Термическая обработка металлов и сплавов

Термическая обработка (ТО) – это намеренное температурное воздействие на металлические материалы с целью изменения их внутреннего строения. Многие люди, особо не сталкивающиеся с термообработкой в своей деятельности, считают, что она применяется исключительно для упрочнения, а использующиеся при этом температуры заоблачно высоки. Более того, многие учебники и профильные статьи в качестве синонима этому термину используют исключительно словосочетание «упрочняющая обработка». Однако это не совсем так: в зависимости от сплава и используемой технологии ТО его свойства можно изменить в очень широких пределах – от сверхмягкого и пластичного до максимально твердого и прочного. Вид термической обработки металлов напрямую зависит от того, какими свойствами должны они обладать после такого воздействия. Например, применением специальных режимов ТО можно добиться одинаково высокого уровня таких, казалось бы, несочетаемых свойств как прочность и пластичность (например, для использования в качестве материала кузовов легковых автомобилей). При этом даже незначительные нагревы (а иногда и наоборот – обработка холодом) способны существенно изменить характеристики металлической продукции.

В сегодняшней статье я попробую простыми словами (ну, насколько это возможно) объяснить, что собой представляет термическая обработка металла, чем отличаются различные виды ТО и для чего они используются в промышленности. Рассмотрим наиболее популярные виды высокотемпературных воздействий применительно к изделиям именно из углеродистой и низколегированной стали. Последнее подчеркиваю потому, что один и тот же вид термообработки в материалах, значительно отличающихся по своему химическому составу, может привести к совершенно противоположным результатам.

Что собой представляет термическая обработка

Термообработка имеет два основных параметра: температуру воздействия и время, поэтому режимы ТО всегда изображаются именно в этих координатах (ось Х – время, ось Y - температура). Основные типы ТО выполняются с переходом так называемых «критических точек» - температур перехода из одного фазового или структурного состояния в другие.

Критические температуры у всех металлов и сплавов разные – зависят от состава, соотношения элементов и их физических и химических свойств. Соответственно, и температурно-временные параметры термической обработки у разных материалов отличаются. Еще в ХХ столетии для наиболее востребованных марок сталей и сплавов были сформированы справочники термокинетических, изотермических и других диаграмм с указанием критических точек и фаз, образующихся при различных условиях нагрева и охлаждения. Эти справочники являются ключевыми «настольными книгами» для инженеров, занимающихся разработкой технологий ТО на промышленных предприятиях. Ну а диаграмма состояния железо-углерод (ее также называют диаграммой фазового равновесия), которая появилась во второй половине XIX века, вообще является базовой не только для металлургов и материаловедов, но и для многих специалистов из других сфер промышленности, которые имеют дело с железом, сталью и чугуном.

Часть диаграммы железо-углерод, также называемая диаграммой железо-цементит

Именно управлением фазовым и структурным состоянием металлов и сплавов путем температурного воздействия и занимаются термисты. В зависимости от материала и предъявляемых к продукту требований, термическая обработка может проводиться в один этап или состоять из многочисленных стадий нагревов и охлаждений (в т.ч. в область отрицательных температур), быть прерывистой, сочетать различные среды для выдержки и остывания и т.д.

В последние десятилетия очень широко распространены виды обработки стали, в которых термическое воздействие совмещено с другими влияниями, например:

• Деформационно-термическая (термомеханическая) обработка сочетает пластическую деформацию и последующую ТО, которая в той или иной степени сохраняет результаты наклёпа. Наиболее часто встречающимися видами такой обработки являются термомеханическая прокатка (англ. ТМСР – Thermomechanical Controlled Process) и контролируемая прокатка (англ. controlled rolling).
• Химико-термическая обработка стали (ХТО) заключается в диффузионном насыщении поверхности стального изделия одним или несколькими элементами с последующей ТО. В результате на поверхности образуется тонкий высокопрочный износостойкий слой, а сердцевина сохраняет вязкость. К популярным типам ХТО относятся цементация (насыщение углеродом), нитроцементация/ цианирование (углерод + азот), азотирование (азот), борирование (бор), хромирование (хром) и др.

Для рационального расходования энергоресурсов современная промышленность активно применяет совмещение процессов термообработки сталей с другими высокотемпературными технологическими операциями, что позволяет исключить необходимость повторного нагревания изделия. В черной металлургии ТО весьма эффективно сочетают с горячей прокаткой: нормализующая прокатка и прямая закалка (англ. direct quenching) в потоке прокатного стана во многих применениях заменили нормализацию и закалку, которые выполняют на отдельных термических участках. В машиностроении режимы термической обработки стали часто применяются сразу после ковки и горячей штамповки. При этом конечные свойства металла зависят от марки стали, сечения изделия, степени его деформации и температуры металла перед охлаждением, охлаждающей среды и других параметров технологии.

