Що відбувається, коли метали піддаються термічній обробці?

До того, як були винайдені сучасні методи обробки металу, ковалі використовували тепло, щоб зробити метал придатним для обробки. Після того, як метал набув потрібної форми, нагрітий метал швидко охолоджувався. Швидке охолодження зробило метал твердішим і менш крихким.​ Сучасна обробка металу стала набагато складнішою та точнишою, що дозволяє використовувати різні техніки для різних цілей.

Вплив тепла на метал

Піддавання металу екстремальному нагріванню викликає його розширення, а також впливає на його структуру, електричний опір і магнетизм. Теплове розширення досить зрозуміле. Метали розширюються під впливом певних температур, які змінюються залежно від металу. Справжня структура металу також змінюється під впливом тепла. Тепло, яке називається алотропним фазовим перетворенням , зазвичай робить метали м’якшими, слабкішими та більш пластичними. Пластичність – це здатність розтягувати метал у дріт або щось подібне.

Тепло також може впливати на електричний опір металу. Чим сильніше нагрівається метал, тим більше електронів розсіюється, внаслідок чого метал стає більш стійким до електричного струму. Метали, нагріті до певних температур, також можуть втратити свій магнетизм. Якщо підвищити температуру до 626 градусів за Фаренгейтом і 2012 градусів за Фаренгейтом, залежно від металу, магнетизм зникне. Температура, при якій це відбувається в конкретному металі, відома як температура Кюрі.

Термічна обробка

Термічна обробка — це процес нагрівання та охолодження металів для зміни їх мікроструктури та виявлення фізичних і механічних характеристик, які роблять метали більш бажаними. Температури, до яких нагріваються метали, і швидкість охолодження після термічної обробки можуть істотно змінити властивості металу.

Найпоширенішими причинами термічної обробки металів є підвищення їх міцності, твердості, в’язкості, пластичності та стійкості до корозії. Загальні методи термічної обробки включають наступне:

• Відпал — це форма термічної обробки, яка наближає метал до його рівноважного стану. Він пом’якшує метал, роблячи його більш придатним для обробки та забезпечуючи більшу пластичність. У цьому процесі метал нагрівається вище верхньої критичної температури, щоб змінити його мікроструктуру. Після цього метал повільно охолоджується.
• Загартування менш дороге, ніж відпал, — це метод термічної обробки, який швидко повертає метал до кімнатної температури після того, як він нагрівається вище верхньої критичної температури. Процес загартування зупиняє процес охолодження від зміни мікроструктури металу. Загартування, яке можна проводити водою, маслом та іншими середовищами, загартовує сталь при тій же температурі, що й повний відпал.
• Асадкове зміцнення також відоме як зміцнення віком . Він створює однорідність зернистої структури металу, роблячи матеріал міцнішим. Процес передбачає нагрівання розчину до високих температур після швидкого охолодження. Опадове зміцнення зазвичай виконується в інертній атмосфері при температурах від 900 градусів за Фаренгейтом до 1150 градусів за Фаренгейтом. Виконання процесу може зайняти від години до чотирьох годин. Тривалість часу зазвичай залежить від товщини металу та подібних факторів.
• Відпуск, який сьогодні широко використовується у виробництві сталі, — це термічна обробка, яка використовується для підвищення твердості та в’язкості сталі, а також для зменшення крихкості . Процес створює більш пластичну та стабільну структуру. Метою відпустки є досягнення найкращого поєднання механічних властивостей металів.
• Зняття напруги – це процес термічної обробки, який зменшує напругу в металах після їх загартування, лиття, нормалізації тощо. Напруга знімається шляхом нагрівання металу до температури, нижчої, ніж необхідна для перетворення. Після цього процесу метал повільно охолоджується.
• Нормалізація – це форма термічної обробки, яка усуває домішки та покращує міцність і твердість шляхом зміни розміру зерна, щоб бути більш однорідним по всьому металу. Це досягається шляхом охолодження металу повітрям після його нагрівання до точної температури.
• Коли металева частина піддається кріогенній обробці , вона повільно охолоджується рідким азотом. Повільний процес охолодження допомагає запобігти термічному стресу металу. Далі металеву частину витримують при температурі приблизно мінус 190 градусів за Цельсієм близько доби. Під час подальшого термічного відпуску металева частина піддається підвищенню температури приблизно до 149 градусів за Цельсієм. Це допомагає зменшити ступінь крихкості, яка може виникнути, коли утворюється мартенсит під час кріогенної обробки.

