При термообработке заготовку сначала нагревают до предельных температур, после чего охлаждают в специальной жидкости. Эта операция изменяет механические свойства материала и улучшает его обрабатываемость. В зависимости от вида термовоздействия заготовке придают необходимые характеристики, которые повышают качество готового изделия.
Преимущества термообработки:
- Повышает устойчивость материала к разрушениям, в том числе к окислению;
- Увеличивает твёрдость и прочность металла, снижается хрупкость изделия;
- Металл становится более податливым, ему легче придать необходимую форму, провести резку или сверление;
- Улучшает пластичность и ударную вязкость материала;
- Устраняет внутреннее напряжение, препятствует деформации металла;
- Термическая обработка поверхностей используется для формирования защитного покрытия, которое предотвращает негативное воздействие внешней среды на готовое изделие.
Во время нагрева и охлаждения металл претерпевает кристаллизацию, тем самым изменяется его структура. Термическая обработка создаёт равномерную и устойчивую кристаллическую решётку. Именно поэтому улучшаются механические характеристики материала и повышается его устойчивость к влиянию различных внешних факторов.
Этапы термической обработки
- Нагрев. Металл подвергается нагреву до критической температуры. Это может быть нагрев в печи, на открытом огне или с помощью электрических нагревательных приборов;
- Выдержка. После достижения нужной температуры металл поддерживается при этой температуре в течение определенного времени. В этот момент происходят структурные изменения внутри металла;
- Охлаждение. Металл охлаждается с контролируемой скоростью. Охлаждение может происходить на воздухе, в воде, в масле или в специальной охлаждающей жидкости. Скорость охлаждения влияет на структуру и свойства полученного материала;
- Контроль качества. После термообработки металла проводится контроль качества, чтобы убедиться в достижении требуемых свойств. Это может включать измерение твёрдости, проведение металлографического анализа или испытания на прочность.
Виды термической обработки
Закалка. Самый популярный вид термообработки. Сначала заготовку нагревают до высокой температуры, а потом резко погружают ее в холодное масло, в воду или в другую жидкость. Температура нагрева зависит от характеристик сплава, обычно она составляет от 800 °C.
Основная задача — увеличить твёрдость и прочность заготовки, сделать её устойчивой к износу. Закалке подвергаются практически все инструменты, пружины, лезвия, зубчатые колеса, подшипники и другие детали, которые испытывают повышенные нагрузки.
Отжиг. Во время отжига сырье нагревается и поддерживается при определённой температуре в течение времени. Затем заготовка постепенно охлаждается до комнатной температуры. Такой процесс устраняет напряжения, которые появляются в результате формовки или сварки. Также отжиг улучшает структуру металла, делает его более однородным и устраняет микротрещины.
Отжиг проводится в разных режимах: воздушный, вакуумный, с защитным газом или в среде с контролируемым составом газа. Различные режимы применяются для достижения различных требований к итоговому изделию.
Нормализация. Используется тот же принцип термообработки, что и при отжиге. Разница заключается в температуре нагрева. Обычно нормализация проводится при температуре, равной или немного превышающей критическую точку Ас3. Например, для углеродистых сталей требуется нагрев от 900 °C до 950 °C.
В процессе нормализации происходит изменение микроструктуры материала. Улучшается его твердость, прочность и пластичность. Такая обработка повышает усталостную прочность, упругость и ударную вязкость. Поэтому нормализацию используют для создания критических конструкций и компонентов, которые должны выдерживать высокие нагрузки.
Цементация. Заготовка нагревается в специальных условиях, при которых на её поверхности формируется твёрдый слой, состоящий из химически связанных атомов углерода и металла. Этот цементированный слой улучшает твёрдость поверхности и повысить устойчивость к износу.
Цементация металла проводится несколькими методами: газовым, жидкостным или плёночным. Выбор способа зависит от требований к готовой поверхности. Процесс цементации часто применяется в производстве инструментов, особенно там, где требуется высокая твёрдость и износостойкость.
Отпуск. В процессе отпуска металла используется температура ниже температуры рекристаллизации. Под действием тепла металл становится более пластичным, это приводит к уменьшению внутреннего напряжения. Затем металл постепенно охлаждается до комнатной температуры, и тем самым фиксируется новое состояние его внутреннего напряжения.
Процесс отпуска проводится различными способами: в специальных печах или в вакуумных камерах, с использованием индукционного нагрева или с применением плавного охлаждения с последующим холодным деформированием. Отпуск металла применяется для повышения прочности, твердости, устойчивости к коррозии и усталостной прочности материала. Его также применяют для улучшения обрабатываемости сырья и снятия остаточных напряжений после механической обработки.
