При длительной эксплуатации, в результате воздействия внешних факторов или после определенных сознательных действий человека металл может терять или изменять первоначально заложенные в нем физические и химические свойства. То есть могут изменяться показатели твердости, вязкости, прочности, упругости, пластичности и т.д. Этот процесс называют старением металла. Итак, старение металла – это отклонение свойств материала от нормы, изменение его характеристик.
В естественной среде это достаточно длительный процесс, на который влияют следующие факторы:
- изменение движения атомов под влиянием тепловых характеристик;
- внешние механические воздействия – нагрузки, деформации, сжатие, разрывы и проч.;
- различные виды излучений (в том числе, УФЛ и УКЛ);
- изменение характеристик магнитного поля (намагничивание, размагничивание).
Типы старения металлов
Различают естественное и искусственное старение металлов. Естественное старение происходит постепенно, самопроизвольно, не требуя создания специальных условий. Обычно достаточно выдержать металл длительное время при комнатной температуре. При этом заготовленный прокат или детали хранятся на открытом воздухе. Следствием процесса становится повышение прочности, твердости и текучести материала. Одним из недостатков естественного процесса является то, что к внутренним процессам при этом может добавляться ухудшение поверхностного слоя за счет износа материала, коррозии и проч.
Искусственное старение металла – это производственная операция, проводимая по специальным технологиям, для быстрого придания материалу необходимых свойств.
Старение используется в качестве дополнительной обработки металла, это заключительная процедура для создания отдельных узлов и деталей. После операции показатели твердости и прочности значительно возрастают, мягкость и пластичность снижаются. Важно, что данные характеристики сохраняются на протяжении всего срока службы металла.
Виды искусственного старения
Термическое старение выполняют методом подогрева до определенной температуры, выдержкой и последующим охлаждением. Производится процедура однократно или многократно, в зависимости от вида материала и конечных целей процесса. Для различных марок стали, чугуна, цветных металлов или сплавов разработаны определенные режимы технологических циклов.
Механическое старение (его еще называют деформационным) осуществляется методом пластической деформации. Механическая деформация производится при определенной температуре и приводит к внутренним химическим изменениям. Для обработки легированных сталей совмещают термическое и механическое старение.
Выделяют следующие виды данного процесса:
- полное старение – обычно это двухступенчатый цикл закалки и выдержки, обеспечивает максимальные улучшения характеристик прочности;
- неполное – однофазная закалка и выдержка с естественным охлаждением, благодаря более низким температурам и небольшой продолжительности повышает прочность, сохраняя при этом пластичность материала;
- перестаривание – процесс характеризуется высокими температурами и более длительной выдержкой, в результате чего уровень прочности не достигает высших показателей, зато повышаются антикоррозийные, электропроводные и другие характеристики;
- стабилизирующее – высокая температура и длительная выдержка позволяют сохранить и сбалансировать физические и химические свойства материала.
Особенности процедуры старения различных видов проката
Как уже отмечалось, выбор технологического режима старения зависит от вида и марки металла. Для качественного упрочнения необходимо достигнуть термической точки максимума для данной заготовки. В режимные характеристики, кроме температуры нагрева, входит также время выдержки.
- Легированные стали подвергаются нагреву до 130-150 градусов по Цельсию с длительной выдержкой не менее суток (25-30 ч).
- Алюминий в зависимости от конечной цели нагревают до 100-230 градусов и выдерживают от часа до 17 часов. Технологическая инструкция рекомендует медленный нагрев алюминия и его сплавов. Для иных металлов скорость нагрева не играет особой роли.
- Термическая обработка магния – до 180 градусов, выдержка до 16 часов.
- Амплитуда температуры нагрева меди и медных сплавов колеблется от 160 до 330 градусов, время выдержки – от 2 часов до суток. Все зависит от химического состава материала и от того, какой именно вид старения необходим.
- Титан нагревают до 550 градусов с краткой выдержкой – 1 час.
- Температура нагрева никеля 690-710 градусов, время выдержки – 16 часов.
Объем углерода в металле влияет на форму приобретаемой в процессе старения внутренней структуры. Она может стать кубической, сферической, пластинчатой или игольчатой.
Операция термического старения проводится на специальном оборудовании, так называемых, старящих печах. Они просты в управлении и обслуживании, полностью соответствуют требованиям безопасности и энергосбережения. Печи могут монтироваться отдельно или встраиваться в конвейер, работать на разных температурных режимах. Отличаются печи объемом садки, мощностью, производительностью и наличием дополнительных функций. Производить старение можно без предварительной закалки и после нее, при этом максимальная температура нагрева не должна превышать температуру закалки.
Механическое старение происходит при температуре ниже той, при которой начинается процесс рекристаллизации. Механическое воздействие на металл катализирует движение атомов углерода и азота к дислокациям, их скопление мешает дальнейшему движению дислокаций, что приводит к изменению свойств металла. Добавки азота, никеля и меди значительно ускоряют процесс старения при деформировании, а вот наличие добавок ванадия, титана и ниобия практически исключает возможность механического старения.