Современные технологии термической обработки металлов

В большинстве случаев для сталей и сплавов, получаемых после их выплавки и последующей первичной обработки давлением – прокатки, выдавливания или ковки – получить необходимые физико-механические свойства и структуру не удаётся. Что и понятно: повышение пластичности, например, способствует снижению суммарных энергозатрат при обработке заготовок, а неравномерная структура стального слитка  неизбежна ввиду особенностей ведения большинства металлургических процессов.

Но для дальнейшей эксплуатации деталей и узлов оборудования зачастую требуются совсем иные характеристики – прочность, твёрдость, жёсткость и т.д. Именно для этих целей и предназначена термическая обработка металлов.

Сущность процессов термообработки

Задачами различных технологий термической обработки является:

• Обеспечение наиболее благоприятной микроструктуры сталей и сплавов;
• Получение нужного уровня твёрдости: либо в тонкой поверхностной (или подповерхностной) зоне, либо по всему поперечному сечению заготовки;
• Коррекция химического состава в зёрнах макроструктур различных сплавов.

В первом случае необходимо обеспечить максимальную степень однородности свойств металлов, что важно, например, для последующей механической или – особенно – деформирующей их обработки. В результате условия формоизменения заготовки по всем трём координатным осям оказываются одинаковыми, а брак конечной детали исключается.

Кроме того, выравнивание микро и макроструктуры  для процессов обработки металлов давлением необходимо для того, чтобы повысить степень деформации полуфабрикатов, приближая в итоге форму заготовки к форме готового изделия. Причём за наименьшее количество переходов, и используя минимально необходимое для этого усилие оборудования.

Изменение химического состава в зёрнах микроструктуры, вследствие образования новых соединений в большинстве случаев не только поднимает показатели твёрдости, но и повышает износостойкость деталей, которые должны эксплуатироваться при повышенном трении, температуре или увеличенных против обычного удельных нагрузках.

В первую группу технологий термообработки различных сплавов, включая сталь, входят отжиг и отпуск. Во вторую —  закалка, нормализация, улучшение, старение, обработка холодом. В третью – все виды термохимической обработки.

Отжиг

Суть процессов, протекающих в структуре большинства сплавов, подвергаемых отжигу – обеспечить наиболее равновесную структуру заготовки, в которой или отсутствуют внутренние напряжения, или их уровень достаточно низок, а потому не влияет на последующую обрабатываемость металлов/сплавов.

Исходная структура практически всех сплавов и сталей представляет собой достаточно крупные зёрна, между которыми располагаются включения и примеси, преимущественно сера и фосфор. Это увеличивает хрупкость металла, что может быть важно при формообразовании из слитка (или катанки) изделий сложной конфигурации. Поэтому необходимо снизить размер зерна и придать ему оптимальную форму эллипсоида, при которой механические свойства будут примерно одинаковы по всем трём координатным осям.

С этой целью исходную заготовку необходимо нагреть до температуры на 50…70⁰С выше температуры начала аустенитного превращения. Именно его итогом является образование мелких и хорошо ориентированных зёрен аустенита между зёрнами основных структурных составляющих стали – феррита и цементита. Аустенит образуется из  перлита – структуры, имеющей наиболее крупные зёрна,  которая способствует повышенной хрупкости любого слитка. Аустенитное превращение для большинства сплавов протекает достаточно медленно, поэтому отжиг – длительная процедура, которая должна продолжаться не менее часа.

Вторая важная задача отжига – снять внутренние напряжения, которые формируются в заготовке при её обработке давлением в холодном состоянии. Дело в том, что любая деформация сопровождается дроблением зёрен исходной структуры сталей и сплавов. В итоге зёрен становится больше, сопротивление деформации возрастает, что не только требует повышенного усилия деформирования, но и становится причиной разрушения полуфабриката, степень деформации которого превысила критический для данного металла показатель. Проститутки Пензы dosug-58.info Сохрани ссылку

Соответственно, для реализации первой задачи применяется технология высокотемпературного отжига (для сталей, в зависимости от содержания углерода, она колеблется в пределах 550…750⁰С), а во втором – низкотемпературного отжига (180…220⁰С).

Нагрев происходит медленно, с последующей выдержкой изделия при заданной температуре, после чего следует медленное же охлаждение. Для легированных сталей и сплавов такое охлаждение ведут с особо низкой скоростью, в самой печи, где происходил отжиг.

Отпуск

Отпуск по технологии напоминает отжиг, но производится не с заготовкой, а с готовым изделием, а потому преследует иные задачи – снять внутренние напряжения после термической обработки, которая проводилась на повышенную твёрдость детали.

Самостоятельным процессом термической обработки отпуск не является. В отличие от отжига, отпуск иногда выполняется в несколько приёмов: в большинстве случаев это касается изделий, для производства которых использовались различные виды высоколегированной стали.

Закалка

Закалка заключается в быстром нагреве заготовки до температуры окончания аустенитного превращения (900…1100⁰С – для низкоуглеродистых сталей, 750…850⁰С – для высокоуглеродистых) и последующем быстром охлаждении в специальных закалочных средах. В качестве последних используется вода (для изделий малоответственного назначения) или масло.

Режимы закалки отличаются наибольшим разнообразием. Основным фактором, определяющим эффективность закалки, является интенсивность образования в структуре мартенсита – высокотемпературной составляющей, которая придаёт металлу или сплаву повышенную твёрдость.

