для чего нужен отжиг металла
Процесс отжига стали и металла: виды, особенности, технология
На дворе XXI век — это век развитых технологий, инфраструктуры и промышленности. Это касается и области металлургии, которая имеет важнейшее значение для строительства. С рождением новых возможностей и идей повышаются и требования к качеству материалов. Человечество, которое совсем недавно освоило технологию обработки и применения металла и различных сплавов, больше не устраивают естественные механические свойства.
Отныне лишь высокопрочные и высококачественные материалы могут быть использованы в строительстве. И именно для изменения естественных свойств металла применяются различные методики термической обработки, такие, как отжиг металла, которые позволяют значительно повысить его прочность и обрабатываемость.
Что представляет собой отжиг
Отжиг — это один из методов термической обработки металла и стали. В его основе лежит нагрев до очень высокой температуры. То есть металл нагревается до нужной температуры в зависимости от цели и метода, выдерживается в таком состоянии на какое-то время, а затем постепенно охлаждается.
Отжиг может проводиться в самых разнообразных случаях. Для примера можно рассмотреть самые основные. Обычно он проводится в следующих целях:
Виды особенности
В зависимости от цели и предназначения отжиг может иметь следующие разновидности:
Более подробно рассмотрим некоторые из них.
Технология полного отжига
Полный отжиг проводится в целях измельчения зерна и улучшения качества обработки с использованием режущего инструмента, а также для устранения внутренней напряженности. Ему подвергаются изделия, изготовленные из доэвтектоидного сплава или стали, в составе которой содержится карбон в количестве, не превышающем 0,8%. К таким изделиям относятся кованые и литые детали.
Что касается технологии: изделие подвергается нагреву, который достигает критической точки, равной примерно 20−50 градусов, имеющий условное обозначение А3. Затем выдерживают в этом состоянии столько, сколько необходимо, и медленно охлаждают. Температура нагрева определяется в зависимости от типа стали по диаграмме состояния. Для каждого типа стали существуют определенные значения температур, при которых достигается необходимая степень нагрева. Эти значения можно найти в справочных таблицах.
Время охлаждения также продиктовано структурой и составом стали, например, изделия из углеродистой стали охлаждают на 180−200 градусов в час, низколегированные стальные детали охлаждаются на 90 градусов в час, высоколегированную сталь, если она подвергается полному отжигу, охлаждают еще медленнее — 50 градусов в час. Поскольку изделия из высоколегированной стали зачастую подвергают другому типу термической обработки, изотермическому, однако бывают и исключения.
Вследствие полного отжига неоднородная структура углеродистой и доэвтектоидной стали, состоящая из крупных и мелких зерен и зачастую не удовлетворяющая по своим механическим свойствам, становится однородной и податливой для обработки. Именно в этих целях и проводится полный отжиг.
Особенности и цель неполного отжига
Если полный отжиг предназначается для изделий, не отвечающих никаким требованиям, то неполный проводится на тех же объектах с более или менее удовлетворительными механическими свойствами. То есть в результате неполной термической обработки изменится лишь перлитовая структура металла, а ферритовая останется неизменной. «Перлит» в переводе с французского означает «жемчужина», он входит в состав структуры стали, чугуна и иных железоуглеродистых сплавов. Перлит состоит из феррита и цементита, образующих эвтектоидную смесь. Другими словами, основная цель — сделать сталь мягкой и пластичной, насколько это возможно.
Технологически процесс неполного отжига отличается степенью нагрева, в данном случае он достигает критической точки на 30−50 градусов выше до А1. Температура нагрева достигает 770 градусов, постепенное охлаждение происходит со скоростью 60 градусов в час: сначала в печи до 600 градусов, а затем на открытом воздухе.
Такая термообработка также применяется для заэвтектоидной и легированной стали. Она нагревается до критической точки Ас1, превышающей на 10−30 градусов. В результате такого нагрева происходит перекристаллизация сплава, которая, в свою очередь, способствует образованию сферической формы перлита. Этот процесс еще называется сфероидизацией.
Рекристаллизация и диффузия
Чтобы данный процесс протекал успешно, нагрев проводится при очень высоких температурах, с более длительной выдержкой и с медленным охлаждением, в отличие от видов, рассмотренных выше. То есть это температуры, превышающие 1000 градусов, длительность выдержки составляет более 12 часов.
