flarione.ru → Грамотность

Закалочная установка твч. Оборудование для закалки твч

Закалка – это неотъемлемая часть производственного процесса термообработки металлических изделий. Производится закалка ТВЧ в целях повышения прочности изделия и увеличения его срока эксплуатации. Раньше закалка металла производилась в раскаленном масле, на открытом огне или в электрических печах, однако сейчас появилось индукционное оборудование, позволяющее производить обработку металла быстро и качественно, повышая его износостойкость и устойчивость к внешним воздействиям.

Установка для закалки ТВЧ

Производителями индукционного оборудования были разработаны линии установок, подходящих для определенного технологичного процесса термообработки металла. Печь для закалки токами высокой частоты – это закалочный станок или закалочный комплекс. Если предприятия производит большой объем изделий, нуждающихся в термообработке и закалке, то лучше всего приобретать закалочный комплекс, комплектация которого включает в себя все необходимое для комфортной обработки металла.
В комплектацию закалочного комплекса входят: индукционная установка, закалочный станок, модуль охлаждения, манипулятор, пульт управления, а если заказчику необходимо, то набор индукторов для обработки изделий, имеющих различную форму и размеры.
Закалочный станок может быть двух типов: горизонтальный и вертикальный. Горизонтальный закалочный станок больше всего подходит для обработки изделий более 3000 мм длиной, а вертикальный менее 3000 мм длиной.

Закалка ТВЧ – достоинства индукционных печей

Установка для закалки ТВЧ отлично справляется со своими функциями, по этой причине быстро стала занимать лидирующие позиции среди всех существующих на сегодняшний день видов нагрева.
У индукционных печей , предназначенных для закалки ТВЧ, есть очень много достоинств. Основные преимущества закалки ТВЧ:

Закалка ТВЧ имеет высокое качество, так как тепло образуется напрямую в металле, равномерно распределяясь по всей его поверхности.
Оборудование для закалки токами высокой частоты обладает компактным размером, благодаря чему не занимает много места в цеху и может устанавливаться на предприятиях с небольшой площадью.
Закалка ТВЧ происходит за короткий промежуток времени, что дает возможность увеличить уровень производимой продукции.
Индукционный нагрев по праву признан экологически чистым. Он не вредит и не создает дискомфорта сотрудникам предприятия находящимся в цеху.
Закалочный комплекс ЭЛСИТ облает автоматизированным программным обеспечением, позволяющим производить закалку с высокой точностью.

Закалка ТВЧ становится все более популярной, поэтому, если вы еще не приобрели индукционное оборудование, то задумайтесь над этим.

Впервые закалку деталей с помощью индукционного нагрева предложил производить В.П. Володин. Было это почти век назад - в 1923 году. А в 1935 г. данный вид термической обработки стали использовать для закалки стали. Популярность закалки сегодня сложно переоценить - ее активно применяют практически во всех отраслях машиностроения, также очень востребованы и установки ТВЧ для закалки.

Для увеличения твердости закаленного слоя и повышения вязкости в центре стальной детали необходимо использовать поверхностную ТВЧ закалку. При этом происходит нагрев верхнего слоя детали до температуры закалки и резкое охлаждение. Важно, что свойства сердцевины детали остаются неизменными. Так как центр детали сохраняет вязкость, сама деталь становится более крепкой.

С помощью ТВЧ закалки удается упрочить внутренний слой легированной детали, ее применяют для среднеуглеродистых сталей (0,4-0,45% С).

Преимущества ТВЧ закалки:

При индукционном нагреве изменяется только нужная часть детали, данный способ экономичнее обычного нагрева. Кроме того, ТВЧ закалка занимает меньше времени;
При ТВЧ закалке стали удается избежать появления трещин, а также снизить риски брака по короблению;
Во время нагрева ТВЧ не происходит выгорание углерода и образование окалины;
При необходимости возможны изменения глубины закаленного слоя;
Используя ТВЧ закалку, удается повысить механические свойства стали;
При применении индукционного нагрева удается избежать появления деформаций;
Автоматизация и механизация всего процесса нагрева находится на высоком уровне.

Однако ТВЧ закалка имеет и недостатки. Так, некоторые сложные детали обрабатывать весьма проблематично, а в некоторых случаях индукционный нагрев и вовсе недопустим.

Закалка ТВЧ стали - разновидности:

Стационарная ТВЧ закалка. Она применяется для закалки небольших плоских деталей (поверхностей). При этом положение детали и нагревателя постоянно сохраняется.

Непрерывно-последовательная ТВЧ закалка . При осуществлении данного вида закалки деталь либо перемещается под нагревателем, либо остается на месте. В последнем случае нагреватель сам движется по направлению детали. Такая ТВЧ закалка подходит для обработки плоских и цилиндрических деталей, поверхностей.

Тангенциальная непрерывно-последовательная ТВЧ закалка . Ее применяют при нагреве исключительно небольших цилиндрических деталей, которые прокручиваются единожды.

Вы хотите приобрести качественное оборудование для закалки? Тогда обращайтесь в научно-производственную компанию «Амбит». Мы гарантируем, что каждая выпущенная нами установка ТВЧ для закалки - надежна и высокотехнологична.

