148 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Отжиг стали виды отжига и их назначение

Виды отжига и их назначение

Основные виды термической обработки. Предварительная и окончательная термообработка

Термическая обработка (в дальнейшем ТО) является самым распространенным способом управления свойствами металлических материалов; в машиностроении ей подвергается до 40 % потребляемой стали. ТО состоит из трех этапов: нагрева до заданной температуры; выдержки для прогрева материала по всему объему и завершения фазовых превращений; охлаждения до комнатной температуры с определенной скоростью (решающими являются температура нагрева и скорость охлаждения). Желаемое изменение свойств материалов может быть в очень широких пределах; например, сталь становится пластичной и низкопрочной после отжига; эту же сталь можно сделать твердой, прочной и малопластичной с помощью закалки.

К основным видам ТО относятся: отжиг, закалка, отпуск и старение.

В зависимости от места в технологическом процессе ТО подразделяется на предварительную и окончательную.

Предварительная ТО, как правило, производится для улучшения технологических свойств заготовок (перед обработкой резанием, холодной штамповкой, прокаткой и т.п.). В качестве предварительной ТО для сталей, как правило, применяют различные виды отжига.

Окончательная ТО производится для придания деталям требуемых эксплуатационных свойств. В качестве окончательной ТО для сталей чаще всего применяют закалку с отпуском, а для многих высокопрочных цветных сплавов – закалку со старением.

Отжигом называется процесс ТО, состоящей в нагреве до заданной температуры, выдержки и сравнительно медленном охлаждении со скоростью 30…200 о С/ч, т.е. вместе с печью, а иногда – на воздухе.

В зависимости от степени происходящих при нагреве превращений различают полный отжиг, когда в сталях полностью протекают фазовые (α↔γ) превращения, и неполный отжиг, когда из-за недостаточной температуры указанные превращения проходят лишь частично или не проходят вовсе.

Полный отжиг позволяет создать в доэвтектоидных сталях равновесную мелкозернистую ферритно-перлитную структуру, соответствующую диаграмме состояния FeFe3C (рис. 28.1); для этого сталь нагревают на 30…50 о С выше линии GS, называемой А3 (рис. 35), выдерживают, а затем медленно охлаждают вместе с печью. Полному отжигу обычно подвергают сортовой прокат из стали с 0,3…0,4 % С, поковки и фасонные отливки. Полный отжиг заэвтектоидных сталей не производят из-за образования хрупкой цементитной сетки на границах зерен перлита (рис. 28.3в).

Изотермический отжиг является разновидностью полного отжига, его применяют для легированных сталей, обладающих большей устойчивостью аустенита. Сталь нагревают до требуемой температуры и сравнительно быстро охлаждают переносом в другую печь с температурой на 100…150 о С ниже линии PK, называемой А1. В этой печи сталь выдерживают 1…6 ч до полного распада аустенита, а затем производят охлаждение на воздухе. Изотермический отжиг более экономичен чем традиционный (т.к. происходит быстрее); его часто используют для обработки мелких поковок и сортового проката из легированных цементуемых сталей.

Нормализация является экономичный разновидностью полного отжига и заключается в том, что после нагрева на 40…50 о С выше А3 (или АcmSE), заготовку охлаждают на воздухе. Нормализация вызывает полную фазовую перекристаллизацию стали и устраняет крупнозернистую структуру, полученную при литье, прокатке, ковке или штамповке; ее, в частности, широко применяют для улучшения механических свойств стальных отливок вместо закалки и отпуска. Ускоренное охлаждение приводит к некоторому повышению твердости, но в ряде случаев, это даже улучшает обрабатываемость резанием.

Рис. 35. Температурные интервалы нагрева при ТО

Неполный отжиг обычно производят при нагреве на 10…30 о С выше линии А1 для улучшения обрабатываемости резанием доэвтектоидных легированных и заэвтектоидных углеродистых и легированных сталей. При этом в заэвтектоидных сталях происходит сфероидизация цементита, что позволяет существенно снизить их твердость и повысить пластичность.

Низкий отжиг обычно производят при 650…680 о С (т.е. ниже линии А1) для снижения твердости углеродистых и легированных сталей перед обработкой резанием, холодной высадкой или волочением.

