Про термическую обработку металлов (что, зачем и как)

Помимо чистого формообразования в машиностроении также применяют иные меры воздействия на материал, чтобы получить определенные конечные свойства. Весьма значимое место здесь занимает термическая обработка металлов и сплавов.

С помощью таких технологий исходную заготовку можно сделать мягче и податливей, а можно — в разы прочнее и тверже, чем было на старте. Варьируя режимы нагрева и охлаждения, термисты управляют физико-механическими характеристиками металла и даже его «памятью» относительно ранее произведенных манипуляций.

Механика термической обработки металлов

Металлы и сплавы способны находиться в двух предельных состояниях — твердом и жидком. Вместе с нагревом материал теряет собственную прочность, постепенно размягчаясь, пока в определенный момент не становится расплавом.

В зависимости от температуры и собственного химического состава каждый металл демонстрирует определенный набор вариантов структуры — манеры элементарных частиц выстраиваться в кристаллическую решетку. Характеристикой каждой структуры становится фазовая составляющая, и ее определение отражает свойства материала в нужный момент времени.

Наиболее показательна вариативность фазовых составляющих у сталей:

• аустенит;
• перлит;
• феррит;
• цементит;
• мартенсит;
• сорбит;
• троостит.

Они встречаются как в чистом виде, так и в виде комплексных сочетаний (например, цементит + перлит или аустенит + вторичный цементит). Такой вариант можно сравнить с салатом, в котором несколько ингредиентов тщательно перемешаны друг с другом до единой монолитной массы.

Исходная структура зависит от химического состава металла (для сталей и чугунов — от процентного содержания углерода). Ее смена происходит с нагревом выше определенных температур, которые называют критическими точками. Достигнув за счет теплового воздействия нужного состояния, термисты модифицируют и закрепляют результат с помощью охлаждения — ускоренного или замедленного.

Термическая обработка — это последовательная смена режимов нагрева и охлаждения с контролем температуры и скорости происходящих процессов. Всё это позволяет получить и закрепить структуру металла, отличающуюся от исходной.

Вместе с фазовыми превращениями напрямую воздействуют на механические характеристики материала — прочность, твердость и ударную вязкость. В меньшей степени проявляется зависимость от структуры иных свойств: коррозионной стойкости, электропроводимости, возможности работать магнитом.

Что примечательно, в большинстве случаев планомерный нагрев выше определенной температуры позволяет металлу благополучно «забыть» всё, чего от него добивались ранее. Такой порог называют температурой рекристаллизации, когда кристаллическая решетка перестраивается в максимально комфортное для себя состояние, соответствующее «сырому» материалу.

Что имеет значение при термической обработке:

• скорость нагрева;
• температура нагрева;
• время выдержки при достижении нужной температуры (структуре нужен запас, чтобы полностью перестроиться);
• скорость охлаждения;
• условия охлаждения.

Часто все эти процессы сопровождаются окислением поверхностного слоя металла, из-за чего поверхность меняет цвет и на ней образуется окалина. Так с углеродистых сталей после 1000°С можно сбивать прямо-таки куски окалины, а хромоникелевые нержавейки при достижении 800°С просто становятся сине-фиолетового цвета.

Заготовки до нужной температуры доводят тремя способами: разогревая вместе с печью, засовывая уже в разогретую печь и направленным местным локальным воздействием. При этом могут использовать различные технологии:

• в газовых и электропечах;
• токами высокой частоты (ТВЧ);
• электронным лучом;
• с помощью тлеющего разряда в ионизирующей атмосфере при пониженном давлении;
• сфокусированным лазерным лучом.

Чтобы защитить металлы от окисления и нежелательных химических реакций с кислородом, часто нагрев ведут в вакуумных камерах или в атмосфере инертного газа.

Из рабочих «полевых» методик — заготовку греют пламенем кислородного резака, оценивая температуру на глаз по степени покраснения. Но металл прогревается крайне неравномерно и бесконтрольно, а финальный результат тяжело предсказать.

Скорость и условия охлаждения напрямую зависят от среды, в которую помещают раскаленный металл, а также способа ее подачи. Это может быть:

• вода (в том числе соленая и содержащая иные добавки);
• индустриальное масло;
• расплавы солей и щелочей;
• воздух;
• водовоздушная смесь;
• водный раствор жидкого стекла;
• водные растворы полимеров;
• пена.

Нагретую заготовку могут опускать в емкость с охлаждающей средой, подавать ее потоком, струями или брызгами. Для этого используют ванны и различные механизированные установки, которые позволяют вращать заготовку при статичной подаче жидкости. В том числе практикуют охлаждение в масляном тумане в специальных камерах.

Сегодня термическая обработка металлов и сплавов очень хорошо изучена. Нет смысла действовать наощупь, методом проб и экспериментов. Для каждой марки материала предложены четкие режимы: рекомендуемые скорости, температуры критических точек, время выдержки.

