Термическая обработка сплавов, виды термообработки

Без термической обработки сплавов не обходится ни черная, ни цветная металлургия. Такую процедуру проводят для того, чтобы менять характеристики материала до требуемых значений. Различают несколько видов термообработки, каждый из которых применяется с учетом свойств конкретных сплавов.

Общие сведения о термической обработке сплавов

В процессе изготовления металлических изделий, полуфабрикатов и готовых деталей из металлических сплавов их подвергают термическому воздействию. Такая обработка придает материалам нужные свойства:

• прочность;
• коррозионную стойкость;
• устойчивость к износу.

По термообработкой в самом общем смысле понимают совокупность управляемых технологических процессов, при которых в сплавах под воздействием критических температур наблюдаются полезные физико-механические и структурные изменения. Химический состав исходного вещества при подобной обработке остается неизменным.

Изделия из металлов и их сплавов, которые используются в самых разных отраслях народного хозяйства, должны иметь определенные показатели устойчивости к износу и к воздействию неблагоприятных факторов среды.

Металлическое сырье, включая сплавы, часто нуждается в повышении полезных эксплуатационных качеств. Этого чаще всего можно добиться при помощи высоких температур. Термообработка сплавов способна вносить изменения в исходную структуру вещества. При этом компоненты сплава перераспределяются, преобразуются форма и размеры кристаллов. Эти изменения ведут к уменьшению внутреннего напряжения в материалах, к улучшению физических и механических характеристик металлов.

Основные виды термообработки сплавов

Различают три не самых сложных технологических процесса, имеющих отношение к термообработке сплавов. Это нагрев исходного сырья до требуемой температуры; выдерживание его в достигнутых условиях в течение строго определенного времени; быстрое охлаждение сплава.

В традиционных формах производства применяется несколько отличных друг от друга видов термической обработки. Алгоритм самих процессов почти всего остается без изменений, меняются лишь отдельные технологические особенности.

В зависимости от способа совершения термической обработки различают такие ее виды:

• термическая (закалка, отпуск, старение, отжиг, криогенное воздействие);
• термомеханическая (сочетание обработки высокими температурами и механическим воздействием на материал);
• химико-термическая (здесь к термическому воздействию добавляется последующее обогащение поверхности сплава углеродом, хромом, азотом и т.д.).

Под отжигом понимают технологический процесс, при котором сплав нагревают до нужной температуры, после чего материал естественным путем (вместе с печью) остывает. В результате устраняются неоднородности состава вещества, снимаются напряжения в материале. Структура сплава становится зернистой. Твердость его понижается; это делает последующую обработку сплава менее трудоемкой.

Различают два вида отжига. При отжиге первого рода фазовый состав сплава почти не изменяется. А вот отжиг второго рода сопровождается фазовым изменением сырья. Эта разновидность отжига может быть:

• полной;
• неполной;
• диффузионной;
• изотермической;
• нормализованной.

Закалкой называют технологический процесс, который проводят для достижения сплавом мартенситного превращения. При этом возрастает плотность материала и снижаются его пластические свойства. Во время закалки металл нагревают до критических значений температуры и выше. Охлаждение изделий ведут в специальной ванне с особой жидкостью.

Виды закалки:

• прерывистая;
• ступенчатая;
• изотермическая;
• закалка с самоотпуском (при этом в середине изделия во время охлаждения оставляют нагретый участок).

Завершающим этапом термообработки является отпуск. Именно он определяет окончательную структуру сплава. Этот процесс ведут для уменьшения хрупкости изделия. Принцип отпуска прост: сплав нагревают, не доводя температуру до критической, а после этого охлаждают. Различают высокий, средний и низкий отпуск. Каждый режим применяется с учетом назначения изделия.

Термообработку сплавов, которая обусловливает распад сплава после закалки, называют старением. После выполнения этого технологического процесса материал становится текучим, повышаются пределы его прочности и твердости. Очень часто старению подвергают сплавы алюминия.

Старение может быть как искусственным, так и естественным. Естественное старение сплавов происходит, когда после закалки изделия выдерживают при обычной температуре, не повышая ее.

Криогенная обработка сплавов

Изучая особенности технологии производства металлов и сплавом, исследователи заметили, что нужного сочетания свойств материала можно добиться как при повышении температуры обработки изделий, так и при низких температурах.

Термообработка сплавов при температурах ниже нуля называется криогенной обработкой. Такие технологические процессы применяются в виде дополнительной меры в сочетании с обработкой высокими температурами. Преимущество криогенной обработки очевидно: она дает возможность резко снизить расходы на упрочнение деталей. Сроки службы изделий возрастают. Заметно улучшаются антикоррозионные характеристики сплавов.

Для криогенной обработки сплавов, как правило, используют особые криогенные процессоры. В них задается температура около минус 196 градусов Цельсия.

Термомеханическая обработка

Это сравнительно новый способ обработки сплавов. В нем применение высоких температур сочетается с механической деформацией материала, которому придается пластичное состояние.

Виды термомеханической обработки:

• низкотемпературная;
• высокотемпературная.

Химико-термическая обработка сплавов

К этой разновидности термообработки относят целую группу методов, в которых сочетаются термическое и химическое воздействие на сплав. Цели процедуры: увеличение твердости и устойчивости к износу, придание изделиям огнестойкости и устойчивости к воздействию кислот.

Основные виды химико-термической обработки:

• цементация;
• азотирование;
• цианирование;
• диффузная металлизация.

Цементация применяется, когда поверхности сплава необходимо придать особую прочность. Для этого металл насыщается углеродом.

При азотировании поверхность сплава насыщают в азотной среде. Такая обработка увеличивает антикоррозионные характеристики деталей.

Цианирование предполагает одновременное воздействие на поверхность сплава как углеродом, так и азотом. Процесс может вестись в жидкой или же газообразной среде.

Один из самых современных методов обработки – диффузная металлизация. Такой процесс состоит в насыщении поверхности сплавов определенными металлами (например, хромом или алюминием). Иногда вместо металлов применяют металлоиды (бор или кремний).

Термическая обработка цветных сплавов

Свойства цветных металлов и их сплавов существенно отличаются. Поэтому для их обработки применяют различные технологические процессы.

Например, медные сплавы подвергаются отжигу рекристаллизационного типа (он выравнивает химический состав).

Латунь подвергают обработке путем низкотемпературного отжига, поскольку такой сплав во влажной среде вполне способен растрескиваться. Бронзу отжигают при температуре до 550 градусов Цельсия. Магний часто подвергают искусственному старению.

При термической обработке титановых сплавов применяют рекристаллизационный отжиг, закалку, а также старение, цементацию и азотирование.

Нынешние технологии дают возможность выбрать метод обработки, который в наибольшей степени подходит для конкретного сплава. При этом важно учесть структурные особенности материала и его химический состав.