В зависимости от конкретного назначения различают также:

Диффузионный (гомогенизационный) отжиг – применяется для слитков легированной стали с целью уменьшения неоднородности химического состава. Проводится в течение 15…150 ч при температуре 1100…1200 о С, охлаждение вместе с печью.

Рекристаллизационный отжиг – проводится перед или между операциями холодной обработки давлением (прокатке, штамповке, волочении и др.) для снятия наклепа между операциями деформирования и повышения пластичности материала. Для сталей температура нагрева обычно составляет 650…700 о С.

Отжиг для снятия остаточных напряжений – применяется для отливок, сварных изделий, деталей после обработки резанием и т.п., в которых в результате технологических операций из-за неравномерного охлаждения или пластической деформации возникают остаточные напряжения. Для сталей обычно проводится при температуре 350…600 о С в течение нескольких часов, охлаждение проводится вместе с печью.

Отжиг в большинстве случаев является предварительной или промежуточной ТО, т.к. он повышает вязкость и пластичность, но снижает прочность и твердость; однако, для крупных отливок и сварных конструкций отжиг зачастую становится окончательной ТО.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: На стипендию можно купить что-нибудь, но не больше. 9151 — | 7302 — или читать все.

Виды отжига

По классификации различают 2 вида отжига:

  • 1. Отжиг 1-го рода — без фазовой перекристаллизации — применяется для приведения металла в более равновесное структурное состояние: снимается наклёп, понижается твёрдость, возрастают пластичность и ударная вязкость, снимаются внутренние напряжения (в связи с процессами отдыха и рекристаллизации).
  • 2. Отжиг 2-го рода осуществляется с фазовой перекристаллизацией: сталь нагревается до температуры выше критических точек, затем следует выдержка различной продолжительности и последующее сравнительно медленное охлаждение.

Полный и неполный отжиг.

  • · Полный отжиг заключается в нагреве стали на 30—50 °C выше верхней критической точки для полного превращения структуры стали в аустенит и последующем медленном охлаждении до 500—600 °C для образования феррита и перлита. Скорость охлаждения для углеродистых сталей около 50—100 °C/ч. Если охлаждение ведётся на воздухе, происходит нормализация.
  • · Неполный отжиг заключается в нагреве до температур между нижней и верхней критическими точками и последующем медленном охлаждении.

Для легированных сталей применяют изотермический отжиг, состоящий в нагреве выше верхней критической точки А3 область избыточного аустенита, выдержке, охлаждении до температуры ниже нижней критической точки А1, выдержке, достаточной для полного превращения аустенита в перлит, и охлаждении до комнатной температуры.

Диффузионный отжиг состоит в нагреве до температур, значительно превосходящих критические точки, и продолжительной выдержке; используется для выравнивания неоднородностей распределения элементов по объёму изделия. Диффузионный отжиг приводит к достижению более однородных свойств по объёму изделия и особенно улучшению механических свойств в поперечном (по отношению к прокатке) направлении. В необходимых случаях для предотвращения обезуглероживания стали производят отжиг в защитных атмосферах.

Температура нагрева зависит от температуры плавления Т н = 0.9-0.95 Т пл.

Рекристаллизационный отжиг — нагрев до температуры выше рекристаллизации (70-80 % от температуры плавления в зависимости от сплава). Далее осуществляется выдержка и последующее охлаждение. Вследствие процесса рекристаллизации происходит снятие наклепа, и свойства металла соответствуют равновесному состоянию.

Гомогенизационный отжиг — термообработка литого материала, обеспечивающая получение равновесной структуры. При гомогенизационном отжиге идут следующие процессы:

  • 1. выравнивание химического состава до равновесного;
  • 2. растворение избыточных фаз;
  • 3. выделение фаз из пересыщенного твердого раствора — особый случай — гетерогенизация во время гомогенизации, наблюдается в алюминиевых сплавах, содержащих хром, цирконий и скандий;
  • 4. рост зерна;
  • 5. образование и рост пор.