Предназначение изотермического отжига и нормализации
Изотермический отжиг применяется для высоколегированных и высокохромистых сталей. Его особенность заключается в нагреве металла на 30−50 градусов выше критической точки Ас3 и в ускоренном охлаждении до температуры выдержки ниже критической точки А1, а затем в естественном охлаждении на открытом воздухе.
Данный вид дает несколько видимых преимуществ, первое из которых заключается во времени, то есть весь процесс — начиная от нагрева, выдержки и до остывания — занимает гораздо меньше времени, чем этап остывания детали вместе с печью. Второе преимущество состоит в том, что при изотермической выдержке и резком охлаждении достигается более сглаженная и однородная структура по сечению детали.
Суть технологии отжига стали, виды и назначение
Суть отжига стали: физика процесса, виды и области применения. Различия отжига первого и второго рода. Описание рекристализационного, диффузионного, гомогенизационного отжига. Особенности отжига меди, латуни с сплавов. Применяемое оборудование.
Отжиг стали — это один из видов термообработки, применяемый в качестве подготовительной или заключительной операции при закалке, сварке, обработке резанием или давлением.
Основное назначение отжига заключается в изменении структуры стали для снижения ее твердости и придания ей пластичности и ударной вязкости, а также устранения внутренних напряжений. Для этого стальные изделия нагревают выше критической температуры, а затем подвергают медленному охлаждению.
После такой обработки изменяется структура металла, его зернистость и равномерность кристаллической решетки. Температура нагрева при отжиге выбирается в зависимости от целей конкретной операции, а также процентного содержания в стали углерода и легирующих добавок.
Для определения временных параметров нагрева и остывания, которые во многом зависят от массы и формы изделия, используют расчетные методы и данные из технологических справочников.
Что такое отжиг металла
Отжиг металла применяется для получения равновесной и однородной структуры при подготовке изделия к последующей термической или механической обработке, а также для улучшения его физических характеристик после операций резания, сварки, штамповки, прокатки или закалки.
Цель отжига — устранить внутренние неоднородности стали, улучшить ее зернистость и равномерность кристаллической решетки, а также снять остаточное напряжение, вызываемое деформацией изделия при различных видах обработки. Особенности этой технологии позволяют:
Одной из характерных особенностей такой термообработки является то, что остывание нагретого металла происходит естественным образом, без применения охлаждающих сред. А температура нагрева при отжиге зависит от состава стали и требуемого результата.
Процессы в металле при отжиге
Отжиг металла выполняется для возвращения его микроструктуры в исходное состояние, которое, как правило, характеризуется мягкостью, пластичностью и отсутствием напряжений.
При отжиге углеродистых сталей изделие сначала разогревают до температуры, несколько превышающей точку аустенита, а затем естественным способом остужают до комнатной температуры. В результате получается сталь, состоящая из сочетания перлита с ферритом с упорядоченной кристаллической структурой.
В зависимости от состава металла и целей обработки отжиг стали может быть без фазовых преобразований (1-го рода) или с их использованием (2-го рода). Первый способ чаще всего применяют после механообработки для устранения нагартовки, а второй — перед закалкой для получения исходной структуры материала.
Отжиг первого рода
Как правило, первый вид применяется после литья, горячей и холодной обработки давлением, а также различных видов обработок резанием. Он имеет несколько вариантов технологии отжига, которые используют в зависимости от того, какие неравновесные состояния структуры стали предполагается устранить, в том числе:
При применении этого вида термообработки все процессы реструктуризации стали протекают самопроизвольно, вне зависимости от изменений в фазовых составляющих, а нагрев лишь ускоряет их.
Гомогенизационный отжиг
Этот вид термообработки также называют диффузионным отжигом, т. к. выравнивание распределения химических элементов по объему изделия происходит с помощью диффузии.
При литье легированных сталей в их структуре формируются древовидные (дендритные) неоднородности, при этом легирующие элементы (хром, молибден, ванадий) концентрируются в средней части таких образований. После нагрева их атомы становятся более подвижными и диффундируют в области с меньшей концентрацией.
