Что такое термическая обработка металлов? Методы и преимущества
Термическая обработка — это процесс нагрева и охлаждения металлов с использованием определенных заранее выбранных методов для получения желаемых свойств. Как черные, так и цветные металлы проходят термическую обработку перед их применением.
Со временем было разработано множество различных методов. Даже сегодня металлурги постоянно работают над улучшением результатов и рентабельности этих процессов.
Для этого они разрабатывают новые графики или циклы для производства различных сортов. Каждый график относится к разной скорости нагрева, выдержки и охлаждения металла.
При тщательном соблюдении этих методов можно производить металлы различных стандартов с удивительно конкретными физическими и химическими свойствами.
Польза
Причины проведения термообработки могут быть разными. Некоторые процедуры делают металл мягким, а другие повышают твердость . Они также могут влиять на электрическую и теплопроводность этих материалов.
Некоторые методы термообработки снимают напряжения, возникшие в более ранних процессах холодной обработки. Другие придают металлам желаемые химические свойства. Выбор идеального метода зависит от типа металла и требуемых свойств.
В некоторых случаях металлическая деталь может пройти несколько процедур термической обработки. Например, некоторые суперсплавы, используемые в авиастроении, могут пройти до шести различных этапов термообработки, чтобы оптимизировать их для применения.
Этапы процесса термообработки
Проще говоря, термическая обработка — это процесс нагрева металла, выдержки его при этой температуре и последующего охлаждения. В процессе обработки металлическая деталь претерпевает изменения своих механических свойств. Это связано с тем, что высокая температура изменяет микроструктуру металла, которая играет важную роль в механических свойствах материала.
Конечный результат зависит от множества различных факторов. К ним относятся время нагрева, время выдержки металлической детали при определенной температуре, скорость охлаждения, окружающие условия и т. д. Параметры зависят от метода термообработки, типа металла и размера детали.
В ходе этих процессов свойства металла изменятся. Среди этих свойств — электрическое сопротивление, магнетизм, твердость, вязкость, пластичность, хрупкость и коррозионная стойкость.
Нагрев
Детали реактивного двигателя, направляемые в печь
Как мы уже обсуждали, микроструктура сплавов будет изменяться в процессе термообработки. Нагрев осуществляется в соответствии с заданным термическим профилем.
При нагревании сплав может находиться в одном из трех различных состояний. Это может быть механическая смесь, твердый раствор или их комбинация.
Механическая смесь аналогична бетонной смеси, в которой цемент связывает песок и гравий. Песок и гравий все еще видны как отдельные частицы. В случае металлических сплавов механическая смесь удерживается основным металлом.
С другой стороны, в твердом растворе все компоненты смешиваются гомогенно. Это означает, что их невозможно идентифицировать индивидуально даже под микроскопом.
Каждое состояние приносит с собой разные качества. По фазовой диаграмме возможно изменение состояния путем нагрева. Однако охлаждение определяет конечный результат. Сплав может оказаться в одном из трех состояний, в зависимости только от метода.
Выдержка
Во время выдержки металл выдерживается при достигнутой температуре. Продолжительность зависит от требований.
Например, поверхностное упрочнение требует только структурных изменений поверхности металла, чтобы повысить твердость поверхности. В то же время для других методов требуются единые свойства. В этом случае период выдержки больше.
Время выдержки также зависит от типа материала и размера детали. Более крупным деталям требуется больше времени, когда целью являются однородные свойства. Это происходит из-за того, что сердцевине большой части требуется больше времени, чтобы достичь необходимой температуры.
Охлаждение
После завершения этапа выдержки металл необходимо охладить в установленном порядке. На этом этапе тоже происходят структурные изменения. Твердый раствор при охлаждении может оставаться неизменным, полностью или частично превращаться в механическую смесь, в зависимости от различных факторов.
Скорость охлаждения регулируется различными средами, такими как солевой раствор, вода, масло или воздух. Вышеупомянутая последовательность охлаждающих сред находится в порядке убывания эффективной скорости охлаждения. Солевой раствор быстрее всего поглощает тепло, а воздух — медленнее всего.
Также возможно использование печи в процессе охлаждения. Контролируемая среда обеспечивает высокую точность, когда необходимо медленное охлаждение.
