Термообработка

Термообработка (термическая обработка) — это совокупность технологических процессов нагрева, выдержки и охлаждения твёрдых материалов (преимущественно металлов и сплавов) с целью изменения их структуры и, как следствие, физико-механических свойств. Основными целями термообработки являются повышение прочности, твёрдости, износостойкости, пластичности, вязкости, снятие внутренних напряжений, а также улучшение обрабатываемости резанием и давлением. Термообработка является одним из ключевых этапов в производстве деталей машин, инструментов, конструкций и многих других изделий.

История

Первые сведения о термической обработке металлов относятся к глубокой древности. Ещё в бронзовом веке кузнецы заметили, что нагрев и последующее охлаждение меди и бронзы изменяют их твёрдость. Однако целенаправленное применение термообработки началось с освоения железа. В Древнем Египте и Месопотамии (около 1200 года до н. э.) уже умели закаливать железные орудия, нагревая их до красного каления и резко охлаждая в воде. В Древней Греции и Риме (V—I века до н. э.) технология закалки была усовершенствована: использовались различные охлаждающие среды (вода, масло, рассол), а также проводился отпуск для снижения хрупкости.

В Средние века в Европе и на Руси кузнецы-оружейники, особенно в Толедо (Испания) и Златоусте (Россия), достигли высокого мастерства в термообработке клинков. Секреты закалки и отпуска часто передавались по наследству. Научное обоснование термообработки началось в XIX веке с развитием металлографии и физической химии. Русский учёный Дмитрий Константинович Чернов (1839—1921) в 1868 году открыл критические точки фазовых превращений в стали (точки Чернова), что заложило основы современной теории термической обработки. В XX веке с развитием металлургии и машиностроения были разработаны новые виды термообработки: химико-термическая обработка, термомеханическая обработка, обработка в вакууме и контролируемых атмосферах.

Основные виды термообработки металлов

Термообработка классифицируется по режиму нагрева и охлаждения, а также по конечной цели. Основные виды:

Отжиг

Отжиг — вид термообработки, при котором материал нагревают до определённой температуры, выдерживают и затем медленно охлаждают (обычно вместе с печью). Цель отжига — снижение твёрдости и прочности, повышение пластичности и вязкости, снятие внутренних напряжений, выравнивание химического состава и устранение дефектов структуры. Различают несколько разновидностей отжига:

• Полный отжиг — нагрев на 30–50 °C выше критической точки (для стали — выше линии GS диаграммы состояния), выдержка и медленное охлаждение. Применяется для снятия напряжений после литья, ковки или сварки.
• Неполный отжиг — нагрев до температуры между критическими точками. Используется для снижения твёрдости и улучшения обрабатываемости резанием.
• Низкий отжиг (отпуск для снятия напряжений) — нагрев до 150–300 °C, выдержка и медленное охлаждение. Применяется для снятия остаточных напряжений без изменения структуры.
• Сфероидизирующий отжиг — нагрев до температуры чуть ниже критической точки, длительная выдержка и медленное охлаждение. Получается структура с глобулярным (сферическим) цементитом, что улучшает обрабатываемость резанием и штампуемость.

Закалка

Закалка — вид термообработки, при котором материал нагревают до температуры выше критической точки (для стали — на 30–50 °C выше линии GS), выдерживают для завершения фазовых превращений и затем быстро охлаждают со скоростью, превышающей критическую скорость закалки. Цель закалки — получение неравновесной структуры (мартенсита, троостита или сорбита), обладающей высокой твёрдостью и прочностью. Различают:

• Закалка в одном охладителе — наиболее распространённый способ (вода, масло, полимерные растворы).
• Закалка в двух средах — сначала быстрое охлаждение в воде до 300–400 °C, затем медленное в масле. Снижает риск образования трещин.
• Ступенчатая закалка — охлаждение в среде с температурой 200–300 °C (например, в расплавленной соли), выдержка для выравнивания температуры, затем охлаждение на воздухе. Уменьшает деформации.
• Изотермическая закалка — охлаждение в среде с температурой 250–400 °C, выдержка до полного превращения аустенита в бейнит, затем охлаждение на воздухе. Даёт высокую прочность и вязкость.

Отпуск

Отпуск — вид термообработки, следующий за закалкой. Заключается в нагреве закалённой стали до температуры ниже критической точки (обычно 150–650 °C), выдержке и последующем охлаждении (часто на воздухе). Цель отпуска — снижение хрупкости, снятие внутренних напряжений, повышение пластичности и вязкости, а также стабилизация структуры. Различают:

• Низкий отпуск (150–250 °C) — сохраняет высокую твёрдость (HRC 58–63), применяется для режущего и измерительного инструмента.
• Средний отпуск (300–450 °C) — даёт твёрдость HRC 40–50, высокую упругость и прочность. Используется для пружин, рессор, штампов.
• Высокий отпуск (500–650 °C) — значительно снижает твёрдость (HRC 25–35), но резко повышает пластичность и вязкость. Применяется для деталей машин, работающих под нагрузкой (валы, оси, шестерни).

Нормализация

Нормализация — вид термообработки, при котором сталь нагревают до температуры на 30–50 °C выше критической точки, выдерживают и затем охлаждают на спокойном воздухе. Цель нормализации — получение более мелкозернистой и однородной структуры, повышение прочности и твёрдости по сравнению с отожжённым состоянием, а также улучшение обрабатываемости резанием. Нормализация часто применяется как подготовительная операция перед закалкой или как окончательная термообработка для неответственных деталей.

