Термическая обработка металлов в современной промышленности

Термическая обработка металлов — это совокупность технологических процессов, при которых металлическую деталь нагревают до определённой температуры, выдерживают в заданных условиях и затем охлаждают с контролируемой скоростью. Основная задача такой обработки заключается не в изменении формы изделия, а в изменении его структуры и, соответственно, механических и эксплуатационных свойств.

Для промышленного производства это имеет принципиальное значение. Одна и та же марка стали может иметь разные характеристики в зависимости от исходного состояния материала и выбранного режима термической обработки. Правильно подобранная технология позволяет получить необходимую твёрдость, прочность, износостойкость, вязкость или сочетание этих свойств.

Термообработка применяется при изготовлении деталей машин и механизмов, инструмента, элементов спецтехники, промышленного оборудования и различных металлических конструкций. Она также может быть частью процесса восстановления изношенных деталей, когда после механической обработки необходимо обеспечить требуемые свойства рабочей поверхности.

Поэтому термическую обработку нельзя рассматривать как универсальную операцию, одинаковую для всех металлических изделий. Технологический режим определяется материалом, геометрией детали, её назначением и условиями последующей эксплуатации.

Для чего нужна термическая обработка металла

Механическая обработка позволяет получить необходимые размеры и форму детали, но геометрическая точность сама по себе не гарантирует достаточной долговечности изделия.

Например, вал может быть изготовлен с требуемым диаметром, однако при работе в условиях постоянного трения его поверхность будет постепенно изнашиваться. Аналогичная проблема возникает с пальцами, осями, зубчатыми деталями и другими компонентами, которые испытывают высокие контактные нагрузки.

В зависимости от выбранного процесса термообработка позволяет изменять:

• твёрдость;
• прочность;
• износостойкость;
• пластичность;
• вязкость;
• структуру металла;
• устойчивость к определённым видам нагрузок;
• уровень внутренних напряжений.

При этом увеличение одного показателя не всегда означает улучшение всех остальных. Например, чрезмерное повышение твёрдости может сопровождаться снижением пластичности или повышением хрупкости. Поэтому задача технолога заключается не в том, чтобы получить максимально твёрдый металл, а в том, чтобы обеспечить оптимальное сочетание свойств для конкретной детали.

Что происходит с металлом при термической обработке

Основой многих процессов термообработки является изменение структуры стали при нагреве и последующем охлаждении.

При достижении определённых температур в металле происходят фазовые превращения. После охлаждения структура материала может существенно отличаться от исходной, что отражается на его механических характеристиках.

На результат влияют не только максимальная температура нагрева, но и:

• скорость нагрева;
• время выдержки;
• температура обработки;
• скорость охлаждения;
• способ охлаждения;
• химический состав стали;
• размеры и форма детали.

Именно поэтому две детали из стали одной марки могут получить разные свойства при использовании разных технологических режимов.

Для ответственных компонентов особенно важно контролировать не только сам процесс нагрева, но и результат после его завершения.

Основные виды термической обработки

В промышленности используются различные виды термического воздействия. Наиболее распространённые процессы — отжиг, нормализация, закалка и отпуск.

Они отличаются назначением и конечным результатом. Одни процессы используются для подготовки материала к последующей механической обработке, другие — для повышения твёрдости и износостойкости, третьи — для снижения внутренних напряжений и получения требуемого сочетания механических свойств.

Отжиг металла

Отжиг предусматривает нагрев детали до определённой температуры, выдержку и относительно медленное охлаждение.

В зависимости от конкретного вида отжига его применяют для изменения структуры стали, снижения твёрдости, повышения пластичности, устранения части внутренних напряжений и подготовки материала к дальнейшей обработке.

Отжиг может использоваться после литья, ковки, сварочных операций или других технологических воздействий, которые приводят к возникновению неоднородности структуры и остаточных напряжений.

Для некоторых заготовок такой процесс существенно облегчает последующую механическую обработку.

Нормализация стали

При нормализации сталь нагревают до заданной температуры, выдерживают и охлаждают на воздухе.

Процесс позволяет получить более однородную и мелкозернистую структуру по сравнению с некоторыми исходными состояниями материала.

Нормализация может применяться для конструкционных сталей, заготовок после литья или ковки, а также как подготовительная операция перед дальнейшей обработкой.

Конкретный температурный режим зависит от химического состава стали и требований к конечным свойствам.

Закалка

Закалка металла используется для повышения твёрдости и получения определённой структуры стали.