Индукционный нагрев различных резцов перед пайкой, закалкой,
установка индукционного нагрева IHM 15-8-50

Индукционная пайка, закалка (ремонт) дисковых пил,
установка индукционного нагрева IHM 15-8-50

Индукционный нагрев различных резцов перед пайкой, закалкой

В гидромеханических системах, устройствах и узлах чаще всего используются детали, которые работают на трение, сдавливание, скрутку. Именно поэтому основное требование к ним – достаточная твердость их поверхности. Для получения необходимых характеристик детали, поверхность закаляется током высокой частоты (ТВЧ).

В процессе применения закалка ТВЧ показала себя как экономный и высокоэффективный способ термической обработки поверхности металлических деталей, который придает дополнительную износостойкость и высокое качество обработанным элементам.

Нагрев токами ВЧ основан на явлении, при котором вследствие прохождения переменного высокочастотного тока по индуктору (спиральный элемент, выполненный из медных трубок) вокруг него формируется магнитное поле, создающее в металлической детали вихревые токи, которые и вызывают нагрев закаливаемого изделия. Находясь исключительно на поверхности детали, они позволяют нагреть ее на определенную регулируемую глубину.

Закалка ТВЧ металлических поверхностей имеет отличие от стандартной полной закалки, которое заключается в повышенной температуре нагрева. Это объясняется двумя факторами. Первый из них – при высокой скорости нагрева (когда перлит переходит в аустенит) уровень температуры критических точек повышается. А второй – чем быстрее проходит переход температур, тем быстрее совершается превращение металлической поверхности, ведь оно должно произойти за минимальное время.

Стоит сказать, несмотря на то, что при использовании высокочастотной закалки вызывается нагрев больше обычного, перегрева металла не случается. Такое явление объясняется тем, что зерно в стальной детали не успевает увеличиться, благодаря минимальному времени высокочастотного нагрева. К тому же, из-за того, что уровень нагрева выше и охлаждение интенсивнее, твердость заготовки после ее закалки ТВЧ вырастает приблизительно на 2-3 HRC. А это гарантирует высочайшую прочность и надежность поверхности детали.

Вместе с тем, есть дополнительный немаловажный фактор, который обеспечивает повышение износостойкости деталей при эксплуатации. Благодаря созданию мартенситной структуры, на верхней части детали образовываются сжимающие напряжения. Действие таких напряжений проявляется в высшей мере при небольшой глубине закаленного слоя.

Применяемые для закалки ТВЧ установки, материалы и вспомогательные средства

Полностью автоматический комплекс высокочастотной закалки включает в себя закалочный станок и ТВЧ установки (крепежные системы механического типа, узлы поворота детали вокруг своей оси, движения индуктора по направлению заготовки, насосов, подающих и откачивающих жидкость или газ для охлаждения, электромагнитных клапанов переключения рабочих жидкостей или газов (вода/эмульсия/газ)).

ТВЧ станок позволяет перемещать индуктор по всей высоте заготовки, а также вращать заготовку на разных уровнях скорости, регулировать выходной ток на индукторе, а это дает возможность выбрать правильный режим процесса закалки и получить равномерно твердую поверхность заготовки.

Принципиальная схема индукционной установки ТВЧ для самостоятельной сборки была приведена .

Индукционную высокочастотную закалку можно охарактеризовать двумя основными параметрами: степенью твердости и глубиной закалки поверхности. Технические параметры выпускаемых на производстве индукционных установок определяются мощностью и частотой работы. Для создания закаленного слоя применяют индукционные нагревающие устройства мощностью 40-300 кВА при показателях частоты в 20-40 килогерц либо 40-70 килогерц. Если необходимо провести закалку слоев, которые находятся глубже, стоит применять показатели частот от 6 до 20 килогерц.

Диапазон частот выбирается, исходя из номенклатуры марок стали, а также уровня глубины закаленной поверхности изделия. Существует огромный ассортимент комплектаций индукционных установок, что помогает выбрать рациональный вариант для конкретного технологического процесса.

Технические параметры автоматических станков для закалки определяются габаритными размерами используемых деталей для закалки по высоте (от 50 до 250 сантиметров), по диаметру (от 1 до 50 сантиметров) и массе (до 0,5 т, до 1т, до 2т). Комплексы для закалки, высота которых составляет 1500 мм и больше, оснащены электронно-механической системой зажима детали с определенным усилием.

Высокочастотная закалка деталей осуществляется в двух режимах. В первом каждое устройство индивидуально подключается оператором, а во втором – происходит без его вмешательств. В качестве среды закалки обычно выбирают воду, инертные газы или полимерные составы, обладающие свойствами по теплопроводности, близкими к маслу. Среда закалки выбирается в зависимости от требуемых параметров готового изделия.

Технология закалки ТВЧ

Для деталей или поверхностей плоской формы маленького диаметра используется высокочастотная закалка стационарного типа. Для успешной работы расположение нагревателя и детали не меняется.

При применении непрерывно-последовательной ТВЧ закалки, которая чаще всего используется при обработке плоских или цилиндрообразных деталей и поверхностей, одна из составляющих системы должна перемещаться. В таком случае либо нагревающее устройство перемещается по направлению к детали, либо деталь движется под нагревающим аппаратом.

Для нагрева исключительно цилиндрообразных деталей небольшого размера, прокручивающихся единожды, применяют непрерывно-последовательную высокочастотную закалку тангенциального типа.

