Процесс отжига стали и металла: виды, особенности, технология

Номенклатура товарных позиций металлической продукции очень широкая. И для выпуска изделий, входящих в каждую из них, необходимо, чтобы материал обладал специфическими свойствами. Меткомбинаты предлагают сырье, соответствующее гостовским требованиям. Но оно обычно подвергается дополнительной обработке на предприятиях, специализирующихся на производстве стальных деталей, в том числе метизов. Отжиг является одной из основных технологических операций такого рода. При ее выполнении металл обретает технические характеристики, требуемые для успешного прохождения последующей обработки и обеспечивающие надежность эксплуатации изготовленных из него изделий.

Необходимость в термообработке металла

Цель проведения данной операции – улучшение технологических характеристик сырья. Ее ключевой фактор – это температура отжига сплава. Требуемое значение данного параметра нужно выдерживать на протяжении определенного временного интервала. В результате достигается:

• снижение показателя твердости. Благодаря этому предоставляется возможность использования более широкого перечня режущего инструментария, что способствует сокращению времени производственного цикла и заметному уменьшению трудозатрат;
• улучшение строения металла, то есть его микроструктуры. При воздействии на этот материал высокой температуры в течении определенного отрезка времени в нем происходят значительные преобразования на молекулярном уровне. Сформированная в ходе отжига структура сплава становится наиболее оптимальной для дальнейших операций физического и механического характера;
• снятие (нивелирование) внутренних напряжений. В металле, прошедшем этап предварительной обработки, возникает явление дисбаланса кристаллического строения. Путем корректного подбора типа отжига этого материала достигаются его необходимые для определенного случая характеристики.

Иногда нужные технологические кондиции обеспечиваются проведением неполного отжига. При желании придать металлу какие-то особые качественные показатели практикуется применение режимов, отличающихся сложностью и большой длительностью.

Например, продолжительность полного отжига крупногабаритных и массивных изделий может превышать сутки. Большая часть данного временного интервала отводится разогреву до требуемой температуры и медленному остыванию. Все это регламентировано ГОСТом, в котором прописаны требования к соответствующей термообработке.

Кроме того, существуют периодические издания и специальная литература, детально описывающие процедуру отжига. Обратившись к этим источникам информации, можно узнать, что ряд подобных операций предусматривает точное соблюдение температурных показателей, когда критичными являются даже несколько градусов, а также временного режима.

Выполнить процедуру качественно можно в муфельной печи. При отсутствии такого оборудования проведение отдельных видов термообработки будет связано с трудностями. Для ориентировки придется принимать во внимание исключительно цветовую гамму раскаленного металла.

Выполнить отжиг стали в бытовых условиях можно на основе упрощенной схемы. Осуществить точный контроль температурных показателей объекта, разогретого с помощью газовой горелки, не удастся. Таким образом, регулировка режимов разогрева с последующим остыванием осуществляется только приблизительно. Когда сталь обрабатывается в бытовых условиях, проведение структурного анализа невозможно. Определение температуры процесса неполного отжига осуществляется исключительно визуально. Цели проведения этой операции в домашних условиях такие:

• снижение прочностных характеристик изделия;
• повышение уровня обрабатываемости стальной продукции.

Проведение последующей механической обработки становится возможным ввиду преобразования после отжига микроструктуры металла.

Разновидности отжига

Металлурги подразделяют этот технологический процесс на 2 вида. Рассмотрим их коротко.

Отжиг I-го рода

В этом случае фазовая рекристаллизация не происходит, однако сплав обретает нужные свойства. Отжиг первого рода предназначен для снижения прочности металла с одновременным повышением его пластичности и ударной вязкости. Структура материала преобразуется в более однородную и равновесную. Благодаря частичной рекристаллизации, снижающей уровень внутреннего напряжения, изделия становятся заметно долговечнее, а также надежнее.

Отжиг II-го рода

Отжигу стали второго рода характерны кардинальные преобразования структуры. Здесь происходит фазовая рекристаллизация. Обеспечивается данное явление:

• разогревом сплава до температуры, превышающей критические точки;
• точным соблюдением временных и температурных показателей процесса охлаждения.

Необходимо отметить один момент. Критические температуры представляют собой значимые факторы риска. Например, пережог вызывает необратимые структурные трансформации. Тогда металл относят к категории неисправимого брака, и его отправляют на переплавку.

