Отжиг
Основные цели отжига
Отжигом называется нагрев выше температуры фазовых превращений с последующим медленным охлаждением ( вместе с печью). После этого сталь имеет низкую твердость и прочность.
Отжиг является подготовительной термической обработкой. Данной термообработке подвергают отливки, поковки, прокат. В некоторых случаях отжиг является конечной обработкой. Существует отжиг 1-го и 2-го рода.
Время выдержки τв при температуре нагрева необходимо для завершения процессов структурных превращений по всему объему детали или садки
Процесс заканчивается при достижении сердцевиной заданной температуры нагрева. Время выдержки принимают 1/5 от времени нагрева, исключая особые режимы термообработки, например отжиг гомогенизации.
Возможные варианты охлаждения после нагрева представлены на рис 1.
Первый вариант соответствует медленному охлаждению, наблюдаемому обычно при отжиге, с получением перлитной структуры.
Скорость охлаждения составляет 20-30 град/ч, достигается при охлаждении металла с печью. Второй вариант – нормализация стали. Охлаждение на воздухе. Девятый вариант соответствует закалке сталей. Скорость охлаждения 250-300 град/с.
Виды отжига
Диффузионный отжиг
Этому отжигу (рис.2). подвергаются отливки из легированных сталей для уменьшения дендридной ликвации. Металл нагревают до 1100-1200ᴼС, при этом более полно протекают диффузионные процессы, необходимые для выравнивания химического состава в отдельных объемах стали.
Нагреваются со скоростью 100-150 град/ч, продолжительность выдержки зависит от состава стали и массы садки. Охлаждение после диффузионного отжига медленное.
Длительные выдержки при гомогенизации нецелесообразны, снижают производительность процесса и приводят к излишнему расходу электроэнергии. Повышение температуры дает больший эффект, чем увеличение времени выдержки. Время выдержки при диффузионном отжиге колеблется от нескольких до десяти часов. Повышением температуры сокращается длительность процесса.
После гомогенизации сталь имеет крупное зерно, которое измельчается при последующей обработке давлением или полным отжигом.
Низкий отжиг
Если структура стали после горячей механической обработки хорошая и нет необходимости в перекристаллизации, а требует снять внутренние напряжения, то нагревают сталь несколько ниже Ас1. Нагрев осуществляют со скоростью 100-150 град/ч до температур 650-680ᴼ С, после выдержки — охлаждение на воздухе. Выдержка при температуре составляет 0,5-1,0 ч на тонну садки. Углеродистые и легированные стали подвергают низкому отжигу перед обработкой резанием, волочением и др. Скорости нагрева и охлаждения при низком отжиге должны быть небольшими, чтобы не возникли новые внутренние термические напряжения.
Рекристаллизационный отжиг
Термическая обработка деформированного металла или сплава, при которой главным процессом является рекристаллизация. Данный вид термической обработки применяют после холодной деформации.
Наклеп
Изменение структуры и свойств металла, вызванное пластической деформацией. На рис. 3 показано изменение механических свойств алюминия в зависимости от пластической деформации.
Пластическая деформация искажает кристаллическую решетку, зерна металла деформируются, приобретают определенную ориентировку.
На рис. 4 видно, что до деформации зерно имеет равноосную форму, а после деформации зерна вытягиваются в направлении действующих сил, образуя волокнистую структуру.
Чем больше деформация, тем больше вытягиваются зерна, при 80-90% деформации границы зерен плохо видны. Это связано с тем, что в результате деформации возникают внутренние напряжения, кристаллическая решетка искажается.
В реальном металле сдвиг при пластической деформации происходит в результате перемещения дислокаций по кристаллу. Пластическая деформация вызывает появление и накопление в металле новых дислокаций. Плотность дислокаций в недеформированном металле составляет 106-108 на 1 см2, после деформации в этом металле она достигает 1010-1012 на 1 см2. Накопление дислокаций в деформированном металле затрудняет и тормозит передвижение их по кристаллу, что вызывает сопротивление деформации со стороны металла — упрочнение.