Структура металла зубца шестерни, после закалки ТВЧ методом

После совершения высокочастотна нагрева изделия совершают его низкий отпуск при температуре 160-200°С. Это позволяет увеличить износостойкость поверхности изделия. Отпуски совершаются в электропечах. Еще один вариант – совершение самоотпуска. Для этого необходимо чуть раньше отключить устройство, подающее воду, что способствует неполному охлаждению. Деталь сохраняет высокую температуру, которая нагревает закаленный слой до температуры низкого отпуска.

После совершения закалки также применяется электроотпуск, при котором нагрев осуществляется при помощи ВЧ установки. Для достижения желаемого результата нагрев производится с более низкой скоростью и более глубоко, чем при поверхностной закалке. Необходимый режим нагрева можно определить методом подбора.

Для улучшения механических параметров сердцевины и общего показателя износостойкости заготовки нужно провести нормализацию и объемную закалку с высоким отпуском непосредственно перед поверхностной закалкой ТВЧ.

Сферы применения закалки ТВЧ

Закалка ТВЧ используется в ряде технологических процессов изготовления следующих деталей:

валов, осей и пальцев;
шестеренок, зубчатых колес и венцов;
зубьев или впадин;
щелей и внутренних частей деталей;
крановых колес и шкивов.

Наиболее часто высокочастотную закалку применяют для деталей, которые состоят из углеродистой стали, содержащей полпроцента углерода. Подобные изделия приобретают высокую твердость после закалки. Если наличие углерода меньше вышеуказанного, подобная твердость уже недостижима, а при большем проценте скорее всего возникнут трещины при охлаждении водяным душем.

В большинстве ситуаций закалка токами высокой частоты позволяет заменить стали, прошедшие легирование, более недорогими – углеродистыми. Это можно пояснить тем, что такие достоинства сталей с легирующими добавками, как глубокая прокаливаемость и меньшее искажение поверхностного слоя, для некоторых изделий теряют значение. При высокочастотной закалке металл становится более прочным, а его износостойкость возрастает. Точно так же, как углеродистые используются хромистые, хромоникелевые, хромокремнистые и многие другие виды сталей с низким процентом легирующих добавок.

Преимущества и недостатки метода

Преимущества закалки токами ВЧ:

полностью автоматический процесс;
работа с изделиями любых форм;
отсутствие нагара;
минимальная деформация;
вариативность уровня глубины закаленной поверхности;
индивидуально определяемые параметры закаленного слоя.

Среди недостатков можно выделить:

потребность в создании специального индуктора для разных форм деталей;
трудности в накладке уровней нагрева и охлаждения;
высокая стоимость оборудования.

Возможность использования закалки токами ВЧ в индивидуальном производстве маловероятна, но в массовом потоке, например, при изготовлении коленчатых валов, шестеренок, втулок, шпинделей, валов холодной прокатки и др., закалка поверхностей ТВЧ приобретает все более широкое применение.

Ток высокой частоты образуется в установке благодаря индуктору и позволяет нагревать изделие, размещенное в непосредственной близости с индуктором. Индукционная установка идеально подходит для закалки металлических изделий. Именно в ТВЧ установке можно четко запрограммировать: нужную глубину проникновения тепла, время закалки, температуру нагрева и процесс охлаждения.

Впервые индукционное оборудование было использовано для закалки после предложения, поступившего от В.П. Володина в 1923 году. После долгих проб и тестирований ТВЧ нагрева его стали использовать для закалки стали с 1935 года. Установки ТВЧ для закалки на сегодняшний день являются наиболее продуктивным способом термообработки металлических изделий.

Почему индукционная установка лучше подходит для закалки

Закалка ТВЧ металлических деталей производится для повышения устойчивости верхнего слоя изделия к механическим повреждениям, при этом центр заготовки имеет повышенную вязкость. Важно отметить, что сердцевина изделия при ТВЧ закалке остается полностью неизменной.
Индукционная установка имеет немало очень важных преимуществ в сравнении с альтернативными видами нагрева: если раньше ТВЧ установки были более громоздкими и неудобными, то сейчас этот недостаток исправили, и оборудование стало универсальным для термообработки изделий из металла.

Преимущества индукционного оборудования

Один из минусов индукционной установки для закалки – это невозможность обработки некоторых изделий, имеющих сложную форму.

Разновидности закалки металла

Закалка металла бывает нескольких типов. Для одних изделий достаточно нагреть металл и сразу же остудить, а для других необходима выдержка при определенной температуре.
Существуют следующие виды закалки:

Стационарная закалка: применяется, как правило, для деталей, имеющих небольшую плоскую поверхность. Положение детали и индуктора при использовании данного способа закалки остается неизменным.
Непрерывно-последовательная закалка: применяется для закалки цилиндрических или плоских изделий. При непрерывно-последовательной закалке деталь может перемещаться под индуктором, либо сохраняет свою позицию неизменной.
Тангенциальная закалка изделий: отлично подходит для обработки небольших деталей, имеющих цилиндрическую форму. Тангенциальная непрерывно-последовательная закалка прокручивает изделие единожды в течение всего процесса термообработки.
Установка ТВЧ для закалки – это оборудование, способное произвести качественную закалку изделия и при этом сэкономить производственные ресурсы.

По договоренности возможна термическая обработка и закалка металлических и стальных деталей с большими чем в данной таблице габаритами.

Термическая обработка (термообработка стали) металлов и сплавов в Москве – это услуга, которую предоставляет своим заказчикам наш завод. У нас есть все необходимое оборудование, за которым работают квалифицированные специалисты. Все заказы мы выполняем качественно и в установленные сроки. Так же мы принимаем и выполняем заказы на термообработку сталей и ТВЧ поступающие к нам и из других регионов России.

