Раскаленный докрасна металл не является чем-то необычным в производстве стали, но знаете ли вы, что вы можете наблюдать не только процесс ковки? Термообработка является важной частью большинства строительных работ из стали (особенно тех, в которых сталь используется в конструкционных целях). Но почему повторный нагрев стали имеет какое-либо значение, не говоря уже о такой разнице, что она является неотъемлемой частью многих проектов? Продолжайте читать, чтобы узнать больше.
Что такое термообработка?
Во время Второй мировой войны внимание и финансирование к термической обработке стали значительно возросло, поскольку по всей стране открылись массовые производственные мощности для поддержки военных действий. Однако открытие термической обработки для придания дополнительной прочности было не единственным открытием, сделанным за это время. Суда, изготовленные из термообработанной стали, иногда ломались в слабых местах при воздействии холодных вод Атлантики.
Это связано с тем, что по мере увеличения твердости стали (и всех металлов) увеличивается и хрупкость. С учетом этого компромисса были разработаны различные методы термической обработки стали, обеспечивающие максимальную прочность без ущерба для устойчивости к разрушению. Однако, прежде чем мы обсудим конкретные методы, нам необходимо понять основные этапы процесса термической обработки.
Этапы термообработки
Несмотря на различия между конкретными методами, о которых будет рассказано в соответствующих разделах, общие этапы термической обработки одинаковы для всех них. Термическая обработка в широком смысле состоит из стадий нагрева, пропитки и охлаждения для изменения металлургической структуры на более прочную и однородную без примесей.
Нагрев
На этапе нагрева металл нагревается равномерно, не позволяя ему достичь температуры плавления. Это делается медленно, чтобы обеспечить равномерный нагрев и чтобы один участок металла не расширялся больше другого, что могло бы привести к образованию трещин или ослабленных участков. То, насколько быстро вы сможете нагреть металл, не повредив его, будет зависеть от таких факторов, как состояние и история использования стали, а также от размера, типа и марки.
Замачивание
После того, как сталь нагрета до желаемой температуры с заданной скоростью, ее выдерживают при этой температуре в течение определенного периода времени. Эта продолжительность также зависит от характеристик стали, описанных в предыдущем разделе, в дополнение к желаемым свойствам конечного продукта. Выдерживание металла при такой высокой температуре необходимо для того, чтобы дать конструкции время измениться до желаемой конфигурации и формы. Поскольку этот этап влияет на свойства атомной и химической структуры стали, эти факторы также будут иметь решающее значение для определения правильного времени выдержки. Как вы можете себе представить, когда речь заходит об атомной структуре материала, точность особенно важна на этом этапе.
Охлаждение
После пропитки стали наступает время охлаждения. Существует множество вариантов этого этапа (который мы обсудим далее), где он может включать закалку в среде, такой как вода или масло, или просто охлаждение металла на воздухе. Как правило, вода или рассол охлаждаются быстрее масла, которое быстрее воздуха. Скорость охлаждения стали, опять же, зависит от типа стали (например, от используемой воды для углеродистых сталей или масла, используемого для легированных сталей), а также от желаемых конечных характеристик. Более быстрые методы охлаждения, такие как закалка водой, приводят к получению более твердой, но более хрупкой стали, в то время как более медленные методы охлаждения, такие как воздушное охлаждение,
Виды термической обработки
Теперь, когда мы понимаем основной процесс термической обработки, давайте рассмотрим различия в методах:
Отжиг
В то время как большинство людей думают о термической обработке как о упрочнении металла, отжиг на самом деле является формой термической обработки, которая размягчает материал. Это делается с целью снятия напряжения или улучшения зернистости (кристаллической конфигурации) металла. Отжиг также является одним из методов термической обработки, при котором используется стадия медленного охлаждения, обычно либо путем выдерживания и охлаждения стали в печи, либо путем погружения ее в изоляционный материал.
Нормализация
Основной целью нормализации является снятие внутренних напряжений в стали, аналогично отжигу. Однако ключевые различия между ними заключаются в том, что нормализация проводится только для черных металлов (например, стали), а металл извлекается из печи для воздушного охлаждения. Поскольку это означает, что стадия охлаждения проходит быстрее (воздух комнатной температуры по сравнению с воздухом печи), нормализованная сталь становится тверже отожженной.
Упрочнение
Как упоминалось в предыдущем разделе, более быстрое охлаждение обычно приводит к упрочнению стали. Этот метод обычно выполняется с очень быстрым снижением температуры (около 1 секунды), например, при закалке стали в воде или рассоле. К сожалению, такое быстрое охлаждение увеличивает вероятность деформации или растрескивания при экстремальной обработке, а также повышает хрупкость металла после завершения обработки. После закалки прочность стали часто превышает необходимую и перевешивается риском разрушения. Один из способов сделать сталь более податливой и с меньшей вероятностью разрушения - это отпуск.
Закалка
Отпуск стали производится после закалки и, по сути, повторяет процесс термической обработки при более низкой температуре. Сталь снова нагревают до другой заданной температуры, которая не так высока, как температура ее затвердевания, и дают ей пропитаться, затем отставляют для охлаждения на воздухе. Этот менее интенсивный нагрев и охлаждение снижает пластичность и прочность стали до более безопасного и надежного уровня. Для получения дополнительной информации о подтипах отпуска и цвете стали при различных температурах смотрите наш полный ресурс по отпуску.
Упрочнение корпуса
Последний основной метод термической обработки называется корпусной закалкой (или поверхностным упрочнением), при котором закаляется только внешний слой стали. Это полезно, когда ключевым фактором при выборе материалов является долговечность поверхности, но сталь по-прежнему должна быть способна поглощать удары или деформироваться без разрушения. Этого можно добиться за счет более мягкой сердцевины из закаленных металлов.
Двумя основными методами упрочнения стали являются науглероживание и газовое азотирование. Науглероживание включает воздействие на горячую сталь углерода, который пропитывает поверхность и укрепляет ее. Газовое азотирование, с другой стороны, подвергает горячую сталь воздействию азота или газообразного аммиака, которые вступают в реакцию с материалом, придавая поверхности твердость.