Закалка стали производится следующим образом: готовое изделие разогревают до светложелтого каления и затем быстро опускают в воду или в масло. Такой быстро охлажденный кусок стали будет хрупок, но тверд, а это не всегда требуется. Поэтому способы закалки различны. Чтобы уменьшить хрупкость и придать стали необходимые свойства, после закалки ее отпускают. Отпуск состоит в том, что изделие вновь нагревают; чем выше будет нагрев, тем сильнее отпустится сталь. Степень нагрева узнают по так называемым цветам побежалости. Если очистить кусок закаленной стали от окалины и начать его осторожно нагревать, то будет видно, что белая поверхность меняет свой цвет. Она становится желтоватой, коричнево-желтой, бурой и, наконец, фиолетово-синей. Можно замочить сталь при любом цвете. В зависимости от цвета, при котором сделана замочка, получится разно закаленный металл. До желтого цвета отпускается различный инструмент. Сталь бурых и синих тонов обладает меньшей твердостью, но зато большей упругостью, что необходимо, например, для рессор, пружин. Иногда отпуск производят не вторичным нагревом, а за счет не остывшей массы металла.

Вот как, например, можно калить зубило. Нагрев его в достаточной степени, замачивают только его конец. Металл сразу потемнеет, но будет еще горячим. Напильником быстро отчищают кусочек на конце и следят за цветами побежалости на этом кусочке. При появлении светложелтого цвета вновь замачивают зубило, но на этот раз целиком, бросив его в воду. Получают твердый, до некоторой степени хрупкий конец и более мягкую, вязкую и не боящуюся ударов молотка остальную часть инструмента. После поковки изделие бывает покрыто темным слоем окалины, которая очень тверда. Это надо учитывать при дальнейшей обработке поковок. Поэтому не следует их опиливать новыми напильниками, которые быстро притупляются. Надо сначала почистить поковку стальными щётками и опиловку начинать старым напильником, чтобы ободрать окалину.

Отпуск — нагрев закаленной стали до температуры ниже Асу, выдержка при этой температуре и последующее охлаждение. Проводится с целью устранения внутренних напряжений и повышения пластичности.

Рассмотрим превращения, происходящие при нагреве в закаленной на мартенсит стали.

Мартенсит, имеющий после закалки тетрагональную кристаллическую решетку, при нагреве выше 80° С начинает превращаться в кубический. Как всякий пересыщенный раствор, мартенсит неустойчив. Он распадается при комнатной температуре, но скорость распада чрезвычайно мала из-за незначительной тепловой подвижности атомов. При температуре выше 80° С подвижность атомов уже достаточна для того, чтобы углерод частично перешел из пересыщенного раствора в пластинки карбида толщиной всего в несколько атомных слоев за относительно небольшой промежуток времени. Это превращение происходит в интервале 80—170° С. При нем происходит уменьшение искажения кристаллической ре-щетки мартенсита. Внутренние напряжения снижаются, уменьшается удельный объем мартенсита, размеры детали немного сокращаются. Твердость и прочность остаются почти неизменными, а пластические свойства несколько повышаются.

Отпуск в интервале 150—200° С называется низким отпуском. Низкому отпуску подвергают режущий инструмент и детали, работающие на износ, от которых требуется высокая твердость. В результате низкого отпуска получается отпущенный кубический мартенсит.

При нагреве закаленной стали от 200 до 300° С остаточный аустенит превращается в отпущенный мартенсит: это сопровождается некоторым увеличением размеров детали. К концу этого температурного интервала твердый раствор еще несколько пересыщен углеродом, внутренние напряжения практически устранены. Нагрев выше 300° С вызывает дальнейшее выделение углерода из мартенсита, происходит обособление карбидов с образованием очень мелких округлых включений цементита. При температурах выше 400° С карбиды укрупняются.

Отпуск стали — диффузионный процесс. Превращение однородного мартенсита в карбидо-ферритную смесь с резким различием химического состава происходит в течение определенного времени. Нагреть сталь до заданной температуры отпуска недостаточно. Необходимо еще выдержать ее при этой температуре для завершения диффузионных процессов. Время выдержки при отпуске обычно колеблется от 30 мин до нескольких часов в зависимости от состава стали и размеров детали.

При распаде мартенсита получаются структуры троостита, сорбита и перлита. Они отличаются от тех же структур, получающихся в процессе распада аустенита, размером частиц и механическими свойствами. Форма цементитных включений, образующихся при распаде мартенсита, округлая, тогда как при распаде аустенита получаются пластинки цементита. Различная форма включений цементита обусловливает разные свойства. При одной и той же прочности сталь после отпуска получается более пластичной.