Деформированный металл по сравнению с недоформированным имеет повышенный запас энергии и находится в неравновесном, неустойчивом состоянии. В таком металле даже при комнатной температуре могут самопроизвольно протекать процессы, приводящие его в более устойчивое состояние. Если металл нагреть, то скорость этих процессов возрастает. Наибольший нагрев (для железа 300-400ᴼ С) ведет к снятию искажений кристаллической решетки, микроструктура не изменяется, зерна остаются вытянутыми. Прочность при этом снижается, пластичность повышается. Такая обработка называется возвратом или отдыхом.
При дальнейшем повышении температуры подвижность атомов возрастает и среди вытянутых зерен идет интенсивное зарождение и рост новых равноосных свободных от напряжений зерен. Зародыши новых зерен возникают в участках с наиболее искаженной кристаллической решеткой, с повышенным уровнем свободной энергии, термодинамически наименее устойчивых. Новые зерна растут за счет старых, вытянутых, до столкновения друг с другом и до полного исчезновения вытянутых зерен. Это явление называется рекристаллизацией.
Рекристаллизация
Является диффузионным процессом и протекает неравномерно, одни зерна зарождаются и растут раньше, другие позднее. После рекристаллизации металл состоит из новых равноосных зерен. Высокий нагрев приводит к развитию собирательной рекристаллизации, т.е. к росту одних рекристаллизованных зерен за счет других, более мелких. Чем выше температура нагрева, тем интенсивнее идет собирательная рекристаллизация, так как с повышением температуры диффузионные процессы протекают быстрее и создаются условия для образования крупнозернистого металла. Собирательная рекристаллизация протекает неравномерно и начинается раньше, чем закончится рекристаллизация обработки.
Размер рекристаллизованного зерна оказывает большое влияние на свойства металла. Наилучшее сочетание прочности и пластичности наблюдается в мелкозернистых сталях. На величину рекристаллизованного зерна оказывает влияние температура рекристаллизационного отжига (рис. 5, а), продолжительность процесса (рис.5,б), степень предварительной деформации (рис.50,в) и химический состав металла. Чем выше температура и длительнее процесс, тем больше размер зерна.
При критической степени деформации (3-15%) величина зерна после отжига резко возрастает (рис.5, в) и может в несколько раз превышать размер исходного зерна. Поэтому следует избегать малых степеней деформации. Величина критической деформации зависит от металла. Чем больше степень деформации, тем меньше величина, рекристаллизованного зерна. Это объясняется тем, что с увеличением степени деформации скорость образования зародышей при последующей рекристаллизации возрастает в большей мере, чем скорость их роста.
Для определения размера зерна после рекристаллизации пользуются объемными пространственными рекристаллизационными диаграммами (рис.6).
Диаграммы рекристаллизации не учитывают влияния скорости нагрева и величины зерна до деформации. Чем выше скорость нагрева, тем мельче зерно, чем меньше размер исходного зерна, тем выше критическая степень деформации и меньше размер рекристаллизованного зерна. Для каждого металла характерна своя температура начала рекристаллизации. Температура начала рекристаллизации находится в определенной зависимости от температуры плавления
Тр=αТпл
Где, Тр – абсолютная температура рекристаллизации, К, Тпл – абсолютная температура плавления, К, α – коэффициент.
Коэффициент α зависит от чистоты металла. Для чистых металлов и сплавов он составляет 0,3-0,4, для абсолютно чистых металлов 0,1 – 0,2, для сплавов твердых растворов. 0,5-0,6, а в некоторых случаях достигает 0,8.
Для снятия наклепа металл нагревают до более высоких температур, чтобы обеспечить высокую скорость рекристаллизации.
Характер изменения механических свойств наклепанного металла при нагреве показан на рис 7.
При нагреве по достижении температуры начала рекристаллизации (tнр) предел прочности и предел текучести снижается, а пластичность увеличивается. В процессе собирательной рекристаллизации механические свойства не изменяются. Более высокий нагрев сопровождается дальнейшим ростом зерна, уменьшением пластичности вследствие перегрева. После больших степеней деформации и в рекристаллизованном металле возникает текстура рекристаллизации, т.е. новые рекристаллизационные зерна имеют преимущественную кристаллографическую ориентировку. Образование текстуры рекристаллизации приводит к анизотропии механических свойств отожженного металла.
