Термічна обробка металів і сплавів

Термічна обробка (ТО) – це навмисний температурний вплив на металеві матеріали з метою зміни їхньої внутрішньої будови. Багато людей, які особливо не стикаються з термообробкою у своїй діяльності, вважають, що вона застосовується виключно для зміцнення, а температури, що використовуються при цьому, захмарно високі. Більш того, багато підручників і профільних статей як синонім цього терміну використовують виключно словосполучення «зміцнююча обробка». Однак це не зовсім так: залежно від сплаву і технології ТО, що використовується, його властивості можна змінити в дуже широких межах - від надм'якого і пластичного до максимально твердого і міцного. Вид термічної обробки металів безпосередньо залежить від того, які властивості повинні вони мати після такого впливу. Наприклад, застосуванням спеціальних режимів ТО можна досягти однаково високого рівня таких, здавалося б, непоєднуваних властивостей як міцність і пластичність (наприклад, для використання як матеріал кузовів легкових автомобілів). При цьому навіть незначні нагрівання (а іноді й навпаки – обробка холодом) здатні суттєво змінити характеристики металевої продукції.

У сьогоднішній статті я спробую простими словами (ну, наскільки це можливо) пояснити, що являє собою термічна обробка металу, чим різняться види ТО і для чого вони використовуються в промисловості. Розглянемо найбільш популярні типи високотемпературних впливів на вироби саме з вуглецевої та низьколегованої сталі. Останнє підкреслюю окремо тому, що один й той самий вид термообробки в матеріалах, що значно відрізняються за своїм хімічним складом, може призвести до абсолютно протилежних результатів.

У чому полягає сутність термічної обробки

Термообробка має два основні параметри: температуру впливу та час, тому режими ТО завжди зображуються саме в цих координатах (вісь Х – час, вісь Y – температура). Основні типи ТО виконуються з переходом так званих «критичних точок» - температур переходу з одного фазового чи структурного стану в інші.

Критичні температури у всіх металів та сплавів різні – залежать від складу, співвідношення елементів та їх фізичних та хімічних властивостей. Відповідно, і температурно-часові параметри термічної обробки у різних матеріалів відрізняються. Ще у ХХ столітті для найбільш затребуваних марок сталей та сплавів були сформовані довідники термокінетичних, ізотермічних та інших діаграм із зазначенням критичних точок та фаз, що утворюються за різних умов нагрівання та охолодження. Ці довідники є ключовими «настільними книгами» для інженерів, які займаються розробкою технологій ТО на промислових підприємствах. Ну а діаграма стану залізо-вуглець (її також називають діаграмою фазової рівноваги), яка з'явилася у другій половині XIX століття, взагалі є базовою не тільки для металургів та матеріалознавців, а й для багатьох фахівців з інших сфер промисловості, які мають справу із залізом, сталлю та чавуном.

Частина діаграми залізо-вуглець, яка також називається діаграмою залізо-цементит

Саме управлінням фазовим та структурним станом металів та сплавів шляхом температурного впливу і займаються термісти. Залежно від матеріалу і вимог до продукту, термічна обробка може проводитися в один етап або складатися з численних стадій нагрівань і охолоджень (в т.ч. в область негативних температур), бути переривчастою, поєднувати різні середовища для витримки і охолодження тощо.

В останні десятиліття дуже поширені види обробки сталі, в яких термічний вплив поєднано з іншими, наприклад:

• Деформаційно-термічна (термомеханічна) обробка поєднує пластичну деформацію та наступну ТО, яка тією чи іншою мірою зберігає результати наклепу. Видами такої обробки, які найчастіше зустрічаються, є термомеханічна прокатка (англ. ТМСР - Thermomechanical Controlled Process) та контрольована прокатка (англ. controlled rolling).
• Хіміко-термічна обробка сталі (ХТО) полягає в дифузійному насиченні поверхні сталевого виробу одним або декількома елементами з наступною ТО. В результаті на поверхні утворюється тонкий високоміцний зносостійкий шар, а серцевина зберігає в'язкість. До популярних типів ХТО відносяться цементація (насичення вуглецем), нітроцементація/ ціанування (вуглець + азот), азотування (азот), борування (бор), хромування (хром) та ін.

