Термическая обработка – технологические операции металлообработки, при которых меняются те или иные свойства, характеристики металлов и сплавов за счет изменения их внутренней структуры, строения. Термообработка включает в себя ряд последовательных процедур, связанных с изменением температуры обрабатываемых материалов. При этом к такой обработке относится не только нагрев, хотя именно он чаще всего подразумевается, но и охлаждение до экстремально низких температур.
Для чего нужна термообработка металлов?
Для изменения каких-либо свойств и характеристик металлов и сплавов можно использовать разные способы (например, получение сплавов с введением тех или иных химических элементов, сталей различных марок), но чаще всего применяется термическая обработка.
Термообработка позволяет решить следующие задачи:
- Повышение ресурса деталей и инструментов из стальных сплавов.
- Повышение износостойкости, циклической прочности.
- Улучшение стойкости к коррозии, эрозии.
- Снятие остаточных напряжений в сплавах, в сварных швах и др.
В целом, термообработка позволяет существенно улучшить характеристики и свойства металлов для их последующего использования в той или иной отрасли.
Основные виды термической обработки металлов и сплавов
Основными видами термообработки являются:
- Отжиг. Равномерный нагрев металла или сплава до определенной температуры с последующим его остыванием в естественных условиях. Отжиг 1-го рода нужен для снятия остаточных напряжений, рекристаллизации для получения необходимой внутренней структуры материала. Отжиг 2-го рода приводит к фазовым изменениям металла. Температура отжига зависит от целей, условий эксплуатации деталей, изделий, от обрабатываемого металла, сплава (марки стали).
- Закалка. Требуется для повышения прочности изделий и снижения пластичности. Технологически состоит из 2 этапов: нагрева до критической температуры и последующего быстрого охлаждения. При этом охлаждение может быть двухэтапным (охлаждение водой до 300 C и последующее остывание в масляной ванне) или ступенчатым (охлаждение в расправленных солях с последующим естественным охлаждением на воздухе).
- Отпуск. Способ термической металлообработки для повышения вязкости сплава и снятия внутренних напряжений с целью улучшения пластичности, уменьшения хрупкости при сохранении прочностных характеристик. Технология – ступенчатый нагрев с последующим медленным остыванием заготовки (детали). В зависимости от конкретных целей выполняют низкотемпературный (до 250 C), среднетемпературный (в пределах 350-500 C) и высокотемпературный (до 680 C) отпуск.
- Нормализация. Разновидность отжига с нагревом на 50 C выше критической точки (превращение избыточного феррита или цементита в аустенит) до полной перекристаллизации с последующим медленным охлаждением в естественных условиях (на воздухе). По сравнению с отжигом удается повысить твердость и прочность стальных сплавов почти на 10-15%.
- Дисперсное твердение. Процесс, похожий на нормализацию – после завершения закалки металл подвергают нагреву на меньшую температуру.
- Криогенная обработка. Вид термической обработки, при котором металлические изделия (заготовки, детали, инструменты) подвергают воздействию сверхнизких температур – ниже -196 C. В криогенном процессе металл сначала медленно охлаждается, потом заданное время выдерживается при этой температуре и после этого возвращается к комнатной температуре. Криогенная металлообработка позволяет повысить прочность, износостойкость, увеличить ресурс деталей.
Отдельно выделяют комплексные способы термической обработки, включающие некоторые из перечисленных выше видов воздействия – например, улучшение (закалка и высокотемпературный отпуск).
Почему нельзя обойтись другими способами обработки?
Сплавы и металлы характеризуются определенными физико-механическими свойствами, на основании которых возможно их использование в тех или иных сферах – электротехнике, строительстве, медицине, станкостроении, автомобилестроении, при производстве медицинского инструмента, оружия, инструмента и оборудования металлообработки и пр. В каждой сфере материалы должны иметь определенные свойства – например, высокую твердость при одновременно повышенной прочности и низкой хрупкости для ножей, медицинских инструментов. Но часто получить требуемые характеристики сплавов путем внесения в их состав тех или иных добавок или не представляется возможным, или экономически не целесообразно.
Термообработка, как способ изменения внутренней структуры и свойств металлов и сплавов, известна достаточно давно, и с успехом применялась в кузницах, литейных цехах, на различных предприятиях, изготавливающих детали, инструменты, конструкции из металла.
Добиться конкретных показателей для сталей можно, если точно выдерживать температурные режимы и время (нагрева, выдержки, охлаждения). В противном случае можно ухудшить свойства металла, что равносильно браку на производстве. Все изделия, прошедшие термообработку, подвергаются контролю – испытаниям на те или иные свойства по действующим стандартам ГОСТ.
Комплексная обработка металлов
Часто на заводе металлоконструкций термообработка является не отдельным технологическим процессом, а частью процесса, включающего и другие воздействия на металл:
- Термомеханическая обработка. Совокупность термического и механического воздействия на заготовки. Частный случай – нагрев с пластическими деформациями под давлением.
- Химико-термическая обработка. В этом случае поверхность заготовки в нагретом виде насыщается различными химическими элементами – например, азотом.
Помимо черных металлов термической обработке подвергают и цветные металлы, сплавы – алюминий, латунь, бронзу, медь.
Термообработка – ответственный этап производства металлоконструкций, деталей и изделий, помогающий существенно улучшить характеристики материалов без существенного усложнения производственного процесса.