Фазовые диаграммы
У каждого металлического сплава своя фазовая диаграмма. Как уже было сказано ранее, термическая обработка проводится по этим схемам. Они показывают структурные изменения, происходящие при разных температурах и различном химическом составе.
Давайте возьмем фазовую диаграмму железо-углерод в качестве примера, так как она наиболее известна и широко преподается в университетах.
Фазовая диаграмма железо-углерод является важным инструментом при изучении поведения различных углеродистых сталей при термообработке. Ось x показывает содержание углерода в сплаве, а ось y — температуру.
Обратите внимание, что 2,14% углерода — это предел, при котором сталь становится чугуном.
На диаграмме показаны различные области, где металл существует в различных микросостояниях, таких как аустенит, цементит, перлит. Эти области обозначены границами A1, A2, A3 и Acm. На этих границах происходят фазовые изменения, когда через них проходит температура или значение содержания углерода.
A1: Верхняя граница фазы цементит/феррит.
A2: предел, при котором железо теряет свой магнетизм. Температура, при которой металл теряет свой магнетизм, также называется температурой Кюри.
A3: Граница раздела, отделяющая фазу аустенит + феррит от фазы γ (гамма) аустенита.
Acm: Граница раздела, отделяющая аустенит γ от аустенита + цементита.
Фазовая диаграмма является важным инструментом, позволяющим определить, будет ли термообработка полезной или нет. Каждая структура привносит определенные качества в конечный продукт, и выбор термообработки делается на основе этого.
Распространенные методы термической обработки
Существует довольно много методов термической обработки. Каждый из них обладает определенными качествами.
К наиболее распространенным методам термообработки относятся:
- Отжиг;
- Нормализация;
- Закаливание;
- Старение;
- Снятие напряжения;
- Темперирование;
- Цементация.
Отжиг
При отжиге металл нагревается выше верхней критической температуры, а затем охлаждается с медленной скоростью.
Отжиг проводится для размягчения металла. Это делает металл более пригодным для холодной обработки и формовки. Он также повышает обрабатываемость, пластичность и вязкость металла.
Отжиг также полезен для снятия напряжений в детали, вызванных предшествующими процессами холодной обработки. Присутствующие пластические деформации устраняются во время рекристаллизации, когда температура металла пересекает верхнюю критическую температуру.
Металлы могут подвергаться множеству методов отжига, таких как рекристаллизационный отжиг, полный отжиг, частичный отжиг и окончательный отжиг.
Нормализация
Нормализация — это процесс термообработки, используемый для снятия внутренних напряжений, вызванных такими процессами, как сварка, литье или закалка.
В этом процессе металл нагревается до температуры, которая на 40° C выше его верхней критической температуры.
Эта температура выше, чем при закалке или отжиге. После выдержки при этой температуре в течение определенного периода времени его охлаждают на воздухе. Нормализация создает однородный размер зерна и состав по всей детали.
Нормализованная сталь тверже и прочнее отожженной стали. Фактически, в нормализованном виде сталь прочнее, чем в любом другом состоянии. Вот почему детали, которые требуют ударной вязкости или должны выдерживать большие внешние нагрузки, почти всегда будут нормализованы.
Закалка
Самый распространенный процесс термообработки — закалка — используется для увеличения твердости металла. В некоторых случаях затвердеть может только поверхность.
Заготовку закаляют, нагревая ее до заданной температуры, а затем быстро охлаждают, погружая в охлаждающую среду. Можно использовать масло, солевой раствор или воду. Полученная деталь будет иметь повышенную твердость и прочность, но одновременно возрастет и хрупкость.
Цементное упрочнение — это тип процесса упрочнения, при котором упрочняется только внешний слой заготовки. Используемый процесс такой же, но поскольку тонкий внешний слой подвергается процессу, полученная в результате заготовка имеет твердый внешний слой, но более мягкую сердцевину.
Это обычное дело для валов. Твердый внешний слой защищает его от износа материала . В противном случае при установке подшипника на вал он может повредить поверхность и сместить некоторые частицы, которые ускорят процесс износа. Закаленная поверхность обеспечивает защиту от этого, а сердечник по-прежнему обладает необходимыми свойствами, чтобы выдерживать усталостные напряжения.