Основные виды термической обработки стали

Отжиг I рода:

Отжиг I рода диффузионный (гомогенизация) - Быстрый нагрев до t 1423 К, длительная выдержка и последующее медленное охлаждение. Происходит Выравнивание химической неоднородности материала в крупных фасонных отливках из легированной стали

Отжиг I рода рекристаллизационный - Нагрев до температуры 873-973 К, длительная выдержка и последующее медленное охлаждение. Происходит Уменьшение твердости и увеличение пластичности после холодного деформирования (обработка является межоперационной)

Отжиг I рода уменьшающий напряжения - Нагрев до температуры 473-673 К и последующее медленное охлаждение. Происходит Снятие остаточных напряжений после литья, сварки, пластической деформации или механической обработки.

Отжиг II рода:

Отжиг II рода полный - Нагрев до температуры выше точки Ас3 на 20-30 К, выдержка и последующее охлаждение. Происходит Снижение твердости, улучшение обрабатываемости, снятие внутренних напряжений в доэвтектоидной и эвтектоидной сталях перед закалкой (см.примечание к таблице)

Отжиг II рода неполный - Нагрев до температуры между точками Ac1 и Ас3, выдержка и последующее охлаждение. Происходит Снижение твердости, улучшение обрабатываемости, снятие внутренних напряжений в заэвтектоидной стали перед закалкой

Отжиг II рода изотермический - Нагрев до температуры на 30-50 К выше точки Ас3 (для доэвтектоидной стали) или выше точки Ас1 (для заэвтектоидной стали), выдержка и последующее ступенчатое охлаждение. Происходит Ускоренная обработка небольших прокатных изделий или поковок из легированной и высокоуглеродистой сталей с целью снижения твердости, улучшения обрабатываемости, снятия внутренних напряжений

Отжиг II рода сфероидизирующий - Нагрев до температуры выше точки Ас1 на 10-25 К, выдержка и после-дующее ступенчатое охлаждение. Происходит Уменьшение твердости, улучшение обрабатываемости, снятие внутренних напряжений в инструментальной стали перед закалкой, повышение пластичности низколегированной и среднеуглеродистой сталей перед холодным деформированием

Отжиг II рода светлый - Нагрев в контролируемой среде до температуры выше точки Ас3 на 20-30 К, выдержка и последующее охлаждение в контролируемой среде. Происходит Защита поверхности стали от окисления и обезуглероживания

Отжиг II рода Нормализация (нормализационный отжиг) - Нагрев до температуры выше точки Ас3 на 30-50 К, выдержка и последующее охлаждение на спокойном воздухе. Происходит Исправление структуры герегретой стали, снятие внутренних напряжений в деталях из конструкционной стали и улучшение их обрабатываемости, увеличение глубины прокаливаемости инструм. стали перед закалкой

Закалка:

Закалка непрерывная полная - Нагрев до температуры выше точки Ас3 на 30-50 К, выдержка и последующее резкое охлаждение. Происходит Получение (в сочетании с отпуском) высокой твердости и износостойкости деталей из доэвтектоидной и эвтектоидной сталей

Закалка неполная - Нагрев до температуры между точками Ас1 и Ас3, выдержка и последующее резкое охлаждение. Происходит Получение (в сочетании с отпуском) высокой твердости и износостойкости деталей из заэвтектоидной стали

Закалка прерывистая - Нагрев до t выше точки Ас3 на 30-50 К (для доэвтектоидной и эвтектоидной сталей) или между точками Ас1 и Ас3 (для заэвтектоидной стали), выдержка и последующее охлаждение в воде, а затем в масле. Происходит Уменьшение остаточных напряжений и деформаций в деталях из высокоуглеродистой инструментальной стали

Закалка изотермическая - Нагрев до температуры выше точки Ас3 на 30-50 К, выдержка и последующее охлаждение в расплавленных солях, а затем на воздухе. Происходит Получение минимальной деформации (коробления), повышение пластичности, предела выносливости и сопротивления изгибу деталей из легированной инструментальной стали

Закалка ступенчатая - То же (отличается от изотермической закалки меньшим временем пребывания детали в охлаждающей среде). Происходит Уменьшение напряжений, деформаций и предупреждение образования трещин в мелком инструменте из углеродистой инструментальной стали, а также в более крупном инструменте из легированной инструментальной и быстрорежущей стали

Закалка поверхностная - Нагрев электрическим током или газовым пламенем поверхностного слоя изделия до закалочной t с последующим быстрым охлаждением прогретого слоя. Происходит Повышение поверхностной твердости на определенную глубину, износоустойчивость и повышенная выносливость деталей машин и инструментов

Закалка с самоотпуском - Нагрев до температуры выше точки Ас3 на 30-50 К, выдержка и последующее неполное охлаждение. Сохранившееся внутри детали тепло обеспечивает отпуск закаленного наружного слояМестное упрочнение ударного инструмента несложной конфигурации из углеродистой инструментальной стали, а также при индукционном нагреве

Закалка с обработкой холодом - Глубокое охлаждение после закалки до температуры 253-193 К. Происходит Повышение твердости и получение стабильных размеров деталей из высоколегированной стали

Закалка с подстуживанием - Нагретые детали перед погружением в охлаждающую среду некоторое время охлаждаются на воздухе или выдерживаются в термостате с пониженной t. Происходит Сокращение цикла термической обработки стали (применяется обычно после цементации).

