Что такое термообработка металла - GazSnabStroy.ru
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд (пока оценок нет)
Загрузка...

Что такое термообработка металла

Термообработка

Термообработка [heat (thermal) treatment] — совокупность операций преднамеренного температурно-временного воздействия на изделие или часть его с целью изменения структуры и свойств в нужном направлении. Это воздействие может сочетаться также с химической, деформационной, магнитной и другой термообработкой. металлические изделия (или полуфабриката) включает следующие обязательные технологические операции: нагрев его до заданной температуры, выдержку при этой температуре и охлаждение по регламентируемому режиму. Различают следующие основные виды термообработки металлов и сплавов: отжиг — нагрев металла с неравновесной структурой в результате кристаллизац или какой-либо обработки, приводящей его в более равновесное состояние (Смотри Отжиг); закалка — нагрев до высокой температуры с последующим достаточно быстрым охлаждением для получения неравновесного структурного состояния (пересыщается твёрдый раствор, повышается плотность дефектов кристаллической решетки и др. (Смотри Закалка); отпуск — нагрев закаленной стали или сплава ниже температуры фазового превращения для получения более равновесного их структурного состояния (Смотри Отпуск). Кроме основных видов к термообработке относят комбинированные способы, сочетающие легирование преимущественно поверхностных слоев металлических изделий неметаллами (или металлами) и т. п. (Смотри Химико-термическая обработка), или деформирование и т. п., преимущественно проката и полуфабрикатов, выполняемы в разной последовательности в едином технологическом процессе — так называемой деформационно-термической или термомеханической обработки. (Смотри ВТМО, НТМО, ТМО). Металл для термообработки может нагреваться пламенем, электросопротивлением, индукционным спосособом, а также в расплавах и в кипящем слое. Наиболее широко применяется нагрев в печах сопротивления и пламенного нагрева, отличающихся высокой производительностью и экономичностью. При термообработка сплавов цветных металлов применяется нагрев в расплавах солей, щелочей, металлов. Преимущественно печей-ванн — высокая скорость, без окисления нагреваемого металла. При нагреве важно надежное регулирование температуры печи и создание необходимой среды. Для предотвращения газонасыщения при термообработке, особенно цветных и тугоплавких металлов, используется контролирование газовой среды, защитные покрытия. Все шире применяется термообработка в вакууме (отжиг, закалка, старение), позволяющая резко уменьшить окисление и газонасыщение, в частности водородом, изделий и полуфабрикатов:

Энциклопедический словарь по металлургии. — М.: Интермет Инжиниринг . Главный редактор Н.П. Лякишев . 2000 .

Смотреть что такое “Термообработка” в других словарях:

термообработка — термообработка … Орфографический словарь-справочник

термообработка — сущ., кол во синонимов: 2 • обработка (92) • электротермообработка (1) Словарь синонимов ASIS. В.Н. Тришин. 2013 … Словарь синонимов

термообработка — Технологическая операция, при которой молоко или продукт подвергают воздействию заданной температуры в течение заданного времени. [ГОСТ Р 51917 2002] Тематики продукты молочные и молокосодержащие Обобщающие термины термины и определения… … Справочник технического переводчика

термообработка — ТО термическая обработка ТО Словарь: С. Фадеев. Словарь сокращений современного русского языка. С. Пб.: Политехника, 1997. 527 с … Словарь сокращений и аббревиатур

Термообработка — – комплекс операций нагрева до определенной температуры, выдержки и охлаждения с определенной скоростью металлических сплавов с целью получения требуемых свойств за счет изменения структуры. [Блюм Э. Э. Словарь основных металловедческих… … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов

термообработка — 1. термообработка: Технологическая операция, при которой молоко или продукт подвергают воздействию заданной температуры в течение заданного времени. Источник: ГОСТ Р 51917 2002: Продукты молочные и молокосодержащие. Термины и определения … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Термообработка — Heat treatment Термообработка. Нагрев и охлаждение твердого металла или сплава таким образом, чтобы получить желаемое состояние и свойства. Нагрев для последующей вытяжки или выдавливания к термообработке не относится. (Источник: «Металлы и… … Словарь металлургических терминов

термообработка — terminis apdorojimas statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Medžiagos arba gaminio savybių keitimas kaitinant. atitikmenys: angl. heat treatment; thermal processing vok. thermische Behandlung, f; Wärmebehandlung, f rus.… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

термообработка — terminis apdorojimas statusas T sritis chemija apibrėžtis Medžiagos (gaminio) savybių keitimas kaitinimu. atitikmenys: angl. heat treatment rus. термическая обработка; термообработка … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

термообработка — terminis apdorojimas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. baking; heat treatment; thermal processing vok. Wärmebehandlung, f rus. тепловая обработка, f; термическая обработка, f; термообработка, f pranc. traitement à chaud, m; traitement… … Fizikos terminų žodynas

Виды термообработки

Термическая обработка (термообработка) стали, цветных металлов — процесс изменения структуры стали, цветных металлов, сплавов при нагревании и последующем охлаждении с определенной скоростью.
Термическая обработка (термообработка) приводит к существенным изменениям свойств стали, цветных металлов, сплавов. Химический состав металла не изменяется.

Виды термической обработки стали

Отжиг

Отжиг — термическая обработка (термообработка) металла, при которой производится нагревание металла, а затем медленное охлаждение. Эта термообработка (т. е. отжиг) бывает разных видов (вид отжига зависит от температуры нагрева, скорости охлаждения металла).