Читать еще:  Лучший ромбический домкрат для легкового автомобиля

С повышением температуры отпуска твердость, предел прочности и предел текучести монотонно снижаются, а относительное удлинение и ударная вязкость повышаются. Изменяя температуру отпуска, можно получать различные сочетания механических свойств.

Отпуск в интервале 350—500° С называется средним отпуском. Он обеспечивает высокие предел упругости, предел прочности’ предел усталости и ударную вязкость. После среднего отпуска получается структура троостита отпуска.

Среднему отпуску подвергают, например, пружины подвесок трубопроводов, рессоры.

Высокому отпуску — многие детали машин и элементы теплосилового оборудования. В частности, закалке в масле с последующим высоким отпуском подвергают толстостенные паропроводные трубы из некоторых легированных сталей. Углеродистую закаленную сталь при высоком отпуске нагревают до 500—650 С. При этом получают структуру троостита или сорбита отпуска.

Основное назначение высокого отпуска — получение высоких пластических свойств и ударной вязкости при остаточной прочности и твердости стали. Комплекс механических свойств у стали после закалки с высоким отпуском получается выше, чем после | нормализации или отжига. Двойная термическая обработкам состоящая из закалки и среднего или высокого отпуска, называется улучшением. Такая термическая обработка иногда необходима для шпилек и шпинделей теплосиловой арматуры.

Свойства углеродистой стали после закалки и отпуска определяются температурой и продолжительностью нагрева при о«И пуске. Они не зависят от скорости охлаждения после отпускал

Старение металла — выделение мелкодисперсных частиц вторичных фаз в сплавах с ограниченной растворимостью. Избыточные компоненты выделяются в виде мельчайших субмикроскспических включений по телу или границам зерен. Эти процессы вызывают повышение твердости и прочности, так как выделения вторичных фаз затрудняют перемещение дислокаций. В большинстве случаев старение сопровождается резким снижением пластичности и ударной вязкости. Для котельных сталей это совершенно недопустимо.

Котельный стальной лист и труба из малоуглеродистой стали проявляют склонность к старению в наклепанном состоянии (после вальцовки, гибки или других операций холодной пластической деформации). При вылеживании при комнатной температуре повышается твердость и прочность, а пластичность и ударная вязкость снижаются. Этот процесс длится многие месяцы и называется естественным старением. Нагрев наклепанного металла до 250—300° С резко ускоряет процесс. Ударная вязкость при этом может снизиться до величины, составляющей 5—10% от исходной. Особенно подвержены старению стали, деформированные на 3—10%.

Окрупчивание металла может привести к авариям, особенно в тех случаях, когда деталь воспринимает ударные нагрузки. Старение — одна из причин образования кольцевых трещин в трубах из малоуглеродистой стали в местах развальцовки.

Причина старения — образование при быстром охлаждении пересыщенного раствора углерода и азота в феррите. При температуре 727° С в феррите растворяется 0,025% С, а при комнатной— всего 0,006%). Пластическая деформация делает пересыщенный раствор еще менее стабильным. В результате его распада образуются весьма мелкодисперсные карбиды и нитриды железа. Нагрев при 250—300° С ускоряет процесс старения, так .как диффузионная подвижность при этом повышается. При более высоких температурах одновременно с выпадением частиц происходит их укрупнение. Крупных частиц получается меньше, так как объем каждой из них существенно больше. Они относительно слабо влияют на свойства стали, и старение не наблюдается.

Наиболее склонны к старению малоуглеродистые стали, особенно кипящие (раскисленные только марганцем). Полуспокойная и спокойная стали менее чувствительны к старению. Особенно эффективно действует раскисление алюминием. Аналогично влияют молибден и ванадий. С повышением содержания углерода склонность стали к старению снижается.

Нормализацией называют термическую обработку, заключающуюся в нагреве стали на 30—50° выше темпера — тур Ас3, или Асm с последующим охлаждением на спокойном воздухе.

В низкоуглеродистых сталях после нормализации получается такая же структура, как и после отжига. В связи с этим для низкоуглеродистых сталей операция отжига заменяется нормализацией, что экономически более выгодно (большая экономия времени).

В среднеуглеродистых сталях (0,3—0,6% С) после нормализации структура состоит из сорбита или сорбитообразного перлита со структурно свободным ферритом, количество которого зависит от содержания углерода.