При гомогенизирующем отжиге сталь разогревают до температур, близких к плавлению (до 1200 ºC), а затем медленно остужают в печи в течение десятков часов. В результате большой длительности процесса металл становится крупнозернистым. Это недостаток исправляют последующей термообработкой, отжигая деталь на мелкое зерно.
Рекристаллизационный отжиг
При обработке стальных деталей давлением происходит деформационное упрочнение металла, которое называется нагартовкой или наклепом. Для снижения жесткости и повышения пластичности применяют рекристаллизационный отжиг, позволяющий восстановить деформации и искажения в кристаллической решетке стали.
Для этого деталь нагревают до температуры, превышающей на 150÷200 ºC порог рекристаллизации (для углеродистой стали это составляет около 700 ºC), выдерживают под нагревом, а затем остужают.
При операциях холодной штамповки этот вид термообработки может применяться как в качестве предварительного или межоперационного, для снижения жесткости заготовки, так и в качестве окончательного, для придания готовому изделию требуемой пластичности.
Отжиг, уменьшающий напряжение
Такие напряжения часто имеют достаточно большую величину и в совокупности с эксплуатационными могут оказаться выше порога прочности изделия. Для их уменьшения стальные детали отжигают по специальной методике в температурном диапазоне, находящемся ниже точки рекристаллизации.
Температуру нагрева и выдержки выбирают в зависимости от марки металла и целей отжига. Для углеродистых сталей она находится в интервале от 150 до 700 ºC. Время термообработки зависит от массы и габаритов изделия и может составлять несколько часов.
Высокий отжиг
Этот вид термообработки используют главным образом для изделий из высоколегированных сталей с малым содержанием углерода. Для этого деталь нагревают до 650÷700 ºC, выдерживают при этой температуре около часа, а затем медленно охлаждают либо в остывающей печи, либо полностью засыпав просушенным песком в специальном ящике.
Таким способом отжигают зубчатые колеса после механической обработки.
Отжиг второго рода
Все они характеризуются нагревом выше критической точки, а различаются временем выдержки и охлаждения, а также применимостью к конкретным маркам стали.
Полный и неполный отжиг
Температура нагрева при этом методе не должна превышать критическую точку Ас3 более чем на 50 ºC, а охлаждение проводится постепенно, вместе с остыванием печи. Этот метод применим только к сталям с содержанием углерода до 0.8 %, т. к. при большем значении этого параметра резко возрастает зернистость.
Для получения таких же результатов при термообработке высокоуглеродистых сталей (с содержанием углерода более 0.8 %) используют неполный отжиг, при котором изделие нагревают на 30÷50 ºС выше температуры Ас1, а затем также медленно охлаждают.
Оба метода основаны на фазовом переходе от аустенита к перлиту, а их результатом является уменьшение размера зерна и улучшение соответствующих физических характеристик металла.
Изотермический отжиг
Изотермический отжиг проводят путем нагрева изделия выше точки Ас3 с последующим его переносом в печь или ванну с расплавом солей, разогретую до температуры 620÷700 ºC.
В этом месте оно выдерживается определенное время до полного распада аустенита, а затем остужается на воздухе. Длительность выдержки определяется габаритами детали и маркой стали: для низкоуглеродистой стали это могут быть минуты, а для легированной — часы.
Данный вид термообработки предназначен для сталей с содержанием углерода менее 0.8 % и чаще всего используется для улучшения структурных свойств легированных сталей.
Нормализационный отжиг
Нормализацию сталей с содержанием углерода менее 0.3 % можно проводить вместо отжига второго рода. При большем содержании углерода у нее возрастает твердость и прочность, что не всегда приемлемо для механообработки.
В результате нормализации низкоуглеродистых сталей у них формируется более тонкая структура, поэтому этот вид термообработки иногда носит название стабилизирующий отжиг.
Маятниковый отжиг
Эта процедура называется маятниковым (или циклическим) отжигом и при повторении нагрева/охлаждения не менее трех раз позволяет получить перлит со стопроцентной зернистостью.
Патентирование
Патентирование является одним из узкоспециализированных видов изотермической термообработки, предназначенным для подготовки стальной проволоки к многократному обжатию в процессе холодного волочения.
