Виды термической обработки металлов

Современную промышленность невозможно представить без методов, позволяющих управлять свойствами металлов. Именно поэтому термообработка занимает важное место в технологическом цикле производства деталей и конструкций. Она направлена на то, чтобы изменить внутреннюю структуру материала, сделать его более прочным, износостойким или, наоборот, пластичным, в зависимости от поставленных задач. Разные виды термической обработки металлов и сплавов улучшают их свойства подготавливают к дальнейшей обработке.

Виды термической обработки

Если рассматривать промышленную практику, то можно выделить три основных направления термической обработки, каждое из которых имеет своё назначение и задачи. Применяются следующие способы воздействия:

1. Термический. Классическая термообработка предполагает нагрев и последующее контролируемое охлаждение материала без введения дополнительных химических элементов. В результате внутреннее строение металла или сплава меняется, что приводит к улучшению таких параметров, как твёрдость, вязкость, сопротивляемость усталостным нагрузкам.Термический метод прост в реализации.
2. Термомеханический. Здесь к нагреву добавляется механическое воздействие. Например, заготовка подвергается пластической деформации на фоне повышенной температуры. Такой процесс позволяет не только изменить микроструктуру, но и перераспределить внутренние напряжения. В результате обработки детали могут становиться более плотными, повышается их предел текучести, а также улучшается износостойкость.
3. Термохимический. Особенность этого способа обработки металла заключается в том, что материал подвергается не только термическому воздействию, но и реагирует с активной газовой или жидкой среде. В результате происходит насыщение поверхностных слоёв различными химическими элементами: углеродом, азотом, бором. Такой процесс термообработки позволяет существенно изменить эксплуатационные свойства изделия. 

Для чего проводится термическая обработка

Термический нагрев и последующее охлаждение позволяют решать сразу несколько задач, которые важны для любого производства:

• улучшение механических свойств металла;
• снятие внутренних напряжений, возникающих при литье или деформации стали;
• повышение твёрдости и износостойкости рабочих поверхностей;
• придание пластичности и вязкости, чтобы заготовку было проще обрабатывать;
• стабилизация размеров изделия, исключение деформаций при эксплуатации;
• подготовка к последующей металлообработке (резка, сверление, шлифовка);
• защита от коррозии и агрессивных воздействий среды;
• обеспечение равномерной структуры металла по всему объёму заготовки.

Закалка

Одним из наиболее востребованных и изученных направлений в области термической обработки является закалка. Этот процесс заключается в нагреве заготовки до определённой критической температура, при которой изменяется её фазовая структура, и последующем резком охлаждении. В результате в кристаллической решётке происходят изменения, которые приводят к росту твёрдости и прочности.

Главное назначение процедуры — улучшение эксплуатационных свойств изделий, которые в дальнейшем будут подвергаться высоким нагрузкам и износу. Благодаря закалке инструмент, режущие поверхности и рабочие элементы механизмов могут становиться значительно более устойчивыми к истиранию.

В практике существует несколько видов термического закаливания стальной заготовки:

• полное закаливание, когда обработке подвергается вся металлическая заготовка;
• поверхностное закаливание, при котором твёрдость приобретает только верхний слой;
• ступенчатая и изотермическая закалка, дающая возможность снизить риск появления трещин и остаточных напряжений после обработки.

Результат термообработки зависит от выбранного способа, скорости охлаждения и применяемой охлаждающей среды (вода, масло, воздух). При этом важно учитывать химический состав и вид используемого для обработки сплава.

Стоит отметить, что правильно проведённая термообработка и закалка позволяют получать изделия, обладающие высокой надёжностью. Но чрезмерная твёрдость может привести к хрупкости. Поэтому закаленный материал часто подвергается дополнительным процедурам — например, отпуску или нормализации, чтобы достичь оптимального баланса свойств.

Современные технологии обработки предусматривают использование индукционного нагрева, лазерного или плазменного излучения, что делает закалку ещё более точной и локализованной. Такие методы дают возможность закалять отдельные участки деталей, не затрагивая всю заготовку. В результате металл может становиться прочным именно там, где это необходимо для повышения ресурса конструкции.

Отпуск

После того как заготовка прошла стадию закалки, её свойства далеко не всегда отвечают эксплуатационным требованиям. Металл становится слишком твёрдым и хрупким, поэтому существует риск растрескивания при механических нагрузках. Чтобы устранить эти недостатки, применяется отпуск — вид термический процедуры, заключающийся в повторном нагреве ранее закаленной детали до определённой температуры, выдержке при этом режиме и последующем охлаждении.В ходе данного процесса обработки металла, структура материала стабилизируется, а его механические свойство становятся более сбалансированными.Различают три вида отпуска:

• низкий — применяется для сохранения высокой твёрдости и износостойкости;
• средний — обеспечивает сочетание прочности и пластичности после термообработки;
• высокотемпературный — позволяет достичь максимальной вязкости и пластичности.

