Термичка обрада метала је процесна метода у којој се метални обрадак ставља у одређени медијум и загрева на одговарајућу температуру, а затим држи на овој температури одређени временски период, а затим се хлади различитим брзинама.
Термичка обрада метала је један од важних процеса у машинској производњи. У поређењу са другим технологијама обраде, топлотна обрада генерално не мења облик и укупни хемијски састав радног предмета, већ мења микроструктуру унутар радног предмета или хемијски састав на површини радног предмета како би се постигао или побољшао учинак радног предмета. Његова карактеристика је побољшање унутрашњег квалитета радног предмета, који се углавном не види голим оком.
Да би метални обрадак имао потребна механичка својства, физичка својства и хемијска својства, поред разумног избора материјала и различитих процеса обликовања, често су неопходни процеси топлотне обраде. Челик је материјал који се најчешће користи у машинској индустрији. Микроструктура челика је сложена и може се контролисати топлотном обрадом, тако да је топлотна обрада челика главни садржај термичке обраде метала. Поред тога, алуминијум, бакар, магнезијум, титан, итд. и њихове легуре такође могу да промене своја механичка, физичка и хемијска својства кроз термичку обраду да би се постигле различите перформансе.
У процесу од каменог до бронзаног и гвозденог доба, људи су постепено препознавали улогу термичке обраде. Још 770-222 пре нове ере, Кинези су у производној пракси открили да се својства бакра и гвожђа мењају услед утицаја температуре и деформације притиска. Обрада омекшавања белог ливеног гвожђа је важан процес за израду пољопривредних алата.
У шестом веку пре нове ере, челично оружје је постепено усвајано. Да би се побољшала тврдоћа челика, процес гашења је брзо развијен. Два мача и хелебарда откривени у Јанксиадуу, округ Ји, провинција Хебеј, Кина, имају мартензит у својој микроструктури, што указује да су угашени.
Са развојем технологије гашења, људи су постепено откривали утицај расхладних течности на квалитет гашења. Пу Јуан, човек Шу у периоду Три краљевства, једном је направио 3,000 ножа за Џуге Лианга у Сјагуу, у провинцији Шанкси. Прича се да је послао људе у Ченгду по воду за гашење. Ово показује да је Кина у древним временима приметила капацитет хлађења различитих квалитета воде, а такође је обраћала пажњу на капацитет хлађења уља и урина. Мач откривен у гробници краља Ђинга од Зхонгсхана током династије Западни Хан (206. пне-24 нове ере) у Кини има садржај угљеника од 0.15-0 ,4% у језгру, док је садржај угљеника на површини више од 0,6%, што указује да је примењена технологија карбуризације. Међутим, као тајна личног „занатског умећа“ у то време, није била вољна да се преноси, па се развијала веома споро.
Британски металолози и геолози су 1863. године показали шест различитих металографских структура челика под микроскопом, доказујући да када се челик загреје и охлади, унутрашња структура ће се променити, а фаза на високој температури у челику ће се трансформисати у тврђу фазу када се брзо охлађен. Теорија алотропије гвожђа коју је успоставио Француз Осмонд и фазни дијаграм гвожђе-угљеник који је први формулисао Британац Остин поставили су теоријске основе за савремену технологију топлотне обраде. Истовремено, људи су проучавали и методе заштите метала током процеса загревања и термичке обраде метала како би се избегла оксидација и декарбонизација метала током загревања.
Од 1850. до 1880. године постојао је низ патената за примену различитих гасова (као што су водоник, угљен-моноксид, итд.) за заштитно грејање. Од 1889. до 1890. године, Британско језеро је добило патенте за светлосну топлотну обраду различитих метала.
Од 20. века, развој физике метала и трансплантација и примена других нових технологија учинили су процес термичке обраде метала развијенијим. Значајан напредак је била примена ротационих пећи за карбуризацију гаса у индустријској производњи од 1901. до 1925. године; појава потенциометара тачке росе 30-их година прошлог века учинила је да се угљенични потенцијал атмосфере пећи може контролисати, а касније је проучавана употреба инфрацрвених инструмената за угљен-диоксид, сонди за кисеоник итд. за даљу контролу потенцијала угљеника у атмосфери пећи; 1960-их година, технологија топлотне обраде користила је улогу плазма поља за развој процеса јонског нитрирања и карбуризације; примена технологије ласерског и електронског снопа омогућила је металима да добију нове методе површинске топлотне обраде и хемијске топлотне обраде.
