Термическая обработка стали - это совокупность процессов при производстве различных изделий, приводящий к изменению их химических и физических свойств. Путем осуществления контролируемого процесса нагревания и последующего охлаждения можно настроить определенные характеристики стали. Различные режимы определяют её структуру, жесткость, пластичность, тугоплавкость, устойчивость к усталости, снижают внутренние напряжения и многое другое.
Главными методами термической обработки металлов являются отжиг, закалка и отпуск. Именно на них мы сосредоточим наше внимание в данной статье.
Основные виды термической обработки
Отжиг - это способ термообработки металлических изделий предусматривающий нагрев до нужной температуры, выдержку в этом состоянии и медленное охлаждение. Основная функция – повышение пластичности, нормализация химической структуры и снижение внутренних напряжений.
Для каждого типа стали применяют свой режим отжига. Который определяется степенью нагрева, временем выдержки при заданной температуре и скоростью охлаждения. Для высокоуглеродистых сталей, например, используется метод полного отжига, при котором температура нагревания металла находится в интервале от 720 до 800 °C.
Закалка – наверное, самый известный тип термической обработки стали, при котором повышается её прочность и твердость. Процесс закалки состоит из нагрева изделия до заданной температуры, выдержки и последующего моментального охлаждения.
Температура нагрева при закаливании зависит от многих свойств стали и может варьироваться от 780 до 1300 °C. Сама закалка приводит к образованию мартенсита (основной структуре закаленной стали) – очень твердого и хрупкого состояния металла. В таком виде материал имеет ограниченное применение из-за своей хрупкости.
Отпуск – данный вид обработки, нужен для придания стали необходимых эксплуатационных свойств. Этот способ представляет собой нагревание закаленного металла до небольших температур, выдержку при этой температуре и последующее охлаждение. Этот процесс позволяет снизить избыточную хрупкость мартенсита, образовавшегося во время закалки, и добиться оптимального сочетания твердости и пластичности.
При этом происходят важные термические превращения в мартенсите, которые ведут к его переходу в более стабильные, менее твердые и более пластичные фазы.
Температура отпуска и время выдержки на ней определяются исходя из требуемых свойств стали и могут варьироваться в достаточно широких пределах.
Сопутствующие виды термообработки
Термическая обработка стали включает в себя множество методов, основные из которых мы рассмотрели выше. Также существуют специализированные и узконаправленные виды термообработки:
- Нормализация - нагрев стали до определенной температуры, обычно выше точки перехода в аустенитное состояние, выдержка в течение некоторого времени и затем охлаждение на воздухе. Этот процесс приводит к рафинированию (уменьшению размера) зерен структуры металла, повышает устойчивость к усталости и обеспечивает равномерное распределение карбидов в феррите, что приводит к более равномерным механическим свойствам по всей детали. Нормализация обычно применяется для стали, которая будет подвергаться дальнейшей обработке, такой как ковка или сварка. Она также может использоваться в качестве промежуточного этапа перед другими методами термической обработки, такими как закалка или отпуск.
- Дисперсионное твердение — это процесс, который используется для улучшения механических свойств стали. Метод основан на введении мелких частиц другого материала (дисперсионных частиц) в матрицу металла. Твердение обычно достигается путем обработки при высоких температурах, что позволяет дисперсионным частицам равномерно распределяться внутри матрицы. Эти мелкие частицы создают препятствия для движения дислокаций, что увеличивает твердость и прочность металла.
- Стоит отметить, что дисперсионное твердение является эффективным способом улучшения свойств стали, но процесс может быть сложным и требовать точного контроля над размером, формой и распределением дисперсионных частиц. В зависимости от конкретных требований, для дисперсионного твердения могут использоваться различные типы частиц, включая оксиды, нитриды, карбиды и даже другие металлы. Важно подчеркнуть, что этот процесс не изменяет основную структуру стали, а лишь добавляет в неё частицы для улучшения механических свойств.
- Криогенная обработка - еще один вид термической обработки, при котором материалы подвергаются очень низким температурам, часто находящимся ниже -150 градусов Цельсия. Этот процесс обычно проводится после закалки и отпуска для дальнейшего улучшения механических свойств металла, включая его твердость и устойчивость к износу.
- Основной механизм, лежащий в основе криогенной обработки, связан с преобразованием оставшегося после закалки аустенита в мартенсит. Закалка приводит к образованию мартенсита, однако некоторое количество аустенита может остаться не распавшимся. Этот "остаточный аустенит" может стать источником нестабильности в структуре металла. Криогенная обработка позволяет преобразовать большую часть этого остаточного аустенита.
Важно отметить, что криогенная обработка — это долгий процесс, который может занять от нескольких часов до нескольких суток, в зависимости от конкретного материала и требуемых свойств. Несмотря на это, она может оказаться весьма полезной для деталей, которые подвергаются высоким нагрузкам или интенсивному износу, таких как режущие инструменты или элементы подшипников.
Сферы применения термообработки металлов
Термическая обработка стали широко используется во многих отраслях промышленности и технологии, поскольку она позволяет значительно изменять механические свойства стали и адаптировать их к конкретным условиям эксплуатации. Вот некоторые примеры областей, где она находит применение:
- Многие компоненты автомобилей, такие как валы, шестерни, подшипники и пружины, проходят термическую обработку для увеличения их прочности, устойчивости к усталости и износостойкости.
- В аэрокосмической промышленности термообработка используется для создания высокопрочных компонентов, способных выдерживать экстремальные условия температуры и давления.
- В строительной промышленности термическая обработка используется для увеличения прочности и долговечности стальных конструкций.
- Режущие инструменты, такие как сверла, пилы, ножи и т. д., часто проходят обработку для увеличения их твердости и продления срока службы.
- В нефтегазовой промышленности термическая обработка используется для увеличения прочности и коррозионной стойкости оборудования, используемого в условиях высоких давлений и агрессивных сред.
- Стальные трубы часто подвергаются термической обработке для увеличения их прочности, гибкости и коррозионной стойкости.
В каждой из этих областей тип и параметры термообработки будут зависеть от конкретной задачи при использовании детали и требуемых свойств стали.
Общие выводы
Режимы термической обработки, включая температуру, время выдержки и скорость охлаждения, выбираются исходя из конкретного вида стали и задач, которые ставят перед готовым изделием.
Применяя отжиг, можно улучшить технологические свойства стали, снизить ее твердость, улучшить пластичность, нормализовать структуру и устранить внутренние напряжения. Закалка, в свою очередь, позволяет значительно увеличить твердость и прочность металла. Отпуск после закалки помогает снизить хрупкость и добиться необходимого баланса между твердостью и пластичностью.
Таким образом, выбор режимов термообработки стали во многом определяет физические, химические и механические свойства конечного продукта.
Несмотря на сложность процесса, специалисты могут достигать точных и предсказуемых результатов, что делает термическую обработку стали неотъемлемой частью современной металлургии.