Процесс отжига стали

Отжигом называют термообработку, в результате которой в сплаве получают равновесную структуру. Существует несколько видов этой операции, но все они включают нагрев до температуры, зависящей от марки стали, выдержку и охлаждение с небольшой скоростью. Назначение отжига стали – снижение внутренних напряжений и повышение пластичности, сопровождаемые некоторым уменьшением прочности.

Виды отжига стали первого рода

Для такой термообработки не характерны фазовые превращения. Выделяют несколько типов технологий отжига первого рода.

Этот вид отжига направлен на снижение химической неоднородности, возникающей в результате рекристаллизации.

Определение! Рекристаллизацией называют процесс появления новых (чаще всего равноосных) зерен за счет других фаз. Этот процесс особенно интенсивно проходит в пластически деформированных материалах.

Гомогенизация производится при высоких температурах с длительными выдержками: от 2-х до 48 часов. После этого сталь приобретает повышенные пластические свойства.

Изготовление проката способом холодной прокатки является причиной вытягивания зерен в направлении главной деформации. В результате этого появляется наклеп (нагартовка).

Определение! Наклепом (нагартовкой) называют упрочнение стали из-за трансформации структуры в процессе пластического деформирования при температурах менее температуры рекристаллизации.

Если сталь, для которой уже характерен наклеп, подвергать дальнейшему деформированию, она разрушится. Поэтому для ликвидации этого эффекта применяют рекристаллизационный отжиг, режим которого определяется химическим составом сплава, нагрев в этом случае производится выше температур рекристаллизации. Начальные температуры рекристаллизации составляют:

  • для чистых металлов – 0,4Тпл,
  • для обычных сплавов – 0,6Тпл,
  • для сложных термопрочных сплавов – 0,8Тпл.

Время отжига определяется геометрией изделия и составляет обычно от получаса до двух часов. Во время этой термообработки происходит:

  • появление зародышей новых зерен;
  • рост новых зерен;
  • исчезновение деформированных зерен;
  • устранение наклепа;
  • возврат металла в равновесное состояние.

Внимание! Размер зерна после отжига зависит от степени деформации, которой был подвергнут прокат. Если она приближалась к критической, то зерна после отжига будут крупными, что крайне нежелательно. Поэтому степень деформации перед термообработкой не должна превышать 60%. После рекристаллизационного отжига образуется мелкозернистая однофазная структура, обеспечивающая оптимальное сочетание прочности и пластичности.

Эта термическая обработка может быть:

  • предварительной – перед холодным деформированием, если исходная сталь уже обладает некоторой степенью упрочнения;
  • промежуточной – используется между операциями холодной прокатки, если суммарная степень деформаций слишком велика и есть вероятность, что запасов пластичности стали может не хватить;
  • окончательной – если в результате должен получиться полуфабрикат с высокой степенью пластичности.

Отжиг для снятия внутренних напряжений

Эти напряжения могут быть:

  • термическими – образованными во время неравномерного нагрева или охлаждения с различной скоростью отдельных элементов изделия, после сварки, литья, механообработки;
  • структурными – появившимися в результате фазовых превращений, которые реализовались в различных частях металла с разной скоростью.

Внутренние напряжения при эксплуатации детали могут превысить предел прочности и стать причиной разрушения. Отжиг, позволяющий избежать негативных последствий, осуществляется при температурах ниже температуры кристаллизации и составляющих 0,2-0,3Тпл.

Режимы отжига второго рода

Этот вид термообработки предназначен для образования равновесной структуры в металлах и сплавах путем фазовых превращений. В данном случае происходит как частичная, так и полная замена начальной структуры.

Такой вид отжига разделяют на полный и неполный:

  • при полном происходит общая рекристаллизация;
  • при неполном – частично сохраняется исходная структура, неполный отжиг широко востребован для заэвтектоидных (содержащих более 0,8% углерода) углеродистых и нержавеющих сталей.

Патентирование является специфическим процессом, но по характеру фазовых превращений его можно отнести к отжигу второго рода. Этот вид изотермической обработки применяется для получения высококачественной канатной, пружинной и рояльной проволоки с содержанием углерода 0,45-0,8%. Проволока при патентировании проходит следующие этапы:

  • нагрев в проходной печи;
  • пропуск через соляную или свинцовую ванну, температура которой – 450-550°C;
  • намотку на приводной барабан.

