Термическая обработка металлов

Термическая обработка металлов — это совокупность технологических процессов нагрева, выдержки и охлаждения металлических заготовок и изделий с целью изменения их структуры и, как следствие, физико-механических свойств. Термическая обработка является одним из ключевых этапов металлургического производства и машиностроения, позволяя придавать материалу требуемую твёрдость, прочность, пластичность, вязкость, износостойкость и другие эксплуатационные характеристики без изменения химического состава. Основные виды термической обработки — отжиг, закалка, отпуск и нормализация.

История

Первые свидетельства применения термической обработки металлов относятся к бронзовому веку. Древние кузнецы обнаружили, что нагрев и последующее быстрое охлаждение медных и бронзовых изделий изменяет их твёрдость. Однако систематическое изучение процессов началось лишь в XIX веке с развитием металлографии. В 1864 году русский учёный Дмитрий Чернов опубликовал работу «О критических точках стали», в которой впервые описал фазовые превращения в стали при нагреве и охлаждении. Чернов установил, что для получения высоких механических свойств сталь необходимо нагревать выше определённой температуры (так называемой точки Чернова), а затем быстро охлаждать. Эти открытия заложили основы современной теории термической обработки. В XX веке с развитием физики твёрдого тела и металловедения были разработаны изотермические, ступенчатые и поверхностные методы обработки, а также вакуумные и индукционные технологии.

Основные виды термической обработки

Классификация термической обработки основана на температурном режиме и скорости охлаждения. Выделяют четыре основных вида: отжиг, закалка, отпуск и нормализация. Кроме того, существуют комбинированные и специальные методы.

Отжиг

Отжиг — вид термической обработки, заключающийся в нагреве металла до определённой температуры, выдержке при этой температуре и последующем медленном охлаждении (обычно вместе с печью). Цель отжига — снижение твёрдости и повышение пластичности, снятие внутренних напряжений, выравнивание химического состава и устранение дефектов структуры, возникших после литья, ковки или сварки. Различают несколько разновидностей отжига:

• Полный отжиг — нагрев до температуры на 30–50 °C выше критической точки (для стали — выше линии GS диаграммы состояния железо-углерод), выдержка и медленное охлаждение. Применяется для доэвтектоидных сталей.
• Неполный отжиг — нагрев до температуры между критическими точками (для стали — между линиями PS и SK). Используется для заэвтектоидных сталей для снятия напряжений и улучшения обрабатываемости резанием.
• Диффузионный отжиг (гомогенизация) — нагрев до высоких температур (1100–1200 °C) с длительной выдержкой (10–20 часов) для выравнивания химической неоднородности в слитках.
• Рекристаллизационный отжиг — нагрев до температуры выше температуры рекристаллизации (0,3–0,4 от температуры плавления) для устранения наклёпа после холодной пластической деформации.

Закалка

Закалка — вид термической обработки, при котором металл нагревают до температуры выше критической (для стали — на 30–50 °C выше линии GS или PS), выдерживают и затем быстро охлаждают со скоростью, превышающей критическую скорость закалки. В результате закалки в стали образуется мартенситная структура — пересыщенный твёрдый раствор углерода в α-железе, обладающий высокой твёрдостью (до 60–65 HRC) и прочностью, но низкой пластичностью и вязкостью. Основные закалочные среды:

• Вода — обеспечивает высокую скорость охлаждения (до 600 °C/с), но может вызывать деформации и трещины.
• Масло — охлаждает медленнее (до 150 °C/с), снижает риск растрескивания, применяется для легированных сталей.
• Воздух — используется для закалки высоколегированных сталей (например, быстрорежущих) с высокой прокаливаемостью.

Различают объёмную закалку (нагрев и охлаждение всего изделия) и поверхностную закалку (нагрев только поверхностного слоя, например, с помощью токов высокой частоты или газового пламени). Поверхностная закалка позволяет получить твёрдую износостойкую поверхность при сохранении вязкой сердцевины.

Отпуск

Отпуск — заключительная операция термической обработки, следующая за закалкой. Заключается в нагреве закалённого металла до температуры ниже критической (обычно от 150 до 650 °C), выдержке и охлаждении (обычно на воздухе). Цель отпуска — снижение хрупкости, снятие внутренних напряжений, повышение пластичности и вязкости при некотором снижении твёрдости. В зависимости от температуры нагрева различают:

• Низкий отпуск (150–250 °C) — применяется для режущего и измерительного инструмента, сохраняет высокую твёрдость (58–62 HRC), снимает внутренние напряжения.
• Средний отпуск (300–450 °C) — используется для пружин, рессор, штампов; обеспечивает высокий предел упругости и вязкость.
• Высокий отпуск (500–650 °C) — применяется для деталей машин (валы, шестерни, оси), работающих в условиях динамических нагрузок; даёт наилучшее сочетание прочности и вязкости (структура сорбит отпуска).

