Термиялық өңдеу туралы толық шолу: Негізгі білім және қолданулар

Термиялық өңдеу – метал өңдеу өнеркәсібіндегі негізгі өндірістік процесстердің бірі, ол әртүрлі инженерлік талаптарға сай келетін материалдың қасиеттерін тиімді етуге бағытталған. Бұл мақалада термиялық өңдеудің негізгі білімдері жалпы теориялары, процесстер параметрлері, микрқұрылым-қасиеттер арасындағы байланыстар, типтік қолданулар, ақауларды бақылау, инновациялық технологиялар және қауіпсіздік пен қоршаған ортаны қорғау тақырыптарын қамтитын қорытындылап беріледі, сондай-ақ салаға тән сараптамалар негізінде түсіндіріледі.

1. Негізгі теориялар: Негізгі ұғымдар мен жіктеулер

Негізінде қыздыру, ұстау және суыту циклдары арқылы жылумен өңдеу металдық материалдардың ішкі микрқұрылымын өзгертеді, сондықтан қаттылық, беріктік және қатайғылық қасиеттерін баптауға болады.

Болатты жылумен өңдеуді негізінен үш түрге бөледі:

Жалпы жылумен өңдеу: Болаттың барлық бөлігінің микрқұрылымын өзгертетін төрт негізгі процессті қосады — түсіру, қалыптастыру, суыту және шынықтыру.

Беткей жылумен өңдеу: Беткей құрамын өзгертпей (мысалы, беткей суыту) немесе беткей химиясын өзгертетін (мысалы, цементация, нитрлеу және цианидтеу сияқты химиялық жылумен өңдеу) беткей қасиеттеріне назар аударады.

Ерекше процесстер: Термомеханикалық өңдеу мен вакуумдық жылумен өңдеу сияқты нақты өнімділік қажеттіліктері үшін арнайы әзірленген процесстер.

Негізгі айырмашылық отжылу мен нормалау арасында: отжылуда қаттылықты азайту және ішкі кернеуді босату үшін баяу суыту (шаңқалақ немесе күлге салып суыту) қолданылады, ал нормалау үшін ұсақ, біркелкі микрояпуды және сәл жоғары беріктікті алу үшін ауада суыту қолданылады. Маңыздысы, қатты мартенситті құрылымдарды алу үшін қолданылатын суықтату (quenching) сынғыштықты азайтып, қалдық кернеуді босатып (150–650°C), қаттылық пен қатайтуды теңгеру үшін тағайындалған температураға дейін қыздырумен (tempering) ұштастырылуы керек.

2. Процесс параметрлері: сапа үшін маңызды факторлар

Сәтті термиялық өңдеу үш негізгі параметрді дәл бақылауға тәуелді:

2.1 Критикалық температуралар (Ac₁, Ac₃, Acm)

Бұл температуралар қыздыру циклдарын басқарады:

Ac₁: перлитті аустенитке айналдыру басталатын температура.

Ac₃: гипоэвтектоидты болатта ферриттің толық аустенитке айналу температурасы.

Acm: гиперэвтектоидты болатта екіншілік цементиттің толық еру температурасы.

2.2 Қыздыру температурасы мен ұстау уақыты

Қыздыру температурасы: Гипоэвтектоидты болат Ac₃-тен жоғары 30–50°C-қа дейін қыздырылады (толық аустениттену), ал гиперэвтектоидты болат Ac₁-тен жоғары 30–50°C-қа дейін қыздырылады (тозуға тұрақтылық үшін карбидтердің біразын сақтау). Қоспалардың баяу диффузиясына байланысты жоғары температура немесе ұзақ ұстау уақыты қажет.

Ұстау уақыты: Әрбір бөлшек қалыңдығы (мм) × қыздыру коэффициенті (К) формуласы бойынша есептеледі — К=1–1,5 көміртекті болат үшін және 1,5–2,5 қоспалы болат үшін.

2.3 Суыту жылдамдығы және суыту ортасы

Микроқұрылымға суыту жылдамдығы әсер етеді:

Жылдам суыту (>критикалық жылдамдық): Мартенсит түзіледі.

Орташа суыту: Бейнит пайда болады.

Баяу суыту: Перлит немесе феррит-цементит қоспасы пайда болады.