В результате этих операций образуется структура тонкопластинчатого троостита или сорбита. Эти микроструктуры позволяют получать при волочении степень обжатия более 75%.

Суть технологии отжига стали, виды и назначение

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:

  • привести свойства стали к требованиям последующей термообработки;
  • улучшить характеристики материала заготовки перед обработкой резанием или давлением;
  • предотвратить деформацию и устранить внутренние напряжения сварных и литых изделий;
  • восстановить исходное качество стали после неудачной закалки.

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

В результате механической или термической обработки металла его внутренняя структура переходит в неравновесное состояние, характеризующееся сочетанием различных фазовых составляющих. При этом изменяется его химический состав и кристаллическая структура и, как следствие, твердость, прочность, пластичность и внутренняя напряженность. 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

Виды отжига стали различаются воздействием на внутреннюю структуру металла. Отжиг первого рода происходит без фазовых превращений кристаллической структуры стали, а второго — с изменением фазовых составляющих. 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:

  • рекристаллизационный;
  • гомогенизационный (диффузионный);
  • для снижения напряжений;
  • высокий.

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

Данным методом чаще всего отжигают литые заготовки из легированных сталей с целью улучшения их пластичности и повышения однородности микроструктуры. 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.

Читать еще:  Как выбрать главный вид детали

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

Внутренние напряжения в металле возникают в результате термической или механической обработки изделия. Они являются следствием неравномерного нагрева или различной скорости охлаждения отдельных частей детали в процессе сварки, литья или механической обработки. 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

Устранить дефекты внутренней структуры стали можно путем фазовых превращений ее составляющих, для чего металл сначала необходимо нагреть до температуры перехода в аустенит (727 ºC). На этом принципе основан ряд термических технологий, которые называют отжигами второго рода. В эту группу входят следующие виды отжигов:

  • полный;
  • неполный;
  • изотермический;
  • нормализационный;
  • маятниковый;
  • патентирование.

Все они характеризуются нагревом выше критической точки, а различаются временем выдержки и охлаждения, а также применимостью к конкретным маркам стали.

Полный и неполный отжиг

Полный отжиг сталей применяют для уменьшения их зернистости, вследствие чего повышается пластичность и ударная вязкость, а также снижаются внутренние напряжения. 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

При нормализации сталь также нагревается до критической температуры и переходит в состояние аустенита. Но после этого она охлаждается не в печи, а на открытом воздухе. Это намного упрощает технологический процесс, т. к. не требует технологического оборудования и сокращает временной цикл термообработки. 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

Для получения структуры зернистого перлита, который имеет меньшую хрупкость и твердость, но при этом обладает хорошей пластичностью и вязкостью, сталь подвергают нескольким циклам нагрева выше температуры образования аустенита с последующим остужением до 670÷700 ºC. 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

Цветные металлы и сплавы в основном отжигаются для снятия внутренних напряжений, снижения хрупкости и повышения пластичности. При этом лишь некоторые из них (в том числе титан, кобальт и их сплавы) могут подобно стали подвергаться фазовым превращениям. 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

В термических цехах для закалки, отпуска и отжига изделий из стали, как правило, используют одно и то же оборудование. Нагрев осуществляют в камерных печах с открытыми или закрытыми источниками тепла, а также индукционными и газопламенными установками. 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:

  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.

Читать еще:  Можно ли мыть клавиатуру ноутбука водой

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.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Виды термической обработки

Отжиг

Отжиг стали производится в тех случаях, когда необходимо уменьшить твердость, повысить пластичность и вязкость, ликвидировать последствия перегрева, получить равновесное состояние, улучшить обрабатываемость при резании.

Отжиг, снижая твердость и повышая пластичность и вязкость за счет получения равновесной мелкозернистой структуры, позволяет:

  • — улучшить обрабатываемость заготовок давлением и резанием;
  • — исправить структуру сварных швов, перегретой при обработке давлением и литье стали;
  • — подготовить структуру к последующей термической обработке.

Отжигом называется процесс термической обработки — нагрев

стали до определенной температуры и последующее, как правило, медленное охлаждение с целью получения более равновесной структуры.

Отжиг первого рода.

Различают следующие разновидности отжига первого рода: го- могенизационный, рекристаллизационный и уменьшающий напряжения.