Закалка

Закалка — термическая обработка (термообработка) стали, сплавов, основанная на перекристаллизации стали (сплавов) при нагреве до температуры выше критической; после достаточной выдержки при критической температуре для завершения термической обработки следует быстрое охлаждение. Закаленная сталь (сплав) имеет неравновесную структуру, поэтому применим другой вид термообработки — отпуск.

Отпуск

Отпуск — термическая обработка (термообработка) стали, сплавов, проводимая после закалки для уменьшения или снятия остаточных напряжений в стали и сплавах, повышающая вязкость, уменьшающая твердость и хрупкость металла.

Нормализация

Нормализация — термическая обработка (термообработка), схожая с отжигом. Различия этих термообработок (нормализации и отжига) состоит в том, что при нормализации сталь охлаждается на воздухе (при отжиге — в печи).

Нагрев заготовки

Нагрев заготовки — ответственная операция. От правильности ее проведения зависят качество изделия, производительность труда. Необходимо знать, что в процессе нагрева металл меняет свою структуру, свойства и характеристику поверхностного слоя и в результате от взаимодействия металла с воздухом атмосферы, и на поверхности образуется окалина, толщина слоя окалины зависит от температуры и продолжительности нагрева, химического состава металла. Стали окисляются наиболее интенсивно при нагреве больше 900°С, при нагреве в 1000°С окисляемость увеличивается в 2 раза, а при 1200°С — в 5 раз.

Хромоникелевые стали называют жаростойкими потому, что они практически не окисляются.

Легированные стали образуют плотный, но не толстый слой окалины, который защищает металл от дальнейшего окисления и не растрескивается при ковке.

Углеродистые стали при нагреве теряют углерод с поверхностного слоя в 2-4 мм. Это грозит металлу уменьшением прочности, твердости стали и ухудшается закаливание. Особенно пагубно обезуглероживание для поковок небольших размеров с последующей закалкой.

Заготовки из углеродистой стали с сечением до 100 мм можно быстро нагревать и потому их кладут холодными, без предварительного прогрева, в печь, где температура 1300°С. Во избежание появлений трещин высоколегированные и высокоуглеродистые стали необходимо нагревать медленно.

При перегреве металл приобретает крупнозернистую структуру и его пластичность снижается. Поэтому необходимо обращаться к диаграмме «железо-углерод», где определены температуры для начала и конца ковки. Однако перегрев заготовки можно при необходимости исправить методом термической обработки, но на это требуется дополнительное время и энергия. Нагрев металла до еще большей температуры приводит к пережогу, от чего происходит нарушение связей между зернами и такой металл полностью разрушается при ковке.

Пережог

Пережог — неисправимый брак. При ковке изделий из низкоуглеродистых сталей требуется меньше число нагревов, чем при ковке подобного изделия из высокоуглеродистой или легированной стали.

При нагреве металла требуется следить за температурой нагрева, временем нагрева и температурой конца нагрева. При увеличении времени нагрева — слой окалины растет, а при интенсивном, быстром нагреве могут появиться трещины. Известно из опыта, что на древесном угле заготовка 10-20 мм в диаметре нагревается до ковочной температуры за 3-4 минуты, а заготовки диаметром 40-50 мм прогревают 15-25 минут, отслеживая цвет каления.

Химико-термическая обработка

Химико-термическая обработка (ХТО) стали — совокупность операций термической обработки с насыщением поверхности изделия различными элементами (углерод, азот, алюминий, кремний, хром и др.) при высоких температурах.

Поверхностное насыщение стали металлами (хром, алюминий, кремний и др.), образующими с железом твердые растворы замещения, более энергоемко и длительнее, чем насыщение азотом и углеродом, образующими с железом твердые растворы внедрения. При этом диффузия элементов легче протекает в решетке альфа-железо, чем в более плотноупакованной решетке гамма-железо.

Химико-термическая обработка повышает твердость, износостойкость, кавитационную, коррозионную стойкость. Химико-термическая обработка, создавая на поверхности изделий благоприятные остаточные напряжения сжатия, увеличивает надежность, долговечность.

Цементация стали

Цементация стали — химико-термическая обработка поверхностным насыщением малоуглеродистой (С табл.1

Температура, °СЦвета каленияТемпература, °СЦвета каления1600Ослепительно бело-голубой850Светло-красный1400Ярко-белый800Светло-вишневый1200Желто-белый750Вишнево-красный1100Светло-белый600Средне-вишневый1000Лимонно-желтый550Темно-вишневый950Ярко-красный500Темно-красный900Красный400Очень темно-красный (видимый в темноте)

Тонкая пленка окислов железа, придающая металлу различные быстро меняющиеся цвета — от светло-желтого до серого. Такая пленка появляется, если очищенное от окалины стальное изделие нагреть до 220°С; при увеличении времени нагрева или повышении температуры окисная пленка утолщается и цвет ее изменяется. Цвета побежалости одинаково проявляются как на сырой, так и на закаленной стали.

При низком отпуске (нагрев до температуры 200-300° ) в структуре стали в основном остается мартенсит, который, однако, изменяется решетку. Кроме того, начинается выделение карбидов железа из твердого раствора углерода в альфа-железе и начальное скопление их небольшими группами. Это влечет за собой некоторое уменьшение твердости и увеличение пластических и вязких свойств стали, а также уменьшение внутренних напряжений в деталях.

Для низкого отпуска детали выдерживают в течение определенного времени обычно в масляных или соляных ваннах. Если для низкого отпуска детали нагревают на воздухе, то для контроля температуры часто пользуются цветами побежалости, появляющимися на поверхности детали.

