Материаловедение и термическая обработка металлов

Что такое термическая обработка металлов и сплавов

Для изменения эксплуатационных свойств металлов используется метод термической обработки. Он позволяет повлиять на структуру исходного сырья с последующей корректировкой начальных характеристик. Под воздействием высокой температуры улучшается степень обрабатываемости заготовок и снимается остаточное напряжение с деталей.

Обработка

Обработка металла.

Термический метод обработки металла

Основные свойства и качества металла определяются его структурой. Термическая обработка – наиболее распространенный способ воздействия на материал, который используется для изменения его структуры а, следовательно, и свойств. Как проводится термическая обработка стали и металлов – основные виды технологического процесса, и для каких целей используется этот вид обработки? Все эти знания можно получить, ознакомившись с основами технологии металлов – отрасли науки, изучающей приемы и способы создания и обработки металлических материалов.

Термическая обработка металла. Особенности технологического процесса

После воздействия на сталь давлением (ковка, прессование, прокат, выдавливание) необходимо придать материалу дополнительные физико-механические свойства: жесткость и определенную твердость. Для этого в металлургии и производстве применяется воздействие температурами.

В данной статье рассмотрим все этапы и особенности процесса по порядку.

Электрохимическое и химико термическое воздействие на металлы и сплавы с целью их обработки

Металлообработка – это комплекс технологических процессов изменения размеров, формы и качественных характеристик металлов и сплавов. К ним относятся токарная обработка металла, термическая и химико термическая, электрофизическая, электрохимическая и многие другие виды металлообработки.

Историческая справка

Первые упоминания о термической обработке металлов появились в далеком прошлом. В Средневековье кузнецы отправляли заготовки для оружия в специальные печи, а затем остужали их водой.

В XIX в. появились первые технологии обработки чугуна. Для этого исходное сырье погружалось в резервуар со льдом, поверх которого высыпался сахар.

После этого начинался цикл равномерного разогрева, который занимал до 20 часов. Дальше разогретый металл подвергался ковке с получением требуемой формы.

В середине XIX в. металлург из Российской империи Д.К. Чернов опубликовал статью, в которой указал, что при нагревании металлических сплавов происходит изменение их технических характеристик. Ему присвоили звание автора новой науки — материаловедения.

Отпуск

Часто применяется в машиностроении, а также при изготовлении деталей разного назначения из стальных заготовок. Обычно используется с закалкой, потому что помогает снизить внутреннее напряжение материала. Это делает сырье значительно прочнее, снимает хрупкость, которая может появиться при воздействии повышенных температур.

Еще одна цель применения – увеличение показателей ударной вязкости. Материал становится менее жестким, а значит, при сильном внешнем механическом воздействии его будет сложно повредить.

Технология отпуска разделена на три типа:

  • Низкий. Технология используется для создания мартенситной структуры металла. Главная цель – значительно увеличить вязкость сырья и при этом сохранить его твердость.

Максимальная температура нагрева – до 250 °С. Обычно она составляет не более 150 °С. При таком нагреве сталь нужно будет держать около полутора часов. Охлаждение проводится внутри масла или воздуха, что помогает также упрочнить заготовку или готовое изделие.

Чаще всего низкий отпуск применяется при создании измерительного инструмента или разных типов режущих изделий.

  • Средний. Отличие заключается в повышении максимальной температуры до 500 °С. Обычно детали обрабатываются при нагреве до 340 °С. Применяется воздушное охлаждение.

Главная задача среднего отпуска – перевести мартенсит в троостит. Это обеспечивает рост вязкости на фоне понижения твердости. Технология пригодится, если планируется производить детали, работающие под сильными нагрузками.

  • Высокий. Одно из наиболее успешных средств, позволяющих снизить высокий уровень внутренней напряженности. Изделие прогревается до высоких температур, что помогает создать и нарастить вязкость и пластичность без потери прочности. Хотя методика сложна в использовании для ответственных деталей, она оптимальна. Диапазон нагрева – 450-650°С.

Один из наиболее древних способов обработки металлов

Литье – это процесс изготовления отливок путем заливки литейных форм расплавленным металлом. После отвердевания металлический расплав приобретает конфигурацию внутреннего пространства формы. Современные технологии литья обеспечивают возможность изготавливать отливки сложных форм с минимально возможными припусками на дальнейшую механообработку.