Условия образования мартенсита определяются следующими обстоятельствами:

• Марками сталей или сплавов.

  

• Исходной структурой.
• Требуемой конечной твёрдостью.
• Необходимостью наличия ряда соединений в микроструктуре, которые образуются лишь при повышенных температурах.

Соответственно для каждой марки стали или сплава разработаны индивидуальные режимы закалки, которые различаются:

• Скоростью нагрева заготовки до необходимых температур (допускаемая погрешность для некоторых видов

  

  высоколегированных сплава может составлять 20…30⁰С, что вынуждает применять закалочные печи с автоматически регулируемой температурой в рабочем пространстве);

• Длительностью выдержки изделия в печи при заданной температуре;
• Интенсивностью охлаждения изделия;
• Количеством циклов закалки и последующего отпуска.

Особенно тщательно ведут закалку сталей и сплавов со сложным составом, включающим несколько легирующих элементов (в частности, кобальта, молибдена). Указанные металлы в процессе образуют по границам зёрен основной структуры интерметаллидные соединения, которые существенно увеличивают твёрдость и прочность сталей (в частности, инструментальных). Форма и концентрация интерметаллидов зависят только от точности соблюдения технологии закалки.

Виды закалки определяются оборудованием, на котором она выполняется. Например, для таких изделий, как шестерни, валы, направляющие колонки, где требуется оптимальное сочетание высокой поверхностной твёрдости и относительно вязкой сердцевины, используется поверхностная закалка токами высокой частоты.

Для этого изделие помещают в индукционную катушку, по которой пропускается высокочастотный (до 15000…25000 Гц) ток. Проникая на ограниченную глубину, этот ток способствует увеличению поверхностной прочности сталей или сплавов. В результате усталостная прочность деталей, которые работают при циклически изменяющихся напряжениях растяжения-сжатия, заметно возрастает.

Более интенсивное изменение твёрдости поверхности детали можно получить, используя для закалки высокоэнергетические источники тепла – искровой или дуговой разряд. Разряды должны возбуждаться в жидкой среде, куда помещают обрабатываемую заготовку или деталь.

После закалки в подавляющем большинстве случаев необходим отпуск, иначе чрезмерная конечная твёрдость детали становится причиной повышенной хрупкости при ударных нагрузках.

Улучшение и нормализация

Как виды термообработки, эти процессы схожи с отжигом, хотя и предназначены для иных целей – повышения эксплуатационной долговечности ответственных деталей машин и инструмента.

При нормализации деталь подвергается медленному нагреву, выдерживается при заданной температуре, после чего обязательно охлаждается вместе с печью. В результате структура детали становится более равновесной, а уровень внутренних напряжений понижается.

Существенным отличием считается состав атмосферы, печи, в которой выполняются данные операции термической обработки. Она должна быть безокислительной, поскольку интенсивное оксидообразование на поверхности изделия не только ухудшает его товарный вид, но и изменяет размеры.  Выгорание углерода, которым также сопровождается термообработка в обычной печи, ухудшает химический состав стали и снижает её прочность.

Уменьшение доступа кислорода к поверхности детали при нормализации выполняют несколькими путями:

• Нагревом при плановом недостатке кислорода. В этом случае стабильность работы газовых горелок печей для термообработки компенсируют увеличением скорости подачи воздуха в зону горения;
• Термической обработкой в среде защитных газов. Для ответственных деталей применяются пары лития, аргон или другие благородные газы, в остальных случаях – двуокись углерода;
• Нанесением защитных обмазок на поверхность изделия, подлежащего нормализации.

После нормализации деталь охлаждают на спокойном воздухе, не допуская её обдув: это может вызвать неоднородную, «пятнистую» микроструктуру изделия.

Улучшение — операция термообработки, в результате которой повышается механическая обрабатываемость сталей и сплавов, снижается уровень остаточных напряжений в них. Это сопровождается некоторым уменьшением твёрдости.

Криогенная обработка

Мартенситная составляющая в структуре большинства сталей и сплавов может появиться не только при  повышенной, но и при пониженной температуре.  Технология обработки холодом выгодно отличается от традиционных технологий термической обработки следующим:

• В результате криогенной обработки количество остаточного аустенита в сталях снижается. Это стабилизирует размеры деталей (что особо важно для высокоточного инструмента), повышает

  

  теплопроводность и магнитные свойства, увеличивает итоговую прочность изделия.

• Отпадает потребность в последующем отпуске. Это сокращает длительность производственного цикла, что обычно сопровождает все остальные виды термической обработки.
• Для быстрорежущих сталей (из которых изготавливается высокостойкая инструментальная оснастка для

  

  металлорежущего и штамповочного оборудования) обработка холодом – единственный способ увеличить твёрдость, не потеряв при этом в показателях упругости.

• Детали после криогенной обработки лучше поддаются полированию и шлифовке, что снижает коэффициент трения при функционировании таких деталей и повышает их износостойкость.

Особый вид термообработки представляют процессы химико-термической обработки. Их задачей является формирование в поверхностной микроструктуре карбидов и нитридов – соединений, существенно увеличивающих микротвёрдость деталей, и создающих в них остаточные напряжения сжатия. Такие изделия показывают особо высокую стойкость при знакопеременных нагрузках.

Видео: Как закалить любую марку стали