Рекристаллизационный отжиг
Применяют как межоперационную термическую обработку при холодной прокатке, волочении, штамповке и др.
Для металлов и сплавов, в которых отсутствуют фазовые превращения в твердом состоянии, рекристаллизационная обработка – единственный способ регулирования величины зерна.
В зависимости от отношения температуры деформации к температуре рекристаллизации различают холодную и горячую деформацию.
Обработка давлением ниже температуры рекристаллизации вызывает наклеп и называется холодной обработкой.
Горячую деформацию осуществляют при температуре выше температуры рекристаллизации.
Отжиг 2-го рода основан на использовании диффузионных фазовых превращений при охлаждении металлов и сплавов. Существуют виды отжига 2-го рода: полный отжиг, неполный отжиг, изотермический отжиг.
Полный отжиг
Доэфтектоидная сталь (см. рис. 2) нагревается выше Ас3 на 30- 50 ᴼ С, выдерживается при этой температуре до полного прогрева и медленно охлаждается. Ферритно-перлитная структура переходит при нагреве в аустенитную, затем при медленном охлаждении превращается обратно в феррит и перлит. Происходит полная перекристаллизация.
Скорость нагрева близка к 100 град/ч, продолжительность выдержки колеблется от 0,5 до 1 ч на 1 т нагреваемого металла. Повышение температуры нагрева над точкой Ас3 вызывает рост зерна аустенита, что ухудшает свойства стали. Медленное охлаждение должно обеспечить распад аустенита. Легированные стали охлаждают значительно медленнее (10 – 100 град/ч), чем углеродистые (150 – 200 град/ч).
Цели: устранение пороков структуры, возникших при предыдущей обработке металла, смягчение перед обработкой резанием и снятие внутренних напряжений.
Неполный отжиг
Заключается (см.рис 2) в нагреве выше Ас1 и медленном охлаждении. При этом происходит частичная перекристаллизация перлитной составляющей.
Подвергают доэфтектоидные стали для снятия внутренних напряжений и улучшения обрабатываемости резанием тогда, когда предварительная горячая механическая обработка не привела к образованию крупного зерна.
Неполный отжиг заэфтектоидных сталей называется отжигом сфероидизации. В результате получают структуру – зернистый перлит. Охлаждение при сфероидизации должно быть медленным, обеспечивающим распад аустенита на ферритно-карбидную смесь и коагуляцию образовавшихся карбидов.
Отжиг сфероидизации осуществляется путем нагрева с периодическим изменением температуры около точки Ас1 (рис. 8).
Стали со структурой зернистый перлит менее склонны к перегреву, образованию трещин, деформации при последующей закалке, хорошо обрабатываются резанием.
Изотермический отжиг
Для экономии времени частично проводят изотермический отжиг (рис.9).
Сталь нагревают и быстро охлаждают до температуры, лежащей ниже Ас1 на 50 – 100 ᴼС. При этой температуре сталь выдерживается до полного распада аустенита, после чего охлаждается на воздухе.
В настоящее время применяют для легированных сталей, так как он сокращает продолжительность процесса.
Для ускорения температуру изотермической выдержки вибирается близкой к температуре минимальной устойчивости переохлажденного аустенита в перлитной области.
После изотермического отжига получается однородная структура, что связано с выравниванием температуры по сечению детали и превращением по всему объему одновременно. Целесообразно подвергать изотермическому отжигу детали небольших размеров.
Светлый отжиг
Осуществляется по режимам полного или неполного отжига с применением защитных атмосфер или в печах с частичным вакуумом. Осуществляется в ящиках с засыпкой отработанным карбюризатором, чугунной стружкой и др.
Применяется для холоднокатаной ленты, прутков проволоки, для деталей, подвергаемых гальваническим покрытиям для защиты поверхности металла от окисления и обезуглероживания.
Вам понравилась статья? Пишите в комментариях, делитесь с друзьями.
Также ВАС могут заинтересовать статьи:
Используемая литература:
«Термическая обработка металлов» В.М. Зуев.