Типы обработки металла литьем:

  • В песчаные формы. Это самая массовая и недорогая литейная технология, позволяющая изготавливать грубые заготовки. Отверстия и полости в них образуют с помощью стержней, помещаемых в форму для литья.
  • В кокиль – разборную, чаще всего металлическую форму. Методика позволяет получать качественные полуфабрикаты. Отвердевшее изделие извлекают из кокиля.
  • Под давлением в пресс-формах. Способ применяется в основном для цветных сплавов и некоторых марок стали.
  • По выплавляемым моделям. Этот метод позволяет изготавливать сложные по форме изделия. Для этого из стеарина и другого материала изготавливают высокоточную модель детали, а затем на нее наносят суспензию, формирующую оболочку. Высушенную и прокаленную оболочковую форму заполняют металлическим расплавом. Охлаждение –на открытом пространстве или в термостате.

Немного истории

Еще в древние времена мастера кузнецких дел использовали самые примитивные методы закалки. Для этого раскаленный кусок железа погружали в воду, масло или вино. Но время шло, и вместе с опытом развивались и способы закаливания металла.

В начале XIX века хрупкий чугун помещали в емкость со льдом и засыпали сахаром. После процесса нагревания продолжавшегося в течение 20 часов, чугун становился мягким и легко поддавался ковке.

Середина XIX века знаменательна тем, что русский изобретатель металлург Д. К. Чернов совершил выдающееся открытие. Он установил, что при смене температуры металл изменяет свои свойства.

Свойства металлов

Дмитрий Константинович Чернов стал основоположником науки изучающей свойства металлов – материаловедения.

Термический метод

Термообработка изделий заключается в изменении структуры материала под воздействием:

  • нагрева до определенной температуры;
  • изотермической выдержки;
  • охлаждения с определенной скоростью.

В зависимости от режимов проведения работ металла конечным результатом операции может быть:

  • упрочнение;
  • разупрочнение;
  • стабилизация.

Виды термической обработки металлов и сплавов:

  • отжиг – заключается в нагреве изделия или заготовки с последующим охлаждением в печи для термической обработки металлов. В результате операции снимаются остаточные внутренние напряжения, повышается пластичность и уменьшается твердость стали; – заключается в нагреве стали до температуры выше критической и последующим быстром охлаждении. В результате закалки прочность материала повышается, а пластичность падает;
  • отпуск – заключается в нагреве закаленной стали до заданной температуры, выдержке и охлаждении на воздухе (только сталь, склонную к отпускной хрупкости, охлаждают в воде). Отпуск является окончательной операцией термообработки. В результате этой операции снимаются (или уменьшаются) внутренние напряжения, деталь становится менее хрупкой и более пластичной. Отпуск бывает низким, средним и высоким;
  • нормализация – заключается в нагреве с последующим охлаждением на воздухе. Эта операция более быстрая и экономичная, чем отжиг, так как не требует охлаждения вместе с печью;
  • старение – заключается в форсированном изменении свойств материала, которое в природе происходит в течение длительного времени;
  • воздействие холодом – заключается в выдержке закаленной детали, остывшей до 20 0 С, в охладителях (сухой лед, жидкая азотная кислота и пр.). применяется для изготовления режущего инструмента с целью повышения стойкости и производительности, измерительного инструмента – для полной стабилизации размеров.

Процесс данного метода работ непрост. Наука материаловедение и термическая обработка металлов изучает глубинные загадочные процессы, происходящие внутри металла.

Порядок поступления и обучения

1.
2.
3.
4.
5.

Преимущества программы

Программа сочетает в себе богатый исследовательский и практический опыт преподавателей в области металловедения и термической обработки, физики прочности, накопленный более чем научной школой Кафедры металловедения и физики прочности. Рассмотрения явлений и процессов, позволяющих создавать новые материалы и технологии, обеспечивающие высокую прочность, сопротивление разрушению и в конечном итоге работоспособность и надежность широкого спектра изделий современной техники, включая разрабатываемые с учетом природы анализируемых объектов технологии big data.

Для каждого магистранта с первых дней обучения формируется индивидуальная научно-образовательная траектория в соответствии с интересами, исследовательской проблематикой, текущими проектами и грантами. Это позволяет студентам максимально сфокусироваться на научной работе, и получить необходимые знания по конкретным дисциплинам.

