что такое термообработка стали
Термическая обработка стали
Термическая обработка стали позволяет придать изделиям, деталям и заготовкам требуемые качества и характеристики. В зависимости от того, на каком этапе в технологическом процессе изготовления проводилась термическая обработка, у заготовок повышается обрабатываемость, с деталей снимаются остаточные напряжения, а у деталей повышаются эксплуатационные качества.
Технология термической обработки стали – это совокупность процессов: нагревания, выдерживания и охлаждения с целью изменения внутренней структуры металла или сплава. При этом химический состав не изменяется.
Так, молекулярная решетка углеродистой стали при температуре не более 910°С представляет из себя куб объемно-центрированный. При нагревании свыше 910°С до 1400°С решетка принимает форму гране-центрированного куба. Дальнейший нагрев превращает куб в объемно-центрированный.
Сущность термической обработки сталей – это изменение размера зерна внутренней структуры стали. Строгое соблюдение температурного режима, времени и скорости на всех этапах, которые напрямую зависят от количества углерода, легирующих элементов и примесей, снижающих качество материала. Во время нагрева происходят структурные изменения, которые при охлаждении протекают в обратной последовательности. На рисунке видно, какие превращения происходят во время термической обработки.
Изменение структуры металла при термообработке
Назначение термической обработки
Внутренняя структура двухфазной смеси напрямую влияет на эксплуатационные качества и легкость обработки.
Образование структур в зависимости от интенсивности охлаждения
Основное назначение термической обработки — это придание сталям:
Термическая обработка применяется к следующим типам сталей:
Классификация и виды термообработки
Основополагающими параметрами, влияющими на качество термообработки являются:
Изменяя данные режимы можно получить несколько видов термообработки.
Виды термической обработки стали:
Температура нагрева стали при термообработке
Отпуск
Отпуск в машиностроении используется для уменьшения силы внутренних напряжений, которые появляются во время закалки. Высокая твердость делает изделия хрупкими, поэтому отпуском добиваются увеличения ударной вязкости и снижения жесткости и хрупкости стали.
1. Отпуск низкий
Для низкого отпуска характерна внутренняя структура мартенсита, которая, не снижая твердости повышает вязкость. Данной термообработке подвергаются измерительный и режущий инструмент. Режимы обработки:
2. Средний отпуск
Для среднего отпуска преобразование мартенсита в тростит. Твердость снижается до 400 НВ. Вязкость возрастает. Данному отпуску подвергаются детали, работающие со значительными упругими нагрузками. Режимы обработки:
3. Высокий отпуск
При высоком отпуске кристаллизуется сорбит, который ликвидирует напряжения в кристаллической решетке. Изготавливаются ответственные детали, обладающие прочностью, пластичностью, вязкостью.
Нагревание до температуры – от 450°С, но не выше 650°С.
Отжиг
Применение отжига позволяет получить однородную внутреннюю структуру без напряжений кристаллической решетки. Процесс проводят в следующей последовательности:
1. Гомогенизация
Гомогенизация, по-иному отжиг диффузионный, восстанавливает неоднородную ликвацию отливок. Режимы обработки:
2. Рекристаллизация
Рекристаллизация, по-иному низкий отжиг, используется после обработки пластическим деформированием, которое вызывает упрочнение за счет изменения формы зерна (наклеп). Режимы обработки:
3. Изотермический отжиг
Изотермическому отжигу подвергаются легированные стали, для того чтобы произошел распад аустенита. Режимы термообработки:
4. Отжиг для устранения напряжений
Снятие внутренних и остаточных напряжений отжигом используется после сварочных работ, литья, механической обработки. С наложением рабочих нагрузок детали подвергаются разрушению. Режимы обработки:
5. Отжиг полный
Отжиг полный позволяет получить внутреннюю структуру с мелким зерном, в составе которой феррит с перлитом. Полный отжиг используют для литых, кованных и штампованных заготовок, которые будут в дальнейшем обрабатываться резанием и подвергаться закалке.
Полный отжиг стали
6. Неполный отжиг
При неполном отжиге пластинчатый или грубый перлит преобразуется в ферритно-цементитную зернистую структуру, что необходимо для швов, полученных электродуговой сваркой, а также инструментальные стали и стальные детали, подвергшиеся таким методам обработки, температура которых не провоцирует рост зерна внутренней структуры.
