Термическая обработка

Термическая обработка металлов в производстве

Введение

Термическая обработка — это операции нагрева, выдержки и охлаждения металла для изменения его структуры и свойств. В условиях металлообработки на токарных и фрезерных станках с ЧПУ правильная термообработка критически важна. Это определяет твердость, точность, долговечность готовых деталей.

При производстве деталей по чертежам (валов, фланцев, втулок) необходимо не только механически обработать заготовку, но и подобрать оптимальный режим термообработки. Это позволяет получить детали со свойствами, соответствующими техническим требованиям.

Теоретические основы

Структура и фазы сталей

При нагревании стали происходят фазовые превращения. Наиболее важное — превращение α-Fe (феррит) ↔ γ-Fe (аустенит) при 911°C.

α-Fe (феррит) — мягкий, пластичный, растворяет до 0,02% углерода. Используется когда нужна пластичность.

γ-Fe (аустенит) — пластичен только при высоких температурах, растворяет до 2,14% углерода. Используется при закалке.

Феррит — твердый раствор углерода в α-Fe. Мягкий (80-100 HB), пластичный. При необходимости максимальной пластичности используется феррит.

Аустенит — твердый раствор углерода в γ-Fe. Образуется при нагреве выше критических точек. Пластичен только при высоких температурах.

Цементит (Fe₃C) — интерметаллид с 6,67% углерода. Очень твердый (800-1000 HV) и хрупкий. Используется как упрочняющая фаза.

Перлит — смесь феррита и цементита, образуется при охлаждении аустенита. Содержит 0,8% C. Структура может быть пластинчатой (медленное охлаждение) или зернистой (отжиг).

Мартенсит — метастабильная фаза с тетрагональной решеткой. Образуется при быстром охлаждении (закалке). Максимальная твердость (55-65 HRC) и максимальная хрупкость. При механической обработке требуется специальный инструмент и низкие скорости.

Бейнит — переходная структура между мартенситом и перлитом. Образуется при охлаждении с промежуточной скоростью. Хорошее сочетание твердости и пластичности.

Критические точки

Для эвтектоидной стали (0,8% C):

Ac₁ = 727°C (при нагреве) — начало превращения
Ac₃ = 800°C (при нагреве) — полный переход в аустенит
Ar₃ = 800°C (при охлаждении) — начало превращения в феррит
Ar₁ = 727°C (при охлаждении) — полный переход в перлит

Для среднеуглеродистых сталей (типа 45, используемых при улучшении): Ac₃ ≈ 820°C.

Влияние легирующих элементов: молибден, вольфрам, ванадий повышают критические точки. Марганец, никель, медь, углерод понижают.

Основные виды термической обработки

Отжиг

Отжиг — нагрев металла выше критических точек с медленным охлаждением. Используется для подготовки материала к механической обработке.

Полный отжиг:

Технология: нагрев на 50-100°C выше Ac₃, выдержка 1-3 часа, медленное охлаждение вместе с печью.

Результаты:

Твердость: 60-80 HB (минимальная)
Пластичность: максимальная (δ = 25-35%)
Структура: мелкозернистые феррит и перлит

Применение: подготовка отливок и поковок к механической обработке, подготовка перед закалкой.

Практика: Закаленная сталь очень твердая и сложна для обработки на токарном станке — требуется дорогой инструмент, низкие скорости. После полного отжига можно обработать с хорошей производительностью.

Нормализация:

Технология: нагрев на 50-100°C выше Ac₃, охлаждение на воздухе.

Результаты:

Твердость: 100-150 HB (выше чем при отжиге)
Время обработки: значительно короче (в 5-10 раз)

Применение: готовые детали, работающие при нормальных нагрузках.

Рекристаллизационный отжиг:

Технология: нагрев ниже Ac₁ (обычно на 150-200°C ниже), охлаждение на воздухе.

Применение: проволока после волочения, листовой материал после прокатки, штампованные заготовки.