табл.1

Цвет побежалостиТемпература, °СИнструмент, который следует отпускать
Бледно-желтый210
Светло-желтый220Токарные и строгальные резцы для обработки чугуна и стали
Желтый230Тоже
Темно-желтый240Чеканы для чеканки по литью
Коричневый255
Коричнево-красный265Плашки, сверла, резцы для обработки меди, латуни, бронзы
Фиолетовый285Зубила для обработки стали
Темно-синий300Чеканы для чеканки из листовой меди, латуни и серебра
Светло-синий325
Серый330

Появление этих цветов связано с интерференцией белого света в пленках окисла железа, возникающих на поверхности детали при ее нагреве. В интервале температур от 220 до 330 ° в зависимости от толщины пленки цвет изменяется от светло-желтого до серого. Низкий отпуск применяется для режущего, измерительного инструмента и зубчатых колес.

При среднем (нагрев в пределах 300-500°) и высоком (500-700°) отпуске сталь из состояния мартенсита переходит соответственно в состояние тростита или сорбита. Чем выше отпуск, тем меньше твердость отпущенной стали и тем больше ее пластичность и вязкость.

При высоком отпуске сталь получает наилучшее сочетание механических свойств, повышение прочности, пластичности и вязкости, поэтому высокий отпуск стали после закалки ее на мартенсит назначают для кузнечных штампов, пружин, рессор, а высокий — для многих деталей, подверженных действию высоких напряжений (например, осей автомобилей, шатунов двигателей).

Для некоторых марок стали отпуск производят после нормализации. Этот относится к мелкозернистой легированной доэвтектоидной стали (особенно никелевой), имеющий высокую вязкость и поэтому плохую обрабатываемость режущим инструментом.

Для улучшения обрабатываемости производят нормализацию стали при повышенной температуре (до 950-970°), в результате чего она приобретает крупную структуру (определяющую лучшую обрабатываемость) и одновременно повышенную твердость (ввиду малой критической скорости закалки никелевой стали). С целью уменьшения твердости производят высокий отпуск этой стали.

Дефекты закалки

К дефектам закалки относятся:

  • трещины,
  • поводки или коробление,
  • обезуглероживание.

Главная причина трещин и поводки — неравномерное изменение объема детали при нагреве и, особенно, при резком охлаждении. Другая причина — увеличение объема при закалке на мартенсит.

Трещины возникают потому, что напряжения при неравномерном изменении объема в отдельных местах детали превышают прочность металла в этих местах.

Лучшим способом уменьшения напряжений является медленное охлаждение около температуры мартенситного превращения. При конструировании деталей необходимо учитывать, что наличие острых углов и резких изменений сечения увеличивает внутреннее напряжение при закалке.

Коробление (или поводка)возникает также от напряжений в результате неравномерного охлаждения и проявляется в искривлениях деталей. Если эти искривления невелики, они могут быть исправлены, например, шлифованием. Трещины и коробление могут быть предотвращены предварительным отжигом деталей, равномерным и постепенным нагревом их, а также применением ступенчатой и изотермической закалки.

Обезуглероживание стали с поверхности — результат выгорания углерода при высоком и продолжительном нагреве детали в окислительной среде. Для предотвращения обезуглероживания детали нагревают в восстановительной или нейтральной среде (восстановительное пламя, муфельные печи, нагрев в жидких средах).

Образование окалины на поверхности изделия приводит к угару металла, деформации. Это уменьшает теплопроводность и, стало быть, понижает скорость нагрева изделия в печи, затрудняет механическую обработку. Удаляют окалину либо механическим способом, либо химическим (травлением).

Выгоревший с поверхности металла углерод делает изделия обезуглероженным с пониженными прочностными характеристиками, с затрудненной механической обработкой. Интенсивность, с которой происходит окисление и обезуглерожевание, зависит от температуры нагрева, т. е. чем больше нагрев, тем быстрее идут процессы.

Образование окалины при нагреве можно избежать, если под закалку применить пасту, состоящую из жидкого стекла — 100 г, огнеупорной глины — 75 г, графита — 25 г, буры — 14 г, карборунда — 30 г, воды — 100 г. Пасту наносят на изделие и дают ей высохнуть, затем нагревают изделие обычным способом. После закалки его промывают в горячем содовом растворе. Для предупреждения образования окалины на инструментах быстрорежущей стали применяют покрытие бурой. Для этого нагретый до 850°С инструмент погружают в насыщенный водный раствор или порошок буры

Антикоррозионная обработка изделий после термической обработки

После термической обработки, связанной с применением солей, щелочей, воды и прочих веществ, могущих вызывать при длительном хранении изделий коррозию, следует провести антикоррозионную обработку стальных изделий, заключающуюся в том, что очищенные, промытые и высушенные изделия погружают на 5 минут в 20 — 30% водный раствор нитрита натрия, после чего заворачивают в пропитанную этим же раствором бумагу.
В таком виде изделия могут храниться длительное время

Сущность и основные способы термообработки стали

Что такое термическая обработка стали, ее назначение, принципы и виды. Сущность горячей и холодной обработки. Химико-термическая, термомеханическая и криогенная обработка. Виды печей для термообработки. Особенности работы с цветными сплавами.

Как правило, одним из последних этапов в изготовлении изделия из стали является термическая обработка. Нагрев до требуемой температуры c дальнейшим охлаждением приводит к значительным изменениям во внутренней структуре металла. Вследствие этого он приобретает новые свойства, которые напрямую зависят от выбранных термических режимов. Термообработка стали позволяет изменять ее твердость, хрупкость и вязкость, а также делать ее устойчивой к деформации, износу и химической коррозии. К основным видам термообработки относят закалку, отпуск и отжиг. Кроме этого, существуют комбинированные способы: химико-термическая и термомеханическая обработки, сочетающие в себе нагрев и охлаждение с другими видами воздействия на структуру металла. При всем многообразии базовых видов и их разновидностей сущность у всех этих технологий одна – изменение внутренних фазных и структурных состояний металла с целью придания ему требуемых свойств.