Для этого ее вначале нагревают до 900 ºC, а затем некоторое время выдерживают в расплаве солей или свинца при температуре 500÷600 ºC. После этого она охлаждается на воздухе и приобретает сорбитовую структуру с включениями троостита, обладающую высокой прочностью на разрыв и необходимой для обжатия пластичностью.
Особенности отжига различных металлов и сплавов
У остальных изменение внутренней структуры при термообработке происходит за счет рекристаллизации и диффузионных процессов. Температура, при которой происходит внутренняя рекристаллизация алюминия, находится в интервале от 120 до 300 ºC, поэтому его отжигают с нагревом не выше 320 ºC.
Его сплавы (группы АД, АК, Д, АВ) отжигаются при более высоких температурах (370÷430 ºC) с последующим остужением на воздухе от получаса до нескольких часов.
Отжиг меди производят с нагревом до красного свечения (600÷700 ºC). Скорость охлаждения не влияет на качество отожженного металла, поэтому изделия из меди можно охлаждать в воде. При отжиге латунь и большинство бронз также нагревают до 700 ºC, а медно-никелевые сплавы — до 850 ºC, но охлаждать их можно только на воздухе.
Изделия из чистого титана отжигают с нагревом до температуры 600÷700 ºC, а из его сплавов — до 650÷750 ºC. Выдержка при нагреве составляет несколько десятков минут с последующим остужением на воздухе. Отжиг чугуна, также являющимся сплавом железа и углерода, происходит на основании тех же физических законов и технологий, что и у стали.
Используемое оборудование сегодня
Отдельные виды этого оборудования могут работать с защитными средами из вакуума или химически нейтральных газов. Для выполнения изотермических операций применяют печи или ванны с расплавленными металлами и солями.
Транспортировка изделий производится специальными тележками с рельсовыми направляющими, при этом остужение изделий на воздухе обычно осуществляется прямо на этих транспортных средствах. Для погрузки и разгрузки деталей используются мостовые и консольные краны и кран-балки.
Возможные дефекты при отжиге стали
Все основные дефекты при отжиге стали связаны с нарушением температурных режимов и воздействием на металл активных газовых сред.
При слишком высокой температуре нагрева сначала происходит чрезмерное укрупнение зерен, а при значениях, близких к температуре плавления, начинается проникновение кислорода внутрь металла и окисление границ его структурных элементов.
Первый дефект, называемый перегревом, можно исправить повторной термообработкой, а второй (он называется пережогом) приводит к необратимым изменениям. Самым активным газом, вызывающим изменение химического состава поверхности стали, является кислород.
При воздействии открытого пламени на поверхности стали появляется упрочненный слой из смеси оксидов железа, именуемый окалиной. С нею связано не только уменьшение объема стали в заготовке, но и возможное возникновение проблем с механической обработкой после отжига.
Удаление окалины вызывает повышение трудозатрат и дополнительный расход материалов на травление или дробеструйную обработку. Еще одним результатом воздействия кислорода является обезуглероживание, которое приводит к деградации поверхностного слоя стали и может образовать микротрещины и поверхностную деформацию.
В Интернете встречаются утверждения, что отдельные виды латуни можно отжигать с охлаждением в воде, но при этом марки такой латуни не указываются. Если вы что-нибудь знаете об этом, поделитесь, пожалуйста, информацией в комментариях.
Отжиг стали
Ассортимент изделий из металла огромен и в каждом случае требуются определенные, часто специфические качества материала. Обеспечить полный перечень марок производитель не в состоянии. Металлургические предприятия предлагают сырье, отвечающее ГОСТ, которое впоследствии дорабатывается на обрабатывающих производствах. Одна из ключевых операций — отжиг стали. На этой стадии металл приобретает необходимые технические свойства для последующей обработки. Чтобы понять, что такое отжиг стали, необходимо понимать для чего он делается, и какие процессы при этом происходят.
Почему необходима термическая обработка металла
Операцию проводят с целью улучшения технологических качеств сырья. Ключевым фактором становится температура отжига стали, которую необходимо выдерживать определенное время. При этом достигаются следующие цели:
Иногда достаточен неполный отжиг стали для получения нужных технологических кондиций. В зависимости от желаемых качественных показателей металла могут использоваться сложные и длительные по времени режимы. Полный отжиг стали может длиться более суток для габаритных изделий. Большую часть этого времени занимают нагрев до нужной температуры и медленное остывание, регламентированное типом термической обработки при заданном стандарте.
