для чего нужна термообработка металла
Для чего нужна термообработка металлов?
Чаще всего термообработка металлов нужна для изменения их физических свойств. Из-за сложных химических процессов в результате термообработки полностью или частично меняется структура металлического изделия. Благодаря такому воздействию, металл лучше обрабатывается, а его эксплуатационные свойства улучшаются.
Обрабатывают как заготовки и полуфабрикаты, так и готовые детали.
Как правило, в ходе термообработки металл сначала нагревается до определенной температуры, выдерживается в таком состоянии какое-то время, в затем остужается. От того, как долго металл будет нагрет и как быстро он будет остужаться, напрямую зависят его будущие физические свойства.
Один из видов термообработки — отпуск. Он уменьшает хрупкость, снимает внутреннее напряжение металла и повышает его вязкость. В зависимости от того, как сильно раскаляется деталь, отпуск разделяют на низкий, средний и высокий. Низкий отпуск (до 250 градусов) чаще всего применяется при обработке режущих инструментов, которые в результате теряют хрупкость и сохраняет твердость. Средний (300-500 градусов) отпуск предает детали «пружинистость», а высокий (до 600 градусов) — полностью снимает внутреннее напряжение металла.
Отжиг облегчает последующую обработку стали. Заготовку нагревают, а потом медленно охлаждают при комнатной температуре.
Закалка — еще один вид термической обработки деталей. Она придает твердость и износостойкость. Металл нагревают, выдерживают какое-то время, а затем быстро охлаждают. Для охлаждения обычно используют масло или воду. Если форма закаленной детали сложная, то ее сначала охлаждают в воде, а потом — в масле.
Иногда сочетают сразу несколько видов термообработки (например, сначала закаляют, а потом делают отпуск).
Термообработка металла — один из старейших способов улучшения изделий, проверенный веками и применяемый до сих пор.
Для чего нужна термообработка?
Надежность и долговечность оборудования, металлоконструкций и трубопроводов находятся в непосредственной зависимости от качества изготовления составляющих их элементов, деталей и узлов. В процессе эксплуатации последние подвергаются воздействию статических, динамических и циклических нагрузок, влиянию агрессивных сред, работают при экстремально высоких и низких температурах, находятся в условиях интенсивного износа.
Таким образом, эксплуатационная надежность металлоизделий находится в прямой зависимости от прочности, износостойкости, термо- и коррозионной стойкости составляющих их элементов.
В целях повышения этих характеристик необходимо правильно выбирать материалы деталей, совершенствовать их конструкцию, устранять неточности сборки, улучшать методы холодной и горячей обработки.
Для современного производства характерны высокие требования к свойствам материалов, обусловленные постоянным ростом производства, повышением производительности технологических процессов и связанной с ними необходимости изготовления крупногабаритного и сложного оборудования (реакторов, колонн, емкостей, теплообменников, фильтров). В связи с возрастающей интенсивностью нагружения производственного оборудования, например, печного (змеевиков печей) или динамического (компрессоров, насосов), важной задачей становится увеличение их срока эксплуатации и межремонтного цикла за счет использования более качественных материалов. Повышение рабочего давления и увеличение диаметров технологических трубопроводов, предназначенных для транспортировки агрессивных газообразных и жидких сред и эксплуатирующихся в сложных климатических условиях, влечет за собой применение новых материалов и высокотехнологических способов получения и обработки труб. Этим высоким требованиям лишь в редких случаях могут отвечать материалы в состоянии поставки. Основная часть ответственных конструкционных элементов нуждается в упрочнении или стабилизации эксплуатационных свойств, не изменяющихся с течением времени, поэтому одним из способов повышения механических и физико-химических свойств металлических материалов является термическая обработка.
Термической обработкой металлов (термообработкой) называется совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения твердых металлов и металлических сплавов.
Термообработку проводят с целью изменения структуры и соответственно свойств металлов и сплавов в заданном направлении. Термическая обработка применяется для целенаправленного изменения структуры материала, а именно, фазового состава и перераспределения компонентов, размеров и формы кристаллических зерен, вида дефектов, их количества и распределения, что позволяет, в конечном счете, достаточно легко получать требуемые свойства материалов.