Назначение термической обработки

Главная задача термической обработки изделия из стали — придать ему требуемое эксплуатационное качество или совокупность таких качеств. При термообработке режущего инструмента из инструментальных и легированных сталей достигается твердость 63 HRC и повышенная износостойкость. А ударный инструмент после нее должен иметь твердый поверхностный слой и пластичную ударопрочную сердцевину. Стали для изготовления пружин и рессорных пластин после термической обработки становятся прочными на изгиб и упругими, а металл для рельсов — устойчивым к деформациям и износу. Кроме того, термическими способами производят упрочнение поверхностных слоев стальных изделий, насыщая их при высокой температуре углеродом, азотом или другими соединениями, а также укрепляя закалкой нагартовку после горячей обработки давлением. Другое назначение термической обработки — это восстановление изначальных свойств металла, которое достигается их отжигом.

Преимущества термообработки металлов

Термическая обработка кардинально изменяет эксплуатационные свойства металлов, используя при этом только внутреннее перестроение их кристаллических решеток. С помощью чередования циклов нагрева и охлаждения можно в разы увеличить твердость, износостойкость, пластичность и ударную вязкость изделия. Помимо этого, термическая обработка дает возможность производить структурные изменения только в поверхностном слое на заданную глубину или воздействовать только на часть заготовки. Сочетание термообработки с горячей обработкой давлением приводит к значительному увеличению твердости металла, превышающему результаты, полученные отдельно при нагартовке или закалке. При химико-термической обработке поверхностный слой металла диффузионным способом насыщается химическими элементами, значительно повышающими его износостойкость и твердость. При этом основная часть изделия сохраняет вязкость и пластичность. С производственной точки зрения оборудование для термической обработки гораздо проще и дешевле, чем станки и установки механообрабатывающих и литейных производств.

Принцип термической обработки

  • нагрева, изменяющего структуру кристаллической решетки металла;
  • охлаждения, фиксирующего достигнутые при нагреве изменения;
  • отпуска, снимающего механические напряжения и упорядочивающего полученную структуру.

Особенностью технологии термической обработки стали является то, что при нагреве до 727 ºC она переходит в состояние твердого расплава — аустенита, в котором атомы углерода проникают внутрь элементарных ячеек железа, создавая равномерную структуру. При медленном охлаждении сталь возвращается в исходное состояние, а при быстром — фиксируется в виде аустенита или других структур. От способа охлаждения и дальнейшего отпуска зависят свойства закаленной стали. Здесь соблюдается принцип: чем быстрее охлаждение и ниже температура, тем выше ее хрупкость и твердость. Термообработка является одним из ключевых технологических процессов для всех сплавов железа с углеродом. Например, получить ковкий чугун можно только путем термической обработки белого чугуна.

Виды термообработки стали

Отжиг

  1. Диффузионный. Деталь нагревают до температуры около 1200 ºC, а затем постепенно остужают в течение десятков часов (для массивных изделий — до нескольких суток). Обычно такой термической обработкой устраняют дендритные неоднородности структуры стали.
  2. Полный. Нагрев заготовки производится за критическую точку образования аустенита (727 ºC) с последующим медленным остужением. Этот вид отжига используется чаще всего и применяется в основном для конструкционной стали. Его результатом является снижение зернистости кристаллической структуры, улучшение ее пластических свойств и понижение твердости, а также снятие внутренних напряжений. Полный отжиг иногда применяют до закалки для понижения зернистости металла.
  3. Неполный. В этом случае нагрев происходит до температуры выше 727 ºC, но не более чем на 50 ºC. Результат при таком отжиге практически такой же, что и при полном, хотя он не обеспечивает полного изменения кристаллической структуры. Но он менее энергозатратный, выполняется за более короткий период, а на детали образуется меньше окалины. Такая термическая обработка используется для инструментальных и подобных им сталей.
  4. Изотермический. Нагревание осуществляется до температуры, немного превышающей 727 ºC, после чего изделие сразу же переносят в ванну с расплавом при 600÷700 ºC, где оно выдерживается определенное время до окончания формирования требуемой структуры.

Еще одно достаточно распространенное применение отжига как в промышленности, так и в домашних мастерских — восстановление исходных свойств стали после неудачной закалки или проведения пробной термической обработки.

Закалка

Скорость нагревания при термической обработке полностью зависит от марки стали, массы и формы детали, типа источника тепла и требуемого результата. Поэтому его можно подобрать или по справочным таблицам или же только опытным путем. Это же относится и к скорости охлаждения, которая также находится в зависимости от перечисленных характеристик. При выборе охлаждающей среды в первую очередь ориентируются на скорость охлаждения, но при этом учитывают и другие ее особенности. В первую очередь к ним относятся стабильность и безвредность ее состава, а также легкость удаления с поверхности изделия. Кроме того, при работе насосного и перемешивающего оборудования, используемого при термической обработке, важны такие характеристики, как вязкость и текучесть.

Отпуск

  1. Низкий. Нагрев осуществляется до 200 ºC. Такой отпуск применяют к режущему инструменту и цементированным сталям для сохранения высокой твердости и стойкости к износу.
  2. Средний. Изделия нагревают до температуры 300÷450 ºC. Этот вид отпуска используют для повышения упругости и сопротивления усталости рессорных и пружинных сталей.
  3. Высокий. Диапазон нагрева составляет 460÷710 ºC. Термическая обработка, включающая в себя закалку с высоким отпуском, у термистов носит название улучшение, т. к. в этом случае достигается наилучшее соотношение пластичности, износостойкости и вязкости.

