Виды термообработки стали

Суть термообработки стали

Свойства металла обусловлены формой и расположением его атомов. Трехмерные структуры, в которых расположены атомы, называются кристаллическими. Термическая обработка воздействует на форму и может изменять кристаллическую структуру металла, а потому он обретает новые характеристики. Если температура нагревания не достигает точки плавления материала, то ее воздействие увеличивает энергетический ресурс атомов, запуская процесс перекристаллизации. Твердость стали напрямую зависит от варианта термической обработки.

Для изменения структуры атомов и кристаллической решетки нагрев должен происходить с четко заданной скоростью до строго определенной температуры. Затем в таком же режиме производится выдержка и охлаждение металла. Так его адаптируют к различным условиям эксплуатации.

Основные процессы высокотемпературного воздействия на металл

Выбор способа термообработки стали производится на основе диаграммы железо-углерод, позволяющей прогнозировать структуру конечного материала. Концентрация углерода в стали — один из факторов, определяющих тип обработки, который может быть применен к тому или иному виду металла.

Высокотемпературная обработка — один из самых ответственных, сложных и браконосных процессов при изготовлении металлопродукции. К его основным преимуществам относятся:

• увеличение износостойкости металла;
• изменение кристаллической решетки, а за счет него — физических свойств конечного продукта в соответствии с предъявляемыми ему техническими требованиями;
• обеспечение долговечности и прочности механических изделий;
• высокая отказоустойчивость механизмов, в которых задействованы стальные детали.

Производство любых ответственных конструкций допускается исключительно из металлов, прошедших термообработку. Только относительно таких изделий возможен четкий прогноз, определяющий срок их службы и способность без потери первоначальных качеств выдерживать различные нагрузки извне.

Закалка

При таком виде термической обработки стали она нагревается выше критической температуры (примерно до +750-1150 градусов), а затем резко охлаждается в жидкой среде. Это позволяет уменьшить структуру зерна, одновременно увеличив твердость, прочность, устойчивость стали к механическим нагрузкам. Резкое охлаждение, для которого используются вода, инертные газы, различные солевые растворы и технические масла, необходимо для того, чтобы зафиксировать произошедшие фазовые превращения, и свойства металла не успели вернуться к первоначальному состоянию.

Закалка влияет на характеристики металла следующим образом:

• повышает твердость, прочность и устойчивость к механическим воздействиям, истиранию;
• уменьшает размер зерна;
• обеспечивает необходимые показатели пластичности и устойчивости на изгиб;
• снижает вес изделия без потери прочности и износостойкости;
• увеличивает хрупкость;
• уменьшает сопротивление на излом.

Любые марки сталей можно закаливать, однако эффективность ее определяется удельной долей углерода. Чем этот показатель выше, тем лучше результат. Углерод отвечает за то, насколько материал станет прочнее после достижения мартенситной и/или бейнитной структуры. Если концентрация углерода в стали составляет менее 0,3%, металл почти не реагирует на закалку. У инструментальных марок стали этот параметр превышает 0,8%, поэтому достигаемая твердость может иметь показатель выше 60 HRC.

По твердости и прочности бейнит незначительно уступает мартенситу, однако обладает большей ударной вязкостью. Именно поэтому получение такой структуры предпочтительнее: она подходит для тех конструкций, которым важно иметь высокие показатели прочности и пластичности.

В промышленности выделяют несколько вариантов закалки, вызывающих изменения кристаллической модификации.

