Термічна обробка сплавів. Види термообробки

Термообробка сплавів є невід'ємною частиною виробничого процесу чорної і кольорової металургії. В результаті такої процедури метали здатні змінити свої характеристики до необхідних значень. У даній статті ми розглянемо основні види термообробки, що застосовуються в сучасній промисловості.

Сутність термічної обробки

В процесі виробництва напівфабрикати, металеві деталі піддаються термічній обробці для надання їм потрібних властивостей (міцності, стійкість до корозії і зносу тощо). Термічна обробка сплавів – це сукупність штучно створених процесів, в ході яких у сплавах під дією високих температур відбуваються структурні і фізико-механічні зміни, але зберігається хімічний склад речовини.

Призначення термообробки

Металеві вироби, які використовуються щодня в будь-яких галузях народного господарства, повинні відповідати високим вимогам стійкості до зношування. Метал, як сировину, потребує посилення потрібних експлуатаційних властивостей, яких можна домогтися впливом на нього високими температурами. Термічна обробка сплавів високими температурами змінює початкову структуру речовини, перерозподіляє його складові компоненти, перетворює розмір і форму кристалів. Все це призводить до мінімізації внутрішньої напруги металу і таким чином підвищує його фізико-механічні властивості.

Види термічної обробки

Термообробка металевих сплавів зводиться до трьох простим процесів: нагрівання сировини (напівфабрикату) до потрібної температури, витримуванню його в заданих умовах необхідний час і швидкому охолодженню. У сучасному виробництві використовується декілька видів термообробки, які відрізняються між собою деякими технологічними особливостями, але алгоритм процесу загалом скрізь залишається однаковим.


За способом вчинення термічна обробка буває наступних видів:

Термічна (гартування, відпуск, відпал, старіння, кріогенна обробка).

Термо-механічна включає обробку високими температурами в поєднанні з механічним впливом на сплав.

Хіміко-термічна передбачає термічну обробку металу з подальшим збагаченням поверхні виробу хімічними елементами (вуглецем, азотом, хромом та ін).

Відпал

Відпал – виробничий процес, при якому метали і сплави піддаються нагріванню до заданого значення температури, а потім разом з піччю, в якій відбувалася процедура, дуже повільно природним шляхом остигають. В результаті відпалу вдається усунути неоднорідності хімічного складу речовини, зняти внутрішньо напругу, домогтися зернистої структури і поліпшити її як таку, а також знизити твердість сплаву для полегшення його подальшої переробки. Розрізняють два види відпалу: відпал першого і другого роду. Відпал першого роду передбачає термічну обробку, в результаті якої зміни фазового стану сплаву незначні або відсутні зовсім. У нього також є свої різновиди: гомогенізований – температура відпалу становить 1100-1200 , в таких умовах сплави витримують протягом 8-15 годин, рекристалізаційне (при t 100-200 ) відпал застосовується для клепаной сталі, тобто деформованої вже будучи холодною.
Відпал другого роду призводить до значимих фазовим змін сплаву. Він також має декілька різновидів:

Повний відпал – нагрівання сплаву на 30-50 вище критичної температурної позначки, характерною для даної речовини і охолодження з вказаною швидкістю (200 /год – вуглецеві стали, 100 /годину і 50 /год – низьколеговані і високолеговані стали відповідно).

Неповний – нагрівання до критичної точки і повільне охолодження.

Дифузійний – температура відпалу 1100-1200.

Ізотермічний – нагрівання відбувається так само, як при повному відпалі, однак після цього проводять швидке охолодження до температури трохи нижче критичної і залишають охолоджуватися на повітрі.

Нормалізований – повний відпал з подальшим охолодженням металу на повітрі, а не в печі.

Загартування

Загартування – це маніпуляція зі сплавом, метою якої є досягнення мартенситного перетворення метал, що забезпечує зниження пластичності вироби і підвищення його міцності. Гарт, так само як і відпал, припускає нагрівання металу в печі вище критичної температури до температури гарту, відмінність полягає в більшій швидкості охолодження, яке відбувається у ванні з рідиною. Залежно від металу, і навіть його форми застосовують різні види загартування:

Загартування в одному середовищі, тобто в одній ванні з рідиною (вода – для великих деталей, масло – для дрібних деталей).

Переривчаста гарт – охолодження проходить два послідовних етапи: спершу в рідині (більш різке охолоджувачі) до температури приблизно 300 , потім на повітрі або в інший ванні з маслом.

Ступінчаста – по досягненню виробом температури загартування, його охолоджують якийсь час в розплавлених солях з подальшим охолодженням на повітрі.

Ізотермічна – технології дуже схожа на ступінчасту загартування, відрізняється лише часом витримки вироби при температурі мартенситного перетворення.

Гарт з самоотпуском відрізняється від інших видів тим, що нагрітий метал охолоджують не повністю, залишивши в середині деталі теплий ділянку. В результаті такої маніпуляції виріб набуває властивості підвищеної міцності на поверхні і високої в'язкості в середині. Таке поєднання вкрай необхідно для ударних інструментів (молотки, зубила та ін.)

Відпустку

Відпустка – це завершальний етап термічної обробки сплавів, що визначає кінцеву структуру металу. Основна мета відпустки є зниження крихкості металевого виробу. Принцип полягає в нагріві деталі до температури нижче критичної і охолодженні. Оскільки режими термічної обробки і швидкість охолодження металевих виробів різного призначення можуть відрізнятися, то виділяють три види відпуску:

Високий - температура нагріву від 350-600 до значення нижче критичної. Дана процедура найчастіше використовується для металевих конструкцій.