При низкотемпературном термическом нагреве металл покрывается цветными оксидными пленками, которые меняют свою окраску в зависимости от температуры от бледно-желтого до серовато-сизого. Это довольно надежный индикатор нагрева детали, и многие производят отпуск, ориентируясь на цвет побежалости.

Химико-термическая обработка

  1. Цементация. Насыщение верхнего слоя стали углеродом при температуре в диапазоне от 900 до 950 ºC.
  2. Нитроцементация. В этом случае термическое насыщение производится одновременно азотом и углеродом из газообразной среды при нагреве от 850 до 900 ºC.
  3. Цианирование. Поверхностный слой насыщается теми же элементами, что и при нитроцементации, но из расплава солей цианидов.
  4. Азотирование. Выполняется при температуре не выше 600 ºC.
  5. Насыщение твердыми соединениями металлов и неметаллов (бора, хрома, титана, алюминия и кремния).

При первых четырех видах насыщение происходит из газовых сред, а при последнем — из порошков, расплавов, паст и суспензий.

Термомеханическая обработка

Криогенная обработка

Криогенная обработка заключается в охлаждении стали до критически низких температур, в результате чего в ее кристаллической решетке происходят те же процессы, что и при термической закалке на мартенсит. Для этого деталь погружается в жидкий азот, который имеет температуру -195 ºC и выдерживается в нем в течение расчетного времени, зависящего от марки стали и массы изделия. После этого она естественным образом нагревается до комнатной температуры, а затем, как и при обычной термической закалке, подвергается отпуску, параметры которого зависят от требуемого результата. У изделия из стали, обработанного таким образом, повышается не только твердость, но и прочность. Кроме того, после воздействия сверхнизких температур в нем прекращаются процессы старения и в течение времени оно не меняет своих линейных размеров.

Применяемое оборудование

  • нагревательные установки;
  • закалочные емкости;
  • устройства для приготовления и подачи жидких и газообразных сред;
  • подъемное и транспортное оборудование;
  • измерительная и лабораторная техника.

К первому виду относятся камерные печи для термообработки металлов и сплавов. Кроме того, нагрев может осуществляться высокочастотными индукторами, газоплазменными установками и ваннами с жидкими расплавами. Отдельным видом нагревательного оборудования являются установки для химико-термической и термомеханической обработки. Загрузка и выгрузка изделий производится с помощью мостовых кранов, кран-балок и других подъемных механизмов, а перемещение между операционными узлами термической обработки — специальными тележками с крепежной оснасткой. Устройства, обеспечивающие процесс термообработки жидкими и газообразными средами, обычно располагаются вблизи соответствующего оборудования или же соединены с ним трубопроводами. Основной измерительной техникой термического цеха являются различные пирометры, а также стандартный измерительный инструмент.

Особенности термообработки цветных сплавов

При термической обработке изделий из деформируемых алюминиевых сплавов (профили, трубы, уголки) требуется очень точное соблюдение температуры нагрева, при этом она не очень высокая: всего 450÷500 ºC. А как можно решить эту задачу в домашних условиях минимальными средствами? Если кто-нибудь знает ответ на этот вопрос, поделитесь, пожалуйста, информацией в комментариях.

Термообработка

Наша компания проводит работы по термообработке на высококачественном оборудовании компании Weldotherm.

Назначение и виды термообработки сварных соединений.

Соединения, выполненные дуговым способами сварки, непосредственно после процесса характеризуются высоким уровнем содержания водорода, неоднородностью структуры и свойств сварного шва, зоны термического влияния, а также наличием в них сварочных напряжений.
Неоднородность структуры соединения зависит, главным образом, от неравномерности нагрева металла при сварке. Металл шва в процессе сварки в расплавленном состоянии имеет температуру выше 1500°С, в то время как соединение со швом участки металла нагреваются в меньшой степени и находятся в твердом состоянии. Прочность и твердость металла шва обычно в 1,5-2 раза превышают эти характеристики в зоне термического влияния и основном металле. Неравномерное значение в сварном соединении имеют и специальные свойства, такие как жаропрочность, хладостойкость, коррозионная стойкость.
Такое неудовлетворительное состояние металла усугубляется действием внутренних напряжений, возникающих в процессе сварки, которые могут достигать значений, близких к пределу текучести (250-350 МПа). Появление этих напряжений обусловлено неравномерностью нагрева различных зон соединения и усадкой металла при охлаждении, структурными изменениями и жесткостью свариваемого изделия.
Внутренние напряжения, возникающие в процессе сварки, опасны тем, что могут вызвать появление трещин в сварных соединениях, особенно, если они изготавливаются из легированных сталей. Кроме того, эти стали при сварке в производственных условиях быстро остывают, что приводит к образованию закалочных структур в шве и зоне термического влияния, также способствующих трещинообразованию.
Одним из основных средств повышения надежности сварных соединений является термическая обработка, процесс которой состоит из трех последовательных этапов: нагрев до определенной температуры с заданной скоростью, выдержка при этой температуре в течение определенного времени и последующие охлаждение с заданной скоростью или подслоем изоляции.
В каждой отрасли промышленности имеет свои нормативно-технические документы по термообработке сварных соединений, которые отражают особенности данного производства.

Классификация видов термообработки.

Предварительный подогрев
Трубы из низкоуглеродистых и низколегированных сталей перлитного класса подогревают (особенно в зимнее время) до 100-200°С, что предохраняет сварное соединение при сварке от быстрого охлаждения, приводящего к возникновению трещин в шве. Различают предварительный подогрев (до начала сварки) и сопутствующий (непосредственно в процессе сварки или во время перерывов в процессе сварки).

