Комплексный обзор термической обработки: ключевые знания и применение

Термическая обработка является основным производственным процессом в металлургической промышленности, который оптимизирует эксплуатационные характеристики материалов для удовлетворения разнообразных инженерных требований. В данной статье представлены основные сведения о термической обработке, включая базовые теории, параметры процессов, соотношения между микроструктурой и свойствами материалов, типичные области применения, контроль дефектов, передовые технологии, а также вопросы безопасности и охраны окружающей среды, на основе специализированных отраслевых знаний.

1. Основные теории: ключевые понятия и классификация

По своей сути термическая обработка изменяет внутреннюю микроструктуру металлических материалов посредством циклов нагрева, выдержки и охлаждения, тем самым регулируя такие свойства, как твёрдость, прочность и ударная вязкость.

Термическая обработка стали в основном подразделяется на три типа:

Общая термическая обработка: включает отжиг, нормализацию, закалку и отпуск — четыре основных процесса, изменяющих микроструктуру всего изделия.

Поверхностная термическая обработка: направлена на изменение свойств поверхности без изменения химического состава основного материала (например, поверхностная закалка) или изменение химического состава поверхности (например, химико-термическая обработка, такая как цементация, азотирование и цианирование).

Специальные процессы: такие как термомеханическая обработка и термическая обработка в вакууме, предназначенные для достижения определённых эксплуатационных характеристик.

Основное различие между отжигом и нормализацией заключается в следующем: при отжиге используется медленное охлаждение (в печи или в золе) для уменьшения твёрдости и снятия внутренних напряжений, тогда как при нормализации применяется охлаждение на воздухе, чтобы получить более мелкую и однородную микроструктуру, а также несколько более высокую прочность. Важно отметить, что закалка — используемая для получения твёрдой мартенситной структуры — должна сопровождаться отпуском для уменьшения хрупкости и достижения баланса между твёрдостью и вязкостью за счёт снятия остаточных напряжений (150–650°C).

2. Параметры процесса: критические факторы качества

Успешная термическая обработка зависит от точного контроля трёх основных параметров:

2.1 Критические температуры (Ac₁, Ac₃, Acm)

Эти температуры определяют циклы нагрева:

Ac₁: Температура начала превращения перлита в аустенит.

Ac₃: Температура, при которой феррит полностью превращается в аустенит в доэвтектоидной стали.

Acm: Температура, при которой вторичный цементит полностью растворяется в заэвтектоидной стали.

2.2 Температура нагрева и время выдержки

Температура нагрева: Доэвтектоидная сталь нагревается до температуры на 30–50°C выше Ac₃ (полная аустенизация), тогда как заэвтектоидная сталь нагревается до температуры на 30–50°C выше Ac₁ (с сохранением части карбидов для повышения износостойкости). Сплавы требуют более высоких температур или увеличения времени выдержки из-за более медленной диффузии легирующих элементов.

Время выдержки: Рассчитывается как эффективная толщина заготовки (мм) × коэффициент нагрева (К) — К=1–1,5 для углеродистой стали и 1,5–2,5 для легированной стали.

2.3 Скорость охлаждения и закалочные среды

Скорость охлаждения определяет микроструктуру:

Быстрое охлаждение (> критической скорости): Образуется мартенсит.

Средняя скорость охлаждения: Формируется бейнит.

Медленное охлаждение: Получается перлит или смесь феррита с цементитом.

Идеальная закалочная среда обеспечивает баланс между «быстрым охлаждением для предотвращения размягчения» и «медленным охлаждением для предотвращения трещин». Вода/соленая вода подходит для достижения высокой твердости (но с риском трещин), тогда как масло/полимерные растворы предпочтительны для деталей сложной формы (уменьшая деформацию).

3. Микроструктура и свойства: Основная взаимосвязь

Свойства материала напрямую определяются микроструктурой, основные соотношения включают:

3.1 Мартенсит

Твердый, но хрупкий, с игольчатой или пластинчатой структурой. Повышенное содержание углерода увеличивает хрупкость, тогда как остаточный аустенит снижает твердость, но улучшает вязкость.

3.2 Отпущенные микроструктуры

Температура отпуска определяет свойства:

Низкотемпературный (150–250°C): Отпущенный мартенсит (58–62 HRC) для инструментов/матриц.

Среднетемпературный (350–500°C): Отпущенный троостит (высокий предел упругости) для пружин.

Высокотемпературный (500–650°C): Отпущенный сорбит (отличные комплексные механические свойства) для валов/зубчатых колес.

3.3 Специальные явления

Вторичная твердость: Сплавы (например, быстрорежущая сталь) восстанавливают твердость при отпуске при 500–600°C из-за выпадения мелких карбидов (VC, Mo₂C).

Охрупчивание при отпуске: тип I (250–400°C, необратимое) предотвращается быстрым охлаждением; тип II (450–650°C, обратимое) подавляется добавлением W/Mo.

