О производстве литья

Нагрев и охлаждение металла

Общее время нагрева складывается из времени  нагрева до заданной температуры τ_н и времени выдержки  при этой температуре τ_в. Время нагрева τ_н зависит от   многих факторов.

1. От способа нагрева: пламенная или электрическая печь, соляная, металлическая или масляная ванна, электролит, токи высокой частоты и т.д.

Тип нагревательного устройства влияет на  коэффициент теплоотдачи,  который в основном и определяет  скорость нагрева.  Этот коэффициент зависит от  природы  нагревающей среды,  температуры и размеров  детали.

2. От массы одновременно нагреваемого металла (садки) и расположения деталей в печи.
3. От физических свойств нагреваемого металла: теплопроводности, теплоемкости и температуропроводности.

Скорость нагрева зависит от  химического состава стали ( влияющего  на теплофизические свойства стали),  структуры стали,  конфигурации деталей и от интервала температур, в котором  ведется нагрев.

Скорость нагрева тем больше, чем меньше легирована сталь, однороднее ее макро- и микроструктура,  проще конфигурация детали и равномернее подвод тепла к ней.  Скорость нагрева можно повысить  двумя путями: увеличением коэффициента теплоотдачи при неизменной температуре нагревающей среды;  значительным  повышением температуры нагревающей среды над  температурой нагрева детали. Для увеличения коэффициента  теплоотдачи, например,  заменяют газовую  нагревающую среду жидкой (электропечь – ванной).

На практике встречаются следующие режимы нагрева:  медленный нагрев деталей вместе с печью. Этот режим применяют  при нагреве литых  деталей или  больших  поковок сложной конфигурации  из легированной стали.  Продолжительность нагрева  в данном случае  велика; нагрев деталей в печи  с постоянной температурой,  поддерживаемой на заданном уровне. Время нагрева  меньше, чем в первом  случае, но увеличивается  разность  температур по сечению;

Нагрев детали в печи, имеющей температуру, значительно превышающую ту,  которая необходима для нагрева деталей.  Нагрев  происходит быстро, но имеется  большой перепад температур по сечению;

Нагрев деталей с подогревом в другой печи. В этом случае обе печи предварительно нагревают на  заданную температуру и детали  загружают в печь. Время нагрева меньше, чем  в первом случае,  и период,  температур по сечению небольшой.

Время выдержки τ_в  при температуре нагрева  необходимо  для завершения  процессов структурных  превращений по всему  объему детали (иногда  для  выравнивания температуры по объему садки).

В основном этот процесс заканчивается  при достижении сердцевиной заданной температуры нагрева.  Обычно время выдержки принимают равным 1/5 от времени  нагрева, исключая особые режимы термообработки,  например отжиг гомогенизации.

Возможные варианты охлаждения после нагрева до  аустенитного состояния представлены на

рис 1.

Первый вариант соответствует  медленному охлаждению, наблюдаемому обычно при отжиге, с получением перлитной структуры.

Скорость охлаждения составляет 20-30град/ч и обычно достигается при охлаждении металла вместе с  печью. Второй вариант – нормализация стали.  Охлаждение на воздухе. Девятый вариант соответствует  закалке сталей. Скорость охлаждения 250-300 град/с.

Отжиг его виды

Отжигом  называется нагрев стали  выше  температуры фазовых  превращений  с последующим медленным  охлаждением (обычно вместе с печью).

При медленном охлаждении стали приближаются  к фазовому и структурному равновесию.  Структуры,  полученные после отжига, указаны на диаграмме  железо-цементит. После отжига сталь имеет низкую твердость и прочность.

Основные цели отжига: перекристаллизация стали (измельчение зерна), снятие внутренних  напряжений, снижение твердости и улучшение обрабатываемости.

В большинстве случаев отжиг является  подготовительной  термической обработкой. Отжигу подвергают  отливки, поковки, прокат. В некоторых случаях  отжиг является  конечной термической обработкой, например отжиг крупных отливок.

Существует отжиг 1-го и 2-го рода. Отжиг 1-го рода частично или полностью  устраняет отклонения от равновесного состояния,  возникшие при  предыдущей обработке, причем его  проведение не обусловлено  фазовыми  превращениями.  Различают следующие разновидности  отжига 1-го рода: диффузионный (отжиг гомогенизации), низкий и рекристаллизации.