Закалка светлая - Нагрев в контролируемой среде до температуры выше точки Ас3 на 20-30 К, выдержка и последующее охлаждение в контролируемой среде. Происходит Защита от окисления и обезуглероживания сложных деталей пресс-форм, штампов и приспособлений, не подвергаемых шлифованию

Отпуск низкий - Нагрев в интервале температуры 423-523 К и последующее ускоренное охлаждение. Происходит Снятие внутренних напряжений и уменьшение хрупкости режущего и мерительного инструмента после поверхностной закалки; для цементируемых деталей после закалки

Отпуск средний - Нагрев в интервале t = 623-773 К и последующее медленное или ускоренное охлаждение. Происходит Повышение предела упругости пружин, рессор и других упругих элементов

Отпуск высокий - Нагрев в интервале температур 773-953 К и последующее медленное или быстрое охлаждение. Происходит Обеспечение высокой пластичности деталей из конструкционной стали, как правило, при термическом улучшении

Термическое улучшение - Закалка и последующий высокий отпуск. Происходит Полное снятие остаточных напряжений. Обеспечение сочетания высокой прочности и пластичности при окончательной термической обработке деталей из конструкционной стали, работающих при ударных и вибрационных нагрузках

Термомеханическая обработка - Нагрев, быстрое охлаждение до 673-773 К, многократное пластическое деформирование, закалка и отпуск. Происходит Обеспечение для проката и деталей простой формы, не подвергаемых сварке, повышенной прочности по сравнению с прочностью, полученной при обычной термической обработке

Старение - Нагрев и длительная выдержка при повышенной температуре. Происходит Стабилизация размеров деталей и инструментов

Цементация - Насыщение поверхностного слоя мягкой стали углеродом (науглероживание). Сопровождается последующей закалкой с низким отпуском. Глубина цементированного слоя составляет 0,5-2 мм. Происходит Придание изделию высокой поверхностной твердости с сохранением вязкой сердцевины. Цементации подвергаются углеродистые или легированные стали с содержанием углерода: для мелких и средних изделий 0,08-0,15 %, для более крупных 0,15-0,5%. Цементации подвергаются зубчатые колеса, поршневые пальцы и др.

Цианирование - Термохимическая обработка стальных изделий в растворе цианистых солей при температуре 820. Происходит Насыщения поверхностного слоя стали углеродом и азотом (слой 0,15-0,3 мм.) Цианированию подвергаются малоуглеродистые стали, вследствие чего наряду с твердой поверхностью изделия обладают вязкой сердцевиной. Такие изделия отличаются высоким сопротивлением износу и стойкостью против ударных нагрузок.

Азотирование (нитрирование) - Насыщение азотом поверхностного слоя стальных изделий на глубину 0,2-0,3 мм. Происходит Придание высокой поверхностной твердости, повышенного сопротивления истиранию и коррозии. Азотированию подвергаются калибры, шестерни, шейки валов и др.

Обработка холодом - Охлаждение после закалки до температуры ниже нуля. Происходит Изменение внутренней структуры закаливаемых сталей. Применяется для инструментальных сталей, цементируемых изделий, некоторых высоколегированных сталей.

МЕТАЛЛОВ ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА (ТЕРМООБРАБОТКА), определенный временной цикл нагрева и охлаждения, которому подвергают металлы для изменения их физических свойств. Термообработка в обычном смысле этого термина проводится при температурах, не достигающих точки плавления. Процессы плавления и литья, оказывающие существенное влияние на свойства металла, в это понятие не включаются. Изменения физических свойств, вызываемые термической обработкой, обусловлены изменениями внутренней структуры и химических соотношений, происходящими в твердом материале. Циклы термической обработки представляют собой различные комбинации нагрева, выдерживания при определенной температуре и быстрого или медленного охлаждения, соответствующие тем структурным и химическим изменениям, которые требуется вызвать.

Зернистая структура металлов. Всякий металл обычно состоит из множества соприкасающихся друг с другом кристаллов (называемых зернами), как правило, имеющих микроскопические размеры, но иногда и видимых простым глазом. Внутри каждого зерна атомы расположены так, что образуют правильную трехмерную геометрическую решетку. Тип решетки, называемый кристаллической структурой, является характеристикой материала и может быть определен методами рентгеноструктурного анализа. Правильное расположение атомов сохраняется в пределах всего зерна, если не считать небольших нарушений, таких, как отдельные узлы решетки, случайно оказавшиеся вакантными. Все зерна имеют одинаковую кристаллическую структуру, но, как правило, по-разному ориентированы в пространстве. Поэтому на границе двух зерен атомы всегда менее упорядочены, чем внутри них. Этим объясняется, в частности, то, что границы зерен легче поддаются травлению химическими реагентами. На полированной плоской поверхности металла, обработанной подходящим травителем, обычно выявляется четкая картина границ зерен. Физические свойства материала определяются свойствами отдельных зерен, их воздействием друг на друга и свойствами границ зерен. Свойства металлического материала существенным образом зависят от размеров, формы и ориентации зерен, и цель термической обработки состоит в том, чтобы управлять этими факторами.

