Обробка металу термічним способом — це зміна внутрішньої будови (структури) металу під впливом зміни температурних умов і отримання внаслідок цього необхідних механічних і фізичних властивостей металу. Величезна частина термічної обробки відбувається при критичних температурах, при яких відбувається структурна перетворення в сплавах.
Тому термічна обробка металу зводиться до трьох послідовним операціями та видами:
- нагрів металу з певною швидкістю до заданої температури;
- витримка металу протягом деякого часу при цій температурі;
- охолодження із заданою по процесу швидкістю.
Залежить від того як треба змінити властивості певного сталевого вироби і застосовують різні види термічної обробки, які відрізняються максимальною температурою нагріву, часом витримки і швидкістю охолодження. У машинобудуванні термічна обробка знайшла найширше застосування.
Термічна обробка металу, сплаву, стали
Всі властивості будь-якого сплаву залежать від його структури. Основний спосіб, який дозволяє змінювати цю структуру і є термічна обробка. Її основи розробив Чернов Д.К., а в подальшому його роботи підтримали Бочвара А.А., Курдюмова Г.В., Гуляєва А.П.
Термічна обробка металу і сплаву — це послідовність операцій таких як: нагрів, витримка і охолодження, які виконуються в певній послідовності і при певному режимі, щоб змінити внутрішню будову сплаву і отримання потрібних властивостей, при цьому хімічний склад металу не змінюється.
У чому полягає термічна обробка металу і сплаву?
- У відпалі
- загартуванню
- відпустці
- нормалізації
Відпал. Це нагрівання металу до високої температури, а потім відбувається повільне охолодження. Відпал буває різного виду — все залежить від температурного режиму нагріву і швидкості охолодження.
Загартування. Термообробка стали, сплавів, металу, яка заснована на перекристалізації сталі при нагріванні вище критичної температури. Після витримки стали при такій температурі слід дуже швидке охолодження. Така сталь буває нерівноважної структури і тому після гарту слід — відпустка.
Відпустка. Проводиться після гарту, щоб зменшити або зняти залишкову напругу в стали і сплавах, підвищити в’язкість, зменшити твердість і крихкість металу.
Нормалізація. Вона схожа на отжиг, відмінність тільки в тому, що нормалізація металу відбувається на повітрі, а отжиг — в печі.
нагрівання заготовки
Ця операція дуже відповідальна. Від її правильного проведення залежить, по-перше — якість виробу, а по-друге — продуктивність праці. Необхідно знати, що при нагріванні метал змінює структуру, властивості і все характеристики поверхневого шару. Так як при взаємодії стали або сплаву з повітрям відбувається окислення заліза і на поверхні утворюється окалина. Товщина окалини залежить від того — який хімічний склад металу, яка була температура і час його нагрівання.
Сталь починає інтенсивно окислюватися при нагріванні більше 900 градусів, потім окислюваність збільшується в два рази — при нагріванні 1000 градусів С, а при температурі 1200 градусів С — в 5 разів.
Яке буває окислення у різних сталей?
Хромонікелева сталь — її називають жаростійкої тому, що вона практично не піддається окисленню.
Легована сталь — у неї утворюється щільний, але тонкий шар окалини, який захищає від подальшого окислення і не дає розтріскуватися при куванні.
Вуглецева сталь — вона втрачає близько 2-4 мм вуглецю з поверхні при нагріванні. Це для металу дуже погано, тому що він втрачає міцність, твердість і сталь погіршується в загартуванні. А особливо дуже згубним є обезуглероживание для кування невеликих деталей з наступним загартуванням. Щоб не було тріщин на високолегованої і високовуглецевої сталі, їх треба нагрівати повільно.
Обов’язково потрібно звертатися до діаграми «залізо-вуглець», де визначено температура для початку і кінця кування. Робити це треба для того, щоб метал при нагріванні не придбавав грубозернисту структуру і не знижувалася його пластичність.
Але перегрів заготовки можна виправити методом термообробки, але для цього потрібно додаткова енергія і час. Якщо метал нагріти до ще більшої температури, то це призведе до пережогу, що дійде до того, що в металі порушиться зв’язок між зернами і він повністю зруйнується при куванні.
перевитрата
Це самий невиправний брак. При нагріванні металу або сплаву обов’язково потрібно стежити за температурою, часом і кінця нагріву. Окалина росте, якщо збільшено час нагрівання, а при швидкому або інтенсивному нагріванні можуть з’явитися тріщини.