2. Процес топлотне обраде метала
Процес топлотне обраде углавном укључује три процеса: грејање, изолацију и хлађење, а понекад само два процеса: грејање и хлађење. Ови процеси су међусобно повезани и не могу се прекинути.
Грејање је један од важних корака у топлотној обради. Постоји много метода загревања за термичку обраду метала. Најранији су као изворе топлоте користили ћумур и угаљ, а затим су коришћена течна и гасовита горива. Примена електричне енергије чини грејање лаким за контролу и еколошки прихватљивим. Ови извори топлоте се могу користити за директно загревање, или индиректно преко растопљених соли или метала, или чак плутајућих честица.
Када се метал загрева, радни предмет је изложен ваздуху, а често долази до оксидације и декарбонизације (односно, смањује се садржај угљеника на површини челичних делова), што веома неповољно утиче на површинска својства делова након загревања. третман. Стога, метале обично треба загревати у контролисаној атмосфери или заштитној атмосфери, у растопљеним солима и у вакууму, а такође се могу заштитити и загрејати методама премазивања или паковања.
Температура грејања је један од важних процесних параметара процеса термичке обраде. Одабир и контрола температуре грејања је главно питање да се обезбеди квалитет топлотне обраде. Температура загревања варира у зависности од металног материјала који се третира и сврхе термичке обраде, али се генерално загрева изнад температуре промене фазе да би се добила потребна структура. Поред тога, трансформација захтева одређено време. Стога, када површина металног радног комада достигне потребну температуру загревања, мора се држати на овој температури одређени временски период да би унутрашње и спољашње температуре биле конзистентне и трансформација микроструктуре потпуна. Овај временски период се назива време задржавања. Када се користи грејање високе густине енергије и површинска топлотна обрада, брзина загревања је изузетно велика, и углавном нема времена задржавања или је време задржавања веома кратко, док је време задржавања хемијске топлотне обраде често дуже.
Хлађење је такође неопходан корак у процесу топлотне обраде. Начин хлађења варира у зависности од процеса, углавном ради контроле брзине хлађења. Генерално, жарење има најспорију брзину хлађења, нормализација има већу брзину хлађења, а гашење има још већу брзину хлађења. Међутим, постоје различити захтеви за различите врсте челика. На пример, ваздушно каљени челик се може очврснути истом брзином хлађења као и нормализација.
Процеси топлотне обраде метала могу се грубо поделити на укупну топлотну обраду, површинску топлотну обраду, локалну топлотну обраду и хемијску топлотну обраду. Према различитим медијумима за грејање, температури грејања и методама хлађења, свака главна категорија може се поделити на неколико различитих процеса топлотне обраде. Исти метал може добити различите структуре и на тај начин имати различита својства коришћењем различитих процеса топлотне обраде. Челик је метал који се највише користи у индустрији, а његова микроструктура је и најсложенија, тако да постоји много врста процеса термичке обраде челика.
Укупна топлотна обрада је процес термичке обраде метала који загрева радни комад у целини, а затим га хлади одговарајућом брзином да би се променила његова укупна механичка својства. Постоје четири основна процеса за укупну термичку обраду челика: жарење, нормализација, каљење и каљење.
Жарење је да се радни предмет загреје на одговарајућу температуру, користи различита времена држања у зависности од материјала и величине радног комада, а затим га полако охлади. Сврха је да се унутрашња структура метала постигне или приближи стању равнотеже, добије добре перформансе процеса и користи перформансе, или припреми структуру за даље гашење. Нормализација је да се радни предмет загреје на одговарајућу температуру, а затим охлади на ваздуху. Ефекат нормализације је сличан жарењу, али је добијена структура финија. Често се користи за побољшање перформанси резања материјала, а понекад се користи и као завршни топлотни третман за неке делове са ниским захтевима.
Кашење је да се обрадак загреје и одржи топлим, а затим га брзо охлади у медијуму за гашење као што је вода, уље или друге неорганске соли, органски водени раствори итд. Након гашења, челик постаје тврд, али и крт. Да би се смањила ломљивост челичних делова, каљени челични делови се дуго одржавају топлим на одговарајућој температури изнад собне температуре и испод 710 степени, а затим се хладе. Овај процес се назива каљење. Жарење, нормализација, гашење и каљење су „четири ватре“ у укупној топлотној обради. Међу њима, гашење и каљење су уско повезани и често се користе у комбинацији. Они су неопходни.
