Введение

Тепловая обработка (или термическая обработка) – это совокупность промышленных, термических и металлообрабатывающих процессов, используемых для изменения физических, а иногда и химических свойств материала. Наиболее распространенное применение – в металлургии. Тепловая обработка также применяется при производстве многих других материалов, таких как стекло. Она включает в себя нагрев или охлаждение, как правило, до высоких температур, для достижения желаемого результата, например, упрочнения или смягчения материала. Методы тепловой обработки включают отжиг, цементацию, упрочнение осаждением, отпуск, карбуризацию, нормализацию и закалку. Хотя термин "термическая обработка" относится только к процессам, в которых нагрев и охлаждение осуществляются специально для преднамеренного изменения свойств, нагрев и охлаждение часто происходят попутно в ходе других производственных процессов, таких как горячая формовка или сварка.

Физические процессы

Металлические материалы состоят из микроструктуры мелких кристаллов, называемых "зернами" или кристаллитами. Характер зерен (то есть размер и состав зерна) является одним из наиболее эффективных факторов, определяющих общее механическое поведение металла. Термическая обработка обеспечивает эффективный способ изменения свойств металла путем контроля скорости диффузии и скорости охлаждения внутри микроструктуры. Термическая обработка часто используется для изменения механических свойств металлического сплава, влияя на такие свойства, как твердость, прочность, вязкость, пластичность и упругость. Существует два механизма, которые могут изменить свойства сплава в процессе термической обработки: образование мартенсита вызывает внутреннюю деформацию кристаллов, а диффузионный механизм – изменения гомогенности сплава. Кристаллическая структура состоит из атомов, сгруппированных в очень специфическом расположении, называемом кристаллической решеткой. В большинстве элементов этот порядок перестраивается в зависимости от условий, таких как температура и давление. Эта перестройка, называемая аллотропией или полиморфизмом, может происходить несколько раз при различных температурах для конкретного металла. В сплавах эта перестройка может привести к тому, что элемент, который обычно не растворяется в основном металле, внезапно станет растворимым, а обратная аллотропия сделает элементы частично или полностью нерастворимыми. В растворимом состоянии процесс диффузии заставляет атомы растворенного элемента распространяться, стремясь к однородному распределению в кристаллах основного металла. Если сплав охлаждается до нерастворимого состояния, атомы растворенных компонентов (растворенных веществ) могут мигрировать из раствора. Этот тип диффузии, называемый осаждением, приводит к нуклеации, когда мигрирующие атомы группируются вместе на границах зерен. Это формирует микроструктуру, обычно состоящую из двух или более различных фаз. Например, сталь, нагретая выше температуры аустенизации (красная до оранжевой, или около 800–900 °C в зависимости от содержания углерода), а затем медленно охлажденная, образует слоистую структуру, состоящую из чередующихся слоев феррита и цементита, превращаясь в мягкий перлит. После нагрева стали до аустенитной фазы и последующего закалки в воде микроструктура будет мартенситной. Это происходит потому, что сталь после закалки переходит из аустенитной фазы в мартенситную. Некоторое количество перлита или феррита может присутствовать, если закалка не охладила всю сталь достаточно быстро. Многие металлы и неметаллы демонстрируют мартенситное превращение при быстром охлаждении (с использованием внешних сред, таких как масло, полимер, вода и т. д.). Когда металл охлаждается очень быстро, нерастворимые атомы могут не успеть вовремя выйти из раствора. Это называется "бездиффузионным превращением". Когда кристаллическая матрица переходит в низкотемпературное состояние, атомы растворенного вещества оказываются захваченными в кристаллической решетке. Захваченные атомы препятствуют полному превращению кристаллической матрицы в ее низкотемпературный аллотроп, создавая напряжения сдвига внутри решетки. При быстром охлаждении некоторых сплавов, таких как сталь, мартенситное превращение упрочняет металл, в то время как в других, например, в алюминии, сплав становится мягче.

Влияние состава

Специфический состав системы сплава обычно оказывает значительное влияние на результаты термической обработки. Если процентное содержание каждого компонента подобрано оптимально, сплав при охлаждении сформирует единую, сплошную микроструктуру. Такая смесь называется эвтектоидной. Однако, если процентное содержание растворенных веществ отклоняется от эвтектоидного состава, одновременно обычно образуются две или более различных микроструктур. Гипоэвтектоидный раствор содержит меньше растворенного вещества, чем эвтектоидный состав, а гиперевтектоидный – больше.

