Во-первых, без термической обработки металлических деталей все, от самолетов до компьютеров, не работало бы должным образом или вообще не существовало бы. Возможность термической обработки металла позволяет нам использовать металл так, как мы это делаем в наши дни. Он предоставил нам средства для создания структур, машин и многого другого, что в противном случае не смогло бы выдержать давления.

И это не просто сталь, алюминиевые и титановые сплавы, а также бронза и латунь, все они 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.

Кроме того, для некоторых применений могут потребоваться очень твердые металлы, в некоторых случаях требующие твердых кромок. Термическая обработка является одним из лучших способов получить желаемую производительность при сохранении пластичности.

Кроме того, как упоминалось в разделе выше, термическая обработка помогает предотвратить коррозию, что снижает потребность в замене дорогостоящих металлических деталей позже или так же часто. Это позволяет машинам работать более экономично и эффективно и предотвращает проблемы.

Еще одно преимущество заключается в том, что он также может улучшать электрические и магнитные свойства металла, потенциально улучшая совместимость металлической детали с другими материалами.

Эти преимущества применения важны для покупателя или потребителя термообработанных продуктов, но термообработка также приносит пользу производителю. Это помогает снять внутренние напряжения, облегчая сварку и обработку металла.

Подводя итог, преимущества термической обработки металлов включают:

• Повышение прочности и пластичности
• Повышенная стойкость к коррозии
• Повышенная пластичность и обрабатываемость при производстве (снятие внутренних напряжений металла, если таковые имеются)
• Может улучшить электрические и магнитные свойства металла.

Термическая обработка фактически включает три процесса: от нагревания материала до его «замачивания» и охлаждения. Каждый из них является важным этапом термообработки металлов, чтобы полностью изменить структурный состав материала.

1.

Это первый этап термообработки, при котором материал нагревается до определенной температуры. Цель на этом этапе — убедиться, что металл нагревается равномерно. Это означает, что вы хотите нагревать материал медленно. Неравномерный нагрев приводит к тому, что одна секция, возможно, расширяется быстрее, чем другая, и у вас остается деформированный или треснутый участок металла.

Скорость нагрева выбирается в соответствии со следующими факторами: 

• Теплопроводность металла. Это определяет скорость нагрева металла. (Металлы с высокой теплопроводностью нагреваются быстрее, чем металлы с низкой теплопроводностью.)
• История и состояние материала. Инструменты и детали, которые ранее подвергались закалке или напряжению, требуют более медленного нагрева, чем инструменты и детали, которые не подвергались закалке.
• Размер и сечение материала. Крупные детали или даже детали с различным поперечным сечением следует нагревать медленнее, чем мелкие детали. Это обеспечивает более равномерный нагрев, при котором внутренняя температура может достигать такой же или близкой к температуре поверхности. В противном случае есть риск растрескивания или чрезмерной деформации.

Второй этап — этап замачивания. Это происходит, когда во время начального нагревания достигается определенная температура и материал выдерживается при этой температуре в течение определенного времени.

Целью поддержания определенной температуры является обеспечение желаемой внутренней структуры. Время выдержки материала при определенной температуре называется «периодом выдержки» и зависит от химической структуры материала, массы и формы (например, в случае неравномерного поперечного сечения).

Затем материал охлаждается (или закаливается), часто быстро, в зависимости от желаемых результатов. Целью этапа охлаждения является доведение металла до комнатной температуры. То, как он охлаждается, влияет на конечный результат, в том числе на твердость металла.

На этом этапе металлургу необходимо знать состав самого металла и нужно ли использовать охлаждающую среду, газ, жидкость, твердое тело или их комбинацию для быстрого охлаждения детали таким образом, чтобы достичь желаемого эффекта.

Решение без старения будет неэффективным. Не будет никакой механической прочности или твердости. Процесс старения ОБЕСПЕЧИВАЕТ твердость. Полная термообработка включает термообработку, выдержку, охлаждение и старение.

Отпуск – метод термической обработки для снижения хрупкости и повышения прочности металла. Некоторые материалы, такие как сплавы на основе железа, очень твердые и поэтому очень хрупкие. При отпуске эти металлы нагреваются до температуры ниже критической. Это снижает хрупкость и сохраняет твердость.

2. Отжиг

Отжиг – это метод термической обработки, при котором металл, такой как алюминий, медь, сталь, серебро или латунь, нагревают до определенной температуры и выдерживают при этой температуре в течение некоторого времени, чтобы произошло превращение. а затем с воздушным охлаждением. Другими словами, металл нагревается выше верхней критической температуры, а затем медленно охлаждается воздухом, а не жидкостью или маслом.

Целью метода термообработки отжигом является смягчение металла (уменьшение твердости), так как это делает металл более подходящим для холодной обработки и штамповки. Он снимает напряжения, которые металл может иметь из-за предшествующих процессов холодной обработки. Конечный результат? Отжиг также повышает обрабатываемость металла, его пластичность и ударную вязкость.