Химико-термическая обработка

Химико-термическая обработка (ХТО) — процесс, сочетающий термическое воздействие с насыщением поверхностного слоя детали различными элементами (углеродом, азотом, хромом, алюминием, кремнием и др.). Цель ХТО — повышение твёрдости, износостойкости, коррозионной стойкости, жаростойкости и усталостной прочности поверхности при сохранении вязкой сердцевины. Основные виды ХТО:

• Цементация — насыщение поверхностного слоя углеродом (до 0,8–1,2% C) при температуре 900–950 °C с последующей закалкой и низким отпуском. Применяется для деталей, работающих на износ (шестерни, кулачки, валы).
• Азотирование — насыщение поверхностного слоя азотом при температуре 500–600 °C в среде аммиака. Даёт очень высокую твёрдость (HV 1000–1200) и износостойкость, не требует последующей закалки. Используется для деталей пресс-форм, штампов, цилиндров.
• Цианирование (нитроцементация) — одновременное насыщение углеродом и азотом при температуре 820–950 °C. Сочетает преимущества цементации и азотирования.
• Диффузионная металлизация — насыщение поверхности хромом (хромирование), алюминием (алитирование), кремнием (силицирование) и другими элементами для придания жаростойкости, коррозионной стойкости или износостойкости.

Термомеханическая обработка

Термомеханическая обработка (ТМО) — процесс, сочетающий пластическую деформацию (ковку, прокатку, штамповку) с термической обработкой. Цель ТМО — получение высокопрочного состояния с повышенной пластичностью и вязкостью за счёт формирования мелкозернистой структуры и упрочнения дисперсными частицами. Различают:

• Высокотемпературная ТМО — деформация при температуре выше температуры рекристаллизации (900–1100 °C) с последующей закалкой. Применяется для крупных поковок и проката.
• Низкотемпературная ТМО — деформация при температуре 500–700 °C (ниже температуры рекристаллизации) с последующей закалкой. Даёт более высокую прочность, но требует больших усилий деформации.

Термообработка цветных металлов и сплавов

Термообработка применяется не только для стали, но и для цветных металлов и их сплавов (алюминиевых, медных, титановых, магниевых, никелевых). Для алюминиевых сплавов (например, дюралюминий Д16) характерны закалка (нагрев до 490–500 °C, охлаждение в воде) и искусственное старение (нагрев до 120–190 °C, выдержка 4–12 часов). Для медных сплавов (латуни, бронзы) применяют отжиг для снятия напряжений и повышения пластичности, а также закалку и отпуск для упрочнения (например, для бериллиевой бронзы). Титановые сплавы подвергают закалке (нагрев до 850–950 °C, охлаждение в воде или на воздухе) и старению (нагрев до 450–600 °C).

Оборудование для термообработки

Для проведения термообработки используются различные типы печей и установок:

• Камерные печи — наиболее распространённые, с электрическим или газовым нагревом, работающие в атмосфере воздуха или защитного газа.
• Шахтные печи — для нагрева длинномерных деталей (валов, труб).
• Печи-ванны — с расплавленными солями (для ступенчатой и изотермической закалки) или с жидкими металлами (свинец, олово).
• Печи с контролируемой атмосферой — для предотвращения окисления и обезуглероживания (используются азот, аргон, эндогаз, экзогаз).
• Вакуумные печи — для термообработки в вакууме, исключающей окисление и обезуглероживание, а также для спекания порошковых материалов.
• Индукционные установки — для поверхностной закалки токами высокой частоты (ТВЧ), позволяющие нагревать только поверхностный слой детали.
• Плазменные и лазерные установки — для локальной термообработки (упрочнения режущих кромок, восстановления изношенных поверхностей).

Контроль качества термообработки

Качество термообработки контролируется с помощью различных методов:

• Измерение твёрдости (по Бринеллю, Роквеллу, Виккерсу) — основной метод контроля.
• Металлографический анализ — изучение микроструктуры на шлифах под микроскопом.
• Механические испытания (на растяжение, ударную вязкость, изгиб).
• Магнитный и вихретоковый контроль — для выявления поверхностных дефектов и оценки структуры.
• Рентгеновский и ультразвуковой контроль — для выявления внутренних трещин и несплошностей.

Применение термообработки

Термообработка применяется практически во всех отраслях промышленности, где используются металлы и сплавы:

• Машиностроение — термообработка деталей двигателей, коробок передач, ходовой части, подшипников, пружин, рессор.
• Инструментальная промышленность — закалка и отпуск режущего, измерительного и штампового инструмента.
• Авиастроение и ракетостроение — термообработка титановых, алюминиевых и жаропрочных никелевых сплавов.
• Автомобилестроение — термообработка коленчатых валов, шатунов, шестерён, кузовных деталей.
• Строительство — термообработка арматуры, балок, рельсов, труб.
• Энергетика — термообработка турбинных лопаток, роторов, корпусов реакторов.
• Медицина — термообработка хирургических инструментов, имплантатов.

Источники

1. Металловедение и термическая обработка стали: Справочник / Под ред. М. Л. Бернштейна, А. Г. Рахштадта. — М.: Металлургия, 1983.
2. Гуляев А. П. Металловедение. — М.: Металлургия, 1986.
3. Новиков И. И. Теория термической обработки металлов. — М.: Металлургия, 1978.
4. Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П. Материаловедение. — М.: Машиностроение, 1990.
5. Термическая обработка в машиностроении: Справочник / Под ред. Ю. М. Лахтина, А. Г. Рахштадта. — М.: Машиностроение, 1980.