Идеал суыту ортасы «жұмсаруды болдырмау үшін жылдам суыту» мен «сызаттарды болдырмау үшін баяу суыту» арасындағы теңдікті сақтауы тиіс. Су/тұзды су жоғары қаттылық үшін қолданылады (бірақ сызат пайда болу қаупі бар), ал май/полимер ерітінділері күрделі пішінді бөлшектер үшін қолданылады (деформацияны азайтады).

3. Микроқұрылым мен қасиеттердің арақатынасы: Негізгі байланыс

Микроқұрылымға тікелей тәуелді материал қасиеттері, негізгі байланыстар мыналар:

3.1 Мартенсит

Қатты, бірақ сынғыш, ине тәрізді немесе пластина тәрізді құрылымға ие. Көміртегінің жоғары мөлшері сынғыштықты арттырады, ал аустениттің сақталуы қаттылықты төмендетеді, бірақ қаттылықты жақсартады.

3.2 Қайта өңделген микроқұрылымдар

Температура өңдеу температурасымен анықталады:

Төменгі температура (150–250°C): Қайта өңделген мартенсит (58–62 HRC) құралдар/өлшемдер үшін.

Орташа температура (350–500°C): Қайта өңделген троостит (серпімді шектің жоғары болуы) серіппелер үшін.

Жоғары температура (500–650°C): Қайта өңделген сорбит (біліктер/тісті дөңгелектер үшін үздік жалпы механикалық қасиеттер).

3.3 Ерекше құбылыстар

Екінші қаттыдану: Қоспалар (мысалы, жоғары жылдамдықты болат) карбидтердің бөлінуіне (VC, Mo₂C) байланысты 500–600°C температурада қаттылықты қайта жоғалтады.

Температура қатпарлығы: I типті (250–400°C, кері әсер етпейтін) тез суыту арқылы болдырмау керек; II типті (450–650°C, кері әсер ететін) W/Mo қосу арқылы басылады.

4. Типтік қолданулар: Негізгі компоненттерге арналған дайын процесстер

Компоненттер мен материалдардың белгілі бір орындалу талаптарына сәйкес ыстық өңдеу процесстері ыңғайланады:

20CrMnTi сияқты қорытпалардан жасалған автомобиль дөңгелектері үшін стандартты процесс - цементация (920–950°C), сосын маймен суыту және төменгі температурада түзету (180°C), бұл беттік қаттылықты 58–62 HRC-ке жеткізіп, соққыға төзімді негізгі бөлікті сақтайды.

H13 сияқты өлшемдік болаттар үшін жұмыс процесі жұмсарту, суыту (1020–1050°C, маймен суыту) және екі рет түзету (560–680°C) қамтиды. Бұл тізбек ішкі кернеуді босатып, қаттылықты 54–56 HRC шамасында реттейді.

Жоғары жылдамдықты болаттар W18Cr4V 1270–1280°C температурада қатыру үшін қажет, сондықтан мартенсит пен карбидтер түзіледі, сосын 560°C температурада үш рет қайта өңдеу арқылы тұрақты аустенит мартенситке айналады, нәтижесінде 63–66 HRC қаттылық пен өте жақсы тозуға төзімділік қамтамасыз етіледі.

Пластикалық шойынды 300–400°C температурада аустемперлеу арқылы бейнит пен тұрақты аустениттен тұратын микрояпуды алуға болады, ол беріктік пен соққыға төзімділікті теңгереді.

18-8 типті аустениттік нержелейтін болат үшін ерітіндіні тазалау өңдеуі (1050–1100°C, сумен салқындату) денеаралық коррозияны болдырмау үшін маңызды. Сонымен қатар, стабилизациялау өңдеуі (Ti немесе Nb қосу) материалдың 450–850°C температура аралығында ұсталуы кезінде карбидтердің түзілуін болдырмайды.

5. Ақауларды бақылау: алдын алу және шектеу

Жиі кездесетін термиялық өңдеу ақаулары мен оларға қарсы шаралар төмендегідей:

Суытудың трескілері: Жылу/ұйымдастыру кернеуі немесе дұрыс емес процесстер (мысалы, жылдам қыздыру, артық салқындау) әсерінен пайда болады. Алдын алу шараларына алдын ала қыздыру, дәрежелі немесе изотермиялық суыту әдістерін қабылдау және суытудан кейін түзету жатады.