Закалка
Закалку сталей применяют для:
Суть закалки – это максимально быстрое охлаждение прогретой насквозь детали в различных средах. Каление производится с полиморфными изменениями и без них. Полиморфные изменения возможны только в тех сталях, в которых присутствуют элементы способные к преобразованию.
Такой сплав подвергается нагреву до той температуры, при которой кристаллическая решетка полиморфного элемента терпит изменения, за счет чего увеличивается растворяемость легирующих материалов. При снижении температуры решетка изменяет структуру из-за избытка легирующего элемента и принимает игольчатую структуру.
Невозможность полиморфных изменений при калении обусловлено ограниченной растворимостью одного компонента в другом при быстрой скорости охлаждения. Для диффузии мало времени. В итоге получается раствор с избытком нерастворенного компонента (метастабильтный).
Для увеличения скорости охлаждения стали используются такие среды как:
Сравнивая скоростной режим охлаждения стальных изделий на воздухе, то охлаждение в воде с 600°С происходит в шесть раз быстрее, а с 200°С в масле в 28 раз. Растворенные соли повышают закаливающую способность. Недостатком использования воды считается появление трещин в местах образования мартенсита. Техническое масло используется для закалки легирующих сплавов, но оно пригорает к поверхности.
Металлы, использующиеся при изготовлении изделий медицинской направленности не должны иметь пленки из оксидов, поэтому охлаждение происходит в среде разряженного воздуха.
Если деталям не требуется объемная термообработка, проводится каление только поверхностного слоя на установках ТВЧ (токами высокой частоты). При этом глубина термообработки составляет от 1 мм до 10 мм, а охлаждение происходит на воздухе. В итоге поверхностный слой становится износоустойчивым, а середина вязкая.
Процесс закалки предполагает прогревание и выдержку стальных изделий при температуре, достигающей порядка 900°С. При такой температуре стали с содержанием углерода до 0,7% имеют структуру мартенсита, который при последующей термообработке перейдет в требуемую структуру с появлением нужных качеств.
Нормализация
Нормализация формирует структуру с мелким зерном. Для низкоуглеродистых сталей — это структура феррит-перлит, для легированных – сорбитоподобная. Получаемая твердость не превышает 300 НВ. Нормализации подвергаются горячекатаные стали. При этом у них увеличивается:
Процесс нормализации стали
Преимущества термообработки
Термообработка стали – это технологический процесс, который стал обязательным этапом получения комплектов деталей из стали и сплавов с заданными качествами. Этого позволяет добиться большое разнообразие режимов и способов термического воздействия. Термообработку используют не только применительно к сталям, но и к цветным металлам и сплавам на их основе.
Стали без термообработки используются лишь для возведения металлоконструкций и изготовления неответственных деталей, срок службы которых невелик. К ним не предъявляются дополнительные требования. Повседневная же эксплуатация наоборот диктует ужесточение требований, именно поэтому применение термообработки предпочтительно.
В термически необработанных сталях абразивный износ высок и пропорционален собственной твердости, которая зависит от состава химических элементов. Так, незакаленные матрицы штампов хорошо сочетаются при работе с калеными пуансонами.
Особенности закалки стали
Термообработка металла изменяет его характеристики. Закалка стали делает ее тверже, прочнее. В отдельных случаях термообработку проводят для измельчения зерна, выравнивания структуры. Простую технологию нагрева и быстрого охлаждения для мелких деталей можно осуществить в домашних условиях. Необходимо знать марку стали и ее температуру нагрева для закалки.
Закалка стали
Что такое закалка металла?
Один из видов термообработки — закалка металла. Она состоит из нескольких этапов, выполняемых в определенной последовательности:
В процессе изготовления сложные детали могут проходить несколько закалок разного вида.
По глубине обработки закалка делится на два вида:
В основном в машиностроении применяется объемная термообработка, когда деталь прогревается на всю глубину. В результате резкого охлаждения, после завершения термообработки твердость внутри и снаружи отличается всего на несколько единиц.
Поверхностная закалка применяется для деталей, которые должны быть твердые сверху и пластичные внутри. Индуктор прогревает сталь на глубину 3–20 мм и сразу за ним расположен спрейер, поливающий горячий металл водой.
