Термическая обработка металлов: виды, технология, применение

Термическая обработка — один из ключевых этапов при производстве металлических изделий. От правильно выбранного режима нагрева и охлаждения зависят прочность, твердость, износостойкость и срок службы деталей. В этом материале разбираем, как устроен процесс термообработки, какие методы и режимы применяют для разных металлов и как избежать типичных ошибок.

Что такое термическая обработка 

Определение и принцип действия

Термическая обработка — это контролируемый нагрев и последующее охлаждение металла с целью изменить его физические свойства. В промышленной среде обычно используют сокращенный вариант термина — термообработка. 

Зачем нужна термообработка металлов?

После литья, ковки, сварки или механической обработки материал может быть слишком хрупким или мягким. А еще в нем могут оставаться внутренние напряжения, которые в дальнейшем приведут к деформации. Термическая обработка металлов и сплавов помогает избежать этих проблем.

Она позволяет: 

• повысить твердость и износостойкость;
• улучшить пластичность и вязкость;
• снять внутренние напряжения;
• добиться равномерных свойств по всему объему детали;
• подготовить металл к последующим операциям, например к резке или шлифовке. 

Основные виды термической обработки металлов

Существуют разные виды термообработки. Рассмотрим те, что применяют в промышленности чаще всего. 

Отжиг

Металл нагревают до 500–900 ℃, в зависимости от типа сплава. Выдерживают при этой температуре от 30 мин до нескольких часов, а затем медленно охлаждают внутри печи. Отжиг проводят для того, чтобы снять внутренние напряжения и повысить пластичность материала. После него металл становится менее хрупким, легче поддается резке, гибке, штамповке и другим операциям. Отжиг часто используют на подготовительном этапе перед дальнейшей обработкой. 

Нормализация

Металл нагревают до 850–950 ℃, а затем охлаждают на воздухе. При нормализации охлаждение происходит быстрее, чем во время отжига, а структура металла получается более мелкозернистой и равномерной. Это повышает его прочность и снижает риск деформаций при последующих операциях. Нормализацию выбирают, когда важно получить более твердую и стабильную заготовку, а не просто смягчить металл, как при отжиге. 

Закалка

Обычно проводится после отжига или нормализации. Основная цель закалки — увеличить твердость и износостойкость металла. Для этого заготовку нагревают до 750–1 000 ℃, а потом резко охлаждают в воде, техническом масле, щелочном растворе, расплаве солей или на воздухе. От скорости и среды охлаждения зависят конечные структура и прочность поверхности.

Есть несколько методов закалки:

• Закалка в одной среде. Основной и самый простой способ. Нагретую заготовку полностью погружают в воду, масло или расплав соли и выдерживают до полного остывания. Такой метод закалки используют для получения высокой твердости.
• Прерывистая. Заготовку остужают в два этапа — сначала в среде, которая обеспечивает быстрое охлаждение, затем в среде, где охлаждение происходит более медленно. Например, в воде, а потом в масле. Это помогает уменьшить внутренние напряжения и снизить риск образования трещин.
• Ступенчатая. Заготовку погружают в жидкость с температурой ниже температуры закаливания — около 300–400 ℃, выдерживают там, а затем охлаждают до конца на воздухе. Такой метод снижает риск трещин и деформаций, особенно у крупных и сложных деталей.
• Индукционная. Металл нагревают токами высокой частоты, после чего быстро охлаждают. Метод применяют для поверхностной закалки.
• Закалка пламенем. В этом случае вместо токов используют открытое пламя. Так закаливают поверхности сложной формы и труднодоступные участки. 
• Струйная. Отдельные участки детали сначала локально нагревают, например индукционно или пламенем, а затем охлаждают направленной струей жидкости. Такой метод позволяет обработать только нужную зону, не затрагивая остальную часть изделия.
• Дифференцированная. Отдельные участки изделия охлаждают с различной скоростью, чтобы получить разную степень твердости, например прочную режущую кромку и более пластичную сердцевину.