Гомогенизационный отжиг. Этот отжиг применяется для выравнивания химической неоднородности (путем диффузии) зерен твердого раствора. Практически слитки нагревают до 1100—1200° С, выдерживают при этой температуре 8 — 15 ч, а затем медленно охлаждают до 200—250° С. Процесс отжига продолжается около 80—100 ч.

Рекристаллизационному отжигу подвергают сталь, деформированную в холодном состоянии, для возвращения стали пластичности и возможности дальнейшей ее деформации.

При нагреве холодно-деформированной стали до температуры 400—450° С изменений в строении стали не происходит, механические свойства изменяются незначительно и только снимается большая часть внутренних напряжений. При нагреве до более высокой температуры механические свойства стали резко изменяются: твердость и прочность понижаются, а пластичность повышается. При этом происходят изменения и в строении стали.

Под температурой рекристаллизации подразумевается температура, при которой в металлах, подвергнутых деформации в холодном состоянии, начинается образование новых зерен.

Температура рекристаллизации железа — 450° С, меди — 270° С, молибдена — 900° С, а такого металла, как свинец, минус 30° С.

В связи с тем что при температуре рекристаллизации процесс образования новых зерен происходит очень медленно, практически хо- лоднодеформированные металлы и сплавы нагревают до более высокой температуры, например углеродистую сталь до 600—700° С, медь до 500—700° С. Эти температуры и являются температурами рекри- сталлизацион-ного отжига.

Отжиг, уменьшающий напряжения. Это нагрев стали до температуры 200—700° С (чаще до 350—600° С) и последующее охлаждение с целью уменьшения внутренних напряжений после технологических операций (отливка, сварка, обработка резанием и др)

Отжиг второго рода.

Различают следующие разновидности отжига второго рода: полный, неполный, изотермический, нормализационный (нормализация).

Полный отжиг. Этому виду отжига подвергают доэвтектоидную сталь с целью создания мелкозернистости, понижения твердости и повышения пластичности, снятия внутренних напряжений.

При полном отжиге доэвтектоидную сталь (содержание углерода менее 0,9%) нагревают до температуры на 20—30° выше критической точки.

При нагреве до такой температуры крупная исходная ферритоперлитная структура превращается в мелкую структуру аустенита (твердого раствора углерода в у-железе). При последующем медленном охлаждении (обычно со скоростью 100—200° в час до 500° С и далее на воздухе) из мелкозернистого аустенита образуется мелкая феррито-перлитная структура.

Неполный отжиг. Этому виду отжига подвергают заэвтектоид- ную и эвтектоидную сталь(содержание углерода от 0,9% до 2%) с целью превращения пластинчатого перлита и сетки цементита в структуру зернистого перлита.

Для получения зернистого перлита заэвтектоидиую сталь нагревают до температуры 740—780° С. При нагреве до такой температуры происходит превращение в аустенит только перлита, а цементит остается и образуется структура цементит + аустенит. При последующем медленном охлаждении (со скоростью 20—60° в час до 700—650° С с дальнейшим охлаждением на воздухе.

В связи с тем что при этом виде отжига получается зернистая (сфероидальная) форма цементита, этот отжиг называют сферо- идизирующим.

Изотермический отжиг. Характерной особенностью изотермического отжига является образование феррито-перлитной структуры из аустенита при постоянной температуре, а не при охлаждении, как при полном отжиге.

Изотермический отжиг имеет преимущество по сравнению с полным отжигом: сокращается время отжига и получается более однородная структура, но при обработке малых садок металла.

Нормализационный отжиг (нормализация). Нормализацией называют процесс термической обработки — нагрев до температуры выше температуры начала фазовых превращений на 30-50 градусов, с последующим охлаждением на спокойном воздухе.

При нагреве до температуры нормализации низкоуглеродистых сталей происходят те же процессы, что и при полном отжиге, т. е. измельчение зерен. Но, кроме того, вследствие охлаждения, более быстрого, чем при отжиге, и получающегося при этом переохлаждения строение перлита получается более тонким (дисперсным), а его количество большим. Механические свойства при этом оказываются более высокими (повышенная прочность и твердость), чем при более медленном охлаждении (при отжиге).

Нормализация по сравнению с полным и неполным отжигом — более экономичная операция, так как не требует охлаждения вместе с печью. В связи с указанными преимуществами нормализация получила широкое применение вместо полного отжига низкоуглеродистых и даже среднеуглеродистых сталей.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector