Термическая обработка металлов

Термической обработкой металлов называется совокупность операций на­грева, выдержки и охлаждения твердых металлических сплавов с целью получения заданных свойств за счет изменения внутрен­него строения и структуры. Термическая обработка используется либо в-ка­честве промежуточной операции для улучшения обрабатываемости давлением, резанием, либо как окончательная операция технологического процесса, обеспечивающая заданный уровень свойств детали.

Общая длительность нагрева металла при термической обработке складывается из времени собственно нагрева до заданной температуры и времени выдержки при этой температуре. Время нагрева зависит от типа печи, размеров деталей, их укладки в печи; время выдержки зависит от скорости протекания фазовых превращений.

Нагрев может сопровождаться взаимодействием поверхности металла с газовой фазой и приводить к обезуглероживанию поверхностного слоя и образованию окалины. Обезуглероживание приводит к тому, что поверхность деталей становится менее прочной и теряет твердость.

При нагреве и охлаждении стали происходят фазовые превращения, которые характеризуются температурными критическими точками. Принято обозначать критические точки стали буквой А. Критические точки А1 лежат на линии PSK (727 °С) диаграммы железо-углерод и соответствуют превращению перлита в аустенит. Критические точки А2 находятся на линии МО (768 °С), характеризующей магнитное превращение феррита. A3 соответствует линиям GS и SE, на которых соответственно завершается превращение феррита и цементита в аустенит при нагреве.

Для обозначения критических точек при нагреве и охлаждении вводят дополнительные индексы: букву «с» в случае нагрева и «r» в случае охлаждения, например Ас1, Ac3, Ar1, Ar3.

Виды термической обработки

Среди основных видов термической обработки следует отметить:

• Отжиг
  • Отжиг 1 рода (гомогенизация, рекристаллизация, снятие напряжений). Целью является получение равновесной структуры. Такой отжиг не связан с превращениями в твердом состоянии (если они и происходят, то это — побочное явление).
  • Отжиг 2 рода связан с превращениями в твердом состоянии. К отжигу 2 рода относятся: полный отжиг, неполный отжиг, нормализация, изотермический отжиг, патентирование, сфероидизирующий отжиг.
• Закалку проводят с повышенной скоростью охлаждения с целью получения неравновесных структур. Критическая скорость охлаждения, необходимая для закалки, зависит от химического состава сплава. Закалка может сопровождаться полиморфным превращением, при этом из исходной высокотемпературной фазы образуется новая неравновесная фаза (например, превращение аустенита в мартенсит при закалке стали). Существует также закалка без полиморфного превращения, в процессе которой фиксируется высокотемпературная метастабильная фаза (например, при закалке бериллиевой бронзы происходит фиксация альфа фазы, пересыщенной бериллием).
• Отпуск необходим для снятия внутренних напряжений, а также для придания материалу требуемого комплекса механических и эксплуатационных свойств. В большинстве случаев материал становится более пластичным при некотором уменьшении прочности.
• Нормализация. Изделие нагревают до аустенитного состояния (на 30…50 градусов выше АС3) и охлаждают на спокойном воздухе
• Дисперсионное твердение (старение). После проведения закалки (без полиморфного превращения) проводится нагрев на более низкую температуру с целью выделения частиц упрочняющей фазы. Иногда проводится ступенчатое старение при нескольких температурах с целью выделения нескольких видов упрочняющих частиц.
• Криогенная обработка — это упрочняющая термическая обработка металлопродукции при криогенных, сверхнизких температурах (ниже минус 153°С).

Ранее для обозначения этого процесса использовалась иная терминология — «обработка холодом», «термическая обработка стали при температурах ниже нуля», но они не совсем точно отражали суть процесса криогенной обработки.

Суть криогенной обработки заключается в следующем: детали и механизмы помещаются в криогенный процессор, где они медленно охлаждаются и после выдерживаются при температуре минус 196˚С в течение определенного времени. Затем обрабатываемые изделия постепенно возвращаются к комнатной температуре. Во время этого процесса в металле происходят структурные изменения. Они существенно повышают износостойкость, циклическую прочность, коррозионную и эрозионную стойкость.

Эта технология позволяет повысить ресурс инструментов, деталей и механизмов до 300% за счет улучшения механических характеристик материала в результате обработки сверхнизкими температурами.
Наибольшего эффекта удается достичь при обработке таких металлических изделий, как специальный режущий, штамповый, прессовый, прокатный, мелющий инструмент, подшипники, ответственные пружины.
Основные свойства металла, приобретенные в ходе глубокого охлаждения, сохраняются в течение всего срока их службы, поэтому повторной обработки не требуется.

Криогенная технология не заменяет существующие методы термического упрочнения, а позволяет придать материалу, обработанному холодом, новые свойства, которые обеспечивают максимальное использование ресурса материала, заданного металлургами.

Использование инструмента, обработанного сверхнизкими температурами, позволяет предприятиям значительно сократить расходы за счет:

• увеличения износостойкости инструмента, деталей и механизмов
• снижения количества брака
• сокращения затрат на ремонт и замену технологического оснащения и инструмента.