Диффузионный отжиг (рис.2).

Этому виду отжига подвергаются отливки из легированных  сталей для уменьшения дендридной ликвации. Металл нагревают до 1100-1200ᴼС, так как при  этом более полно протекают диффузионные процессы, необходимые  для выравнивания химического состава в  отдельных объемах стали.

Нагрев  осуществляется со скоростью 100-150 град/ч,  а продолжительность выдержки зависит от состава  стали и массы садки. Охлаждение после диффузионного отжига медленное.

Чрезмерно длительные выдержки при гомогенизации нецелесообразны, так как они снижают производительность процесса и приводят к излишнему расходу электроэнергии (топлива). Повышение температуры отжига дает больший эффект, чем увеличение  времени выдержки. Время выдержки при диффузионном отжиге  колеблется от нескольких до десяти часов (не считая времени прогрева). Повышением температуры можно сократить  длительность процесса.

После гомогенизации сталь имеет крупное зерно, которое измельчается при последующей  обработке  давлением или обычным 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  А_с1. Нагрев осуществляют  со скоростью 100-150 град/ч до температур 650-680ᴼ С, а после выдержки  — охлаждение на воздухе. Выдержка при температуре отжига составляет 0,5-1,0 ч на тонну садки. Углеродистые и легированные стали  подвергают низкому отжигу перед  обработкой резанием, волочением и т.д. Скорости  нагрева и особенно охлаждения при низком отжиге должны быть  небольшими, чтобы не возникли новые  внутренние термические напряжения.

Рекристаллизационный отжиг – это термическая обработка  деформированного металла или сплава, при которой  главным процессом является рекристаллизация. Данный вид термической обработки  чаще применяют после холодной деформации.

Наклеп – изменение структуры и свойств  металлического  материала, вызванное пластической  деформацией. На рис. 3  показано изменение механических свойств алюминия в зависимости от  пластической деформации.

   В результате пластической деформации происходит  искажение кристаллической решетки, зерна металла деформируются и  приобретают  определенную  ориентировку.

На рис. 4 видно,  что до деформации  зерно имеет  равноосную форму, а после  деформации в результате  смещений по плоскостям скольжения зерна  вытягиваются  в направлении действующих сил, образуя  волокнистую структуру.

   Чем больше деформация, тем больше вытягиваются зерна,  и при 80-90%  деформации  границы зерен плохо  видны. Это связано с тем, что в результате деформации  возникают  внутренние напряжения,  кристаллическая  решетка искажается,  травимость средней части зерна  приближается к травимости его  границ.

В реальном металле сдвиг при  пластической  деформации происходит в результате перемещения дислокаций по кристаллу. Однако  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 же металле она достигает 10¹⁰-10¹² на 1 см². Накопление дислокаций в деформированном металле затрудняет и тормозит  передвижение их по  кристаллу, что в свою очередь вызывает  сопротивление деформации со стороны металла, т.е. упрочнение.

Деформированный металл по сравнению с недоформированным имеет повышенный запас энергии и  находится в неравновесном, термодинамическом неустойчивом состоянии.  В таком металле даже при комнатной температуре могут  самопроизвольно протекать процессы, приводящие его в более устойчивое состояние. Однако если  деформированный металл нагреть, то  скорость этих  процессов возрастает. Наибольший нагрев (для железа 300-400ᴼ С) ведет к снятию  искажений кристаллической  решетки, но  микроструктура остается без  изменений,  зерна по-прежнему вытянуты.  Прочность при этом  несколько снижается, а 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 их  столкновения друг с другом и до  полного исчезновения  вытянутых зерен. Это явление называется рекристаллизацией (первичной).

Рекристаллизация является диффузионным процессом и  протекает неравномерно, одни зерна зарождаются и растут раньше,  другие позднее.  После рекристаллизации металл состоит из новых  равноосных зерен. Более 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 также  протекает неравномерно и практически начинается значительно 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.5,в) и химический состав металла. Чем выше температура отжига и длительнее процесс, тем больше размер рекристаллизованного 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. В целом, 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.

