Комплексний огляд термічної обробки: ключові знання та застосування

Термічна обробка є основним виробничим процесом у металообробній промисловості, який оптимізує експлуатаційні характеристики матеріалів для задоволення різноманітних інженерних вимог. У цій статті узагальнено основні знання про термічну обробку, викладено базові теорії, параметри процесів, взаємозв’язок між мікроструктурою та властивостями, типове застосування, контроль дефектів, сучасні технології, а також питання безпеки та охорони навколишнього середовища на основі галузевої експертизи.

1. Основні теорії: ключові поняття та класифікація

Суттєвою частиною є те, що термічна обробка змінює внутрішню мікроструктуру металевих матеріалів шляхом циклів нагрівання, витримки та охолодження, тим самим регулюючи властивості, такі як твердість, міцність та в’язкість.

Термічна обробка сталі переважно поділяється на три типи:

Об’ємна термічна обробка: включає відпал, нормалізацію, гартування та відпускання — чотири основні процеси, які змінюють мікроструктуру всього виробу.

Поверхнева термічна обробка: зосереджена на поверхневих властивостях без зміни загального складу (наприклад, поверхневе гартування) або змінює поверхневу хімію (наприклад, хіміко-термічна обробка, така як цементація, нітридація та ціанування).

Спеціальні процеси: такі як термомеханічна обробка та термічна обробка у вакуумі, створені для конкретних експлуатаційних потреб.

Важливою відмінністю є те, що відпал використовує повільне охолодження (охолодження в піч або попіл) для зменшення твердості та зняття внутрішніх напружень, тоді як нормалізація використовує охолодження на повітрі для отримання більш дрібної та однорідної мікроструктури та дещо більшої міцності. Важливо, що загартування — яке використовується для отримання твердих мартенситних структур — має супроводжуватися відпуском для зменшення крихкості та досягнення балансу між твердістю і в’язкістю за рахунок зняття залишкових напружень (150–650°C).

2. Параметри процесу: ключові фактори для якості

Успішна термічна обробка залежить від точного контролю трьох основних параметрів:

2.1 Критичні температури (Ac₁, Ac₃, Acm)

Ці температури визначають цикли нагрівання:

Ac₁: початкова температура перетворення перліту в аустеніт.

Ac₃: температура, при якій ферит повністю перетворюється в аустеніт у доевтектоїдній сталі.

Acm: температура, при якій вторинний цементит повністю розчиняється в заевтектоїдній сталі.

2.2 Температура нагрівання та час витримки

Температура нагрівання: доевтектоїдна сталь нагрівається до 30–50°C вище Ac₃ (повна аустенітизація), тоді як заевтектоїдна сталь нагрівається до 30–50°C вище Ac₁ (зберігання деяких карбідів для зносостійкості). Сплави потребують вищих температур або більш тривалого витримування через повільнішу дифузію легувальних елементів.

Час витримування: розраховується як ефективна товщина заготівлі (мм) × коефіцієнт нагрівання (К) — К=1–1,5 для вуглецевої сталі та 1,5–2,5 для легованої сталі.

2.3 Швидкість охолодження та середовище загартування

Швидкість охолодження визначає мікроструктуру:

Швидке охолодження (> критична швидкість): утворюється мартенсит.

Середнє охолодження: утворюється бейніт.

Повільне охолодження: утворюються перліт або суміш фериту з цементитом.

Ідеальне середовище загартування має балансувати "швидке охолодження, щоб уникнути пом’якшення" і "повільне охолодження, щоб запобігти утворенню тріщин". Вода/сольовий розчин підходить для отримання високої твердості (але існує ризик тріщин), тоді як мінеральні масла/полімерні розчини більше пасують для складних виробів (зменшуючи деформацію).

3. Мікроструктура та експлуатаційні характеристики: головний зв’язок

Властивості матеріалу безпосередньо визначаються мікроструктурою, з ключовими співвідношеннями, що включають:

3.1 Мартенсит

Твердий, але крихкий, із голчастою або пластинчастою структурою. Збільшення вмісту вуглецю підвищує крихкість, тимчасом як збережений аустеніт зменшує твердість, але підвищує міцність.

3.2 Відпалені мікроструктури

Температура відпалу визначає експлуатаційні характеристики:

Низькотемпературний (150–250°C): Відпалений мартенсит (58–62 HRC) для інструментів/матриць.

Середньотемпературний (350–500°C): Відпалений троостит (висока пружна межа) для пружин.

Високотемпературний (500–650°C): Відпалений сорбіт (відмінні комплексні механічні властивості) для валів/зубчастих коліс.

3.3 Спеціальні явища

Вторинна твердість: Сплави (наприклад, швидкорізальна сталь) відновлюють твердість під час відпалу при 500–600°C завдяки осадженню дрібних карбідів (VC, Mo₂C).

Температурна крихкість: тип I (250–400°C, незворотна) усувається швидким охолодженням; тип II (450–650°C, зворотна) пригнічується додаванням W/Mo.

4. Типові застосування: Точкові процеси для ключових компонентів

Процеси термічної обробки адаптовуються відповідно до вимог до експлуатаційних характеристик конкретних компонентів та матеріалів:

Для автомобільних шестерень, виготовлених зі сплавів, таких як 20CrMnTi, стандартним процесом є цементація (920–950°C) з подальшим гартуванням у олії та низькотемпературним відпуском (180°C), що забезпечує твердість поверхні 58–62 HRC із збереженням міцного ядра.