Атомные процессы при термической обработке. При повышении температуры твердого кристаллического материала его атомам становится все легче переходить из одного узла кристаллической решетки в другой. Именно на этой диффузии атомов и основана термическая обработка. Наиболее эффективный механизм движения атомов в кристаллической решетке можно представить себе как движение вакантных узлов решетки, которые всегда имеются в любом кристалле. При повышенных температурах благодаря увеличению скорости диффузии ускоряется процесс перехода неравновесной структуры вещества в равновесную. Температура, при которой заметно повышается скорость диффузии, неодинакова для разных металлов. Она обычно выше для металлов с высокой температурой плавления. В вольфраме с его температурой плавления, равной 3387 C, рекристаллизация не происходит даже при красном калении, тогда как термическую обработку алюминиевых сплавов, плавящихся при низких температурах, в некоторых случаях оказывается возможным проводить при комнатной температуре.

Во многих случаях термической обработкой предусматривается очень быстрое охлаждение, называемое закалкой, цель которого сохранить структуру, образовавшуюся при повышенной температуре. Хотя, строго говоря, такую структуру нельзя считать термодинамически устойчивой при комнатной температуре, практически она вполне устойчива благодаря низкой скорости диффузии. Очень многие полезные сплавы обладают подобной "метастабильной" структурой.

Изменения, вызываемые термической обработкой, могут быть двух основных видов. Во-первых, и в чистых металлах, и в сплавах возможны изменения, затрагивающие только физическую структуру. Это могут быть изменения напряженного состояния материала, изменения размеров, формы, кристаллической структуры и ориентации его кристаллических зерен. Во-вторых, изменяться может и химическая структура металла. Это может выражаться в сглаживании неоднородностей состава и образовании выделений другой фазы, во взаимодействии с окружающей атмосферой, созданной для очистки металла или придания ему заданных поверхностных свойств. Изменения того и другого вида могут происходить одновременно.

Снятие напряжений. Деформация в холодном состоянии повышает твердость и хрупкость большинства металлов. Иногда такое "деформационное упрочнение" желательно. Цветным металлам и их сплавам обычно придают ту или иную степень твердости холодной прокаткой. Малоуглеродистые стали тоже часто упрочняют холодным деформированием. Высокоуглеродистые стали, доведенные холодной прокаткой или холодным волочением до повышенной прочности, необходимой, например, для изготовления пружин, обычно подвергают отжигу для снятия напряжений нагревают до сравнительно низкой температуры, при которой материал остается почти столь же твердым, как и раньше, но в нем исчезают неоднородности распределения внутренних напряжений. Благодаря этому ослабевает тенденция к растрескиванию, особенно в коррозионных средах. Такое снятие напряжений происходит, как правило, за счет локального пластического течения в материале, не приводящего к изменениям общей структуры.

Рекристаллизация. При разных методах обработки металлов давлением нередко требуется сильно изменять форму заготовки. Если формообразование должно проводиться в холодном состоянии (что часто диктуется практическими соображениями), то приходится разбивать процесс на ряд ступеней, в промежутках между ними проводя рекристаллизацию. После первой ступени деформации, когда материал упрочнен настолько, что дальнейшее деформирование может привести к разрушению, заготовку нагревают до температуры, превышающей температуру отжига для снятия напряжений, и выдерживают для рекристаллизации. Благодаря быстрой диффузии при такой температуре за счет атомной перестройки возникает совершенно новая структура. Внутри зеренной структуры деформированного материала начинают расти новые зерна, которые с течением времени полностью ее заменяют. Сначала образуются мелкие новые зерна в местах наибольшего нарушения старой структуры, а именно на старых границах зерен. При дальнейшем отжиге атомы деформированной структуры перестраиваются так, что тоже становятся частью новых зерен, которые растут и в конце концов поглощают всю старую структуру. Заготовка сохраняет прежнюю форму, но она теперь из мягкого, ненапряженного материала, который может быть подвергнут новому циклу деформирования. Такой процесс можно повторять несколько раз, если этого требует заданная степень деформирования.

Холодная обработка это деформирование при температуре, слишком низкой для рекристаллизации. Для большинства металлов данному определению соответствует комнатная температура. Если деформирование производится при достаточно высокой температуре, так что рекристаллизация успевает следовать за деформированием материала, то такая обработка называется горячей. Пока температура остается достаточно высокой, его можно сколь угодно сильно деформировать. Горячее состояние металла определяется, в первую очередь, тем, насколько его температура близка к точке плавления. Высокая ковкость свинца означает, что он легко рекристаллизуется, т. е. его "горячую" обработку можно проводить при комнатной температуре.

Контроль текстуры. Физические свойства зерна, вообще говоря, неодинаковы в разных направлениях, так как каждое зерно это монокристалл с собственной кристаллической структурой. Свойства металлического образца представляют собой результат усреднения по всем зернам. В случае беспорядочной ориентации зерен общие физические свойства одинаковы во всех направлениях. Если же некоторые кристаллические плоскости или атомные ряды большинства зерен параллельны, то свойства образца становятся "анизотропными", т. е. зависящими от направления. В этом случае у чашечки, полученной глубоким выдавливанием из круглой пластинки, будут "язычки", или "фестоны", на верхней кромке, объясняющиеся тем, что в одних направлениях материал деформируется легче, чем в других. При механическом формообразовании анизотропия физических свойств, как правило, нежелательна. Но в листах магнитных материалов для трансформаторов и других устройств очень желательно, чтобы направление легкого намагничения, которое в монокристаллах определяется кристаллической структурой, во всех зернах совпадало с заданным направлением магнитного потока. Таким образом, "предпочтительная ориентация" (текстура) может быть желательна или нежелательна в зависимости от назначения материала. Вообще говоря, при рекристаллизации материала его предпочтительная ориентация меняется. Характер этой ориентации зависит от состава и чистоты материала, от вида и степени холодной деформации, а также от длительности и температуры отжига.