Отжиг можно использовать перед механической обработкой металла для повышения его стабильности, поскольку он снижает вероятность растрескивания или разрушения более твердых материалов. Существует ряд методов отжига, таких как рекристаллизационный отжиг, полный отжиг, частичный отжиг и окончательный отжиг. В этом процессе термообработки металл нагревается в присутствии другого материала, который при разложении выделяет углерод. Цель увеличения содержания углерода состоит в том, чтобы сделать внешнюю часть металлической детали более твердой, чем внутренняя. Это увеличивает прочность металла, делая его более устойчивым к истиранию и т. д. Недостатком является то, что это также снижает ударную вязкость металла. Обычно это резервируется для готовых деталей.

Цементация – это когда снаружи материал затвердевает, а внутри остается мягким. В процессе термической обработки слишком много внимания уделять упрочнению металлической детали в некоторых случаях нежелательно. Обратной стороной закалки является то, что материалы также могут стать хрупкими. Цементное упрочнение — отличное решение, поскольку оно упрочняет внешнюю часть металлической детали, сохраняя при этом гибкость, поскольку сердцевина металлической детали остается более мягкой.

Цементация достигается закалкой поверхности железного сплава путем сначала науглероживания (как указано выше), а затем быстрой закалки детали, при этом центральная часть остается относительно мягкой.

В противоположность науглероживанию, обезуглероживание включает удаление углерода с поверхности стали либо путем нагревания, либо посредством нормального процесса старения окисления.

Вы можете добиться обезуглероживания, когда поверхность стали обеднена углеродом, нагреванием выше нижней критической температуры или химическим воздействием. Стальные поковки обычно обезуглероживают.

Металлурги обращаются к азотированию, когда хотят добиться высокой твердости поверхности – обычно выше, чем метод науглероживания. Это увеличивает сопротивление износу и улучшает усталостную долговечность металла.

Для азотирования сталь нагревают в присутствии аммиака или другого азотсодержащего материала. По сути, добавление азота к металлической поверхности и получение поверхностного упрочнения без закалки.

Закалка является частью процесса охлаждения, при котором металл быстро охлаждается на воздухе, в масле, воде, рассоле или другой среде. Закалка обычно упрочняет материал, поскольку он быстро охлаждается в процессе закалки, но это не всегда так. Известны случаи, когда для отжига меди действительно применяют закалку в воду. Кроме того, металлурги должны понимать, какие металлы можно закаливать; так как при неправильном выполнении закалка может деформировать или расколоть некоторые металлы.

Для быстрого охлаждения обычно предпочтительнее использовать воду или рассол, а для медленного охлаждения обычно рекомендуется использовать масло.

Обычно закалка связана с закалкой, потому что большинство закаленных металлов быстро охлаждаются при закалке, но не всегда верно, что закалка или иное быстрое охлаждение приводит к закалке. Закалка в воде, например, используется для отжига меди , а другие металлы закаляются с медленным охлаждением.

Обычно вода используется для закалки углеродистых сталей, масло — для закалки легированных сталей, а вода — для закалки цветных металлов. Вот почему так важно понимать химический состав и варианты обработки каждого металла. На этом этапе происходят структурные изменения, зависящие от типа металла и типа закалочной жидкости. Рассол, вода, масло и принудительная подача воздуха регулируют скорость охлаждения, при этом воздух охлаждается дольше всего.

Холодная обработка давлением — это процесс упрочнения металлов посредством пластической деформации. Это стало возможным благодаря движениям дислокаций, которые производятся в кристаллической структуре материала без добавления тепла. Этот метод обычно используется для нехрупких металлов, которые имеют значительно повышенные температуры плавления.

Технически это не процесс термообработки, но холодная обработка также изменяет структурные свойства металла, уделяя особое внимание его упрочнению, даже если процесс выполняется при комнатной температуре. Самое большое отличие состоит в том, что горячая обработка производится при температурах выше температуры рекристаллизации металла, а холодная обработка – при температурах ниже температуры рекристаллизации металла.

Обычно используется для обработки нехрупких металлов с высокой температурой плавления. Холодная обработка деформирует металл при комнатной температуре без разрушения детали.

Чертеж представляет собой особый процесс холодной обработки, при котором металл существенно растягивается с использованием растягивающих усилий для удлинения металла . По мере волочения металл утончается, пока не достигнет желаемой толщины. Волочение может происходить, когда металл повторно нагревают после закалки, выдержки и затем, наконец, закалки. Волочение металла удлиняет металл, уменьшая при этом твердость и повышая ударную вязкость.

