Таблицы термической обработки металлов: виды, режимы, применение

[locolizator]

Термическая обработка — это один из ключевых процессов в металлообработке, который позволяет изменять свойства материала без изменения его химического состава. С помощью правильного подбора температуры, времени выдержки и скорости охлаждения можно получить нужную твёрдость, пластичность, износостойкость или другие характеристики.

Для инженеров и технологов важно иметь под рукой справочные материалы с точными режимами обработки. В этой статье разберём основные виды термической обработки, их технологические параметры и области применения. Это поможет выбрать оптимальный способ обработки для конкретной детали и условий её работы.

Основные виды термической обработки

Все методы термической обработки делятся на три большие группы в зависимости от того, что именно влияет на металл. Первая группа — это собственно термическая обработка, когда на материал воздействует только тепло. Вторая — термомеханическая обработка, которая совмещает нагрев с пластической деформацией. Третья — химико-термическая обработка, где тепло работает в паре с химическими реагентами.

Внутри каждой группы есть свои подвиды, и выбор зависит от того, что нужно получить в итоге. Например, если надо снять остаточные напряжения после механической обработки — один подход, а если нужна высокая поверхностная твёрдость при гибкой сердцевине — совсем другой. Поэтому важно понимать, чем отличаются эти методы и когда их применять.

Отжиг и его разновидности

Отжиг — это, пожалуй, самый распространённый и универсальный метод. Он заключается в нагреве металла до определённой температуры с последующим медленным охлаждением. Цель отжига обычно в том, чтобы снять внутренние напряжения, улучшить пластичность материала или подготовить его структуру к дальнейшей обработке.

В зависимости от целей и типа сплава различают несколько видов отжига. Для каждого вида характерны свои температурные диапазоны и времена выдержки. Вот что нужно знать о каждом:

• Полный отжиг применяется к доэвтектоидным сталям (с содержанием углерода ниже 0,8%). Нагрев ведут на 30–50 °C выше критической точки A3, то есть в диапазон 830–950 °C. Это позволяет полностью переструктурировать материал и получить максимально мягкое состояние.
• Неполный отжиг подходит для заэвтектоидных сталей (с углеродом выше 0,8%), так как нагрев выше точки Acm привёл бы к выделению избыточной фазы по границам зёрен. Температура здесь ниже — обычно в районе A1 (727 °C).
• Отжиг для снятия напряжений — это щадящая обработка, которую часто проводят после сварки или механической обработки. Температура нагрева невысока, а охлаждение очень медленное, чтобы избежать новых напряжений.
• Рекристаллизационный отжиг необходим после холодной деформации, чтобы восстановить пластичность материала и избавиться от наклёпа.
• Сфероидизирующий отжиг применяют, чтобы преобразовать пластинчатые структуры (перлит) в шаровидные (сфероидный цементит). Это значительно улучшает обрабатываемость резанием.

Нормализация, закалка и отпуск

Нормализация отличается от отжига главным образом скоростью охлаждения. После нагрева на 750–950 °C материал охлаждают не в печи, а на воздухе. Это ускоряет процесс в 5–10 раз по сравнению с печным охлаждением и делает нормализацию более производительной для промышленного производства. При этом структура получается немного тверже, чем при полном отжиге, но пластичность остаётся на приемлемом уровне.

Закалка — это совсем другой подход. Здесь металл нагревают очень высоко (750–1300 °C в зависимости от марки стали) и затем быстро охлаждают в холодной воде, масле или воздухе. Такой резкий переход не даёт структуре время для естественного превращения, и получается очень твёрдое, но хрупкое состояние — мартенсит. Время выдержки при закалке минимально — всего 0,1–1 час.

Отпуск всегда идёт после закалки. Закалённый материал слишком хрупкий для практического применения, поэтому его нагревают до более низких температур (обычно 150–650 °C) и охлаждают. Это снижает хрупкость и создаёт оптимальное соотношение между твёрдостью и пластичностью. В зависимости от температуры отпуска говорят о низком, среднем или высоком отпуске — каждый даёт свой набор свойств.