Другие типы процессов закалки включают индукционную закалку, дифференциальную закалку и закалку пламенем. Однако закалка пламенем может привести к образованию зоны термического влияния, которая возникает после охлаждения детали.
Старение
График старения алюминия 6061
Старение или дисперсионное твердение — это метод термообработки, который в основном используется для повышения предела текучести ковких металлов. В ходе процесса образуются равномерно диспергированные частицы в структуре зерна металла, которые вызывают изменения в свойствах.
Осадочное твердение обычно происходит после еще одного процесса термообработки, при котором достигается более высокая температура. Однако старение только повышает температуру до среднего уровня и снова быстро снижает ее.
Некоторые материалы могут стареть естественным образом (при комнатной температуре), в то время как другие стареют только искусственно, то есть при повышенных температурах. Для естественно стареющих материалов может быть удобно хранить их при более низких температурах.
Снятие напряжения
Снятие напряжения особенно часто используется для деталей котлов, баллонов с воздухом, аккумуляторов и т. д. При этом методе нагревают металл до температуры чуть ниже его нижней критической границы. Процесс охлаждения медленный и, следовательно, равномерный.
Это делается для снятия напряжений, которые возникли в деталях из-за более ранних процессов, таких как формовка, механическая обработка, прокатка или правка.
Отпуск
Отпуск — это процесс уменьшения избыточной твердости и, следовательно, хрупкости, возникающей в процессе закалки. Также снимаются внутренние напряжения. Прохождение этого процесса может сделать металл пригодным для многих применений, в которых требуются такие свойства.
Температура обычно намного ниже температуры затвердевания. Чем выше используемая температура, тем мягче становится конечная заготовка. Скорость охлаждения не влияет на структуру металла во время отпуска, и обычно металл охлаждается на неподвижном воздухе.
Цементация стали
В этом процессе термообработки металл нагревается в присутствии другого материала, который выделяет углерод при разложении.
Освободившийся углерод поглощается поверхностью металла. Содержание углерода на поверхности увеличивается, что делает ее более твердой, чем внутреннее ядро.
Какие металлы подходят для термической обработки?
Хотя черные металлы составляют большинство термообработанных материалов, сплавы меди, магния, алюминия, никеля, латуни и титана также могут подвергаться термообработке.
Около 80% термически обрабатываемых металлов — это разные марки стали. Черные металлы, которые можно подвергать термической обработке, включают чугун, нержавеющую сталь и различные марки инструментальной стали.
Такие процессы, как закалка, отжиг, нормализация, снятие напряжений, цементирование, азотирование и отпуск, обычно выполняются на черных металлах.
Медь и медные сплавы подвергаются таким методам термической обработки, как отжиг, старение и закалка.
Алюминий подходит для таких методов термообработки, как отжиг, термообработка на твердый раствор, естественное и искусственное старение. Термическая обработка алюминия — это точный процесс. Объем процесса должен быть установлен, и его следует тщательно контролировать на каждом этапе для достижения желаемых характеристик.
Очевидно, не все материалы подходят для термической обработки. Точно так же не обязательно использовать каждый метод для отдельного материала. Поэтому каждый материал нужно изучать отдельно, чтобы добиться желаемого результата. Использование фазовых диаграмм и доступной информации о влиянии вышеупомянутых методов является отправной точкой.
Если вам понравилась статья, то ставьте лайк, делитесь ею со своими друзьями и оставляйте комментарии!
Обзор термообработки деталей. Способы, основные сведения по параметрам
Основной задачей термообработки деталей, болтов, гаек, винтов, шайб и других видов крепежных изделий является изменение механических свойств металла в таком направлении, чтобы они полностью соответствовали заданным в документации требованиям.
Термообработкой называется технологический процесс, при котором детали подвергают тепловой (термической) обработке, результатом которой является изменение структуры и свойств металла в нужном направлении. Все виды термообработки деталей включают в свой состав три последовательно выполняемые операции:
- Нагрев деталей до определенной температуры.
- Выдержка их в течение определенного времени в условиях заданной температуры.
- Охлаждение с определенной скоростью от температуры термообработки до нормальной.
То есть всем процессом термической обработки фактически управляют два основных элемента – температура и время. Регулируя их параметры, можно выполнять такие виды термообработки деталей, как отжиг, нормализация, закалка и отпуск.
