Таким образом, эксплуатационная надежность металлоизделий находится в прямой зависимости от прочности, износостойкости, термо- и коррозионной стойкости составляющих их элементов.
В целях повышения этих характеристик необходимо правильно выбирать материалы деталей, совершенствовать их конструкцию, устранять неточности сборки, улучшать методы холодной и горячей обработки.
Для современного производства характерны высокие требования к свойствам материалов, обусловленные постоянным ростом производства, повышением производительности технологических процессов и связанной с ними необходимости изготовления крупногабаритного и сложного оборудования (реакторов, колонн, емкостей, теплообменников, фильтров). В связи с возрастающей интенсивностью нагружения производственного оборудования, например, печного (змеевиков печей) или динамического (компрессоров, насосов), важной задачей становится увеличение их срока эксплуатации и межремонтного цикла за счет использования более качественных материалов. Повышение рабочего давления и увеличение диаметров технологических трубопроводов, предназначенных для транспортировки агрессивных газообразных и жидких сред и эксплуатирующихся в сложных климатических условиях, влечет за собой применение новых материалов и высокотехнологических способов получения и обработки труб.
Этим высоким требованиям лишь в редких случаях могут отвечать материалы в состоянии поставки. Основная часть ответственных конструкционных элементов нуждается в упрочнении или стабилизации эксплуатационных свойств, не изменяющихся с течением времени, поэтому одним из способов повышения механических и физико-химических свойств металлических материалов является термическая обработка.
Термической обработкой металлов (термообработкой) называется совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения твердых металлов и металлических сплавов.
Термообработку проводят с целью изменения структуры и соответственно свойств металлов и сплавов в заданном направлении. Термическая обработка применяется для целенаправленного изменения структуры материала, а именно, фазового состава и перераспределения компонентов, размеров и формы кристаллических зерен, вида дефектов, их количества и распределения, что позволяет, в конечном счете, достаточно легко получать требуемые свойства материалов.
Следует отметить, что изменение структуры и соответственно свойств возможно не только под воздействием тепла, но и под влиянием других внешних факторов, например, при проведении химической, механической, радиационной, электромеханической и других видов обработки.
Важно помнить, что свойства металлов и сплавов зависят не только от их структуры, но и от их химического состава, который формируется в ходе проведения металлургических и литейных процессов. При термической обработке химический состав остается неизменным, лишь иногда при неправильно выбранном составе защитной среды и температурно-временных параметров термообработки изменяется химический состав на поверхности заготовок и изделий в результате протекания процессов обезуглероживания, науглероживания или окисления. В данной статье влияние химического состава на изменение различных свойств металлов и сплавов не рассматривается.
Задачами термической обработки являются ликвидация внутренних напряжений в металлах и сплавах, улучшение обрабатываемости резанием или давлением, повышение механических и эксплуатационных свойств и др..
Термической обработке подвергают заготовки, полуфабрикаты и готовые изделия. Номенклатура изделий, чрезвычайно широка – от крепежных изделий до крупнейших отливок и поковок статического и динамического нефтехимического оборудования.
Термической обработке подвергают стали, чугуны и сплавы на основе цветных металлов. Так, например, в химическом машиностроении основную долю обрабатываемых сталей составляют углеродистые стали Ст3, сталь 20 и др. (> 50%), доля низколегированных сталей типа 09Г2С, 16ГС, 12ХМ составляет ~ 20%, а коррозионностойких сталей – 26 – 28%. Среди чугунов чаще всего применяют высокопрочный и ковкий чугуны. Наиболее распространенными сплавами на основе цветных металлов являются сплавы на основе никеля, титана, алюминия и меди.
Необходимо понимать, что для одного и того же материала, т.е. материала с одним химическим составом, благодаря проведению различных режимов термической обработки можно получить несколько разных структур, обладающих абсолютно различными свойствами. Улучшение механических свойств с помощью термообработки дает возможность шире использовать сплавы более простых составов. Термообработкой можно увеличить допускаемые напряжения, уменьшить массу деталей и механизмов, повысить их надежность и долговечность.
Термическую обработку металлов и сплавов проводят обычно в тех случаях, когда имеют место:
- полиморфные превращения в металле;
- ограниченная и переменная (увеличивающаяся с температурой) растворимость в твердом состоянии одного компонента в другом;
- изменение строения под влиянием холодной пластической деформации.
В основе современной классификации видов термической обработки лежат представления о фазовых и структурных изменениях в сплаве.
Термическая обработка подразделяется на собственно термическую, термомеханическую и химико-термическую.
Собственно термическая обработка включает в себя следующие основные виды: отжиг 1-го рода, отжиг 2-го рода, закалку, отпуск. Нормализация несколько выпадает из общей классификации, т.к. имеет особенности при применении к сталям разной степени легированности.