Метод	Температура нагрева, °C	Время выдержки	Охлаждение	Основная цель
Полный отжиг	830–950	1–10 часов	В печи	Размягчение, снятие напряжений
Неполный отжиг	До A1 (727 °C)	0,5–2 часа	В печи	Щадящее размягчение
Нормализация	750–950	0,5–2 часа	На воздухе	Нормализация структуры
Закалка	750–1300	0,1–1 час	Вода, масло, воздух	Повышение твёрдости
Низкий отпуск	150–250	0,5–2 часа	На воздухе	Снятие хрупкости закалки
Высокий отпуск	500–650	1–3 часа	На воздухе	Улучшение пластичности

Химико-термическая обработка

Этот класс методов принципиально отличается тем, что в него вовлекаются химические элементы — чаще всего углерод или азот. Металл нагревают в специальной среде (газ, расплав или твёрдый карбюризатор), и атомы этого элемента диффундируют в поверхностный слой. Результат — повышение поверхностной твёрдости при сохранении вязкой, упругой сердцевины. Это критически важно для деталей, которые должны выдерживать высокие местные контактные нагрузки.

Цементация — классический метод насыщения поверхностного слоя углеродом. Заготовку помещают в среду с высоким содержанием углерода (это может быть углеродосодержащий газ, расплав или твёрдая смесь) и нагревают. Углерод проникает в сталь на глубину 0,5–2 мм в зависимости от температуры и времени. После цементации обязательна закалка, чтобы «зафиксировать» результат.

Азотирование работает по похожему принципу, но вместо углерода используется азот. Детали нагревают в аммиачной среде при температуре 500–520 °C. Азот проникает глубже, чем углерод, но процесс идёт медленнее. Зато слой получается очень износостойким — это особенно ценно для скользящих поверхностей и режущего инструмента.

Цианирование — комбинированный метод, где в поверхностный слой одновременно входят и углерод, и азот. Процесс может проводиться в газовой или жидкой среде, температура и состав подбираются в зависимости от требуемых свойств.

Виды химико-термической обработки:

• Цементация — диффузионное насыщение углеродом при нагреве до 900–950 °C, глубина слоя 0,8–2 мм за 4–12 часов.
• Азотирование — насыщение азотом при 500–520 °C, глубина проникновения 0,1–0,8 мм, длительность 20–100 часов в зависимости от режима.
• Цианирование — одновременное насыщение углеродом и азотом, сочетает преимущества обоих методов, проводится при 800–900 °C в течение 0,5–3 часов.
• Алитирование — диффузионное насыщение алюминием для повышения жаростойкости, применяется при высоких температурах.
• Сульфидирование — насыщение серой для улучшения противозадирных свойств, используется для деталей с повышенным трением.
• Силицирование — введение кремния в поверхностный слой для повышения жаростойкости и коррозионной стойкости.

Режимы термообработки: как выбрать оптимальный

Выбор режима термической обработки зависит от множества факторов: марки стали, размера и формы детали, требуемых механических свойств, условий эксплуатации. Для типовых случаев существуют стандартные таблицы режимов, которые проверены практикой. Однако каждый конкретный случай может потребовать уточнений.

Ответственные детали, работающие под высокими нагрузками, часто проходят комплексную обработку в несколько этапов. Типичная последовательность выглядит так: сначала предварительная термообработка (нормализация или отжиг) для подготовки структуры, потом черновая механическая обработка, затем улучшение (закалка плюс высокий отпуск), далее получистовая механическая обработка, потом поверхностное упрочнение (цементация, азотирование или поверхностная закалка), и наконец финишная механическая обработка.

При выборе среды охлаждения нужно учитывать, что слишком быстрое охлаждение может вызвать коробление и растрескивание, особенно для крупных деталей. Поэтому часто используют не воду, а масло или даже воздух. Современные технологии предусматривают также криогенную обработку (охлаждение жидким азотом до минус 196 °C) после закалки, чтобы завершить мартенситное преобразование и повысить износостойкость.