Следует отметить, что изменение структуры и соответственно свойств возможно не только под воздействием тепла, но и под влиянием других внешних факторов, например, при проведении химической, механической, радиационной, электромеханической и других видов обработки.
Важно помнить, что свойства металлов и сплавов зависят не только от их структуры, но и от их химического состава, который формируется в ходе проведения металлургических и литейных процессов. При термической обработке химический состав остается неизменным, лишь иногда при неправильно выбранном составе защитной среды и температурно-временных параметров термообработки изменяется химический состав на поверхности заготовок и изделий в результате протекания процессов обезуглероживания, науглероживания или окисления. В данной статье влияние химического состава на изменение различных свойств металлов и сплавов не рассматривается.
Задачами термической обработки являются ликвидация внутренних напряжений в металлах и сплавах, улучшение обрабатываемости резанием или давлением, повышение механических и эксплуатационных свойств и др.
Термической обработке подвергают заготовки, полуфабрикаты и готовые изделия. Номенклатура изделий, чрезвычайно широка – от крепежных изделий до крупнейших отливок и поковок статического и динамического нефтехимического оборудования.
Термической обработке подвергают стали, чугуны и сплавы на основе цветных металлов. Так, например, в химическом машиностроении основную долю обрабатываемых сталей составляют углеродистые стали Ст3, сталь 20 и др. (> 50%), доля низколегированных сталей типа 09Г2С, 16ГС, 12ХМ составляет
20%, а коррозионностойких сталей – 26-28%. Среди чугунов чаще всего применяют высокопрочный и ковкий чугуны. Наиболее распространенными сплавами на основе цветных металлов являются сплавы на основе никеля, титана, алюминия и меди.
Необходимо понимать, что для одного и того же материала, т.е. материала с одним химическим составом, благодаря проведению различных режимов термической обработки можно получить несколько разных структур, обладающих абсолютно различными свойствами. Улучшение механических свойств с помощью термообработки дает возможность шире использовать сплавы более простых составов. Термообработкой можно увеличить допускаемые напряжения, уменьшить массу деталей и механизмов, повысить их надежность и долговечность.
Термическую обработку металлов и сплавов проводят обычно в тех случаях, когда имеют место:
· полиморфные превращения в металле;
· ограниченная и переменная (увеличивающаяся с температурой) растворимость в твердом состоянии одного компонента в другом;
· изменение строения под влиянием холодной пластической деформации.
В основе современной классификации видов термической обработки лежат представления о фазовых и структурных изменениях в сплаве.
Термическая обработка подразделяется на собственно термическую, термомеханическую и химико-термическую.
Собственно термическая обработка включает в себя следующие основные виды: отжиг 1-го рода, отжиг 2-го рода, закалку, отпуск. Нормализация несколько выпадает из общей классификации, т.к. имеет особенности при применении к сталям разной степени легированности.
Все виды термической обработки отличаются друг от друга температурой нагрева, продолжительностью выдержки при этой температуре и скоростью охлаждения по окончании выдержки.
Отжиг 1-го рода включает в себя гомогенизационный (диффузионный) отжиг, рекристаллизационный отжиг, отжиг для снятия напряжений.
Гомогенизационный отжиг необходим для выравнивания химического состава сталей, для устранения последствий дендритной ликвации. Рекристаллизационный отжиг используют в промышленности как первоначальную операцию перед холодной обработкой давлением (для придания материалу наибольшей пластичности), как промежуточный процесс между операциями холодного деформирования (для снятия наклепа) и как окончательную термическую обработку для придания полуфабрикату или изделию необходимых свойств. Отжиг для снятия напряжений применяют для литых, кованых и катаных заготовок, деталей после обработки резанием, шлифовки, сварки, термообработки с целью полного или частичного снятия остаточных макронапряжений в изделиях, которые могут вызывать искажение формы (коробление) и изменение размеров изделия во время ее обработки, эксплуатации и хранения.