Все виды термической обработки отличаются друг от друга температурой нагрева, продолжительностью выдержки при этой температуре и скоростью охлаждения по окончании выдержки.
Отжиг 1-го рода включает в себя гомогенизационный (диффузионный) отжиг, рекристаллизационный отжиг, отжиг для снятия напряжений.
Гомогенизационный отжиг необходим для выравнивания химического состава сталей, для устранения последствий дендритной ликвации. Рекристаллизационный отжиг используют в промышленности как первоначальную операцию перед холодной обработкой давлением (для придания материалу наибольшей пластичности), как промежуточный процесс между операциями холодного деформирования (для снятия наклепа) и как окончательную термическую обработку для придания полуфабрикату или изделию необходимых свойств. Отжиг для снятия напряжений применяют для литых, кованых и катаных заготовок, деталей после обработки резанием, шлифовки, сварки, термообработки с целью полного или частичного снятия остаточных макронапряжений в изделиях, которые могут вызывать искажение формы (коробление) и изменение размеров изделия во время его обработки, эксплуатации и хранения.
Отжиг 2-го рода подразделяют на полный отжиг, неполный отжиг, изотермический отжиг, сфероидизацию, нормализацию.
Полный отжиг применяют, главным образом, при обработке доэвтектоидных и эвтектоидных сталей с целью получения равномерной мелкозернистой структуры, снижения уровня напряжений, твердости и прочности, улучшения обрабатываемости резанием. Неполный отжиг используют для доэвтектоидных сталей для смягчения их перед обработкой резанием. Изотермический отжиг чаще применяют для легированных сталей для получения однородной структуры требуемой дисперсности с заданным уровнем свойств, а также для улучшения обрабатываемости сталей резанием. Сфероидизация представляет собой отжиг на зернистый перлит, структура которого имеет наименьшую твердость и обеспечивает наилучшую деформируемость сталей при волочении, глубокой вытяжке, холодной прокатке. В случае использования нормализации как предварительной обработки ее цели те же, что и при отжиге: получение равновесной мелкозернистой структуры, снижение твердости для последующей механической обработки. В заэвтектоидных сталях нормализация является единственным способом устранения грубой и хрупкой сетки цементита. Нормализацию как окончательную термообработку применяют для среднеуглеродистых машиностроительных сталей, строительных сталей и теплостойких сталей перлитного класса.
Закалку применяют для получения максимальной твердости, прочности и износостойкости изделий.
Отпуск проводят для приведения закаленного сплава в более устойчивое структурное состояние, снятия внутренних напряжений, повышения вязкости и пластичности.
По количеству проводимых операций термообработка может быть простой и состоять из одной из указанных операций или может быть сложной и состоять из нескольких операций.
По объему нагреваемого изделия термическая обработка может быть как полной (иначе объемной), т.е. нагреву подвергается все изделие, так и местной, когда нагревается локальный участок изделия.
По назначению термическую обработку подразделяют на предварительную и окончательную.
Цель предварительной (иначе промежуточной) обработки – предотвращение появления дефектов (флокенов, трещин) в металле после его обработки давлением в горячем состоянии и снижение твердости металла для облегчения проведения последующей механической обработки, например, обработки резанием, а также уменьшение остаточных напряжений и подготовки структуры под окончательную термическую обработку.
При окончательной термической обработке в металле формируется необходимая структура, обеспечивающая получение требуемого уровня физико-механических свойств готового изделия.
Качество термической обработки определяют следующие основные критерии:
- обеспечение требуемых свойств материала;
- сведение к минимуму побочных явлений – нежелательного изменения геометрических параметров изделий (формы, размеров, состояния поверхности) или нарушения сплошности материала;
- обеспечение высоких технико-экономических показателей термического передела.
При незначительных затратах на термическую обработку (обычно не превышающих 2 – 4% полной себестоимости) результаты ее могут оказывать большое влияние на трудоемкость и стоимость работ на смежных участках производства. В связи с этим многие производители предпочитают не проводить термическую обработку, что позволяет им сократить технологический процесс изготовления изделия. Иногда это и с научной, и с практической точки зрения оправдано, но иногда – нет. Термическая обработка должна стать обязательной в тех случаях, когда снижение рабочих характеристик изделия, а также высокий уровень остаточных напряжений могут превысить допустимые пределы и привести к катастрофическому и необратимому разрушению металла.
В связи с этим надо не только тщательно продумывать технологические процессы объемной и местной термической обработки, но и строго соблюдать их режимы, добиваясь получения оптимальных структур и высокого уровня физико-механических и эксплуатационных свойств в изделиях с целью обеспечения их длительной и надежной работы.