Пішіннің бұрмалануы: Суық пресстеу, ыстық түзету (түзету температурасынан жоғары жергілікті қыздыру) немесе тербелісті кернеу босату арқылы түзелуі мүмкін. Қару-жарақтың күштік кернеуін жою үшін қалыптастыру немесе түзету сияқты алдын ала дайындау пішіннің бұрмалануын азайтады.

Күйдіру: Қыздыру температурасының балқу сызығынан асуы нәтижесінде дән шекараларының балқып кетуі мен қаттылығының төмендеуі пайда болады. Негізгі алдын алу әдісі – термометрлер көмегімен температураны қатаң бақылау (әсіресе қорытпалы болаттар үшін).

Декарбюризация: Қыздыру кезінде бетінің оттегі/CO₂ молекулаларымен әрекеттесуінен пайда болады, соның нәтижесінде беттің қаттылығы мен тозуға тұрақтылығы төмендейді. Оны бақылау үшін қорғаныш атмосфераларын (мысалы, азот, аргон) немесе тұзды ванналы пештерді қолдануға болады.

6. Алғашқы технологиялар: Инновациялық драйверлер

Жаңа қыздыру технологиялары өнеркәсіпті өнімділік пен тиімділікті арттыру арқылы қайта пішіндеуде:

ТМСР (Термомеханикалық бақылау процесі): Тәжірибелік домалау мен бақыланатын суыту процесстерін біріктіріп, дәстүрлі қыздыру өңдеуін ауыстырады, түйіршікті құрылымды тазалау және бейнит құрылымын қалыптастыру – кеме салу болаты өндірісінде кеңінен қолданылады.

Лазерлік суыту: 0,1 мм дейінгі дәлдікпен жергілікті қаттылықты қамтамасыз етеді (тісті дөңгелектер беті үшін идеал). Суытуды орындау үшін өзіндік суыту қолданылады (ортаны қажет етпейді), деформацияны азайтып, қаттылықты 10–15%-ға дейін арттырады.

QP (Суыту-бөлу): Мс температурасының төменінде ұстап, мартенситтен қалдық аустенитке көміртегінің диффузиясына мүмкіндік беріп, соңғысын тұрақтандыру және серпінділікті арттыру. Бұл процесс үшінші ұрпақ автомобильдік TRIP болатын өндіруде маңызды рөл атқарады.

Нанобайнитті болатты өңдеу: 200–300°C температурада аустемперлеу наноөлшемді бейнит пен қалдық аустенит түзіп, дәстүрлі мартенситті болатқа қарағанда қаттылығы 2000МПа, төзімділігі жоғары болатын құрылым алуға мүмкіндік береді.

7. Қауіпсіздік пен қоршаған ортаны қорғау

Жылумен өңдеу механикалық жасалған өндірісте жалпы энергия тұтыну көлемінің шамамен 30% құрайды, сондықтан қауіпсіздік пен тұрақтылық ең маңызды приоритеттер болып табылады:

Қауіпсіздік қаупін азайту: Қыздыру жабдықтары немесе өңделінетін бөлшектерден болатын ыстық күйіктен, улы газдарға (мысалы, тұзды ванналы пештерден шығатын CN⁻, CO) ұшыраудан, сөндіру майының ақып кетуінен болатын өрттен және басқару немесе бекіту кезіндегі механикалық зақымданулардан сақтану үшін қатаң операциялық протоколдар қолданылады.

Шығарындыларды азайту: Шараларға вакуумды пештерді пайдалану (тотығу жануынан сақтану үшін), сөндіру резервуарларын жабық түрде ұстау (май буларының ұшып кетуін азайту), зиянды заттарды сіңіру немесе катализді ыдырату үшін шығарынды газдарды тазалау құрылғыларын орнату қосылады.

Әкімшілік суларды тазалау: Хром құрамындағы әкімшілік суларды төмендету және тұндыру өңдеуі қажет, ал цианид құрамындағы әкімшілік сулар улылығын жояды. Комплексті әкімшілік сулар шығарылатын стандарттарға сай биохимиялық өңдеуден өтеді.

Қорытынды

Жылу өңдеуі материалдар инженериясының негізі болып табылады, ал шикізат пен жоғары өнімді компоненттердің арасындағы байланысты қамтамасыз етеді. Өнімнің сенімділігін арттыру, шығындарды қысқарту және автомобиль, әуе-кеңістік және машина жасау сияқты салаларда тұрақты өндірісті дамыту үшін оның принциптерін, параметрлерін және инновацияларын меңгеру маңызды.