Полное руководство по термообработке металлов: превращайте свойства металлов как профессионал

Руководство по термообработке металлов: как тепло меняет свойства металлов

Введение: изменение работы металлов

Термообработка металлов — важная часть работы с металлами. Это означает нагрев и охлаждение металлов контролируемыми способами для изменения их поведения. Это не просто нагрев и охлаждение — речь идет о тщательном изменении микроструктуры внутри металла для достижения конкретных результатов. Этот процесс позволяет нам из одного куска стали сделать либо мягкий и легко формуемый, либо твердый и износостойкий.

Это руководство выходит за рамки базовой информации, чтобы исследовать основные причины, по которым происходят эти изменения. Мы рассмотрим научные принципы, которые управляют поведением металлов при нагревании и охлаждении. Цель — дать вам твердое понимание того, как время и температура создают разные внутренние структуры в металлах. Когда вы понимаете эти идеи, вы можете предсказывать и контролировать происходящее, превращая термообработку из следования рецептам в настоящую инженерную науку. Ключ — понять, как связаны процесс нагрева и охлаждения, полученная микроструктура, изменения, их вызывающие, и конечные свойства.

Научная основа

Чтобы управлять свойствами стали, вы должны сначала понять правила, регулирующие ее внутреннюю структуру. Эта основа основана на диаграммах фаз, которые работают как дорожные карты металлов, и знании ключевых структур, которые могут образовываться внутри металлов.

Чтение чертежа

Диаграмма фаз железо-углерод — основа термообработки стали. Это научная карта, показывающая, какие фазы существуют в смесях железа и углерода при различных температурах и уровнях углерода. Понимание этой диаграммы необходимо каждому, кто серьезно занимается термообработкой.

Она показывает важные фазы и температуры трансформации. Ключевые фазы включают:

• Феррит: тип структуры железа, которая мягкая, гибкая и магнитная. Она может содержать очень мало углерода.
• Аустенит: другая структура железа, которая немагнитная и может содержать значительно больше углерода (до 2.11% по массе). Большинство процессов термообработки начинаются с этой фазы.
• Цементит: твердый, хрупкий соединение железа и углерода (6.67% углерода). Обеспечивает твердость и износостойкость стали.
• Перлит: не одна фаза, а слоистая структура, состоящая из чередующихся слоев феррита и цементита. Формируется при медленном охлаждении аустенита.

Диаграмма также показывает критические температуры трансформации. Самая важная — линия A1, или нижняя критическая температура, около 727°C (1341°F). Ниже этой температуры аустенит не может существовать. Линия A3 показывает температуру, при которой низкоуглеродистая сталь полностью превращается в аустенит. Линия Acm показывает температуру, при которой высокоуглеродистая сталь полностью растворяется в аустените. Нагрев стали выше этих верхних критических температур — первый шаг в большинстве процессов закалки и нормализации, называемый аустенитизацией.

Галерея внутренних структур

Свойства термообработанной стали напрямую зависят от ее внутренней структуры. Цель любого термического процесса — получить определенную структуру или их комбинацию.

• Феррит: как самая мягкая часть, обеспечивает высокую гибкость и ударную вязкость, но низкую прочность и твердость. Он встречается в низкоуглеродистых сталях в их мягком состоянии.
• Перлит: Эта слоистая структура феррита и цементита обеспечивает сбалансированную прочность и пластичность. Крупный перлит, образующийся при очень медленном охлаждении, более мягкий и легче поддается механической обработке. Мелкий перлит, образующийся при более быстром охлаждении (например, на воздухе), более твердый и прочный.
• Бейнит: Промежуточная структура, образующаяся при температурах ниже образования перлита, но выше температуры начала образования мартенсита. Он содержит мелкие частицы карбидов в ферритной матрице, обеспечивая превосходное сочетание прочности, пластичности и ударной вязкости, часто лучше, чем у закаленных и отпущенных структур аналогичной твердости.
• Мартенсит: Пересыщенный раствор углерода в железе со специальной кристаллической структурой. Он образуется при быстрой закалке из аустенитной области, предотвращая перемещение углерода. Он чрезвычайно твердый, хрупкий и имеет характерный игольчатый вид под микроскопом. Он является основой для большинства закаленных сталей.

Анализ первичных процессов

В большинстве распространенных методов термической обработки используются принципы диаграммы железо-углерод посредством контролируемых циклов нагрева и охлаждения. Каждый процесс, определяемый температурой нагрева, временем выдержки и скоростью охлаждения, предназначен для достижения определенного структурного результата.

Разупрочнение и обрабатываемость

Когда сталь необходимо формовать, обрабатывать или снимать внутренние напряжения, используются методы разупрочнения.

