Термическая обработка стали

Автор: Волков Семён

Дата публикации: 05 Мая 2024

Температурная обработка металла, в частности стали, представляет собой процесс воздействия температуры на данный материал. Выбор конкретного метода температурной обработки осуществляется на основе выявления цели процедуры, а также изучения характеристик определенного типа стали.

Процесс термообработки стали представляет собой воздействие температуры на материал. Это дает возможность изменить масштабы зерен внутри металла, то есть корректировать его свойства и улучшать их.

В ходе обработки используются различные техники. Металл нагревается до заданной температуры, затем его держат при этой температуре и последовательно охлаждают. Этот процесс могут проводить как на этапе работы с заготовками, так и при обработке конечных изделий.

Этот подход применяется с целью реализации следующих задач:

• серьезное повышение устойчивости к износу и прочности;
• Защита материала от дальнейшего влияния высоких температур.
• уменьшение вероятности образования коррозии;
• ликвидация внутренней напряженности в предметах-заготовках;
• Подготовка материала для дальнейшего процесса обработки, повышение его гибкости.

Выбор метода термической обработки происходит на основе изучения конкретной задачи и характеристик сорта стали. Материалы любого уровня качества при этом приемлемы для использования.

Три основных критерия должны быть выполнены для стали:

• Принадлежит к классу инструментальных, конструктивных или специализированных;
• Может быть составленной из легированной или содержащей углерод.
• Для низкоуглеродистых сплавов доля углерода не должна превышать 0,25%, а для высокоуглеродистых - 0,7%.

Давайте изучим методы, используемые в процессе работы, их характерные черты и другие факторы, влияющие на итоговую эффективность и качество.

Отпуск

В машиностроении и при изготовлении различных стальных деталей все чаще используется такой метод, как отпуск. Как правило, он применяется вместе с закалкой, что способствует уменьшению внутренних напряжений материала. Этот процесс значительно увеличивает прочность сырья и устраняет возможную хрупкость, которая может возникнуть при воздействии повышенных температур.

Применение также направлено на повышение показателей ударной вязкости. Это делает материал менее твердым, а следовательно, его будет трудно повредить при интенсивном механическом воздействии.

Технологическая сфера отпуска можно разбить на три категории:

• Технологический процесс применяется для формирования мартенситной структуры из металла, имеющего низкую высоту. Основная задача - существенно повысить текучесть основного материала, не утрачивая его жесткости.

Крайняя температура обогрева достигает 250 градусов Цельсия, хотя в большинстве случаев она не превышает 150 градусов. Сталь следует поддерживать при данной температуре примерно полтора часа. Чтобы укрепить заготовку или конечный продукт, охлаждение осуществляется с помощью масла или воздуха.

В большинстве случаев, низкий отпуск используется для изготовления измерительного оборудования или разнообразных видов режущих предметов.

• Среднережимный. Особенностью является увеличение верхнего предела температуры до 500 °С. В стандартных условиях обработка деталей проводится при нагреве до 340 °С. Используется метод охлаждения с помощью воздуха.

Основной целью среднего отпуска является преобразование мартенсита в троостит. Это приводит к увеличению вязкости, в то время как твердость снижается. Этот процесс будет полезен в случае изготовления компонентов, предназначенных для использования при значительных нагрузках.

• Это мощное средство помогает снижать повышенное внутреннее напряжение. Продукт нагревается до высоких температур, благодаря чему возрастает его вязкость и пластичность, сохраняя стойкость. Несмотря на то, что технология сложна для использования на критически важных деталях, она является идеальной. Температурный режим нагрева составляет 450-650°C.

Отжиг

Данный подход используется для укрепления внутреннего строения вещества и повышения его гомогенности. Это также способствует значительной редукции уровня напряжений. В рамках технологического процесса материал подвергается нагреванию до высоких градусов, выдерживается и затем медленно, продолжительное время охлаждается.

В сфере промышленности применяется несколько ключевых методологий:

• Процесс гомогенизации, иногда его называют диффузионным отжигом, представляет собой метод термического воздействия на сталь в интервале температур от 1000 до 1150 градусов цельсия. В этом состоянии материал поддерживается в течение 8 часов, хотя для некоторых сортов стали это время может быть продлено до 15 часов. Происходит контроль температуры охлаждения. Из печи заготовку разрешается извлекать только после того, как температура снизится до 800 градусов Цельсия. После вытаскивания из печи заготовка дополнительно остывает на воздухе.
• Процесс рекристаллизации представляет собой вид низкотемпературного отжига, который становится неотъемлемым после выполнения деформаций. Основная цель данного процесса заключается в увеличении прочности материала за счет модификации формы зерен в его внутреннем строении. Важно отметить, что данный процесс проводится при температуре от 100 до 200 градусов Цельсия. В отличие от гомогенизации, продолжительность данного процесса значительно сокращена и составляет всего до двух часов. Процесс охлаждения происходит медленно и осуществляется внутри печи.
• Воздействие с использованием изометрического метода подходит исключительно для легированных видов стали. Когда создается состояние аустенита, он медленно разлагается. Температурный режим определяется естественным пиком для стали конкретного типа, причем грань должна превысить на 20-30°C. Закалка происходит на двух уровнях-сначала быстро, а затем медленно.
• Процесс устранения внутренних и резидуальных напряжений. Эта техника желательна после механической обработки детали, сварки или использования литья. Граничная температура нагрева равна 727°C. Указанный процесс характеризуется самым продолжительным временем выдержки среди всех вариаций отжига - 20 часов. Охлаждение заготовки будет происходить крайне постепенно.
• Полная методика. Это вариант идеально подойдет, если вам нужно получить материал с тонкой структурой, преимущественно состоящий из перлита и феррита. Такой подход применим для различных типов заготовок, включая штампованные, литые и кованные изделия. Нагрев в этом случае осуществляется идентично изометрическому отжигу, то есть поднимается до критической точки и дополнительно на 30-50 °C выше этого уровня. Затем материал охлаждается до 500 °C. Ключевым моментом успешной реализации процесса является контроль скорости охлаждения, который рассчитывается на протяжении 60 минут. Так, для углеродистой стали данная температура должна быть не более 150 °C, а для легированной - не выше 50 °C.
• Отжиг неполного типа. Основное предназначение этого процесса - преобразование перлита в ферритно-цементитное зернистое строение. Этот метод идеально подходит для изделий, изготовленных методикой электродуговой сварки. В процессе работы температура поддерживается на уровне 700°C, а время выдержки составляет 20 часов. После плавного охлаждения, деталь становится пригодной к использованию, ее устойчивость к повреждениям и прочность значительно возрастают.

Закалка

Термическая обработка включает в себя множество режимов, среди которых самыми общими являются закалка и отпуск стали.

Этот способ обработки необходим для увеличения ключевых характеристик материала, включая прочность, максимальную эластичность, а также защиту от износа. Благодаря применению термообработки, возможно снизить сопротивление сжатию и пластичность.

Этот метод обработки относится к одним из самых древних и основан на быстром остывании металла, нагретого до высоких температур. Максимальное значение нагрева изменяется в соответствии с типом сплава. Важно знать, при какой температуре происходит изменение внутренней кристаллической структуры.

Основные параметры главным образом изменяются в зависимости от типа использованной стали:

• Охлаждающая среда. Метод иммерсии в воду является самым легким в использовании. Для получения дополнительных преимуществ можно использовать техническое масло, инертные газы, а также растворы с высокой концентрацией соли.
• Величина охлаждения. Она изменяется в соответствии с первоначальным уровнем прогрева. Может обнаруживаться различие в температуре воды, солевого раствора или газа.
• Температура нагрева выбирается с учетом требуемых границ для трансформации внутреннего строения. Большинство видов сырья требуют для этого около 900°C.

Нормализация

Нормализация - это процесс, который требуется для того, чтобы преобразовать структуру металла и формировать в нем мелкое зерно. Этот метод пригодится как для сталей с низким содержанием углерода, так и для легированных сталей.

Основной плюс этой технологии заключается в возможности увеличивания твердости до 300 НВ. Благодаря ей, вы имеете возможность использовать горячекатаные материалы, а еще повышать их прочность, устойчивость к разрушениям и вязкость. К тому же, это существенно облегчает процесс дальнейшей обработки.

Воздух применяется в качестве средства для охлаждения. Пределы нагрева не превышают 50°C сверх запланированного для материала уровня.

Криогенная термообработка

Принципы криогенной термической обработки стали основываются на существенном охлаждении предварительно закаленных деталей. Основной задачей такого метода является прекращение процесса мартенситной трансформации.

Точно так же, как с остальными упомянутыми элементами, необходимо поэтапно нагреть заготовку до нормальной температуры.

Химико-термическая обработка

В процессе обработки производится преобразование внешней оболочки материала. Благодаря этому улучшается прочность, обеспечивается защита ресурса от коррозии и увеличивается его износоустойчивость.

В рамках этого процесса, возможны следующие подходы:

• Процесс цементации иначе еще известен как науглероживание. В его ходе вещество обогащается углеродом. Вначале осуществляется тепловая обработка, при этом области, которые не подлежат обработке, покрываются защитными реагентами. Диапазон температур для проведения данной процедуры составляет от 900 до 950 градусов Цельсия.
• Процесс азотирования. Эта процедура отличается от цементации тем, что вместо использования углерода тут применяется азот. Это достигается через создание подогретого аммиачного окружения. Температура процесса обычно остается в пределах от 500 до 520 градусов Цельсия.
• Процесс цианирования включает использование углерода и азота в различных пропорциях, которые определяются температурой. Этот процесс может проходить как в газовой, так и в жидкой среде.
• Процесс хромирования - это способ металлизации, получивший свое название благодаря применению хрома как основной составляющей. Эта технология повышает стойкость материалов к коррозии, улучшает их прочность и эстетический вид деталей.

Выбор технологии осуществляется, исходя из специфики и свойств определенного вида сплава.