Термическая обработка сталей, их отжиг, а также нормализация – сложный процесс. Он позволяет, используя исходное сырье, получить продукцию, удовлетворяющую требованиям предприятий, выпускающих конечные металлические изделия.

Какое оборудование используется?

Для разогрева однородных металлов, сплавов, используется разное оборудование. К нему относятся:

1. Шахтные печи. Подходят для разных технологических процессов, связанных с металлическими заготовками. Могут разогреваться газом или электрическими элементами.
2. Камерные печи. Используются для нагрева заготовок небольшого размера.
3. Печи с установленным механизмом выдвигающегося пода. Предназначены для термической обработки крупногабаритных деталей. Сверху на конструкции закрепляется кран балка, с помощью которой заготовки выгружаются, загружаются новые.
4. Вакуумные печи. Используются при термообработке быстрорежущих сталей, тугоплавких металлов, титана, меди.

Отжиг полный, неполный

Основным критерием, используемым для подразделения отжига на виды, является температура разогрева обрабатываемого изделия. Так, если значение данного показателя превышает критические точки Ac1 и Ac3, термообработка данного типа бывает неполной и полной.

Полный отжиг

Проводится процедура полного отжига в основном после литья или любой разновидности горячей механической обработки стали углеродистой либо стали, содержащей легирующие добавки. При ее выполнении преследуются следующие цели:

• устранение имеющихся внутренних напряжений;
• снижение твердости металла. Благодаря этому улучшится его обработка посредством режущего инструмента;
• создание мелкозернистой структуры.

Обеспечивается это разогревом сплава до температуры (обозначение Т), превышающей критическую точку Ac3 (768°С ≤Т≤911°С) не больше, чем на 30°С-50°С, выдержкой до всеобъемлющего завершения фазовых преобразований, после чего осуществляется его медленное охлаждение. Требование соблюдения вышеуказанного диапазона превышения температуры в точке Ac3 вполне обосновано. Если данная характеристика процесса термообработки покинет его пределы в большую сторону, структура аустенита изменится с мелкозернистой на крупнозернистую. Таким образом, поставленная цель не будет достигнута, и металл не обретет требуемые качественные показатели.

Еще один важный параметр полного отжига – скорость охлаждения. Она зависит от химического состава сплава. Металл, проявляющий меньшую степень устойчивости переохлажденного перлита, подлежит более быстрому охлаждению. Поэтому стали

• содержащие легирующие добавки, охлаждают со скоростью 40°С/час…60°С/час;
• углеродистые нужно охлаждать в 2,5 раза быстрее — 100°С/час…150°С/час.

После прохождения в ферритной области распада аустенита, можно организовать более интенсивное охлаждение. Его реализация допустима даже на открытом пространстве в атмосферном воздухе.

Иной подход актуален, когда требуется нивелировать внутренние напряжения в изделиях, характеризующихся сложной конфигурацией. В данном случае охлаждать нужно в печи, пока их температура не сравняется с этим показателем окружающей среды.

Неполный отжиг

Данный метод термообработки предусматривает разогрев стали до отметки, ненамного превышающей критическую температуру в точке Ac1 (примерно727°С). Неполный отжиг способствует улучшению обработки резанием заготовок, произведенных из заэвтектоидных (содержащих углерод в количестве более 0,8 процентов) сталей углеродистых и сталей с легирующими добавками.

Последовательность этапов этого техпроцесса выглядит так:

• разогрев стали до температуры (обозначение Т), входящей в диапазон +750°С≤Т≤770°С. Это где-то на 20°С…40°С больше значения данного параметра в критической точке Ac1. Происходит, практически, всеобъемлющая рекристаллизация структуры. При этом пластинчатый перлит обретает сфероидальную конфигурацию. Ввиду этого, данная операция получила еще одно название — сфероидизация;
• охлаждение. Проводится со скоростью не выше 60°C в час до достижения температуры Т=600°C. С увеличением количества легирующих добавок охлаждение должно протекать медленнее;
• Остывание на открытом пространстве в условиях воздействия атмосферного воздуха.

