Термична обработка на металите – цели, механизми и основни методи
Когато говорим за термичните методи за обработка на металите, трябва веднага да направим едно уточнение. Понятието „термична обработка“ в металознанието има тясно специализиран, специфичен смисъл. Има се предвид обработка, при която целенасочено и металоведчески обосновано даден метал или сплав се нагрява с цел подобряване на неговите свойства. В този смисъл не е метод на термична обработка например заваряването, независимо, че при почти всички методи на заваряване се въвежда топлина и се достига до сериозни температури. При най-широко използвания заваръчен метод – ръчното електродъгово заваряване, температурата в заваръчната вана е от порядъка на 1700 – 1800°С. При заваряването целта е монолитното свързване на две или повече изделия. Въвеждането на топлина е спомагателно средство за постигане на тази цел. Нагряването и охлаждането често са съпътстващи процеси при някои производствени процеси. Освен заваряването можем да посочим напр. обработката чрез гореща пластична деформация или коването.
Какво представлява термичната обработка на металите
Термичната обработка на металите представлява процес, при който контролирано и целенасочено се нагрява дадено метално изделие до достигане на желана предварително предписана температура или температурен интервал. При някои методи тази температура е по-ниска от температурата на фазово превръщане, а при други я надхвърля. Когато желаната температура е достигната, следва задържане, което трае определено време. След което изделието се охлажда по предварително определена схема. В зависимост от целта, която преследваме, охлаждането може да трае от няколко секунди до часове.
Всички без изключение, дори и най-сложните методи за термична обработка, се подчиняват на тази обща схема. Ще разгледаме основните методи за термична обработка на металите във връзка с целите, които се постигат с дадения метод.
Много често целта на термичната обработка се състои в отстраняване или преодоляване на дадено нежелано състояние на материала, възникнало в резултат обикновено на извършена технологична обработка. Например това са пластична деформация или заваряване. Опростено казано, в този случай термичната обработка цели премахване на остатъчни напрежения, увеличаване на пластичността и ударната жилавост, намаляване на твърдостта. Тези цели се постигат посредством голяма група методи, обединени в общия термин отгряване.
Видове отгряване на металите
Различаваме следните видове отгряване:
- Хомогенизиращо (дифузионно) отгряване – основната цел е изравняване на химичния състав на метала, от който е изработено изделието, по целия му обем.
- Рекристализационно отгряване – прилага се обикновено след обработка чрез студена пластична деформация. Основната цел е намаляване на твърдостта и увеличаване на пластичността и жилавостта.
- Отгряване за снемане на вътрешни напрежения – посредством нагряване до определена температура и извършване на релаксационни процеси се цели премахване на остатъчни вътрешни напрежения.
- Отгряване с фазова прекристализация – целта на тази термична обработка е получаване на по-равновесни структури с по-ниска твърдост, по-висока пластичност и обработавемост, а също и премахване на остатъчните вътрешни напрежения.
- Пълно отгряване – при него целта е получаване на феритно-перлитна структура.
- Непълно отгряване – целта е получаване на перлитно-циментитна структура.
- Изотермично отгряване – прилага се най-вече при легирани стомани и цели получаване на по-еднородна феритно-перлитна структура.
- Сфероидизиращо отгряване – сравнително усложнена термична обработка, която цели сфероидизиране на карбидите, при което се образува зърнест перлит.
- Нормализация – термична обработка, която се прилага при ковани или щамповани детайли, отливки и заварени конструкции с цел издребняване на феритно – перлитната структура и повишаване на механическите свойства – якост на опън и ударна жилавост.
Закаляване на металите – най-разпространената термична обработка
В някои случай термичната обработка на металите има за цел получаване на неравновесна структура. Тази структура е известна като мартензит, която се характеризира с много висока повърхностна твърдост. Това се постига чрез нагряване на материала до температури в аустенитната област (над линията G-S-E в желязо-въглеродната диаграма).
Следва екстремно бързо охлаждане. При това охлаждане се предотвратяват нискотемпературните процеси и се „фиксира“ определено високотемпературно състояние или неравновесна структура. Този вид термична обработка се нарича закаляване. В зависимост от дълбочината на проникване на закаляването (прокаляемостта) различаваме:
Обемно закаляване – при него материалът се нагрява до съответната температура, където се задържа до пълно прогряване, така че фазовите превръщания да протекат в целия обем, след което се прилага бързо охлаждане чрез потопяване във вода, масло или други охлаждащи среди.
Повърхностно закаляване – термична обработка, приложима при закаляеми конструкционни стомани, която целѝ повърхността на детайла да получи висока твърдост и износоустойчивост, а сърцевината му да остане непроменена (със запазена жилавост). Повърхностното закаляване се осъществява с мощен топлинен източник и висока скорост на нагряване, в резултат на което се получава голям температурен градиент по напречното сечение. Следва бързо охлаждане с воден душ или чрез потопяване в масло.
Подобряване=закаляване+отвръщане
Термичната обработка закаляване води до образуване на мартензитна структура, за която са типични висока твърдост и ниска жилавост. Поради тази причина почти винаги след закаляването следва т.нар. отвръщане на материала – термична обработка, целяща снемане на вътрешните напрежения в мартензита. Това се постига чрез нагряване на материала (до температури 160-200С за нисковъглеродни стомани и 350-500С за средновъглеродни и легирани стомани), след което той се оставя да изстине бавно на въздух. В резултат материалът понижава твърдостта си, но се подобрява ударната жилавост. В зависимост от температурата на нагряване различаваме нискотемпературно (160-200°С), среднотемпературно (350-500°С) и високотемпературно отвръщане (500-680°С). Термична обработка, при която се провеждат последователно обемно закаляване, последвано от високотемпературно отвръщане, при която могат да бъдат получени различни комбинации от якост и жилавост, се нарича подобряване на стоманата.
В заключение, нека обобщим. Термичната обработка на металите се състои в технологично използване и „фина настройка“ на три параметъра – температура, време на задържане и скорост на охлаждане. При различни съчетания на тези параметри се решават две принципно различни задачи. Първата: премахване на нежелани състояния (вътрешни напрежения и твърдост) и увеличаване на пластичността и жилавостта. В тази област попадат голямата група методи, обобщени с понятието отгряване, както и методът отвръщане. Втората задача е свързана с умишлено търсено повишаване на твърдостта. Методът закаляване, който почти винаги е последван от отвръщане, при което се получават различни комбинации от якост и жилавост.
Повечето остриета на на режещи инструменти се обработват именно чрез подобряване. По този начин самото острие е достатъчно твърдо и същевременно достатъчно жилаво.