Кафедра оснащена современным исследовательским и испытательным оборудованием, позволяющим проводить исследования и аттестацию материалов в соответствии с международными стандартами. Традиционно высокий уровень компьютеризации эксперимента, непрерывная работа по его развитию, позволяют изучить и описать многообразие структур и свойств с помощью цифровых технологий, что помогает глубже понять механизмы деформации и разрушения материалов и разрабатывать на этой основе обоснованные технологические решения по повышению качества сталей и сплавов. В исследовательской работе студентов широко используется практика разработки новых средств и методов исследования и испытаний материалов («Под каждую новую задачу — создается свой метод исследования»). Во время обучения магистранты выполняют курсовые научно-исследовательские и выпускные работы в лабораториях кафедры, а также используют экспериментальные возможности ведущих лабораторий НИТУ «МИСиС» и ключевых партнеров.

Особое внимание в обучении уделяется практической работе, студенты получают знания и практические навыки через разработку собственных проектов на базе реальных производственных задач крупных компаний, таких как ГК Росатом, Газпром, Северсталь. В свою очередь предприятия, заинтересованные в новых решениях, предлагают целевые стипендии для успешных студентов на время их работы в проекте. Многие студенты — полноценные соавторы научных статей в ведущих отечественных и зарубежных научных изданиях.

Отжиг

Метод применяется для стабилизации внутренней структуры материала и увеличения ее однородности. Это также помогает сильно уменьшить уровень напряжения. Технологический процесс предполагает нагрев до высоких температур, выдержку и длительное, медленное охлаждение.

В промышленности используется несколько основных подходов:

  • Гомогенизация. Ее также называют диффузионным отжигом. Это процесс термообработки стали в диапазоне температур от 1000 до 1150 °С. В таком состоянии сырье держится на протяжении 8 часов. Для некоторых марок стали время увеличивается до 15. Температура остывания контролируется. Из печи заготовку можно вытаскивать только при достижении 800°С. Далее температура естественно снижается на воздухе.
  • Рекристаллизация. Это низкий отжиг, необходимый после проведения деформации. Главная задача – сделать материал значительно прочнее путем изменения формы зерна во внутренней структуре. Температурный диапазон составляет 100-200 °С. По сравнению с гомогенизацией, длительность выдерживания сильно уменьшилась – до двух часов. Медленное остывание проходит внутри печи.
  • Изометрическое воздействие. Подходит только для легированных сталей. При создаваемом состоянии аустенит постепенно распадается. Температура зависит от природного максимума для конкретной марки металла. Предел должен быть превышен на 20-30°С. Остывание проходит в два этапа – быстрый и медленный.
  • Избавление от внутреннего и остаточного напряжения. Методика подойдет после того, как деталь проходит механическую обработку, сваривается или обрабатывается с использованием литья. Максимальная температура нагрева составляет 727°С. У этого процесса самый длительный период выдерживания среди всех разновидностей отжига –20 часов. Заготовка будет остывать очень медленно.
  • Полный. Если вам нужно достичь мелкозернистой структуры материала с преобладанием перлита и феррита. Методика подойдет для разных типов заготовок – от штампованных и литых до кованных. Метод нагревания здесь такой же, как у изометрического отжига – прогрев выполняется до предельной точки и еще на 30-50°С выше него. Охлаждение проводится до 500°С. Секрет качественного выполнения операции в том, чтобы контролировать скорость остывания. Она указывается из расчета на 60 минут. Для углеродистой стали остывание должно быть менее 150°С, а для легированной – 50°С.
  • Неполный. Основной задачей проведения неполного отжига является перевод перлита в ферритно-цементитную структуру. Технология подойдет для деталей, которые были созданы методом электродуговой сварки. При этом температура составляет 700°С, а длительность выдержки – 20 часов. После медленного охлаждения можно использовать заготовку – ее прочность и защита от повреждения значительно увеличатся.

В чем заключаются преимущества термообработки?

При проведении термической обработки улучшаются свойства металла, что очень ценно в масштабах современного промышленного производства. К основным преимуществам термообработки можно отнести:

  • повышение износостойкости, а значит продление срока годности изделий из обработанного металла;
  • значительное уменьшение процента бракованных изделий;
  • экономия средств и ресурсов на производстве в результате повышения прочности и улучшения качественных характеристик деталей промышленного оборудования.

Суть термической обработки состоит в соблюдении определенной последовательности технологических операций по нагреву, выдержки и охлаждения металла.

Благодаря чему материалы приобретают иные физико-математические свойства за счет воздействия температур и изменения структуры металла.

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.

Термическая обработка металла

Также при помощи термической обработки можно повысить возможность деформации заготовки, чтобы из приготовленного материала было проще сделать готовый узел или необходимую деталь.

Преимущества профессиональной переподготовки

Принципы обработки

Основной принцип – суммарное время термообработки на заготовку равняется времени необходимому на ее нагрев до требуемой температуры, времени выдержки металла под нужной температурой и способа охлаждения.

