Технологии термической обработки цветных металлов и сплавов

Изменение физических свойств металла путем контролируемого нагрева и охлаждения называется термообработкой. Разные режимы позволяют сделать материал более пластичным или, наоборот, твердым. Это происходит из-за перестройки внутренней структуры металла.

Виды термообработки цветных металлов

Тепловая обработка является промежуточной операцией для улучшения дальнейшей резки, шлифовки и прочей металлообработки. Также она проводится как окончательный процесс, связанный с изменением качеств металла.
Термообработка включает в себя следующие технологические операции: отжиг, гомогенизацию и старение. 

Отжиг цветных металлов

При формировании слитков или деформации заготовок из цветного проката при температуре ниже пластичности образуется внутреннее напряжение и различные неоднородности. Для устранения этого и с целью подготовки материала к дальнейшей обработке применяется нагрев сплава до определенных температур и медленное остывание. 

Для понимания процесса предлагаем рассмотреть пример изменения свойств углеродистой стали. После отжига пружина, которая имела высокую твердость и упругость, становится мягкой, как вязальная проволока. Вернуть первоначальные свойства можно закалкой. 

Гомогенизация цветных металлов

При остывании отливок процесс кристаллизации происходит неравномерно. Внешняя поверхность болванки из-за контакта с литьевой формой охлаждается быстрее. При этом происходит вытеснение легирующих добавок из кристаллической структуры вглубь заготовки. Для восстановления равномерного распределения компонентов деталь нагревают до температуры чуть ниже плавления и подвергают медленному остыванию. Происходит диффузионное распределение всех присадок. Материал приобретает однородную структуру с одинаковыми физическими свойствами во всем объеме. 

Старение цветных металлов

Для придания повышенной твердости и снижения пластичности применяют термическую обработку, похожую на закалку. Материал нагревают до температур, близких к плавлению, и быстро охлаждают. В структуре образуются более крупные кристаллы, а легирующие добавки вытесняются за их пределы. В металле появляются множественные внутренние напряжения, которые поддерживают форму и препятствуют деформации. 

Похожие процессы могут происходить и при обычной температуре. В этом случае старение называют естественным. 

Особенности термической обработки разных металлов

Тепловые операции являются неотъемлемой частью производства металлических изделий. Большое разнообразие металлов и их сплавов подразумевает различные технологические приемы. Рассмотрим, какие температурные режимы необходимо подбирать для обработки разных материалов. 

Термообработка алюминиевых сплавов

Чистый металл и материал, легированный магнием и марганцем, температурной модификации не подается. Такие процессы применяются для сплавов, содержащих медь, кремний, цинк и прочие компоненты. 

Для изменения физических свойств используют следующие режимы:

• Отжиг. Производят при температуре от 300 до 400 градусов. Остывание заготовок занимает от 20 минут до нескольких часов. Точные цифры нагрева и режимы охлаждения варьируются в зависимости от размеров заготовки и состава сплава. 
• Гомогенизация. Происходит непосредственно после формовки при температуре от 540 градусов с последующим медленным охлаждением. 
• Старение. Заготовку длительное время выдерживают при температуре от 115 до 250 градусов и подвергают быстрому охлаждению. Резкое снижение температуры достигают с помощью воздушного потока, кипящей воды, соляных растворов, масла и т.д. 

Готовый алюминиевый прокат поставляется на рынок после термической обработки. Чушки, плиты и заготовки могут поступать на производство после процесса гомогенизации. 

Термообработка медных сплавов

Большое многообразие составов на основе меди диктует разные подходы к термической модификации материалов. Чистая медь подвергается отжигу при температуре 500-600 градусов. Медный прокат в форме листов, шин, проволоки поставляется производителям после отжига. Круг, шестигранник, труба, медные заготовки могут поступать в магазин, минуя эту процедуру. 

Латунь отжигается в режиме от 600 до 700℃. Охлаждение может происходить на воздухе или в водной среде. Если материал склонен к появлению наружных трещин, то обработку производят при более низкой температуре. Но при этом не устраняется наклеп – остаточные внутренние структурные изменения, появившиеся в результате деформации. 

Бронзы гомогенизируют в режиме от 700 до 750℃ с резким охлаждением. Возникающее внутреннее напряжение удаляют отжигом при t 500℃.  
Бронзы с алюминием или бериллием подвержены закаливанию. Процесс делает материал тверже и снижает пластичность. Температурные режимы значительно отличаются в зависимости от конкретного состава легирующих добавок.  