Для раціонального використання енергоресурсів сучасна промисловість активно застосовує поєднання процесів термообробки сталей з іншими високотемпературними технологічними операціями, що дозволяє виключити необхідність повторного нагрівання виробу. У чорній металургії ТО дуже ефективно поєднують з гарячою прокаткою: нормалізуюча прокатка та пряме гартування (англ. direct quenching) в потоці прокатного стану в багатьох застосуваннях замінили нормалізацію та гартування, які виконують на окремих термічних ділянках. У машинобудуванні режими термічної обробки сталі часто застосовуються відразу після кування та гарячого штампування. При цьому кінцеві властивості металу залежать від марки сталі, перерізу виробу, ступеня його деформації та температури металу перед охолодженням, охолоджуючого середовища та інших параметрів технології.

Основні види термічної обробки сталі

Я не йтиму в складні нюанси фазових і структурних перетворень, специфічні режими ТО, особливості охолоджуючих середовищ тощо — для оглядової статті це буде зайвим, а для людей, які потребують більш глибинних знань, блог все одно не зможе замінити профільну літературу та навчальні курси. Корисніше буде присвятити цей розділ огляду ключових видів термічної обробки, які найчастіше застосовуються до сталі та згадуються у стандартах на технічні вимоги до сталевого прокату, поковок та інших виробів. Це дозволить фахівцям, які працюють із закупівлею та переробкою такої продукції, краще орієнтуватися в тому різноманітті, яким відрізняється сучасний ринок металу.

На металургійних та машинобудівних підприємствах термічна обробка сталі використовується:

• як проміжна операція для покращення оброблюваності при подальшій переробці (прокатці, ковці, різанні, штампуванні та ін.);
• як остаточна операція технологічного процесу, що забезпечує заданий рівень властивостей кінцевого виробу.

Як уже було сказано вище, термічна обробка сталей може проводитися і в потоці прокатного стану або іншого агрегату з використанням нагріву під пластичну деформацію, і на окремій ділянці з виконанням нагріву в печах, установках СВЧ (струми високої частоти) та інших нагрівальних пристроях.

Відпал (англ. annealing) полягає в нагріванні сталей до температур вище зон фазового перетворення (наприклад, при повному відпалі сталі з вмістом вуглецю до 0,8% нагрівають вище лінії GS діаграми залізо-цементит) з подальшою витримкою та повільним охолодженням виробу разом із піччю. В результаті відпалу сплав набуває високої пластичності та низької твердості. Відпал часто застосовується як первинна термообробка сталі перед наступним механічним впливом. Розрізняють такі види відпалу: неповний, повний, низькотемпературний, дифузійний та рекристалізаційний. Якщо після нагрівання під повний відпал та витримки подальше охолодження сталевого виробу відбувається не з піччю, а на повітрі, то таку операцію називають нормалізаційним відпалом або нормалізацією (англ. normalizing). Цей вид термообробки сприяє підвищенню міцності сталі порівняно з відпаленою за рахунок формування більш дрібнозернистої структури. Нормалізуюча прокатка (англ. normalizing rolling), при якій остаточна деформація виконується в діапазоні температур нормалізації є альтернативою цієї ТО в печах і в більшості застосувань може її замінити.

Гартування (англ. quenching) - нагрівання металевого виробу до температур вище фазових перетворень з наступним швидким охолодженням зі швидкістю вище критичної (у воді, олії, полімерних або ефірних сумішах - залежить від хімічного складу сталі та необхідного рівня властивостей). Після загартування сталь набуває нерівноважної метастабільної структури і має найбільшу міцність, твердість, зносостійкість і підвищену крихкість у порівнянні з іншими станами. У випадку із середньо- та високовуглецевими та легованими сталями гартування найчастіше не є остаточним видом термічної обробки - для усунення надмірних внутрішніх напружень та підвищеної крихкості виріб після загартування обов'язково піддають відпуску.