Время и степень нагрева материала определяется индивидуально, они зависят от нескольких факторов:

  • размера обрабатываемой детали;
  • вида металла;
  • типа печи, в которой обрабатывается заготовка;
  • скорости преобразования свойств материала.

Ознакомиться с основными видами и способами термической обработки можно на примере такого металла, как сталь. В современной промышленности сталь является самым востребованным видом металла. Она используется при изготовлении как массивных конструкций, так и при создании сверхточных инструментов.

Изобретение этого материала стало возможным в результате получения сплава железа и углерода. Содержание углерода в стальном сплаве составляет не более 2,1%. Как производится термическая обработка стальных изделий?

Термическая обработка металлов

Термообработкой металлов и сплавов называют совокупность операций нагрева до установленных температур, выдержки и охлаждения с различной скоростью и в различных средах. Их цель –получение микроструктуры и физико-механических характеристик, соответствующих запланированной технической задаче. Основные виды термообработки:

  • ОтжигIиIIрода. Отжиг I рода для стальных заготовок обычно подразумевает нагрев до температур, при которых не происходят фазовые превращения стали. В зависимости от условий проведения этот вид т/о включает процессы гомогенизации, рекристаллизации, снятия остаточных напряжений и некоторого снижения твердости. Отжиг II рода для сталей сопровождается фазовыми превращениями. В результате такой т/о падают показатели прочности и твердости стали, повышается ее пластичность и ударная вязкость. Обычно отжиг II рода применяют для подготовки к различным видам механообработки.
  • Закалка. Применяется для металлов и сплавов, в которых в твердом состоянии при нагреве до высоких температур и охлаждении в воде или масле происходят фазовые превращения. Закалка всегда сочетается с отпуском, который уменьшает хрупкость и напряжения, характерные для закаленных сталей. После закалки и отжига повышаются прочность, твердость, износостойкость стальной заготовки.
  • Термомеханическая обработка (ТМО). Сочетает пластическую деформацию с термообработкой. Горячая пластическая деформация сочетается с закалкой, холодная – со старением. ТМО применяется для сталей, алюминиевых и магниевых сплавов.

Электрохимическая обработка

Этот способ основан на законах электрохимии. Существуют следующие электрохимические методы обработки металлов:

  • поверхностная обработка. Суть ее заключается в растворении материала (анода). Причем в первую очередь растворяются выступающие части поверхности. В результате она выравнивается;
  • размерная электрохимическая обработка. К этому методу относятся:
  1. анодно-гидравлическая обработка;
  2. анодно-механическая обработка.

Анодно-гидравлическая обработка основана на следующем свойстве металлов: скорость анодного растворения находится в прямой зависимости от расстояния между электродами. При сближении электродов поверхность анода(заготовки) полностью повторяет контуры инструмента (катода). Но в результате процесса между катодом и анодом скапливаются побочные продукты, которые приходится оттуда удалять. Это можно сделать прокачкой электролита. А можно применить комбинированный способ – анодно-механический.

Анодно-механическая обработка является комбинацией анодного растворения и эрозии внешнего слоя заготовки: к катоду присоединяется вращающийся диск, который механически удаляет окисную пленку с выступающих частей обрабатываемой поверхности.

Нужна другая программа обучения? Нужна помощь или скидка?

Заказать обратный звонок

Классификация и виды термообработки

Существует несколько видов термической обработки стали:

  • термическая – характеризуется исключительно температурным воздействием на свойства металлов;
  • термомеханическая обработка – сочетание воздействия температуры и пластической деформации заготовки; – представляет собой совокупность температурного воздействия с химическими веществами.

В зависимости от структуры стали, виды термической обработки подразделяются следующим образом:

  • процесс отжига;
  • нормализация;
  • закалка;
  • обработка холодом;
  • отпуск.

Термическая обработка стали проводится для придания металлу свойств, необходимых при промышленной эксплуатации изделий, например, повышенной прочности. А также при технологических процессах, когда термическая обработка является промежуточной операцией, а не завершающей.

Это требуется когда необходимо осуществить понижение твердости стали для последующей обработки. Уменьшение твердости требуется при обработке начальных заготовок из стали. Для обработки же готовых деталей используются процессы, способствующие повышению их прочности, износостойкости и твердости.

Сварка металлов и сплавов

Сущность сварки заключается в нагреве кромок свариваемых деталей до температуры плавления и дальнейшем образовании между ними неразъемного соединения.