Закалка

Закалка — нагрев выше критических точек с последующим быстрым охлаждением для получения твердой структуры (мартенсита).

Простая закалка:

Технология: нагрев на 30-50°C выше Ac₃, быстрое охлаждение в закалочной среде.

Закалочные среды:

Вода: скорость ≈600°C/сек, высокий риск трещин. Используется для инструмента.

Масло: скорость ≈100-150°C/сек, средний риск, экономично. Используется для конструкционных сталей (40Х, 30ХГСА).

Воздух: скорость ≈10°C/сек. Используется для высоколегированных сталей.

Результаты: твердость 55-65 HRC, пластичность минимальная, хрупкость повышена.

Практика: Закаленный материал очень хрупкий. При обработке на токарном станке требуются острый инструмент, низкие скорости, постоянное охлаждение.

Поверхностная закалка ТВЧ:

Назначение: твердая поверхность при мягкой сердцевине. Оптимальное решение для деталей, требующих твердости и пластичности.

Технология: индукционный нагрев поверхности токами 50-100 кГц до 800-900°C, затем охлаждение водой.

Преимущества:

Поверхность твердая (58-62 HRC)
Сердцевина мягкая (30-45 HRC)
Минимальное коробление
Избирательное закаливание отдельных участков

Параметры: глубина закала 1-3 мм (регулируется частотой и мощностью).

Применение: коленвалы, распредвалы, гильзы, зубья шестерен, направляющие валы.

Газоцементация:

Назначение: насыщение поверхности углеродом для высокой поверхностной твердости при пластичной сердцевине.

Технология: нагрев до 900-950°C в среде, богатой CO, выдержка 5-100 часов, охлаждение, закалка, отпуск.

Глубина: 0,5-2 мм, содержание углерода на поверхности: 0,8-1,2%.

Результаты:

Поверхностная твердость: 58-62 HRC
Твердость сердцевины: 30-45 HRC
Ударная вязкость: хорошая

Применение: шестерни, кулачки, спинели, детали из низкоуглеродистых сталей (20, 15Х, 12ХН3А).

Азотирование:

Назначение: насыщение азотом для высокой твердости и износостойкости.

Технология: нагрев в атмосфере аммиака (NH₃) до 500-600°C, выдержка 10-100 часов, охлаждение в печи. Закалка не требуется!

Преимущества:

Низкая температура (минимальные деформации)
Высокая твердость (60-65 HRC)
Не требуется закалки
Отличная износостойкость и усталостная прочность

Параметры: глубина 0,2-0,7 мм, содержание азота до 10%.

Применение: штампы, пуансоны, валы, кулачки, детали двигателей.

Отпуск

Отпуск — нагрев закаленного металла ниже критических точек для снижения напряжений и хрупкости.

Низкотемпературный отпуск (150-250°C):

Результаты:

Твердость: снижается на 5-10%
Остаточные напряжения: снижаются на 30-50%
Структура: мартенсит + выделения карбидов

Применение: режущий инструмент (сверла, метчики, фрезы, калибры), где требуется максимальная твердость.

Среднетемпературный отпуск (350-500°C):

Результаты:

Твердость: снижается на 30-40%
Пластичность: значительно улучшается
Упругость: близка к максимальной
Структура: троостит

Применение: рессоры, пружины, детали, требующие упругости и прочности.

Высокотемпературный отпуск (600-700°C) — «улучшение»:

Результаты:

Твердость: снижается на 60-70%
Пластичность: высокая (δ = 18-25%)
Ударная вязкость: максимальная (KCU = 50-80 кДж/м²)
Структура: сорбит

Механические свойства для стали 45:

σв = 600-800 МПа
σт = 400-500 МПа
δ = 18-25%
KCU = 60 кДж/м²
HRC = 28-35

Применение: валы, оси, шпиндели, шестерни, болты, муфты.

Улучшение (закалка + высокий отпуск)

Улучшение — самый универсальный вид термообработки в производстве. Закалка + высокотемпературный отпуск.

