплуатации термообработка является обязательным этапом.
Популярность технологии обусловлена ее следующими преимуществами:
- Улучшение устойчивости к износу металлической заготовки.
- Увеличение срока эксплуатации готовых изделий и снижение количества брака.
- Повышение коррозийной стойкости.
Обработанные конструкции справляются с большими нагрузками, а срок их службы увеличивается в несколько раз.
Чередование циклов подогрева и охлаждения положительно сказывается на твердости, износостойкости и ударной вязкости. Также подобная процедура позволяет вносить структурные изменения в поверхностном слое или оказывать воздействие на часть заготовки.
Совмещение термообработки и горячей обработки под давлением повышает твердость материала намного лучше, чем нагартовка или закалка.
Оборудование для проведения работ дешевле, чем установки механообрабатывающих и литейных предприятий.
При высоком отпуске заготовку нагревают до температуры 350-600°C. Цикл охлаждения выполняется на открытом воздухе. Технология популярна при подготовке углеродистой стали.
Термическая обработка — невероятно обширная сфера вариантов технологических воздействий на материал. Чтобы перечислить все известные методы, пришлось бы составить список на несколько сотен позиций, поскольку каждый сплав требует почти индивидуального подхода, а общая стратегия не ограничивается лишь изменением прочности.
Наиболее удобная классификация — с разбивкой на три ключевых способа: отпуск, отжиг и закалку. Из их сочетаний и режимов подбирают варианты под каждый конкретный случай.
Отжиг
Ключевые задачи этого вида термической обработки — снятие внутренних напряжений, стабилизация структуры, выравнивание химического состава и физико-механических свойств. Вместе с этим наблюдается незначительное упрочнение за счет устранения структурных дефектов.
Чтобы отжечь изделие, его нагревают, выдерживают под температурой и медленно охлаждают. Чтобы уменьшить скорость охлаждения, материал укутывают ватой или огнеупорными материалами, а часто — оставляют остывать вместе с печью. На эту процедуру может уйти до 2 суток.
По степени влияния на структуру различают:
- отжиг I рода — фазовых превращений не происходит, но уходят структурные дефекты;
- отжиг II рода — минимальные фазовые превращения присутствуют.
По объему воздействия различают:
- полный отжиг — с нагревом выше третьей критической точки, что соответствует полной рекристаллизации («сброс» до исходных характеристик металла);
- неполный отжиг — с нагревом между первой и третьей критической точкой, с частичной рекристаллизацией.
По характеру действия различают:
- нормализационный отжиг (нормализация) — выравнивание структуры, измельчение зерна материала;
- изотермический отжиг — позволяет произвести полный распад аустенита до перлита;
- сфероидизирующий отжиг — для сфероидизации карбидов и превращения пластинчатого перлита в зернистый;
- гомогенизированный отжиг — выравнивание химического состава;
- отжиг, увеличивающий зерно;
- рекристаллизационный отжиг — устраняет наклеп с поверхности.
Отжигу чаще всего подвергают отливки и сварные конструкции. Причем он может быть как объемным — когда воздействуют на всю деталь целиком, — так и местным, сосредоточенным на строго определенной зоне. Так обрабатывают сварной шов на электросварных стальных трубах: греют с помощью ТВЧ или лазера. Вместе с отжигом уходят остаточные растягивающие напряжения, и риск получить растущие трещины внутри шва снижается до минимума.
К своеобразной разновидности отжига можно отнести и старение металла. Эта операция предусматривает медленный нагрев с длительной выдержкой (от нескольких часов до нескольких суток), с управляемым охлаждением и цикличным повторением процедуры. В результате металл приобретает равновесную и упрочненную структуру, к которой бы пришел спустя несколько месяцев эксплуатации.
Отпуск
Этот вид термической обработки полностью соответствует своему названию. Отпуск — возможность сбросить накопленный груз, обновиться и вернуться к делу свежим. Отпускают преимущественно закаленные сплавы, чтобы понизить полученную твердость, сделать металл не таким напряженным, вернуться к стартовым характеристикам.
Механика отпуска состоит в нагреве до определенной температуры, при которой закалочные структуры сменяются иными, выдержке и спокойном охлаждении. В чем-то отпуск близок к отжигу, но предназначен для совершенно иной цели и выступает сопутствующей операцией после закалки.
Промышленный выпуск метизной продукции предусматривает два основных разделения: на изделия, упрочненные в ходе непосредственной пластической деформации на станках, и на изделия, упрочненные при помощи закалки. Второй вариант характерен исключительно для стального крепежа.
Технология термической обработки метизов включает закалку с отпуском, идущие после основной формующей операции (холодной или горячей высадки, точения или фрезерования). В редких случаях заготовку сначала калят, а только потом начинают обрабатывать. Удобство и безопасность такого варианта просчитывают технологи.
В массовом и крупносерийном производстве весь путь от нагрева до охлаждения проходит в автоматизированном режиме — на линиях конвейерного типа. Для мелкой серии и единичного выпуска изделия калят порционно, собирая в пакеты.
Чтобы оценить требования к уровню прочности стального крепежа, следует обратиться к ГОСТ 1759.4 (болты, шпильки, винты), ГОСТ 1759.5 (гайки), ГОСТ 11371 (подкладные шайбы) и ГОСТ 6402 (пружинные шайбы).
Разделение по классам прочности стержневых деталей выглядит так:
- от 3.6 до 6.8 — отсутствует термическая обработка;
- 8.8 и 9.8 — закалка и отпуск на 425°С;
- 10.9 — закалка и отпуск на 340..425°С;
- 12.9 — закалка и отпуск на 380°С.