• Полный отжиг: Основная цель - достичь максимальной мягкости, пластичности и однородной структуры. Процесс включает в себя нагрев стали примерно на 30-50°C выше A3 (для низкоуглеродистых сталей) или Acm (для высокоуглеродистых сталей), выдержку при этой температуре для обеспечения полного превращения и химической однородности, а затем очень медленное охлаждение внутри печи. Эта медленная скорость охлаждения дает достаточно времени для перемещения атомов, что приводит к образованию крупнозернистого перлита и ферритных структур, идеально подходящих для последующей холодной обработки или механической обработки.
• Нормализация: Цель состоит в том, чтобы измельчить структуру зерна и улучшить однородность механических свойств, производя более твердую и прочную сталь, чем полностью отожженная сталь. Этапы нагрева и выдержки аналогичны отжигу, но охлаждение производится на спокойном воздухе. Эта умеренно более высокая скорость охлаждения приводит к образованию более мелкой и обильной структуры перлита. Нормализация часто используется для подготовки компонента к последующим операциям закалки, обеспечивая более однородную реакцию на закалку.

Достижение максимальной твердости

Чтобы создать компонент, устойчивый к износу и вдавливанию, цель состоит в том, чтобы получить полностью мартенситную структуру.

• Закалка: Этот процесс направлен на достижение максимальной твердости. Сталь нагревается до надлежащей температуры аустенизации и выдерживается достаточно долго, чтобы карбиды растворились в аустенитной матрице. Затем ее быстро охлаждают (закаливают) со скоростью, превышающей «критическую скорость охлаждения» стали. Это быстрое отвод тепла предотвращает нормальное образование перлита или бейнита. Вместо этого аустенит превращается в мартенсит посредством другого типа превращения. Захваченные атомы углерода искажают структуру железа, создавая огромное внутреннее напряжение, которое является источником чрезвычайной твердости и соответствующей хрупкости мартенсита.

Восстановление ударной вязкости

Свежезакаленная, полностью мартенситная деталь слишком хрупкая для почти всех инженерных применений. Ее необходимо модифицировать, чтобы она была полезной.

• Отпуск: Это обязательная обработка после закалки. Его цель - уменьшить хрупкость, снять внутренние напряжения и повысить ударную вязкость, хотя некоторая твердость теряется. Процесс включает в себя повторный нагрев ниже линии A1 (обычно между 150°C и 650°C), выдержку в течение определенного времени, а затем охлаждение. Во время отпуска нестабильный мартенсит начинает разрушаться. Атомы углерода могут выходить из структуры и образовывать чрезвычайно мелкие частицы карбидов внутри более мягкой ферритной матрицы. Полученная структура называется отпущенным мартенситом. Окончательная твердость и ударная вязкость напрямую зависят от температуры отпуска; более высокие температуры приводят к более низкой твердости, но значительно большей ударной вязкости.

Таблица 1: Сравнительный анализ основных методов термической обработки стали

Наука закалки

Инструкция «быстро охлаждать» во время закалки слишком проста. Процесс отвода тепла при закалке — это сложное явление теплопередачи, которое определяет успех или неудачу процесса закалки. Его понимание критически важно для контроля процесса.

Три этапа охлаждения

Когда горячая стальная деталь погружается в жидкий закалочный агент, она не охлаждается равномерно. Кривая охлаждения управляется тремя различными стадиями теплопередачи:

1. Этап парового покрова (пленочное кипение): сразу после погружения жидкость, соприкасающаяся с горячей поверхностью, испаряется, образуя стабильный изолирующий паровой покров вокруг детали. Передача тепла через этот паровой слой медленная и происходит в основном за счет излучения. Это наименее эффективный этап охлаждения. Если этот этап длится слишком долго, деталь может не охладиться достаточно быстро для образования мартенсита, вместо этого образуются более мягкие продукты, такие как перлит.
2. Этап переноса пара (ядерное кипение): по мере охлаждения поверхности детали паровой покров становится нестабильным и разрушаетcя. Жидкость вступает в прямой контакт с поверхностью, бурно закипает и уносит с собой большое количество тепла. Эта фаза ядерного кипения обеспечивает самый быстрый режим удаления тепла и является наиболее критической для достижения мартенситной трансформации.
3. Этап жидкостного охлаждения (конвекция): как только температура поверхности опускается ниже точки кипения закалочного агента, кипение прекращается. Охлаждение продолжается значительно медленнее, управляемое конвекцией и теплопроводностью в объемной жидкости. Этот этап менее критичен для твердости, но может влиять на окончательные напряжения и деформации.

Технический анализ закалочных сред

Выбор закалочной среды — важное решение, основанное на твердости стали, форме детали и желаемых свойствах. Каждая среда имеет уникальный профиль кривой охлаждения.

