Термообработка металла: история, виды, особенности

Один из способов обработки металла, позволяющих изменить технические свойства металла – создание сплава при помощи дополнительных компонентов. Но улучшить потребительские свойства металла можно и другим методом – термообработкой. Высокая температура воздействует на структуру, меняя состав, характеристики.

Особенности термической обработки

Термообработка металла – ряд последовательных процессов, в результате которых с него снимается остаточное напряжение, меняется его внутренняя структура и повышаются эксплуатационные свойства. При этом химический состав до и после термической обработки остаётся неизменным. При равномерном нагреве металла изменяется размер фракций, структура.

История

Технология обработки металлов высокими температурами используется несколько сотен лет. В Средневековье кузнецы при термообработке использовали воду. В 19-м веке был изобретён способ получить чугун. Кузнец помещал металлическую заготовку в посудину, заполненную льдом, сверху насыпался сахар. Такой «коктейль» равномерно разогревался в течение 20 часов. После этого болванку можно было ковать, придавая нужную форму.

В середине XIX века Д. К. Чернов опытным путём выяснил, что под воздействием высоких температур меняются физические свойства материала. Именно данный факт дал начало новой науке – материаловедению.

Для чего нужна термическая обработка

Конструкции, детали, элементы, производимые из металла, как правило, подвергаются критическим нагрузкам, в том числе и температурным. Чтобы выдержать такие эксплуатационные условия, материал должен быть долговечным, прочным, износоустойчивым.

Не все металлические конструкции способны выдержать экстремальные условия в течение длительного времени. Для улучшения потребительских свойств, позволяющих деталям прослужить дольше, используется тепловая обработка. При нагреве химический состав изделия остаётся неизменным, при этом меняются физические свойства. Термообработка делает материал устойчивым к коррозии, повышает прочность, износоустойчивость.

Преимущества термообработки

Термообработка металлических болванок – обязательный процесс, если их планируется использовать длительное время. Технология обеспечивает несколько существенных преимуществ:

• Повышенная износоустойчивость конструкций;

• В процессе производства снижается процент заводского брака;

• Детали служат дольше;

• Элементы из металла не подвержены коррозии;

• После термообработки металлические детали выдерживают большие нагрузки, сохраняя надёжность.

Суть процесса

Термообработка – физический процесс, когда в результате воздействия высокой температуры меняются характеристики металла. Делается это со следующими целями:

• Изделию придаётся повышенная прочность, твёрдость по всей поверхности, либо в определённом месте;

• Улучшается микроструктура сплава, что расширяет область применения изделия;

• На микроуровне корректируется химический состав сплава.

Термическая обработка позволяет добиться однородной структуры материала. Это упрощает дальнейшую обработку, производство готовой продукции. Снижается риск деформации в слабых местах, что позволяет выгибать, придавать заготовке любой формы без риска получить бракованную деталь.

Виды термической обработки стали

В металлургической отрасли используется три вида обработки: термомеханическая, техническая, химико-термическая. Каждый из способов – сложный технологический процесс, требующий отдельного изучения.

Отжиг

Один из этапов технической обработки материала. Он предполагает равномерное разогревание болванки до заданной температуры, после чего она остывает естественным путём. В результате воздействия устраняется внутреннее напряжение металла, его структура становится однородной. Также материал становится пластичней, что упрощает его дальнейшую промышленную обработку.

В производстве используется два вида обжига:

• Первого рода с незначительным изменением кристаллической решётки материала;

• Второго рода, когда в результате воздействия происходит фазовое изменение структуры металла. Такой способ также называют полным обжигом.

Диапазон температур в процессе обжига варьируется в пределах 25-1200 градусов по Цельсию.

Закалка

Ещё один из видов техобработки, в результате которого повышается прочность при одновременном снижении пластичности. Изделие поддаётся воздействию критической температуры, а затем быстро охлаждается путём погружения в ванну с технологической жидкостью.

Виды закалки:

• Двухфазовое охлаждение. В процессе заготовка сначала охлаждается до 300 градусов по Цельсию водой, затем погружается в резервуар с маслом.

• Одноэтапное охлаждение. После нагрева происходит охлаждение только маслом. Для больших заготовок вместо масла часто используется вода.

• Ступенчатая закалка. После нагревания болванки попадают в расплавленные соли. Далее, заготовка попадает на свежий воздух, где остывает естественным путём.

• Изотермическая закалка. Метод схож со ступенчатым, но здесь меняется время выдержки нагретой заготовки в расплавленных солях.

Термомеханическая обработка

Один из базовых методов обработки металла. Во время технологического процесса специализированное оборудование, нагнетающее давление на нагревательные элементы, резервуары для охлаждения. Заготовка подвергается воздействию заданной температуры, затем под давлением происходит пластическая деформация, придающая нужной формы, улучшенных физических свойств.

Отпуск

Заключительный этап, который выполняется после закалки. В результате отпуска повышается вязкость металла, устраняется внутреннее напряжение, повышается прочность. Процедура выполняется при различных температурах. Выбор режима напрямую влияет на физические свойства обрабатываемого металла.

Криогенная обработка

Процесс, при котором выполняется охлаждение заготовки. В результате охлаждения изделие становится прочнее, не требует отпуска, лучше полируется, шлифуется. В камере, где происходит обработка, температура снижается до -195. Длительность процедуры зависит от типа материала. Для нагнетания холода применяется процессор, генерирующий экстремальные значения температуры. Охлаждение происходит равномерно, в результате изделие не деформируется. Восстановление температуры происходит естественным способом на открытом воздухе.

Химико-термическая обработка

Тип обработки металла, когда заготовка после нагрева подвергается воздействию химических составов. Контактная поверхность очищается, покрывается хим. средством. Химико-термическая обработка применяется перед закалкой. При необходимости мастер насыщает поверхность заготовки азотом. Для этого используется криогенная камера, в которой и происходит первичный нагрев до 650 градусов.

Термообработка цветных сплавов

Описанные выше способы обработки подходят не для всех сплавов, цветного металла. Например, для термической обработки меди применяется рекристализационный отжиг, когда материал разогревается до 550 градусов. Если в производстве используется латунь, она нагревается до 200 градусов. Алгоритм термообработки алюминия включает первичную закалку, отжиг, после чего материал подвергается старению.

Термическая обработка металла – важный этап в производстве готовой продукции, позволяющий производить компоненты для промышленного оборудования, автомобилей, судов, другой техники. В результате воздействия материал становится прочнее, появляются антикоррозийные свойства. Выбор техпроцесса зависит от типа металла, сплава.