Отпуск

Отпуск проводят после закалки, чтобы уменьшить хрупкость металла и добиться нужного баланса прочности и пластичности. Заготовку нагревают до температуры ниже закалочной — от 150 до 650 ℃, выдерживают в печи, а затем охлаждают.

В зависимости от температуры различают три типа отпуска:

• Низкий отпуск — 150–250 ℃. Помогает снять внутренние напряжения, не снижая твердость. Такой режим выбирают для обработки инструмента, который должен оставаться максимально прочным (резцы, штампы, ножи).
• Средний отпуск — 250–500 ℃. Делает металл менее твердым, но повышает вязкость и стойкость к ударам. Применяется для деталей, которые работают в условиях переменных нагрузок (валы, шестерни, оси).
• Высокий отпуск — 500–650 ℃. Сильно снижает твердость, зато металл становится более пластичным и лучше сопротивляется образованию трещин. Этот вариант используют для пружин, сварных конструкций, листовых заготовок.

Виды термообработки стали

Остановимся подробнее на стали — самом универсальном и востребованном металле в промышленности. Помимо стандартных процедур вроде отжига и закалки, термическая обработка стали включает специализированные методы. 

Изотермическая закалка

Деталь нагревают до 800–900 ℃, затем быстро охлаждают до 250–400 ℃ и выдерживают при этой температуре, пока структура металла полностью не перестроится. Только после этого изделие окончательно остужают. В отличие от ступенчатой закалки здесь происходит не просто поэтапное охлаждение, а длительная выдержка при стабильной промежуточной температуре. Такая обработка позволяет сформировать бейнит — прочную и вязкую структуру, которая образуется только в сталях. Бейнит снижает внутренние напряжения, повышает ударную прочность и уменьшает риск растрескивания. 

Азотирование 

Азотирование — это вид химико-термической обработки, когда поверхность металлической детали насыщают азотом. Изделие помещают в печь, вакуумную камеру или жидкую среду, где содержится азот, нагревают до 500–600 ℃ и выдерживают там. 

Под действием высокой температуры азот проникает в металл и образует с его молекулами прочные химические соединения — нитриды, которые формируют на поверхности детали твердый защитный слой. В результате деталь становится более прочной, устойчивой к коррозии и истиранию. Азотирование проводят после отпуска, без последующего нагрева.

Цементация 

Цементация — еще один метод поверхностного упрочнения, который применяют к сталям. Только в этом случае поверхность детали насыщают не азотом, а углеродом. 

Технологичекий процесс похож на азотирование: деталь помещают в углеродсодержащую среду и нагревают. Атомы углерода проникают в верхний слой металла и укрепляют его структуру. 

Защитный слой получается менее твердым, чем при азотировании, но у цементации есть другое преимущество: она позволяет укрепить внешний слой детали и сохранить при этом пластичную сердцевину. Такое сочетание свойств важно для элементов, которые работают под переменными нагрузками: твердая оболочка защищает от износа, а чуть более вязкая сердцевина гасит удары и вибрации. 

Криогенная обработка 

Криогенная обработка дополняет стандартный цикл термообработки и применяется после закалки. Деталь охлаждают до сверхнизких значений (ниже −150 ℃), оставляют на время при этой температуре, а затем медленно нагревают до комнатной. Криогенная обработка уменьшает остаточные напряжения, стабилизирует размеры изделий и помогает предотвратить их деформацию при эксплуатации. Такой метод используют в тех случаях, когда особенно важны точность и долговечность деталей, например при производстве режущего инструмента, подшипников и штампов.

Технология термической обработки

Этапы 

Любая термическая обработка состоит из трех основных этапов, таких как: 

1. Нагрев. Заготовку равномерно прогревают до нужной температуры. Конкретное значение зависит от цели обработки и типа сплава. 
2. Выдержка. После достижения заданной температуры металл выдерживают в нагретом состоянии определенное время — от нескольких минут до нескольких часов. Это нужно, чтобы тепло равномерно распределилось по всему объему и начались структурные изменения.
3. Охлаждение. Заключительный этап, который определяет конечные структуру и свойства материала. 