Технология:

Нагрев на 30-50°C выше Ac₃
Охлаждение в масле (закалка)
Нагрев до 620-650°C (отпуск)

Результаты для стали 45:

σв = 800-1200 МПа
σт = 600-900 МПа
δ = 15-25%
ψ = 40-50%
KCU = 40-80 кДж/м²
HRC = 28-35

Применение в производстве:

Это вид обработки для большинства ответственных деталей машин, работающих под нагрузкой.

Примеры:

Валы — изготовление на токарном станке с ЧПУ, затем улучшение. Должны быть прочными, но не хрупкими.
Оси — по чертежам, улучшение, финишная обработка.
Кулачки — закалка ТВЧ или полное улучшение.
Болты высокой прочности — требуют улучшения.
Муфты соединительные — нужны прочность и вязкость.

Стали: 40, 45, 50, 40Х, 35ХМ, 30ХГСА.

Практические примеры в металлообработке

Изготовление валов

Вал из стали 45, диаметр 30 мм, длина 200 мм.

Процесс:

Заготовка (прокатное железо)
Отжиг на мягкость: нагрев выше Ac₃, медленное охлаждение → HB 60-80
Механическая обработка на токарном станке с ЧПУ:

Черновое точение
Получистовое точение
Нарезание резьбы (если требуется)
Сверление отверстий

Закалка: нагрев до 870°C, охлаждение в масле → HRC 55-60
Отпуск: нагрев до 630°C → HRC 30-32
Финишная обработка:

Шлифование (точность h6-h7)
Полирование
Обработка отверстий

Требуемые свойства:

σв ≥ 900 МПа ✓
σт ≥ 600 МПа ✓
δ ≥ 15% ✓
KCU ≥ 60 кДж/м² ✓
Точность: h6, IT7 ✓
Шероховатость: Ra 3,2 мкм ✓

Изготовление фланцев

Фланец из стали 40Х, диаметр 60 мм, толщина 20 мм.

Процесс:

Заготовка (штамповка или фрезерование)
Отжиг
Механическая обработка на фрезерном станке с ЧПУ:

Фрезерование торцов (±0,5 мм)
Сверление отверстий (4×M8)
Фрезерование паза

Закалка в масле
Отпуск при 620°C
Финишная обработка: шлифование, полирование

Результат: фланец с HRC = 30-32, высокой прочностью, готовый к установке.

Изготовление втулок (подшипников скольжения)

Втулка из бронзы или латуни, внешний диаметр 40 мм, внутренний 20 мм, длина 30 мм.

Процесс:

Материал: прокат или спецзаготовка
Механическая обработка на токарном станке:

Обточка внешнего диаметра до 40 мм (h7)
Расточка внутреннего до 20 мм (H8)
Шлифование внутреннего (H7, Ra 1,6 мкм)

Финишная обработка: полирование
Контроль: геометрия, шероховатость

Примечание: Медные сплавы не закаливают, так как имеют хорошие антифрикционные свойства.

Изготовление метчика

Метчик из быстрорежущей стали Р6М5.

Процесс:

Материал: прокат или спецзаготовка
Механическая обработка:

Фрезерование пазов на станке с ЧПУ
Черновое шлифование

Закалка: нагрев до 1200°C
Охлаждение: в масле или воздухе
Низкотемпературный отпуск: 150-180°C
Финишное шлифование
Контроль: твердость HRC 60-63, геометрия

Результат: метчик с HRC = 62, теплостойкостью до 600°C, производительностью 50-100 метчиков на 1000 деталей.

Валы редукторов

Вал из стали 30ХГСА, диаметр 40 мм, длина 400 мм, с нарезанными зубьями.