Відпуск (англ. tempering) - нагрівання сталі до температур нижче фазових перетворень з подальшим охолодженням. В результаті відпускання структура сталі переходить до рівноважного стану, твердість знижується, а пластичність підвищується. Залежно від температури нагріву відпуск поділяється на низький (150–250°С), середній (300–450°С), високий (500–700°С). Зі збільшенням температури відпуску підвищуються пластичні та пружні властивості та знижується міцність сталі. Самовільне відпускання загартованих сталей при незначному нагріванні або без нього, що спостерігається з часом, називають старінням. Гартування у поєднанні з високим відпуском називають поліпшенням. Його призначення – подрібнення структури та підвищення оброблюваності сталі різанням.

Обробка холодом (кріогенна обробка) застосовується до сталевих виробів безпосередньо після загартування і полягає в охолодженні до негативних температур. Завдання такого впливу – забезпечити розпад залишкового аустеніту, підвищити міцність, твердість та зносостійкість. Обробці холодом піддають сталі, у яких температура закінчення мартенситного перетворення знаходиться нижче 0°С (наприклад, високовуглецеві леговані інструментальні сталі).

Термомеханічна прокатка, яку ми вже згадували вище, передбачає строгий контроль температури та ступеню деформації під час прокатування. Властивості, отримані після TMCP, не можуть бути відтворені нормалізацією або іншими видами термообробки поза потоком прокатного стану. Технологія термомеханічної прокатки широко застосовується при виготовленні високоміцного прокату для холодного формування та виготовлення труб, оскільки забезпечує високий комплекс властивостей без додаткового легування сталі, що погіршує зварюваність та оброблюваність.

Твердість деяких сталей після різних видів термічної обробки за ДСТУ 7809/ ГОСТ 1050

Для сталевої гарячекатаної продукції вимоги до термічної обробки, стану постачання та рівня механічних властивостей зазвичай прописуються у нормативно-технічній документації (стандартах, технічних умовах, протоколах постачання) або в конкретному замовленні. При цьому основна частина гарячекатаного сталевого прокату, що випускається світовою промисловістю, поставляється без застосування спеціальних режимів ТО, в стані безпосередньо після гарячої прокатки – прокатування сталі при високій температурі з подальшим охолодженням на повітрі. Температури гарячої прокатки та її закінчення в цьому випадку знаходяться вище зон фазових перетворень та перевищують типові значення для нормалізації конкретної марки сталі.

Приклади позначення станів постачання при маркуванні сталей

У деяких стандартах стан постачання прокату, що вказує на використану при його виготовленні термообробку, прописується прямо в маркуванні сталі. Прикладом цього може бути металопродукція, яка постачається відповідно до вимог стандарту ДСТУ EN 10025 «Гарячекатана продукція з конструкційних сталей». Нижче наведено окремі зразки подібного позначення.

Марки за EN 10025-2 (нелеговані конструкційні сталі):

• S235JR+AR – сталевий прокат конструкційного призначення (S) з мінімальною межею плинності 235 МПа (для товщин не більше 16 мм), з випробуваннями на удар при кімнатній температурі (JR), який постачається у стані після гарячої прокатки (+AR – as rolled);
• S355J2+N - сталевий прокат конструкційного призначення (S) з мінімальною межею плинності 355 МПа (для товщин не більше 16 мм), з випробуваннями на удар при -20°C (J2), який постачається в стані після нормалізуючої прокатки або нормалізації (+N);
• S355JR+M - сталевий прокат конструкційного призначення (S) з мінімальною межею плинності 355 МПа (для товщин не більше 16 мм), з випробуваннями на удар при кімнатній температурі (JR), що постачається в стані після термомеханічної прокатки (+M – thermomechanical rolling).