4. Типичные применения: Процессы, адаптированные для ключевых компонентов

Процессы термообработки адаптируются под требования к эксплуатационным характеристикам конкретных компонентов и материалов:

Для автомобильных шестерен из сплавов, таких как 20CrMnTi, стандартным процессом является цементация (920–950°C), за которой следует закалка в масле и низкотемпературный отпуск (180°C), что обеспечивает твердость поверхности 58–62 HRC, сохраняя при этом вязкую сердцевину.

Для инструментальной стали, например H13, процесс включает отжиг, закалку (1020–1050°C, охлаждение в масле) и двойной отпуск (560–680°C). Эта последовательность снимает внутренние напряжения и регулирует твердость до уровня около 54–56 HRC.

Быстрорежущая сталь, такая как W18Cr4V, требует закалки при высоких температурах (1270–1280°C) для образования мартенсита и карбидов, за которой следует тройной отпуск при 560°C для превращения остаточного аустенита в мартенсит, что обеспечивает твёрдость 63–66 HRC и превосходную износостойкость.

Серый чугун можно обрабатывать методом аустемперирования при 300–400°C для получения микроструктуры бейнита и остаточного аустенита, что обеспечивает баланс прочности и ударной вязкости.

Для аустенитной нержавеющей стали типа 18-8 важно проведение закалки (1050–1100°C, охлаждение водой) для предотвращения межкристаллитной коррозии. Кроме того, стабилизирующую обработку (добавление Ti или Nb) помогает избежать выпадения карбидов при эксплуатации материала при температурах между 450–850°C.

5. Контроль дефектов: профилактика и минимизация

Распространённые дефекты термической обработки и меры борьбы с ними следующие:

Возникновение трещин: Вызывается термическим/структурным напряжением или неправильными процессами (например, быстрым нагреванием, чрезмерным охлаждением). Меры профилактики включают предварительный подогрев, применение ступенчатой или изотермической закалки и отпуск сразу после закалки.

Деформация: Может быть исправлена с помощью холодной прессовки, горячей правки (местного нагрева выше температуры отпуска) или вибрационного снятия напряжений. Предварительная обработка, такая как нормализация или отжиг для устранения напряжений ковки, также минимизирует деформацию.

Пережог: Возникает, когда температура нагрева превышает линию солидуса, приводя к плавлению границ зерен и хрупкости. Основной метод профилактики — строгий контроль температуры (особенно для легированных сталей) с использованием термометров.

Обезуглероживание: Происходит в результате реакции между поверхностью заготовки и кислородом/CO₂ во время нагревания, что снижает твердость поверхности и усталостную прочность. Может контролироваться использованием защитных атмосфер (например, азота, аргона) или соляных ванн.

6. Продвинутые технологии: Драйверы инноваций

Новые технологии термической обработки преобразуют промышленность, повышая эффективность и производительность:

ТМКП (термомеханический контролируемый процесс): сочетает контролируемую прокатку и контролируемое охлаждение для замены традиционной термической обработки, измельчая зеренную структуру и образуя бейнит — широко используется при производстве судостроительной стали.

Лазерная закалка: обеспечивает локальную поверхностную закалку с точностью до 0,1 мм (идеально подходит для поверхностей зубьев шестерен). Использует самоохлаждение для закалки (не требует охлаждающей среды), уменьшая деформацию и увеличивая твёрдость на 10–15%.

QP-процесс (закалка с разделением): включает выдержку ниже температуры мартенситного начала (Ms) для диффузии углерода из мартенсита в остаточный аустенит, стабилизируя последний и улучшая ударную вязкость. Этот процесс важен для производства стальных листов TRIP третьего поколения для автомобилестроения.

Закалка нанобейнитной стали: аустемперирование при 200–300°C приводит к образованию наноразмерного бейнита и остаточного аустенита, обеспечивая прочность 2000 МПа и лучшую ударную вязкость по сравнению с традиционной мартенситной сталью.

7. Безопасность и охрана окружающей среды

Термическая обработка составляет около 30% общего потребления энергии в машиностроении, поэтому безопасность и устойчивость являются критически важными задачами:

Снижение риска несчастных случаев: реализуются строгие эксплуатационные протоколы для предотвращения ожогов от высоких температур (от нагревательного оборудования или заготовок), воздействия токсичных газов (например, CN⁻, CO от соляных печей), возгораний (из-за утечек закалочного масла) и механических травм (во время подъема или зажима).

Снижение выбросов: меры включают использование вакуумных печей (для предотвращения окислительного горения), герметизацию закалочных резервуаров (снижение испарения масляного тумана) и установку устройств очистки выхлопных газов (для адсорбции или каталитического разложения вредных веществ).

Очистка сточных вод: сточные воды, содержащие хром, требуют восстановительной и осадительной обработки, а сточные воды, содержащие цианиды, нуждаются в детоксикации. Комплексная очистка сточных вод подразумевает биохимическую обработку, чтобы соответствовать нормам сброса перед выпуском.

Заключение

Термическая обработка является ключевым элементом материаловедения, соединяющим сырьё и высокопроизводительные компоненты. Освоение принципов, параметров и инноваций в этой области критически важно для повышения надёжности продукции, снижения затрат и развития устойчивого производства в таких отраслях, как автомобилестроение, аэрокосмическая промышленность и машиностроение.