Сталь нагревается до состояния аустенита. Для каждой марки своя температура, определяемая по таблице состояния сплавов железо-углерод. При резком охлаждении углерод остается внутри зерна, не выходит в межкристаллическое пространство. Превращение структуры не успевает происходить, и внутреннее строение содержит перлит и феррит. Зерно становится мельче, сам металл тверже.
Какие стали можно закаливать?
При нагреве и быстром охлаждении внутренние изменения структуры происходят во всех сталях. Твердость повышается только при содержании углерода более 0,4%. Ст 35 по ГОСТ имеет его 0,32 – 0,4%, значит может «подкалиться» — незначительно изменить твердость, если углерод расположен по верхнему пределу.
Закаливаемыми считаются стали, начиная от СТ45 и выше по содержанию углерода. В то же время закалка нержавеющей стали с низким содержанием углерода типа 3Х13 возможна. Хром и некоторые другие легирующие элементы заменяют его в кристаллической решетке и повышают прокаливаемость металла.
Высоколегированные углеродистые стали содержат вещества, ускоряющие процесс охлаждения и повышающие способность стали к закалке. Для них требуется сложная ступенчатая система охлаждения и высокотемпературный отпуск.
Температура и скорость нагрева
Температура нагрева под закалку повышается с содержанием в стали углерода и легирующих веществ. Для Ст45 она, например, 630–650⁰, Ст 90ХФ — более 800⁰.
Высокоуглеродистые и высоколегированные стали при быстром нагреве могут «потрещать» — образовать на поверхности и внутри мелкие трещины. Их нагревают в несколько этапов. При температурах 300⁰ и 600⁰ делают выдержку. Кроме выравнивания температуры по всей глубине, происходит структурное изменение кристаллической решетки и переход к другим видам внутреннего строения.
Свойства стали после закалки
После закалки деталей происходят структурные изменения, влияющие на технические характеристики металла:
На поверхности каленой детали легко получить высокий класс чистоты. Сырая сталь не шлифуется, тянется за кругом.
Виды закалки стали
Основные параметры для закалки стали: температура нагрева и скорость охлаждения. Они полностью зависят от марки стали — содержания углерода и легирующих веществ.
Закаливание в одной среде
При закаливании стали среда определяет скорость охлаждения. Наибольшая твердость получается при окунании детали в воду. Так можно калить среднеуглеродистые низколегированные стали и некоторые нержавейки.
Если металл содержит более 0,5% углерода и легирующие элементы, то при охлаждении в воде деталь потрещит — покроется трещинами или полностью разрушится.
Высоколегированные стали повышают свою твердость даже при охлаждении на воздухе.
При закалке на воде легированная сталь подогревается до 40–60⁰. Холодная жидкость будет отскакивать от горячей поверхности, образуя паровую рубашку. Скорость охлаждения значительно снизится.
Ступенчатая закалка
Закалка сложных по составу сталей может производиться в несколько этапов. Для ускорения охлаждения крупных деталей из высоколегированных сталей, их сначала окунают в воду. Время пребывания детали определяется несколькими минутами. После этого закалка продолжается в масле.
Вода быстро охлаждает металл на поверхности. После этого деталь окунается в масло и остывает до критической температуры структурных преобразований 300–320⁰. Дальнейшее охлаждение проводится на воздухе.
Если калить массивные детали только в масле, температура изнутри затормозит остывание и значительно снизит твердость.
Изотермическая закалка
Закалить металл с высоким содержанием углерода сложно, особенно изделия из инструментальной стали — топоры, пружины, зубила. При быстром охлаждении в нем образуются сильные напряжения. Высокотемпературный отпуск снимает часть твердости. Закалка производится поэтапно:
После закалки в селитровой ванне отпуск не нужен. Напряжения снимаются во время медленного остывания.
Изотермическая закалка
Светлая закалка
Технического термина «светлая закалка» не существует. Когда производится закалка легированных сталей, включая нагрев, в вакууме или инертных газах, металл не темнеет. Закалка в среде защитных газов дорогостоящая и требует специального оборудования отдельно на каждый тип деталей. Она применяется только при массовом изготовлении однотипной продукции.