Основные виды термической обработки стали

Я не буду уходить в сложные нюансы фазовых и структурных превращений, специфические режимы ТО, особенности охлаждающих сред и тому подобные детали – для обзорной статьи это будет излишне, а для людей, требующих более глубинных знаний, блог все равно не сможет заменить профильную литературу и учебные курсы. Полезнее будет посвятить этот раздел обзору ключевых видов термической обработки, которые чаще всего применяются к стали и упоминаются в стандартах на технические требования к стальному прокату, поковкам и другим изделиям. Это позволит специалистам, работающим с закупкой и переработкой такой продукции, лучше ориентироваться в том многообразии, которым отличается современный рынок металла.

На металлургических и машиностроительных предприятиях термическая обработка стали используется в качестве:

• промежуточной операции для улучшения обрабатываемости при последующей переработке (прокатке, ковке, резке, штамповке и др.);
• окончательной операции всего технологического процесса, которая обеспечивает заданный уровень свойств готового изделия.

Как уже было сказано, термическая обработка сталей может производиться и в потоке стана или другого агрегата с использованием нагрева под пластическую деформацию, и на отдельном участке с выполнением нагрева в печах, установках ТВЧ (токи высокой частоты) и других нагревательных устройствах.

Отжиг (англ. annealing) заключается в нагреве сталей до температур выше зон фазового превращения (например, при полном отжиге стали с содержанием углерода до 0,8% нагревают выше линии GS диаграммы железо-цементит, представленной выше) с последующей выдержкой и медленным охлаждением изделия вместе с печью. В результате отжига сплав приобретает высокую пластичность и низкую твёрдость. Различают следующие виды отжига: полный, неполный, диффузионный, низкотемпературный и рекристаллизационный. Отжиг часто применяется как первичная термообработка стали перед последующим механическим воздействием. Если после нагрева под полный отжиг и выдержки дальнейшее охлаждение стального изделия происходит не с печью, а на воздухе, то такую операцию называют нормализационным отжигом или нормализацией (англ. normalizing). Этот вид термообработки способствует повышению прочности стали в сравнении с отожженной за счет формирования более мелкозернистой структуры. Нормализующая прокатка (англ. normalizing rolling), при которой окончательная деформация выполняется в диапазоне температур нормализации, является альтернативой данной ТО в печах и в большинстве применений может ее заменить.

Закалка (англ. quenching) – нагрев металлического изделия до температур выше фазовых превращений с последующим быстрым охлаждением со скоростью выше критической (в воде, масле, полимерных либо эфирных смесях – зависит от химического состава стали и требуемого уровня свойств). После закалки сталь приобретает неравновесную метастабильную структуру и обладает наибольшей прочностью, твердостью, износостойкостью и повышенной хрупкостью в сравнении с другими состояниями. В случае со средне- и высокоуглеродистыми и легированными сталями закалка чаще всего не является окончательным видом термической обработки - для устранения избыточных напряжений и повышенной хрупкости изделие после закалки обязательно подвергают отпуску.

Отпуск (англ. tempering) – нагрев стали до температур ниже фазовых превращений с последующим охлаждением. В результате отпуска структура стали переходит к более равновесному состоянию, твердость снижается, а пластичность повышается. В зависимости от температуры нагрева отпуск подразделяется на низкий (150–250°С), средний (300-450°С), высокий (500-700°С). С увеличением температуры отпуска повышаются пластические и упругие свойства и снижается прочность стали. Самопроизвольный отпуск закаленных сталей при незначительном нагреве или без него, наблюдающийся с течением времени, называют старением. Закалку в сочетании с высоким отпуском называют улучшением. Его назначение – измельчение структуры и повышение обрабатываемости стали резанием.

Обработка холодом (криогенная обработка) применяется к стальным изделиям непосредственно после закалки и заключается в охлаждении до отрицательных температур. Задача такого влияния – обеспечить распад остаточного аустенита, повысить прочность, твердость и износостойкость. Обработке холодом подвергают стали, у которых температура окончания мартенситного превращения находится ниже 0°С (например, высокоуглеродистые легированные инструментальные стали).

Термомеханическая прокатка, которую мы уже упоминали выше, предполагает строгий контроль температуры и степени деформации во время прокатки. Свойства, полученные после TMCP, не могут быть воспроизведены нормализацией или другими видами термообработки вне потока прокатного стана. Технология термомеханической прокатки широко применяется при изготовлении высокопрочного проката для холодной формовки и изготовления труб, поскольку обеспечивает высокий комплекс свойств без дополнительного легирования стали, ухудшающего свариваемость и обрабатываемость.

Твердость некоторых сталей после различных видов термической обработки
в соответствии с ДСТУ 7809/ ГОСТ 1050

Для стальной горячекатаной продукции требования к термической обработке, состоянию поставки и уровню механических свойств обычно прописываются в нормативно-технической документации (стандартах, технических условиях, протоколах поставки) или в конкретном заказе. При этом основная часть выпускаемого мировой промышленностью горячекатаного стального проката поставляется без применения специальных режимов ТО, в состоянии непосредственно после горячей прокатки – прокатки стали при высокой температуре с последующим охлаждением на воздухе. Температуры прокатки и ее окончания в этом случае находятся выше зон фазовых превращений и превышают типовые значения для нормализации конкретной марки стали.