Ключевые факторы для выбора режима:

• Марка стали — углеродистые, легированные, инструментальные стали имеют разные критические температуры и требуют разных режимов.
• Размер и форма детали — тонкие детали охлаждаются быстрее, крупные требуют щадящего охлаждения во избежание коробления.
• Требуемые механические свойства — если нужна максимальная твёрдость, используют низкий отпуск, если нужна вязкость, то высокий отпуск.
• Условия эксплуатации — для абразивного износа нужна высокая поверхностная твёрдость, для ударных нагрузок важна вязкость.
• Производительность — закалка с воздушным охлаждением быстрее, чем масляная или водяная, но может дать менее стабильный результат.

Практическое применение таблиц в производстве

Справочные таблицы режимов термической обработки — это не просто теория, а рабочий инструмент, который экономит время при планировании технологических процессов. Когда инженер получает техническое задание на деталь, он сначала выбирает марку материала, затем по таблице подбирает режимы обработки, которые обеспечат нужный набор свойств.

Однако таблицы — это рекомендации на основе типовых случаев, а не абсолютная истина. Разные производители стали, разные печи, разное оборудование могут дать небольшие отклонения в результатах. Поэтому для критичных деталей обязательно проводят контрольные испытания — замеры твёрдости, изучение микроструктуры, испытания на разрыв. Это подтверждает, что режим подобран правильно и деталь получит нужные свойства.

Важный момент — документирование процесса. Каждую партию деталей нужно обрабатывать в одинаковых условиях, с учётом сезонных колебаний температуры и влажности в цехе. Для этого ведут журналы с записью фактической температуры, времени, типа охладителя и других параметров. Это позволяет отследить, какой режим дал лучший результат, и в следующий раз его повторить.

Основные принципы работы с таблицами режимов:

• Всегда уточняй марку стали — одна и та же обработка для углеродистой и легированной стали даст разные результаты.
• Проверяй толщину и размер детали — таблицы часто дифференцируют по сечению, потому что скорость охлаждения зависит от массивности.
• Контролируй температуру в печи — погрешности в 10–20 °C могут заметно сказаться на результате.
• Засекай время выдержки при температуре — обычно учитывают, что нужно несколько минут на то, чтобы вся деталь прогрелась до нужной температуры.
• Выбирай охладитель в зависимости от требований — для максимальной твёрдости используют воду или масло, для снижения коробления — воздух или щадящее охлаждение.

Технологические параметры и их взаимосвязь

Любая таблица режимов содержит три ключевых параметра: температуру нагрева, время выдержки и охладитель. Но эти параметры не независимы друг от друга — они связаны. Если поднять температуру, можно немного сократить время, потому что диффузия идёт быстрее. Если охлаждать медленнее, теплопередача будет менее интенсивной, и детали большего сечения будут остывать неравномерно.

Оптимальный режим находится в точке баланса между этими параметрами. Например, при цементации слишком высокая температура может привести к окислению поверхности и окалинообразованию, а слишком низкая замедлит диффузию углерода. Точно так же при отпуске слишком быстрое охлаждение вызовет новые напряжения, а слишком медленное не даст нужного эффекта.

Для разных типов сплавов рекомендуемые параметры также различаются. Углеродистые стали, как правило, более чувствительны к скорости охлаждения, чем легированные. Высоколегированные стали (например, нержавеющие) требуют особого внимания, потому что они более склонны к коррозии в промежуточных состояниях. Алюминиевые сплавы вообще требуют совсем других режимов, потому что их критические температуры намного ниже, чем у стали.

В таблицах также указываются допуски на отклонения. Например, если в таблице указана температура 850 °C, это обычно означает 850 ± 10 °C. Эти допуски определены стандартами и практикой, они учитывают погрешности приборов и естественные вариации в процессе.

На что ещё стоит обратить внимание

Термическая обработка — это мощный инструмент в руках технолога, но требует понимания физики процесса. Даже правильно подобранный режим может не дать ожидаемого результата, если не учесть такие факторы, как исходная структура материала, загрязнённость поверхности, наличие дефектов в материале. Если деталь уже имеет трещины или поры, закалка может их расширить.

Также важно понимать, что таблицы режимов постоянно совершенствуются с развитием технологий. Появляются новые сорта печей, новые охладители, новые методы контроля. Поэтому периодически стоит обновлять свои справочные материалы и смотреть, какие последние рекомендации дают производители сталей и оборудования. Многие из них выпускают собственные таблицы режимов, которые оптимизированы именно для их продукции.