Отжиг стали виды отжига и их назначение

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:

1. Снижение твердости. Качественные показатели после обработки позволяют существенно уменьшить трудозатраты, сократить время операций, используя более широкий перечень режущих инструментов.
2. Улучшение микроструктуры. Под действием высокой температуры в определенный временной промежуток происходят существенные изменения на молекулярном уровне. Полученная однородная структура стали после отжига оптимальна для последующих механических и физических операций.
3. Для снятия внутренних напряжений. В процессе первичной обработки на металлургических предприятиях в металле возникает дисбаланс кристаллической структуры. Правильно подобрав виды отжига стали, достигают необходимых характеристик металла для конкретного случая.

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:

• равновесный химический состав;
• рост зерна;
• растворение избыточных фаз;
• образование, рост пор.

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.

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:

• для уменьшения внутренней напряженности металла, который может возникнуть в результате ковки, иного воздействия на него, или обработки;
• для повышения механических свойств и прочности металла;
• для придания однородности его структуре;
• чтобы улучшить пластичность, что очень важно во время обработки;
• для повышения уровня сопротивляемости и ударной вязкости и др.

Виды особенности

В зависимости от цели и предназначения отжиг может иметь следующие разновидности:

• полный и неполный;
• рекристаллизационный;
• диффузионный;
• изотермический;
• сфероидизация;
• нормализация и др.

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

• Рекристаллизационный отжиг проводится с целью восстановления кристаллической решетки, нарушенной в результате деформации стали. Деформация приводит к наклепу, который сопровождается снижением пластичности, сталь становится очень жесткой, что делает ее обработку невозможной. Деформированная сталь нагревается до 650−680 градусов, вследствие чего ферритовые и перлитовые зерна, находящиеся в вытянутом в сторону деформации состоянии, распределяются равномерно, восстанавливая кристаллическую решетку и возвращая стали пластичность и мягкость.
• Диффузионный отжиг проводится в целях выравнивания структурной однородности на химическом уровне, то есть на атомном. Такая необходимость может возникнуть во время затвердевания литых слитков, иначе этот эффект называется дендритной ликвацией. Гомогенизация, или диффузионный отжиг, позволяет ликвидировать дендритную ликвацию посредством перемещения атомов примесей из части с высоким скоплением в часть, где наблюдается их нехватка, таким образом выравнивая химическую структуру.

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.

• Нормализация. Процесс нормализации осуществляется в качестве промежуточного перед обработкой и закалкой в целях устранения наклепа и внутреннего напряжения. Доэвтектоидная сталь подвергается нагреву до критической точки Ас3 на 30−50 градусов выше, постепенно охлаждается на открытом воздухе. Причем в отличие от отжига при нормализации происходит переохлаждение, за счет чего и достигается более однородная тонкая и мелкозернистая структура.
• Последствия нормализации. Значительно повышается прочность и ударная вязкость стали. Нормализация протекает гораздо быстрее, чем отжиг, а ее производительность намного выше. Поэтому рекомендуется нормализовать стали, содержащие в своем составе углерод, а не подвергать отжигу.

Отжиг сталей. Влияние на свойства и применение.

Термическая обработка металлов.

Термической обработкой называют технологический процесс, состоящий из совокупности операций нагрева, выдержки и охлаждения изделий из металлов и сплавов, целью которого является изменение их структуры и свойств в заданном направлении.

Теория термической обработки рассматривает и объясняет изменение строения и свойств металлов и сплавов при тепловом воздействии в сочетании с химическим, деформационным, магнитным и другими воздействиями.

Термическая обработка является одним из наиболее распространенных в современной технике способов получения заданных свойств металлов и сплавов. Термическая обработка применяется либо в качестве промежуточной операции для улучшения обрабатываемости давлением, резанием и др., либо как окончательная операция для придания металлу или сплаву такого комплекса механических , физических и химических свойств , который смог бы обеспечить заданные эксплуатационные характеристики изделия.

Так как основными факторами любого вида термической обработки являются температура и время, то любой процесс термической обработки можно описать графиком, показывающим изменение температуры во времени (рис.1). Постоянная скорость нагрева или охлаждения изображается на графике прямой линией с определенным углом наклона, при этом угол наклона характеризует скорость нагрева или охлаждения ( α, β). Общая длительность термической обработки металла складывается из времени τ₁ собственно нагрева до заданной температуры, времени выдержки при этой температуре τ₁ – τ₂ и времени охлаждения до комнатной температуры τ₂ — τ_3.

