При термической обработке стали на исходный материал воздействует изменение температурного режима. Технология позволяет придавать заготовкам и сплавам уникальные свойства и характеристики, давая возможность использовать их в различных отраслях промышленности и производства. Структура металла претерпевает изменения при термическом воздействии. Такому воздействию могут подвергаться как черные, так и цветные сплавы. Выбор технологии определяется требованиями к будущим изделиям и условиями их эксплуатации.
Разновидности
При термическом воздействии с металлическими элементами происходят различные изменения. Технология обработки стали предполагает предварительный нагрев заготовок с последующей выдержкой их при определенном режиме, а также дальнейшим равномерным охлаждением. Производить эти манипуляции можно с заготовками и готовыми металлоизделиями.
Для обработки стали важно предусмотреть использование материала, соответствующего определенным критериям:
- термовоздействию можно подвергать инструментальные, конструкционные и специальные сплавы;
- в составе материала должно быть достаточное количество легирующих добавок;
- в его составе должно быть определенное количество углерода: для низкоуглеродистых сталей – до 0,25 %, для высокоуглеродистых – до 0,7 %.
Температурная обработка материала позволяет добиться определенных целей: повысить прочностные свойства и увеличить износостойкость сплава, защитить его от будущих высокотемпературных воздействий, снизить вероятность развития коррозионных процессов, устранить внутренние механические напряжения, повысить пластичность и тщательно подготовить изделия к другим видам термической обработки стали.
Отжиг
При такой технологии нагретые до определенной температуры составы охлаждаются очень медленно. Это позволяет максимально стабилизировать и сделать структуру более однородной. Существует несколько основных режимов термической обработки стали по технологии отжига:
- гомогенизация, или диффузионный отжиг. Для термического воздействия используется режим 1100–1150 °С. Материал выдерживается в горячем состоянии до восьми часов (для некоторых марок стали интервал выдержки может составлять до 15 часов). Из печи заготовки достаются только тогда, когда их температура становится 800°С. Последующее остывание происходит на воздухе;
- рекристаллизация. Благодаря такому режиму можно изменить структуру за счет изменения внутренней формы зерна, что позволяет значительно увеличить прочностные характеристики. Температурный режим – от 100 до 200 °С. Выдержка составляет около двух часов. Остывание производится в печи;
- изотермический отжиг. Может использоваться только для обработки легированных марок стали. Металл нагревается не более чем до 727 °С, после чего его отправляют в ванну с расплавом, где происходит формирование его новой структуры;
- полный отжиг. Обеспечивает создание мелкозернистой структуры. Технология отлично зарекомендовала себя при работе с заготовками, изготовленными по технологии литья или штамповки. Прогрев материала осуществляется до температуры 727 °С и еще на 30–50 градусов выше. Затем производится охлаждение до 500 °С. При этом методе важно контролировать остывание;
- неполный. Таким отжигом обрабатывают детали, изготовленные с применением электродуговой сварки. Заготовки нагревают до 700 °С и затем выдерживают 20 часов. Технология предполагает медленное охлаждение.
В некоторых случаях отжиг может применяться для восстановления исходных характеристик материала. Иногда с помощью отжига проводят пробную термообработку. Вариант и температурный режим в каждом случае подбираются индивидуально с учетом особенностей производства металла, а также последующих условий его эксплуатации.
Закалка
Закалка – еще один популярный и востребованный метод термообработки металлов. Он позволяет повысить основные характеристики – упругость, твердость, что позволяет увеличить устойчивость к износу. Принцип закалки состоит в быстром охлаждении. В зависимости от типа используемого металла и его состава разнится температура нагрева. Марка стали также определяет основные параметры термообработки:
- среду охлаждения;
- скорость остывания;
- температурный режим при нагреве.
Для охлаждения чаще всего используется вода. В некоторых случаях применяются технические масла, инертные газы, растворы с различным количеством соли. Скорость охлаждения напрямую зависит от типа среды и степени прогрева заготовок. При нагреве могут использоваться различные режимы, с максимальным подогревом до 900 °С.
Отпуск
Чаще всего такая термическая обработка является финишной стадией закалки. С ее помощью можно снять остаточное напряжение в металле и снизить его хрупкость. При использовании по этой технологии материал сначала нагревают до температуры около 727 °С, затем оставляют остывать на воздухе. При таком способе увеличивается ударная вязкость металла, он становится не таким жестким и более устойчивым к механическим воздействиям.
Отпуск может быть низким, средним или высоким. При первом максимум, который достигает температура нагрева, – 250 °С. Охлаждаются заготовки в масляной среде или на открытом воздухе. При среднем отпуске температура нагрева составляет не более 500 °С, а остывание происходит на воздухе. При таком способе происходит переход из мартенсита в троостит. При высоком отпуске температура нагрева может составлять от 450 до 650 °С.
Нормализация
Такую технологию используют для легированных и низкоуглеродистых сталей. С ее помощью можно значительно повысить прочность металла. Средой охлаждения при нормализации является воздух, а максимальным режимом нагрева является температура, не более чем на 50 °С превышающая установленный для стали предел.
Химико-термическая термообработка
При таком способе термической обработки меняется внешний слой металла – он становится тверже, прочнее и получает дополнительную защиту от коррозии. Технология может предполагать использование одного из существующих методов – цементацию, азотирование, цианирование, хромирование. В каждом случае вариант выбирается индивидуально с учетом особенностей исходного материала.
При цементации поверхностный слой металла насыщается углеродом. Предварительно участки для насыщения проходят термообработку и обмазываются специальными составами. Все мероприятия проходят при режиме 900–950 °С. При азотировании вместо углерода используется азот. Процессы происходят в нагретой до 500–520 °С аммиачной среде. При цианировании используется азот и углерод в различных дозах в зависимости от температуры нагрева. При хромировании поверхность материала насыщается хромом.
Криогенная обработка стали
При использовании криогенного метода стальные заготовки охлаждаются до критически низких температурных показателей, что обеспечивает запуск определенных процессов в кристаллической структуре материала. Детали обычно погружаются в жидкий азот (-195 °С). Длительность выдержки зависит от типа заготовки и состава используемого сплава. Затем металл нагревают до комнатной температуры естественным способом. На финальной стадии проводится отпуск. Такой способ термообработки позволяет значительно повысить прочность стального сплава и улучшить его твердость. Сверхнизкие температуры замедляют процессы старения в кристаллической структуре, что обеспечивает изделиям стабильность линейных размеров в течение продолжительного времени.
Для выполнения различных видов термообработки используются нагревательные установки, закалочные емкости, системы подачи охлаждающих сред, подъемные системы, измерительные приборы. Создание качественных условий для проведения процессов обработки стали – залог получения готовых изделий и заготовок с требуемыми параметрами и характеристиками. При выборе способа обязательно учитывают особенности исходного материала и будущие условия эксплуатации.