Нагрев деталей при термической обработке производят в воздушной среде, в масле (индустриальное, цилиндровое), в соляных (поваренная соль, сильвинит) и щелочных (KNO3, NaNO3 и NaNO2) растворах, а также в синтетических шлаках (АН-ШТ1, АН-ШТ2). Для подвергаемых процессу термообработки деталей из углеродистых и легированных сталей с острыми кромками и резкими переходами, а также при повторном нагреве изделий из закаленной стали чаще всего требуется их предварительный нагрев.
При термообработке деталей необходимо точно знать параметры температур, при которых в металле начинают происходить те или иные превращения, т. е. параметры критических температур термообработки. Критические температуры у деталей из углеродистой стали, определяемые при их нагреве и охлаждении, совпадают не всегда. Поэтому в документации всегда отмечают режим, при котором они получены.
Please enable JavaScript to view the comments powered by Disqus.comments powered by Disqus
Внимание! Данный интернет-сайт носит исключительно информационный характер и, ни при каких условиях, не является
публичной офертой, определяемой положениями Статьи 437 (2) ГК РФ
© Компания Машкрепёж — основной поставщик крепежа в России, 1998-2019
Термообработка: что это такое и как это работает
Что такое термообработка?
Хотя большинство людей не знают, что такое термическая обработка, на самом деле это неотъемлемая часть производственного процесса. Это связано с тем, что термообработка позволяет улучшить металлическую деталь, чтобы материал лучше противостоял износу. Термическая обработка включает в себя нагрев металла или сплава до определенной температуры и последующее охлаждение для затвердевания материала.
Термическая обработка может использоваться на различных этапах производственного процесса для изменения определенных свойств этого металла или сплава. Например, вы можете использовать термообработку, чтобы сделать его прочнее, тверже, долговечнее или пластичнее, в зависимости от того, что нужно материалу для правильной работы.
Некоторые известные отрасли, в которых термическая обработка играет важную роль, включают самолетостроение, автомобили, скобяные изделия, такие как пилы и топоры, компьютеры, космические корабли, военную и нефтегазовую промышленность.
Как работает термообработка?
Для достижения желаемого эффекта металл или сплав нагревают до определенной температуры, иногда до 2400°F, выдерживают при этой температуре в течение определенного времени, а затем охлаждают. Пока он горячий, физическая структура металла, также называемая микроструктурой, изменяется, что в конечном итоге приводит к изменению его физических свойств. Время, в течение которого металл нагревается, называется «время выдержки». Продолжительность выдержки играет важную роль в характеристиках металла, так как в металле, выдержанном в течение длительного времени, будут наблюдаться другие изменения микроструктуры, чем в пропитанном металле. на более короткий период времени.
Процесс охлаждения после выдержки также влияет на качество металла. Металл можно охлаждать быстро, что называется закалкой, или медленно в печи, чтобы добиться желаемого результата. Сочетание температуры выдержки, времени выдержки, температуры охлаждения и продолжительности охлаждения играет роль в создании желаемых свойств металла или сплава.
Термическая обработка металла во время производственного процесса также определяет, какие свойства изменяются, а некоторые металлы могут даже подвергаться многократной обработке.
Знать, при каких температурах нагревать и охлаждать металлы, а также сколько времени должен занимать каждый этап процесса для конкретного металла или сплава, чрезвычайно сложно. По этой причине ученые-материаловеды, известные как металлурги, изучают воздействие тепла на металл и сплавы и предоставляют точную информацию о том, как правильно выполнять эти процессы. Производители полагаются на эту информацию, чтобы гарантировать, что их металлические детали будут иметь правильные свойства в конце процесса.
Некоторые распространенные формы термической обработки включают:
- Закалка : Когда металл затвердевает, он нагревается до точки, при которой элементы в материале превращаются в раствор. Дефекты конструкции затем трансформируются путем создания надежного раствора и упрочнения металла. Это увеличивает твердость металла или сплава, делая его менее пластичным.
- Отжиг : Этот процесс используется для таких металлов, как медь, алюминий, серебро, сталь и латунь.
Эти материалы нагревают до определенной температуры, выдерживают при этой температуре до тех пор, пока не произойдет превращение, а затем медленно высушивают на воздухе. Этот процесс размягчает металл, делая его более пригодным для обработки и с меньшей вероятностью разрушения или растрескивания.