• В одной среде: производится с непрерывным охлаждением. Наиболее простой и распространенный вариант. Для него характерно занижение механических характеристик стали, высокий риск возникновения деформаций и трещин.
• Прерывистая: раскаленный металл сначала быстро охлаждается в воде, а затем, гораздо медленнее, — в технических маслах или на воздухе. Особую сложность, в первую очередь для изделий переменного сечения, представляет четкое определение времени выдержки на обоих этапах охлаждения.
• Ступенчатая: заключается в охлаждении в горячей среде с непродолжительной выдержкой и дальнейшим охлаждением на открытом воздухе.
• С самоотпуском: представляет собой погружение изделия на ограниченный период в закалочную среду в строго заданном интервале температур. По окончании процедуры температура изделия постепенно снижается, что приводит к самоотпуску всех слоев его поверхности. Такая технология позволяет уменьшить закалочные напряжения и деформации.
• Криогенная: состоит в дополнительном охлаждении стали до отрицательных температур ее первичного охлаждения до +18-25 градусов. Подходит для изделий из высоколегированных и углеродистых сталей.

Закалка — это критически важный этап процесса термической обработки стали. При нарушении технологии возникает высокий риск появления следующих дефектов:  

• деталь не достигает нужной твердости по причине нехватки температуры нагрева, недостаточной выдержки или низкой скорости охлаждения;
• в случае перегрева металл обретает крупнозернистую структуру и становится хрупким;
• при пережоге (нагреве свыше 1200 градусов) возникают окислы по границам зерен, что вызывает высокую хрупкость материала и приводит к невозможности подвергать его высоким нагрузкам;
• образование окалины и выгорание углерода на поверхности металла вызываются окислением и обезуглероживанием стали – такой материал полностью непригоден к эксплуатации;
• при наличии значительных внутренних напряжений на поверхности детали могут возникать коробления и трещины, что приводит к невозможности использовать изделие в дальнейшем.

В случае, если закалка проведена без нарушения технологического процесса, на следующем этапе для улучшения технических характеристик стали применяется отпуск.

Отпуск

Во время закалки внутри металла образуется напряжение, повышающее хрупкость детали. Поэтому важно своевременно устранить внутренние дефекты, которые оно вызывает.

Отпуск стали заключается в том ее помещают в различные среды — расплавленные щелочи, селитру, масла или воду. При точном соблюдении технологии твердость металла по окончании процедуры значительно увеличивается.

Есть три вида отпуска:

• высокий: используется при производстве металлов для строительных конструкций и деталей, которые должны обладать высокой износоустойчивостью. Для изменения структуры заготовки на молекулярном уровне производится ее разогрев в интервале от +450 до +550 градусов. В ходе этого процесса возможно изменение размера зерен и формы изделия.
• средний: применяется для обработки упругих деталей при температуре +350-400 градусов. Основная задача этого типа отпуска — уменьшение размера зерен, снижение внутреннего напряжения и повышение прочности при сохранении формы заготовки.
• низкий: охлаждение конструкции производится до температуры ниже критической. Температура разогрева металла не превышает +250 градусов, а скорость охлаждения выбирают в зависимости от марки стали. Низкий отпуск используется в отношении деталей, прошедших цементацию или нитроцементацию.

Основная цель любого типа отпуска — снизить вероятность получения неравновесных структур после того, как материал подвергнется закалке. Именно благодаря снятию внутренних остаточных напряжений стали изделия обретают высокую вязкость, минимальную хрупкость и ригидность.

Отжиг

Для получения однородной равновесной структуры применяется технология отжига, при которой исключено образование напряжения материала. Процесс состоит из нескольких этапов:

• нагрев чуть выше критической точки;
• выдержка с поддержанием постоянной температуры;
• медленное охлаждение непосредственно в печи.

Разные сорта стали требуют применения различных технологий отжига.

1. Гомогенизация

Применяется для получения однородной структуры литья. Химические элементы за счет диффузии распределяются по всему изделию. Есть несколько режимов гомогенизации:

• нагревание, превышающее точку кристаллизации на 100-200 градусов;
• выдержка при максимальной температуре на протяжении 9-15 часов;
• постепенное охлаждение.

Остывание металла в печи производится до температуры не ниже +800 градусов, далее его перемещают на открытый воздух. В результате структура металла становится крупнозернистой, что устраняется отжигом.