Перевитрата сплаву відбувається внаслідок дифузії кисню на кордонах зерен, де відразу утворюються оксиди, які роз’єднують зерна при високій температурі сплаву і при цьому відразу різко падає міцність. А пластичність в цей час приходить до нуля. Цей шлюб відразу відправляється на переплавку.
Який буває термообробка металу і сплавів
Термічна обробка підрозділяється на:
- термічну;
- термомеханічну;
- хімікотерміческую
У термічну обробку входять основні види — отжиг 1-го роду, відпал 2-го роду, гарт і відпустку. Нормалізація застосовується не до всіх видів стали, все залежить від її ступеня легування.
У всіх видів термічної обробки різна температура нагріву, тривалість витримки при цій температурі і швидкість охолодження після закінчення витримки.
1-ий рід відпалу — це дифузний відпал, отжиг для зняття напружень.
2-ий рід відпалу підрозділяється на неповний, повний, ізотермічний отжиг, сфероідезацію, нормалізацію.
Загартування застосовується для того, щоб вироби були тверді, міцні і зносостійкі.
Хімікотерміческая обробка
Це така термообробка стали, яка сполучається з насиченням поверхні виробу — вуглецем, азотом, алюмінієм, кремнієм, хромом і ін., Які утворюють з залізом тверді розчини заміщення. Вони більш тривалі і енергоємні, ніж сталь насичена залізом і вуглецем, утворює з залізом тверді розчини впровадження.
Хіміко — термічна обробка при створенні на поверхні виробів сприятливих залишкових напружень стиску збільшує довговічність і надійність виробу. Також вона підвищує корозійну стійкість, твердість.
Така обробка призначена для зміни в певному шарі складу стали. До таких методів належать:
- цементація — при такому методі верхній шар стали збагачується вуглецем. При цьому виходять вироби з комбінованими властивостями — м’яка серцевина і твердий поверхневий шар;
- азотування — це збагачення поверхневого шару азотом, щоб була підвищена корозійна стійкість і втомна міцність виробу;
- борирование — це насичення поверхневих шарів сталі бором, при такому методі у вироби підвищується зносостійкість, особливо при терті і сухому ковзанні. Крім того при борировании виключається схвативаемость або зварювання деталей в холодному стані. Деталі після борирования робляться дуже стійкими до кислоті і луги;
- алитирование — це насичення стали алюмінієм. Робиться це для того, щоб надати стали стійкість до агресивних газів — сірчаного ангідриду, сірководню;
- хромування — насичення хромом поверхневого шару сталі. Хромування маловуглецевих сталей майже зовсім не впливає на їх характеристики. Хромування стали з більш високим вмістом хрому називається твердим хромуванням, так як на поверхні деталей утворюється карбід хрому, який має:
- високу твердість
- окалиностойкость
- корозійну стійкість
- підвищену зносостійкість
кріогенна обробка
Це упрочняющая термічна обробка металу і сплавів при кріогенних, дуже низьких температурах — нижче -153 градусів С. Раніше така термічна обробка називалася «обробка холодом» або «термічна обробка металу при температурі нижче нуля». Але ці назви не зовсім відображали всю суть кріогенної обробки.
Її суть полягає в наступному: оброблювані деталі поміщають в криогенний процесор, де відбувається їх повільне охолодження, а потім витримують деталі при температурі -196 градусів С певний час. Потім вони поступово повертаються знову до кімнатної температури. Коли йде цей процес, то в металі відбуваються структурні зміни. За рахунок цього підвищується зносостійкість, циклічна міцність, корозійна і ерозійна стійкості.
Основні властивості, отримані при обробці, як холодну охолодження, зберігаються на весь термін служби оброблюваної деталі і тому не вимагає повторної обробки.
Звичайно, кріогенна технологія не замінить методи термічного зміцнення, а при обробці холодом додасть матеріалу нових властивостей.
Інструменти оброблені наднизьких температур дозволяють підприємствам скоротити витрати тому, що:
- збільшується зносостійкість інструменту, деталей і механізмів;
- знижується кількість браку;
- скорочуються витрати на ремонт і заміну технологічного оснащення та інструменту.
Саме радянські вчені дозволили повноцінно оцінити ефект впливу обробки холодом на метал і сплав і поклали початок для використання цього методу.