Существует несколько способов сварки:

  • Электрическая. Самый распространенный вид сварочного процесса. Электродуговая сварка осуществляется покрытыми плавящимися электродами, неплавящимися электродами в среде инертных газов, с использованием сварочной проволоки. Еще один вид электросварки – контактная сварка. Различают точечную и роликовую электросварку. В последнем случае токопроводящий ролик соединяет две детали сплошным швом.
  • Газовая. Окислителем в этом процессе является кислород, а функции горючего газа выполняют: ацетилен, его более экономичная альтернатива – МАФ (метилацетилен-алленовая фракция), природный газ, пропанбутановая смесь, водород и др.
  • Химическая. Для нагрева кромок используется тепло, выделяемое в результате химической реакции. Химическая сварка применяется в труднодоступных местах и даже под водой.

Применяемое оборудование

Термические печи можно разделить на два основных типа: периодические и непрерывные. Принципиальная разница между ними заключаются в том, как обрабатываемые заготовки размещаются в агрегатах, и ​​как они взаимодействуют с атмосферой внутри печей.

Основными источниками энергии для нагрева оборудования являются природный газ и электричество. Реже используются альтернативные источники энергии, например, мазут.

Печи, в которых ведётся термообработка металлов, классифицируются по верхнему пределу температуры нагрева. Обычно используемый температурный диапазон – от 600 до 800 0 С. Преимущественно применяется конвекционный нагрев, основанный на циркуляции воздуха, продуктов сгорания или инертного газа находящихся внутри печи.

термическая обработка цветных металлов

Установки периодического действия, как правило, обрабатывают заготовки партиями, причём нагрев каждой партии может продолжаться несколько часов (а иногда – и суток). В печи периодического действия рабочая загрузка обычно является стационарной, так что взаимодействие с изменениями в атмосфере печи осуществляется в условиях, близких к равновесным. Типы периодических печей:

  • Колпаковые;
  • Коробчатые;
  • Нагревательные колодцы;
  • С подвижным подом;
  • С псевдоожиженным слоем;
  • Шахтные;
  • Вакуумные.

Печи непрерывного действия различаются способом движения обрабатываемых заготовок и характеристиками рабочей среды (воздух, инертный газ или вакуум).

Типы печей непрерывного действия:

  • Камерные;
  • Ленточные
  • Монорельсовые
  • Толкательные
  • С роликовым/вращающимся подом;
  • Печи с вибрирующим подом;
  • Вакуумные печи;
  • С шагающими балками.

Наилучшее регулирование параметрами нагрева обеспечивают электропечи.

Ключевые преимущества

При производстве деталей для продолжительной эксплуатации термообработка является обязательным этапом.

Популярность технологии обусловлена ее следующими преимуществами:

  1. Улучшение устойчивости к износу металлической заготовки.
  2. Увеличение срока эксплуатации готовых изделий и снижение количества брака.
  3. 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.

Заключение

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.

Наши клиенты

Клиенты ИПОКлиенты ИПОКлиенты ИПОКлиенты ИПОКлиенты ИПО

Клиенты ИПОКлиенты ИПОКлиенты ИПОКлиенты ИПОКлиенты ИПОКлиенты ИПОКлиенты ИПОКлиенты ИПОКлиенты ИПОКлиенты ИПО

Клиенты ИПОКлиенты ИПОКлиенты ИПО

Клиенты ИПОКлиенты ИПОКлиенты ИПО

Клиенты ИПОКлиенты ИПОКлиенты ИПО

Откроем 2 секрета, как выбрать институт

Чтобы уберечь Вас, мы поделимся 2мя ключевыми секретами при выборе института:

Если вы выбрали для себя дистанционную форму обучения, ищите институты, которые специализируются СТРОГО на ней. Институт, получающий основную прибыль с очной формы обучения, экономически не будет уделять столько же внимания качеству дистанционного образования. Ключевая деятельность бизнеса забирает на себя ключевые ресурсы и внимание – факт!

При выборе института ищите баланс между количеством реальных часов, которые Вам уделят и их прибыльности для института. Вы же не ждете от смартфона за 3 т.р. топовую начинку. Оценить качество образрования через себестоимость курса можно всего за 3 шага.

Допустим институт «А» продает Вам полугодовой курс в 512 часов за 10 т.р.

Шаг 1. вычитаем минимум 50% на прибыль и накладные расходы, остается 5 т.р. на себестоимость, большая часть из которой пойдет на зарплату преподавателям, проводящим вебинары!

