Термообработка стали, виды термической обработки металлов

Термообработка стали придает металлическим изделиям полезные свойства. Подвергнутые термической обработке, изделия из стали становятся более прочными, они лучше противостоят износу, их труднее деформировать при предельных нагрузках. Теромобработку применяют в тех случаях, когда необходимо резко повысить эксплуатационные характеристики изделий.

Виды термической обработки стали

По термической обработкой стали подразумевают процессы, при которых меняется структура этого материала при нагревании, а также при последующем охлаждении. Скорость охлаждения стали определяется особенностями конкретного метода обработки.

При термообработке свойства стали существенным образом изменяются, однако химический состав ее остается прежним.

Различают несколько отдельных видов термической обработки стали:

• отжиг;
• закалка;
• нормализация;
• отпуск.

При отжиге сталь нагревается, а затем постепенно охлаждается. Различают несколько видом такой обработки, для которых характерны различные степени нагрева и скорости охлаждения.

Закалка стали основана на ее перекристаллизации в ходе нагрева до температуры, превышающей некий критический уровень. После определенной выдержки применяют ускоренное охлаждение. Закаленная сталь характеризуется неравновесной структурой. Для восстановления равновесия применяют отпуск стали.

Отпуск стали – это такой вид термообработки, который используют с целью уменьшить или полностью снять остаточные напряжения материала. В ходе отпуска повышается вязкость стали, снижается ее твердость и хрупкость.

Нормализация в чем-то схожа с отжигом. Отличие между способами в том, что при нормализации материал охлаждают на открытом воздухе, тогда как в случае отжига охлаждение ведется в особой печи.

Операция нагрева стальной заготовки

Правильное проведение этой ответственной операции определяет качество будущего изделия и влияет на производительность труда. При нагреве сталь способна менять свою структуру и свойства. Меняются также и характеристики поверхности изделия. При взаимодействии с атмосферным воздухом на поверхности стали появляется окалина. Толщина ее слоя будет зависеть от продолжительности нагрева и температуры воздействия.

С наибольшей интенсивностью сталь окисляется при температуре свыше 900 градусов Цельсия. Если температуру повысить до 1000 градусов, окисляемость возрастет вдвое, а если использовать нагрев до 1200 градусов, сталь станет окисляться в пять раз интенсивнее.

Хромоникелевые стали часто именуют жаростойкими, так как их процессы окисления не затрагивают. На легированных сталях формируется не слишком толстый слой окалины. Он дает металлу защиту, не позволяя стали окисляться дальше и предотвращая растрескивание при ковке изделия.

Стали углеродистого типа в ходе нагрева теряют углерод. При этом наблюдается снижение прочности металла и его твердости. Ухудшается закаливание. В особенности это касается заготовок малого размера, которые затем подвергаются закалке.

Заготовки, выполненные из углеродистой стали, можно очень быстро нагреть. Обычно их помещают в печь холодными, не нагревая предварительно. Избежать возникновения трещин в сталях высокоуглеродистого типа помогает медленный нагрев.

В процессе нагрева сталь становится крупнозернистой. Снижается его пластичность. Допущенный перегрев изделия может быть исправлен термообработкой, но это требует дополнительной энергии и расхода времени.

Пережог стали

Если довести нагрев до чрезмерно большой температуры, наступает так называемый пережог стали. При этом возникает нарушение структурных связей между отдельными зернами. При ковке подобные заготовки полностью разрушаются.

Пережог считается неисправимым браком. При ковке изделий из сталей высокоуглеродистого типа применяется меньшее число нагревов, чем при выделке изделий из легированной стали.

Нагревая сталь, необходимо следить за температурой процесса, контролировать время нагрева. Если время увеличить – растет слой окалины. При ускоренном нагреве на стали вполне могут образоваться трещины.

Химико-термическая обработка стали

Под такой обработкой понимают связанные между собой операции термообработки, когда поверхность стали насыщается различными химическими элементами при повышенной температуре. В качестве элементов используют азот, углерод, хром, кремний, алюминий и т.д.