Процесс:

Заготовка (прокат)
Отжиг
Черновая обработка: фрезерование зубьев на ЧПУ
Промежуточный контроль
Чистовая обработка: шлифование зубьев, точение шеек
Закалка в масле
Отпуск при 630°C (улучшение)
Финишная обработка: шлифование, полирование поверхностей под подшипники
Контроль качества:

Твердость: HRC = 28-32
Точность: по чертежу (h6-h7)
Шероховатость: Ra 1,6-3,2 мкм
Проверка биения, параллельности осей

Требуемые свойства:

σв = 1000-1200 МПа ✓
δ ≥ 15% ✓ (нужна для вибрационных нагрузок)
KCU ≥ 80 кДж/м² ✓
Высокая усталостная прочность ✓

Дефекты при термической обработке

Образование трещин

Причины:

Слишком быстрое охлаждение
Недостаточный отпуск
Высокое содержание углерода
Сложная конфигурация детали
Дефекты в исходном материале

Предупреждение:

Выбор оптимальной скорости охлаждения (масло вместо воды)
Ступенчатая закалка (нагрев в масле перед охлаждением)
Немедленный отпуск после закалки
Низкие скорости нагрева для толстостенных деталей

Коробление

Причины:

Неравномерное охлаждение
Неправильное расположение в печи
Асимметричная конфигурация

Предупреждение:

Правильное размещение деталей
Специальные кондукторы и приспособления
Менее резкие закалочные среды
Полимерные закалочные жидкости

Окисление и обезуглероживание

Последствия:

Окалина портит поверхность
Обезуглероживание снижает твердость
Снижается износостойкость и усталостная прочность

Предупреждение:

Нагрев в защитной атмосфере (N₂, Ar)
Твердые защитные смеси
Вакуумная обработка
Минимизация времени нагрева

Контроль качества

Контроль твердости

Метод Роквелла (HRC) — для твердых материалов (HRC 20-68). Быстро, портативно, можно проверять готовые изделия.

Метод Бринелля (HB) — для мягких материалов (HB 30-300). Для отожженных и нормализованных деталей.

Метод Виккерса (HV) — универсальный. Применяется для твердых и мягких материалов, локального контроля.

На производстве: проверяют твердость после отпуска. Если спецификация требует HRC 28-32, проверяют попадание в диапазон. Выше — отпуск недостаточен, переделать. Ниже — отпуск слишком высок.

Механические испытания

На растяжение: σв, σт, δ. Требуется разрушение образца, используется редко (только контроль партий).

На ударную вязкость: KCU на маятниковом копре. Важно для деталей при ударных нагрузках.

Металлографический анализСветовая микроскопия: шлиф, травление, анализ структуры. После улучшения стали 45 должна быть структура сорбита (зерна цементита в матрице феррита). Если видна игольчатая структура мартенсита — отпуск недостаточен.

Неразрушающие методы

Ультразвуковой контроль: внутренние дефекты, толщина.

Магнитный контроль: поверхностные и подповерхностные дефекты. Только для ферромагнитных материалов.

Капиллярный контроль: поверхностные дефекты.

Экономические аспекты

Стоимость обработки

Факторы:

Вид: отжиг дешевый, цементация дорогая
Размер детали: крупные дороже
Объем: большие объемы дешевле
Материал: дорогие сплавы требуют сложной обработки

Оптимизация выбора

Правило: выбирайте вид обработки, соответствующий требованиям чертежа, но не превышающий их.

Примеры:

Вместо цементации — ТВЧ: дешевле и быстрее, если нужна только поверхностная твердость.
Вместо улучшения — нормализация: если прочность 600-700 МПа достаточна вместо 1000 МПа.
Используйте готовые материалы: если на складе есть нужный размер в нужном состоянии.

Заключение

Термическая обработка — неотъемлемая часть производства металлических деталей. При изготовлении по чертежам необходимо:

Выбрать правильный режим обработки согласно требованиям
Минимизировать деформации
Обеспечить качество поверхности
Контролировать результаты
Оптимизировать затраты

Правильная термообработка обеспечивает высокое качество, соответствие требованиям, надежность и долговечность деталей машин, конкурентоспособность продукции.