Отжиг стали

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.

Режимы отжига быстрорежущих сталей Режимы отжига легированных инструментальных сталей Режимы отжига углеродистых инструментальных сталей

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

Отжиг первого рода (І-го рода)

Отжиг І рода – термическая операция, состоящая в нагреве металла в неустойчивом состоянии, полученном предшествующими обработками, для приведения металла в более устойчивое состояние. Этот вид отжига может включать в себя процессы гомогенизации, рекристаллизации, снижения твердости и снятия остаточных напряжений. Особенность этого вида отжига в том, что указанные процессы протекают независимо от того происходят ли фазовые превращения при термообработке или нет. Различают гомогенизационный (диффузионный), рекристаллизационный отжиг и отжиг, уменьшающий напряжения и снижающий твердость.

Гомогенизационный отжиг

Гомогенизационный отжиг – это термическая обработка, при которой главным процессом является устранение последствий дендритной и внутрикристаллитной ликвации в слитках сталей. Ликвация повышает склонность стали, обрабатываемой давлением, к хрупкости, анизотропии свойств и таким дефектам, как шиферность (слоистый излом) и флокены. Устранение ликвации достигается за счет диффузионных процессов. Для обеспечения высокой скорости диффузии сталь нагревают до высоких (1000–1200 °С) температур в аустенитной области. При этих температурах делается длительная (10–20 час.) выдержка и медленное охлаждение с печью. Диффузионные процессы наиболее активно протекают в начале выдержки. Поэтому во избежание большого количества окалины, охлаждение с печью обычно проводят до температуры 800 — 820°С, а далее на воздухе. При гомогенизационном отжиге вырастает крупное аустенитное зерно. Избавиться от этого нежелательного явления можно последующей обработкой давлением или термической обработкой с полной перекристаллизацией сплава. Выравнивание состава стали при гомогенизационном отжиге положительно сказывается на механических свойствах, особенно пластичности.

Рекристаллизационный отжиг стали

Рекристаллизационный отжиг, применяемый для сталей после холодной обработки давлением, – это термическая обработка деформированного металла или сплава. Может применять как окончательная, так и промежуточная операция между операциями холодного деформирования. Главным процессом этого вида отжига являются возврат и рекристаллизация соответственно. Возвратом называют все изменения в тонкой структуре, которые не сопровождаются изменениями микроструктуры деформированного металла (размер и форма зерен не изменяется). Возврат сталей происходит при относительно низких (300–400°С) температурах. При этом процессе наблюдается восстановление искажений кристаллической решетки.

Рекристаллизацией называют зарождение и рост новых зерен с меньшим количеством дефектов кристаллического строения. В результате рекристаллизации образуются совершенно новые, чаще всего равноосные кристаллы. Между температурным порогом рекристаллизации и температурой плавления имеется простое соотношение: ТР ≈ (0,3–0,4)Т_ПЛ., что составляет для углеродистых сталей 670–700°С.

Отжиг для снятия напряжений

Отжиг для снятия напряжений – это термическая обработка, при которой главным процессом является полная или частичная релаксация остаточных напряжений. Такие напряжения возникают при обработке давлением или резанием, литье, сварке, шлифовании и других технологических процессах. Внутренние напряжения сохраняются в деталях после окончания технологического процесса и называются остаточными. Избавиться от нежелательных напряжений можно путем нагрева сталей от 150 до 650°С в зависимости от марки стали и способа предыдущей обработки.

Высокий отжиг стали

Эта операция часто называется высоким отпуском. После горячей пластической деформации сталь имеет мелкое зерно и удовлетворительную микроструктуру. Такое состояние сталь получает при ускоренном охлаждении после пластической деформации. Однако в структуре могут быть составляющие: мартенсит, бейнит, троостит и т. д. Твердость металла при этом может быть достаточна высока. Для повышения пластичности и соответственно снижения твердости делается высокий отжиг. Его температура ниже критической Ас1 и зависит от требований к металлу для следующей операции обработки.

Отжиг второго рода

• 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

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.

ПОСМОТРЕТЬ Плавильную печь на AliExpress →

Нормализационный отжиг

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

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.

Отжиг

Операцию проводят для получения требуемой равновесной структуры с минимальной твердостью, с целью дальнейшей металлообработки получаемых изделий резанием. С особенностями вас познакомит видео:

Общее определение и виды

При отливе или прочих первичных процессах обработки помимо напряжения появляются дефекты. Убрать эти изменения и добиться однородной структуры кристаллической решетки можно с помощью следующего алгоритма действий:

• нагрев – необходимо немного превысить критическую отметку для этой разновидности стали;
• определенный период требуется держать стабильный температурный режим;
• следует медленно остудить заготовку вместе с печью.

