Технологии термической обработки стали

Обработка стали под температурным воздействием необходима для изменения структуры материала и улучшения его физико-химических свойств.

Разные виды обработки отличаются:

• временем нагревания (скоростью);
• температурой нагрева;
• длительностью выдержки;
• временем охлаждения (интенсивностью).

Основные этапы, которые включает термическая обработка стали, одинаковы для большинства технологий: это нагрев, выдержка и охлаждение.

Отжиг

Предполагает нагрев материала до определенной температуры, затем постепенное охлаждение. Различают отжиг первого и второго рода.

В первом случае обработка незначительно меняет фазовое состояние (концентрацию компонентов) сплава. Отжиг первого рода может быть:

• Гомогенизированным. Металл выдерживают при температуре 1100−1200 °C от 7 до 14 часов, технологию применяют для обработки слитков и отливок;
• Рекристаллизационным. Проводят при температуре 100−200 °C, часто используют для клепаной стали.

Отжиг второго рода предполагает значительное фазовое изменение исходного материала. Может быть:

• Полным. Предполагает нагрев на 25–40 C° выше критического уровня.
• Неполным. Сплав нагревают до критической температуры.
• Диффузионным. Производят при температуре 1100–1200 C°.
• Изотермическим. Температура нагрева аналогична параметру при полном отжиге. Отличие — в охлаждении ниже критической отметки на открытом воздухе.
• Нормализованным. Полный отжиг с последующим остыванием на открытом воздухе.

Технология отжига стали подходит для устранения внутренней неоднородности, снижения напряжения и твердости — это упрощает дальнейшую переработку материала.

Закалка стали

Метод придает металлу повышенную прочность и снижает пластичность. Отличается от отжига технологией охлаждения нагретой заготовки: для снижения температуры материал погружают в емкость с жидкостью.

Виды закалки:

• В одной жидкости. В этом случае для крупных деталей используют воду, для мелких — масло.
• Прерывистая. Двухшаговое понижение температуры. На первом этапе заготовку резко охлаждают до 300 °C в воде, на втором помещают в масло или на открытый воздух.
• Ступенчатая. После охлаждения металла в жидкости температуру снижают с помощью расплавленных солей, затем оставляют на открытом воздухе. Подвид ступенчатой обработки — изотермическая.
• С самоотпуском. При охлаждении заготовки оставляют теплый участок в центре: это придает металлу одновременно высокую прочность и пластичность. Такие заготовки хорошо поддаются обработке ударными инструментами.

Отпуск

На этом этапе деталь нагревают до критической температуры. Это необходимо, чтобы снять напряжение, повысить прочность, вязкость и пластичность сплава.

Различают следующие виды термообработки стали:

• Низкий отпуск — от 250 до 300 °C. В составе сплава остается мартенсит — пересыщенный твердый раствор углерода, который повышает стойкость к механическим нагрузкам. Также выделяется карбид железа, который делает сплав более вязким. Таким способом обрабатывают инструментальные и цементированные стали.
• Средний отпуск — от 350 до 400 °C. В результате обработки вместо мартенсита остается феррит — пластичная структура. В результате снижается напряжение сплава. Такой температурный диапазон обычно используют для обработки деталей автомобилей, бытовой техники.
• Высокий отпуск — от 450 °C. При таком нагреве происходит коагуляция — в результате повышается прочность обрабатываемых элементов. Таким образом обычно обрабатывают все виды конструкционных сталей, детали, которые будут работать на растяжение-сжатие, статическим нагрузкам.

Криогенная

Структуру металла можно изменить и путем низкотемпературного воздействия. Выдержка стали при отрицательных температурах называется криогенной обработкой.

Метод имеет следующие достоинства:

• в результате получаются детали устойчивых размеров,
• они лучше поддаются полировке и шлифовке,
• технология самостоятельна, не требует отпуска.

Химико-термическая

Предполагает высокотемпературное воздействие и применение химических составов. Помимо прочности, придает металлу устойчивость к кислотам и огнестойкость.

Бывает следующих типов:

• Цементация. Это способ дополнительной обработки металла углеродом, который применяют перед закалкой и отпуском. Выполняют при 850–900 °C. В результате повышается устойчивость сплава к скручиванию и изгибу.
• Азотирование. Насыщение металла азотом при нагреве до 650 °C. Метод усиливает прочность и стойкость к износу, придает сплаву антикоррозионные свойства.
• Нитроцементация. Поверхность обрабатывают азотом и углеродом при 850 °С. Метод часто применяют для обработки инструментальных сталей.
• Борирование. Заготовку покрывают слоем бора при температуре 910 °C. Технология востребована в изготовлении штампового и бурового инструмента.

Термомеханическая

Термообработка стали с пластической деформацией материала. Может быть высоко- и низкотемпературной, а также предварительной.

Главное отличие первых двух видов — температура, при которой выполняют деформацию: высокотемпературная обработка предполагает нагрев сплава выше точки рекристаллизации, низкотемпературная — охлаждение до уровня ниже этого параметра. После этого материалу придают нужную форму, подвергают закалке и выполняют отпуск.

Предварительная термомеханическая обработка предполагает холодную деформацию, за которой следуют закалка и отпуск металла.

Основная цель этой группы методов в целом аналогична предыдущим: они помогают повысить вязкость и снизить хрупкость материала.