Теоретическая разработка и практическое освоение процесса криогенной обработки считается достижением советской науки. Работы таких ученых, как Г. В. Курдюмова, исследования А. П. Гуляева, В. Г. Воробьева и других связаны с обработкой холодом для улучшения качественных характеристик закаленной стали.

Спустя несколько лет после публикации исследований советских ученых появились первые аналогичные работы в иностранной печати, авторы которых ссылались на советские работы как первоисточник.
Именно работы советских ученых позволили полно оценить эффективность влияния обработки холодом на свойства стали и положили начало современному развитию и использования этого способа обработки.

В 40-50-е годы XX века на отечественных промышленных предприятиях пытались внедрить криогенную обработку инструмента из быстрорежущих сталей в жидком азоте, но это не только не давало ожидаемого результата, но и приводило к снижению прочности инструмента, поскольку появлялись микротрещины из-за резкого и неравномерного охлаждения.

Несмотря на попытки внедрения криогенной технологии на промышленных предприятиях как метода, позволяющего преобразовать остаточный аустенит в мартенсит, пришлось отказаться. Возможно из-за неудачных опытов, которые имели место быть, но в основном из-за экономической нецелесообразности — высокой стоимости азота, как основного хладагента.

В США, Японии, Германии, Южной Корее тему криогенной обработки как эффективного способа обработки конструкционных и инструментальных сталей развивали, и десятилетия исследований и опытов привели к результату — в настоящее время технология криогенной обработки успешно применяется во многих отраслях промышленности.

Металлообработка и машиностроение:

• увеличение ресурса инструмента и оборудования до 300%
• увеличение износостойкости материалов
• увеличение циклической прочности
• увеличение коррозионной и эрозионной стойкости
• снятие остаточных напряжений

Транспорт и спецтехника:

• увеличение ресурса тормозных дисков до 250%
• повышение эффективности работы тормозной системы
• увеличение циклической прочности пружин подвески и других упругих элементов на 125%
• увеличение ресурса и мощности двигателя
• снижение расходов на эксплуатацию транспортных средств

Металлобработка для оборонной промышленности:

• увеличение живучести стволов до 200%
• уменьшение влияния нагрева стволов на результаты стрельбы
• увеличение ресурса узлов и механизмов
• Добывающая и обрабатывающая промышленность:
• увеличение стойкости породоразрушающего инструмента до 200%
• уменьшение абразивного износа машин и механизмов
• увеличение коррозийной и эрозийной стойкости оборудования
• увеличение ресурса промышленного и горнодобывающего оборудования

Аудиотехника и музыкальные инструменты:

• уменьшение искажения сигнала в проводниках
• уменьшение рассеиваемого проводниками тепла на 30–40%
• улучшение музыкальной детальности, ясности и прозрачности звучания
• расширение диапазона звучания музыкальных инструментов

Применение криогенной обработки актуально практически для любой отрасли, где есть необходимость повышения ресурса, увеличения усталостной прочности и износостойкости, а также требуется рост производительности.

Для России эта технология уникальна. Единственный в России Центр оказывает услуги не только по криогенной обработке металлопродукции с целью повышения ресурса, но и производит криопроцессоры (системы для проведения обработки) под любые габариты изделий.

Криогенная технология не только может поспорить с применяемыми традиционными технологиями в сфере увеличения износостойкости и упрочнения, но и существенно улучшить механические характеристики обрабатываемых изделий без нежелательного повышения хрупкости и других побочных эффектов. При этом применение технологии криогенной обработки позволяет значительно снизить издержки, что в конечном итоге обязательно отразится на эффективности предприятия и позволит ему занять лидирующие позиции на рынке.

Примеры

Гомогенизационный отжиг + старение

Например, для суперсплавов на базе никеля (типа «Инконель 718») типичной является следующая термическая обработка:
Гомогенизация структуры и растворение включений (англ. Solution Heat Treatment) при 768–782 °C с ускоренным охлаждением. Затем производится двухступенчатое старение (англ. Precipitation Heat Treatment) — 8 часов при температуре 718 °C, медленное охлаждение в течение 2 часов до 621–649 °C и выдержка в течение 8 часов. Затем следует ускоренное охлаждение.

Закалка + высокий отпуск (улучшение)

Многие стали проходят упрочнение путём закалки — ускоренного охлаждения (на воздухе, в масле или в воде). Быстрое охлаждение приводит, как правило, к образованию неравновесной мартенситной структуры. Сталь непосредственно после закалки отличается высокой твёрдостью, остаточными напряжениями, низкой пластичностью и вязкостью. Так, сталь 40ХНМА (SAE 4340) сразу после закалки имеет твёрдость выше 50 HRC, в таком состоянии материал непригоден для дальнейшего использования из-за высокой склонности к хрупкому разрушению. Последующий отпуск — нагрев до 450 °C — 500 °C и выдержка при этой температуре приводят к уменьшению внутренних напряжений за счёт распада мартенсита закалки, уменьшения степени тетрагональности его кристаллической решётки (переход к отпущенному мартенситу). При этом твёрдость стали несколько уменьшается (до 45 — 48 HRC). Подвергаются улучшению стали с содержанием углерода 0,3 — 0,6% C.