Высокий отпуск
При термообработке сварное соединение нагревают до температуры на 20-30°С ниже температуры критической точки Ас1, выдерживают в течение 1-5 ч. и затем медленно охлаждают. При этом на 70-90% снижается уровень сварочных напряжений, происходит структурные изменения в сварном шве и зоны термического влияния, заключающиеся для низколегированных сталей в распаде закалочных структур, что в конечном итоге приводит к заметному снижению твердости и повышению пластичности металла. Высокому отпуску обычно подвергают сварные соединения труб из сталей перлитного класса.

Нормализация
Применяется для сварных соединений, выполненных методами сварки с большой погонной энергией, при которой структура металла сварного соединения становится крупнозернистой с пониженными механическими свойствами.
Сварное соединение нагревают до температуры на 20-30 °С выше температуры критической точки Ас3, выдерживают в течение непродолжительного времени и охлаждают на спокойном воздухе.
Нормализации чаще всего подвергают сварные соединения тонкостенных труб малого диаметра из низколегированных сталей перлитного класса, сваренных газовой сваркой, которые в исходном состоянии (после сварки) имеют крупнозернистую структуру с пониженными пластичными свойствами.

Термический отдых
Сварное соединение нагревают до 250-300 °С и затем выдерживают в течение нескольких часов. При термическом отдыхе уменьшается содержание диффузионного водорода в сварных соединениях, а также несколько снижается уровень сварных напряжений. Отдых обычно назначают для сварных соединений толстостенных конструкций, для которых трудно выполнить термообработку по режиму высокого отпуска.
Сюда можно отнести также термообработку по режиму “дегазации” (нагрев до 200-250 °С с выдержкой 1-2 ч.), которая проводится при ремонте трубопроводов и корпусных конструкций, проработавших в контакте с коррозионноопасными средами.

Аустенизация
Сварное соединение нагревают примерно до 1080-1130 °С, выдерживают в течение 1-2 ч. охлаждают на воздухе. В результате аустенита за счет распада феррита, улучшить механические свойства стали и снизить уровень сварочные напряжений. Аустенизации подвергают сварные соединения трубопроводов из высоколегированных сталей аустенитного класса марок 08Х18Н10Т и др.

Стабилизирующий отжиг
Стабилизирующий отжиг применяют для сварных соединений трубопроводов из высоколегированных сталей аустенитного класса марок 08Х18Н10Т и т.п. Сварное соединение нагревают до 850-870 °С, выдерживают в течение 2-3 ч. и охлаждают на воздухе. Такая термообработка приводит к снижению сварных напряжений на 70-80 % и обеспечивает стабильную структуру, хорошо противодействующую возникновению межкристаллитной коррозии.

Нормализация с отпуском
Полная или восстановительная термообработка применяется для восстановления структуры и свойств сварных соединений различных сталей. При термической обработке сварных соединений теплоустойчивых сталей с целью продления ресурса длительного эксплуатирующихся паропроводов, а так же барабанов. Нормализация обеспечивает получение равномерной аустенитной структуры. При последующем охлаждении происходит превращение аустенита в феррит. Высокий отпуск дает длительную прочность и пластичность сварных соединений.
Все вышеперечисленные виды термообработки сварных соединений возможно производить на индукционном и радиационном оборудовании.

Технологии термообработки.

Принцип индукционного нагрева
Принцип индукционного нагрева легко иллюстрируется с помощью катушки индуктивности с магнитным полем, изменяющимся при изменении силы тока
Поле замыкается внутри катушки, и напряженность зависит от силы тока и количества витков катушки. При помещении металлического предмета внутрь катушки на его поверхности будут возникать вихревые токи, которые вследствие электрического сопротивления металла вызовут нагрев поверхности. Эффект нагрева возрастает с ростом напряженности поля и зависит от свойств материала и расстояния катушки от поверхности.
Наведенный ток будет создавать собственное, противоположное основному поле, что предотвращает проникновение поля катушки в центр предмета. По этой причине вихревые токи будут более активны в области, близкой к поверхности предмета, с понижением силы тока по направлению к центру.
Глубиной проникновения считается уровень, на котором сила тока падает до уровня 37%. С понижением частоты поля глубина проникновения увеличивается. Наложение вихревых токов во внутренних областях предмета вызывает понижение эффективности катушки индуктивности. По этой причине особенно важно выбирать частоту поля в соответствии с габаритами нагреваемого предмета.
Можно установить, что все проводящие материалы нагреваются индукционным методом, вызывая немедленный нагрев в металле.

Преимущества
– быстрота нагрева;
– высокая концентрация и точная локализация энергии при нагреве обеспечивают короткий цикл, высокую производительность, улучшают показатели использования оборудования и материалов и снижают риск деформации при нагреве;
– высокое и однородное качество;
– индукционный нагрев позволяет с легкостью осуществить точное автоматическое управление процессом. Он идеально согласуется с автоматизированным производством и не требует специальной подготовки персонала;
– нагрев только внутри материала;
– непрерывный нагрев производится непосредственно в детали;
– индукционный нагрев позволяет избегать сложного технического обслуживания, измерения, нагрева футеровки печей и их охлаждения. В процессе нагрева не выделяется дым или другие вредные эмиссии, загрязняющие материалы и оборудование. Все это снижает опасность процесса и улучшает рабочие условия;
– пониженные затраты энергии;
В силу самого принципа индукционного нагрева формирование тепла происходит внутри детали и, вследствие этого, процесс более эффективен по затратам энергии, чем другие методы, и количество рассеиваемой энергии исключительно низко.