- Закалка : Некоторые материалы, такие как сплавы на основе железа, очень твердые, что делает их хрупкими. Закалка может уменьшить хрупкость и укрепить металл. В процессе отпуска металл нагревают до температуры ниже критической, чтобы уменьшить хрупкость и сохранить твердость.
- Закалка : Наружная часть материала затвердевает, а внутренняя остается мягкой. Поскольку отверждение может привести к хрупкости материалов, поверхностное упрочнение используется для материалов, которым требуется гибкость при сохранении прочного слоя износа.
- Нормализация : Подобно отжигу, этот процесс делает сталь более прочной и пластичной за счет нагревания материала до критических температур и поддержания его при этой температуре до тех пор, пока не произойдет преобразование.
Почему термообработка важна?
Без термической обработки металла, особенно стали, металлические детали для всего, от самолетов до компьютеров, не будут функционировать должным образом или вообще не будут существовать. В частности, детали из цветных металлов будут намного слабее. Алюминиевые и титановые сплавы, а также бронза и латунь упрочняются путем термообработки. Многие из этих металлов используются в производстве автомобилей, самолетов и других изделий, в которых прочные металлы зависят не только от производительности, но и от безопасности.
Поскольку термически обработанные металлы часто прочнее, чем нетермообработанные, предварительная обработка металлических деталей предотвращает коррозию, что не приведет к замене дорогостоящих металлических деталей позже или так же часто. Это заставляет машины работать дешевле и эффективнее и предотвращает проблемы.
Решения от General Kinematics
General Kinematics предлагает оптимальное оборудование для улучшения и повышения производительности процесса термообработки и других производственных процессов. При работе с термообработкой металлов существуют различные этапы. General Kinematics предоставляет оборудование, предназначенное для облегчения этого процесса и повышения производительности производства.
Конвейеры
Общая кинематика Вибрационный спиральный подъемник SPIRA-FLOW™ идеально подходит для термообработки, требующей длинного пути транспортировки, но он сжимает его в спиралевидную форму, чтобы занимать меньше места. Spiral-Flow отлично подходит для производственных предприятий, которые ограничены в пространстве или хотят оптимизировать использование пространства.
Компания General Kinematics предлагает широкий ассортимент дополнительных конвейеров для различных целей термообработки. Независимо от того, хотите ли вы переместить свои материалы из точки А в точку Б, нагреть, охладить и т. д., у GK есть оборудование, необходимое для повышения вашей вычислительной мощности.
Питатели
Подача материала в желаемый процесс термообработки идеально выполняется с помощью промышленных питателей. Двухмассовые вибрационные питатели General Kinematics предназначены для работы в самых суровых условиях и с самыми высокими требованиями. Они оборудованы для работы с самыми сложными материалами, чтобы обеспечить бесперебойную работу вашего технологического процесса. Питатели GK разрабатываются по индивидуальному заказу и требуют минимального обслуживания, что означает меньшее время простоя и большую производительность.
General Kinematics предлагает разнообразное высокопроизводительное промышленное оборудование, предназначенное для различных отраслей промышленности. Узнайте, что еще может предложить компания General Kinematics и как наше лучшее в отрасли оборудование может помочь вашей организации.
Корпорация General Kinematics, зарегистрированная в 1960 году, была создана для продажи, проектирования и изготовления на заказ инновационного вибрационного оборудования для обработки и обработки материалов. Сегодня компания является одним из крупнейших в мире поставщиков вибрационного технологического оборудования, имея более 200 мировых патентов, и вносит значительный вклад в разработку вибрационного оборудования и технические усовершенствования в области его применения. General Kinematics обслуживает клиентскую базу по всему миру через сеть независимых торговых представителей, специализирующихся на инженерных разработках, которые охватывают основные промышленные рынки США. Международные рынки обслуживаются дочерними предприятиями и через комбинацию представителей, лицензированных производителей и стратегических альянсов с ведущими отраслевыми организациями в других стратегически важных местах. На сегодняшний день практически во всех промышленно развитых странах мира установлено более 50 000 единиц техники General Kinematics. По мере появления новых задач в области процессов и повышения эффективности компания General Kinematics способна решать эти задачи с помощью передовых технологий, инновационного проектирования, новых материалов и производственных технологий. Все это направлено на повышение производительности и прибыльности клиентов при соблюдении все более строгих требований.
