Термическая обработка металлов - основы и методы

В процессе термообработки в зависимости от марки стали и цветных металлов меняется несколько параметров за счет химических процессов. Основная цель заключается в повышении качества металлов, чтобы можно использовать в автомобильной, аэрокосмической и строительной области. Применение различных технологий термической обработки позволяет добиваться ожидаемых и необходимых результатов. Для правильного выбора технологии нужно верно оценить условия работы инструмента и сферы применения, учитывая особенности и характеристики конкретного типа сплава.

Режим термической обработки

Этот способ обработки металлических изделий обычно включает в себя три этапа: нагрев, выдержку до определенного времени, а затем охлаждение с использованием печи, чтобы контролировать среду и скорости цикла, придать большую твердость, повысить прочность или изменить пластичность. Металлы становятся более пригодными для решения поставленных задач.

Виды термической обработки предназначены для достижения определенных свойств металлов:

Нормализация - нагрев до определенной температуры, обычно выше точки перехода в аустенитное состояние, поддержка в течение некоторого времени и затем охлаждение на воздухе для снятия остаточного напряжения, полученного при закалке, литье или сварки. Выбор нагрева в нормализации зависит от стальной части диаграммы. Нормализация служит для получения:

• однородного состава и размера зерна;
• более прочной и твердой стали;
• пластичного и размягченного металла.

Чаще всего нормализация помогает нормализовать заготовки, выдерживающие максимальные нагрузки и нуждающиеся в ударной вязкости.

Назначение нормализации зависит от конструкции и конкретной последующей обработки давлением.

Отжиг служит для придания пластичности при нагревании до определенной температуры, выдерживания определенного времени и медленного охлаждения. Он отличается от нормализации не слишком высокой температурой от 25 до 1200 градусов, благодаря которой:

• повышается вязкость, обрабатываемость и пластичность;
• размягчается материал, поддаваясь формовке;
• устраняется напряжения в изделии.

За счет рекристаллизации устраняется пластическая деформация. отжиг бывает: окончательным, полным, рекристаллизационным, частичным.

Существует отжиг:

• первого рода с незначительно меняющейся кристаллической решеткой;
• второго рода в виде полного отжига с фазовыми изменениями.

Любой человек хорошо представляет себе, для чего нужна закалка.

Закалка - наиболее распространенный процесс, состоящий из нагрева до определенной температуры, последующей закалки в воде, масле или другой жидкости, чтобы увеличить твердость, причем в процессе цементного упрочнения возможно затвердение только внешней поверхности с мягкой сердцевиной, потому что большой части сердцевины требуется больше времени для достижения необходимой температуры. Хотя металл становится хрупким, приобретая прочность и твердость. Закалка отличается от отжига и нормализации быстрым охлаждением. Для разрушения закаленных образцов используют пресс. По состоянию и виду излома определяют глубину закаленного слоя или незакаленного слоя, перегрев или закалочные трещины. Наличие легирующих элементов влияет на уменьшение практической скорости закалки.

Чаще всего закалка применяется к валам. Закаленная поверхность- отличная защита металла от износа, чтобы подшипник не повредил вал и не ускорил его износ. Твердый слой сохраняет конечные свойства сердечника во избежание усталостного напряжения.

Этот этап бывает дифференциальным, индукционным и закалкой пламенем с образованием участка термовлияния из-за охлаждения изделия. Одной из разновидностей является химико-термическая закалка, когда сначала поверхность металла насыщается азотом, а после нагрева до 650 градусов погружается в углеродную среду, например, угарный газ или метан, чтобы закалился только внешний слой, а внутри остался мягким и вязким.

Закалка бывает:

• ступенчатой – когда разогретая заготовка охлаждается сначала в расплавленной соли, а затем на свежем воздухе до полного высыхания;
• изотермической – с той же последовательностью, как и ступенчатая, только изделие неустойчивое к трещинам и деформации держат в щелочи до исчезновения напряжения;
• однородной, для больших металлических изделий, которые остужаются водой, а маленькие – маслом;
• прерывистой, состоящей из в двух этапов с быстрым охлаждением детали водой до 300 градусов и перекладыванием в масляную ванну;
• струйчатой, необходимой для частичной закалки деталей в установках ТВЧ.

При изменении технологии этого этапа образуются серьезные дефекты, связанные с:

• трещинами и короблениями из-за поверхностных напряжений;
• недостаточной твердостью закаленной детали в связи с низкой выдержкой, минимальной скоростью остужения, пониженной температурой нагрева;
• окислами в связи с обезуглероживанием и окислением;
• перегревом при критической температуре сталь становится хрупкой с крупной зернистой структурой.

Отпуск. Важное значение имеет соблюдение угла погружения изделия в охлаждающую среду и траектории движения. Из-за нарушения технологии возможно искривление заготовки. По цветам побежалости определяется температура при отпуске: красный цвет, когда деталь нагревается до 500 градусов, при температуре 1200 - бело-желтый цвет, при 1600 градусах- бело-голубой.

Старение. Дисперсионное твердение у кованых металлов обеспечивает рост вязкости благодаря образованию в структуре диспергированных частиц, изменяющих свойства. Осадочное твердение проводится после дополнительной термообработки с повышенной температурой. В ходе старения повышение температуры достигая средних значений, резко снижается.

Для одних металлов необходима высокая температура, созданная искусственным путем, а другие -стареют естественно. Хранение естественно стареющих металлов возможно при низкой температуре. Цементация - нагрев металла вместе с другим материалом, выделяющим углерод, чтобы поверхность металла поглощая углерод становилась тверже внутреннего ядра.

Термомеханический процесс с емкостями для охлаждения, нагревательных деталей и оборудования создаваемого давление. Сначала заготовка разогревается, благодаря чему она начинает плавиться.

Преимущества термообработки заключаются в:

• улучшении механических качеств металлов, делая их прочнее, тверже и пластичнее, значительно повышает износостойкость, антикоррозийные параметры;
• улучшении обработки металлов - благодаря податливости и вязкости облегчается придание формы;
• повышении устойчивости к износу и коррозии за счет увеличения поверхностной вязкости, прочности и долговечности;
• повышении пластичности, делая металлы упругими и гибкими, устойчивыми в результате уменьшения напряжения и улучшения зернистой структуры после производственного процесса для улучшения стабильности размеров и точности готового продукта.

Разные металлы подвергаются разным видам:

• черные металлы - азотирование, закалка, отпуск, цементирование;
• медные сплавы и медь - старение и отжиг;
• алюминий - обработка на раствор с точным контролем.

Перед термической обработкой необходимо изучить качества, чтобы повысить срок эксплуатации, снизить массу обрабатываемых изделий. Благодаря улучшению требуемых параметров возможно применять дешевые и простые сплавы. Термообработка дает возможность сделать металлы долговечными и надежными, подстраиваясь под условия работы.