Кроме того, прекрасно известна степень влияния основных элементов химсостава на поведение сплава при термообработке. Так ванадий, вольфрам и кремний повышают необходимую температуру нагрева для фазовых превращений. Молибден, титан и хром обладают тем же действием, вдобавок улучшают общую прокаливаемость. А марганец и никель наоборот — понижают положение критических точек.

При необходимости, даже не имея под рукой справочника термиста, можно быстро рассчитать нужные параметры нагрева, ориентируясь на содержание углерода и легирующих веществ. Работая со сталями и чугунами, используют диаграмму «железо-углерод».

Классификация методов термообработки

Термическая обработка — невероятно обширная сфера вариантов технологических воздействий на материал. Чтобы перечислить все известные методы, пришлось бы составить список на несколько сотен позиций, поскольку каждый сплав требует почти индивидуального подхода, а общая стратегия не ограничивается лишь изменением прочности.

Наиболее удобная классификация — с разбивкой на три ключевых способа: отпуск, отжиг и закалку. Из их сочетаний и режимов подбирают варианты под каждый конкретный случай.

Отжиг

Ключевые задачи этого вида термической обработки — снятие внутренних напряжений, стабилизация структуры, выравнивание химического состава и физико-механических свойств. Вместе с этим наблюдается незначительное упрочнение за счет устранения структурных дефектов.

Чтобы отжечь изделие, его нагревают, выдерживают под температурой и медленно охлаждают. Чтобы уменьшить скорость охлаждения, материал укутывают ватой или огнеупорными материалами, а часто — оставляют остывать вместе с печью. На эту процедуру может уйти до 2 суток.

По степени влияния на структуру различают:

• отжиг I рода — фазовых превращений не происходит, но уходят структурные дефекты;
• отжиг II рода — минимальные фазовые превращения присутствуют.

По объему воздействия различают:

• полный отжиг — с нагревом выше третьей критической точки, что соответствует полной рекристаллизации («сброс» до исходных характеристик металла);
• неполный отжиг — с нагревом между первой и третьей критической точкой, с частичной рекристаллизацией.

По характеру действия различают:

• нормализационный отжиг (нормализация) — выравнивание структуры, измельчение зерна материала;
• изотермический отжиг — позволяет произвести полный распад аустенита до перлита;
• сфероидизирующий отжиг — для сфероидизации карбидов и превращения пластинчатого перлита в зернистый;
• гомогенизированный отжиг — выравнивание химического состава;
• отжиг, увеличивающий зерно;
• рекристаллизационный отжиг — устраняет наклеп с поверхности.

Отжигу чаще всего подвергают отливки и сварные конструкции. Причем он может быть как объемным — когда воздействуют на всю деталь целиком, — так и местным, сосредоточенным на строго определенной зоне. Так обрабатывают сварной шов на электросварных стальных трубах: греют с помощью ТВЧ или лазера. Вместе с отжигом уходят остаточные растягивающие напряжения, и риск получить растущие трещины внутри шва снижается до минимума.

К своеобразной разновидности отжига можно отнести и старение металла. Эта операция предусматривает медленный нагрев с длительной выдержкой (от нескольких часов до нескольких суток), с управляемым охлаждением и цикличным повторением процедуры. В результате металл приобретает равновесную и упрочненную структуру, к которой бы пришел спустя несколько месяцев эксплуатации.

Отпуск

Этот вид термической обработки полностью соответствует своему названию. Отпуск — возможность сбросить накопленный груз, обновиться и вернуться к делу свежим. Отпускают преимущественно закаленные сплавы, чтобы понизить полученную твердость, сделать металл не таким напряженным, вернуться к стартовым характеристикам.

Механика отпуска состоит в нагреве до определенной температуры, при которой закалочные структуры сменяются иными, выдержке и спокойном охлаждении. В чем-то отпуск близок к отжигу, но предназначен для совершенно иной цели и выступает сопутствующей операцией после закалки.

Термисты делят варианты отпуска исключительно по температуре нагрева:

• высокий — в диапазоне 500...680°С, позволяет весьма существенно снизить обретенную с закалкой прочность;
• средний — в диапазоне 250...500°С;
• низкий — до 250°С, дает возможность убрать наиболее опасные напряжения и выровнять полученную прочность до стабильного уровня.

Если нужно полностью убрать результат закалки и вернуть металл к исходному состоянию, то отпускают на температуре рекристаллизации и долгой выдержкой под нагревом добиваются, чтобы материал полностью перестроился и «забыл» предыдущую термическую обработку.

