Термическая обработка металла

Задачами обработки металлов и сплавов являются не только преобразование формы материала (механическая обработка) либо его поверхности (механическая, химическая обработка), но и изменение свойств и характеристик всего материала. В большинстве случаев такая цель достигается благодаря термообработке.

С помощью определенных комбинаций нагрев – охлаждение можно повысить или понизить твердость исходной заготовки, устранить ее ломкость, или же, напротив, придать металлу «память» о предыдущих формах и состояниях.

Состояния металла

Металлы, как и сплавы, могут принимать два предельных агрегатных состояния – твердое и жидкое. В процессе нагрева металл проходит ряд стадий, постепенно размягчаясь, пока не достигнет состояния жидкого расплава: аустенит, перлит, феррит, цементит, мартенсит, сорбит, троостит. Эти стадии не проявляются скачкообразно, а плавно переходят друг в друга, при этом происходит изменение кристаллической решетки металла.

Температура, когда та или иная стадия становится преобладающей во всей толще заготовки, называется критической точкой. Термист (специалист по термообработке металла) определяет, в момент достижения какой стадии металл приобретает нужные свойства и в момент достижения соответствующей критической точки производит охлаждение металла, закрепляя полученный результат, сохраняя модифицированную нагревом структуру.

Как правило, целью такой обработки является изменение твердости, вязкости, прочности заготовки. В меньшей мере воздействие влияет на электро- и теплопроводимость, устойчивость к коррозии, магнитные свойства.

Вернуть первоначальные свойства можно, нагрев металл выше температуры, при которой он был обработан ранее и переведя его на следующую стадию. Температура такого возврата называется рекристаллизационной.

Технологии термической обработки металла

Управлять процессом термообработки можно варьируя скорость и температуру нагрева, время поддержания нужной температуры (полная перестройка толщи металла происходит не мгновенно), скорость и условия охлаждения.

При высоких температурах обработки поверхность заготовки окисляется, меняет цвет, на ней появляются слой окалины (что особо заметно на высокоуглеродистых сталях).

Температурное воздействие на заготовку может происходить в печи, с нагревом вместе с печью либо резким нагревом, помещая металл в уже разогретое устройство, или же вне печи, воздействуя на локальные участки целенаправленным потоком тепла. В зависимости от этого используют различные технологии:

• электро- и газовые печи;
• высокочастотные токи;
• электронный луч;
• тлеющий разряд;
• лазерный луч.

При нагреве, как мы уже замечали, металл окисляется, вступает с кислородом в реакцию. Чтобы этого избежать, тепловую обработку проводят в условиях вакуумных или заполненных инертным газом камер.

Распространенный и самый простой метод – разогрев кислородным резаком с оценкой температуры по степени покраснения металла – является и самым некачественным, так как заготовка греется бесконтрольно и неравномерно.

При охлаждении также применяются различные технологии, позволяющие варьировать его скорость и условия. Среда, в которой может охлаждаться заготовка:

• вода (для уменьшения испарения может быть соленой);
• машинное масло;
• воздух;
• взвесь водяных капель в воздушной струе;
• раствор жидкого стекла или полимеров в воде;
• пена.

Заготовку можно как помещать в охлаждающий реагент, так и подавать его брызгами, струями, сплошным потоком. В случае погружения заготовки в реагент используют ванны, вращая деталь для равномерного охлаждения специальным механическим устройством. Охлаждение маслом обычно проводят в камерах, распыляя масло до состояния тумана.

Методы термообработки металла

Существует три основных метода термообработки: отпуск, отжиг, закалка. Комбинируя их, получают программу термообработки для каждого конкретного случая.

Отжиг. Применяется для стабилизации внутренней структуры металла, достижения однородности химического состава и физических свойств, снятия внутренних напряжений. При этом устраняются дефекты, микротрещины и полости, что положительно влияет на прочность детали. Метод предполагает нагрев, выдержку под температурой в течении значительного времени и постепенное охлаждение, зачастую вместе с печью или под укрытием огнеупорного материала. Весь цикл отжига может занимать до 48 часов.

При отжиге I рода устраняются дефекты структуры, без фазовых превращений металла, а при отжиге II рода металл претерпевает фазовое превращение. При полном отжиге нагрев происходит до температуры рекристаллизации, что возвращает его характеристики к начальным.

Чаще всего отжигают сварные конструкции и отливки. Например, с помощью лазера или СВЧ прогревают сварные швы на трубах, что выравнивает их структуру, понижая риск образования трещин.

Принудительное старение металла используют для получения равновесной структуры, которой необработанное изделие достигнет спустя месяцы после изготовления. Процесс предполагает многократный медленный нагрев, длительную выдержку и медленное охлаждение.

Отпуск. В чём-то метод похож на отжиг – нагрев, выдержка, спокойное охлаждение. Но применяется с иными целями, как средство сброса внутренних напряжений после закалки. Побочным эффектом отпуска является повышение хрупкости, снижение ударной вязкости металла, особенно у легированных сталей с малым содержанием углерода.

Закалка металла повышает его твердость, делает поверхность более износоустойчивой. Иногда закаливают пружины, рессоры для увеличения пружинящих свойств. При закалке металл приобретает мартенситную структуру, которой характерна максимальная внутренняя напряженность.

Чтобы избежать трещин в толще металла, после закалки его обязательно отпускают. Сам процесс широко известен: разогрев до критической точки мартенситного состояния и резкое охлаждение путем погружения детали в воду или масло. Резкая смена состояний приводит к значительному повышению прочности материала.