В вертикальной печи деталь нагревается, проходя через индуктор, и сразу же опускается ниже — в соляную или селитровую ванну. Оборудование должно быть герметично. После каждого цикла с него откачивается воздух.
Закалка с самоотпуском
При быстром охлаждении в процессе закалки стали внутри детали остается тепло, которое постепенно выходит и отпускает материал — снимает напряжения. Делать самоотпуск могут только специалисты, которые знают, насколько можно сократить время пребывания детали в охлаждающей жидкости.
Самоотпуск можно производить дома, если нужно незначительно увеличить твердость крепежа или мелких деталей. Необходимо уложить их на теплоизолирующий материал и сверху накрыть асбестом.
Способы охлаждения при закаливании
Широко используемые в промышленности способы охлаждения металла при закалке на воду и в масле. Самый древний состав для закалки мечей и других тонкостенных предметов — соляной раствор. Закалку производили кузнецы, используя нагрев под ковку и тепло, выделяемое деформацией.
Красные сабли, мечи, ножи опускали в мочу рыжих парней. В Европе их просто вонзали в тела живых рабов. Коллоидный состав, содержащий соли и кислоты, позволял с оптимальной скоростью охладить сталь и не создавать лишних напряжений и поводки.
В настоящее время используют различные солевые натриевые растворы, селитру и даже пластиковую стружку.
Как закалить сталь в домашних условиях
Решение о том, как калить металл, принимается исходя из нескольких параметров:
Не все способы термообработки доступны любителям. Следует выбирать наиболее простые. Чаще всего в домашних условиях приходится закаливать нержавейку при изготовлении ножей и другого домашнего режущего инструмента.
Температура закалки хромсодержащих сталей 900–1100⁰C. Проверять нагрев следует визуально. Металл должен иметь светло оранжевый – темно желтый цвет, равномерный по всей поверхности.
Окунать тонкую нержавейку можно в горячую воду, поднимая на воздух и вновь опуская. Чем выше содержание углерода, тем больше времени сталь проводит на воздухе. Один цикл длится примерно 5 секунд.
Простые свариваемые стали греют до вишневого цвета и охлаждают в воде. Среднелегированные материалы должны перед окунанием в воду иметь красный цвет. После 10–30 секунд перекладываются в масло, затем укладываются в печь.
При закалке получают максимальную твердость, которую дает сталь при данной технологии. Затем высокотемпературным отпуском понижают ее до требуемой.
Оборудование
Нагрев металла производится различными способами. Нужно только помнить, что температура горения дерева не может обеспечить нагрев металла.
Если требуется улучшить качество 1 детали, достаточно развести костер. Его надо по периметру обложить кирпичами и после укладки заготовки частично закрыть сверху, оставив щели для доступа воздуха. Лучше жечь уголь.
Отдельный участок и небольшую по размерам деталь греют газовой и керосиновой горелкой, постоянно водя пламенем и прогревая со всех сторон.
Изготовление муфельной печи требует много времени и ресурсов. Ее целесообразно строить при постоянном использовании.
Охлаждающая жидкость может находиться в ведре и любой другой емкости, которая обеспечит полное погружение детали с толщиной масла в 5 наибольших сечений детали:
Деталь необходимо медленно двигать в охлаждающей жидкости. В противном случае образуется паровая рубашка.
Самостоятельное изготовление камеры для закаливания металла
Наипростейшее подобие муфельной печи делается из огнеупорного кирпича, шамотной глины и асбеста:
Высыхать все материалы должны при комнатной температуре. На это уйдет несколько дней. Затем можно укладывать деталь на изоляционный материал и греть.
Дефекты при закаливании стали
При закаливании стали возникают 2 группы дефектов:
Первые связаны с неравномерной, пятнистой закалкой и несоответствием полученной твердости требованиям в чертеже. Вызваны такие дефекты в основном неправильным охлаждением или некачественно проведенной термообработкой.
К неисправимым относятся сколы, трещины, полное разрушение деталей. Причина чаще всего заключается в некачественном металле.
Закалка значительно изменяет структуру и эксплуатационные качества металла. Делать ее самостоятельно можно на простых деталях. Необходимо точно знать марку стали, температуру ее закалки и охлаждающую среду.