Подробно режим отжига стали описан в специальной литературе. Некоторые операции предполагают соблюдение временного режима и точной температуры, вплоть да нескольких градусов. Если есть муфельная печь, то процедуру можно выполнить качественно. Когда такого оборудования нет, то точно провести отдельные виды термообработки будет затруднительно. Ориентироваться придется исключительно по цвету раскаленного металла.
Цвета каления стали
Сделать отжиг стали в домашних условиях можно по упрощенной схеме. Проконтролировать температуру предмета, нагретого газовой горелкой точно не получится. Регулировать режимы нагрева и остывания металла можно только примерно. При обработке стали в домашних условиях сделать структурный анализ невозможно. Определяется температура неполного отжига только визуально. Целями в бытовых условиях становятся снижение прочности и повышение обрабатываемости изделия. Микроструктура стали после отжига меняется и можно проводить дальнейшие операции.
Виды отжига
Принято делить эту операцию на два основных вида. Отжиг стали может быть 1-го и 2-го рода. В первом случае не происходит фазовой рекристаллизации, но металл приобретает нужные качества. Устраняются последствия механической обработки металла на прокатных станах, штампах.
Упрочнение поверхности стали после физического воздействия на металлургическом комбинате называют наклепом.
Главное назначение отжига стали 1-го рода — снижение прочности и повышение пластичности, необходимой для дальнейшей обработки. Частичная рекристаллизация снижает внутренние напряжения, что делает изделия более надежными и долговечными.
Отжиг стали 2-го рода характеризуется кардинальными изменениями структуры. Фазовая рекристаллизация достигается нагреванием металла выше критических точек и точным выполнением режима охлаждения по температуре и времени. Такие виды отжига и их назначение определяются производственными задачами для получения необходимых качеств металла. Критические температуры являются серьезным фактором риска. В ряде случаев, например, при пережоге, возникают необратимые изменения в структуре. Такой металл отправляется на переплавку. Термообработка, отжиг и нормализация сталей сложный процесс дающий возможность получить из исходного сырья продукцию, отвечающую по заданным характеристикам запросы производителей конечных изделий.
Полный, неполный отжиг
Применяют термическую обработку для достижения необходимых качеств металла. Цель отжига стали определена как получение заданных технологических свойств. Они могут быть как общими, так и достаточно специфичными. Так неполный отжиг заэвтектоидной стали допустим при изготовлении конструкционных элементов, но при производстве деталей с заданными характеристиками будет недостаточен. Изменения структуры металла в обоих типах обработки различны. Играет роль не только время отжига стали, но и температура. Важным фактором успешного решения задачи является и режим охлаждения.
Полный отжиг стали
При неполном отжиге стали температура не достигает верхней критической точки. Менее жестки и требования по выдержке времени охлаждения. Выполняя полный отжиг сталей, металл разогревают выше критической точки. Затем выдерживают указанное время и точно выполняют график охлаждения. При термообработке, отжиге важно учитывать марку сырья, твердость, химический состав, поскольку технология и режимы определяются нормами ГОСТ.
Изотермический отжиг
Этот вид обработки применяется главным образом для легированных сплавов. Изометрический отжиг стали заключается в нагревании металла до аустенитного состояния с последующим ускоренным охлаждением до 660-680° C. Затем заготовку выдерживают при этой температуре, пока аустенит не превратится в перлит. После этого металл охлаждают на воздухе естественным способом.
Это самый быстрый и эффективный способ повысить пластичность металлов с высоким содержанием хрома.
Высокотемпературный отжиг нержавеющей стали и некоторых других конструкционных, инструментальных сплавов делается таким способом. Подобная технология позволяет снизить твердость легированных материалов до уровня, позволяющего эффективно обрабатывать впоследствии заготовку на металлорежущем оборудовании.
Изотермический отжиг характеризуется особым методом охлаждения. Заданное время материал выдерживается при температуре, указанной в нормах на одном уровне, а не падает постепенно, как в других вариантах обработки. Формирование однородной структуры происходит за счет полного распада аустенита и преобразований ферритов и перлитов. Таким способом обрабатывают жаростойкие сплавы.