Шаг 2. Выясняем у менеджера по продажам, сколько будет вебинаров и какова их продолжительность. Допустим за 6 месяцев будет 12 вебинаров по 1 часу. Итого институт потратит на Вас 12*1=12 часов! из, например, 512ч. программы.

Шаг 3.1. Сравните курсы в разных институтах по отношению реальных часов вебинаров к общим часам программы. Т.е. 12*1/512. Там, где это отношение больше, там лично Вашему обучению уделят больше внимания!

Шаг 3.2. Сравните прибыльность часа вебинара исходя из того, что на нем в среднем присутствует 10 слушателей. 5 т.р.*10 чел./12 часов = 4,2 т.р. в час заработает преподаватель. Среднерыночная стоимость часа к.т.н. в Москве составляет около 1500 руб., но никак не в 3 раза больше (4,2 т.р.).

Вывод – институт «А», демпингуя по цене, получает сверх прибыли со слушателей, которых привлекла низкая цена, оказывая им минимальное количество реального учебного времени. Вам это надо? Не дайте себя обмануть! Выбирайте тот институт, который выделит Вам БОЛЬШЕ реальных часов преподавателей, при адекватной рыночной стоимости.

Особенности термообработки цветных сплавов

термическая обработка цветных металлов и сплавов

Большинство сплавов можно подвергать двум видам термообработки – закалке и старению. Последняя разновидность представляет собой отпуск, проводимый при температурах 120…200 0 С, с охлаждением при комнатной температуре (естественное старение) или с подачей воздушной струи (искусственное старение).

Однако существует большой разброс между многими комбинациями металлов и цветных сплавов по скорости деформационного упрочнения, что затрудняет систематизацию процессов термообработки цветных сплавов.

  1. Сплавы системы «медь-никель» эффективно поддаются механо-термической обработке, при которой структура становится мелкозернистой, но твёрдость повышается.
  2. Все виды цветных сплавов поддаются отжигу, при этом тип нагрева не имеет значения, поскольку интенсивность окалинообразования невысока. Меньшее влияние на эффективность отжига оказывает время, чем температура.
  3. Закалка цветных сплавов значительно менее эффективна. За исключением титана, широко используемые сплавы алюминия, меди и магния не являются аллотропными; таким образом, они не реагируют так же, как стали, при своём нагревании и охлаждении.
  4. Многие сплавы типа бронз термообработке вообще не поддаются, поскольку для этих сплавов твердые растворы, образующиеся при повышенной температуре, остаются полностью стабильными при комнатной температуре или ниже.
  5. Температурные и временные циклы термообработки охватывают широкий диапазон, который зависит не только от состава сплава, но и от того, находится ли сплав в деформируемом или литом состоянии.

Цветные металлы редко подвергаются предварительному нагреву, поскольку он приводит к увеличению размера зерна и ухудшает структуру сплава.

Параметры твердости и ее показатели

Твердость является важной характеристикой для оценки технических характеристик материала и деталей на его основе. С учетом этого параметра вычисляется прочность, обрабатываемость и износостойкость конечной продукции.

В металлургии используются несколько вариантов проверки твердости:

  1. По Роквеллу. Наиболее быстрый автоматизированный способ испытаний. Для определения твердости применяется специальное приспособление со сферической или конической конфигурацией, которое изготовляется из сверхпрочных материалов, например алмаза или твердого сплава. Под воздействием давления от инструмента проверяется глубина проникновения.
  2. По Бриннелю. Технология распространена при диагностике конструкций с низкой и средней твердостью. Она подразумевает выбор закаленного стального шарика. Финальные показатели определяются прикладываемым усилием, диаметром шарика и конечного отпечатка.
  3. По Виккерсу. Метод одинаково эффективен при любой твердости металла. Его применяют при обработке заготовок, прошедших термическую и химическую обработки. В качестве приспособления для оценки показателей используют алмазную пирамиду с углом 136°.

Криогенная термообработка

Основы термической обработки стали криогенного типа заключаются в значительном охлаждении ранее закаленных заготовок. Главная цель использования – прекращение мартенситного преобразования.

Как и в случае с другими перечисленными средствами, заготовку потребуется постепенно прогреть до стандартной температуры.

Общее определение и виды отжига

В процессе литья, ковки и прочих операций, применяемых для изготовления заготовок, металл приобретает неоднородную структуру, появляются внутренние напряжения.

Неоднородность химического состава отливок вызывает дефекты и для его устранения применяется процесс отжига. Принцип этого способа состоит в том, что заготовку или деталь нагревают до определенной температуры, а затем производится процесс медленного охлаждения.

