Процесс часто применяется после закалки, когда металл был нагрет до высокой температуры и быстро охлажден, чтобы увеличить его твердость. Инструменты, пружины, подшипники, лезвия ножей и другие механические компоненты приобретают определенный баланс между прочностью и твердостью, что делает их более подходящими для конкретных применений.

Технология темперирования металлов

Темперирование подходит для углеродистых сталей, легированных сплавов, дополнительно содержащих хром, молибден, никель. Такая термообработка происходит в несколько этапов.

Нагрев металлического изделия

Температура для термообработки может быть определена на основе требуемых механических свойств и структуры материала, а также типа сплава. Производители обычно предоставляют технические данные (листы, руководства), включающие рекомендации по температурному режиму обработки. Также значение можно узнать экспериментально пирометром (с помощью инфракрасного излучения), термистором (через сопротивление устройства), плавлением или дифференциальным термическим анализом.

При нагреве используются электрические или газовые печи, индукционные нагреватели. Первые дают возможность точной термической регулировки в широком диапазоне. Электрические печи оснащены программируемыми контроллерами, термопарой или терморезисторами для измерения температуры. В них обычно встроены механизмы безопасности (предохранительные клапаны, аварийные выключатели и системы автоматического отключения в случае перегрева или превышения заданных пределов).

Индукционные нагреватели используют принцип электромагнитной индукции. Они создают переменное магнитное поле, которое индуцирует ток в металлическом изделии и вызывает его нагрев. Газовые печи работают на основе горения топлива, такого как природный газ, пропан-бутан. Трубопровод или баллон подает газ в печь, где он смешивается с воздухом для обеспечения правильного соотношения компонентов и создания горючей смеси. Зажигатель дает искру, которая воспламеняет топливо, запуская горение в печи. Тепло передается через конвекцию (движение горячих газов) и излучением.

Контроль времени нагрева очень важен, чтобы избежать перегрева или недогрева стальной детали. Путем установления определенных временных рамок можно обеспечить однородность результатов, что нужно при изготовлении серийных изделий или при выполнении спецификаций и стандартов. Неравномерное нагревание может привести к нежелательным микроструктурным изменениям и неправильному распределению углерода. При использовании печи необходимо обеспечить хорошую циркуляцию тепла, индукционных нагревателей – правильное размещение и позиционирование изделий.

Выдержка металлов

Выдержка во время термической обработки играет важную роль в достижении желаемых свойств и структуры материала. Нагретый сплав оставляют с достигнутой температурой на определенное время. Какие функции выполняет выдержка:

• Устранение напряжений. Внутренние напряжения возникают в материале в результате его обработки (при отжиге или закалке). Во время выдержки металл расслабляется и равномерно распределяет силы, стремящиеся стянуть или сжать осадок, что способствует улучшению его механических свойств и стабильности.

• Фазовые превращения. После пластической деформации проходит рекристаллизация. В результате образовываются новые зерна с равномерной и гомогенной структурой. Феррит в железе при нагреве выше 912°C превращается в аустенит. При быстром охлаждении из высокой температуры металл может претерпеть превращение из аустенитной фазы (гранулярной или кубической гранулярной структуры) в мартенситную (с тетрагональной или тригональной кристаллической решеткой).

• Релаксация микроструктуры. Происходит путем движения атомов в кристаллической решетке. В результате некоторые дефекты рассасываются или рекристаллизовываются, а трещины заживляются. Материал становится более устойчивым к механическим нагрузкам, однородным по своим свойствам и имеет меньше склонности к деформации или разрушению.

Выдержка улучшает механическую прочность, упругость, твердость, устойчивость к коррозии и термическую стабильность. Важно соблюдать температурный режим. Выдержка при слишком высоких температурах приводит к окислению стальной детали, образованию оксидных пленок на поверхности.

Охлаждение сплава

Охлаждение после термообработки выполняется с целью стабилизации и закрепления полученной структуры. Снижение температуры осуществляется путем выдержки сплава на воздухе. Охлаждение происходит естественным образом за счет передачи тепла в окружающую среду. Также иногда погружают нагретый материал в воду или масло. Охлаждение происходит быстро за счет интенсивного теплоотвода в другую среду. Такой метод чаще используют для закалки.

На производствах применяют водяные системы охлаждения. Жидкость циркулирует через механизм, охлаждая металлическое изделие с помощью конвективного теплообмена. Водяные системы снабжают вентиляторами или специальными насадками для создания потока воздуха. Также в некоторых случаях подойдут криогенные жидкости, такие как азот (-196°C) или гелий (-269°C). Это позволяет охлаждать материалы и устройства до экстремально низких температур. Криогенные жидкости испаряются после применения, поэтому время использования такой системы охлаждения ограничено.

Разница между темперированием и аустемперингом сплавов

Цель темперирования – снизить излишнюю твердость и хрупкость, уменьшить внутренние напряжения и улучшить общую прочность металлического элемента. Аустемперинг же применяют для достижения особой структуры мартензитно-бейнитной фазы. Чаще всего используется для обработки стали, чугуна. Байнитный феррит имеет мелкую и специфическую морфологию, напоминающую игольчатую или пластинчатую структуру. Цементит содержит более высокое содержание углерода, чем феррит, и обычно представляет собой смесь карбидов железа, таких как Fe₃C. Байнитная цементитная фаза обладает высокой твердостью и служит для улучшения прочности и износостойкости материала.

В обоих процессах сплав нагревается до высокой температуры. Для углеродистых сталей, например, аустенизация происходит на 800-900°C. При аустемперинге элемент охлаждается до температуры чуть ниже точки начала мартенситного превращения (от 260°C до 450°C). Также после этого процесса нужен отпуск для уменьшения напряжений, возникающих в стали в результате быстрой закалки и превращения аустенита в байнит. Дополнительная термообработка не нужна, если заготовка закалена насквозь, и аустенит до конца превратился в бейнит или аусферрит.

Темперирование приводит к изменению микроструктуры металла, включая диффузионные процессы, осаждение мелких карбидных фаз и рекристаллизацию зерен. Дислокации, накопившиеся во время деформации, рассасываются и перемещаются внутри материала, в то время как новые зерна начинают растущий процесс. Мартензитно-бейнитная фазы после аустемперинга обеспечивает высокую прочность, жесткость и стойкость к износу. Она имеет более равномерное распределение карбидных фаз и более мелкую мартензитную структуру, чем после закалки и последующего темперирования.