Отжиг 2-го рода подразделяют на полный отжиг, неполный отжиг, изотермический отжиг, сфероидизацию, нормализацию.
Полный отжиг применяют, главным образом, при обработке доэвтектоидных и эвтектоидных сталей с целью получения равномерной мелкозернистой структуры, снижения уровня напряжений, твердости и прочности, улучшения обрабатываемости резанием. Неполный отжиг используют для доэвтектоидных сталей для смягчения их перед обработкой резанием. Изотермический отжиг чаще применяют для легированных сталей для получения однородной структуры требуемой дисперсности с заданным уровнем свойств, а также для улучшения обрабатываемости сталей резанием. Сфероидизация представляет собой отжиг на зернистый перлит, структура которого имеет наименьшую твердость и обеспечивает наилучшую деформируемость сталей при волочении, глубокой вытяжке, холодной прокатке. В случае использования нормализации как предварительной обработки ее цели те же, что и при отжиге: получение равновесной мелкозернистой структуры, снижение твердости для последующей механической обработки. В заэвтектоидных сталях нормализация является единственным способом устранения грубой и хрупкой сетки цементита. Нормализацию как окончательную термообработку применяют для среднеуглеродистых машиностроительных сталей, строительных сталей и теплостойких сталей перлитного класса.
Закалку применяют для получения максимальной твердости, прочности и износостойкости изделий.
Отпуск проводят для приведения закаленного сплава в более устойчивое структурное состояние, снятия внутренних напряжений, повышения вязкости и пластичности.
По количеству проводимых операций термообработка может быть простой и состоять из одной из указанных операций или может быть сложной и состоять из нескольких операций.
По объему нагреваемого изделия термическая обработка может быть как полной (иначе объемной), т.е. нагреву подвергается все изделие, так и местной, когда нагревается локальный участок изделия.
По назначению термическую обработку подразделяют на предварительную и окончательную.
Цель предварительной (иначе промежуточной) обработки – предотвращение появления дефектов (флокенов, трещин) в металле после его обработки давлением в горячем состоянии и снижение твердости металла для облегчения проведения последующей механической обработки, например, обработки резанием, а также уменьшение остаточных напряжений и подготовки структуры под окончательную термическую обработку.
При окончательной термической обработке в металле формируется необходимая структура, обеспечивающая получение требуемого уровня физико-механических свойств готового изделия.
Качество термической обработки определяют следующие основные критерии:
· обеспечение требуемых свойств материала;
· сведение к минимуму побочных явлений – нежелательного изменения геометрических параметров изделий (формы, размеров, состояния поверхности) или нарушения сплошности материала;
· обеспечение высоких технико-экономических показателей термического передела.
При незначительных затратах на термическую обработку (обычно не превышающих 2-4% полной себестоимости) результаты ее могут оказывать большое влияние на трудоемкость и стоимость работ на смежных участках производства. В связи с этим многие производители предпочитают не проводить термическую обработку, что позволяет им сократить технологический процесс изготовления изделия. Иногда это и с научной, и с практической точки зрения оправдано, но иногда – нет. Термическая обработка должна стать обязательной в тех случаях, когда снижение рабочих характеристик изделия, а также высокий уровень остаточных напряжений могут превысить допустимые пределы и привести к катастрофическому и необратимому разрушению металла.
В связи с этим, надо не только тщательно продумывать технологические процессы объемной и местной термической обработки, но и строго соблюдать их режимы, добиваясь получения оптимальных структур и высокого уровня физико-механических и эксплуатационных свойств в изделиях с целью обеспечения их длительной и надежной работы.
Что такое термическая обработка металлов? Методы и преимущества
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
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.
Этапы процесса термообработки
Конечный результат зависит от множества различных факторов. К ним относятся время нагрева, время выдержки металлической детали при определенной температуре, скорость охлаждения, окружающие условия и т. д. Параметры зависят от метода термообработки, типа металла и размера детали.
Нагрев
Детали реактивного двигателя, направляемые в печь
Как мы уже обсуждали, микроструктура сплавов будет изменяться в процессе термообработки. Нагрев осуществляется в соответствии с заданным термическим профилем.