Деталь нагревают до температуры, соответствующей выбранной марке материала, выдерживают, после чего охлаждают с заданной скоростью. В зависимости от стали и требований к детали может использоваться вода, масло, полимерный раствор, воздух или другая охлаждающая среда.

При неправильном выборе режима закалка может привести к чрезмерным внутренним напряжениям, деформации или появлению трещин.

Поэтому закалка ответственных деталей требует не только оборудования для нагрева, но и правильно разработанного технологического процесса.

Отпуск после закалки

После закалки сталь может обладать высокой твёрдостью, но при этом иметь повышенные внутренние напряжения и недостаточную пластичность.

Для корректировки свойств применяется отпуск — повторный нагрев закалённой детали до температуры ниже критической с последующей выдержкой и охлаждением.

Температуру отпуска выбирают в зависимости от требований к изделию. В результате можно получить необходимое сочетание твёрдости, прочности и вязкости.

Поэтому для многих ответственных деталей нельзя рассматривать закалку отдельно от последующего отпуска.

Поверхностное упрочнение деталей

Не всегда требуется изменять свойства всей детали.

В ряде случаев основная нагрузка приходится только на рабочую поверхность, тогда как сердцевина должна оставаться более вязкой и способной воспринимать ударные или динамические нагрузки.

Для таких задач используются технологии поверхностного упрочнения.

К ним относятся:

• поверхностная закалка;
• индукционная закалка ТВЧ;
• цементация;
• азотирование и другие химико-термические процессы.

Преимущество подобных технологий заключается в возможности сформировать упрочнённый поверхностный слой без необходимости одинаково изменять свойства всего объёма детали.

Закалка ТВЧ: особенности технологии

Индукционная закалка токами высокой частоты, или ТВЧ, используется для локального нагрева металлической поверхности.

При прохождении переменного тока высокой частоты в детали возникают индуцированные токи, за счёт которых поверхностный слой быстро нагревается до необходимой температуры. После этого выполняется контролируемое охлаждение.

Особенность технологии заключается в возможности воздействовать на определённую область детали.

ТВЧ может применяться для:

• валов;
• осей;
• пальцев;
• шестерён;
• втулок;
• рабочих поверхностей различных деталей машин;
• компонентов промышленного оборудования.

Конкретная технология определяется маркой стали, диаметром и геометрией детали, требуемой глубиной упрочнения, необходимой твёрдостью и условиями эксплуатации.

Для детали, которая работает преимущественно поверхностью, такой подход может быть более рациональным, чем равномерное упрочнение всего изделия.

Цементация и азотирование

Другой вариант повышения поверхностной твёрдости — химико-термическая обработка.

При цементации поверхностный слой стали насыщается углеродом, после чего деталь подвергается соответствующей термической обработке. В результате можно получить твёрдую износостойкую поверхность при сохранении необходимых свойств сердцевины.

Азотирование основано на насыщении поверхностного слоя азотом. В результате формируется твёрдый слой с высокой износостойкостью.

Выбор между цементацией, азотированием, ТВЧ и другими способами определяется конкретной задачей. Нельзя утверждать, что один из методов является универсально лучшим.

Какие детали нуждаются в термическом упрочнении

Термическая обработка используется для большого количества промышленных деталей, однако необходимость её применения определяется условиями работы конкретного изделия.

Обрабатывать могут:

• валы;
• оси;
• пальцы;
• шестерни;
• втулки;
• штоки;
• зубчатые элементы;
• детали приводов;
• элементы механизмов спецтехники;
• компоненты промышленного оборудования.

Особенно важна термообработка для деталей, которые работают в условиях постоянного трения, контактного давления, ударных нагрузок или циклического нагружения.

Однако сама по себе принадлежность детали к определённому типу ещё не означает обязательного применения закалки. Технология выбирается после анализа материала и требований к детали.

Термическая обработка при изготовлении промышленных деталей

При изготовлении новой детали термообработка часто является частью общего производственного маршрута.

Например, технологическая последовательность может выглядеть следующим образом:

заготовка → черновая механическая обработка → термообработка → чистовая обработка → контроль размеров и свойств.

В некоторых случаях последовательность будет другой. Например, часть операций механической обработки выполняется после термообработки именно для получения окончательных размеров и качества поверхности.

Это связано с тем, что нагрев и охлаждение могут вызывать определённые изменения размеров и формы детали.

Поэтому при проектировании технологического процесса необходимо заранее учитывать влияние термообработки на последующую механическую обработку.