• Вода/рассол: вода обеспечивает очень быстрое охлаждение. Этап парового покрова короткий, а этап ядерного кипения чрезвычайно эффективен. Однако скорость охлаждения не значительно замедляется в нижнем диапазоне температур, где образуется мартенсит, что создает большие температурные градиенты и внутренние напряжения. Это ведет к высокому риску деформаций и трещин при закалке, особенно в сложных формах. Добавление соли для получения рассола подавляет паровой покров, делая охлаждение еще более быстрым и суровым.
• Масла: закалочные масла — основные рабочие средства отрасли. Они обеспечивают более медленное охлаждение, чем вода. Основное преимущество — значительно более длительный и стабильный этап парового покрова, за которым следует менее агрессивная фаза ядерного кипения. Важно, что скорость охлаждения значительно замедляется на этапе конвекции, совпадающем с диапазоном образования мартенсита. Такое «мягкое» охлаждение при трансформации снижает тепловой шок и минимизирует риск трещин и деформаций. С практической точки зрения, риск возгорания — постоянное соображение, требующее правильной вентиляции и систем безопасности.
• Полимеры: полимерные закалочные агенты (на основе гликоля) предлагают лучшее из обоих миров. Регулируя концентрацию полимера в воде, можно добиться любой скорости охлаждения между водой и маслом. Более высокая концентрация создает более стабильную полимерную пленку на детали, замедляя охлаждение. Они негорючие и обеспечивают большую гибкость процесса.
• Газ/принудительный воздух: для высоколегированных сталей с очень высокой твердостью часто жидкая закалка слишком сурова. Газовая закалка под высоким давлением (обычно азотом или аргоном) в вакуумной печи обеспечивает чистую, контролируемую и предсказуемую скорость охлаждения, достаточную для образования мартенсита в этих сплавах при минимальных деформациях.

Таблица 2: Техническое сравнение распространенных закалочных сред

Передовые и поверхностные обработки

Помимо основных процессов, специализированные обработки предлагают уникальные комбинации свойств или изменяют только поверхность компонента, создавая композитный материал с различными свойствами поверхности и сердцевины.

Изотермические преобразования

Эти процессы прерывают закалку для достижения определенных, не мартенситных структур.

• Аустемперирование: Этот процесс предназначен для получения полностью бейнитной структуры. Деталь закаливается от температуры аустенизации в ванну с расплавленной солью или маслом, поддерживаемую при постоянной температуре выше линии начала мартенситного превращения (обычно 260-400°C). Она выдерживается при этой температуре до тех пор, пока аустенит полностью не превратится в бейнит. Затем ее охлаждают до комнатной температуры. Полученная бейнитная структура обеспечивает превосходную прочность, высокую ударную вязкость и хорошую изгибаемость, часто без необходимости окончательной операции отпуска. Она высоко ценится для производства прочных, устойчивых к повреждениям компонентов, таких как удерживающие зажимы и пружины.
• Мартенситная закалка (Marquenching): Это не сам процесс закалки, а метод минимизации деформации и остаточных напряжений во время закалки. Деталь закаливается от температуры аустенизации в горячую жидкость (соль или масло), поддерживаемую чуть выше температуры начала мартенситного превращения. Она выдерживается достаточно долго, чтобы температура выровнялась по всему сечению детали, но недостаточно долго, чтобы образовался бейнит. Затем деталь извлекается и охлаждается на воздухе до комнатной температуры. Во время этого медленного воздушного охлаждения аустенит превращается в мартенсит довольно равномерно по всему сечению, что значительно снижает температурные различия, вызывающие деформацию. Мартенситно-закаленная деталь по-прежнему полностью мартенситная и хрупкая и должна быть отпущена.

Химия цементации

Цементация создает твердую, износостойкую поверхность (цементированный слой) над более мягкой, прочной сердцевиной. Это достигается путем диффузии элементов в поверхность низкоуглеродистой стали при повышенных температурах.

• Науглероживание: Это наиболее распространенный метод поверхностной закалки. Деталь из низкоуглеродистой стали (которая не может быть значительно закалена насквозь) нагревается в богатой углеродом атмосфере (газовой, жидкой или твердой). При повышенной температуре (обычно 900-950°C) атомы углерода диффундируют в поверхность стали. После достаточного времени для достижения желаемой глубины цементированного слоя (например, 0,5-1,5 мм) деталь, теперь с поверхностью с высоким содержанием углерода, закаливается и отпускается. В результате получается композитная деталь с твердым, мартенситным цементированным слоем с высоким содержанием углерода и мягкой, прочной сердцевиной с низким содержанием углерода, идеально подходящая для шестерен, подшипников и валов.
• Азотирование: Этот процесс диффундирует азот в поверхность стали для образования чрезвычайно твердых нитридов железа или сплавов. Он выполняется при более низкой температуре, чем науглероживание (обычно 500-550°C), которая ниже критической температуры A1. Основным преимуществом является то, что закалка обычно не требуется, поскольку твердость происходит от самих стабильных нитридных соединений, а не от мартенситного превращения. Это почти полное исключение закалки значительно минимизирует деформацию, что делает азотирование идеальным для готовых, высокоточных деталей. Полученный цементированный слой исключительно твердый (часто >65 HRC) и устойчив к износу и коррозии.