В даний час метод кріогенної обробки виробів широко застосовується в усіх галузях промисловості.
Машинобудування і металообробка:
- збільшує ресурс обладнання та інструменту до 300%;
- збільшує зносостійкість матеріалу;
- збільшує циклічну міцність;
- збільшує корозійну і ерозійну стійкість;
- знімає залишкову напругу.
Спецтехніка і транспорт:
- збільшує ресурс гальмівних дисків на 250%;
- підвищує ефективність роботи гальмівної системи;
- збільшує циклічну міцність пружин підвіски і інших пружних елементів на 125%;
- збільшує ресурс і потужність двигуна;
- знижує витрати на експлуатацію транспортних засобів.
Оборонна промисловість:
- збільшує живучість стволів до 200%;
- зменшує вплив нагріву стовбурів на результати стрільби;
- збільшує ресурс вузлів і механізмів.
Добувна та обробна промисловість:
- збільшує стійкість породоразрушающего інструменту до 200%;
- зменшує абразивний знос вузлів і механізмів;
- збільшує корозійну і ерозійних стійкість обладнання;
- збільшує ресурс промислового і гірничодобувного обладнання.
Аудіотехніка і музичні інструменти:
- зменшує спотворення сигналу в провідниках;
- покращує музичну діяльність, ясність і прозорість звучання;
- розширює діапазон звучання музичних інструментів.
Кріогенна обробка застосовується практично у всіх галузях, де необхідно підвищити ресурс, збільшити міцність і зносостійкість, а також підняти продуктивність.
Для чого потрібна термічна обробка?
Надійність і довговічність металевих конструкцій, обладнання, трубопроводів залежить від якості виготовлення вузлів, деталей, елементів з яких вони складаються. Під час експлуатації вони піддаються статистичним, динамічним і циклічних навантажень і впливу агресивних середовищ. Їм доводиться працювати при низьких і високих температурах і знаходиться в умовах швидкого зносу.
І тому експлуатація будь-яких металовиробів безпосередньо залежить від зносостійкості, міцності, термо- і корозійної стійкості елементів з яких вони складаються.
Для того щоб підвищити всі ці характеристики необхідно правильно підібрати матеріал для деталей, удосконалити їх конструкцію, усунути неточності зборки, поліпшити методи гарячої та холодної обробки.
Таким високим вимогам рідко відповідають матеріали в стані поставки. Основна частина доставляються конструкційних елементів потребує стабілізації експлуатаційних властивостей, щоб вони не змінювалися з плином часу. І щоб підвищити механічні та фізико-хімічні властивості металевих матеріалів, застосовують термічну обробку. Це послідовність операцій нагріву, витримки та охолодження металів і сплавів.
Її проводять для зміни структури і властивостей металів і сплавів в напрямку, який було задано. Термообробка застосовується для зміни структури фазового складу і перерозподілу компонентів, розміру і форми кристалічних зерен, видів дефектів, їх кількості і розподілу. І це все дозволяє досить легко отримати необхідну властивість матеріалу.
Обов’язково треба пам’ятати, що властивості металу і сплавів залежить не тільки від не тільки від структури, а й від хімічного складу, який утворюється під час металургійного і ливарного процесу.
Завданням термічної обробки є ліквідація внутрішнього напруження в металі і металі, поліпшення механічних і експлуатаційних властивостей і інше.
Термічній обробці піддається сталь, чавун, сплав на основі кольорових металів.
Потрібно знати, що матеріалами з одним хімічним складом при проведенні різних режимів термообробки можна отримати кілька абсолютно різних структур, які будуть володіти абсолютно різними властивостями. При поліпшенні механічних властивостей за допомогою термічної обробки можна використовувати сплави більш простого складу. Допустимі напруги, зменшення маси деталей і механізмів, підвищення їх надійності та довговічності також можна досягти за допомогою термічної обробки.
При малих витратах на термообробку результат її може значно впливати на трудомісткість і вартість робіт на суміжних ділянках виробництва. Багато виробників не проводять термічну обробку виробів, тим самим скорочують весь технологічний процес при виготовленні виробів. Іноді це виправдано, а іноді — ні.
Завжди потрібно не тільки ретельно продумувати весь процес об’ємної і місцевої термообробки, але і строго дотримуватися їх режими, щоб домогтися оптимальних структур і високого рівня фізико-механічних і експлуатаційних властивостей у виробах для забезпечення їх надійної та тривалої роботи.