Сплавы эутектоидов

Эутектоидный (эутектический) сплав по своему поведению аналогичен эутектическому сплаву. Эутектический сплав характеризуется наличием единственной температуры плавления. Эта температура плавления ниже температуры плавления любого из компонентов, и никакое изменение состава смеси не позволит снизить температуру плавления ещё больше. При охлаждении расплавленного эутектического сплава все компоненты кристаллизуются в соответствующие фазы при одной и той же температуре. Эутектоидный сплав подобен ему, но фазовый переход происходит не из жидкого состояния, а из твердого раствора. При охлаждении эутектоидного сплава от температуры раствора компоненты разделяются на различные кристаллические фазы, формируя единую микроструктуру. Например, эутектоидная сталь содержит 0,77% углерода. При медленном охлаждении раствор железа и углерода (однофазное состояние, называемое аустенитом) разделяется на пластинчатые фазы феррита и цементита. Это формирует слоистую микроструктуру, называемую перлитом. Поскольку перлит тверже железа, достижимая степень мягкости обычно ограничена той, которую обеспечивает перлит. Аналогично, способность к упрочнению ограничена непрерывной мартенситной микроструктурой, образующейся при очень быстром охлаждении.

Гипоутектоидные сплавы

Гипоэтектический сплав имеет две отдельные температуры плавления. Обе они выше эвтектической температуры плавления системы, но ниже температур плавления любого из компонентов, формирующих систему. Между этими двумя температурами плавления сплав будет существовать в виде смеси твердой и жидкой фаз. Компонент с более высокой температурой плавления затвердеет первым. После полного затвердевания гипоэтектический сплав часто находится в состоянии твердого раствора. Аналогично, гипоэутектоидный сплав характеризуется двумя критическими температурами, называемыми "точками ареста". Между этими двумя температурами сплав будет существовать частично в виде раствора и частично в виде отдельной кристаллизующейся фазы, называемой "проэутектоидной фазой". Эти две температуры называются верхней (A3) и нижней (A1) температурами превращения. При охлаждении раствора от верхней температуры превращения к состоянию, близкому к нерастворимости, избыток основного металла часто вынужден "выкристаллизовываться", образуя проэутектоидную фазу. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока остаточная концентрация растворенных элементов не достигнет эвтектоидной концентрации, которая затем выкристаллизуется в виде отдельной микроструктуры. Например, гипоэутектоидная сталь содержит менее 0,77% углерода. При охлаждении гипоэутектоидной стали от температуры превращения аустенита образуются небольшие области проэутектоидного феррита. Они будут продолжать расти, а углерод будет вытесняться, пока в остальной части стали не будет достигнута эвтектоидная концентрация. Эта эвтектоидная смесь затем выкристаллизуется в микроструктуру перлита. Поскольку феррит мягче перлита, эти две микроструктуры в совокупности повышают пластичность сплава. Следовательно, способность к упрочнению сплава снижается.