Влияние температуры на свойства металла

Температурный режим — главный инструмент управления свойствами материала.

• При умеренных температурах (до 150–300 ℃) убираются внутренние напряжения, но структура металла сильно не меняется. Такой режим применяют, чтобы стабилизировать форму деталей и предотвратить их деформацию.
• Средние температуры (в диапазоне 400–600 ℃) обеспечивают оптимальное сочетание прочности и пластичности. Внутри металла происходят структурные изменения, которые делают его более устойчивым к нагрузкам и ударам.
• Высокие температуры (от 700 ℃) запускают фазовые превращения. Структура металла перестраивается, формируются новые свойства. Такой нагрев используют, когда нужно существенно изменить прочностные характеристики изделия.

Оборудование для термообработки

Для термической обработки металлов используют разные типы установок. Они различаются по конструкции, способу нагрева и условиям, которые создаются внутри камеры. 

Муфельные, камерные и шахтные печи. Это электрические или газовые печи с закрытой камерой нагрева. В муфельной печи нагревательный элемент отделен от обрабатываемой детали специальной трубой из жаростойкого материала — муфелем. В камерных печах деталь помещают внутрь горизонтального жаропрочного шкафа, а в шахтных загружают сверху в глубокую камеру. Все эти печи обеспечивают равномерный нагрев и позволяют точно регулировать температуру, поэтому подходят для большинства операций: отжига, отпуска, нормализации, цементации и других видов термообработки. Могут применяться для обработки как отдельных деталей, так и крупных партий изделий.

Индукционные установки. Используют токи высокой частоты, которые создают электромагнитное поле и разогревают металл без контакта с нагревателем. Температура быстро поднимается только в поверхностном слое детали. Глубина прогрева зависит от частоты тока. Индукционные установки подходят для локальной и поверхностной закалки — например, когда нужно упрочнить только зубья шестерни или режущую кромку инструмента. 

Вакуумные и газовые печи. Это герметичные камеры, в которых создается особая среда: либо полный вакуум, либо газовая атмосфера, например с содержанием азота или углерода. Такие условия предотвращают окисление поверхности и позволяют точно управлять химическими процессами в металле. Вакуумные и газовые печи используют для азотирования, цементации и других операций, когда нужно придать деталям повышенную прочность и устойчивость к коррозии, сохранив при этом стабильную форму и размеры. 

Криокамеры. Герметичные камеры, которые нужны для криогенной обработки. В качестве охлаждающей среды обычно используют жидкий или газообразный азот. Охлаждение деталей в камере происходит равномерно, без резких перепадов, чтобы избежать деформаций. В современных криокамерах можно точно задать режим: скорость понижения температуры, длительность выдержки и условия последующего нагрева. 

Термообработка разных металлов и сплавов

Различные металлы по-разному реагируют на нагрев, выдержку и охлаждение. При выборе метода и режима термообработки стоит учитывать состав материала и критическую температуру, при которой в нем начинают происходить структурные изменения. Ниже — обзор специфики термической обработки самых распространенных металлов и сплавов. 

Стали

Стали очень разнообразны по своему химическому составу. От вида стали зависят условия и результат термообработки. 

• Углеродистые стали — это сплавы железа с углеродом, где содержание последнего варьируется от 0,02 до 2,14%. Чем больше углерода, тем выше твердость после закалки, но вместе с этим возрастает и хрупкость. Для таких сталей чаще всего применяют закалку с последующим отпуском, нормализацию и цементацию.
• Легированные стали, помимо железа и углерода, содержат легирующие добавки — дополнительные элементы для улучшения свойств. Это хром, никель, молибден, марганец и другие. Термообработка таких сталей требует более точного контроля температуры и часто проводится в газовой среде, которая защищает металл от окисления при нагреве.
• Инструментальные стали используют для изготовления резцов, штампов, пресс-форм. К таким сталям предъявляются высокие требования по твердости и стабильности размеров. Чтобы добиться нужных свойств, применяют сложные режимы: закалку с низким отпуском, криогенную обработку.