Контроль размера зерен. Физические свойства металлического образца в значительной мере определяются средним размером зерен. Наилучшим механическим свойствам почти всегда соответствует мелкозернистая структура. Уменьшение размера зерна часто является одной из целей термической обработки (а также плавления и литья). При повышении температуры ускоряется диффузия, а потому средний размер зерна увеличивается. Границы зерен смещаются так, что более крупные зерна растут за счет мелких, которые, в конце концов, исчезают. Поэтому завершающие процессы горячей обработки обычно проводят при возможно более низкой температуре, чтобы были минимальны размеры зерен. Часто специально предусматривают низкотемпературную горячую обработку, в основном для уменьшения размеров зерен, хотя того же результата можно достичь холодной обработкой с последующей рекристаллизацией.

Гомогенизация. Процессы, о которых говорилось выше, протекают и в чистых металлах, и в сплавах. Но существует ряд других процессов, которые возможны лишь в металлических материалах, содержащих два или большее число компонентов. Так, например, в отливке сплава почти наверняка будут неоднородности химического состава, что определяется неравномерным процессом затвердевания. В затвердевающем сплаве состав твердой фазы, образующейся в каждый данный момент, не таков, как в жидкой, находящейся с ней в равновесии. Следовательно, состав твердого вещества, возникшего в начальный момент затвердевания, будет иным, нежели в конце затвердевания, а это и ведет к пространственной неоднородности состава в микроскопическом масштабе. Такая неоднородность устраняется простым нагреванием, особенно в сочетании с механическим деформированием.

Очистка. Хотя чистота металла определяется в первую очередь условиями плавления и литья, очистка металла часто достигается термической обработкой в твердом состоянии. Примеси, содержащиеся в металле, реагируют на его поверхности с атмосферой, в которой он нагревается; так, атмосфера водорода или другого восстановителя может превратить значительную часть оксидов в чистый металл. Глубина такой очистки зависит от способности примесей диффундировать из объема на поверхность, а поэтому определяется длительностью и температурой термической обработки.

Выделение вторичных фаз. В основе большинства режимов термической обработки сплавов лежит один важный эффект. Он связан с тем, что растворимость в твердом состоянии компонентов сплава зависит от температуры. В отличие от чистого металла, в котором все атомы одинаковы, в двухкомпонентном, например твердом, растворе имеются атомы двух разных сортов, случайно распределенные по узлам кристаллической решетки. Если увеличивать количество атомов второго сорта, то можно достичь состояния, когда они не смогут просто замещать атомы первого сорта. Если количество второго компонента превышает этот предел растворимости в твердом состоянии, в равновесной структуре сплава появляются включения второй фазы, отличающиеся по составу и структуре от исходных зерен и обычно разбросанные между ними в виде отдельных частиц. Такие частицы второй фазы могут оказывать сильное влияние на физические свойства материала, что зависит от их размера, формы и распределения. Эти факторы можно изменять термической обработкой (термообработкой).

Термическая обработка - процесс обработки изделий из металлов и сплавов путём теплового воздействия с целью изменения их структуры и свойств в заданном направлении. Это воздействие может сочетаться также с химическим, деформационным, магнитным и др.

Историческая справка о термической обработке.
Человек использует Термическую обработку металлов с древнейших времён. Ещё в эпоху энеолита, применяя холодную ковку самородных золота и меди, первобытный человек столкнулся с явлением наклёпа, которое затрудняло изготовление изделий с тонкими лезвиями и острыми наконечниками, и для восстановления пластичности кузнец должен был нагревать холоднокованую медь в очаге. Наиболее ранние свидетельства о применении смягчающего отжига наклёпанного металла относятся к концу 5-го тысячелетия до н. э. Такой отжиг по времени появления был первой операцией Термической обработки металлов. При изготовлении оружия и орудий труда из железа, полученного с использованием сыродутного процесса, кузнец нагревал железную заготовку для горячей ковки в древесноугольном горне. При этом железо науглероживалось, то есть происходила цементация одна из разновидностей химико-термической обработки. Охлаждая кованое изделие из науглероженного железа в воде, кузнец обнаружил резкое повышение его твёрдости и улучшение др. свойств. Закалка в воде науглероженного железа применялась с конца 2 начала 1-го тысячелетия до н. э. В "Одиссее" Гомера (8 7 вв. до н. э.) есть такие строки: "Как погружает кузнец раскалённый топор иль секиру в воду холодную, и зашипит с клокотаньем железо крепче железо бывает, в огне и воде закаляясь". В 5 в. до н. э. этруски закаливали в воде зеркала из высокооловянной бронзы (скорее всего для улучшения блеска при полировке). Цементацию железа в древесном угле или органическом веществе, закалку и отпуск стали широко применяли в средние века в производстве ножей, мечей, напильников и др. инструментов. Не зная сущности внутренних превращений в металле, средневековые мастера часто приписывали получение высоких свойств при Термической обработке металлов проявлению сверхъестественных сил. До середины 19 в. знания человека о Термической обработке металлов представляли собой совокупность рецептов, выработанных на основе многовекового опыта. Потребности развития техники, и в первую очередь развития сталепушечного производства, обусловили превращение термообработки металлов из искусства в науку. В середине 19 в., когда армия стремилась заменить бронзовые и чугунные пушки более мощными стальными, чрезвычайно острой была проблема изготовления орудийных стволов высокой и гарантированной прочности. Несмотря на то что металлурги знали рецепты выплавки и литья стали, орудийные стволы очень часто разрывались без видимых причин. Д. К. Чернов на Обуховском сталелитейном заводе в Петербурге, изучая под микроскопом протравленные шлифы, приготовленные из дул орудий, и наблюдая под лупой строение изломов в месте разрыва, сделал вывод, что сталь тем прочнее, чем мельче её структура. В 1868 Чернов открыл внутренние структурные превращения в охлаждающейся стали, происходящие при определённых температурах. которые он назвал критическими точками а и b. Если сталь нагревать до температур ниже точки а, то её невозможно закалить, а для получения мелкозернистой структуры сталь следует нагревать до температур выше точки b. Открытие Черновым критических точек структурных превращений в стали позволило научно обоснованно выбирать режим Термической обработки для получения необходимых свойств стальных изделий.