_{Рис.1. График термической обработки сплавов.}

В результате термической обработки в сплавах происходят структурные изменения. После термообработки металлы и сплавы могут находиться в равновесном (стабильном) и неравновесном (метастабильном) состоянии. При охлаждении деталей вместе с печью в них практически полностью проходят процессы вторичной кристаллизации и, связанные с ними, диффузионные превращения в металле или сплаве. В результате металл оказывается в состоянии, близком к равновесному. При охлаждении на воздухе в металле происходят превращения, близкие к равновесным. При быстром охлаждении (масло, вода и др.) в металле не успевают проходить диффузионные процессы и связанные сними превращения, поэтому он оказывается в неравновесном состоянии.

Все виды термической обработки подразделяются на три группы: собственно термическую, термомеханическую и химико-термическую. Собственно термическая обработка (ТО) предусматривает только термическое воздействие на металл или сплав; термомеханическая (ТМО) –сочетание термического воздействия и пластической деформации; химико-термическая (ХТО) – сочетание термического и химического воздействия.

Собственно термическая обработка включает отжиг I рода, отжиг II рода, закалку, отпуск и старение.

Отжигом называется термическая обработка, в процессе которой производится нагрев деталей из стали до требуемой температуры с последующей выдержкой и медленным охлаждением в печи для получения однородной, равновесной, менее твердой структуры, свободной от остаточных напряжений.

На практике используют два принципиально различных вида отжига: отжиг I рода и отжиг II рода.

Отжиг I рода в зависимости от исходного состояния стали и температуры нагрева может быть: гомогенизационным, рекристаллизационным и отжигом для снятия внутренних напряжений.

Особенностью всех разновидностей отжига I рода является то, что все они не связаны с фазовыми превращениями в твердом состоянии стали и протекают независимо от того, идут при этом фазовые превращения или нет.

Гомогенизационный (диффузионный) отжиг применяется для устранения химической неоднородности, возникающей при кристаллизации металла. Этому отжигу подвергают слитки и отливки из легированной стали для устранения дендритной или внутрикристаллитной ликвации, которая повышает склонность стали при обработке давлением к трещинообразованию, анизотропии свойств и возникновению таких дефектов, как шиферность (слоистый излом) и флокены (тонкие внутренние трещины, наблюдаемые в изломе в виде белых пятен).

Нагрев при диффузионном отжиге проводят до максимально высоких температур, так как при этом наиболее интенсивно проходят диффузионные процессы, необходимые для выравнивания состава стали по всему объему кристаллита. Обычно для легированных сталей температуру гомогенизационного отжига выбирают в интервале 1050-1250 ºC .

Диффузионные процессы наиболее интенсивно протекают в начале выдержки и их интенсивность снижается с течением времени выдержки, поэтому применение длительных выдержек нецелесообразно (обычно 15-20 часов). После выдержки детали охлаждают

вместе с печью до 800-820 ºC, а затем проводится охлаждение на воздухе. В результате диффузионного отжига получается крупное зерно, которое устраняется при последующей термической обработке.

Рекристаллизационный отжиг заключается в нагреве холоднодеформируемой стали

выше температуры начала кристаллизации, выдержке при этой температуре и последующем медленном охлаждении.

Рекристаллизационный отжиг применяют для устранения наклепа после холодной пластической деформации. Главным процессом при проведении этого отжига является рекристаллизация металла. Рекристаллизационный отжиг используют как промежуточный процесс между операциями холодного деформирования (для снятия наклепа) и как окончательную термическую обработку для придания изделию требуемых свойств.

Для углеродистых сталей (0,08-0,2 %С), подвергнутых прокатке, штамповке, волочению, применяют температуру отжига в интервале 680-700 ºC. Для высокоуглеродистой легированной хромистой и хромоникелевой стали применяют отжиг при температуре

680-740 ºC в течение 0,5-1,5 часов.

Отжиг для снятия внутренних напряжений проводят с целью уменьшения остаточных напряжений, образовавшихся в металле при ковке, литье, сварке, и способных вызвать коробление и разрушение детали. Главным процессом, проходящим при отжиге для снятия внутренних напряжений, является релаксация остаточных напряжений. Этот процесс

является следствием того, что при определенных температурах предел текучести стали становится ниже остаточных напряжений и происходит пластическая деформация, в результате которой остаточные напряжения уменьшаются до значений предела текучести.