Термическая обработка стали: описание, виды
Термообработка металла является важной частью производственного процесса в цветной и чёрной металлургии. После этой процедуры материалы приобретают необходимые характеристики. Термообработку использовали довольно давно, но она была несовершенна. Современные методы позволяют достичь лучших результатов с меньшими затратами, и снизить стоимость.
Особенности термической обработки
Для придания нужных свойств металлической детали она подвергается термической обработке. Во время этого процесса происходит структурное изменение материала.
Металлические изделия, используемые в хозяйстве, должны быть устойчивыми к внешнему воздействию. Чтобы этого достичь, металл необходимо усилить при помощи воздействия высокой температуры. Такая обработка меняет форму кристаллической решётки, минимизирует внутреннее напряжение и улучшает его свойства.
Виды термической обработки стали
Термообработка стали сводится к трём этапам: нагреву, выдержке и быстрому охлаждению. Существует несколько видов этого процесса, но основные этапы у них остаются одинаковыми.
Выделяют такие виды термической обработки:
Отжиг
Это производственный процесс нагрева металла до заданной температуры, а затем медленного охлаждения, которое происходит естественным путём. В результате этой процедуры устраняется неоднородность металла, снижается внутреннее напряжение, и уменьшается твёрдость сплава, что значительно облегчает его переработку. Существует два вида отжига: первого и второго рода.
При отжиге первого рода фазовое состояние сплава изменяется незначительно. У него есть разновидности:
При отжиге второго рода происходит фазовое изменения металла. Процесс имеет несколько видов:
Закалка
Это процесс манипуляции металлом для достижения мартенситного превращения, чем обеспечивается повышенная прочность и уменьшенная пластичность изделия. При закалке сплав нагревают до критического значения, как и при отжиге, но процесс охлаждения производится значительно быстрее, и для этого используют ванную с жидкостью. Существует несколько видов закалки:
Неправильно сделанная закалка может привести к появлению таких дефектов:
Главная причина поводок и трещин — неравномерное изменение размера детали при охлаждении или нагреве. Они также могут возникнуть при резком повышении прочности в отдельных местах. Лучший способ избежать этих проблем — медленное охлаждение металла до значения мартенситного превращения.
Поводка и коробление возникает при неравномерном охлаждении искривлённых деталей. Эти дефекты довольно невелики и могут быть исправлены шлифованием. Предварительный отжиг деталей и их постепенный и равномерный нагрев помогут избежать коробления.
Обезуглероживание металла происходит в результате выгорания углерода при длительном нагреве. Интенсивность процесса зависит от температуры нагрева, чем она выше, тем быстрее процесс. Для исправления деталь нагревают в нейтральной среде (муфельной печи).
Окалины на поверхности металла приводят к угару и деформации изделия. Это снижает скорость нагрева и делает механическую обработку более трудной. Окалины удаляются химическим или механическим способом. Для того чтобы избежать их появления, нужно использовать специальную пасту (100 г жидкого стекла, 25 г графита, 75 г огнеупорной глины, 14 г буры, 100 г воды, 30 г карборунда). Состав наносится на изделия и оставляется до полного высыхания, а затем нагревается как обычно.
Отпуск
Он смягчает воздействие закалки, снимает напряжение, уменьшает хрупкость, повышает вязкость. Отпуск производится с помощью нагрева детали, закалённой до критической температуры. В зависимости от значения температуры можно получить состояния тростита, мартенсита, сорбита. Они отличаются от похожих состояний в закалке по свойствам и структуре, которая более точечная. Это увеличивает пластичность и прочность сплава. Металл с точечной структурой имеет более высокую ударную вязкость.
В зависимости от температуры различают такие виды отпуска: низкий, средний, высокий.
Для точного определения температуры используют таблицу цветов. Плёнка окислов железа придаёт металлу разные цвета. Она появляется, если изделие очистить от окалин и нагреть до 210 °C, при повышении температуры толщина плёнки увеличивается.
При низком отпуске (температура до 300 °C) в составе сплава остаётся мартенсит, который изменяет структуру материала. Кроме того, выделяется карбид железа. Это увеличивает вязкость стали и уменьшает её твёрдость. При низком отпуске металл охлаждают в соляных и масляных ваннах.
