Термическая обработка стали — одно из важнейших производственных процессов в металлургической промышленности. Данный процесс позволяет изменить физические и механические свойства металла, делая его более прочным и устойчивым к коррозии. Сталь обрабатывают в высоких температурах, и такие процессы, как закалка, отпуск и нормализация, могут использоваться для изменения свойств стали в различных областях промышленности.

Термическая обработка считается неотъемлемой частью производства стали и широко применяется в различных сферах. От производства инструментов для обработки металла и до изготовления автомобилей и мотоциклов, сталь проходит обработку теплом и получает новые свойства.

В данной статье мы рассмотрим основы термической обработки стали, ее составляющие, процессы, используемые для изменения свойств стали и техники безопасности, необходимые при проведении термической обработки. Более того, речь пойдет о применении термической обработки стали в различных отраслях производства и о том, как можно использовать новые свойства стали для определенных задач.

Что это такое?

Термическая обработка стали – это процесс изменения структуры и свойств стали путем подвергания ее воздействию высоких температур и охлаждения. Термическая обработка проводится с целью улучшения механических свойств стали, повышения ее прочности, твердости и износостойкости, а также изменения цвета и внешнего вида.

Термическая обработка стали может включать в себя различные этапы: нагрев до определенной температуры, выдержку при этой температуре на определенный промежуток времени, охлаждение воздухом или водой, и иногда последующее отжигание. Для каждого типа стали и его назначения используются свои режимы термической обработки.

Термическая обработка стали широко применяется в металлургической и машиностроительной отрасли, в производстве инструментов и кузовных деталей автомобилей, а также в других отраслях промышленности. Она является неотъемлемой частью производства высококачественной стали и играет важную роль в повышении качества производимых изделий.

Виды и особенности отпуска

Отпуск – это один из этапов термической обработки стали, который необходим для изменения ее микроструктуры и свойств. В зависимости от видов отпуска можно получить различные характеристики металла, которые позволят ему лучше выполнять свои функции в конечном изделии.

• Низкотемпературный отпуск. В результате этого отпуска уменьшается твердость и повышается пластичность стали. Этот вид отпуска используется для изготовления пружин, проводов и других изделий, требующих упругости и гибкости.
• Среднетемпературный отпуск. Он приводит к изменению микроструктуры, уменьшению напряжений и увеличению прочности материала. Чаще всего среднетемпературный отпуск используется для стали, которая будет эксплуатироваться при высоких нагрузках.
• Высокотемпературный отпуск. Этот вид отпуска используют для того, чтобы улучшить обработку и свойства стали. Он позволяет уменьшить твердость, повысить пластичность и отлично подходит для изготовления листовой стали, проката и других полуфабрикатов.

При выполнении отжига сталь подвергается нагреву до определенной температуры и выдерживается в таком состоянии для полного расслабления. Особенности каждого вида отпуска определяют порядок и условия нагрева, а также время, необходимое для изменения свойств металла.

Таблица особенностей типов отпуска

Тип отпуска	Температура, С°	Время, часы
Низкотемпературный	от 150 до 250	от 1 до 4
Среднетемпературный	от 350 до 500	от 1 до 8
Высокотемпературный	от 550 до 700	от 1 до 12

Исходя из типа отпуска стали, конструкторы определяют условия эксплуатации будущих изделий, а технологи — необходимые параметры и сроки обработки металла. Без правильно выполненного отпуска обеспечить требуемые характеристики металла на практике невозможно.

Низкий уровень термической обработки стали

Низкий уровень термической обработки стали применяется для обработки сталей с меньшим содержанием углерода, например, для изготовления металлических изделий для бытового использования, стальных полок, шпилек, крепежных элементов и т. д. Такие стали не требуют сложной термической обработки и могут быть обработаны при более низкой температуре, чем стали с высоким содержанием углерода.

В процессе низкотемпературной термической обработки стали осуществляется нагрев до температуры, не превышающей 700-800 градусов Цельсия, для дальнейшего охлаждения в воздухе. Это позволяет получить сталь с жесткостью и прочностью, соответствующей ее предназначению.

Однако низкий уровень термической обработки не всегда достаточен для изделий, которые подвергаются интенсивному нагрузочному режиму, например, для изготовления деталей машин или автомобилей. В таких случаях они требуют более продвинутой термической обработки с более высокими температурами и более длительным временем удержания стали в нагревательном устройстве.

Средний обработка стали

Средний вид термической обработки стали, который используется для изменения структуры металла и его свойств. Эта технология позволяет сделать сталь более прочной, повысить ее пластичность, твердость и устойчивость к коррозии.

В процессе средней обработки стали используют различные методы, такие как нагрев до определенной температуры и последующее охлаждение в воде, масле или воздухе. Нагрев происходит в специальных печах, где сталь обрабатывается в течение определенного времени. При охлаждении металла происходит быстрое затвердение, чего достигается за счет образования мартенситной структуры.