На практике отжиг стальных изделий для снятия напряжений проводят в температурном интервале 160-700 ºC с последующим медленным охлаждением.

Отжиг II рода – термическая обработка, заключающая в нагреве стали до температур выше критических точек А_с1 или А_с3 , выдержке с последующим медленным охлаждением. Отжиг II рода основан на прохождении фазовых превращений в твердом состоянии. При фазовой перекристаллизации измельчается зерно и устраняется строчечность и другие неблагоприятные структуры стали. В большинстве случаев отжиг II рода является подготовительной термической обработкой – в процессе отжига снижается твердость и прочность, что облегчает обработку резанием сталей. Неполный отжиг инструменталь-

ных сталей предшествует окончательной термической обработке.

Существуют следующие разновидности отжига стали: полный, неполный и

изотермический. Полный отжиг применяется для доэвтектоидных сталей и состоит в нагреве стали на 30-50ºC выше точки А_с3, выдержки при этой температуре до полной перекристаллизации металла

и медленном охлаждении. При таком отжиге образуется мелкое аустенитное зерно, из которого при охлаждении формируется равномерная мелкозернистая ферритно-перлит-

ная структура. Поэтому полный отжиг обычно применяют с целью измельчения зерна, а следовательно повышения ударной вязкости и пластичности.

Неполный отжиг отличается от полного тем, что сталь нагревается до более низкой температуры (выше А_с1 но ниже А_с3). Этот вид отжига для доэвтектоидных сталей применяется ограниченно и в основном для улучшения их обрабатываемости резанием, так как в результате частичной перекристаллизации стали избыточный феррит лишь частично превращается в аустенит.

Неполный отжиг широко применяется для заэвтетоидных углеродистых и легированных сталей. При неполном отжиге проводится нагрев до температур немного выше ( на 10-30 ºC) точки точек А_с1 , что приводит к практически полной перекристаллизации стали и получению зернистой (сфероидальной) формы перлита вместо обычной пластинчатой. Поэтому такой отжиг называется сфероидизирующим. После отжига на зернистый перлит эвтектоидные и заэвтектоидные стали обладают наилучшей обрабатываемостью резанием.легированных сталей.

Изотермический отжиг применяют для улучшения обрабатываемости. Он состоит в нагреве на 30-50 ºC выше А_с3 (как и при полном отжиге) и сравнительно быстром охлаждении до температуры ниже А_с1 (обычно 660-680 ºC), изотермической выдержке при этой температуре для получения равновесной перлитной структуры и последующем охлаждении на воздухе (рис.3).

Рис. 10.3 Обозначение критических точек стали.

Изотермический отжиг обеспечивает получение более однородной ферритно-перлитной структуры стали. Изотермическому отжигу подвергают пружинную проволоку из стали, содержащей 0,65-0,9% С, перед холодным волочением, а также поковки (штамповки) и сортовой прокат небольших размеров из легированной стали.

Если при проведении отжига охлаждение после нагрева и выдержки проводится на воздухе, то такой процесс называется нормализационным отжигом или нормализацией.

При нормализации сталь нагревают до температур на 30-50 ºC выше точек точек А₃ и А _CM и охлаждают на воздухе. Ускоренное по сравнению с обычным отжигом охлаждение обусловливает несколько большее переохлаждение аустенита. Поэтому при нормализации получается более тонкое строение эвтектоида и более мелкое эвтектоидное зерно. В результате прочность стали после нормализации становится больше прочности после отжига.

Нормализацию широко применяют вместо смягчающего отжига для малоуглеродистых сталей (до 0,3 %С), но она не может применяться для смягчения высокоуглеродистых сталей, которые весьма ощутимо упрочняются при охлаждении на воздухе из-за значительного переохлаждения аустенита. В заэвтектоидных сталях нормализация позволяет устранить грубую сетку вторичного цементита за счет того, что растворившийся при нагреве выше А_Cm цементит при последующем ускоренном охлаждении стали не успевает вновь образовать грубую сетку. После нормализации проводят неполный отжиг с целью измельчения структуры.

Отжиг стали как вид термической обработки. Технология металлов

Создание новых материалов и управление их свойствами – это искусство технологии металлов. Одним из ее инструментов является термическая обработка. Эти процессы позволяют изменять характеристики и соответственно, сферы использования сплавов. Отжиг стали – широко распространённый вариант для устранения производственных дефектов изделий, повышения их прочности и надежности.