Отжиг также подразделяется на несколько режимов:

  • отжиг 1-го рода – диффузионный, рекристаллизационный, уменьшающий напряжение металла;
  • отжиг 2-го рода – полный, неполный, изотермический.

Химико-термическая обработка

В ходе обработки происходит преобразование внешнего слоя материала. Это позволяет повысить твердость, защитить сырье от коррозии и дополнительно нарастить износостойкость.

В процессе могут использоваться следующие методы:

  • Цементация. Также называется науглероживанием. Поверхность насыщается углеродом. Сначала проводится термическая обработка, участки, которые не планируется обрабатывать, обмазываются защитными составами. Процедура проводится в диапазоне 900-950°С.
  • Азотирование. В отличие от цементации вместо углерода применяется азот. Для этого создается нагретая аммиачная среда. Температурный диапазон составляет 500-520°С.
  • Цианирование. Применяется как углерод, так и азот в разных соотношениях в зависимости от температуры. Процесс возможен как в газовой, так и в жидкой среде.
  • Хромирование. Один из видов металлизации. Назван так по основному веществу, которым насыщается материал (хром). Улучшает прочность, коррозийную стойкость, внешний вид детали.

Технология выбирается с ориентиром на особенности и характеристики конкретного типа сплава.

Описание отжига 1-го рода

Целью проведения термических операций, относящихся к 1 типу отжига, является устранение неоднородности и неравновесия структуры стали возникших в результате предшествующих технологических обработок. Исходя из состояния заготовки, к нему могут применяться следующие процессы:

  • снятие внутренних напряжений;
  • рекристаллизация;
  • гомогенизация (диффузионный отжиг).

Отжиг 1-го рода применяется по отношению к любому виду металла или сплава, его проведение не влечет за собой какие-либо фазовые превращения. Решающими факторами этого способа термообработки стали являются: высокая температура нагрева и время выдержки металла при этой температуре.

Диффузионный отжиг или гомогенизация

Смысл диффузионного отжига заключается в нагреве заготовки до температуры не менее 1000˚C, выдержке при высоких температурах от 8 до 15 часов и постепенном охлаждении. В результате длительного воздействия нагрева ускоряются диффузионные процессы, благодаря чему структура металла становится более однородной.

При обработке этим методом легированной стали удается добиться ее пластичности, что значительно облегчает ее дальнейшую механическую обработку.

К недостаткам диффузионного метода относится – возможность возникновения следующих побочных эффектов:

  • ухудшение механических свойств стали ввиду роста зерна;
  • появление вторичной неоднородности и пористости;
  • возникновение коагуляции избыточных фаз.

По этой причине гомогенизация считается предварительной обработкой.

После нее рекомендуется провести полный отжиг или нормализацию стали.

Диффузионный отжиг

Оборудование, используемое для термообработки

В металлургической отрасли применяют разные типы специализированного оборудования.

Среди самых популярных:

  1. Шахтные печи.
  2. Камерные печи.
  3. Печи с выдвижным подом.

Отжиг методом рекристаллизации

В процессе проведения холодной пластической деформации в структуре стали может возникнуть неоднородность, а также изменения размеров и формы кристаллов и рост внутреннего напряжения металла.

Для устранения подобных явлений применяется рекристаллизационный способ отжига. Рекристаллизационный отжиг может быть двух видов: упрочняющий и смягчающий.

Смягчающий способ часто используется в качестве окончательной обработки – для улучшения пластичных свойств при сохранении достаточной прочности металла.

Упрочняющий вид отжига применяется для улучшения упругости таких деталей, как мембраны или пружины.

В промышленности рекристаллизационный тип отжига применяется в качестве предварительной обработки перед обработкой металла методом холодного давления, а также для окончательной обработки деталей для закрепления необходимых свойств.

Антикоррозионная обработка изделий

После завершения цикла термической обработки необходимо защитить изделие от коррозийных процессов. Для этого нужно погрузить очищенные, промытые и просушенные заготовки на 5 минут в раствор нитрита 20-30% концентрации, а затем завернуть в пропитанную этим средством бумагу. В таком состоянии детали можно оставить на длительное время.

Нормализация стали

Процесс представляет собой нагрев стали, с небольшой выдержкой в определенном температурном режиме и с последующим охлаждением на воздухе, а не в печи.

Широко используется в качестве промежуточной обработки стали для улучшения структуры металла перед его закалкой, и для его смягчения перед резанием. По своей сути нормализация напоминает процесс отжига.

