Наука и производство

Термическая обработка металлов

Обработка материалов вручную так же стара, как и цивилизация; механизация началась с промышленной революции 18 века, а в начале 19 века были разработаны базовые машины для формовки и резки, в основном в Англии. С тех пор методы, технологии и оборудование для обработки материалов стали разнообразными и многочисленными. Рассмотрим для чего необходима и как происходит термическая обработка металлов.

Термическая обработка металлов и сплавов

Термическая обработка металлов– это любая из ряда контролируемых операций нагрева и охлаждения, используемых для достижения желаемого изменения физических свойств металла. Суть термической обработки металлов – улучшение структурных и физических свойств для какого-либо конкретного использования или для дальнейшей работы с металлом. По способу изготовления термической обработки различают следующие виды:

  • Термическая,
  • Термомеханическая обработка подразумевает высокие температуры в сочетании с механическим воздействием на сплав,
  • Химико-термическая обработка металлов.

Основы термической обработки металлов можно разделить на пять пунктов:

  • отжиг,
  • закалка,
  • отпуск,
  • нормализация,
  • упрочнение.

Каждый из этих процессов приводит к различным результатам в металле, все они включают три основных этапа: нагрев, выдержка и охлаждение.

Отжиг

Отжиг является первым шагом в процессе термообработки. Многие сплавы меняют структуру при нагревании до определенных температур. Структура сплава при комнатной температуре может быть либо механической смесью, либо твердым раствором, либо комбинацией твердого раствора и механической смеси. Механическую смесь можно сравнить с бетоном. Как песок и гравий видны и удерживаются цементом на месте, так и элементы и соединения в механической смеси хорошо видны и удерживаются вместе матрицей из основного металла. Твердый раствор – это когда два или более металлов абсорбируются один в другой и образуют раствор. Когда сплав находится в форме твердого раствора, элементы и соединения, образующие металл, впитываются друг в друга почти так же, как соль растворяется в стакане воды. Отдельные элементы, образующие металл, невозможно идентифицировать даже под микроскопом. Металл в форме механической смеси при комнатной температуре часто переходит в твердый раствор или частичный раствор при нагревании. Изменение химического состава приводит к определенным предсказуемым изменениям размера и структуры зерна.

Закалка

После отжига детали, второй шаг должен её охладить. Здесь снова структура может меняться от одного химического состава к другому, она может оставаться неизменной или может возвращаться к своей первоначальной форме. Металл, который представляет собой твердый раствор после нагревания, может оставаться тем же самым во время охлаждения, изменяться на механическую смесь или изменяться на комбинацию двух, в зависимости от типа металла и скорости охлаждения. Все эти изменения предсказуемы. Можно сделать так, чтобы металлы соответствовали определенным структурам. Увеличения твердости,вязкости, пластичности, предела прочности на разрыв и так далее.

Отпуск

Сильные внутренние напряжения создаются во время быстрого охлаждения металла. После закалки металл отпускается, чтобы снять внутренние напряжения и уменьшить его хрупкость. Закалка состоит из нагревания металла до определенной температуры и последующего охлаждения металла. Скорость охлаждения обычно не влияет на структуру металла при отпуске. Поэтому металлу обычно дают остыть в неподвижном воздухе. Температуры, используемые для отпуска, обычно намного ниже, чем температуры закалки. Чем выше используемая температура отпуска, тем мягче становится металл.

Нормализация

Черные металлы нормализуются для снятия внутренних напряжений, возникающих при механической обработке, ковке или сварке. Нормализованные стали тяжелее и прочнее, чем отожженные стали. Сталь в жестких условиях намного жестче, чем в любых других условиях. Детали, которые будут подвергаться ударам, и детали, требующие максимальной прочности и устойчивости к внешним воздействиям, обычно нормализуются. Нормализация до закалки полезна для получения желаемой твердости при условии, что операция закалки выполнена правильно. Низкоуглеродистые стали обычно не требуют нормализации, но если эти стали нормализуются, вредные эффекты не возникают.

Упрочнение

Упрочнение корпуса является идеальной термической обработкой для деталей, которые требуют износостойкой поверхности и прочного сердечника, таких как шестерни, кулачки, гильзы цилиндров и т. д. наиболее распространенными процессами закалки являются цементация и азотирование. Во время процесса упрочнения корпуса низкоуглеродистую сталь (прямую углеродистую сталь или низкоуглеродистую легированную сталь) нагревают до определенной температуры в присутствии материала (твердого, жидкого или газообразного), который разлагается и осаждает больше углерода в поверхность стали. Затем, когда деталь быстро охлаждается, внешняя поверхность или корпус становятся твердыми, оставляя внутреннюю часть детали мягкой, но очень жесткой.

Химико-термическая обработка металлов

С помощью химико-термической обработки изменяются свойства металлов. Обработка сочетает в себе тепловое и химическое воздействие. Конечной целью этой процедуры является не только повышение прочности, твердости, износостойкости изделия, но и детализация кислотостойкости и огнестойкости.

Способы химико-термической обработки.

  • Цементирование, осуществляется для придания поверхности дополнительной прочности. Процедура включает насыщение металла углеродом. Цементирование может быть осуществлено двумя способами: твердое и газовое цементирование. В первом случае обрабатываемый материал вместе с углем и его активатором помещается в печь и нагревается до определенной температуры, после чего происходит его старение в окружающей среде и охлаждение. В случае газового науглероживания продукт нагревается в печи до 900 под непрерывным потоком углекислого газа.
  • Азотирование – химико-термическая обработка металлических изделий путем насыщения их поверхностей в азотной среде. Результатом этой процедуры является увеличение прочности детали на растяжение и повышение ее коррозионной стойкости.
  • Цианид – насыщение металла и одновременно азота и углерода. Среда может быть жидкой (расплавленный углерод – и азотсодержащие соли) и газообразной.
  • Диффузионная металлизация – современный метод изготовления металлических изделий, термостойкость, кислотостойкость и стойкость к истиранию. Поверхность таких сплавов насыщена различными металлами (алюминий, хром) и металлоидами (кремний, бор).

Термическая обработка цветных металлов

Цветные металлы отличаются по своим свойствам, соответственно нуждаются в разной обработке. Азотирование было и остается основной термохимической обработкой, которая наряду с ферритным нитроуглеродированием представляет собой доминирующий объем промышленных технологий модификации поверхности.

Этот процесс происходит в контролируемых условиях, так что полученная зернистая структура будет давать большую прочность на разрыв в металле, чем в его первоначальном состоянии. В зависимости от сплава этот процесс осаждения может также состоять из простого старения сплава при комнатной температуре в течение определенного времени и последующего его воздушного охлаждения; это называется искусственным старением.

Термическая обработка остается главным методом обработки металла

На данный момент, термическая обработка металлов и сплавов является основным технологическим процессом, как в черной, так и в цветной металлургии. Современные технологии имеют множество методов термической обработки, позволяющих достичь желаемых свойств каждого из обрабатываемых сплавов. Для каждого металла, характеризующегося собственной критической температурой, это означает, что термическая обработка должна основываться на структурных и физико-химических характеристиках вещества. В конечном итоге, это позволит не только достичь желаемых результатов, но и в значительной степени рационализировать производственные процессы.

Вы можете обсудить эту статью на нашем форуме, достаточно нажать на кнопку ниже.

Метки
Обсудить статью на форуме

Related Articles

Back to top button
Close