Работа с легированными среднеуглеродистыми сталями по наивысшему классу дает предел прочности не менее 1220 МПа с поверхностной твердостью 385..435 HV. Подобным болтам или резьбовым шпилькам соответствуют гайки класса 12 — с твердостью 295..353 HV. Этих показателей достигают одними и теми же методами, варьируя лишь исходные материалы и режимы нагрева/охлаждения.
Интересней обстоят дела с шайбами. Для подкладных круглых изделий нужна минимальная твердость — около 110 HV. Это соответствует сырому состоянию низкоуглеродистых сталей. Зато выпуск стопорных шайб непременно включает операцию закалки: их твердость приходится на диапазон 40. 48 HRC (389. 508 HV), а в некоторых случаях достигает 50 HRC (539 HV). Для такого результата берут высокоуглеродистые рессорно-пружинные марки, а стабилизирующий отпуск после закалки делают минимальным — лишь бы снять остаточные напряжения, чтобы деталь не разорвало в работе.
Вы можете всегда определить, присутствовала или нет термическая обработка в изготовлении крепежа, оценив три параметра: материал изготовления, стандарт (ГОСТ, DIN или EN) и маркировку. Относительно болтов с широкой шестигранной головкой класс прочности всегда набивают на верхнем торце. Если видите числа 8.8, 9.8, 10.9 или 12.9 — у вас в руках стальной крепеж, прошедший огонь и воду, чтобы стать в разы крепче и выдержать увеличенные нагрузки.
Цикл полного отжига позволяет улучшить технические характеристики исходного сырья для последующей обработки. В таком варианте изделие разогревается до критической температуры, а затем постепенно охлаждается.
Нюансы обработки разных марок
Легированные стали типа 20Х, 15ХГН2ТА, 4Х5МФС, 20Х2Н4А, 50ХГФА, 6ХВ2С, 18ХГ, У9, 45Г2, 20ХГР, 38ХН3МА, 7Х3, 20ХН3А, не являющиеся нержавеющими, обрабатывают на основе общих правил для перлитных, мартенситных и аустенитных сталей. Чтобы получить перлит, аустенит, феррит или мартенсит, существуют свои критические точки на графике, некоторые из которых оговорены выше. Термообрабатывают такие стали путём затяжного прогрева до нужных температур, выдержки положенное время – и с таким же медленным остыванием. Исключение – закалка: остужение заготовок производят быстро. Медленные нагрев и охлаждение обусловлены простыми законами физики: чем ниже теплопроводность, тем больше вероятность повредить сталь при такой спешке. Нагревание производят постепенное – по всей площади детали.
Нержавейки – 07Х16Н6, 20Х13, 20Х14, 20Х16, 20Х18Н9Т и похожие составы (маркер «Х-число» в маркировке обозначает целые проценты хрома по массе), под которые подпадают и похожие сорта стали, содержащие 13% и более хромовой присадки по весу заготовки, после отжига оставляются в медленно остывающей печи. Иногда для отложенного раскаливания в составе печи используется специальное электронагревательное оборудование, включающее подогрев по специальному алгоритму – в целях соблюдения технологии производства на 100%.
После отжигания производится отпуск – это позволяет нержавеющим заготовкам набрать прочность, ударную вязкость (нержавейка относительно сложна в резке и сверлении). Быстро охлаждать нержавейку нельзя – это приведёт к возникновению дополнительных дефектов.
Аустенитные стали подвергаются временному разогреву в печи до 1150°С. Чтобы получить устойчивую внутреннюю структуру, раскалённые и выдержанные положенное время заготовки погружаются в масло по специальному алгоритму или до полного охлаждения. Улучшенная таким образом сталь обретает все присущие ей положительные свойства. Быстрорежущая сталь закаливается в печи с максимально точным термодатчиком. Она не подлежит быстрому разогреванию или охлаждению. Правильно достигнутый результат – потеря первоначальной твёрдости лишь при температуре порядка 650-700°С.
Простые углеродистые стали марки 3, 4, 5, 6, 8, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 75 (подписаны как «Ст» с соответствующим номером), содержащие в себе соответствующее количество сотых долей процента углерода по весу заготовки, нормализуются и отпускаются, отжигаются по общей методике «мартенсит – перлит – аустенит – феррит» в зависимости от того, какой род стального состава вы хотите получить. Цель – сделать связи в кристаллической решётке между молекулами устойчивыми, добиться уменьшения хрупкости.
Закалочные процессы по отношению к алюминию и его сплавам происходят преимущественно в селитровых ваннах. Поэтому после термической обработки в техпроцесс вводят дополнительную операцию по очистке поверхностей от остатков селитры.
Суть процесса
Термическая обработка — это воздействие на металл температурой с целью получения материала с иными характеристиками. Термообработка применяется для получения следующих результатов:
- придать изделию необходимый уровень твердости в каком-либо отдельном узле или по всей поверхности металла;
- придать наилучшую микроструктуру сплаву или стали;
- корректировка химического состава в частицах микроструктуры различных сплавов.
При обработке высокими температурами легко добиться однородности материала. Это помогает в последующем при механической обработке узлов и механизмов. Также снижается риск получить на производстве бракованную деталь из данного материала.
Также при помощи термической обработки можно повысить возможность деформации заготовки, чтобы из приготовленного материала было проще сделать готовый узел или необходимую деталь.
Это основные методы химико-термической обработки. Они помогают предотвратить раннюю коррозию металла, улучшают его параметры прочности при малом изменении гибкости.
Термическая обработка металлов — один из основных процессов современной металлургической промышленности и различного вида производств. В зависимости от выбранного вида производится различное воздействие температурами, чтобы добиться эффектов прочности и твердости металла.
Также термообработка позволяет избежать дополнительного брака в готовых деталях. Основа всех термических процессов — воздействие температурой с остыванием, резким или естественным.