В основном процесс нормализации применяется для термической обработки углеродистых сталей. В результате отпадает необходимость в закалке стали со средним содержанием углерода.

Нормализация Процесс

В ходе обработки наступает полная перекристаллизация стали и устраняется крупнозернистость структуры. А также нормализацию часто применяют для термообработки низкоуглеродистой стали вместо полного отжига. Для стальных сплавов с высоким содержанием углерода полный отжиг необходим.

Закалка стали

Закалка – способ термической обработки стали, в процессе которого производится нагрев металла приблизительно до 900˚C, определенной выдержки и последующего очень быстрого охлаждения. Благодаря такой технологии повышается прочность и износостойкость сплава, и улучшение его других физико-механических характеристик.

Для проведения успешной термической обработки правильный выбор закалочной среды имеет большое значение.

Наиболее часто для проведения закалки используется:

  • вода;
  • солевые растворы;
  • едкие щелочные материалы;
  • технические масла.

Технические масла для закалки

Закаливаемость и прокаливаемость стали

Для закалки характерны следующие показатели – закаливаемость и прокаливаемость материала:

  • Закаливаемость определяет твердость, которую приобретает сталь после проведения закалки. Твердость имеет прямую зависимость от содержания углерода в обрабатываемом металле. Например, к материалу с содержанием углерода ниже 0,3% закалка не применяется ввиду ее неэффективности.
  • Прокаливаемость определяет глубину, на которую распространяется область закалки. Этот показатель зависит от химического состава стали, а также от скорости охлаждения. Чем быстрее происходит охлаждение металла, тем глубже прокаливается заготовка. Содержание углерода также имеет влияние на этот показатель – чем выше его содержание, тем больше степень прокаливания. Размер заготовки или детали являются еще одним фактором, определяющим глубину обработки – большим деталям требуется больше времени для остывания, следовательно, и прокаливание распространится на меньшую глубину.

Влияние способов охлаждения на закалку

В зависимости от способа охлаждения стали закалка классифицируется следующим образом:

  • Закалка в одной среде – самый простой и наиболее часто применяемый в промышленности способ термообработки. Главным его недостатком является возможность возникновения внутренних напряжений металла.
  • Закалка в двух средах – при использовании этого метода материал охлаждают попеременно в двух жидкостях. Для процесса могут быть использованы вода и масло.
  • Изотермическая закалка – принцип этого метода аналогичен ступенчатой закалке. Для охлаждения материала используется расплавленная соль или масло. Этот вид закалки широко используется для заколки небольших деталей – шайбы, пружины, болты.
  • Ступенчатая закалка – производится охлаждение изделия с помощью соляного раствора, имеющего температуру 200–300˚C. После определенного периода выдержки проводится окончательное остывание стали на открытом воздухе. Ступенчатая закалка способствует снятию внутренних напряжений и уменьшает возможность появления трещин.

Ступенчатая закалка

В чем заключается процесс отпуска стали?

Отпуск – это вид завершающей стадии термической отделки стали, во время которого происходит окончательное формирование структуры материала. Процесс отпуска состоит из нагрева до температуры ниже критической точки, за которым следует охлаждение.

Сам процесс подразделяется на три вида:

  • Низкий отпуск – происходит при температурном режиме 150–250˚C. При протекании процесса низкого отпуска происходит уменьшение внутренних напряжений и хрупкости металла, а вязкость стали немного повышается. Твердость при этом остается практически неизмененной.
  • Средний отпуск – характеризуется тем, что процесс проходит при температуре от 350 до 450 ˚C. Отличие от других видов отпуска состоит в том, что твердость детали уменьшается, а вязкость значительно увеличивается. Используется для обработки деталей, которые при эксплуатации испытывают умеренные ударные нагрузки.
  • Высокий отпуск – производится при соблюдении температурного интервала от 500 до 650˚C, с последующим постепенным охлаждением. Внутренние напряжения материала при этом практически устраняются. Прочность и пластичность при этом виде обработки имеют высокие характеристики в сочетании с достаточной твердостью металла. Высокий отпуск применяется для углеродистых и легированных видов заготовок, предназначенных для изготовления валов, шестерней.

Высокий отпуск

Оцените статью
Рейтинг автора
4,8
Материал подготовил
Егор Новиков
Наш эксперт
Написано статей
127
А как считаете Вы?
Напишите в комментариях, что вы думаете – согласны
ли со статьей или есть что добавить?
Добавить комментарий