Одним из негативных эффектов отпуска выступает отпускная хрупкость: после воздействия вместе с разупрочнением стремительно снижается и ударная вязкость. Сплав становится не только менее прочным, но и куда более хрупким — в несколько раз. Отпускная хрупкость чаще всего наблюдается у малоуглеродистых легированных сталей и может быть как обратимой, так и необратимой.

Закалка

Даже человек, чудовищно далекий от металловедения, хорошо представляет себе, для чего нужна закалка. Эта операция позволяет в существенной мере упрочнить материал, получить повышенную твердость и износостойкость поверхностного слоя, а в отдельных случаях — и очевидные пружинящие свойства.

Цель закалки — добиться мартенситной структуры. По сравнению с иными фазовыми составляющими, мартенсит можно представить себе как «запорожец», набитый пятнадцатью пассажирами одновременно. Это максимально напряженная структура, вместе с которой приходит и повышение механических характеристик. Чтобы металл не разорвало от внутренних напряжений, и он мог дальше работать, его обязательно отпускают, уменьшая тем самым количество «пассажиров».

Механика закалки известна всем: заготовку разогревают до нужной температуры, после чего подвергают ускоренному охлаждению, опуская в воду или масло. Именно за счет резкой смены состояний получают столь заметный эффект в повышении прочности.

По объему воздействия различают:

• объемную закалку — когда обрабатывают изделие целиком, стараясь добиться равномерной мартенситной структуры по всему объему металла;
• поверхностную закалку — когда обрабатывают только узкий поверхностный слой на определенном участке изделия, на глубину не более 5 мм, а сердцевина при этом сохраняет свойства исходной структуры.

По методу охлаждения различают:

• непрерывную закалку — в одной среде;
• прерывистую закалку — в нескольких средах последовательно;
• ступенчатую — с разделением охлаждения на несколько этапов и выдержкой между ними;
• с обработкой холодом — когда охлаждение продолжают с понижением температуры среды ниже 20°С.

Интересен вариант закалки с самоотпуском. В этом случае охлаждению повергают исключительно поверхностную зону металла, а последующий отпуск происходит под влиянием остаточного тепла, распространяющегося от сердцевины наружу.

Термообработка различных материалов

Термообработка сталей и чугунов

Наиболее разнообразно технология термического воздействия на металлы проявляет себя в отношении сплавов железа и углерода. Именно здесь возможности термообработки раскрываются максимально широко.

Самые распространенные решения в отношении сталей:

• отжиг — для отливок, штамповок, поковок и сварных конструкций;
• объемная закалка с высоким отпуском (улучшение) — для рычагов, колес и валов или если решите заказать нестандартный крепеж;
• объемная закалка с низким отпуском — для нагруженных деталей малого размера (шестерни, ролики);
• поверхностная закалка токами высокой частоты — для шеек валов под подшипники, зубьев колес;
• сорбитизация (закалка с поверхностным охлаждением спрейером) — для крановых колес.

Закалке можно подвергать любые марки сталей, но эффект от этой операции тем выше, чем больше удельная доля углерода. Этот элемент в ответе за то, насколько высоким будет скачок прочности после получения мартенситной структуры. Стали с содержанием углерода ниже 0,3% практически не реагируют на закалку, зато для инструментальных, где этот параметр превышает 0,8%, обнаруживают в итоге твердость выше 60 HRC.

В отношении чугунов следует максимально жестко контролировать режимы нагрева и охлаждения. В отличие от сталей чугуны не прощают ошибок, и неверное решение приведет к стремительному развитию внутренних напряжений. Бывали случаи, когда чугунные заготовки буквально взрывались сами по себе, и куски металла отлетали на несколько метров.

Для чугуна применяют:

• низкотемпературный отжиг;
• графитизирующий отжиг;
• нормализацию;
• закалку.

Упрочнение чугунов позволяет добиться твердости около 51 HRC. Такую термообработку применяют редко ввиду чрезвычайной сложности реализации. Чаще всего отливки из чугуна (в особенности — легированного) просто отжигают.

Термообработка медных сплавов

Для промышленной и электротехнической меди, латуней и бронз также предусмотрены меры термического воздействия. Они направлены на выравнивание химического состава, снятие остаточных напряжений после волочения или прессования, повышение прочности и пластичности.

Ориентируясь на ГОСТ 1535-2016 и ГОСТ 2060-2006, можно указать основные структурные состояния медных сплавов:

• мягкое (полностью отожженное);
• полутвердое (частично отожженное);
• твердое (напряженное).

Каждый вариант несет в себе не только очевидное изменение механических характеристик, но и некоторую динамику электро- и теплопроводности. Это особенно актуально в отношении металла, идущего на производство теплотехники и кабельной продукции. Так для жил гибких проводов используют преимущественно мягкую отожженную медную проволоку, зато при сборке теплообменников лучше работать с полутвердыми латунными трубками.