Весь ассортимент латунного и бронзового проката подвергается процессу выравнивания внутренней структуры нагревом.

Термообработка титана и его сплавов

Титановые сплавы делятся на 3 подвида. α – содержит легирующие добавки в виде алюминия, кислорода и азота.  β-стабилизаторами являются молибден, железо, ванадий, ниобий, хром и марганец. α-β – здесь присутствуют структурные элементы обоих подвидов. 

Легированные алюминием титановые сплавы подвергаются только отпуску. В результате улучшается внутренняя структура с повышением пластичности. Температура первого обжига составляет от 550 до 850 градусов. Более щадящие режимы используют для обработки титановых листов, полос. Для массивных слитков, прутков, поковок, кругов применяют более высокие температуры. 

Сплавы фазы α-β подвергают первичному отжигу при аналогичных температурах и вторичному нагреву до 500-600℃ с выдержкой. В процессе происходит переход β структуры в α, при котором появляется мелкозернистость и улучшаются пластические характеристики. 

Закалке (старению) поддаются сплавы, содержащие β-стабилизаторы. Температурный режим и скорость остывания сильно варьируются в зависимости от количества и перечня присадок. В результате обработки металл приобретает структуру, имеющую крупные кристаллы. При этом повышается прочность при снижении пластичности. 

Термообработка свинца и его сплавов

Свинцовый прокат для улучшения внутренней структуры подвергают заморозке при температуре не менее -33 градуса и выдержке в этом состоянии. Закалку можно использовать только для сплава свинца с сурьмой. Обработку производят при температуре от 55 до 60℃. Сплав приобретает прочность до 100 МПа. 

Термообработка цинка

Металл имеет склонность к формированию крупнозернистых кристаллических структур. Для придания большей однородности применяется операция гомогенизации. Нагретую до 300-350 градусов деталь выдерживают 1-2 часа и подвергают очень медленному остыванию вместе с печью. Если требуется восстановить пластичность после деформации, то деталь нагревают до 200 градусов и дают остыть в естественных условиях. Закалка цинкового проката имеет своей целью переход α-состояния в β. При этом повышается прочность за счет возникновения внутренних напряжений. 

Термообработка мельхиора 

Сплав, внешне похожий на серебро, соединяет в себя медь и никель, взятые в определенных процентных соотношениях. Иногда для увеличения прочности и плотности материала изменяют химическую формулу добавлением присадок – железа и марганца. 

Температура плавления находится в районе 1200 градусов. Последующая термическая обработка может включать в себя упрочнение. В этом случае состав нагревают до t 250-300℃ и медленно охлаждают. 

После холодной деформации металла требуется отпустить для устранения наклепа и возникающих внутренних напряжений. Отжиг происходит при t 500℃ для сплава без железа и марганца, при t 790-750 ℃ – для марки МНЖМц 30-1-1, а при t до 750℃ – обрабатывается медицинский сплав с присадкой из цинка. После этого все сплавы охлаждают в естественных условиях.

Наиболее востребованной продукцией является мельхиоровый пруток марки МНЖМц 30-1-1. Он поступает в реализацию после процесса гомогенизации. 

Термообработка никеля

На рынке присутствует никелевый прокат марок НП0эви, НП2, НП2Э, ПНЭ и другие. Материал имеет в составе более 99% никеля, а остальное приходится на разнообразные примеси. В процессе производства для создания более равномерной структуры внутри металла листы и плиты подвергают отжигу при температуре от 650 до 700℃. Далее производят охлаждение на воздухе в течение 30 минут. Это позволяет подвергать прокат деформации в последующих технологических операциях.  

Термообработка вольфрама

Материал чрезвычайно твердый и одновременно хрупкий при комнатной температуре. Для облегчения обработки применяют метод нагрева детали до температуры появления вязкости – от 250 до 400℃. В этом состоянии вольфрамовый прокат поддается обработке режущими инструментами и выдерживает физическую деформацию без разрушений во внутренней структуре. 

Многие детали изготавливают из вольфрамового порошка. После спекания изделие подвергают отжигу, часто в вакуумной среде. Процесс происходит при температуре 800-1450℃ с длительной выдержкой. Это позволяет снизить хрупкость. 

Влияние температурного воздействия на разные металлы и их сочетания очень индивидуально. Даже наличие примесей в пределах менее 1% может существенно поменять все технологические процессы по модификации материала. Большое значение имеют временные режимы нагрева и остывания, а также среда, в которой производятся эти операции.