Гиперрутектоидные сплавы

Гиперевтектический сплав также имеет различные температуры плавления. Однако между этими точками твердой будет составляющая с более высокой температурой плавления. Аналогично, гиперевтектоидный сплав характеризуется двумя критическими температурами. При охлаждении гиперевтектоидного сплава от верхней температуры превращения, как правило, первыми кристаллизуются избыточные растворенные элементы, формируя проэвтектоидную структуру. Этот процесс продолжается до тех пор, пока концентрация в оставшемся сплаве не достигнет эвтектоидной, которая затем кристаллизуется в отдельную микроструктуру. Гиперэвтектоидная сталь содержит более 0,77% углерода. При медленном охлаждении гиперэвтектоидной стали цементит начинает кристаллизоваться первым. Когда оставшаяся сталь приобретает эвтектоидный состав, она кристаллизуется в перлит. Поскольку цементит значительно тверже перлита, сплав обладает повышенной закаливаемостью, но при этом снижается пластичность. За исключением снятия напряжений, отпуска и старения, большинство термообработок начинаются с нагрева сплава выше определенной температуры превращения или температуры задержки (А). Эта температура называется "температурой задержки", поскольку при температуре А металл испытывает период гистерезиса. В этот момент вся тепловая энергия расходуется на изменение кристаллической структуры, поэтому температура перестает повышаться на короткое время (задерживается), а затем продолжает расти после завершения изменения. Следовательно, для осуществления превращения сплав необходимо нагреть выше критической температуры. Обычно сплав выдерживают при этой температуре достаточно долго, чтобы тепло полностью проникало в его объем, переводя его в состояние полного твердого раствора. Например, железо имеет четыре критические температуры, зависящие от содержания углерода. Чистое железо в альфа-состоянии (комнатная температура) переходит в немагнитное гамма-железо при температуре А2 и в свариваемое дельта-железо при температуре А4. Однако при добавлении углерода, превращая железо в сталь, температура А2 разделяется на температуру А3, также называемую температурой аустенизации (все фазы превращаются в аустенит – раствор гамма-железа и углерода), и температуру А1 (аустенит при охлаждении превращается в перлит). Между этими верхними и нижними температурами при охлаждении формируется проэвтектоидная фаза. Поскольку более мелкий размер зерна обычно улучшает механические свойства, такие как вязкость, прочность на сдвиг и прочность на растяжение, эти металлы часто нагревают до температуры, лишь немного превышающей верхнюю критическую температуру, чтобы предотвратить чрезмерный рост зерен раствора. Например, при нагреве стали выше верхней критической температуры образуются мелкие зерна аустенита. Они увеличиваются с повышением температуры. При очень быстром охлаждении, во время мартенситного превращения, размер зерна аустенита напрямую влияет на размер зерна мартенсита. Более крупные зерна имеют большие границы зерен, которые являются слабыми местами в структуре. Размер зерна обычно контролируется для снижения вероятности разрушения. Диффузионное превращение сильно зависит от времени. Охлаждение металла обычно подавляет осаждение до значительно более низкой температуры. Например, аустенит обычно существует только выше верхней критической температуры. Однако, если аустенит достаточно быстро охладить, превращение может быть подавлено на сотни градусов ниже нижней критической температуры. Такой аустенит крайне нестабилен и, получив достаточно времени, осаждается в различные микроструктуры феррита и цементита. Скорость охлаждения можно использовать для контроля скорости роста зерна или даже для получения частично мартенситных микроструктур. Однако мартенситное превращение не зависит от времени. Если сплав охлаждается до температуры мартенситного превращения (Ms) до того, как другие микроструктуры успеют полностью сформироваться, превращение обычно происходит чуть ниже скорости звука. Когда аустенит охлаждается, но поддерживается выше температуры начала мартенситного превращения Ms, чтобы мартенситное превращение не происходило, размер зерна аустенита влияет на скорость зародышеобразования, но, как правило, именно температура и скорость охлаждения контролируют размер зерна и микроструктуру. При очень медленном охлаждении аустенит образует крупные кристаллы феррита, заполненные сферическими включениями цементита. Эта микроструктура называется "сфероидитом". При более быстрой скорости охлаждения образуется грубый перлит, еще быстрее – мелкий перлит. При еще более быстрой скорости охлаждения образуется бейнит, причем полнота бейнитного превращения зависит от времени выдержки выше температуры начала мартенситного превращения Ms. Аналогичным образом, эти микроструктуры также формируются при охлаждении до определенной температуры и выдержке при ней в течение определенного времени. Большинство цветных сплавов также нагревают для формирования твердого раствора. Чаще всего их затем быстро охлаждают для получения мартенситного превращения, переводя раствор в пересыщенное состояние. Сплав, находящийся в более мягком состоянии, затем может подвергаться холодной обработке. Это вызывает упрочнение, которое увеличивает прочность и твердость сплава. Кроме того, дефекты, вызванные пластической деформацией, способствуют ускорению осаждения, увеличивая твердость сверх нормы для данного сплава. Даже если холодная обработка не применяется, растворенные элементы в этих сплавах обычно осаждаются, хотя этот процесс может занять больше времени. Иногда эти металлы затем нагревают до температуры ниже нижней критической (А1), предотвращая рекристаллизацию, чтобы ускорить осаждение.

Типы термической обработки

Сложные графики термической обработки, или "циклы", часто разрабатываются металлургами для оптимизации механических свойств сплава. В аэрокосмической промышленности сверхсплав может подвергаться пяти или более различным операциям термообработки для достижения требуемых свойств. Это может приводить к проблемам с качеством в зависимости от точности контроля температуры и времени выдержки в печи. Эти операции обычно можно разделить на несколько основных техник.

Отжигание

Отжиг заключается в нагреве металла до определенной температуры и последующем охлаждении со скоростью, обеспечивающей формирование измельченной микроструктуры, с полным или частичным разделением составляющих. Скорость охлаждения обычно медленная. Отжиг чаще всего применяется для смягчения металла перед холодной обработкой, улучшения обрабатываемости или повышения таких свойств, как электропроводность. В черных сплавах отжиг обычно проводят путем нагрева металла выше верхней критической температуры с последующим очень медленным охлаждением, что приводит к образованию перлита. Как в чистых металлах, так и во многих сплавах, не поддающихся термической обработке, отжиг используется для снятия твердости, вызванной холодной деформацией. Металл нагревают до температуры, при которой возможна рекристаллизация, тем самым устраняя дефекты, возникшие в результате пластической деформации. В этих металлах скорость охлаждения обычно мало влияет на результат. Большинство цветных сплавов, поддающихся термической обработке, также отжигают для снижения твердости после холодной деформации. Их могут медленно охлаждать для обеспечения полного выделения фаз и получения измельченной микроструктуры. Черные сплавы обычно подвергают либо полному отжигу, либо процессу отжига. Полный отжиг требует очень медленных скоростей охлаждения для формирования крупнозернистого перлита. При процессом отжиге скорость охлаждения может быть выше, вплоть до нормализации. Основная цель процесного отжига – получение однородной микроструктуры. Цветные сплавы часто подвергают различным видам отжига, включая рекристаллизационный отжиг, частичный отжиг, полный отжиг и окончательный отжиг. Не все виды отжига связаны с рекристаллизацией, например, снятие внутренних напряжений.

