Термическая обработка деталей

Термическая обработка (термообработка) — это совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения твердых металлических сплавов, проводимых в определенной последовательности для изменения их внутренней структуры и, как следствие, механических, технологических и физико-химических свойств.

Основными целями термообработки являются:

• Повышение прочности и твердости
• Улучшение износостойкости
• Увеличение вязкости и пластичности для снижения хрупкости
• Снятие внутренних напряжений, возникающих при литье, сварке или механической обработке
• Улучшение обрабатываемости резанием.

От корректно проведенной термообработки напрямую зависят долговечность, надежность и безопасность эксплуатации деталей машин, инструментов, узлов транспортных средств и строительных конструкций.

В нашей статье мы расскажем вам о видах, технологическом процессе, областях применения и многом другом!

Содержание

• Применение для деталей компрессоров
• Виды термообработки
• Технологический процесс
• Оборудование
• Материалы
• Контроль качества
• Возможные дефекты
• Часто задаваемые вопросы

Применение для деталей компрессоров

Термообработка применяется для ключевых деталей воздушных компрессоров, чтобы повысить прочность, износостойкость и устойчивость к нагрузкам:

• Поршни
• Корпус компрессора и камеры
• Корпус подшипников
• Ресиверы и сосуды под давлением

Виды термообработки

• Отжиг. Для получения однородной структуры.
  • При полном отжиге сталь нагревают выше критической температуры и медленно охлаждают вместе с печью.
  • Нормализация — разновидность отжига с охлаждением на спокойном воздухе, дающая более тонкую и прочную структуру.
  • Неполный отжиг проводят при более низких температурах, часто для смягчения стали перед холодной штамповкой.
• Закалка. Для достижения высокой твердости и прочности.
• Отпуск. Нагрев до температур ниже критических с последующим охлаждением позволяет снизить остаточное напряжение, повысить вязкость и пластичность, сохранив достаточно высокую прочность. Различают низкий (150-250°C, для режущего и измерительного инструмента), средний (350-450°C, для пружин, ударного инструмента) и высокий (500-680°C, для деталей, работающих на удар и динамические нагрузки) отпуск.

Отдельно существует химико-термическая обработка (ХТО), сочетающая тепловое и химическое воздействие для изменения состава и свойств поверхностного слоя.

К ней относятся:

• Цементация – насыщение поверхности углеродом для последующей закалки, что дает твердый износостойкий слой и вязкую сердцевину (применяется для шестерен, валов).
• Азотирование – насыщение поверхности азотом. Обеспечивает самую высокую твердость, износо- и коррозионную стойкость с минимальной деформацией.
• Цианирование и нитроцементация – одновременное насыщение углеродом и азотом в газовой или жидкой среде.

Технологический процесс

Технологический цикл любой термообработки состоит из трех фундаментальных стадий:

1. Нагрев с определенной скоростью до заданной температуры.
2. Выдержка при этой температуре для завершения структурных превращений и прогрева детали по всему сечению.
3. Охлаждение с заданной скоростью (в печи, на воздухе, в жидкости).

Оборудование

Оборудование для этих процессов разнообразно:

Нагревательные печи. Камерные (для штучных и мелкосерийных деталей), шахтные (для длинномерных изделий), методические (для непрерывного процесса). В качестве нагревательной среды используют воздух, защитную атмосферу, расплавы солей или вакуум.

Установки для поверхностной закалки. Высокочастотные и промышленной частоты. Они нагревают только поверхностный слой детали за счет индукционных токов, после чего следует быстрое охлаждение.

Вакуумные печи. Современное оборудование, обеспечивающее идеальное качество поверхности без окислов, полное отсутствие обезуглероживания и возможность работы с активными металлами.

Материалы

Термообработке подвергаются в основном стали и сплавы на основе железа, а также некоторые цветные (например, алюминиевые и титановые):

• Конструкционные стали
• Инструментальные
• Пружинно-рессорные
• Нержавеющие и жаропрочные

Контроль качества

Качество термообработки проверяется прямыми и косвенными методами:

• Измерение твердости – основной и самый быстрый способ контроля.
• Микроструктурный анализ с помощью металлографического микроскопа позволяет оценить качество структуры, глубину закаленного слоя, размер зерна, отсутствие дефектов.
• Механические испытания на растяжение и ударную вязкость.
• Дефектоскопия (магнитная, ультразвуковая) для выявления внутренних трещин.

Возможные дефекты

• Окисление и обезуглероживание – потеря углерода с поверхности, ведущая к «мягкому» слою. Причина в нагреве в окислительной среде.
• Перегрев – рост зерна, ведущий к снижению вязкости. Устраняется отжигом.
• Пережог – оплавление границ зерна, неисправимый брак.
• Недостаточная или излишняя твердость – ошибки в температуре, времени или скорости охлаждения.
• Коробление и трещины – результат слишком резких температурных градиентов и внутренних напряжений.

Часто задаваемые вопросы

Для чего нужен вакуум в термообработке?

Он выполняет несколько ключевых функций:

1. Защита от окисления. Отсутствие кислорода предотвращает образование окалины и потерю металла с поверхности.
2. Защита от обезуглероживания. Сохраняется исходное содержание углерода в поверхностном слое, что важно для твердости.
3. Обеспечение чистоты поверхности. Деталь выходит из печи светлой, часто не требующей последующей очистки или пескоструйной обработки.
4. Дегазация. Удаление растворенных в металле вредных газов (водород, кислород, азот), повышающее пластичность и усталостную прочность.

Вакуумная обработка незаменима для высоколегированных, инструментальных, нержавеющих и жаропрочных сталей, а также для титановых сплавов.

Можно ли подвергнуть термообработке готовое изделие сложной формы, чтобы его не повело?

Да, для этого применяется комплекс мер:

1. Использование ХТО с минимальными деформациями. Азотирование проводится при температурах 500-600°C (ниже температур фазовых превращений), поэтому коробление металла достаточно мало. Детали после шлифовки можно азотировать без риска.
2. Закалка в пресс-формах. Тонкостенные детали (например, диски сцепления) охлаждают между плитами пресса, что жестко фиксирует их геометрию.
3. Обработка в средах с контролируемой атмосферой.
4. Применение сталей с высокой прокаливаемостью и малой деформацией. Например, легированных хромом, молибденом, которые можно закаливать в масле.
5. Строгое соблюдение технологических карт. Правильная ориентация детали в печи, плавный нагрев, ступенчатая закалка.