Термообработка алюминия и титана

В сравнении со сталью все цветные сплавы в куда меньшей степени реагируют на упрочнение методами термической обработки. Поэтому чаще термисты используют свое мастерство только для размягчения металла и снятия напряжений. Но здесь алюминий и его группа — интересное исключение.

Для материалов этой категории предусмотрен целый перечень возможного термического воздействия:

• подготовительный отжиг;
• промежуточный отжиг;
• окончательный отжиг;
• закалка;
• закалка с естественным старением;
• закалка с искусственным старением;
• отжиг для снятия наклепа.

Следует отметить, что некоторые алюминиевые сплавы после закалки со старением показывают рост предела прочности в 1,5..2 раза. Такие марки находят применение в авиационно-космической отрасли, а также в автомобильной промышленности.

Закалочные процессы по отношению к алюминию и его сплавам происходят преимущественно в селитровых ваннах. Поэтому после термической обработки в техпроцесс вводят дополнительную операцию по очистке поверхностей от остатков селитры.

Не отказываются от термообработки и в задачах, связанных с применением титана и титановых сплавов. Для таких конструкционных материалов термисты используют:

• неполный отжиг — в диапазоне температур 445..600°С;
• полный отжиг — на 670..800°С;
• закалку — с нагревом до 820..940°С;
• искусственное старение — с нагревом до 450..600°С и выдержкой до 16 часов.

Чтобы избежать окисления металла в процессе воздействия, все операции производят в вакуумных печах.

Термическая обработка в производстве крепежа

Промышленный выпуск метизной продукции предусматривает два основных разделения: на изделия, упрочненные в ходе непосредственной пластической деформации на станках, и на изделия, упрочненные при помощи закалки. Второй вариант характерен исключительно для стального крепежа.

Технология термической обработки метизов включает закалку с отпуском, идущие после основной формующей операции (холодной или горячей высадки, точения или фрезерования). В редких случаях заготовку сначала калят, а только потом начинают обрабатывать. Удобство и безопасность такого варианта просчитывают технологи.

В массовом и крупносерийном производстве весь путь от нагрева до охлаждения проходит в автоматизированном режиме — на линиях конвейерного типа. Для мелкой серии и единичного выпуска изделия калят порционно, собирая в пакеты.

Чтобы оценить требования к уровню прочности стального крепежа, следует обратиться к ГОСТ 1759.4 (болты, шпильки, винты), ГОСТ 1759.5 (гайки), ГОСТ 11371 (подкладные шайбы) и ГОСТ 6402 (пружинные шайбы).

Разделение по классам прочности стержневых деталей выглядит так:

• от 3.6 до 6.8 — отсутствует термическая обработка;
• 8.8 и 9.8 — закалка и отпуск на 425°С;
• 10.9 — закалка и отпуск на 340..425°С;
• 12.9 — закалка и отпуск на 380°С.

Работа с легированными среднеуглеродистыми сталями по наивысшему классу дает предел прочности не менее 1220 МПа с поверхностной твердостью 385..435 HV. Подобным болтам или резьбовым шпилькам соответствуют гайки класса 12 — с твердостью 295..353 HV. Этих показателей достигают одними и теми же методами, варьируя лишь исходные материалы и режимы нагрева/охлаждения.

Интересней обстоят дела с шайбами. Для подкладных круглых изделий нужна минимальная твердость — около 110 HV. Это соответствует сырому состоянию низкоуглеродистых сталей. Зато выпуск стопорных шайб непременно включает операцию закалки: их твердость приходится на диапазон 40...48 HRC (389...508 HV), а в некоторых случаях достигает 50 HRC (539 HV). Для такого результата берут высокоуглеродистые рессорно-пружинные марки, а стабилизирующий отпуск после закалки делают минимальным — лишь бы снять остаточные напряжения, чтобы деталь не разорвало в работе.

Вы можете всегда определить, присутствовала или нет термическая обработка в изготовлении крепежа, оценив три параметра: материал изготовления, стандарт (ГОСТ, DIN или EN) и маркировку. Относительно болтов с широкой шестигранной головкой класс прочности всегда набивают на верхнем торце. Если видите числа 8.8, 9.8, 10.9 или 12.9 — у вас в руках стальной крепеж, прошедший огонь и воду, чтобы стать в разы крепче и выдержать увеличенные нагрузки.

Заключение

Термообработка — это воздействие, эффект которого нельзя увидеть невооруженным глазом, как результат фрезерования или штамповки. Чтобы понять, что именно произошло и чего добились термисты, придется заглянуть в микроскоп по микрошлифам или использовать приборы для измерения механических характеристик материала.

Но роль термической обработки в формировании всего комплекса свойств конечного изделия нельзя обойти вниманием: именно она определяет выносливость, эксплуатационную прочность и в итоге — общий ресурс работы машины, узла или механизма.