Термическая обработка сталей и сплавов: виды, особенности и применение

Термообработка — технологический процесс, во время которого металлические изделия подвергаются контролируемому нагреву, выдержке при определенной температуре и постепенному охлаждению. Главная цель процесса — направленное изменение структуры стали или сплава, что позволяет улучшить их характеристики: прочность, твердость, пластичность.

Принципы термообработки

Процесс термической обработки основан на физических и химических изменениях, происходящих внутри металлов под воздействием температуры. В результате положение атомов внутри кристаллической решетки изменяется, что приводит к трансформациям структуры и свойств материала.

Для усиления полученных изменений могут использоваться:

• химическое насыщение поверхности;
• пластическая деформация;
• воздействие магнитного поля. 

Такое сочетание методов позволяет создавать материалы с уникальными свойствами, недостижимыми обычными способами обработки.

Роль термической обработки в промышленности

В современной технике термообработка позволяет получать материалы с заранее заданными характеристиками. Может использоваться как промежуточная операция для улучшения обрабатываемости металлов резанием, прокаткой или ковкой. А также быть завершающей операцией, которая придает изделиям физические и механические свойства, необходимые для их успешной эксплуатации.

Изменение структуры материалов 

Во время нагрева, выдержки и охлаждения стали и сплавы претерпевают существенные изменения в структуре. В результате этих процессов материалы могут находиться в двух состояниях:

• Равновесное (стабильное) состояние достигается при медленном охлаждении, например, вместе с печью. Это позволяет завершить диффузионные превращения и вторичную кристаллизацию, обеспечивая материалу однородность и минимальные остаточные напряжения.
• Метастабильное состояние возникает при быстром охлаждении, например, в масле или воде. Из-за недостатка времени для завершения диффузионных процессов материал фиксируется в промежуточном (неравновесном или частично неравновесном) состоянии, что увеличивает твердость изделия, но может снизить пластичность.

Эти состояния влияют на эксплуатационные свойства изделия, определяя его пригодность для различных условий эксплуатации.

Технические аспекты и практическое применение

Режим охлаждения — ключевой фактор в термической обработке, от которого зависит конечное состояние материала.

• Медленное охлаждение обеспечивает состояние, близкое к равновесному. Как правило, выполняется совместно с печью, что позволяет избежать резких температурных перепадов, добиться максимально стабильной структуры и снизить риск образования трещин или внутренних дефектов. Этот режим применяется, например, для крупных конструкций, где важна равномерность свойств по всему объему.
• Умеренное охлаждение приводит к получению материалов с почти равновесной структурой. Обычно выполняется на воздухе, используется для изделий, где требуется баланс между прочностью и пластичностью.
• Резкое охлаждение в жидкостях, таких как вода или масло, необходимо для фиксации неравновесных структур. Повышает твердость, но снижает пластичность материалов. Широко используется для инструментальных сталей и деталей, работающих в условиях высоких нагрузок.

Для пружинных сталей, например, холоднокатаной ленты 60С2А по ГОСТ 14959-2016, или аналогов сплава типа Inconel, правильный выбор режима охлаждения обеспечивает их надежность и долговечность.

Основные виды термической обработки

Процессы термообработки можно разделить на три основные группы:

• Собственно термическая обработка — температурное воздействие для изменения структуры материала.
• Термомеханическая обработка — сочетание высоких температур и пластической деформации.
• Химико-термическая обработка — совмещает термическое воздействие с насыщением поверхности материала различными элементами (углерод, азот и т. д.).

Наибольшее распространение получили методы собственно термической обработки. Ниже рассмотрим их подробнее.

Отжиг

Включает нагрев стали или сплава до заданной температуры, выдержку при этой температуре и последующее медленное охлаждение, что позволяет избежать образования дефектов. Метод направлен на достижение оптимальных структурных и требуемых механических свойств.

