4 вида термообработки стали

Термообработка стали включает в себя три этапа: нагрев металла до заданной температуры (этап нагрева), выдерживание его при заданной температуре в течение определённого периода времени (этап выдержки) и его охлаждение до комнатной температуры способом, зависящим от типа металла и желаемых свойств (этап охлаждения). Здесь мы рассмотрим четыре основных современных вида термообработки стали: отжиг, нормализация, закалка и отпуск.

Отжиг

В известном смысле отжиг представляет собой противоположность закалке. Металл отжигают, чтобы снять напряжение, размягчить его, повысить пластичность и улучшить его зернистую структуру. Если металл предварительно не был прогрет, последующая сварка может привести к получению изделия с неравномерной температурой и даже к расплавлению участков рядом с поверхностями, температура которых близка к комнатной. В этом случае сварка может ослабить прочность металла: по мере остывания сварного шва возле твёрдых и хрупких участков возникнут внутренние напряжения. Отжиг представляет собой один из способов устранения подобных распространённых проблем и снятия внутренних напряжений.

Процесс отжига

Отжиг стали и других чёрных металлов с целью получения максимальной пластичности предполагает медленный её прогрев до соответствующей температуры, выдержку и постепенное остывание путём обволакивания в тот или иной изоляционный материал или простого выключения печи и ожидания того, пока печь и металл сами остынут. Время выдержки металла здесь зависит от его вида и массы. Если это низкоуглеродистая сталь, то потребуется максимально возможная температура отжига. По мере же увеличения содержания углерода требуемая температура отжига будет снижаться.

Нормализация 

Целью нормализации является устранение любых внутренних напряжений, возникающих в результате термообработки, механической обработки, ковки, формовки, сварки или литья. Разрушение металла может быть вызвано неконтролируемым напряжением, и нормализация стали перед любой формой закалки помогает обеспечить успех её обработки.

Различия между отжигом и нормализацией

Нормализация применима лишь к чёрным металлам. Однако здесь есть ещё одно ключевое отличие от отжига: в ходе нормализации металл охлаждается воздухом после нагрева и извлечения из печи. Нормализованная сталь получается одновременно прочнее и пластичнее отожжённой. Так что если от детали требуется выдерживать удары или обладать максимальной прочностью, чтобы быть способной противостоять внешним воздействиям, рекомендуется подвергать её нормализации, а не отжигу. Поскольку нормализованный металл охлаждаются воздухом, ключевым фактором здесь становится его масса, определяющая скорость охлаждения и степень твёрдости готового изделия. Во ходе нормализации более тонкие участки быстрее остывают на воздухе и становятся твёрже, чем более толстые. Однако после отжига и охлаждения в печи степень их твёрдости выровняется.

Закалка

Целью закалки является не только, собственно, закалить сталь, но и сделать ее более прочной. Однако, к сожалению, у неё есть ряд недостатков. Хотя закалка действительно повышает прочность металла, она также снижает его пластичность, делая его более хрупким. Поэтому после закалки нередко требуется снова нагреть металл, чтобы частично устранить его хрупкость. Для закалки большинства сталей применяется медленный их нагрев с последующей выдержкой в течение определённого времени до однородной температуры. Однако третий этап здесь может отличаться. Этот процесс предполагает быстрое охлаждение металла путём его погружения в воду, масло или рассол. Для закалки большинства сталей требуется быстрое охлаждение, известное как гашение. Однако некоторые их виды вполне можно охлаждать и воздушным путём.

Чем боле сплавов в стали, тем меньше становится скорость охлаждения, необходимая для её закалки. В этом есть и положительный момент: меньшая скорость охлаждения снижает риск образования трещин и коробления. Твёрдость углеродистой стали зависит от процента содержания в ней углерода: при содержании углерода до 0,8% пригодность к закалке возрастает вместе с соответствующим процентом. Однако если это содержание больше 0,8%, прочность стали при закалке перестаёт увеличиваться, хотя повышается её износостойкость за счёт образования твёрдого цеменита.

Когда в сталь добавляются сплавы с целью повышения её твёрдости, способность углерода к затвердеванию и упрочнению также повышается. Это значит, что требуемое содержание углерода для достижения максимального уровня твёрдости для легированных сталей ниже, чем для обычных углеродистых. В результате они обычно могут похвастаться более высокими эксплуатационными характеристиками. Для закалки углеродистой стали её требуется охладить до температуры ниже 538°C менее чем за одну секунду. Однако в случае присутствия сплавов и повышения эффективности использования углерода, этот временной интервал становится больше одной секунды. Это позволяет выбрать более медленную закалочную среду для получения необходимой твёрдости.

Углеродистые стали обычно закаливают в рассоле или воде, в то время как легированные стали закаливают в масле. К сожалению, этот процесс приводит к возникновению высоких внутренних напряжений, и, чтобы снизить их, можно применить отпуск. Непосредственно перед тем, как деталь остынет, её вынимают из закалочной ванны при температуре 94°С и дают охладиться воздушным путём. Диапазон температур от комнатной до 94°С называется диапазоном растрескивания, и находящаяся в закалочной среде сталь не должна в него попасть.

Отпуск

После закалки металла, будь то в печи или в пламени, и требуемого быстрого охлаждения, в нём с необходимостью образуются внутренние напряжения, и сталь нередко становится твёрже, чем нужно, и при этом слишком хрупкой. Чтобы решить эти проблемы, применяется отпуск, предполагающий:

• нагрев стали до заданной температуры ниже температуры закалки;
• её выдержку при этой температуре в течение определённого времени;
• воздушное охлаждение.

Здесь можно заметить, что отпуск состоит из всё тех же трёх этапов, что и сама термообработка. Основное отличие заключается в температуре закалки и её влиянии на твёрдость, прочность и, конечно же, пластичность изделия.

Отпуск стальной детали снижает вызванную закалкой твёрдость металла и придаёт ему определённые физические свойства. Отпуск всегда следует за закалкой, и одновременно снижает хрупкость и смягчает сталь. К сожалению, размягчение стали при отпуске неизбежно. Тем не менее степень потери твёрдости можно регулировать температурой отпуска.

В то время как такие виды термообработки, как отжиг, нормализация и закалка, предполагают использование температуры выше критической для металла, отпуск всегда проводится при более низких температурах. Так, после повторного нагрева закалённой стали отпуск начинают при температуре 100°C и продолжают до тех пор, пока не достигнут нижний температурный предел. Чтобы обеспечить желаемую твёрдость и прочность металла, необходимо заранее определить температуру отпуска. Минимальный срок отпуска составляет один час в случае, если толщина детали составляет менее 2,5 см. Если её толщина больше, стоит добавить ещё по часу на каждый дополнительный 2,5 см толщины.

Скорость охлаждения после отпуска не оказывает влияния на большинство материалов. После того как деталь извлечена из печи, её обычно охлаждают при комнатной температуре так же, как и в случае нормализации. Но, как и при всех прочих видах термообработки, здесь есть определённые нюансы, которые мы не имеем возможности здесь рассмотреть. Отметим лишь, что отпуск снимает возникающие в процессе закалки внутренние напряжения, снижает хрупкость и твёрдость металла и способен фактически увеличить предел прочности закалённой стали при температуре до 232°C. Если температура отпуска выше, предел прочности металла при растяжении снизится.