Термическая обработка прецизионных токарных деталей
перейти к содержаниюПредыдущий
- Посмотреть увеличенное изображение
Термическая обработка прецизионно обработанного компонента представляет собой контролируемый процесс нагрева и охлаждения, который изменяет физические свойства металла для достижения конкретных требований. Во многих случаях термическая обработка используется для повышения прочности, твердости и износостойкости. Однако, в зависимости от материала и используемого процесса, его также можно использовать для снятия внутреннего напряжения, улучшения обрабатываемости, улучшения электрических или магнитных свойств или повышения пластичности и мягкости.
Процесс термообработки включает 3 основных этапа:
- Нагрев: металл нагревается до определенной температуры, при которой изменяются структурные свойства.
- Замачивание: металл выдерживается при указанной температуре до тех пор, пока вся деталь не будет равномерно нагрета.
- Охлаждение: металл охлаждается до комнатной температуры с заданной скоростью.
Термическая обработка используется в основном для сталей и стальных сплавов, но также может применяться для некоторых марок алюминия. Pioneer Service имеет опыт механической обработки и термической обработки широкого спектра стальных сплавов и материалов из углеродистой стали для удовлетворения требований проекта.
Существует 4 основных типа термической обработки стали:
- Закалка: как следует из названия, этот процесс используется для упрочнения материала и придания ему большей прочности. Однако при этом процессе пластичность материала также снижается (т.е. он становится более хрупким) и, в зависимости от области применения, возникает необходимость в отпуске после закалки.
Для деталей, требующих закалки, материал медленно нагревают до высокой температуры, выдерживают при определенной температуре в течение определенного времени, а затем быстро охлаждают, погружая в воду или масло. Это быстрое охлаждение в жидкости называется закалкой.
Для углеродистой стали сталь должна быть охлаждена до температуры ниже 1000 градусов по Фаренгейту менее чем за 1 секунду. Для легированных сталей скорость охлаждения уменьшится.
- Отпуск: Закалка материала увеличивает внутренние напряжения, а отпуск снимает эти напряжения. Материал будет проходить через аналогичный трехэтапный процесс при отверждении, хотя это делается при более низких температурах.
Процесс охлаждения для закалки почти всегда осуществляется на воздухе, а не в жидкости.
- Отжиг: отжиг часто используется для повышения пластичности материалов (уменьшает вероятность растрескивания металла), для снятия напряжения или смягчения металла. Это обычно считается противоположностью закалке. В этом процессе металл очень медленно нагревают до определенной температуры, выдерживают там определенное время (вымачивание), а затем медленно охлаждают на воздухе — обычно оставляя детали в печи, пока они нормально остывают. Для низкоуглеродистых сталей температура отжига высока, и по мере увеличения уровня углерода температура отжига будет снижаться.
- Нормализация: этот процесс используется для снятия внутренних напряжений, возникших во время обработки. Для нормализации детали будут выниматься из печи для воздушного охлаждения после стадии нагрева и выдержки. Удаление из печи приведет к более быстрому охлаждению деталей, хотя масса деталей повлияет на эту скорость (более мелкие и тонкие детали будут остывать быстрее, чем более крупные и толстые).
Нормализованная сталь прочнее отожженной.
Несмотря на то, что существует множество свойств металлов, которые можно улучшить с помощью термической обработки, этот процесс может оказать неблагоприятное воздействие на поверхность детали.
- Окалина на поверхности детали – влияет на чистоту поверхности
- Деформация детали – некоторые длинные тонкие детали будут изгибаться или деформироваться в процессе термообработки
- Окрашивание детали – в процессе термообработки материал затемняется, и он больше не будет блестеть, как после механической обработки.
Детали могут быть выпрямлены после термической обработки для устранения деформации, а также обычно возможна шлифовка для достижения требуемой постоянной чистоты поверхности. Однако вернуть цвет детали к тому состоянию, в котором он был до термической обработки, удается редко. Вот тот же компонент после термообработки и шлифовки:
Компания Pioneer Service производит широкий спектр точеных стальных деталей на заказ для клиентов в медицинской, аэрокосмической, нефтегазовой, газоно-садовой, электротранспортной и многих других отраслях.