Эффективна эта методика для обработки небольших изделий, штамповок, инструментальных заготовок.
Изотермический отжиг имеет небольшой по времени технологический цикл, однако достаточно эффективный для решения многих производственных задач.
Диффузионный отжиг
Согласно отраслевым нормам, этот вид термообработки можно отнести к экстремальным. Металл нагревается до максимально возможной температуры, превышающей критические точки. Технология часто применяется для сплавов со сложными и легкоплавкими соединениями. При этом структура заэвтектоидной стали после отжига становится менее твердой и значительно пластичнее, что позволяет использовать широкий набор приемов для дальнейшей обработки. Метод требует полного контроля и соблюдения технологии, поскольку высоки риски перегрева и пережога, что может привести частично или полностью к утрате необходимых качеств и такой металл к дальнейшим операциям будет непригоден. Точная температура полного отжига доэвтектоидной стали и других марок металла есть в специальных справочниках.
Диффузионный отжиг стали
Правильно выполненная термообработка позволяет получить:
Последний пункт является побочным эффектом, относится к дефектам и при производстве стараются избегать возникновения этого явления. Технология отжига стали этим методом требует навыков и знаний, понимания разницы между отдельными видами и марками металла.
Рекристаллизационный отжиг
Методика, позволяющая избавиться от многих нежелательных качеств металла. Рекристаллизационный отжиг стали проводят с целью снять наклеп и другие последствия после некоторых механических операций. Технология применяют для обработки:
После рекристаллизационного отжига стали металл приобретает необходимые характеристики для получения изделий с заданными качествами.
Выбор технологии определяется химическим составом. При процедуре материал нагревают до значений, превышающих температуру кристаллизации не менее чем на 100-200° C. Необходимые свойства появляются в разной степени в зависимости от вида обработки. Чаще используют полный отжиг. При этом структурные изменения более существенные. В ряде случаев достаточен неполный отжиг.
Температурные зоны для рекристаллизационного отжига
Особенности отжига различных видов стали
Все термические операции с металлом проводят в строгом соответствии с предписанными требованиями к каждой марке. Определяющим значением становится содержание углерода, других металлов в составе сплава. Фактором, влияющим на твердость после отжига стали, является время выдержки в печи и режим охлаждения.
Для того чтобы точно выполнить условия охлаждения часто используются 2 печи. В одной поддерживается максимальная температура, а во второй изделие выдерживают необходимое количество времени до завершения внутренних структурных процессов. Так температура отжига нержавеющей стали в первой камере может превышать 1000° С, а потом изделия выдерживают несколько часов при 900° С и охлаждают до 300° С со скоростью 50-100° С в час. Дальнейшее охлаждение проводится на воздухе.
Значительную долю в общем объеме термообработки занимают доэвтектоидные стали. Содержание углерода в них менее 0, 8%. Структуру составляют феррит и перлит, поэтому в большинстве случаев достаточно провести неполный отжиг доэвтектоидных сталей, что снизит твердость и повысит пластичность. Низкоуглеродистые сплавы используются в больших объемах в строительстве, в конструкциях, возводимых в народном хозяйстве. Однако в отдельных случаях требования к структуре металла более жесткие. Тогда необходимо проводить полный отжиг доэвтектоидных сталей для снятия напряжений и получения равновесной структуры с заданными качествами. Применяемый способ выбирается, опираясь на требования производителей, возможности имеющегося обрабатывающего оборудования. В технической документации обозначены температуры и время, необходимое при отжиге, для достижения качеств получаемых закалкой и отпуском.
В процессе термической обработки происходят сложные изменения структурного характера, которые можно анализировать только на специальном оборудовании. Разрабатывались нормы и рекомендации, опираясь на научные данные, выполнение которых в производственных условиях обязательно. Получаемая структура при отжиге и другие показатели строго регламентированы и в домашних условиях практически невыполнимы. Однако добиться изменения структурного строения, сделать металл мягким и податливым своими руками можно. Качество отожженной стали для бытового применения будет достаточным. Для домашнего мастера не важно, эвтектоидного или аустенитного класса сплав у обрабатываемой детали.