Термическая обработка металлов и сплавов¶

Термическая обработка металлов и сплавов — совокупность технологических процессов нагрева, выдержки и охлаждения металлических изделий с целью направленного изменения их структуры и, как следствие, механических и физико-химических свойств. Является одним из основных способов управления прочностью, твёрдостью, пластичностью и износостойкостью металлопродукции без изменения её химического состава. Применяется в металлургии, машиностроении, инструментальном производстве.

¶Физическая основа

Свойства сплавов определяются их кристаллической структурой — типом фаз, их составом, размером и взаимным расположением зёрен. При нагреве до определённых температур в металле протекают фазовые превращения, растворение и выделение вторичных фаз, рост или измельчение зерна. Последующее охлаждение с той или иной скоростью фиксирует новое состояние. Ключевые параметры любого процесса — температура нагрева, время выдержки и скорость охлаждения.

¶Основные виды

¶Отжиг

Нагрев до заданной температуры, выдержка и медленное охлаждение (обычно вместе с печью). Цели — снятие внутренних напряжений, снижение твёрдости, улучшение обрабатываемости резанием, выравнивание структуры, измельчение зерна. Разновидности: рекристаллизационный, диффузионный (гомогенизация), сфероидизирующий, изотермический.

¶Нормализация

Нагрев выше критических точек и охлаждение на воздухе. Даёт более мелкое и однородное зерно, чем отжиг, применяется для устранения дефектов структуры после литья и ковки.

¶Закалка

Нагрев до температур аустенитизации и быстрое охлаждение (вода, масло, полимерные среды, воздух) для получения неравновесных структур — мартенсита, бейнита. Резко повышает твёрдость и прочность, но снижает пластичность и вязкость, порождая внутренние напряжения.

¶Отпуск

Нагрев закалённой стали ниже критических температур с последующим охлаждением. Снимает напряжения и корректирует свойства. Различают низкий (150–250 °C), средний (350–500 °C) и высокий (500–680 °C) отпуск. Сочетание «закалка + высокий отпуск» называют улучшением.

¶Химико-термическая обработка

Диффузионное насыщение поверхностного слоя элементами: цементация (углерод), азотирование (азот), нитроцементация, борирование, хромирование. Повышает твёрдость, износостойкость и коррозионную стойкость поверхности при вязкой сердцевине.

¶Поверхностная закалка

Нагрев поверхностного слоя токами высокой частоты, лазером, плазмой или газовым пламенем с быстрым охлаждением. Сердцевина сохраняет вязкость.

¶Оборудование и среды

Используются камерные, шахтные, методические, вакуумные печи, установки ТВЧ, соляные ванны. Охлаждающие среды — вода, минеральные масла, водополимерные растворы, расплавы солей, инертные газы. Вакуумная и контролируемая атмосфера предотвращают окисление и обезуглероживание.

¶Применение

Термообработке подвергают инструментальные и конструкционные стали, чугуны, алюминиевые, титановые, медные и никелевые сплавы. Типовые изделия — режущий и штамповый инструмент, подшипники, зубчатые колёса, пружины, крепёж, валы. Для алюминиевых сплавов применяют закалку и искусственное старение, для титановых — отжиг и упрочняющую обработку.

¶Контроль качества

Режимы задаются по диаграммам состояния и термокинетическим диаграммам распада переохлаждённого аустенита. Свойства проверяют измерением твёрдости (Бринелль, Роквелл, Виккерс), металлографическим анализом микроструктуры, испытаниями на растяжение и ударную вязкость. Отклонения ведут к перегреву, пережогу, неполной закалке, трещинам и деформациям.