Кроме того, средняя обработка стали может использоваться для создания разных типов стали, в зависимости от температуры нагрева и скорости охлаждения. Например, быстрая охлаждение после нагрева даёт возможность получить инструментальные стали, а медленное — строительные стали.

Средний — эффективный и универсальный способ обработки стали, который применяется в различных отраслях промышленности. Конечный результат — улучшенные свойства металла и повышенная его прочность, что позволяет производить качественные изделия с долгим сроком службы.

Высокий

Высокий уровень термической обработки стали обычно происходит при температурах выше 980 градусов Цельсия. Данный процесс позволяет увеличить твёрдость и прочность стали, что делает её более пригодной для использования в различных отраслях промышленности.

Существует несколько методов высокотемпературной обработки стали, включая закалку, отжиг и цементацию. Каждый из этих методов имеет свои уникальные характеристики, определяющие специфические свойства получаемой стали.

Высокотемпературная обработка стали может повысить её устойчивость к коррозии, что также является важным фактором для многих производственных процессов. Кроме того, такие стали обычно дольше сохраняют свои свойства и могут выдерживать большие нагрузки.

• Закалка — процесс охлаждения нагретой стали в воду или масло, при котором происходит увеличение твёрдости и прочности, но при этом сталь становится ломкой и хрупкой.
• Отжиг — процесс нагрева стали до высоких температур, после чего её охлаждают медленно. Отжиг позволяет уменьшить недостатки в структуре стали и повысить её пластичность.
• Цементация — процесс, в ходе которого внутрь стали делают поглощающие элементы, такие как углерод и азот. Этот метод позволяет увеличить твердость и прочность стали за счёт увеличения количества карбидов, образующихся внутри структуры.

Метод	Характеристики
Закалка	Увеличение твёрдости и прочности
Отжиг	Уменьшение недостатков в структуре, повышение пластичности
Цементация	Увеличение твердости и прочности за счёт образования карбидов

Отжиг

Отжиг – это термическая обработка стали, которая проводится с целью снизить напряжение, уменьшить твердость и улучшить пластичность материала. Это одна из самых распространенных и важных операций при производстве стальных изделий.

Процесс отжига проводится в специальных печах, в которых сталь нагревается до определенной температуры и затем медленно охлаждается. Для каждого типа стали существует свой режим отжига, который определяется в зависимости от особенностей химического состава и механических свойств материала.

Отжиг используется для улучшения качества стали перед ее последующей обработкой, такой как прокатка, штамповка, сварка, резка и т.д. Без отжига сталь может быть слишком твердой и ломкой, что снижает ее способность к деформации и увеличивает вероятность трещин и поломок.

Виды отжига:

• Полный отжиг – проводится при нагревании стали до высоких температур и последующем медленном охлаждении.
• Неполный отжиг – при нагревании сталь не достигает высокой температуры. Охлаждение может быть быстрым или медленным.
• Изотермический отжиг – проводится при постоянной температуре. Медленное охлаждение не требуется.

Закалка

Закалка – это процесс термической обработки металла с целью повышения его твердости и прочности. Для проведения закалки используется нагретая до высоких температур стальная заготовка, после чего она быстро охлаждается в жидкости или газе.

Основная цель закалки – изменить микроструктуру материала, а именно превратить аустенит (радужно окрашенная зона на поверхности металла) в мартенсит. Мартенсит – очень твердый и прочный вид стали, однако он очень хрупок и склонен к растрескиванию.

Поэтому после закалки металл может оказаться слишком хрупким и необходима последующая операция это разделение ультрадисперсных мартенситных частиц на высокоуглеродистый и хрупкий мартенсит и низкоуглеродистый и более прочный мартенсит. Для этого проводится отпуск, который позволяет получить максимально желаемый результат при минимальном вреде качеству стали.

Закалка широко используется в производстве ножей, режущего инструмента, пружин, зубчатых колес, замков, осей и других деталей. Результатом правильно проведенной закалки является сталь, способная выдерживать огромные нагрузки и не терять своих свойств после долгого использования.

Другие способы термообработки

В дополнение к наиболее распространенным методам термической обработки — закалке, отпуску и нормализации — существуют и другие способы, которые можно применить для улучшения свойств стали.

• Упрочнение отжигом. Этот процесс позволяет увеличить твердость и прочность стали путем перемещения атомов и изменения ее кристаллической структуры при перегреве и последующем охлаждении воздухом или в слабом режиме.
• Ферритирование. Применяется для уменьшения содержания углерода в марганцевых, кремниевых и нержавеющих сталях. Это достигается путем обработки их водородом, азотом или водород-азотной смесью.
• Цементация. Состоит в насыщении поверхности стали углеродом путем нагрева и воздействия на нее специальных газов на основе углерода. Этот метод используется для повышения твердости и износостойкости трансмиссионных зубчатых колес, подшипников, валов и прочих деталей.