2. Рекристаллизация

Этот способ еще называют низким отжигом. Его применяют после пластического деформирования металла, в результате которого зерно изменяет форму, а жесткость стали снижается. Рекристаллизация приводит к восстановлению структуры кристаллической решетки устранению деформаций. Процедура состоит из трех этапов:

• нагрев выше критической температуры;
• выдержка не менее двух часов;
• постепенное остывание в печи.

Рекристаллизация используется в качестве предварительной или финальной обработки для придания заготовкам нужной пластичности в случае применения метода холодной штамповки.

3. Изотермический отжиг

Применяется в отношении легированных сталей с целью достижения стадии распада аустенита.

Изотермическое воздействие включает в себя следующие шаги:

• нагрев изделия до температуры выше критической на 10-30 градусов;
• выдерживание в зависимости от сорта стали в печи или солевой ванне;
• ускоренное охлаждение до +630 градусов;
• постепенное остывание при плюсовой температуре.

Эта технология применяется для марок стали с содержанием углерода не ниже 0,8%.

4. Отжиг для снятия напряжения

Для этого варианта характерен наиболее продолжительный период остывания. Длительность процесса достигает 20 часов и позволяет снять внутреннее напряжение металла и повысить устойчивость детали к эксплуатационным нагрузкам.

5. Полный отжиг

Кованые, штампованные и литые заготовки должны иметь мелкозернистую структуру, для чего и применяется технология полного отжига.

В этом случае важен четкий контроль скорости остывания металла: для углеродистых сортов она составляет до 150 градусов в час, а для легированных — не более 50 градусов в час.

6. Неполный отжиг

Такой метод применяется для инструментальной стали. Он нужен, чтобы перлит перешел в ферритно-цементную структуру. В результате общая прочность металла, его устойчивость к повреждениям и ударопрочность заметно повышается.

7. Нормализация

Технология подразумевает охлаждение заготовок после нагрева и выдержки на открытом воздухе, чтобы структуры кристаллической решетки металла упорядочилась. Метод позволяет повысить прочность и устойчивость материала к внешним нагрузкам.

8. Старение

При использовании этого метода материал нагревается до температуры не выше средней, после чего ее быстро снижают. Процедуру повторяют несколько раз, что приводит к повышению предела текучести ковких материалов, стабилизирует состояние углерода без снижения твердости стали.

9. Химико-термическая обработка

Эта технология предусматривает нагрев металла с помощью различных химических средств, что обеспечивает повышенную прочность, износо- и коррозионную стойкость. Существуют следующие виды химико-термической обработки:

• цементация – дополнительное насыщение стали углеродом до начала закалки и отпуска, что повышает износостойкость готовых изделий;
• азотирование – сталь насыщается азотом по мере нагревания до +650 градусов в аммиачной среде, что увеличивает ее твердость и устойчивость к коррозии;
• нитроцементация – предварительно разогретая до высоких температур поверхность стали обрабатывается углеродом и азотом, а затем проходит закалку и отпуск;
• борирование – после предварительного нагрева до +910 градусов на металлическую поверхность наносится слой бора, что повышает стойкость металла.

Перед проведением химико-термической обработки метал тщательно очищается, чтобы посторонние примеси не повлияли на физико-химические свойства готового изделия.

Подведение итогов

Грамотная высокотемпературная обработка значительно меняет свойства стали в лучшую сторону. Срок эксплуатации и отказоустойчивость деталей повышаются, снимается внутреннее напряжение металла, достигается снижение массы различных механизмов. Улучшение характеристик металла позволяет удешевить процесс производства многих деталей.

Несмотря на то, что эффект от нагревания металлов недоступен невооруженному глазу и не всегда очевиден в первые годы эксплуатации изделия, роль термообработки сложно переоценить. Весь спектр ее методов напрямую влияет на эксплуатационную выносливость, прочность и общий ресурс работы огромного количества механизмов.