Термообработка металлов - важнейший этап производства, от качества которого зависят характеристики готового изделия. Давайте разберемся, зачем и как проводится эта процедура.
1. Сущность термообработки металлов
Термообработка металлов – это технологический процесс, заключающийся в нагреве металлических изделий до определенных температур, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении с целью придания металлу заданных структуры и свойств.
Основными целями термообработки являются:
- Изменение структуры металла для получения необходимого сочетания механических, физических и технологических свойств.
- Снятие внутренних напряжений, возникающих в процессе изготовления изделий.
- Повышение пластичности для облегчения последующей механической обработки.
Первые сведения о закалке стали относятся еще ко временам Древнего Египта. Однако промышленное применение различных видов термообработки началось только в 19 веке с развитием металлургии и машиностроения.
Основными процессами при термообработке металлов являются:
- Нагрев до определенной температуры в печи или с помощью другого источника тепла.
- Выдержка при заданной температуре для протекания необходимых структурных превращений.
- Охлаждение с регламентированной скоростью.
В зависимости от скорости нагрева и охлаждения, максимальной температуры и времени выдержки можно получить широкий спектр структур металла и различные сочетания его механических свойств.
2. Виды термообработки металлов
Существует несколько основных видов термической обработки металлов.
Отжиг
Отжиг - нагрев стали до температуры ниже критических точек с последующим медленным охлаждением.
Различают следующие разновидности отжига:
- Рекристаллизационный отжиг - для снятия накопившихся деформаций и напряжений.
- Диффузионный отжиг - для гомогенизации химического состава.
- Нормализационный отжиг - для получения однородной структуры.
Отжиг широко применяется после холодной деформации, сварки и литья для снятия напряжений.
Закалка
Закалка - нагрев выше критических точек с последующим быстрым охлаждением для получения высокой твердости.
Различают неполную, полную, изотермическую, ступенчатую закалку.
Закалка широко используется для инструментов, деталей машин, работающих в условиях интенсивного износа.
Отпуск
Отпуск - нагрев закаленной стали до более низких температур с выдержкой и последующим охлаждением для снижения внутренних напряжений и хрупкости.
Различают низкий, средний и высокий отпуск.
Отпуск применяется после закалки для повышения вязкости и сопротивления усталости.
Нормализация
Нормализация - нагрев стали выше критических точек с последующим охлаждением на воздухе для получения мелкозернистой структуры.
Нормализация применяется вместо полного отжига, когда требуется повысить прочностные характеристики.
Термообработка сварных соединений
Термообработка сварных швов проводится для снятия напряжений и улучшения структуры металла в зоне сварки.
Применяется предварительный подогрев, сопутствующий подогрев при сварке, отпуск после сварки.
Особенно важна термообработка сварных соединений ответственных конструкций и трубопроводов.
3. Оборудование для термообработки
Для термообработки металлов используется специальное технологическое оборудование.
Промышленные печи
Основным оборудованием для нагрева металла при термообработке являются промышленные печи.
- Печи сопротивления - нагрев электрическим током.
- Печи с полупроводниковым нагревом - более высокая скорость нагрева.
- Индукционные печи - нагрев металла электромагнитным полем высокой частоты.
- Газовые печи - нагрев продуктами сгорания газа.
Выбор типа печи зависит от вида и объема термообработки.
Системы управления температурным режимом
Для обеспечения необходимого режима нагрева и охлаждения используются системы автоматического регулирования, включающие датчики, регуляторы, исполнительные механизмы.
Вспомогательное оборудование
К вспомогательному оборудованию относятся:
- Подъемно-транспортное оборудование для загрузки печей.
- Установки для подготовки закалочных сред.
- Термические ящики, баки.
Применяются специальные манипуляторы и роботы для автоматизации процессов термообработки.
4. Контроль качества термообработки
Контроль качества термообработки включает проверку:
- Температурного режима.
- Состояния закалочных сред.
- Свойств металла после термообработки.
Контроль температуры осуществляется с помощью термопар, термометров, пирометров.
Проверяются вязкость, твердость, структура металла методами неразрушающего контроля.
Современные системы автоматизации позволяют вести непрерывный мониторинг параметров термообработки и качества продукции.
5. Термообработка в отраслях промышленности
Термообработка широко применяется во всех отраслях промышленности, где используются металлические изделия и конструкции.
Машиностроение и металлообработка
В машиностроении термообработке подвергают детали двигателей, подшипники, шестерни, инструменты.
Авиация и космонавтика
От качества термообработки зависят характеристики авиационных и ракетных двигателей, элементов конструкций летательных аппаратов.
Автомобилестроение
Термообработка применяется при изготовлении деталей двигателя, подвески, коробки передач, колес автомобилей.
Железнодорожный транспорт
Термообработке подвергаются рельсы, колеса, элементы вагонов и локомотивов для повышения износостойкости.
Нефтегазовая отрасль
Термообработка обязательна при изготовлении и ремонте нефте- и газопроводов, бурового оборудования.
Энергетическое машиностроение
Термообработка значительно повышает ресурс деталей паровых и газовых турбин, гидрогенераторов.
6. Перспективы развития термообработки
Совершенствование технологий термообработки направлено на:
- Разработку новых более экономичных методов.
- Применение аддитивных технологий.
- Повышение физико-механических характеристик деталей.
- Снижение энерго- и материалоемкости.
- Автоматизацию и роботизацию процессов.
- Внедрение цифровых двойников и искусственного интеллекта.
Термообработка остается одним из важнейших технологических процессов, обеспечивающих высокое качество и надежность металлоизделий. Внедрение новых методов термообработки позволит расширить возможности создания изделий с уникальным комплексом свойств для передовых отраслей промышленности.