В результате металл может становиться более надёжным и долговечным, так как сохраняет твёрдость, но перестаёт быть чрезмерно хрупким. Такой способ термообработки особенно важен при изготовлении режущего инструмента, пружин, оснастки и деталей, работающих в условиях динамических нагрузок.

Стоит подчеркнуть, что отпуск является неотъемлемой частью комплексной термообработки. Без этого этапа закалка не может считаться полностью завершённой, поскольку только сочетание нагрева, выдержки и правильного охлаждения обеспечивает изделию оптимальные характеристики. Благодаря этому металлические конструкции могут становиться устойчивыми к эксплуатации в самых жёстких условиях.

Нормализация

Нормализация — это термический метод, который во многом похож на отжиг, но имеет свои отличия по режиму нагрева и скорости охлаждения. Данный процесс заключается в том, что заготовку нагревают выше критической температура, при которой меняется фазовая структура стали или сплава, выдерживают при этом режиме, а затем охлаждают на воздухе.

Главное отличие от отжига состоит в более высокой скорости охлаждения, благодаря чему металл может становиться более прочным и менее вязким. Этот вид термообработки часто применяют в случаях, когда необходимо улучшить однородность структуры и снизить внутренние напряжения.

Основные задачи, которые решает нормализация:

• устранение последствий неравномерного охлаждения после литья;
• улучшение механических свойство;
• подготовка материала к последующим видам механической металлообработки;
• оптимизация размера зерна, чтобы изделие не было слишком хрупким.

Следует учитывать, что данный метод может быть использован как самостоятельный, так и в комплексе с другими тепловыми воздействиями. Например, после грубой деформации заготовки нормализация позволяет восстановить её равновесное состояние, чтобы в дальнейшем провести точную закалку или отпуск.

Таким образом, правильно подобранный режим нормализации помогает добиться того, что металлическая заготовка становится стабильной, прочной и пригодной для дальнейшего технологического цикла. Этот вид термообработки относится к числу универсальны.

Снятие напряжения

В процессе производства заготовки нередко подвергаются механической деформации, сварке или интенсивному нагреву, что приводит к образованию внутренних остаточных напряжений. Эти скрытые дефекты могут проявляться уже во время эксплуатации: изделие начнёт коробиться, трескаться или разрушаться раньше срока. Чтобы избежать подобных проблем, применяется специальный термический метод — снятие напряжения.

Суть процедуры заключается в нагреве металлической детали до сравнительно невысокой температуры, ниже критической точки фазовых превращений, с последующей выдержкой и медленным охлаждением. В отличие от других технологий, таких как закалка или отпуск, здесь главная цель — не кардинальное изменение структуры, а её стабилизация и равномерное перераспределение напряжений в результате термического воздействия.

Благодаря этому материал может становиться более устойчивым к внешним нагрузкам и не подвергаться деформациям в процессе эксплуатации. Подобная термообработка особенно важна для крупногабаритных конструкций, сварных узлов.

Данный вид термического воздействия можно рассматривать как подготовительный этап перед эксплуатацией или дальнейшей технологической обработкой. Он не меняет кардинально механические свойство материала, но обеспечивает надёжность и устойчивость при работе в реальных условиях. В результате металл способен становиться более предсказуемым по поведению и сохранять свои параметры в течение всего срока службы.

Отжиг

Отжиг — это один из классических видов процедур при термообработке. Его применяют для того, чтобы подготовить материал к последующим операциям или улучшить его эксплуатационные характеристики. Суть данного процесса заключается в медленном нагреве заготовки до определённой температура, длительной выдержке и крайне плавном охлаждение.

В отличие от термической закалки, цель отжига — не повышение твёрдости, а, наоборот, снятие излишней хрупкости и внутренних напряжений. В результате металл может становиться мягче и пластичнее, что значительно облегчает дальнейшую металлообработку — резку, сверление, фрезерование.

Существует несколько видов отжига:

• полный — используется для перераспределения структуры и устранения дефектов кристаллической решётки;
• неполный — применяется при необходимости частичного улучшения свойств;
• диффузионный — помогает выровнять химическое содержание по всему объёму заготовки;
• изотермический — предполагает ступенчатое снижение температуры в определённой среда;
• рекристаллизационный — направлен на устранение последствий холодной деформации.

Каждый вид отжига имеет своё назначение и подбирается в зависимости от того, какие типы задач стоят перед производством. Например, рекристаллизационный позволяет устранить наклёп после пластической деформации, а диффузионный улучшает равномерность распределения элементов в составе сплава.

В результате такой обработки материал может становиться более пластичным, легко поддаваться механическим операциям и сохранять стабильность формы. Именно поэтому отжиг считается базовой и основной технологией в машиностроении, строительстве и инструментальном производстве.