Термічна обробка металів і сплавів

Термічна обробка (ТО) – це навмисний температурний вплив на металеві матеріали з метою зміни їхньої внутрішньої будови. Багато людей, які особливо не стикаються з термообробкою у своїй діяльності, вважають, що вона застосовується виключно для зміцнення, а температури, що використовуються при цьому, захмарно високі. Більш того, багато підручників і профільних статей як синонім цього терміну використовують виключно словосполучення «зміцнююча обробка». Однак це не зовсім так: залежно від сплаву і технології ТО, що використовується, його властивості можна змінити в дуже широких межах – від надм’якого і пластичного до максимально твердого і міцного. Вид термічної обробки металів безпосередньо залежить від того, які властивості повинні вони мати після такого впливу. Наприклад, застосуванням спеціальних режимів ТО можна досягти однаково високого рівня таких, здавалося б, непоєднуваних властивостей як міцність і пластичність (наприклад, для використання як матеріал кузовів легкових автомобілів). При цьому навіть незначні нагрівання (а іноді й навпаки – обробка холодом) здатні суттєво змінити характеристики металевої продукції.

У сьогоднішній статті я спробую простими словами (ну, наскільки це можливо) пояснити, що являє собою термічна обробка металу, чим різняться види ТО і для чого вони використовуються в промисловості. Розглянемо найбільш популярні типи високотемпературних впливів на вироби саме з вуглецевої та низьколегованої сталі. Останнє підкреслюю окремо тому, що один й той самий вид термообробки в матеріалах, що значно відрізняються за своїм хімічним складом, може призвести до абсолютно протилежних результатів.

У чому полягає сутність термічної обробки

Термообробка має два основні параметри: температуру впливу та час, тому режими ТО завжди зображуються саме в цих координатах (вісь Х – час, вісь Y – температура). Основні типи ТО виконуються з переходом так званих «критичних точок» – температур переходу з одного фазового чи структурного стану в інші.

Критичні температури у всіх металів та сплавів різні – залежать від складу, співвідношення елементів та їх фізичних та хімічних властивостей. Відповідно, і температурно-часові параметри термічної обробки у різних матеріалів відрізняються. Ще у ХХ столітті для найбільш затребуваних марок сталей та сплавів були сформовані довідники термокінетичних, ізотермічних та інших діаграм із зазначенням критичних точок та фаз, що утворюються за різних умов нагрівання та охолодження. Ці довідники є ключовими «настільними книгами» для інженерів, які займаються розробкою технологій ТО на промислових підприємствах. Ну а діаграма стану залізо-вуглець (її також називають діаграмою фазової рівноваги), яка з’явилася у другій половині XIX століття, взагалі є базовою не тільки для металургів та матеріалознавців, а й для багатьох фахівців з інших сфер промисловості, які мають справу із залізом, сталлю та чавуном.

Частина діаграми залізо-вуглець, яка також називається діаграмою залізо-цементит

Саме управлінням фазовим та структурним станом металів та сплавів шляхом температурного впливу і займаються термісти. Залежно від матеріалу і вимог до продукту, термічна обробка може проводитися в один етап або складатися з численних стадій нагрівань і охолоджень (в т.ч. в область негативних температур), бути переривчастою, поєднувати різні середовища для витримки і охолодження тощо.

В останні десятиліття дуже поширені види обробки сталі, в яких термічний вплив поєднано з іншими, наприклад:

• Деформаційно-термічна (термомеханічна) обробка поєднує пластичну деформацію та наступну ТО, яка тією чи іншою мірою зберігає результати наклепу. Видами такої обробки, які найчастіше зустрічаються, є термомеханічна прокатка (англ. ТМСР – Thermomechanical Controlled Process) та контрольована прокатка (англ. controlled rolling).
• Хіміко-термічна обробка сталі (ХТО) полягає в дифузійному насиченні поверхні сталевого виробу одним або декількома елементами з наступною ТО. В результаті на поверхні утворюється тонкий високоміцний зносостійкий шар, а серцевина зберігає в’язкість. До популярних типів ХТО відносяться цементація (насичення вуглецем), нітроцементація/ ціанування (вуглець + азот), азотування (азот), борування (бор), хромування (хром) та ін.

Для раціонального використання енергоресурсів сучасна промисловість активно застосовує поєднання процесів термообробки сталей з іншими високотемпературними технологічними операціями, що дозволяє виключити необхідність повторного нагрівання виробу. У чорній металургії ТО дуже ефективно поєднують з гарячою прокаткою: нормалізуюча прокатка та пряме гартування (англ. direct quenching) в потоці прокатного стану в багатьох застосуваннях замінили нормалізацію та гартування, які виконують на окремих термічних ділянках. У машинобудуванні режими термічної обробки сталі часто застосовуються відразу після кування та гарячого штампування. При цьому кінцеві властивості металу залежать від марки сталі, перерізу виробу, ступеня його деформації та температури металу перед охолодженням, охолоджуючого середовища та інших параметрів технології.