Почему после термообработки может потребоваться дополнительная обработка

Термическое воздействие способно вызывать деформации и изменение размеров, особенно у деталей сложной формы или при неправильно выбранном режиме.

По этой причине после термообработки могут потребоваться:

• шлифование;
• токарная обработка;
• фрезерование;
• хоннингование;
• доводка рабочих поверхностей.

Для ответственных деталей это особенно важно.

Если поверхность должна работать в паре с подшипником, втулкой, уплотнением или другим компонентом с жёсткими требованиями к геометрии, одной термообработки недостаточно — необходимо обеспечить конечные размеры и качество поверхности.

Таким образом, термообработка и механическая обработка часто являются взаимосвязанными этапами одного производственного процесса.

Как выбрать технологию термообработки

Универсального режима для всех металлических деталей не существует.

Перед выбором технологии необходимо учитывать несколько факторов:

• марку и химический состав материала;
• размеры детали;
• геометрию;
• назначение детали;
• характер нагрузки;
• требования к твёрдости;
• требуемую глубину упрочнённого слоя;
• допустимую деформацию;
• необходимость последующей механической обработки.

Например, для детали, работающей в условиях интенсивного поверхностного износа, может быть рациональным локальное упрочнение рабочей зоны.

Для другой детали, испытывающей значительные динамические нагрузки по всему объёму, может потребоваться совершенно иной режим обработки.

Поэтому технологию лучше определять не по названию детали, а по её материалу, конструкции и условиям работы.

Сравнение основных методов термообработки

Эта таблица показывает главное: выбор метода зависит от того, какие свойства необходимо получить и в какой части детали они нужны.

Контроль результата термической обработки

Качественно выполненный процесс нельзя оценивать только по факту нагрева детали.

После обработки важно проверить, соответствует ли результат установленным требованиям.

В зависимости от задачи контролируются:

• твёрдость;
• геометрические размеры;
• состояние рабочей поверхности;
• наличие деформаций;
• глубина упрочнённого слоя;
• другие заданные характеристики.

Для ответственных деталей контроль имеет особое значение, поскольку внешне деталь может выглядеть нормально, несмотря на несоответствие требуемым механическим свойствам.

Поэтому технологический процесс должен включать не только нагрев и охлаждение, но и контроль результата.

Где заказывать термическую обработку и изготовление деталей

При выборе исполнителя для термической обработки стоит учитывать не только наличие соответствующего оборудования.

Для сложных промышленных деталей имеет значение возможность связать термообработку с механическим изготовлением или восстановлением детали, поскольку конечный результат зависит от всего технологического процесса. И наилучший вариант подрядчика - та производственная компания, которая работает в обеих направлениях металлообработки.

Для оценки конкретной детали обычно необходимы её чертёж или размеры, марка материала, требования к твёрдости и информация об условиях эксплуатации. На основании этих данных определяется возможность обработки и подходящий технологический маршрут.

Что необходимо указать при заказе термообработки

Чтобы специалист мог предварительно оценить возможность выполнения работ, желательно предоставить максимум технической информации.

В первую очередь полезны:

• чертёж детали;
• марка стали;
• размеры;
• фотография детали;
• требуемая твёрдость;
• предполагаемая глубина упрочнения;
• назначение детали;
• характер нагрузки;
• требования к конечным размерам.

Если деталь уже использовалась и поступает на восстановление, дополнительно желательно описать условия её эксплуатации и характер обнаруженного износа.

Чем точнее исходные данные, тем проще определить подходящую технологию и избежать необоснованного выбора режима обработки.

Термичка как часть техпроцесса

Термическая обработка металлов является не отдельной универсальной процедурой, а частью технологического процесса изготовления и восстановления деталей.

Отжиг, нормализация, закалка, отпуск, ТВЧ, цементация и азотирование решают разные задачи. Одни процессы используются для изменения структуры и подготовки материала к дальнейшей обработке, другие позволяют повысить твёрдость и износостойкость, третьи применяются для получения требуемого сочетания механических характеристик.

Для промышленных деталей особенно важно учитывать связь между термообработкой, механической обработкой и последующим контролем. Только комплексный подход позволяет получить деталь с необходимыми размерами и эксплуатационными свойствами.

При ремонте спецтехники это также даёт возможность оценить альтернативу покупке новой запчасти: в ряде случаев изношенный компонент можно восстановить, обработать механически и упрочнить рабочую поверхность с учётом будущих условий эксплуатации.