Чугун

Чугун — это сплав железа с высоким содержанием углерода, от 2,14 до 6,67%. Он более хрупкий, чем сталь, и требует особого подхода. Для чугуна обычно применяют отжиг и закалку. Они помогают снизить хрупкость, повысить прочность и подготовить материал к механической обработке.

Алюминий и его сплавы

Алюминий — легкий металл с хорошей коррозионной стойкостью, но сам по себе довольно мягкий. Чаще всего его используют не в чистом виде, а в составе сплавов с другими элементами, которые добавляют прочности, например с медью, магнием или кремнием. 

Для этих сплавов нужен специальный режим термообработки: материал нагревают, быстро охлаждают, а затем выдерживают при средней температуре. За счет этого внутри металла формируются мелкие твердые частицы, которые укрепляют его структуру. В отличие от стали алюминий чувствителен к перегреву — при слишком высокой температуре он теряет форму и свойства. Поэтому при его термообработке важно точно соблюдать температурный режим и время выдержки.

Титан и жаропрочные сплавы

Титан ценят за сочетание легкости, прочности и устойчивости к коррозии. Он незаменим там, где важно снизить массу конструкции без потери надежности, например в авиа- и судостроении, при производстве медицинского оборудования. 

Термообработка титана позволяет дополнительно повысить его твердость и сопротивляемость нагрузкам. В зависимости от марки металла используют закалку или отжиг. Обработка проводится в вакууме или газовой среде, чтобы избежать контакта нагретого титана с кислородом: если он произойдет, на поверхности может образоваться оксидная пленка, которая снизит прочность и ухудшит геометрию.

Жаропрочные сплавы используют в условиях высоких температур: в турбинах, двигателях, теплообменниках. Основу таких материалов составляют никель, кобальт или железо с добавлением хрома, молибдена, алюминия и других элементов. Чтобы придать металлам еще большую жаропрочность, применяют высокотемпературную закалку с последующей выдержкой и контролируемым охлаждением. 

Как выбрать режим термообработки

Термический режим напрямую влияет на свойства готового изделия. Неверно подобранный режим может привести к браку, снижению прочности и выходу деталей из строя. Ниже разберем, как подобрать параметры обработки с учетом состава металла, требований к изделию и особенностей технологического процесса. 

Влияние химического состава

Состав материала определяет, как он будет реагировать на нагрев и охлаждение. 

Например, чем больше в металле углерода, тем более твердым он будет становиться при закалке, но тем выше риск появления трещин при охлаждении.

Легирующие добавки также могут изменить поведение металла при термообработке:

• Хром повышает твердость и жаростойкость, но делает металл склонным к образованию внутренних напряжений. Поэтому нужно точно подбирать температуру и время выдержки. 
• Никель улучшает пластичность и вязкость, а также снижает риск образования трещин во время остывания.
• Молибден и ванадий увеличивают прочность, ​​но повышают чувствительность к перегреву.

Критерии выбора температуры и времени

Температуру и длительность обработки определяют исходя из следующих параметров:

• Вида термообработки. Например, для закалки важны быстрый нагрев и быстрое охлаждение, для отжига — равномерный прогрев и медленное остывание.
• Размеров и формы детали. Крупные изделия требуют более медленных нагрева и охлаждения, чтобы избежать внутренних напряжений. При обработке небольших деталей смена температур может быть более резкой. 
• Целевых свойств. Если важна максимальная твердость, выбирают высокий нагрев и быстрое охлаждение. Если нужна пластичность — умеренный нагрев, долгую выдержку и медленное охлаждение.
• Предыдущей обработки. В металле, который ранее прошел механическую обработку, могут быть внутренние напряжения. Это тоже нужно учитывать при выборе режима.