Примеры указания состояний поставки в маркировке сталей

В некоторых стандартах состояние поставки проката, указывающее на использованную при его изготовлении термообработку, прописываются прямо в маркировке стали. Примером этому может служить металлопродукция, которая поставляется в соответствии с требованиями стандарта ДСТУ EN 10025 «Горячекатаная продукция из конструкционных сталей». Ниже представлено несколько образцов подобного обозначения.

Марки по EN 10025-2 (нелегированные конструкционные стали):

• S235JR+AR – стальной прокат конструкционного назначения (S) с минимальным пределом текучести 235 МПа (для толщин не более 16 мм), с испытаниями на удар при комнатной температуре (JR), который поставляется в состоянии после горячей прокатки (+AR – as rolled);
• S355J2+N - стальной прокат конструкционного назначения (S) с минимальным пределом текучести 355 МПа (для толщин не более 16 мм), с испытаниями на удар при -20°C (J2), который поставляется в состоянии после нормализующей прокатки (+N);
• S355JR+M - стальной прокат конструкционного назначения (S) с минимальным пределом текучести 355 МПа (для толщин не более 16 мм), с испытаниями на удар при комнатной температуре (JR), который поставляется в состоянии после термомеханической прокатки (+M – thermomechanical rolling).

Марки по EN 10025-3 (свариваемые мелкозернистые стали после нормализации/ нормализующей прокатки):

• S355N - стальной прокат конструкционного назначения (S) с минимальным пределом текучести 355 МПа (для толщин не более 16 мм), поставляемый после нормализующей прокатки или нормализации с испытаниями на удар при температурах до -20°C (N);
• S420NL - стальной прокат конструкционного назначения (S) с минимальным пределом текучести 420 МПа (для толщин не более 16 мм), поставляемый после нормализующей прокатки или нормализации с испытаниями на удар при температурах до -50°C (NL).

Маркировка сталей по EN 10025-4 (свариваемые мелкозернистые стали после термомеханической прокатки):

• S355ML - стальной прокат конструкционного назначения (S) с минимальным пределом текучести 355 МПа (для толщин не более 16 мм), поставляемый после термомеханической прокатки с испытаниями на удар при температурах до -50°C (ML);
• S460M - стальной прокат конструкционного назначения (S) с минимальным пределом текучести 460 МПа (для толщин не более 16 мм), поставляемый после термомеханической прокатки с испытаниями на удар при температурах до -20°C (M).

Маркировка сталей по EN 10025-5 (конструкционные стали с повышенной стойкостью против атмосферной коррозии):

• S235J2W+N – сталь конструкционного назначения (S) с минимальным пределом текучести 235 МПа (для толщин не более 16 мм), с испытаниями на удар при при -20°C (J2), повышенной атмосферной стойкостью (W), которая поставляется в состоянии после нормализующей прокатки (+N);
• S355J2W+M - сталь конструкционного назначения (S) с минимальным пределом текучести 355 МПа (для толщин не более 16 мм), с испытаниями на удар при -20°C (J2), повышенной атмосферной стойкостью (W), которая поставляется в состоянии после термомеханической прокатки (+M);
• S420J0W+AR - сталь конструкционного назначения (S) с минимальным пределом текучести 355 МПа (для толщин не более 16 мм), с испытаниями на удар при 0°C (J0), повышенной атмосферной стойкостью (W), которая поставляется в горячекатаном состоянии (+AR).

Обозначение сталей по EN 10025-6 (стали с высоким пределом текучести, поставляемые после закалки и отпуска):

• S890Q – прокат конструкционного назначения (S) с минимальным пределом текучести 890 МПа (для толщин не более 16 мм), поставляемый после закалки с отпуском с испытаниями на удар при температурах до -20°C (Q);
• S690QL – сталь конструкционного назначения (S) с минимальным пределом текучести 690 МПа (для толщин не более 16 мм), поставляемая после закалки с отпуском с испытаниями на удар при температурах до -40°C (QL);
• S690QL1 - сталь конструкционного назначения (S) с минимальным пределом текучести 690 МПа (для толщин не более 16 мм), поставляемая после закалки с отпуском с испытаниями на удар при температурах до -60°C (QL1).

Обилие доступных состояний поставки металлопродукции обусловлено широтой ее применения в строительстве, машиностроении и других отраслях промышленности. Правильно подобранные химические составы и виды термической обработки стали позволяют обеспечить максимально эффективное использование металла в конструкциях и сооружениях, снизить их металлоемкость, увеличить срок полезной эксплуатации и сократить затраты на закупку проката и другой металлопродукции.

Сделать правильный выбор стали вам также могут помочь специалисты компании Метинвест-СМЦ. Для этого вы можете обратиться по телефону 0800-30-30-70 или через форму обратной связи на нашем официальном сайте. Ну а если вас интересует применение термообработанных сталей в различных отраслях промышленности, соответствующие публикации можно найти у нас, перейдя по ссылкам ниже.

Читайте также Строительный прокат по европейским стандартам: производство, применение, преимущества

Читайте также Высокопрочная сталь по евростандарту для машиностроения

Читайте также Закаленная сталь, устойчивая к абразивному изнашиванию