При нагревании сплав может находиться в одном из трех различных состояний. Это может быть механическая смесь, твердый раствор или их комбинация.
Механическая смесь аналогична бетонной смеси, в которой цемент связывает песок и гравий. Песок и гравий все еще видны как отдельные частицы. В случае металлических сплавов механическая смесь удерживается основным металлом.
С другой стороны, в твердом растворе все компоненты смешиваются гомогенно. Это означает, что их невозможно идентифицировать индивидуально даже под микроскопом.
Каждое состояние приносит с собой разные качества. По фазовой диаграмме возможно изменение состояния путем нагрева. Однако охлаждение определяет конечный результат. Сплав может оказаться в одном из трех состояний, в зависимости только от метода.
Выдержка
Во время выдержки металл выдерживается при достигнутой температуре. Продолжительность зависит от требований.
Например, поверхностное упрочнение требует только структурных изменений поверхности металла, чтобы повысить твердость поверхности. В то же время для других методов требуются единые свойства. В этом случае период выдержки больше.
Время выдержки также зависит от типа материала и размера детали. Более крупным деталям требуется больше времени, когда целью являются однородные свойства. Это происходит из-за того, что сердцевине большой части требуется больше времени, чтобы достичь необходимой температуры.
Охлаждение
После завершения этапа выдержки металл необходимо охладить в установленном порядке. На этом этапе тоже происходят структурные изменения. Твердый раствор при охлаждении может оставаться неизменным, полностью или частично превращаться в механическую смесь, в зависимости от различных факторов.
Также возможно использование печи в процессе охлаждения. Контролируемая среда обеспечивает высокую точность, когда необходимо медленное охлаждение.
Фазовые диаграммы
У каждого металлического сплава своя фазовая диаграмма. Как уже было сказано ранее, термическая обработка проводится по этим схемам. Они показывают структурные изменения, происходящие при разных температурах и различном химическом составе.
Давайте возьмем фазовую диаграмму железо-углерод в качестве примера, так как она наиболее известна и широко преподается в университетах.
На диаграмме показаны различные области, где металл существует в различных микросостояниях, таких как аустенит, цементит, перлит. Эти области обозначены границами A1, A2, A3 и Acm. На этих границах происходят фазовые изменения, когда через них проходит температура или значение содержания углерода.
A1: Верхняя граница фазы цементит/феррит.
A2: предел, при котором железо теряет свой магнетизм. Температура, при которой металл теряет свой магнетизм, также называется температурой Кюри.
A3: Граница раздела, отделяющая фазу аустенит + феррит от фазы γ (гамма) аустенита.
Acm: Граница раздела, отделяющая аустенит γ от аустенита + цементита.
Фазовая диаграмма является важным инструментом, позволяющим определить, будет ли термообработка полезной или нет. Каждая структура привносит определенные качества в конечный продукт, и выбор термообработки делается на основе этого.
Распространенные методы термической обработки
Существует довольно много методов термической обработки. Каждый из них обладает определенными качествами.
К наиболее распространенным методам термообработки относятся:
Отжиг
При отжиге металл нагревается выше верхней критической температуры, а затем охлаждается с медленной скоростью.
Отжиг проводится для размягчения металла. Это делает металл более пригодным для холодной обработки и формовки. Он также повышает обрабатываемость, пластичность и вязкость металла.
Отжиг также полезен для снятия напряжений в детали, вызванных предшествующими процессами холодной обработки. Присутствующие пластические деформации устраняются во время рекристаллизации, когда температура металла пересекает верхнюю критическую температуру.
Металлы могут подвергаться множеству методов отжига, таких как рекристаллизационный отжиг, полный отжиг, частичный отжиг и окончательный отжиг.
Нормализация
В этом процессе металл нагревается до температуры, которая на 40° C выше его верхней критической температуры.
Эта температура выше, чем при закалке или отжиге. После выдержки при этой температуре в течение определенного периода времени его охлаждают на воздухе. Нормализация создает однородный размер зерна и состав по всей детали.
