Основные методы термической обработки

Что такое термообработка и зачем она нужна?

Термообработка — это совокупность технологических операций, включающих нагрев, выдержку и охлаждение металлических сплавов с целью изменения их свойств. Под воздействием тепловой энергии происходит изменение внутренней структуры металла, что позволяет существенно улучшить его обрабатываемость, прочность, пластичность, устойчивость к коррозии и другие важные параметры. Термообработка может использоваться как промежуточный этап для подготовки материала к дальнейшей механической обработке (резанием или давлением), так и в качестве финальной стадии для достижения необходимых характеристик готового изделия.

Термообработка металла

Исторические методы закалки металлов

Термическая обработка металлов имеет древние корни. Ранние кузнецы использовали для закалки металлических изделий воду, масло, а иногда даже вино. К примеру, нагретый металл погружали в различные жидкости для быстрого охлаждения и придания твёрдости. В Средние века применялись необычные способы: кузнецы охлаждали металлы на ходу, мчась верхом на лошади, что создавало уникальные условия для закалки на воздухе. Эти исторические методы стали основой для современных технологий, которые развивались на протяжении веков.

Виды термической обработки металлов

Термообработка подразделяется на несколько основных видов в зависимости от метода её выполнения и конечных целей:

1. Термическая обработка: включает в себя традиционные процессы, такие как закалка, отпуск, отжиг, нормализация, старение и криогенная обработка.
2. Термо-механическая обработка: сочетает воздействие высоких температур с механическими деформациями для повышения прочностных характеристик материала.
3. Химико-термическая обработка: кроме теплового воздействия, включает насыщение поверхности изделия химическими элементами (углеродом, азотом, хромом и т.д.), что улучшает её свойства, такие как износостойкость и устойчивость к коррозии.

Термообработка металла

Основные методы термической обработки

1. Закалка

Закалка — это процесс нагрева материала до температуры выше критической точки с последующим быстрым охлаждением. Цель закалки — получить более твёрдую и прочную структуру, благодаря быстрой кристаллизации материала. Закалка может происходить с полиморфным превращением или без него.

Результат: Повышенная твёрдость и прочность материала. Однако без последующей обработки (например, отпуска) металл может оставаться слишком хрупким.

2. Отпуск

Отпуск — это процесс термообработки закалённых изделий с целью снижения их хрупкости и снятия внутренних напряжений. Во время отпуска происходит частичный распад мартенсита и восстановление пластичных свойств металла.

Результат: Металл приобретает баланс между прочностью и пластичностью, что делает его более устойчивым к ударам и деформациям.

3. Нормализация

Нормализация — это процесс нагрева металла до состояния аустенита с последующим охлаждением на воздухе. Нормализация улучшает структуру стали, устраняя внутренние напряжения и улучшая её механические свойства.

Результат: Повышенная ударная вязкость и пластичность материала по сравнению с отжигом. Нормализация эффективна для повышения однородности структуры стали.

4. Отжиг

Отжиг — это метод термической обработки, который включает медленный нагрев материала до определённой температуры, выдержку и постепенное охлаждение вместе с печью. Отжиг помогает устранить внутренние напряжения, улучшает пластичность и снижает твёрдость.

Цели отжига:

• Облегчение обработки металлов резанием.
• Снятие внутренних напряжений после механической или термомеханической обработки.
• Устранение хрупкости и повышение сопротивляемости ударным нагрузкам.
• Выравнивание структуры и устранение неоднородностей состава.

Термическая обработка металла

5. Криогенная обработка

Криогенная обработка предполагает охлаждение металла до крайне низких температур (ниже -100°C) для улучшения его свойств. Этот метод используется для повышения износостойкости и долговечности, особенно в авиационной и автомобильной промышленности.

Термообработка цветных металлов

Термическая обработка применяется не только к чёрным металлам, но и к цветным сплавам, таким как алюминий, медь и титан. В зависимости от области применения, эти сплавы могут подвергаться как разупрочняющей (снижение прочности для улучшения пластичности), так и упрочняющей термообработке (для повышения прочности).

Преимущества термической обработки

Современные методы термической обработки позволяют добиться улучшенных эксплуатационных характеристик изделий. Каждая технология термообработки разрабатывается с учётом специфики металла, его критической температуры и области применения.

Основные преимущества термообработки:

• Повышение прочности и устойчивости к износу.
• Улучшение пластичности, что облегчает механическую обработку материала.
• Снижение внутренних напряжений, возникающих при механической или термообработке.
• Рационализация производственных процессов за счёт повышения долговечности изделий и улучшения их эксплуатационных характеристик.

Термообработка металлов и сплавов

Заключение

Термообработка металлов играет ключевую роль в современном производстве, влияя на эксплуатационные свойства материалов и конечных изделий. Правильный выбор метода термообработки позволяет не только улучшить прочностные характеристики металла, но и оптимизировать производственные процессы, снижая затраты и повышая качество продукции. Современные технологии в термообработке, такие как криогенная и химико-термическая обработка, открывают новые возможности для промышленности, позволяя достигать высоких результатов при минимальных затратах.