Применение
– плавка металлов в индукционных электропечах;
– формоизменение: ковка, гибка, прошивка, прессование;
– термообработка: закалка, отжиг, правка, нагрев перед сваркой;
– пайка твердым и мягким припоями;
– спекание металлических порошков и многих других.

Выбор оборудования

Сначала определяют количество необходимой энергии по графику поглощения энергии различными металлами и определяют КПД нагревательной установки.
Для получения значения полной энергии следует разделить потребление энергии на одну тонну данным видом материала на КПД установки.
Далее следует умножить полученное значение на величину требуемого почасового выхода продукции (т/час) для определения потребления энергии.

Основные виды термической обработки стали: отжиг, закалка, отпуск и нормализация

Для придания стальным заготовкам особых свойств выполняют термическую обработку. Технология зависит от конечных параметров и свойств металла, его качества. На выбор вида термической обработки влияет марка стали, требуемые эксплуатационные характеристики конечного изделия.

Виды отжигов

Суть процесса заключается в нагреве металлического изделия и последующего медленного охлаждения. В результате этого улучшается показатель вязкости, достигается химическая и структурная однородность. Термическая обработка методом отжига негативно влияет на жесткость стали.

В зависимости от требуемых качеств изделия выполняют такие виды отжига:

    Диффузионный. Цель обработки – уменьшение химической неоднородности состава. Сначала сталь нагревают до температуры +1150°С и в таком состоянии заготовка остается 10-15 часов. Затем выполняют медленное (естественное) охлаждение. Полный. Она выполняется для штамповочных изделий или заготовок, сделанных методом литья или ковки. Цель – формирование мелкозернистой структуры. Сталь нагревается до температуры, превышающей значение критической верхней точки на +50°С. Затем происходит медленное охлаждение со скоростью не более 75°С (для легированных сортов) или +200°С (для углеродистых марок) в час. Неполный отжиг. Термическая обработка применяется для уменьшения показателя жесткости и снятия напряжения структуры. Технология аналогична вышеописанной, за исключением значения максимальной температуры. Она не должна превышать +750°С. Изотермический. Он актуален только для легированных сортов стали. Температура воздействия выше критической точки на 20-30%. Отличия от полного отжига – быстрое охлаждение до +600°С. Методика применяется для оперативной обработки стальных заготовок.

Для выполнения этих процедур необходимо специальное оборудование. Качество обработки зависит от выполняемых требований. В случае несоблюдения технологии велика вероятность появления дефектов – пережог.

Закалка

Методика актуальна для создания неравномерной структуры стали заготовки. Это увеличивает твердость, но также повышает хрупкость конструкции. Выбор температуры воздействия зависит от химического состава. Также важными являются скорость охлаждения и периодичность повторения процедуры.

При выборе технологии закаливания учитывают следующие факторы:

    Температура обработки. Если она не превышает критическое значение – закалка относится к категории неполной. Для обработки всей структуры заготовки термическое воздействие должно быть выше точки Асз на 30-40°. Охлаждение. Оно может выполняться быстро или медленно. В первом случае твердость неравномерная, ближе к поверхности. При медленном охлаждении напряжение структуры выравнивается. Выбор среды для закалки. Чаще всего используют соляную ванную или масло с добавлением специальных веществ. Периодичность. Она влияет на распределение жесткости в структуре стали.

Способы закалки рассчитываются индивидуально для каждого типа изделия. О том, как закаливать и делать отпуск металла в домашних условиях, читайте здесь.

Отпуск

Для нормализации характеристик стальных заготовок после закалки рекомендуется делать ее отпуск. Его суть заключается в термическом воздействии температурами, при которых не происходит фазового превращения. Итогом этой операции будет однородность структуры стали.

Виды отпуска для металлических заготовок:

    Низкий. Применяется для углеродистых сортов стали. Максимальная температура воздействия — +200°С. В результате уменьшается показатель хрупкости и снижается натяжение в структуре. Средний. Термическая обработка происходит при +400°С. Технология необходима для удаления избыточного углерода. При этом кристаллическая решетка становится кубической. Высокий. Температура обработки – до +650°С. Применяется для появления оптимальных характеристик прочности, вязкости и пластичности.

Определяющим показателем для этого процесса является отпускная хрупкость. Она указывает на степень падения ударной вязкости при резких перепадах температур.

Нормализация металлических заготовок

Технология схожа с отжигом стали. Разница заключается в способе охлаждения заготовки. Это происходит не в печи, как в первом случае, а на воздухе. В результате происходит нормализация структуры кристаллической решетки, повышаются показатели прочности и вязкости.

При выполнении этого процесса учитывают такие показатели:

    Выдержка. Она характеризует степень равномерного термического воздействия на все слои стальной заготовки. Скорость охлаждения. Влияет на толщины перлитных пластин. Поэтапное охлаждение. В некоторых случаях после достижения определенного уровня снижения температуры деталь помещают в масло для оперативного охлаждения.

Для появления нужных свойств стальной заготовки могут выполняться несколько типов термической обработки.

Нормализация стали – описание процесса и его суть

Большая часть операций, связанных с термической обработкой подразумевает один и тоже алгоритм действий:

  • нагрев изделия до определенных температур;
  • выдержку под действием набранной температуру в течение заданного времени;
  • охлаждение, которое может быть проведено в разных средах и с разной скоростью.

Термообработка деталей может выступать и как промежуточный технологический процесс, и как финишный. В первом случае, через неё проходят те детали, которые еще будут обрабатываться, например, сверла или лопатки авиационных турбин. Второй случай подразумевает то, что после термообработки, готовая деталь получит новые свойства.

