Термическая обработка материалов¶
Термическая обработка — совокупность технологических процессов нагрева, выдержки и охлаждения материалов (преимущественно металлов и сплавов) с целью изменения их внутренней структуры и, как следствия, физико-механических свойств. В отличие от пластической деформации, термическая обработка не изменяет форму изделия, а воздействует на фазовый состав, размер и форму зёрен, распределение примесей и дислокаций. Широко применяется в машиностроении, металлургии, приборостроении и строительстве.
¶Основные параметры
Любой термообработочный процесс описывается тремя взаимосвязанными параметрами:
- Температура нагрева — определяет, какие фазовые превращения возможны в материале. Для сталей рабочий диапазон обычно составляет 400–1250 °C.
- Время выдержки — период, в течение которого материал находится при заданной температуре. От него зависит полнота протекания структурных превращений (растворение карбидов, перераспределение углерода, рост зёрен).
- Скорость охлаждения — критический параметр, определяющий, какая структура зафиксируется при остывании. Быстрое охлаждение (закалка) фиксирует неустойчивые фазы, медленное (отжиг) — приближает систему к равновесию.
¶Классификация
По назначению и температурному режиму термическую обработку разделяют на несколько основных видов.
¶Отжиг
Нагрев выше критической температуры с последующим медленным охлаждением (обычно в печи). Цели: снятие внутренних напряжений, повышение пластичности, уменьшение твёрдости, получение равновесной структуры. Различают полный отжиг (нагрев выше точки A₃), неполный (выше точки A₁) и рекристаллизационный (ниже точек критических, для снятия наклёпа).
¶Нормализация
Нагрев стали выше критической точки с охлаждением на воздухе. Скорость охлаждения выше, чем при отжиге, поэтому структура получается более мелкозернистой и прочной. Нормализация применяется как предварительная операция перед механической обработкой и как окончательная для улучшения механических свойств.
¶Закалка
Быстрый нагрев до температуры закалки (для углеродистых сталей — выше точки A₃, для инструментальных — выше A₁) и резкое охлаждение в воде, масле, солевом растворе или расплаве солей. При этом аустенит не успевает превратиться в перлит, а переходит в мартенсит — твёрдую, но хрупкую структуру с тетрагональной решёткой. Твёрдость мартенсита углеродистых сталей достигает 60–65 HRC.
¶Отпуск
Повторный нагрев закалённой стали до температуры ниже критической, с целью снижения хрупкости и снятия внутренних напряжений. Различают низкий отпуск (150–250 °C) — для снятия напряжений без заметного снижения твёрдости, средний (350–500 °C) — для получения трёхфазной структуры с высокой упругостью, и высокий (500–650 °C) — для получения сорбита, сфероидита или троостита, обеспечивающих сочетание прочности и вязкости.
¶Специальные виды
- Старение (эйджинг) — выдержка при пониженной температуре для упрочнения пересыщенных твёрдых растворов (алюминиевые, титановые, медные сплавы).
- Термическая обработка с пластической деформацией (ТВПД) — сочетание нагрева и деформации для получения мелкозернистой структуры.
- Химико-термическая обработка (ХТО) — одновременное насыщение поверхности химическими элементами (цементация — углеродом, азотирование — азотом, хромирование — хромом) с термообработкой.
- Вакуумная и защитная атмосферная обработка — предотвращает окисление и обезуглероживание поверхности.
¶Оборудование
Основное оборудование — термические печи: камерные, шахтные, валковые, непрерывного действия, а также печи с соляными и масляными ваннами. Для точного контроля температуры применяются термопары и программируемые контроллеры. В промышленности России ведущие производители термического оборудования — компании «Интертерм», «Элтерм» и ряд других предприятий.
¶Применение
Термическая обработка — обязательная операция при производстве:
- инструментов (сверла, резцы, штампы) — закалка и отпуск обеспечивают твёрдость и стойкость режущей кромки;
- деталей машин (валы, шестерни, пружины) — термообработка задаёт прочность, износостойкость и усталостную долговечность;
- кузовных и несущих элементов автомобилей — горячее и холодное прокатные заготовки проходят нормализацию и закалку с отпуском;
- рельсов, труб, метизов — термообработка регулирует баланс прочности и вязкости.
По различным оценкам, доля термообработки в стоимости готовой металлоизделия составляет от 5 до 25 %, при этом она определяет до 60–70 % конечных эксплуатационных свойств детали.
¶История
Первые сведения о закалке металла относятся к бронзовому веку. Систематическое применение термообработки началось в средние века при производстве клинкового оружия — кузнечная закалка и отпуск стали были известны на Ближнем Востоке и в Европе к X–XI векам. Научные основы термической обработки были заложены в XIX веке после открытия диаграмм состояния (металлографии Д. К. Чернова, 1868) и кривых охлаждения (Ф. Осмонд, 1885). В XX веке получили развитие автоматизированные линии, вакуумные печи и компьютерное моделирование структурных превращений.
¶Источники
- ГОСТ 28393-89 «Приборы для измерения температуры. Общие технические условия»
- Посторонний В. Д., Сорокин В. А. «Термическая обработка металлов и сплавов» — М.: Металлургия, 1991
- Кутепов М. А., Бернштейн М. Л. «Термическая обработка стали» — М.: Металлургия, 1980
- Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П. «Материаловедение» — М.: Металлургия, 1990