Высокий отпуск значительно улучшает механические свойства стали, увеличивает вязкость, пластичность, прочность. Её широко используют для изготовления рессор, шатунов двигателей, кузнечных штампов, осей автомобилей. Для мелкозернистой легированной стали отпуск проводят сразу после нормализации.
Чтобы увеличить обрабатываемость металла, его нормализацию производят при высокой температуре (970 °C), что повышает его твёрдость. Для уменьшения этого параметра делают высокий отпуск.
Криогенная обработка
Изменения структуры металла можно добиться не только высокой температурой, но и низкой. Обработка сплава при температуре ниже 0 °C широко применяется в разных отраслях производства. Процесс происходит при температуре 195 °C.
Плюсы криогенной обработки:
Химико-термическая обработка
Химико-термическая обработка включает в себя не только воздействие с помощью высокой температуры, но и химическое. Результатом этой процедуры является повышенная прочность и износостойкость металла, а также придание огнестойкости и кислотоустойчивости.
Различают такие виды обработки:
Цементация стали — представляет собой процесс дополнительной обработки металла углеродом перед закалкой и отпуском. После проведения процедуры повышается выносливость изделия при кручении и изгибе.
Перед началом цементации производится тщательное очищение поверхности, после чего её покрывают специальными составами. Процедуру производят после полного высыхания поверхности.
Различают несколько видов цементации: жидкая, твёрдая, газовая. При первом виде используют специальную печь-ванную, в которую засыпают 75% соды, 10% карбида кремния, 15% хлористого натрия. После чего изделие погружают в ёмкость. Процесс протекает в течение 2 часов при температуре 850 °C.
Твёрдую цементацию удобно выполнять в домашней мастерской. Для неё используют специальную пасту на основе кальцинированной соды, сажи, щавелево-кислого натрия и воды. Полученный состав наносят на поверхность и ждут высыхания. После этого изделие помещают в печь на 2 часа при температуре в 900 °C.
Азотирование стали — процесс насыщения поверхности металла азотом при помощи нагрева до 650 °C в аммиачной атмосфере. После обработки сплав увеличивает свою твёрдость, а также приобретает сопротивление к коррозии. Азотирование, в отличие от цементации, позволяет сохранить высокую прочность при больших температурах. А также изделия не коробятся при охлаждении. Азотирование металла широко применяется в промышленности для придания изделию износостойкости, увеличения твёрдости и защиты от коррозии.
Нитроцементация стали заключается в обработке поверхности углеродом и азотом при высокой температуре с дальнейшей закалкой и отпуском. Процедура может осуществляться при температуре 850 °C в газовой среде. Нитроцементацию используют для инструментальных сталей.
При борировании стали на поверхность металла наносят слой бора. Процедура происходит при температуре 910 °C. Такая обработка используется для повышения стойкости штампового и бурового инструментов.
Термомеханическая обработка
При использовании этого метода применяют высокую температуру и пластическую деформацию. Различают такие виды термомеханической обработки:
При высокотемпературной обработке деформация металла происходит после разогрева. Сплав подогревают выше температуры рекристаллизации. После чего производится закалка с отпуском.
Высокотемпературная обработка металла:
Такой обработке подвергают конструкционные, инструментальные, углеродистые, пружинные, легированные стали.
При низкотемпературной обработке заготовку после охлаждения выдерживают при температуре ниже значения рекристаллизации и выше мартенситного превращения. На этом этапе делают пластическую деформацию. Такая обработка не даёт устойчивости металлу при отпуске, а для её осуществления необходимо мощное оборудование.
Для осуществления термомеханической обработки необходимо применять специальные приспособления для давления, нагрева и охлаждения заготовки.
Термообработка цветных сплавов
Цветные металлы отличаются по своим свойствам друг от друга, поэтому для них применяют свои виды термообработки. Для выравнивания химического состава меди её подвергают рекристаллизационному отжигу. Латунь обрабатывают при низкой температуре (200 °C). Бронзу подвергают отжигу при температуре 550 °C. Магний закаляют, отжигают и подвергают старению, алюминий подвергают похожей обработке.
В чёрной и цветной металлургии широко применяются разные виды термической обработки металлов. Их используют для получения нужных свойств у сплавов, а также экономии средств. Для каждой процедуры и металла подбираются свои значения температуры.