Термический участок и его основные задачи по термической обработке металлов, сталей, сплавов
Термический участок и его задачи
Основными задачами термического участка являются проведение циклов термической и химико-термической обработки деталей из черных и цветных сплавов.
Термическая обработка металлов и сплавов - процесс тепловой обработки металлических изделий, целью которого является изменение структуры и свойств в заданном направлении.
Термическую обработку стальных деталей проводят в тех случаях, когда необходимо либо повысить прочность, твердость, износоустойчивость или упругость детали или инструмента, либо, наоборот, сделать металл более мягким, легче поддающимся механической обработке.
Термической (или тепловой) обработкой называется совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения твёрдых металлических сплавов с целью получения заданных свойств за счёт изменения внутреннего строения и структуры.
Основными видами термической обработки являются
- Закалка;
- Нормализация;
- Отпуск;
- Криогенная обработка.
В чем заключается сущность термической обработки стали?
Термическая обработка стали – технология температурного воздействия на металл, цель которого придание материалу необходимых технических характеристик.
Технология представляет собой совокупность процессов нагревания, выдерживания и охлаждения. В результате воздействий изменяется кристаллическая решетка металла.
Для чего нужна термическая обработка?
Задачами термической обработки являются ликвидация внутренних напряжений в металлах и сплавах, улучшение обрабатываемости резанием или давлением, повышение механических и эксплуатационных свойств и др.
Термической обработке подвергают заготовки, полуфабрикаты и готовые изделия.
Что относится к термической обработке?
Рассмотрим, какие способы применяются в работе, их особенности и другие параметры, влияющие на результат и уровень качества.
В процессе могут использоваться следующие методы:
Технология выбирается с ориентиром на особенности и характеристики конкретного типа сплава.
Как проходит термическая обработка?
Процесс термической (или химико-термической) обработки стали состоит из трех последовательных этапов:
1. Нагрев до требуемой температуры с определенной скоростью;
2. Выдержки при этой температуре в течении требуемого времени;
3. Охлаждения с заданной скоростью.
Что такое полная термическая обработка?
Термической обработкой стали называется совокупность технологических операций ее нагрева, выдержки и охлаждения в твердом состоянии с целью изменения ее структуры и создания у нее необходимых свойств: прочности, твердости, износостойкости, обрабатываемости или особых химических и физических свойств.
В чем состоит сущность и назначение термической обработки?
Металлоизделия, используемые в любых отраслях хозяйства должны отвечать требованиям устойчивости к износу.
Для этого используется воздействие высокими температурами, в результате чего усиливаются нужные эксплуатационные свойства. Этот процесс называется термической обработкой.
Отпуск
Отпуск стали часто применяется в машиностроении, а также при изготовлении деталей разного назначения из стальных заготовок. Обычно используется с закалкой, потому что помогает снизить внутреннее напряжение материала. Это делает сырье значительно прочнее, снимает хрупкость, которая может появиться при воздействии повышенных температур.
Еще одна цель применения – увеличение показателей ударной вязкости. Материал становится менее жестким, а значит, при сильном внешнем механическом воздействии его будет сложно повредить.
Технология отпуска разделена на три типа:
Низкий. Технология используется для создания мартенситной структуры металла. Главная цель – значительно увеличить вязкость сырья и при этом сохранить его твердость.
Максимальная температура нагрева – до 250 °С. Обычно она составляет не более 150 °С. При таком нагреве сталь нужно будет держать около полутора часов. Охлаждение проводится внутри масла или воздуха, что помогает также упрочнить заготовку или готовое изделие.
Чаще всего низкий отпуск применяется при создании измерительного инструмента или разных типов режущих изделий.
Средний. Отличие заключается в повышении максимальной температуры до 500 °С. Обычно детали обрабатываются при нагреве до 340 °С. Применяется воздушное охлаждение.
Главная задача среднего отпуска – перевести мартенсит в троостит. Это обеспечивает рост вязкости на фоне понижения твердости. Технология пригодится, если планируется производить детали, работающие под сильными нагрузками.
Высокий. Одно из наиболее успешных средств, позволяющих снизить высокий уровень внутренней напряженности. Изделие прогревается до высоких температур, что помогает создать и нарастить вязкость и пластичность без потери прочности. Хотя методика сложна в использовании для ответственных деталей, она оптимальна. Диапазон нагрева – 450-650°С.
Отжиг
Метод применяется для стабилизации внутренней структуры материала и увеличения ее однородности.
Это также помогает сильно уменьшить уровень напряжения.
Технологический процесс предполагает нагрев до высоких температур, выдержку и длительное, медленное охлаждение.
В промышленности используется несколько основных подходов:
Гомогенизация. Ее также называют диффузионным отжигом.
Это процесс термообработки стали в диапазоне температур от 1000 до 1150 °С. В таком состоянии сырье держится на протяжении 8 часов.
Для некоторых марок стали время увеличивается до 15. Температура остывания контролируется. Из печи заготовку можно вытаскивать только при достижении 800°С. Далее температура естественно снижается на воздухе.
Рекристаллизация. Это низкий отжиг, необходимый после проведения деформации.
Главная задача – сделать материал значительно прочнее путем изменения формы зерна во внутренней структуре. Температурный диапазон составляет 100-200 °С. По сравнению с гомогенизацией, длительность выдерживания сильно уменьшилась – до двух часов. Медленное остывание проходит внутри печи.
Изометрическое воздействие. Подходит только для легированных сталей.
При создаваемом состоянии аустенит постепенно распадается. Температура зависит от природного максимума для конкретной марки металла. Предел должен быть превышен на 20-30°С. Остывание проходит в два этапа – быстрый и медленный.