Задачи процесса и его разновидности

Операции отжига производятся с целью:

• оптимизации внутрикристаллической структуры, упорядочения легирующих элементов;
• минимизации внутренних искажений и напряжений вследствие стремительных технологических температурных перепадов;
• повышения податливости объектов к последующей обработке резанием.

Классическую операцию называют «полным отжигом», однако существует целый ряд его разновидностей, в зависимости от заданных свойств и особенностей выполнения задач: неполный, низкий, диффузионный (гомогенизация), изотермический, рекристаллизационный, нормализационный. Все они схожи по принципу, однако режимы термообработки сталей значительно отличаются.

Термическая обработка на основе диаграммы

Все преобразования в черной металлургии, которые основаны на игре температур, четко соответствуют диаграмме железоуглеродистых сплавов. Она является наглядным пособием для определения микроструктуры углеродистых сталей или чугунов, а также точек преобразования структур и их особенностей под влиянием нагрева или охлаждения.

Технология металлов регламентирует этим графиком все виды отжига углеродистых сталей. Для неполного, низкого, а также для рекристаллизации «отправными» температурными значениями служит линия PSK, а именно ее критическая точка Ас₁. Полный отжиг и нормализация стали термически ориентированы на линию диаграммы GSE, ее критические точки Ac₃ и Ас_m. Также диаграмма четко устанавливает связь определенного способа термической обработки с видом материала по содержанию углерода и соответствующую возможность ее проведения для конкретного сплава.

Полный отжиг

Объекты: отливки и поковки из доэвтектоидного сплава, при этом состав стали должен наполнять карбон в количестве до 0,8%.

• максимальное изменение микроструктуры, полученной литьем и горячим давлением, приведение неоднородного крупнозернистого ферритно-перлитного состава в однородный мелкозернистый;
• снижение твердости и повышение податливости для последующей обработки резанием.

Технология. Температура отжига стали на 30-50˚С выше критической точки Ас₃. По достижении металлом заданных термических характеристик их поддерживают на этом уровне на протяжении некоторого времени, позволяющем завершить всех необходимые превращения. Крупные перлитные и ферритные зерна полностью переходят в аустенит. Следующий этап – медленное охлаждение вместе с печью, в процессе которого из аустенита снова выделяются феррит и перлит, имеющий мелкое зерно и однородную структуру.

Полный отжиг стали позволяет устранить наиболее сложные внутренние дефекты, однако является очень длительным и энергоемким.

Неполный отжиг

Объекты: доэвтектоидные стали, не имеющие серьёзных внутренних неоднородностей.

Цель: измельчение и смягчение перлитного зерна, без изменения ферритной основы.

Технология. Нагрев металла до температур, попадающих в промежуток между критическими точками Ас₁ и Ас₃. Выдержка заготовок в печи при стабильных характеристиках способствует завершению необходимых процессов. Охлаждение производится медленно, вместе с печью. На выходе получают ту же перлитно-ферритную мелкозернистую структуру. При таком термическом влиянии перлит превращается в мелкозернистый, феррит же остается неизменным кристаллически, а может лишь меняться структурно, также измельчаясь.

Неполный отжиг стали позволяет уравновесить внутреннее состояние и свойства несложных объектов, он менее энергоемкий.

Низкий отжиг (рекристаллизация)

Объекты: все виды проката из углеродистой стали, легированная сталь с содержанием углерода в пределах 0,65% (например, шарикоподшипниковая), детали и заготовки из цветных металлов, которые не содержат серьёзных внутренних дефектов, однако нуждаются в неэнергоемкой коррекции.

• снятие внутренних напряжений и наклепа вследствие влияния как холодной, так и горячей деформации;
• ликвидация негативных последствий неравномерного охлаждения сварных конструкций, повышение пластичности и прочности швов;
• придание однородности микроструктуре продукции цветной металлургии;
• сфероидизация пластинчатого перлита – придание ему зернистой формы.

Нагрев деталей производится на 50-100˚С ниже критической точки Ас₁. Под действием таких влияний устраняются незначительные внутренние изменения. Весь технологический процесс занимает около 1-1,5 часа. Примерные значения температурных интервалов для некоторых материалов:

1. Углеродистая сталь и медные сплавы — 600-700˚С.
2. Никелевые сплавы — 800-1200˚С.
3. Алюминиевые сплавы — 300-450˚С.