Ошибки при термообработке и их последствия

Наиболее частые ошибки, которые допускают при термической обработке металлов:

• Слишком высокая температура — снижает прочность, может привести к деформации и нарушению геометрии детали.
• Слишком низкая температура — не запускает нужные изменения в структуре, металл остается мягким, нестабильным и может повредиться при нагрузках.
• Неправильная выдержка — при слишком короткой выдержке структура металла не успевает перестроиться, а слишком длинная может ухудшить свойства материала.
• Ошибки при охлаждении — чересчур резкое или неравномерное охлаждение приводит к трещинам и последующему разрушению.

Практическое применение термообработки

Термообработка применяется практически во всех отраслях, где используются металлические детали: при производстве оборудования, автомобилей, инструмента, летательных аппаратов. 

В машиностроении и автоиндустрии

Компоненты автомобилей и промышленного оборудования работают в условиях переменных нагрузок, трения и вибраций. Чтобы они дольше сохраняли форму и функциональность, применяют термообработку. Закалка повышает твердость деталей, отпуск делает их более устойчивыми к ударам, нормализация стабилизирует структуру металла после механической обработки, а цементация и азотирование укрепляют поверхность элементов. Все эти операции в комплексе снижают износ деталей, продлевают срок их службы и обеспечивают надежность механизмов. 

В инструментальном производстве

Режущий и формующий инструмент должен сохранять точную форму и работоспособность при нагреве и контакте с твердыми материалами. Чтобы добиться таких характеристик, при термообработке этих изделий используют специальные режимы нагрева и охлаждения. Например, криообработка помогает стабилизировать размеры, а закалка с отпуском — сформировать прочную режущую кромку. Благодаря этому инструмент выдерживает длительную работу без потери формы.

В авиастроении и космической отрасли

Обшивку, элементы шасси, крепеж и другие компоненты летательных аппаратов делают из титана и жаропрочных сплавов. Термообработка таких материалов проводится в вакууме или газовой среде и включает многоступенчатый нагрев с длительной выдержкой. Это позволяет получать детали, которые могут выдерживать экстремальные нагрузки, перепады температур и давления. 

Контроль качества после термообработки

После термообработки важно убедиться, что металл приобрел нужные свойства. Для этого используют разные методы контроля. Они позволяют выявить возможные дефекты и вовремя скорректировать параметры обработки.

Методы проверки твердости

Контроль этого параметра чаще всего проводят двумя способами, которые называются «метод Бринелля» и «метод Роквелла».

Метод Бринелля был предложен в 1900 году шведским инженером Юханом Бринеллем. Его суть в том, что в материал вдавливают шарик из твердого сплава, а затем измеряют диаметр отпечатка. Чем он меньше, тем тверже материал. Измерение проводят вручную — с помощью лупы или микроскопа, а результат рассчитывают по специальной формуле. 

Метод Роквелла запатентовали в 1919 году двое американских инженеров-однофамильцев — Хью и Стенли Роквеллы. Вместо шарика здесь используют алмазный или стальной наконечник, который вдавливают в материал под заданной нагрузкой. Прибор автоматически измеряет глубину вмятины и сразу показывает результат на шкале. 

Дефекты и способы их устранения

При нарушении режима термообработки могут возникнуть дефекты, которые ухудшают эксплуатационные характеристики детали. 

Вот какие дефекты встречаются чаще всего: 

• Недостаточная твердость — возникает из-за слишком низкой температуры или короткой выдержки. Устраняется повторной обработкой с корректировкой параметров нагрева и охлаждения.
• Трещины и деформации — появляются при неравномерном нагреве или слишком резком охлаждении. Предотвратить эту проблему можно, если прогревать заготовку постепенно и использовать мягкие охлаждающие среды.
• Неоднородная структура — может быть следствием колебаний температуры в печи или неправильного расположения деталей. Чтобы избежать этого, нужно обеспечить стабильный режим нагрева и свободную циркуляцию воздуха или газа в камере.

---

Термообработка — это способ сделать металл таким, каким он должен быть: прочным, износостойким, стабильным в работе. Понимание принципов процесса и точный подбор режимов позволяют выпускать надежные детали, которые обеспечат бесперебойную работу техники.