Избавление от внутреннего и остаточного напряжения. Методика подойдет после того, как деталь проходит механическую обработку, сваривается или обрабатывается с использованием литья.
Максимальная температура нагрева составляет 727°С. У этого процесса самый длительный период выдерживания среди всех разновидностей отжига –20 часов. Заготовка будет остывать очень медленно.
Полный. Если вам нужно достичь мелкозернистой структуры материала с преобладанием перлита и феррита.
Методика подойдет для разных типов заготовок – от штампованных и литых до кованных.
Метод нагревания здесь такой же, как у изометрического отжига - прогрев выполняется до предельной точки и еще на 30-50°С выше него.
Охлаждение проводится до 500°С. Секрет качественного выполнения операции в том, чтобы контролировать скорость остывания. Она указывается из расчета на 60 минут.
Для углеродистой стали остывание должно быть менее 150°С, а для легированной – 50°С.
Неполный. Основной задачей проведения неполного отжига является перевод перлита в ферритно-цементитную структуру.
Технология подойдет для деталей, которые были созданы методом электродуговой сварки.
При этом температура составляет 700°С, а длительность выдержки – 20 часов.
После медленного охлаждения можно использовать заготовку – ее прочность и защита от повреждения значительно увеличатся.
Закалка
Закалка и отпуск стали являются одними из наиболее распространенных режимов термической обработки.
Такой вариант воздействия нужен, чтобы нарастить важные показатели материала – от твердости и максимальной упругости до защиты от износа и твердости. При помощи закалки удается уменьшить предел на сжатие и пластичность.
Такой формат обработки является одним из наиболее старых. Он основывается на быстром охлаждении прогретого до высоких температур металла. Предел нагрева отличается в зависимости от типа сплава. Нужно учитывать, при какой температуре начинает изменяться внутренняя кристаллическая решетка.
В зависимости от марки стали меняется несколько основных параметров:
Среда охлаждения. Самый простой способ – окунание в воду. Дополнительные полезные свойства позволяют получить применение технического масла, газов инертного типа и растворов с высоким уровнем содержания соли.
Скорость охлаждения. Меняется в зависимости от изначальной степени прогрева. Температура воды, соляного раствора или газа также может отличаться.
Нагрев. Выбирается в зависимости от пределов, нужных для изменения внутренней структуры. Для многих видов сырья этот показатель составляет около 900°С.
Нормализация
Процесс нормализации необходим для того, чтобы изменить структуру и создать внутри металла мелкое зерно. Этот вариант подходит как для легированных, так и для низкоуглеродистых сталей.
Главное преимущество технологии позволяет довести твердость до 300 НВ. Вы сможете использовать полученные горячекатаным методом заготовки, а также нарастить прочность, защиту от излома и вязкость. Это позволяет упростить процесс последующей обработки.
В качестве среды охлаждения используется воздух. Максимальные температуры нагрева – не более 50°С сверх установленного для материала предела.
Криогенная термообработка
Основы термической обработки стали криогенного типа заключаются в значительном охлаждении ранее закаленных заготовок. Главная цель использования – прекращение мартенситного преобразования.
Как и в случае с другими перечисленными средствами, заготовку потребуется постепенно прогреть до стандартной температуры.
Химико-термическая обработка
В ходе обработки происходит преобразование внешнего слоя материала. Это позволяет повысить твердость, защитить сырье от коррозии и дополнительно нарастить износостойкость.
В процессе могут использоваться следующие методы:
Цементация. Также называется науглероживанием. Поверхность насыщается углеродом. Сначала проводится термическая обработка, участки, которые не планируется обрабатывать, обмазываются защитными составами. Процедура проводится в диапазоне 900-950°С.
Азотирование. В отличие от цементации вместо углерода применяется азот. Для этого создается нагретая аммиачная среда. Температурный диапазон составляет 500-520°С.
Цианирование. Применяется как углерод, так и азот в разных соотношениях в зависимости от температуры. Процесс возможен как в газовой, так и в жидкой среде.
Это разновидность термической обработки, протекающая естественным (без воздействия температур) и искусственным путём (при температурном воздействии). При искусственном старении осуществляется нагрев до 120–150 градусов и выдержка детали в течение 10–36 часов при заданной температуре. Эта операция стабилизирует состояние углерода в структуре стали без снижения её твёрдости.
В качестве основного оборудования, используемого в технической термообработке, применяются печи и индукторы, обеспечивающие нагрев заготовок до высоких, близких к критическим, температур. На крупных производствах используются различные печи с разными температурными режимами, предназначенные для термообработки разных металлов и их сплавов.
Помимо технической термической обработки, в металлургии также применяется термомеханическое и химико-термическое воздействие. Рассмотрим кратко их особенности.
Этот способ заключается в обработке предварительно разогретой до высоких температур поверхности стали углеродом и азотом с последующей закалкой и отпуском изделия. Обычно нитроцементация проводится при температуре 840-860 градусов и применяется при выпуске изделий из конструкционных низкоуглеродистых сталей.
Этот метод заключается в нанесении на металлическую поверхность слоя бора при её предварительном нагреве до 910 градусов. Такой способ повышает стойкость металла и используется в производстве штамповых и буровых инструментов.
Химико-термическая обработка подразумевает тщательную очистку поверхностей металла во избежание посторонних примесей, существенно снижающих физико-химические свойства готового изделия.
Хромирование. Один из видов металлизации. Назван так по основному веществу, которым насыщается материал (хром). Улучшает прочность, коррозийную стойкость, внешний вид детали.
Технология выбирается с ориентиром на особенности и характеристики конкретного типа сплава.