Поверхностное насыщение материала металлическими элементами, которые образуют твердые растворы с железом, отличается большей энергоемкостью. Такие процессы идут обычно длительное время, если сравнивать их с насыщением стали углеродом или азотом. Диффузия легче идет в решетке альфа-железа, чем в решетке гамма-железа, где атомы значительно плотнее упакованы.

Химико-термическую обработку используют для придания стали повышенной твердости и устойчивости к износу. Такая обработка также ведет к улучшению стойкости стали к кавитации и коррозии. На поверхности стальных заготовок при этом формируются напряжения сжатия; долговечность и надежность изделий возрастают.

Одна из разновидностей химико-термической обработки стали – так называемая цементация. При этом поверхность легированной или малоуглеродистой стали насыщают углеродом при определенной температуре. За этой операцией следуют закалка и отпуск. Цель обработки цементацией состоит в увеличении устойчивости к износу, твердости стали. Цементация дает возможность повысить контактную выносливость стальной поверхности в случае вязкой сердцевины заготовки. Дополнительный эффект от цементации – выносливость заготовки при кручении и изгибе.

Изделия перед цементацией требуется предварительно очистить. Иногда поверхность стали покрывают особыми обмазками. Обычно обмазку готовят из огнеупорной глины, в которую добавляют воду и асбестовый порошок. Другой состав для обмазки включает в себя тальк и каолин, которые разводят жидким стеклом.

Азотирование стали

Так называют химико-термическую обработку поверхности металлического изделия посредством длительной выдержки при нагреве до 600-650 градусов Цельсия. Процесс идет в атмосфере аммиака. Основное качество азотированной стали – ее чрезвычайно высокая твердость. Азот способен образовывать соединения с железом, хромом, алюминием, которые отличаются значительно большей твердостью в сравнении с карбидами. В водной среде азотированная сталь лучше сопротивляется коррозии.

Обработанные азотированием стальные изделия не коробятся в процессе их охлаждения. Это вид термообработки стали широко используют в машиностроении, когда требуется усилить прочность и поднять устойчивость к износу. Примеры изделий, для которых с успехом применяется азотирование:

• гильзы цилиндров;
• валы;
• пружины;
• зубчатые колеса.

Цианирование стали

Этот процесс также именуют нитроцементацией. При такой химико-термической обработке одновременно ведется насыщение поверхности стали азотом и углеродом. Затем следуют закалка и отпуск – это дает возможность увеличить коррозионную устойчивость. Нередко нитроцементацию проводят в газовой или жидкой среде. Жидкостное цианирование с успехом может идти в расплавах солей.

Подобный вид термообработки широко применяют при изготовлении инструментальных сталей, применяемых для быстрого резания. Из такой стали можно формировать детали с очень сложной конфигурацией. Широкое распространение описанного метода затруднено тем, что он предполагает использование токсичных цианистых солей.

Термомеханическая обработка стальных изделий

Так называют операции, предполагающие не только термическое воздействие на стальную заготовку, но и ее пластическую деформацию. Термомеханическая обработка (ТМО) дает возможность получить металл особой прочности. Формирование структуры идет в условиях высокой плотности. По окончании термомеханической обработки должна немедленно следовать закалка. В противном случае может развиться рекристаллизация.

Данный вид обработки обеспечивает повышенную прочность стали одновременно с отличной ее пластичностью. ТМО нередко используют в прокатном производстве, когда нужно упрочнить прутки, трубы или пружины.

Отпуск стали

Эта процедура снимает последствия закалки и остаточные напряжения металла. Вязкость стали возрастает. Для отпуска применяют нагрев заготовки до температуры, не превышающей определенный критический уровень. При этом возможно получение состояния мартенсита. Преимущество такого вида обработки – благоприятное для изделий сочетание пластичности и прочности.

Различают низкий, средний, а также высокий отпуск. Разница состоит в температуре нагрева. Определить ее можно по специальным таблицам цветов побежалости стали.