В 1906 А. Вильм (Германия) на изобретённом им дуралюмине открыл старение после закалки (см. Старение металлов) важнейший способ упрочения сплавов на разной основе (алюминиевых, медных, никелевых, железных и др.). В 30-е гг. 20 в. появилась термомеханическая обработка стареющих медных сплавов, а в 50-е термомеханическая обработка сталей, позволившая значительно повысить прочность изделий. К комбинированным видам Термической обработки относится термомагнитная обработка, позволяющая в результате охлаждения изделий в магнитном поле улучшать их некоторые магнитные свойства.

Итогом многочисленных исследований изменений структуры и свойств металлов и сплавов при тепловом воздействии явилась стройная теория Термической обработки металлов.

Классификация видов Термической обработки основывается на том, какого типа структурные изменения в металле происходят при тепловом воздействии. Термическая обработка металлов подразделяется на собственно термическую, заключающуюся только в тепловом воздействии на металл, химико-термическую, сочетающую тепловое и химическое воздействия, и термомеханическую, сочетающую тепловое воздействие и пластическую деформацию. Собственно термическая обработка включает следующие виды: отжиг 1-го рода, отжиг 2-го рода, закалку без полиморфного превращения и с полиморфным превращением, старение и отпуск.

Азотирование - насыщение поверхности металлических деталей азотом с целью повышения твёрдости, износоустойчивости, предела усталости и коррозионной стойкости. Азотированию подвергают сталь, титан, некоторые сплавы, наиболее часто легированные стали, особенно хромоалюминиевые, а также сталь, содержащую ванадий и молибден.
Азотирование стали происходит при t 500 650 С в среде аммиака. Выше 400 С начинается диссоциация аммиака по реакции NH3 3H + N. Образовавшийся атомарный азот диффундирует в металл, образуя азотистые фазы. При температуре азотирования ниже 591 С азотированный слой состоит из трёх фаз (рис.): µ нитрида Fe2N, ³" нитрида Fe4N, ± азотистого феррита, содержащего около 0,01% азота при комнатной температуре. При температуре азотирования 600 650 С возможно образование ещё и ³-фазы, которая в результате медленного охлаждения распадается при 591 C на эвтектоид ± + ³1. Твёрдость азотированного слоя увеличивается до HV = 1200 (соответствует 12 Гн/м2) и сохраняется при повторных нагревах до 500 600 C, что обеспечивает высокую износоустойчивость деталей при повышенных температурах. Азотированные стали значительно превосходят по износоустойчивости цементированные и закалённые стали. Азотирование длительный процесс, для получения слоя толщиной 0,2 0,4 мм требуется 20 50 ч. Повышение температуры ускоряет процесс, но снижает твёрдость слоя. Для защиты мест, не подлежащих азотированию, применяются лужение (для конструкционных сталей) и никелирование (для нержавеющих и жаропрочных сталей). Для уменьшения хрупкости слоя азотирования жаропрочных сталей иногда ведут в смеси аммиака и азота.
Азотирование титановых сплавов проводится при 850 950 С в азоте высокой чистоты (азотирование в аммиаке не применяется из-за увеличения хрупкости металла).

При азотировании образуется верхний тонкий нитридный слой и твёрдый раствор азота в ±-титане. Глубина слоя за 30 ч 0,08 мм с поверхностной твёрдостью HV = 800 850 (соответствует 8 8,5 Гн/м2). Введение в сплав некоторых легирующих элементов (Al до 3%, Zr 3 5% и др.) повышает скорость диффузии азота, увеличивая глубину азотированного слоя, а хром уменьшает скорость диффузии. Азотирование титановых сплавов в разреженном азоте позволяет получать более глубокий слой без хрупкой нитридной зоны.
Азотирование широко применяют в промышленности, в том числе для деталей, работающих при t до 500 600 С (гильз цилиндров, коленчатых валов, шестерён, золотниковых пар, деталей топливной аппаратуры и др.).
Лит.: Минкевич А. Н., Химико-термическая обработка металлов и сплавов, 2 изд., М., 1965: Гуляев А. П..Металловедение, 4 изд., М., 1966.