Недостатком холодной обработки является то, что напряжение металла, необходимое для деформации, намного выше. Повышаются предел прочности при растяжении, текучесть и усталостная прочность, но снижаются коррозионная стойкость, ударная вязкость и относительное удлинение. Кроме того, происходит минимальное уменьшение размера, что дает преимущество лучшего контроля размеров. Холодная обработка является идеальным методом повышения твердости тех металлов, которые не поддаются термической обработке.

Узнайте больше о наших процессах термообработки на AST

Способствуйте повышению безопасности и эффективности вашего конкретного приложения, будь то аэрокосмическая промышленность, альтернативная энергетика или кованые колеса.

Свяжитесь с AST сейчас по номеру , чтобы узнать больше о наших процессах термообработки.

Термическая обработка металлов и сплавов Глоссарий

ЧТО ТАКОЕ СТАРЕНИЕ МЕТАЛЛА?
Фазовый переход в сплаве, упрочняющий металл.

ЧТО ТАКОЕ ОТЖИГ МЕТАЛЛА?
Термическая обработка, которая размягчает металлы и приводит к желаемым изменениям микроструктуры. Вакуумный отжиг называют светлым отжигом. Отжиг улучшает обрабатываемость, стабильность размеров и другие свойства.

ЧТО ТАКОЕ ДЕГАЗАЦИЯ МЕТАЛЛА?
Удаляет газы из металла посредством термической обработки. Вакуумная обработка применяется для дегазации титана, меди и тантала.

ЧТО ТАКОЕ ДИФФУЗИОННОЕ СОЕДИНЕНИЕ?
Метод соединения, включающий перемещение атомов или элементов от одного металла к другому. При термообработке и давлении между твердыми телами возникает диффузионная связь. При вакуумной пайке диффузионная связь возникает между припоем и соединяемыми металлами.

ЧТО ТАКОЕ ПРОЦЕСС ПОКРЫТИЯ ГРАФИТОМ?
Покрытие TiC и SiC представляет собой процесс вакуумного осаждения, при котором соединение карбида титана или кремния формируется на графитовых компонентах.

Технические свойства покрытия TiC:
* Температура плавления = 3067F
* Плотность, г/см3 = 4,91
* Модуль Юнга, ГПа = 460
* Коэффициент теплового расширения, ppm/K = 7,7
* Твердость (по Виккерсу), кг/мм2 = 3200
* Кристаллическая структура = кубическая (NaCl)

ЧТО ТАКОЕ ЗАКАЛКА И ОТПУСК МЕТАЛЛА?
Обычная обработка нагревом и охлаждением, используемая для упрочнения и повышения прочности металла. Результаты измеряются по различным шкалам твердости, включая шкалы Бринелля и Роквелла. Закаленный металл повторно нагревают, чтобы закалить металл; твердость снижается, но деталь закаляется. Вакуумный процесс приведет к яркой отделке. Температура операции отпуска определяет предельную твердость.

ЧТО ТАКОЕ ПРОЦЕСС ГОМОГЕНИЗАЦИИ?
Термообработка в вакууме, устраняющая или уменьшающая химическую сегрегацию за счет диффузии.

ЧТО ТАКОЕ ГИДРИРОВАНИЕ/ОСУШЕНИЕ МЕТАЛЛА?
Добавление водорода к металлу делает его хрупким для измельчения. После измельчения водород удаляется путем обезвоживания, поэтому материал становится пластичным.

ЧТО ТАКОЕ ВОДОРОДНЫЙ ОТЖИГ?
Отжиг в контролируемой атмосфере водорода для предотвращения окисления или обесцвечивания деталей. Водород является восстановительным газом, поэтому водородный отжиг также может «очистить поверхность» окисленных деталей некоторых сплавов за счет восстановления оксида. Иногда его называют «светлым отжигом». Водород также обезуглероживает стальные детали, поэтому водородный отжиг используется для улучшения магнитных свойств углеродистой стали путем обезуглероживания стали. Иногда его называют «магнитным отжигом».

ЧТО ТАКОЕ ИОННОЕ АЗОТИРОВАНИЕ?
Высоковольтный тлеющий разряд используется для бомбардировки поверхностей из низко- и среднелегированных, инструментальных и нержавеющих сталей ионами азота. Ионы азота образуют нитриды с элементами сплава и диффундируют в деталь, что приводит к чистому поверхностному упрочнению.

ЧТО ТАКОЕ МАГНИТНЫЙ ОТЖИГ?
Преимущество магнитного отжига заключается в сохранении магнитной проницаемости металла.

ЧТО ТАКОЕ НОРМАЛИЗАЦИЯ МЕТАЛЛА?
Термическая обработка при температуре выше интервала превращения приводит к фазовому изменению микроструктуры металла. Преимущество вакуумной нормализации заключается в измельчении зерен.

ЧТО ТАКОЕ ЗАКРЫТИЕ ОТ ДИСПЕЦИАЦИЙ?
Упрочнение достигается осаждением элемента из пересыщенного твердого раствора.