Для інструментальної сталі, такої як H13, процес включає відпал, гартування (1020–1050°C, охолодження в олії) та подвійний відпуск (560–680°C). Ця послідовність знімає внутрішні напруження й регулює твердість до приблизно 54–56 HRC.

Швидкорізальна сталь, така як W18Cr4V, потребує гартування при високих температурах (1270–1280°C) для утворення мартенситу та карбідів, після чого здійснюється потрійне відпускання при 560°C для перетворення залишкового аустеніту в мартенсит, що забезпечує твердість 63–66 HRC та виняткову зносостійкість.

Сірий чавун може бути підданий термічному обробці методом аустемперування при 300–400°C для отримання мікроструктури бейніту та залишкового аустеніту, що забезпечує баланс між міцністю та в’язкістю.

Для аустенітної нержавіючої сталі типу 18-8 важливою є закалка (1050–1100°C, охолодження водою) для запобігання міжкристалітній корозії. Крім того, стабілізаційна обробка (додавання Ti або Nb) допомагає уникнути виділення карбідів, коли матеріал піддається температурам в діапазоні 450–850°C.

5. Контроль дефектів: профілактика та усунення

Поширені дефекти термічної обробки та заходи їх усунення наведені нижче:

Виникнення тріщин: Викликано термічним/організаційним напруженням або неправильними процесами (наприклад, швидким нагріванням, надмірним охолодженням). Засоби профілактики включають підігрівання, використання ступінчастого або ізотермічного гартування та відпуск відразу після гартування.

Спотворення: Може бути виправлене за допомогою холодного пресування, гарячого вирівнювання (місцеве нагрівання вище температури відпуску) або вібраційного зняття напружень. Попередні обробки, такі як нормалізація або відпал, щоб усунути напруження кування, також зменшують спотворення.

Перегрівання: Виникає, коли температура нагрівання перевищує лінію солідуса, що призводить до розплавлення меж зерен і крихкості. Основним заходом профілактики є суворий контроль температури (особливо для легованих сталей) за допомогою термометрів.

Декарбонізація: Виникає внаслідок реакцій між поверхнею заготівлі та киснем/CO₂ під час нагрівання, що зменшує твердість поверхні та втомний ресурс. Може бути контрольованою шляхом використання захисних атмосфер (наприклад, азоту, аргону) або соляних ванн.

6. Сучасні технології: Драйвери інновацій

Нові технології термічної обробки змінюють галузь, підвищуючи продуктивність та ефективність:

ТМСР (Термомеханічний контрольний процес): Поєднує контрольоване прокочування та контрольоване охолодження, щоб замінити традиційну термічну обробку, вдосконалюючи зернисту структуру й утворюючи бейніт — широко використовується в суднобудівельній сталі.

Лазерне загартування: Дозволяє точно загартовувати окремі ділянки з точністю до 0,1 мм (ідеально для поверхонь зубців шестерень). Використовує самостійне охолодження для загартування (не потребує середовища), зменшуючи деформацію та підвищуючи твердість на 10–15%.

QР (Загартування-розподіл): Передбачає витримування нижче температури мартенситного початку (Ms), щоб дозволити дифузію вуглецю з мартенситу в залишковий аустеніт, стабілізуючи останній і підвищуючи в’язкість. Цей процес є ключовим для виробництва автомобільної сталі третього покоління з ефектом підвищеної пластичності (TRIP).

Нанобейнітна сталь. Термообробка: автотемперування при 200–300°C утворює нанорозмірний бейніт і збережений аустеніт, забезпечуючи міцність 2000МПа з кращою в'язкістю, ніж у традиційних мартенситних сталей.

7. Безпека та охорона навколишнього середовища

Термообробка становить приблизно 30% загального енергоспоживання в машинобудуванні, тому безпека й стійкість є критичними пріоритетами:

Зменшення ризиків безпеки: впроваджено суворі експлуатаційні протоколи для запобігання опікам від високої температури (від нагрівального обладнання або виробів), впливу отруйних газів (наприклад, CN⁻, CO від соляних ванн), пожежам (від витоків гачка) і механічним травмам (під час підйому або затиску).

Зменшення викидів: заходи включають використання вакуумних піч (для уникнення окислювального горіння), герметизацію ванн для гартування (зменшення випаровування оливи), а також встановлення пристроїв очищення відпрацьованих газів (для адсорбції або каталітичного розкладання шкідливих речовин).

Очищення стічних вод: стічні води, що містять хром, потребують обробки шляхом відновлення та осадження, а стічні води з ціанідами потребують детоксикації. Комплексні стічні води проходять біохімічне очищення, щоб відповідати нормам викидів перед скиданням.

Висновок

Термічна обробка є основою матеріалознавства, забезпечуючи перехід від сировини до високоефективних компонентів. Опанування її принципів, параметрів та інновацій має критичне значення для підвищення надійності продукції, зниження витрат та розвитку стійкого виробництва в галузях, таких як автомобілебудування, авіація, аерокосмічна промисловість і машинобудування.