Выбор термической обработки зависит от состава стали, требуемых характеристик, размеров и формы деталей, а также от условий эксплуатации и предназначения изделий.

Химико-термическая обработка стали

Химико-термическая обработка стали – это процесс, в котором металл подвергается одновременно химическому и термическому воздействию. Он включает в себя нагревание стали до определенной температуры, затем насыщение ее поверхности углеродом или другими элементами, и заканчивается охлаждением в специальной среде. Цель такой обработки заключается в улучшении механических свойств металла, таких как прочность и твердость.

Химико-термическую обработку стали можно разделить на два типа: цементацию и нитрирование. В процессе цементации поверхность металла насыщается углеродом, что значительно повышает его твердость и прочность. Нитрирование, в свою очередь, позволяет добавить к поверхности элементы, такие как нитроген, которые также улучшают механические свойства стали.

Химико-термическая обработка стали может использоваться для производства различных деталей и компонентов, включая зубчатые колеса, корпуса подшипников и др. Этот процесс является необходимым для создания качественной и прочной стали.

Термомеханическая обработка стали

Термомеханическая обработка стали — это процесс нагрева, деформации и охлаждения, который ведет к повышению твердости, прочности и устойчивости металла к различным воздействиям.

В процессе термомеханической обработки сталь подвергается нагрузке и деформации при высокой температуре, что приводит к изменению ее внутренней структуры. Это позволяет улучшить свойства металла и снизить вероятность различных дефектов и повреждений. Кроме того, термомеханическая обработка позволяет получать сталь с определенными характеристиками, которые не могут быть достигнуты другими способами обработки.

Применение термомеханической обработки широко распространено в производстве стальных конструкций, автомобилей, судов и самолетов. В зависимости от задач, которые необходимо решить, используются различные методы термомеханической обработки, такие как ковка, прокатка, штамповка, горячая экструзия и т.д.

Важным фактором при термомеханической обработке стали является точное соблюдение режимов обработки, такие как режимы нагрева, охлаждения, давления и т.д. При неправильном выполнении любого из этапов может произойти потеря целостности материала и, как следствие, ухудшение его свойств. Поэтому термомеханическая обработка стали является сложным и тонким процессом, требующим высокой квалификации и профессионализма специалистов.

Криогенная термическая обработка стали

Криогенная термическая обработка стали — это процесс охлаждения стали до очень низкой температуры (обычно до -185°C) и последующего ее нагрева до комнатной температуры. Этот процесс может существенно улучшить механические свойства стали.

Криогенная термическая обработка используется для улучшения свойств различных видов стали, включая инструментальную, коррозионно-стойкую и высокопрочную сталь.

Одним из основных преимуществ криогенной термической обработки является значительное уменьшение размера зерна стали. Это позволяет повысить прочность и усталостную устойчивость материала. Кроме того, обработка стали криогенным способом также может оказать положительное влияние на ее коррозионную стойкость и твердость.

Криогенная термическая обработка стали часто используется в промышленности, где требуются материалы с высокими механическими свойствами, такими как авиационная и автомобильная промышленность, медицинская техника и производство инструментов.

Нюансы обработки разных марок стали

Углеродистая сталь: при обработке углеродистой стали особое внимание необходимо уделить процессу закаливания, так как именно он в значительной мере определяет механические свойства материала. Для получения высокой твердости необходимо проводить процесс закалки на определенной температуре и с достаточной интенсивностью.

Нержавеющая сталь: для нержавеющей стали характерен высокий уровень коррозионной стойкости, поэтому при обработке этого прочного материала следует избегать контакта с металлическими инструментами или заготовками. Кроме того, необходимо строго соблюдать режим термической обработки, чтобы не нарушить качество исходного материала.

Конструкционная сталь: при обработке конструкционной стали важно учитывать ее конкретное применение. Например, если материал будет использоваться в машиностроении, нужно обеспечить его высокую прочность. Если же сталь будет использоваться в строительстве, то на первый план выходят безопасность и надежность.

Сплавы: обработка стали с содержанием сплавов также требует особого внимания. В зависимости от того, какие элементы сплава присутствуют в материале, необходимы различные методы термической обработки. Например, обработка стали с содержанием меди или никеля требует более высоких температур, чем при обработке углеродистой стали.

Общее: независимо от марки, при обработке стали важно соблюдать все параметры и режимы термической обработки. Недобросовестное отношение к этому может привести к нарушению качества конечного продукта, а в некоторых случаях — даже к его непригодности для использования.