Основные задачи отжига:

• Устранение внутренних напряжений
  • В процессе обработки или изготовления изделия внутри материала возникают остаточные напряжения. Отжиг снимает эти напряжения, снижая риск трещинообразования.
• Модификация структуры
  • Отжиг позволяет преобразовать структуру стали или сплава, улучшая однородность и изменяя размеры зерен. Способствует повышению пластичности, технологичности и улучшению других эксплуатационных характеристик.
• Достижение магнитных свойств
  • Для магнитно-мягких сплавов (например, 49К2ФА-ВИ, 50Н, 79НМ) отжиг проводится в вакууме. Это позволяет улучшить магнитные параметры, необходимые в высокоточных устройствах.

Отжиг обычно проводится при температурах, близких к критическим, с последующим медленным охлаждением, что исключает резкие фазовые переходы.

Закалка

При закалке металл нагревают до определенной температуры, выдерживают при ней и затем быстро охлаждают в воде, масле или специальных растворах. Это позволяет зафиксировать структуру и свойства, полученные на этапе нагрева.

Основные задачи закалки:

• Повышение твердости и прочности
  • Быстрое охлаждение фиксирует атомы в заданной кристаллической решетке, создавая прочную структуру. Это увеличивает сопротивляемость износу и механическим нагрузкам.
• Улучшение износостойкости
  • Закаленные металлы применяются в деталях устройств и оборудования, где необходима долговечность и повышенная износостойкость.
• Регулировка структуры
  • Закалка позволяет уменьшить размер зерен, что положительно влияет на прочность материала.

Разновидности закалки

Закалка с полиморфным превращением 

При такой термообработке изменяется кристаллическая структура материала. Преобразования происходят при нагреве стали или сплава до температуры, превышающей критическую точку, с последующим быстрым охлаждением.

Полиморфное превращение: что это такое?

Полиморфизм в металлах — это способность материала менять свою кристаллическую решетку при определенных температурных условиях. Например, при нагреве ферритная структура стали преобразуется (объемно-центрированная кубическая решетка) в аустенитную (гранецентрированная кубическая решетка). При резком охлаждении аустенит превращается в мартенсит — структуру с высокой твердостью.

Процесс закалки:

1. Нагрев
   • Материал нагревают до температуры выше критической точки фазового перехода. Для углеродистых сталей это значение определяется их химическим составом и содержанием углерода.
   • Например, для углеродистой стали температура превращения обычно составляет 730–910°C.
2. Выдержка
   • На этом этапе достигается равномерное преобразование исходной структуры в аустенитную фазу.
3. Быстрое охлаждение
   • Осуществляется в воде, масле или специальном растворе. Скорость охлаждения должна быть достаточно высокой, чтобы предотвратить обратные диффузионные процессы и зафиксировать мартенсит.

Результат закалки

В сталях и сплавах повышает:

• Твердость: благодаря образованию мартенсита.
• Прочность: увеличивается сопротивление статическим и динамическим нагрузкам.
• Износостойкость: материал после обработки может на протяжении долгого времени работать в условиях трения.

Применение

Этот тип закалки применяется для углеродистых и низколегированных сталей, например:

• 60С2А, 65Г, 70С2ХА — для пружин и рессор.
• У8А, У10А — для инструментов, таких как ножи и сверла.

Закалка без полиморфного превращения

В результате термообработки в материале не происходит фазовых изменений кристаллической структуры. В отличие от полиморфной закалки, этот метод направлен на фиксацию существующего состояния материала после нагрева.

Особенности процесса:

1. Нагрев
   • Температура нагрева должна быть ниже точки, при которой происходят фазовые изменения. 
2. Выдержка
   • На этом этапе происходит равномерное распределение легирующих элементов в кристаллической структуре.
3. Охлаждение
   • Быстрое охлаждение фиксирует достигнутую фазу, предотвращая образование других структурных состояний.

Результат закалки

Данный метод незначительно повышает прочность материала благодаря растворению легирующих элементов в твердом растворе.

Применение

Этот метод широко используется для материалов, не склонных к полиморфным превращениям, таких как:

• Аустенитные коррозионностойкие стали:
  • 12Х18Н9, 12Х18Н10Т — для химической и пищевой промышленности.
• Цветные металлы:
  • Например, алюминиевые и магниевые сплавы, где закалка улучшает пластичность и стабильность механических свойств.