У отжига есть следующие разновидности.

Гомогенизация

Относится к первому роду, когда изменения считаются незначительными. Задача подобной манипуляции – убрать неоднородность структуры, привести ее к однообразию. При этом следует нагревать изделие в температурном режиме от 1000 до 1150 градусов, затем выдерживать около 8-15 часов и постепенно снижать нагрев, охлаждая заготовку кислородом.

Рекристаллизация

Тоже разновидность 1 фазы отжига. Задача процедуры – привести все кристаллы в единый вид, а также снять внутреннее напряжение металла. Существует два подвида:

• смягчающий – обычно используется в качестве финальной обработки, подразумевает улучшение пластических характеристик;
• упрочняющий – увеличивает упругость, особенно актуально для закалки пружин.

Температура выбирается в зависимости от сплава, обычно на 100-200 градусов выше, чем точка рекристаллизации. Час или два необходимо поддерживать температурный режим, чтобы потом дать остывать не спеша.

Изотермический отжиг

Цель – достижение высокотемпературной гранецентрированной модификации железа (распад аустенита) для его смягчения. При этом получается более однородная структура изделия. Чаще такой тип металлообработки применяют к небольшим штамповкам, потому что их можно без проблем подвергнуть быстрому охлаждению. Процесс:

• нагрев на 20-30 градусов больше предела материала;
• непродолжительное выдерживание;
• быстрое остывание – это преимущество перед прочими подвидами.

Для устранения напряжений

Это операция удаления, снятия негативного внутреннего состояния излишней твердости, из-за которой металл становится хрупким и недолговечным. Он быстро деформируется от внешних физических воздействий. Процесс подразумевает температуры от 700 до 750, затем небольшое охлаждение до 600 и выдержку до 20 часов, затем под воздействием воздуха медленное остужение.

Отжиг полный

Применяется для создания пластичной, однородной мелкозернистой структуры. Наиболее характерный метод промежуточного воздействия на металлопрокат – после литья, ковки, штамповки и до резания любым способом. Этапы:

• нагрев на 30-50 больше предела стали;
• выдерживание;
• очень медленное остывание вместе с печью – в 60 минут не более 50-150 градусов.

Неполный

Значительные преобразования на уровне кристаллической решетки отсутствуют, но придается твердость ранее пластичным материалам. Это особенно нужно конструкциям, образованным методом сварных соединений, а также инструментам, которым нужна особенная прочность. Метод предполагает температуру около 700, и спустя 20 часов постепенное охлаждение.

Виды отжига

Рассмотрим, что означает термин «отжиг металлов». Термическая обработка металла, состоящая из нагрева выше температуры критических точек Чернова и охлаждение на профессиональном языке называется отжигом. Процедура применяется к различным металлам и их сплавам.

На промпредприятиях применяют режимы термообработки:

• полный, неполный;
• рекристаллизационный;
• диффузионный;
• изотермический;
• сфероизодизационный;
• нормализационный.

Полный отжиг стали

Полный обжиг проводится на изделиях из доэвтектоидных сплавов или сталей, содержащих карбон в количестве ≤ 0,8%. Цель проведения операции — измельчение зерна и улучшение качества обработки с применением режущего инструмента, снятие внутренних напряжений материала. Нагрев происходит на 30..50°С выше точки Ас3, затем деталь постепенно остужают, не вынимая из печи. Охлаждаясь, аустенит выделяет мелкозернистые, гомогенные (однородной структуры) ферриты и перлиты (франц. — жемчуг). Температура нагревания выбирается по типу стали и диаграмме состояний, данные зафиксированы в справочных материалах. Продолжительность охлаждения назначают по составу и структуре металла:

• углеродистые сплавы — 180…200°С/час;
• низколегированные — 90°С/час;
• высоко легированные — 50°С/час.

После проведения процедуры полного отжига неоднородная структура углеродистых или доэвтектоидных сплавов становится однородной, что дает податливость дальнейшей обработке.

Неполный

В отличие от полного, кардинально меняющего структурный состав металла, неполный отжиг изменяет только перлитовую, не затрагивая ферритовую структуру. Перлит , входящий в состав структур сталей, чугуна, других железоуглеродистых материалов, представляет собой цементит и феррит в эвтектоидной смеси. Основная задача неполного отжига — сделать сплавы максимально мягкими и податливыми.

Нагревание производится до t°, превосходящих на 30…50°С точку А1 (параметр перехода перлита в аустенит — начала перекристаллизации), но не достигающих Ас 3 — около 770°С. Затем производится охлаждение до 600°С в установке, со скоростью 60 град/ час, затем процесс продолжается на открытом пространстве.