Таблица 3: Анализ передовых методов поверхностного закаливания

Проверка и контроль

Тепловая обработка — это наука точности, и её успех должен подтверждаться строгими методы контроля качества. Эти испытания устраняют разрыв между металлургической теорией и реальным применением.

Квантификация твердости

Твердость — это наиболее распространённое и критически важное свойство, измеряемое после термической обработки. Вдавливание испытания на твердость измеряют устойчивость материала к локализованной пластической деформации.

• Испытание на твердость по Роквеллу является отраслевым стандартом для закаленных компонентов. Шкала «C» (HRC) использует алмазный индентор под нагрузкой 150 кг и идеально подходит для измерения твердости закаленных и отпущенных сталей.
• Испытание на твердость по Бринеллю использует больший твердосплавный шариковый индентор и более высокую нагрузку, создавая большее углубление. Он отлично подходит для измерения более мягких материалов или материалов с грубой структурой, поскольку обеспечивает среднюю твердость по большей площади.

Визуализация результата

Окончательное подтверждение успешной термообработки происходит при непосредственном наблюдении внутренней структуры. Это делается с помощью металлографического анализа. Образец вырезается из компонента, монтируется в полимер, а затем шлифуется и полируется до зеркального блеска. Затем образец химически протравливается, что предпочтительно воздействует на различные фазы и границы зерен. При рассмотрении под микроскопом выявляется внутренняя структура. Разница между грубым, слоистым перлитом отожженного образца и тонкой, игольчатой структурой мартенсита безошибочна. Эти визуальные доказательства подтверждают, что предполагаемые фазовые превращения произошли.

Прогнозирование прокаливаемости

Крайне важно различать твердость и прокаливаемость. Твердость - это мера сопротивления материала вдавливанию. Прокаливаемость - это способность стального сплава закаливаться при закалке. Она определяет глубину, на которую деталь будет закалена. Испытание на прокаливаемость по методу торцевой закалки Джомини является стандартным методом измерения этого свойства. Цилиндрический стержень стандартного размера аустенитизируется, а затем закаливается только на одном конце контролируемой струей воды. Другой конец медленно остывает на воздухе. Затем твердость измеряется через регулярные интервалы по длине стержня. Полученный график зависимости твердости от расстояния от закаленного конца является кривой прокаливаемости стали. Эти данные необходимы металлургам для выбора правильного сплава для данного размера детали и процесса закалки, чтобы обеспечить ее закалку по всему поперечному сечению, если это необходимо.

Заключение: Наука и мастерство

Термическая обработка металла - это сочетание науки и мастерства. Это точная дисциплина, регулируемая неизменными принципами термодинамики, как это отображено на фазовых диаграммах, и кинетики, которая диктует зависящий от времени характер преобразований. Глубокое понимание того, как скорость нагрева, время выдержки и кривые охлаждения влияют на образование феррита, перлита, бейнита и мартенсита, - это то, что отличает техника от металлурга. Осваивая эти принципы, мы выходим за рамки простого следования процедурным схемам. Мы получаем возможность устранять неполадки, оптимизировать процессы и активно проектировать свойства материала для удовлетворения жестким требованиям современной инженерии. Термическая обработка - это последний, критический шаг, который раскрывает весь скрытый потенциал, заложенный в каждый металлический сплав.

1. ASM International — термообработка и металлургия https://www.asminternational.org/
2. ASTM International – Испытания и стандарты металлов https://www.astm.org/
3. SAE International – Стандарты по материалам и термообработке https://www.sae.org/
4. Общество минералов, металлов и материалов (TMS) https://www.tms.org/
5. NIST – Национальный институт стандартов и технологий https://www.nist.gov/
6. ISO – Международная организация по стандартизации https://www.iso.org/
7. ASME – Американское общество машиностроителей https://www.asme.org/
8. Общество термической обработки (часть ASM International) https://www.asminternational.org/web/heat-treating-society
9. Наука о материалах и инженерия — ScienceDirect https://www.sciencedirect.com/topics/materials-science
10. ANSI — Американский национальный институт стандартов https://www.ansi.org/