Охлаждение производится на воздухе. Для мартенситных и бейнитных сталей технология металлов предусматривает иное название этого процесса – высокий отпуск. Является простым и доступным способом улучшения свойств деталей и конструкций.

Гомогенизация (диффузионный отжиг)

Объекты: крупные продукты литья, особенно отливки из легированной стали.

Цель: равномерное распределение атомов легирующих элементов по кристаллическим решеткам и всему объему слитка в результате высокотемпературной диффузии; смягчение структуры заготовки, снижение ее твердости перед выполнением последующих технологических операций.

Технология. Нагрев материала производят до высоких температур 1000-1200˚С. Стабильные термические характеристики необходимо удерживать на протяжении длительного времени – около 10-15 часов, в зависимости от размеров и сложности литой конструкции. По завершении всех этапов высокотемпературных превращений следует медленное охлаждение.

Трудоемкий, однако высокоэффективный процесс выравнивания микроструктуры крупных конструкций.

Изотермический отжиг

Объекты: листовой прокат углеродистой стали, изделия из легированных и высоколегированных сплавов.

Цель: улучшение микроструктуры, снятие внутренних дефектов с меньшими затратами времени.

Технология. Металл изначально нагревают до температур полного отжига и выдерживают время, необходимое для превращений всех имеющихся структур в аустенит. Далее медленно охлаждают погружением в раскаленную соль. По достижению теплоты на 50-100˚С ниже точки Ас₁ помещают в печь с целью поддержания ее на данном уровне на протяжении времени, необходимого для полного превращения аустенита в перлит и цементит. Завершающее охлаждение происходит на воздухе.

Метод позволяет достичь необходимых свойств заготовок из легированной стали, при этом экономит время, в сравнении с полным отжигом.

Нормализация

Объекты: отливки, поковки и детали из низкоуглеродистой, среднеуглеродистой и низколегированной стали.

Цель: упорядочение внутреннего состояния, придание нужной твердости и прочности, улучшение внутреннего состояния перед последующими этапами термообработки и обработки резанием.

Технология. Сталь нагревают до температур, которые лежат немного выше линии GSE и ее критических точек, выдерживают и охлаждают на воздухе. Таким образом, скорость завершения процессов увеличивается. Однако с помощью этой процедуры можно достичь рациональной спокойной структуры лишь в том случае, когда состав стали определен углеродом в количестве не более 0,4%. С повышением количества карбона имеет место повышение твердости. Та же сталь после нормализации имеет большую твердость вместе с равномерно расположенным мелким зерном. Методика позволяет значительно повысить сопротивление сплавов разрушению и податливость обработке резанием.

Возможные дефекты отжига

Во время выполнения операций термической обработки необходимо придерживаться заданных режимов температурных нагревов и охлаждений. В случае нарушения требований могут возникнуть различные дефекты.

1. Окисление поверхностного слоя и образование окалины. Во время проведения операции раскаленный металл вступает в реакцию с кислородом воздуха, что приводит к образованию окалины на поверхности заготовки. Подлежит очищению механическим способом или с помощью специальных химических реактивов.
2. Выгорание углерода. Также происходит в результате влияния кислорода на горячий металл. Снижение количества углерода в поверхностном слое приводит к снижению его механических и технологических свойств. С целью предотвращения этих процессов, отжиг стали необходимо производить параллельно со вводом внутрь печи защитных газов, основная задача которых – не допустить взаимодействий сплава с кислородом.
3. Перегрев. Является последствием длительной выдержки в печи при высокой температуре. Имеет следствием чрезмерный рост зерен, приобретение неоднородной крупнозернистой структуры, повышение хрупкости. Подвергается исправлению путем осуществления еще одного этапа полного отжига.
4. Пережег. Происходит в результате превышения допустимых значений нагрева и выдержки, приводит к разрушению связей между некоторыми зернами, полностью портит всю структуру металла и не подвергается исправлению.

Для предотвращения сбоев важно четко выполнять задачи термообработки, обладать профессиональными навыками и строго контролировать процесс.

Отжиг стали является высокорезультативной технологией приведения микроструктуры деталей любой сложности и состава к оптимальному внутреннему строению и состоянию, которое требуется для последующих этапов термических влияний, обработки резанием и введения конструкции в эксплуатацию.