Рекристаллизационный

Рекристаллизация — снятие структурных изменений, полученных в ходе механических деформаций, вызывающих наклеп. Наклепанный металл имеет меньшую пластичность, отличается жесткостью и неподатливостью.

Нагревание до 650…680°С приводит к равномерному распределению зерен феррита и перлита, вытянутых в направлении деформации, возвращает металлу пластичность.

Диффузионный процесс

Цель диффузионного способа — придание на уровне атомного строения однородности структуре сплава. Диффузионный отжиг иначе называется дендритной ликвацией. Придание гомогенности данным методом уничтожает дендритную ликвацию равномерным распределением атомов примесей по химической структуре слитка.

Процесс отличается использованием t≥1000°С, увеличением выдержки в нагретом состоянии свыше 12 часов, медленным остужением, поэтому он имеет высокую стоимость.

Метод изотермии

Изотермический отжиг используют на сплавах с большим содержанием легирующих и хромистых добавок. Особенностью процесса является нагрев металла на 30…50°С выше точки АС3, быстром остужение и выдерживание при t° ниже критической точки А 1, с дальнейшим естественным охлаждением в воздушной среде.

Преимущество метода изотермии — получение более гомогенного структурного строения деталей, уменьшение срока обработки, так как процесс охлаждения в печи занимает больше времени, чем в естественной среде.

Сфероидизация

При нагревании заэвтектоидных и легированных сплавов до превышения параметра АС 1 на 30…50°С происходит перекристаллизация строения, способствующая образованию перлита в форме правильных сфер. Для ускорения сфероидизации возможно проведение маятникового отжига.

Нормализационный способ

Нормализация производится как промежуточный процесс перед закаливанием и другими видами воздействий для устранения наклепа и удаления внутренних напряжений. Доэвтектоидная сталь нагревается выше точки АС3 на 30…50°С, и постепенно охлаждается в естественной среде. Отличие метода в переохлаждении, из-за которого получают гомогенное мелкозернистое тонкое строение решетки металла.

Преимущество нормализационного способа заключено в снижении срока обработки при высокой производительности. В результате углеродистые сплавы рекомендуют не отжигать, а нормализовать.

История и технология отжига стали

Отжиг стали предполагает применение переменных температур: нагревание до высоких значений без потери формы и охлаждение в заданном температурном режиме приводит к структурным изменениям кристаллической решетки, сплав получает новые качества, нужные для решения конкретных задач.

Отжиг стали улучшает технологические характеристики металлов. Принято различать 2 разновидности отжига — 1 и 2-го рода.

При первом воздействие выполняется наклепом, который понижает внутренние напряжения рекристаллизацией. Этим устраняются последствия обработки давлением, снижение прочностных характеристик и увеличение пластичности. Изделия приобретают повышенную надежность и долговечность.

Второй род воздействия включает прогревание проката до уровня, превышающего критические точки, в особых режимах охлаждения по сроку и температуре. Итогом становится качественное изменение структурных решеток и получение заданных характеристик материала. Проведение отжига сопряжено с риском пережога. Возникновение необратимых негативных изменений структуры приводит к переплавке проката и изделий.

Точки Чернова

Расчет температурных режимов выполняют, используя открытые в 1868 г. русским ученым Д.К. Черновым критические точки, зависящие от значения температур и %-ого содержание углерода, в которых изменяются фазовые состояния и структурное строение металлов. Открытие Чернова — фундамент создания науки о металлах: впервые установлена связь между режимом обработки, структурным видом и характеристиками сплавов. Применение критических точек дает возможность построения различных режимов термообработки металла. Точки Чернова обозначают литерой А с добавлением индекса, указывающего соответствие точки воздействию:

• «c» — нагреву, от французского chauffage – нагревание;
• «r» — охлаждению, refroidissement – на французском языке.

Диаграмма, построенная на точках Чернова:

Сечение «I» на диаграмме соответствует доэвтектоидной стали. Пересечение линии диаграммы, по горизонтали температуры и вертикали, соответствующей %-му содержанию углерода в сплаве, определяет искомые критические значения.

В процессе нагревания сечение «I»проходит следующие критические точки:

• При температуре 210°С пересекает пунктир, проходящий по линии QP — точка Ас 0, которая отмечает потерю цементитом магнитных свойств.
• t=727°С на линии PG находится точка Ас 1 превращения перлита в аустенит.
• t=768°С на линию PG приходится точка Ас 2 потери магнитных свойств — магнитного железо переходит в немагнитное.
• Последующее повышение t° до пересечения с линией GS показывает переход стального сплава в однофазное аустенитное состояние (перекристаллизация заканчивается. Температура этой точки зависит от состава конкретного металла.

Охлаждение не меняет номеров точек, не вызывает обратной перестройки материала.

Линия «II» выстроена для эвтектоидных сталей.

В промышленности для термообработки проката и изделий используют в печи конструкций:

• камерные — для заготовок небольшого объема;
• шахтные — работают на газе и электроэнергии, выполняют различные технологические задания;
• печи с выдвигающимся полом — обработка крупногабаритного проката и узлов;
• вакуумные — для быстротекущих сплавов, тугоплавкого металла, титана, меди.

Отжиг II-го рода. Отжиг и нормализация сталей; режимы и назначение отжига и нормализации

После отжига получается однородная мелкозернистая структура, твердость уменьшается, пластичность повышается, и в качестве предварительной термической обработки используется II вид отжига, перед обработкой стальных деталей металлорежущим станком. В зависимости от температуры нагрева происходит полный и неполный отжиг. Полный отжиг используется для предварительной эвтектоидной стали.

Его целью является улучшение структуры стали для облегчения последующей обработки резанием, штамповкой или закалкой, а также придание готовой детали мелкозернистой отделки. Неполный отжиг связан с фазой перекристаллизации, его применяют после процесса горячего прессования, а также при получении заготовки мелкозернистой структуры. После охлаждения получается грубая структура, состоящая из крупных частиц феррита и перлита. Сталь менее пластична. Производство гранулированного цементита облегчается горячей пластической деформацией перед отжигом, где цементитная сетка измельчается.

Сталь с зернистым цементитом лучше обрабатывается режущим инструментом, а после закалки приобретает хорошую структуру. Для экономии времени проводят изотермический отжиг. При изотермическом отжиге в процессе старения, температура равна по сечению изделия. Это способствует более однородной структуре и однородным характеристикам. Легированная сталь подвергается такому отжигу. Отжиг легированной стали увеличивает не только продолжительность нагрева и старения, но и продолжительность охлаждения. Высоколегированные стали охлаждаются на низких скоростях из-за высокой стабильности легированного аустенита. Их твердость после отжига остается высокой, что ухудшает обрабатываемость режущего инструмента.

Стандартизация называется термической обработкой стали, при которой изделие нагревается до аустенитного состояния и охлаждается на нежном воздухе. Разница между нормализацией и полным отжигом предварительно эвтектоидной стали заключается только в скорости охлаждения. В результате нормализации получается более тонкая структура кодекутана, уменьшаются внутренние напряжения, устраняются дефекты, возникшие в ходе предыдущей обработки продукта. Нормализованная твердость и прочность после термообработки используется в качестве промежуточной операции для улучшения структуры.

Особенностью данного вида режима термообработки является температура нагрева и охлаждения в спокойном воздухе. Эти особенности обусловлены конкретной целью нормализации. Что касается предэвтектоидной стали, особенно низкоуглеродистой стали, то можно получить те же результаты, что и при отжиге, используя более простой режим нормализации и охлаждения за более короткое время. Воздушное охлаждение обеспечивает более высокую степень переохлаждения аустенита, чем при отжиге, а продукты его распада более дисперсны, а плотность образующихся дислокаций близка к 108 см2.

Это особенно верно для деталей из низкоуглеродистой стали, где использование закалки исключено из-за очень высокой критической скорости закалки. Одной из целей нормализации является разрушение вышеупомянутой сетки в транс-со-сталях, в которых нежелательные цементитные сетки вокруг зерен перлита не образуются из-за ускоренного выделения избыточного (вторичного) цементита из аустенита. Рекристаллизационный отжиг (рекристаллизация) стали происходит при температуре 500-550 ° с; отжиг для снятия внутренних напряжений-при температуре 600-700°с. Эти виды отжига позволяют снять внутреннее давление литья от неравномерного охлаждения деталей и заготовок, обрабатываемых давлением при подкритических температурах.

Если в стали наблюдается внутрикристаллическое разжижение, то применяется диффузионный отжиг. Выравнивание состава в зернах аустенита, наряду с самодиффузией железа, достигается диффузией углерода и других примесей в твердом состоянии. В результате сталь становится однородной по составу, поэтому диффузионный отжиг также называют гомогенизацией. Температура гомогенизации должна быть достаточно высокой, но нельзя допускать сгорания частиц.

Отпуск сталей. Превращения в стали при отпуске, изменение микроструктуры и свойств	Изменение микроструктуры и механических свойств металлов при нагреве после высоких и низких температур Обработка металлов давлением основана на их
Химико-термическая обработка стали.Назначение, виды и общие закономерности.Диффузионное насыщение сплавов металлами и неметаллами	Возврат, первичная и собирательная рекристаллизация. Рекристаллизационный отжиг