Обычно 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 (при данной степени деформации).

Для каждого  металла характерна своя температура начала рекристаллизации. Температура начала рекристаллизации находится в определенной зависимости от температуры плавления

Т_р=αТ_пл

Где, Т_р – абсолютная температура рекристаллизации, К, Т_пл – абсолютная  температура плавления, К, α – коэффициент.

Коэффициент α зависит от  чистоты металла. Для  технически 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.

Практически 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 (t_нр)  предел прочности и особенно предел  текучести  резко снижается, а пластичность увеличивается.  В процессе собирательной рекристаллизации  механические свойства практически не изменяются. Более высокий нагрев  сопровождается  дальнейшим ростом зерна и уменьшением пластичности  вследствие перегрева. Часто после больших  степеней деформации ив 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 часто  применяют как межоперационную термическую обработку при холодной  прокатке, волочении,  штамповке и т.д.

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 следующие виды отжига 2-го  рода: полный отжиг, неполный отжиг,  изотермический отжиг.

Полный отжиг. При полном отжиге (см. рис. 2)  доэфтектоидная сталь нагревается выше  А_с3 на 30- 50 ᴼ С, выдерживается при этой температуре до полного  прогрева и медленно охлаждается. В этом   случае ферритно-перлитная структура переходит при нагреве  в аустенитную, а затем при медленном охлаждении  превращается обратно в феррит и перлит. Происходит полная перекристаллизация.

На практике скорость нагрева обычно близка к 100 град/ч, а продолжительность  выдержки колеблется  от 0,5 до 1 ч на 1 т нагреваемого металла. Чрезмерное  повышение температуры нагрева над точкой А_с3 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).

Основные цели полного отжига: устранение пороков  структуры,  возникших при  предыдущей обработке  металла (литье, горячей деформации, сварке и  термообработке), смягчение стали перед обработкой резанием и  снятие  внутренних напряжений.

Неполный отжиг. Неполный отжиг (см. рис 2) заключается в нагреве выше А_с1 и медленном охлаждении. При этом происходит частичная перекристаллизация перлитной составляющей.

Неполному отжигу подвергают доэфтектоидные стали с целью снятия  внутренних напряжений и улучшения обрабатываемости резанием в том случае, если  предварительная горячая  механическая обработка не привела к образованию крупного зерна.

Неполный отжиг заэфтектоидных сталей называется  также отжигом сфероидизации.  В результате  отжига сфероидизации  получают структуру – зернистый перлит. Охлаждение при сфероидизации  должно  быть  медленным, чтобы обеспечить распад аустенита на  ферритно-карбидную смесь и коагуляцию  образовавшихся  карбидов.

Отжиг сфероидизации может  осуществляться также путем  нагрева  с периодическим  изменением  температуры  около точки А_с1 (рис. 8).

   Стали со структурой зернистый перлит менее склонны к перегреву, образованию трещин и деформации при последующей закалке, а также хорошо обрабатываются резанием.

Изотермический отжиг. На практике с целью  экономии времени  частично проводят  изотермический отжиг (рис.9).

В  этом случае сталь  нагревают, а затем быстро охлаждают (чаще переносом в другую печь)  до температуры, лежащей  ниже А_с1 на 50 – 100 ᴼС. При этой  температуре сталь выдерживается до полного распада аустенита, после чего охлаждается на воздухе.

В настоящее время изотермический отжиг часто  применяют для легированных сталей, так как он сокращает  продолжительность процесса.

Для ускорения отжига температуру изотермической  выдержки желательно выбирать  близкой к  температуре минимальной устойчивости переохлажденного аустенита в перлитной области.

После изотермического отжига получается более 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. Возможно осуществление светлого отжига в ящиках с засыпкой отработанным карбюризатором,  чугунной стружкой и т.д.

Светлый отжиг применяется для  холоднокатаной ленты, прутков проволоки и т.д., а также для деталей,  подвергаемых  гальваническим покрытиям с целью  защиты  поверхности металла от окисления и  обезуглероживания.

Используемая литература:

«Термическая обработка металлов» В.М. Зуев.