Марки за EN 10025-3 (зварювані дрібнозернисті сталі після нормалізації/ нормалізуючої прокатки):

• S355N - сталевий прокат конструкційного призначення (S) з мінімальною межею плинності 355 МПа (для товщин не більше 16 мм), що постачається після нормалізуючої прокатки або нормалізації з випробуваннями на удар при температурах до -20°C (N);
• S420NL - сталевий прокат конструкційного призначення (S) з мінімальною межею плинності 420 МПа (для товщин не більше 16 мм), що постачається після нормалізуючої прокатки або нормалізації з випробуваннями на удар при температурах до -50°C (NL).

Маркування сталей за EN 10025-4 (зварювані дрібнозернисті сталі після термомеханічної прокатки):

• S355ML - сталевий прокат конструкційного призначення (S) з мінімальною межею плинності 355 МПа (для товщин не більше 16 мм), що постачається після термомеханічної прокатки з випробуваннями на удар при температурах до -50°C (ML);
• S460M - сталевий прокат конструкційного призначення (S) з мінімальною межею плинності 460 МПа (для товщин не більше 16 мм), що постачається після термомеханічної прокатки з випробуваннями на удар при температурах до -20°C (M).

Маркування сталей за EN 10025-5 (конструкційні сталі з підвищеною стійкістю проти атмосферної корозії):

• S235J2W+N – сталь конструкційного призначення (S) з мінімальною межею плинності 235 МПа (для товщин не більше 16 мм), з випробуваннями на удар при -20°C (J2), підвищеною атмосферною стійкістю (W), яка постачається в стані після нормалізуючої прокатки або нормалізації (+N);
• S355J2W+M - сталь конструкційного призначення (S) з мінімальною межею плинності 355 МПа (для товщин не більше 16 мм), з випробуваннями на удар при -20°C (J2), підвищеною атмосферною стійкістю (W), яка постачається в стані після термомеханічної прокатки (+M);
• S420J0W+AR - сталь конструкційного призначення (S) з мінімальною межею плинності 355 МПа (для товщин не більше 16 мм), з випробуваннями на удар при 0°C (J0), підвищеною атмосферною стійкістю (W), що постачається в гарячекатаному стані (+AR).

Позначення сталей за EN 10025-6 (сталі з високою межею плинності, що постачаються після гартування з відпуском):

• S890Q – прокат конструкційного призначення (S) з мінімальною межею плинності 890 МПа (для товщин не більше 16 мм), що постачається після гартування з відпусканням та з випробуваннями на удар при температурах до -20°C (Q);
• S690QL – сталь конструкційного призначення (S) з мінімальною межею плинності 690 МПа (для товщин не більше 16 мм), що постачається після гартування з відпуском та з випробуваннями на удар при температурах до -40°C (QL);
• S690QL1 - сталь конструкційного призначення (S) з мінімальною межею плинності 690 МПа (для товщин не більше 16 мм), що постачається після гартування з відпуском та з випробуваннями на удар при температурах до -60°C (QL1).

Велика кількість доступних станів постачання металопродукції обумовлена широтою її застосування в будівництві, машинобудуванні та інших галузях промисловості. Правильно підібрані хімічні склади та види термічної обробки сталі дозволяють забезпечити максимально ефективне використання металу в конструкціях та спорудах, знизити їхню металоємність, збільшити термін корисної експлуатації та скоротити витрати на закупівлю прокату та іншої металопродукції.

Зробити правильний вибір сталі також можуть допомогти фахівці компанії Метінвест-СМЦ. Для цього ви можете звернутись за телефоном 0800-30-30-70 або через форму зворотного зв'язку на нашому офіційному сайті. Ну а якщо вас цікавить застосування термооброблених сталей у різних галузях промисловості, відповідні публікації можна знайти у нас, перейшовши за посиланнями нижче.

Читайте також Будівельний прокат за європейськими стандартами: виробництво, застосування, переваги

Читайте також Високоміцна сталь за євростандартом для машинобудування

Читайте також Загартована сталь, стійка до абразивного зношування