Основні види термічної обробки сталі

Я не йтиму в складні нюанси фазових і структурних перетворень, специфічні режими ТО, особливості охолоджуючих середовищ тощо — для оглядової статті це буде зайвим, а для людей, які потребують більш глибинних знань, блог все одно не зможе замінити профільну літературу та навчальні курси. Корисніше буде присвятити цей розділ огляду ключових видів термічної обробки, які найчастіше застосовуються до сталі та згадуються у стандартах на технічні вимоги до сталевого прокату, поковок та інших виробів. Це дозволить фахівцям, які працюють із закупівлею та переробкою такої продукції, краще орієнтуватися в тому різноманітті, яким відрізняється сучасний ринок металу.

На металургійних та машинобудівних підприємствах термічна обробка сталі використовується:

• як проміжна операція для покращення оброблюваності при подальшій переробці (прокатці, ковці, різанні, штампуванні та ін.);
• як остаточна операція технологічного процесу, що забезпечує заданий рівень властивостей кінцевого виробу.

Як уже було сказано вище, термічна обробка сталей може проводитися і в потоці прокатного стану або іншого агрегату з використанням нагріву під пластичну деформацію, і на окремій ділянці з виконанням нагріву в печах, установках СВЧ (струми високої частоти) та інших нагрівальних пристроях.

Відпал (англ. annealing) полягає в нагріванні сталей до температур вище зон фазового перетворення (наприклад, при повному відпалі сталі з вмістом вуглецю до 0,8% нагрівають вище лінії GS діаграми залізо-цементит) з подальшою витримкою та повільним охолодженням виробу разом із піччю. В результаті відпалу сплав набуває високої пластичності та низької твердості. Відпал часто застосовується як первинна термообробка сталі перед наступним механічним впливом. Розрізняють такі види відпалу: неповний, повний, низькотемпературний, дифузійний та рекристалізаційний. Якщо після нагрівання під повний відпал та витримки подальше охолодження сталевого виробу відбувається не з піччю, а на повітрі, то таку операцію називають нормалізаційним відпалом або нормалізацією (англ. normalizing). Цей вид термообробки сприяє підвищенню міцності сталі порівняно з відпаленою за рахунок формування більш дрібнозернистої структури. Нормалізуюча прокатка (англ. normalizing rolling), при якій остаточна деформація виконується в діапазоні температур нормалізації є альтернативою цієї ТО в печах і в більшості застосувань може її замінити.

Гартування (англ. quenching) – нагрівання металевого виробу до температур вище фазових перетворень з наступним швидким охолодженням зі швидкістю вище критичної (у воді, олії, полімерних або ефірних сумішах – залежить від хімічного складу сталі та необхідного рівня властивостей). Після загартування сталь набуває нерівноважної метастабільної структури і має найбільшу міцність, твердість, зносостійкість і підвищену крихкість у порівнянні з іншими станами. У випадку із середньо- та високовуглецевими та легованими сталями гартування найчастіше не є остаточним видом термічної обробки – для усунення надмірних внутрішніх напружень та підвищеної крихкості виріб після загартування обов’язково піддають відпуску.

Відпуск (англ. tempering) – нагрівання сталі до температур нижче фазових перетворень з подальшим охолодженням. В результаті відпускання структура сталі переходить до рівноважного стану, твердість знижується, а пластичність підвищується. Залежно від температури нагріву відпуск поділяється на низький (150–250°С), середній (300–450°С), високий (500–700°С). Зі збільшенням температури відпуску підвищуються пластичні та пружні властивості та знижується міцність сталі. Самовільне відпускання загартованих сталей при незначному нагріванні або без нього, що спостерігається з часом, називають старінням. Гартування у поєднанні з високим відпуском називають поліпшенням. Його призначення – подрібнення структури та підвищення оброблюваності сталі різанням.

Обробка холодом (кріогенна обробка) застосовується до сталевих виробів безпосередньо після загартування і полягає в охолодженні до негативних температур. Завдання такого впливу – забезпечити розпад залишкового аустеніту, підвищити міцність, твердість та зносостійкість. Обробці холодом піддають сталі, у яких температура закінчення мартенситного перетворення знаходиться нижче 0°С (наприклад, високовуглецеві леговані інструментальні сталі).

Термомеханічна прокатка, яку ми вже згадували вище, передбачає строгий контроль температури та ступеню деформації під час прокатування. Властивості, отримані після TMCP, не можуть бути відтворені нормалізацією або іншими видами термообробки поза потоком прокатного стану. Технологія термомеханічної прокатки широко застосовується при виготовленні високоміцного прокату для холодного формування та виготовлення труб, оскільки забезпечує високий комплекс властивостей без додаткового легування сталі, що погіршує зварюваність та оброблюваність.

Твердість деяких сталей після різних видів термічної обробки за ДСТУ 7809/ ГОСТ 1050

Після відпалу або високого відпуску