Нормализация стали – это один из видов термической обработки металла с последующим его охлаждением на воздухе. Результатом этой операции становится формирование нормализованной структуры стали. Кстати, отсюда и пошло название. Операцию применяют по отношению к поковкам, отливкам и пр. Нормализацию используют для минимизации зерен в структуре стали, образованного сварочным швом.

Суть процесса

Процедура нормализации выглядит следующим образом. Деталь разогревают до температур, которые превышает максимально допустимые параметры (Ас1, Ас3) на 30 – 50 градусов Цельсия, затем, какое-то время ее выдерживают под воздействием этой температуры, после чего ее охлаждают.

Подбор температуры выполняют, руководствуясь маркой стали. Так, сплавы содержащие 0,8 % углерода так называемые заэвтектоидные, обрабатывают при температурах, лежащих между критическими точками Ас1 и Ас3.

Что такое критические точки – так называют температуры, при которых происходят фазовые изменения и структуры сплава при его нагреве или охлаждении.

Результатом этого становиться то, что в твердый раствор попадает некоторый объем углерода и закрепляется аустенита. То есть, на свет появляется структура, состоящая из мартенсита и цементита. Именно цементит приводит к росту стойкости к износу и твердости. Нагрев высокоуглеродистой стали свыше ас3 приводит к тому, что увеличиваются внутренние напряжения. Это происходит из-за того, что растет количество аустенита, в следствии роста концентрации углерода.

Сталь с содержанием углерода менее 0,8% при нагреве свыше критической точки Ас3 приобретает повышенную вязкость. Это происходит потому что в стали этого типа появляется аустенит (мелкозернистый), переходящий в мартенсит (мелкозернистый).

Доэвтектоидная сталь не обрабатывают при температурах, расположенных в диапазоне Ас1 – Ас3. Так как в этом случае появляются феррит, который снижает параметры твердости.

Время необходимое для выполнения операции

Для получения однородной структуры сплава, при определенной температуре, требуется какое-то время. Это время и будет определено как время выдержки стали при нормализации. Опытным путем определено, что слой металла толщиной в 25 мм через час становится однородным. Таким образом. и определяют время нормализации.

Завершающий этап – охлаждение

Скорость охлаждения играет существенную роль в образовании объема перлита и размера его пластин. Многочисленные исследования показали, что высокая интенсивность охлаждения увеличивает количество перлита и сталь получает повышенную твердость и прочность. Малая интенсивность охлаждения приводит к тому, что сталь теряет твердость и прочность.

При обработке деталей с существенными перепадами размеров, например. валов, целесообразно убрать напряжения, возникающие под воздействием колебания температур. Для этого их предварительно нагревают в емкости, заполненной разными солями. При понижении температуры допускается ускорить этот процесс помещая горячие детали в воду или специально подобранное масло.

Другими словами, нормализация стали устраняет напряжения внутри детали, минимизирует ее структуру. То есть она оказывает прямое влияние на изменение микроструктуры стальных сплавов.

Использование нормализации

Эту форму термической обработки применяют для достижения разных целей. Так применение нормализации может повысить или снизить твердость стального сплава, вязкость и прочностные характеристики. Этот способ термической обработки используют тогда, когда надо улучшить обрабатываемость стали разными методами – резание, штамповка и пр.

Детали, получаемые методом литья проходят нормализацию в целях получения гомогенизированной структуры и устранению внутренних напряжений. То же самое можно и сказать о деталях, полученных после обработки ковкой. То есть нормализация служит для получения однородной структуры металла и устранению внутренних напряжений. Кроме того, этот процесс может быть использован, как замена закаливания изделий со сложным профилем. Кроме, названных результатов процесса нормализации можно добавить и такие как минимизация зерен в структуре сплава, удаление вторичного цементита, повышения обрабатываемости стали.

Близкие по сути процессы термообработки

В перечень термообработки сталей, помимо нормализации, можно внести операции:

  • отжиг;
  • отпуск;
  • закаливание;
  • криогенная обработка и несколько других.

Операция отжига обеспечивает качественную, более тонкую структуру перлита, это происходит потому, что охлаждения деталей применяют печи. Назначение этой операции — понижение неоднородности структуры, удаления напряжений, повышение обрабатываемости.

Основы, заложенные в операцию закаливания, идентичны принципам нормализации, но существуют некоторые различия. Например, при закаливании применяют температуры куда как выше и высокие скорости охлаждения. Закаливание проводит к улучшению прочностных характеристик, твердости и пр. Но, нередко заготовки прошедшие через закаливание отличает сниженная вязкость и высокая хрупкость.

Отпуск деталей применяют после операции закаливания. Отпуск снижает хрупкость и внутренние напряжения. При этом диапазон температур ниже, чем тот, который используют в нормализации. Охлаждение деталей проводят на воздухе. При повышении температуры снижается предел прочности, твердость и в то же время растет ударная вязкость.

Криогенная обработка стали приводит к получению равномерной структуры металла и повышенной твердость. Эту технологию обработки применяют в отношении прошедшей закаливание углеродистой стали.

Нормализация и её применение в практической деятельности

При назначении способа термообработки технолог должен учитывать концентрацию углерода. Стали, в которых содержание углерода не превышает 0,4%, могут быть обработаны и нормализацией и отжигом. Нормализация минимизирует размер зерен в структуре и повышает прочностные характеристики.

Сравнивая затраты времени между нормализацией и другими методами можно сделать вывод, что обработка другими способами, длится больше времени.

За счет скорости выполнения операции, охват большого количества сталей, качеством получаемых параметров (твердость, прочность и пр.), именно поэтому нормализацию широко применяют в машиностроении.

Читайте также:  Червячная передача своими руками
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector