Отжиг представляет собой термическую обработку металлов и сплавов, включающую нагрев до определенной температуры, выдержку и последующее медленное охлаждение. Этот процесс направлен на достижение более равновесной структуры материала. В процессе отжига происходят важные процессы, такие как возврат металлов к состоянию отдыха, рекристаллизация и гомогенизация. Цели отжига включают снижение твёрдости для улучшения обрабатываемости, улучшение структуры и достижение более однородного состояния металла, а также снятие внутренних напряжений.
Отжиг бывает двух видов: отжиг первого рода, при котором нагрев выполняется до температуры ниже фазовых превращений, и отжиг второго рода, при котором нагрев происходит до температуры выше фазовых превращений. Оба вида отжига включают последующее медленное охлаждение.
Виды отжига сталей первого рода
Гомогенизация
Гомогенизация представляет собой отжиг, направленный на уменьшение химической неоднородности металлов, которая возникает в результате рекристаллизации. Этот процесс осуществляется при высоких температурах с длительными выдержками, в пределах от 2 до 48 часов. Цель гомогенизации заключается в снижении локальной неоднородности по химическому составу, возникшей из-за ликвации элементов в результате диффузионного отжига. Сплавы, в отличие от чистых металлов, имеют неравновесную структуру после кристаллизации, и гомогенизация способствует уменьшению этой химической неоднородности, что в результате придает металлу повышенные пластические свойства.
Рекристаллизационный отжиг
Рекристаллизационный отжиг представляет собой термическую обработку металлов, направленную на устранение наклепа, образовавшегося в результате холодной пластической деформации, а также на достижение определенного размера зерна без фазового превращения. Начальные температуры рекристаллизации зависят от типа материала: 0,4Тпл для чистых металлов, 0,6Тпл для обычных сплавов и 0,8Тпл для сложных термопрочных сплавов. Время отжига, варьирующееся от получаса до двух часов, определяется геометрией изделия.
В процессе рекристаллизационного отжига происходит несколько важных изменений:
- Появление зародышей новых зерен.
- Рост новых зерен.
- Исчезновение деформированных зерен.
- Устранение наклепа.
- Возврат металла в равновесное состояние.
Эффективность рекристаллизационного отжига зависит от степени деформации, предшествующей термической обработке. Если степень деформации приближается к критической, зерна после отжига становятся крупными, что следует избегать. Поэтому степень деформации перед отжигом не должна превышать 60%. Результатом рекристаллизационного отжига является формирование мелкозернистой однофазной структуры, обеспечивающей оптимальное сочетание прочности и пластичности.
Эта термическая обработка может выполняться как предварительная перед холодным деформированием, так и промежуточная между операциями холодной прокатки в случае большой суммарной деформации. Также рекристаллизационный отжиг может быть окончательным, если требуется получить полуфабрикат с высокой степенью пластичности.
Отжиг для снятия внутренних напряжений
Отжиг для снятия внутренних напряжений является процедурой, направленной на устранение напряжений, возникающих в материалах из-за различий в температуре и структуре. Эти напряжения могут быть термическими, образующимися при неравномерном нагреве или охлаждении элементов изделия, и структурными, возникающими в результате фазовых превращений с разной скоростью в различных частях металла. Внутренние напряжения могут привести к превышению предела прочности и вызвать разрушение детали в процессе эксплуатации.
Отжиг для снятия внутренних напряжений проводится при температурах ниже температуры кристаллизации и составляет обычно 0,2-0,3 от температуры плавления материала. Этот процесс позволяет избежать негативных последствий, связанных с внутренними напряжениями, и осуществляется без существенного изменения фазового состояния структуры, обеспечивая заданную степень релаксации напряжений.
Режимы отжига второго рода
Режимы отжига второго рода представляют собой вид термической обработки, целью которого является формирование равновесной структуры в металлах и сплавах путем фазовых превращений. Этот процесс включает как частичную, так и полную замену начальной структуры материала.
Существуют два основных режима отжига второго рода:
Полный отжиг
Полный отжиг представляет собой вид термической обработки металлов, который включает в себя следующие ключевые этапы:
- Нагрев: Происходит нагрев стали до температуры Ас3 + (30 — 50 °С), что находится выше верхней критической точки. Это обеспечивает полное превращение структуры стали в аустенит.
- Выдержка: Следует период выдержки при этой температуре для достижения полной аустенитизации.
- Охлаждение: Происходит медленное охлаждение со скоростью, обеспечивающей протекание диффузионного распада аустенита при небольшой степени переохлаждения.
Полный отжиг приводит к общей рекристаллизации материала. Этот процесс заключается в том, что сталь поднимается на температуру выше верхней критической точки, где полностью превращается в аустенит, а затем медленно охлаждается, образуя структуру, состоящую из феррита и перлита. Скорость охлаждения для углеродистых сталей обычно составляет около 50—100 °C/ч. Если охлаждение происходит на воздухе, это может привести к процессу нормализации. Полный отжиг используется для достижения определенных структурных и механических характеристик в материале.
Неполный отжиг
Неполный отжиг представляет собой вид термической обработки металлов, который включает следующие основные этапы:
- Нагрев: Происходит нагрев стали до температуры между точками Ас1 и АС3 (между нижней и верхней критическими точками). Это предотвращает полное превращение структуры в аустенит, сохраняя часть исходной структуры.
- Выдержка: Следует период выдержки при этой промежуточной температуре до формирования аустенитно-ферритной (или аустенитно-цементитной для заэвтектоидной стали) структуры.
- Охлаждение: Происходит медленное охлаждение, что позволяет частично сохранить исходную структуру материала.
Неполный отжиг характеризуется частичным сохранением исходной структуры и широко применяется для углеродистых и нержавеющих сталей. В отличие от полного отжига, где происходит полная рекристаллизация, неполный отжиг предоставляет возможность сохранить определенные структурные характеристики, что может быть важным для достижения определенных механических свойств в конечном продукте.
Патентирование
Патентирование представляет собой специфический процесс, классифицируемый как вид отжига второго рода, который применяется для обработки проволоки с целью получения высокого качества. Этот метод изотермической обработки особенно применяется для создания канатной, пружинной и рояльной проволоки с определенным содержанием углерода в пределах 0,45-0,8%.
Процесс патентирования проволоки включает следующие этапы:
- Нагрев в проходной печи: Проволока подвергается нагреву в специальной печи.
- Пропуск через соляную или свинцовую ванну: После нагрева проволока проходит через ванну с соляным или свинцовым раствором, чья температура находится в пределах 450-550°C.
- Намотка на приводной барабан: Обработанная проволока наматывается на приводной барабан.
В результате этих операций формируется структура тонкопластинчатого троостита или сорбита, микроструктуры, которые обеспечивают возможность достижения степени обжатия более 75% при последующем волочении. Таким образом, патентирование представляет собой важный вид отжига второго рода, направленный на повышение качества проволоки.