Нормализованная сталь тверже и прочнее отожженной стали. Фактически, в нормализованном виде сталь прочнее, чем в любом другом состоянии. Вот почему детали, которые требуют ударной вязкости или должны выдерживать большие внешние нагрузки, почти всегда будут нормализованы.
Закалка
Заготовку закаляют, нагревая ее до заданной температуры, а затем быстро охлаждают, погружая в охлаждающую среду. Можно использовать масло, солевой раствор или воду. Полученная деталь будет иметь повышенную твердость и прочность, но одновременно возрастет и хрупкость.
Другие типы процессов закалки включают индукционную закалку, дифференциальную закалку и закалку пламенем. Однако закалка пламенем может привести к образованию зоны термического влияния, которая возникает после охлаждения детали.
Старение
График старения алюминия 6061
Осадочное твердение обычно происходит после еще одного процесса термообработки, при котором достигается более высокая температура. Однако старение только повышает температуру до среднего уровня и снова быстро снижает ее.
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.
Снятие напряжения
Снятие напряжения особенно часто используется для деталей котлов, баллонов с воздухом, аккумуляторов и т. д. При этом методе нагревают металл до температуры чуть ниже его нижней критической границы. Процесс охлаждения медленный и, следовательно, равномерный.
Это делается для снятия напряжений, которые возникли в деталях из-за более ранних процессов, таких как формовка, механическая обработка, прокатка или правка.
Отпуск
Температура обычно намного ниже температуры затвердевания. Чем выше используемая температура, тем мягче становится конечная заготовка. Скорость охлаждения не влияет на структуру металла во время отпуска, и обычно металл охлаждается на неподвижном воздухе.
Цементация стали
В этом процессе термообработки металл нагревается в присутствии другого материала, который выделяет углерод при разложении.
Освободившийся углерод поглощается поверхностью металла. Содержание углерода на поверхности увеличивается, что делает ее более твердой, чем внутреннее ядро.
Какие металлы подходят для термической обработки?
Хотя черные металлы составляют большинство термообработанных материалов, сплавы меди, магния, алюминия, никеля, латуни и титана также могут подвергаться термообработке.
Такие процессы, как закалка, отжиг, нормализация, снятие напряжений, цементирование, азотирование и отпуск, обычно выполняются на черных металлах.
Медь и медные сплавы подвергаются таким методам термической обработки, как отжиг, старение и закалка.
Очевидно, не все материалы подходят для термической обработки. Точно так же не обязательно использовать каждый метод для отдельного материала. Поэтому каждый материал нужно изучать отдельно, чтобы добиться желаемого результата. Использование фазовых диаграмм и доступной информации о влиянии вышеупомянутых методов является отправной точкой.
Если вам понравилась статья, то ставьте лайк, делитесь ею со своими друзьями и оставляйте комментарии!
Какие способы термообработки металла существуют
Чтобы изменить технические характеристики металла, можно создать сплав на его основе и добавить к нему другие компоненты. Однако существует ещё один способ изменения параметров металлического изделия — термообработка металла. С её помощью можно воздействовать на структуру материала и изменять его характеристики.
Термообработка металла
Особенности термической обработки
Термическая обработка металла — это ряд процессов, которые позволяют снять с детали остаточное напряжение, изменить внутреннюю структуру материала, повысить эксплуатационные качества. Химический состав металла после нагревания не изменяется. При равномерном разогревании заготовки изменяется размер зёрен структуры материала.
История
Технология термической обработки металла известна человечеству с давних времён. Во времена Средневековья, кузнецы разогревали и остужали заготовки для мечей с помощью воды. К 19 веку человек научился обрабатывать чугун. Кузнец помещал металл в емкость полную льда, а сверху засыпал сахаром. Далее начинается процесс равномерного разогревания, продолжающийся 20 часов. После этого чугунную заготовку можно было ковать.
В середине 19 века, русский металлург Д. К. Чернов задокументировал то, что при нагревании металла, его параметры изменяются. От этого учёного пошла наука — материаловедение.