„Четири ватре“ су еволуирале у различите процесе топлотне обраде са различитим температурама грејања и методама хлађења. Да би се добила одређена чврстоћа и жилавост, процес комбиновања каљења и каљења на високим температурама назива се каљење и каљење. Након што се неке легуре угасе да би се формирао презасићени чврсти раствор, оне се држе на собној температури или нешто вишој одговарајућој температури дуго времена да би се побољшала тврдоћа, чврстоћа или електрична и магнетна својства легуре. Такав процес топлотне обраде назива се третман старењем. Метода комбиновања деформације обраде под притиском са топлотном обрадом ефикасно и блиско да би радни предмет добио добру комбинацију чврстоће и жилавости назива се деформациони топлотни третман; топлотна обрада у атмосфери негативног притиска или вакууму назива се вакуумска топлотна обрада, која не само да може спречити радни предмет од оксидације и декарбонизације, одржава површину радног предмета глатком након обраде и побољшава перформансе радног предмета, већ и пропушта инфилтранта за хемијску термичку обраду.
Површинска топлотна обрада је процес термичке обраде метала који само загрева површину радног предмета да би се променила његова површинска механичка својства. Да би се загрејала само површина радног предмета, а да се превише топлоте не би пренело у унутрашњост радног предмета, извор топлоте који се користи мора имати велику густину енергије, односно да даје велику количину топлотне енергије по јединици површине радни предмет тако да површина или локални део радног предмета може да достигне високу температуру за кратко време или тренутно. Главне методе површинске топлотне обраде су ласерска топлотна обрада, гашење пламена и топлотна обрада индукционог загревања. Често коришћени извори топлоте укључују пламен као што је оксиацетилен или оксипропан, индукована струја, ласерски и електронски сноп.
Хемијска топлотна обрада је процес термичке обраде метала који мења хемијски састав, организацију и својства површине радног предмета. Разлика између хемијске топлотне обраде и површинске топлотне обраде је у томе што ова друга мења хемијски састав површине радног предмета. Хемијска термичка обрада је загревање радног предмета у медијуму (гас, течност, чврста супстанца) који садржи угљеник, азот или друге легирајуће елементе и одржавање топлоте дуго времена, тако да се површина радног предмета може инфилтрирати елементима као што су нпр. угљеник, азот, бор и хром. Након што се елементи инфилтрирају, понекад су потребни други процеси топлотне обраде као што су гашење и каљење. Главне методе хемијске термичке обраде су карбуризација, нитрирање, метализација и композитна инфилтрација.
Топлотна обрада је један од важних процеса у процесу производње механичких делова и алата и калупа. Уопштено говорећи, може гарантовати и побољшати различите особине радног предмета, као што су отпорност на хабање и отпорност на корозију. Такође може побољшати организацију и стресно стање бланка како би се олакшала различита хладна и врућа обрада.
На пример, бело ливено гвожђе се може добити дуготрајним жарењем да би се добио ковно ливено гвожђе и побољшала пластичност; зупчаници се могу користити уз исправан процес топлотне обраде. Век трајања може бити удвостручен или десетине пута дужи од зупчаника који нису термички обрађени; поред тога, јефтини угљенични челик има неке скупе особине легираног челика инфилтрирањем одређених легираних елемената, који могу заменити неки челик отпоран на топлоту и нерђајући челик; скоро сви алати и калупи морају бити термички обрађени пре него што се могу користити.
3. Класификација челика
Челик је легура са гвожђем и угљеником као главним компонентама, а његов садржај угљеника је генерално мањи од 2,11%. Челик је изузетно важан метални материјал у економској конструкцији. Челик је подељен у две категорије према свом хемијском саставу: угљенични челик (скраћено угљенични челик) и легирани челик. Угљенични челик је легура добијена топљењем сировог гвожђа. Поред гвожђа и угљеника као главних компоненти, садржи и малу количину нечистоћа као што су манган, силицијум, сумпор и фосфор. Угљенични челик има одређена механичка својства, добре перформансе процеса и ниску цену. Због тога се угљенични челик широко користи. Међутим, брзим развојем савремене индустрије и науке и технологије, перформансе угљеничног челика више не могу у потпуности да задовоље потребе, па су људи развили различите легиране челике. Легирани челик је легура са више елемената добијена наменским додавањем одређених елемената (који се називају легираним елементима) угљеничном челику. У поређењу са угљеничним челиком, перформансе легираног челика су значајно побољшане, тако да његова примена постаје све обимнија.