Сравнение двух методов закалки

Закалка с полиморфным превращением применяется для улучшения твердости и износостойкости, что делает ее незаменимой для инструментов и деталей машин. Закалка без полиморфного превращения, в свою очередь, играет важную роль в повышении коррозионной стойкости и стабильности цветных металлов и нержавеющих сталей. Выбор метода зависит от свойств материала и требований к конечному изделию.

Отпуск

Проводится после закалки для устранения ее негативных последствий, таких как избыточная хрупкость и внутренние напряжения. Включает нагрев закаленного металла до температуры ниже критической точки, выдержку и медленное охлаждение.

В зависимости от температуры выделяют три типа отпуска:

• Низкотемпературный отпуск (до 250°C)
  • Устраняет остаточные напряжения и сохраняет высокую твердость. Применяется для пружин, инструментов и деталей, от которых требуется повышенная твердость и прочность. 
• Среднетемпературный отпуск (250–450°C)
  • Улучшает ударную вязкость и пластичность. Используется для деталей, работающих при динамических нагрузках.
• Высокотемпературный отпуск (450°C и выше)
  • Снижает хрупкость, делая материал более пластичным. Применяется для валов, зубчатых передач и других нагруженных деталей.

Основные задачи отпуска:

• Снижение внутренних напряжений
  • Этот этап предотвращает деформации, повышая стабильность изделия.
• Увеличение пластичности
  • Металл становится менее хрупким, что позволяет использовать его в условиях динамических нагрузок.
• Повышение ударной вязкости
  • Детали становятся устойчивыми к резким механическим воздействиям.

Старение

Метод термообработки, при котором изделие выдерживается при нормальной или повышенной температуре с целью изменения его свойств. Позволяет стабилизировать структуру и свойства материала. 

Основные виды старения:

• Естественное старение
  • Проводится при комнатной температуре в течение длительного времени. Обычно используется для алюминиевых сплавов.
• Искусственное старение
  • Проводится при повышенных температурах, что ускоряет процесс и улучшает эксплуатационные характеристики металлов. Применяется для сплавов на основе никеля и железа, таких как Инконель 718.

Жаропрочные материалы, такие как ХН78Т, аналоги зарубежных сплавов Инконель 625, Инконель 718, Инконель С-276, подвергаются старению для улучшения устойчивости к высоким температурам. При старении выделяются специальные карбиды, которые обеспечивают требуемые свойства готовых изделий.

Преимущества термообработки

Термическая обработка позволяет достичь:

• оптимальной механической прочности и износостойкости;
• повышения пластичности и ударной вязкости для сложных эксплуатационных условий.

Каждый из рассмотренных видов термообработки имеет свои особенности и цели, что делает их незаменимыми в промышленности. Отжиг устраняет дефекты и напряжения, закалка улучшает твердость и прочность, отпуск оптимизирует свойства после закалки, а старение позволяет дополнительно стабилизировать структуру металлов. Выбор конкретного метода зависит от свойств материала и задач, стоящих перед изготовителем.

Почему выбирают ПЗПС

Петербургский завод прецизионных сплавов предлагает широкий выбор высококачественной продукции, изготовленной с использованием современных технологий термообработки. 

Преимущества сотрудничества с ПЗПС:

• Современное оборудование, гарантирующее точность обработки.
• Контроль качества на каждом этапе производства.
• Индивидуальный подход к заказам.

У нас вы можете купить холоднокатаную ленту из сплавов марок 49К2ФА-ВИ, 27КХ, изготовленных по ГОСТ 10160-75, ленту из сплава Х20Н80 по ГОСТ 12766.1-90, холоднокатаную ленту из низкоуглеродистой стали по ГОСТ 503-81, а также аналоги сплавов типа Inconel и других зарубежных материалов. Для заказа обращайтесь по указанным телефонам или оставляйте заявку на сайте. Наши специалисты свяжутся с вами в кратчайшие сроки.

‍