Нормализация

Нормализация — это термическая обработка, используемая для выравнивания размера зерна и состава (равноосных кристаллов) по всему объему сплава. Этот термин часто применяется к черным металлам, которые были аустенизированы и затем охлаждены на воздухе.

Укрепление корпуса

Поверхностное упрочнение — это термохимический диффузионный процесс, в котором легирующий элемент, как правило углерод или азот, диффундирует в поверхностный слой монолитного металла. Образующийся интерстициальный твердый раствор имеет более высокую твердость, чем основной материал, что улучшает износостойкость без снижения ударной вязкости.

Декарбонизация

Нагрев стали иногда используется для изменения содержания углерода. Когда сталь нагревается в окислительной среде, кислород соединяется с железом, образуя слой оксида железа, который защищает сталь от обезуглероживания. Однако, когда сталь переходит в аустенитное состояние, кислород соединяется с железом, образуя шлак, который не обеспечивает защиты от обезуглероживания. Образование шлака и окалины фактически усиливает обезуглероживание, поскольку оксид железа поддерживает контакт кислорода с зоной обезуглероживания даже после перемещения стали в среду, не содержащую кислорода, например, в уголь горна. Таким образом, атомы углерода начинают соединяться с окружающей окалиной и шлаком, образуя монооксид углерода и диоксид углерода, которые выделяются в воздух. Сталь содержит относительно небольшое количество углерода, который может свободно перемещаться внутри γ-железа. При длительном воздействии аустенизированной стали на воздух содержание углерода в стали может снижаться. Это противоположно тому, что происходит при нагреве стали в восстановительной среде, где углерод медленно диффундирует глубже в металл. В окислительной среде углерод может легко диффундировать наружу, поэтому аустенизированная сталь очень подвержена обезуглероживанию. Это часто используется для литой стали, где высокое содержание углерода необходимо для литья, но в готовом изделии требуется более низкое содержание. Также это часто применяют к чугунам для получения ковкого чугуна в процессе, называемом "белым отпуском". Эта склонность к обезуглероживанию часто является проблемой в других операциях, таких как кузнечное дело, где желательно аустенизировать сталь на минимально возможное время, чтобы предотвратить чрезмерное обезуглероживание.

Спецификация термической обработки

Обычно задаётся конечное состояние, а не процесс, используемый при термообработке.

Укрепление корпуса

Поверхностное упрочнение определяется "твердостью" и "глубиной упрочненного слоя". Глубина упрочненного слоя может быть указана двумя способами: общая глубина упрочненного слоя или эффективная глубина упрочненного слоя. Общая глубина упрочненного слоя – это фактическая глубина упрочненного слоя. Для большинства сплавов эффективная глубина упрочненного слоя – это глубина, при которой твердость эквивалентна HRC50; однако, для некоторых сплавов на эффективной глубине упрочненного слоя указывается другая твердость (от 40 до 60 HRC); проверка этого осуществляется на микротвердомере Tukon. Это значение можно приблизительно оценить как 65% от общей глубины упрочненного слоя; однако, химический состав и свариваемость могут влиять на точность этого приближения. Если ни один из типов глубины упрочненного слоя не указан, предполагается общая глубина упрочненного слоя. При указании твердости необходимо приводить диапазон или минимальное значение твердости. Если указан диапазон, он должен содержать не менее 5 значений.

Печи для сборки

Партийные системы обычно состоят из изолированной камеры со стальным корпусом, системы нагрева и доступа к камере.

Печи с жидкостным слоем

Жидкостный слой состоит из цилиндрической реторты, изготовленной из высокотемпературного сплава, заполненной частицами оксида алюминия, похожими на песок. Газ (воздух или азот) пропускается через оксид, в результате чего песок перемещается таким образом, что демонстрирует свойства, характерные для жидкости, отсюда и термин "жидкостный слой". Контакт частиц оксида друг с другом обеспечивает очень высокую теплопроводность и превосходную однородность температуры во всей печи, сравнимую с той, что достигается в соляной ванне.