Нормализация

Нормализация — вид термической обработки, при котором сталь нагревают до температуры на 30–50 °C выше критической (как при полном отжиге), выдерживают и затем охлаждают на спокойном воздухе. Скорость охлаждения при нормализации выше, чем при отжиге, но ниже, чем при закалке. В результате получается более мелкозернистая структура (сорбит или троостит), чем после отжига, что повышает прочность и твёрдость. Нормализация применяется для улучшения обрабатываемости резанием, исправления структуры после горячей деформации, а также как подготовительная операция перед закалкой.

Химико-термическая обработка

Химико-термическая обработка (ХТО) — процессы, при которых нагрев и выдержка металла проводятся в активной среде, содержащей диффундирующие элементы. В результате изменяется не только структура, но и химический состав поверхностного слоя. Основные виды ХТО:

• Цементация — насыщение поверхностного слоя стали углеродом (до 0,8–1,2% C) при температуре 900–950 °C. После цементации проводят закалку и низкий отпуск. Применяется для деталей, работающих на износ (шестерни, валы).
• Азотирование — насыщение поверхности азотом при температуре 500–600 °C. Образуется нитридный слой высокой твёрдости (до 1200 HV) и износостойкости, не требующий последующей закалки. Используется для деталей двигателей и пресс-форм.
• Цианирование (нитроцементация) — одновременное насыщение поверхности углеродом и азотом в газовой или жидкой среде при 820–950 °C. Обеспечивает высокую твёрдость и износостойкость.
• Борирование — насыщение поверхности бором, что даёт исключительно высокую твёрдость (до 2000 HV) и жаростойкость.

Термомеханическая обработка

Термомеханическая обработка (ТМО) сочетает пластическую деформацию и термическую обработку в едином цикле. Различают высокотемпературную ТМО (деформация при температуре выше критической, затем закалка) и низкотемпературную ТМО (деформация при температуре ниже критической, но выше температуры рекристаллизации, затем закалка). ТМО позволяет получить высокую прочность (до 2000–2500 МПа) при сохранении достаточной пластичности за счёт формирования субмикрокристаллической структуры.

Оборудование для термической обработки

Для проведения термической обработки используются различные типы печей и установок:

• Камерные печи — универсальные, применяются для отжига, нормализации и закалки мелких и средних деталей.
• Шахтные печи — вертикальные, для длинномерных изделий (валы, трубы).
• Конвейерные печи — для массового производства мелких деталей.
• Индукционные установки — для поверхностной закалки с использованием токов высокой частоты (ТВЧ).
• Вакуумные печи — для обработки в среде без доступа кислорода, что исключает окисление и обезуглероживание поверхности.
• Соляные ванны — для закалки в расплавленных солях, обеспечивают равномерный нагрев и высокую скорость охлаждения.

Контроль качества

Качество термической обработки контролируется с помощью:

• Измерения твёрдости (по Бринеллю, Роквеллу, Виккерсу).
• Металлографического анализа (изучение микроструктуры под микроскопом).
• Механических испытаний (на растяжение, ударную вязкость, усталость).
• Неразрушающих методов (ультразвуковой контроль, магнитная дефектоскопия).

Применение

Термическая обработка применяется повсеместно в промышленности:

• Машиностроение — изготовление валов, шестерён, пружин, подшипников, крепежа.
• Инструментальное производство — режущий, мерительный и штамповый инструмент.
• Автомобилестроение — детали двигателя, трансмиссии, ходовой части.
• Авиастроение — лопатки турбин, шасси, корпусные детали.
• Строительство — арматура, балки, рельсы.
• Нефтегазовая отрасль — трубы, буровое оборудование.

Интересные факты

• В Древней Руси кузнецы использовали закалку в воде с добавлением соли или мочи для повышения твёрдости клинков.
• Знаменитая дамасская сталь (булат) получалась путём многократной ковки и термической обработки, что обеспечивало уникальное сочетание твёрдости и упругости.
• Современные технологии термической обработки позволяют достигать твёрдости до 70 HRC (например, у быстрорежущих сталей).

Источники

• Гуляев А. П. Металловедение. — М.: Металлургия, 1986.
• Новиков И. И. Теория термической обработки металлов. — М.: Металлургия, 1978.
• Лахтин Ю. М. Основы металловедения. — М.: Металлургия, 1988.
• Чернов Д. К. О критических точках стали. — СПб., 1864.
• ГОСТ 5632-2014. Стали легированные и сплавы коррозионно-стойкие, жаростойкие и жаропрочные. Марки.