Середній – термообробка при t 350-500 поширена для пружинних виробів і ресор.

Низький - температура нагрівання виробу не вище 250 дозволяє досягти високої міцності і зносостійкості деталей.

Старіння

Старіння – це термічна обробка сплавів, що зумовлює процеси розпаду пересиченого металу після гарту. Результатом старіння є збільшення меж твердості, плинності і міцності готового виробу. Старінню піддаються не тільки чавун, але і кольорові метали, в тому числі і легко деформуючі алюмінієві сплави. Якщо металевий виріб, піддана загартуванню витримати при нормальній температурі, в ньому відбуваються процеси, що призводять до мимовільного збільшення міцності і зменшення пластичності. Це називається природне старіння металу. Якщо цю ж маніпуляцію виконати в умовах підвищеної температури, вона буде називатися штучним старінням.

Кріогенна обробка

Зміни структури сплавів, а значить, і їх властивостей можна домогтися не тільки високими, але і вкрай низькими температурами. Термічна обробка сплавів при t нижче нуля отримала назву кріогенної. Дана технологія широко використовується в самих різних галузях народного господарства як доповнення до термообработкам з високими температурами, оскільки дозволяє істотно знизити витрати на процеси термічного зміцнення виробів. Кріогенна обробка сплавів проводиться при t -196 в спеціальному криогенному процесорі. Дана технологія дозволяє істотно збільшити термін служби обробленої деталі та антикорозійні властивості, а також виключити необхідність повторних обробок.

Термомеханічна обробка

Новий метод обробки сплавів поєднує в собі обробку металів при високих температурах з механічною деформацією виробів, знаходяться в пластичному стані. Термомеханічна обробка (ТМО) за способом вчинення може бути трьох видів:

Низькотемпературна ТМО складається з двох етапів: пластичної деформації з наступним загартуванням і відпусткою деталі. Головна відмінність від інших видів ТМО – температура нагріву до аустенітного стану сплаву.

Високотемпературна ТМО передбачає нагрівання сплаву до мартенситного стану в поєднанні з пластичною деформацією.

Попередня деформація проводиться при t 20 з наступним загартуванням і відпусткою металу.

Хіміко-термічна обробка

Змінити структуру та властивості сплавів можливо і за допомогою хіміко-термічної обробки, яка поєднує в собі термічний і хімічний вплив на метали. Кінцевою метою даної процедури крім надання підвищеної міцності, твердості, зносостійкості вироби є і надання деталі кислотоустойчивости і вогнестійкості. До даної групи відносяться наступні види термообробки:

Цементація проводиться для додання поверхні виробу додаткової міцності. Суть процедури полягає в насичення металу вуглецем. Цементація може бути виконана двома способами: тверда і газова цементація. У першому випадку оброблюваний матеріал разом з вугіллям і його активатором поміщають у піч і нагрівають до певної температури з наступною витримкою його в даному середовищі і охолодженням. У випадку з газовою цементацією виріб нагрівається в печі до 900 під безперервним струменем вуглецевмісної газу.

Азотування – це хіміко-термічна обробка металевих виробів шляхом насичення їх поверхні в азотних середовищах. Результатом цієї процедури стає підвищення межі міцності деталі і збільшення його корозійної стійкості.

Ціанування – насичення металу одночасно і азотом і вуглецем. Середовище може бути рідкою (розплавлені вуглець - і азотовмісні солі) і газоподібної.

Дифузійна металізація являє собою сучасний метод надання металевим виробам жаростійкості, кислотоустойчивости і зносостійкості. Поверхня таких сплавів насичують різними металами (алюміній, хром) і металоїдами (кремній, бор).

Особливості термічної обробки чавуну

Ливарні сплави чавуну зазнають термічної обробки за дещо іншою технологією, ніж сплави кольорових металів. Чавун (сірий, високоміцний, легований) проходить наступні види термообробки: відпал (при t 500-650 ), нормалізація, гарт (безперервна, ізотермічна, поверхнева), відпустка, азотування (сірі чавуни), алітування (перлітові чавуни), хромування. Всі ці процедури у результаті значно покращують властивості кінцевих виробів чавуну: збільшують експлуатаційний термін, виключають ймовірність виникнення тріщин при використанні вироби, підвищують міцність і жаростійкість чавуну.

Термообробка кольорових сплавів

Кольорові метали і сплави володіють відмінними властивостями, тому обробляються різними методами. Так, мідні сплави для вирівнювання хімічного складу піддаються рекристаллизационному відпалу. Для латуні передбачена технологія низькотемпературного відпалу (200-300 ), оскільки цей сплав схильний при вологому середовищі до мимовільного розтріскування. Бронза піддається гомогенізації та відпалу при t до 550 . Магній отжигают, загартовують і піддають штучному старінню (природне старіння для загартованого магнію не відбувається). Алюміній, як і магній, піддається трьом методів термообробки: відпалу, гартування і старіння, після яких деформуючі алюмінієві сплави значно підвищують свою міцність. Обробка титанових сплавів включає: рекристалізаційне відпал, загартування, старіння, азотування і цементацію.

Резюме

Термічна обробка металів і сплавів є основним технологічним процесом, як в чорному, так і в кольоровій металургії. Сучасні технології мають у своєму розпорядженні безліч методів термообробки, що дозволяють добитися потрібних властивостей кожного виду оброблюваних сплавів. Для кожного металу властива своя критична температура, а це значить, що термообробка повинна проводитися з урахуванням структурних і фізико-хімічних особливостей речовини. В кінцевому підсумку це дозволить не тільки досягти потрібних результатів, але і в значній мірі оптимізувати виробничі процеси.