Для чего нужна термическая обработка
Детали для оборудования и узлы коммуникаций, изготавливающиеся из металла, часто подвергаются серьёзным нагрузкам. Дополнительно к воздействию давлением, они могут находиться в условиях критических температур. Чтобы выдержать такие условия, материал должен быть износоустойчивым, надёжным и долговечным.
Покупные конструкции из металла не всегда способны длительное время выдерживать нагрузки. Чтобы они прослужили гораздо дольше, мастера металлургии применяют термическую обработку. Во время и после нагревания химический состав металла остается прежним, а характеристики изменяются. Процесс термической обработки увеличивает коррозионную устойчивость, износоустойчивость и прочность материала.
Преимущества термообработки
Термическая обработка металлических заготовок является обязательным процессом, если дело касается изготовления конструкций для длительного пользования. У этой технологии существует ряд преимуществ:
Металлические конструкции после термической обработки выдерживают большие нагрузки, увеличивается их срок эксплуатации.
Устойчивость к коррозии
Виды термической обработки стали
В металлургии применяется три вида обработки стали: техническая, термомеханическая и химико-термическая. О каждом из представленных способах термической обработки необходимо поговорить отдельно.
Отжиг
Разновидность или еще один этап технической обработки металла. Это процесс подразумевает под собой равномерное нагревание металлической заготовки до определённой температуры и последующее её остывание естественным путём. После отжига исчезает внутреннее напряжение металла, его неоднородность. Материал размягчается под воздействием температуры. Его проще обрабатывать в дальнейшем.
Существует два вида отжига:
Диапазон воздействия температур при проведении этого процесса — от 25 до 1200 градусов.
Закалка
Ещё один этап технической обработки. Металлическая закалка проводится для увеличения прочности заготовки и уменьшения её пластичности. Изделие разогревается до критических температур, а затем быстро остужается методом окунания в ванну с различными жидкостями. Виды закалки:
Также можно выделить изотермический вид закалки. Он похож на ступенчатый, однако изменяется время выдержки заготовки в расплавленных солях.
Термомеханическая обработка
Это типовой режим термической обработки сталей. При таком технологическом процессе используется оборудование создающее давление, нагревательные элементы и ёмкости для охлаждения. При различных температурах заготовка подвергается разогреву, а после этого происходит пластическая деформация.
Отпуск
Это заключительный этап технической термообработки стали. Проводится этот процесс после закалки. Повышается вязкость металла, снимается внутреннее напряжение. Материал становится более прочным. Отпуск стали может проводиться при различных температурах. От этого изменяется сам процесс.
Закалка стали
Криогенная обработка
Главное отличие термической обработки от криогенного воздействия в том, что последний подразумевает под собой охлаждение заготовки. По окончанию такой процедуры детали становятся прочнее, не требуют проведения отпуска, лучше шлифуются и полируются.
При взаимодействии с охлаждающими средами температура опускается до минус 195 градусов. Скорость охлаждения может изменяться в зависимости от материала. Чтобы охладить изделие до нужной температуры, используется процессор который генерирует холод. Заготовка равномерно охлаждается и остаётся в камере на определённый промежуток времени. После этого её достают и дают самостоятельно нагреться до комнатной температуры.
Химико-термическая обработка
Ещё один вид термообработки, при котором заготовка разогревается и подвергается воздействию различных химических элементов. Поверхность заготовки очищается и покрывается химическими составами. Проводится этот процесс перед закалкой.
Мастер может насыщать поверхность изделия азотом. Для этого они нагревается до 650 градусов. При нагревании заготовка должна находиться в криогенной атмосфере.
Термообработка цветных сплавов
Представленные виды термической обработки металлов не подходят для различных видов сплавов и цветного металла. Например, при работе с медью проводится рекристаллизационный отжиг. Бронза разогревается до 550 градусов. С латунью работают при 200 градусах. Алюминий изначально закаляют, затем отжигают и подвергают старению.
Термообработка металла считается необходимым процессом при изготовлении и дальнейшем использовании конструкций и деталей для промышленного оборудования, машин, самолётов, кораблей и другой техники. Материал становится прочнее, долговечнее и устойчивее к коррозийным процессам. Выбор технологического процесса зависит от используемого металла или сплава.