Отжиг изотермический

При термообработке этого вида разогрев сплава проводится до той же отметки, что и при полном отжиге. После этого металл подвергается ускоренному охлаждению, пока его температура не опустится ниже точки Ac1 и не войдет в диапазон +660°С≤Т≤680°С. Достигнутое значение данного параметра поддерживается на протяжении порядка 6 часов – до полного распада аустенитной структуры. Далее заготовки охлаждаются благодаря контакту с воздухом окружающей среды.

Плюсом изотермического отжига по сравнении с полным является меньшая длительность выполнения процедуры. Это особенно ощутимо при обработке легированных сплавов. Существует у данного метода и другое преимущество: по всему объему изделия формируется максимально однородная структура. Отжиг заготовок, обрабатываться которые будут резанием, проводится при температуре в пределах +930°С≤Т≤950°С. Такое технологическое решение обеспечивает:

• небольшое увеличение размеров зерен;
• облегчение обработки изделий посредством режущего инструмента.

Процедура изотермического отжига чаще всего применяется в отношении сортового металлопроката, произведенного из сталей с легирующими добавками, а также поковок. Для крупных садок (более 20 тонн) этот метод не применяется. Причина – превращения на отдельных фрагментах садки протекают при отличающихся температурных показателях.

Существует также специализированная изотермическая обработка, которая называется патентирование. Она актуальна для среднеуглеродистого пружинного сплава с содержанием элемента углерод в пределах 0,6%…0,9%. Патентированием осуществляется подготовка проволоки к процедуре многостадийного обжатия при холодном волочении. Выполняется это термообработка за два этапа:

• нагрев изделий примерно до 900°С. При такой температуре происходит всеобъемлющая аустенизация структуры;
• погружение в соляной расплав с температурой в диапазоне +450°С≤Т≤600°С.

В результате образовываются структуры тонкопластинчатого троостита либо сорбита. Такое строение обеспечивает:

• высокие прочностные показатели после заключительного волочения;
• прохождение холодных деформаций без возникновения разрывов;
• возможность существенных обжатий в ходе протяжки.

Отжиг диффузионный

Это отжиг имеет еще одно общепринятое название – гомогенизационный. С его использованием термически обрабатываются слитки стали с легирующими добавками. Отжиг диффузионный обеспечивает снижение уровня внутрикристаллитной неоднородности либо дендритной ликвации, из-за которых у металла образуются следующие негативные свойства:

• склонность к излому, как к слоистому, так и хрупкому;
• неравномерность характеристик по разным направлениям;
• понижение пластичности;
• снижение уровня вязкости;
• трещинообразование.

Отжиг диффузионный выполняется так: изначально металл подвергается нагреву до высокой температуры (+1200°С). При этом его структурные параметры выравниваются по любому направлению. Затем сплав выдерживается в течение пятнадцати-двадцати часов. Охлаждение проводится в 2 этапа – сначала ускоренное до +800°С≤Т≤820°С, а потом – медленное на атмосферном воздухе.

Результатом гомогенизации является формирование отдельных крупных зерен. В дальнейшем они измельчаются термообработкой либо обработкой давлением.

Отжиг низкотемпературный

У термообработки данного вида имеются и другие названия – «отпуск высокий», а также «отжиг низкий». Этот метод отличается достаточно большой сложностью. Он предусматривает медленный разогрев сплава, так, чтобы его температура не превысила критическую точку; выдержку с поддержанием достигнутой температуры, пока металл полностью не прогреется; его медленное охлаждение в печи.

Предназначение

Тепловая обработка в виде низкотемпературного отжига предназначена для улучшения степени обрабатываемости легированных хромистых (содержат примеси элемента Сr) и хромоникелевых (помимо элемента Сr в состав входит элемент Nі) путем:

• понижения показателя твердости;
• нивелирования имеющихся внутренних напряжений.

Еще одна цель проведения низкого отжига – получение зернистого перлита. Наличие в структуре этой доэвтектоидной смеси цементита с ферритом обеспечивает сталь улучшенными показателями удлинения и повышает порог прочности.

Характеристики процесса

Необходимость соблюдения технологической точности – это основная особенность низкого отжига. Если условия термообработки будут нарушены, не исключен факт появления повторных внутренних напряжений.

Начальный этап данного техпроцесса – медленный разогрев изделий до температуры, принимающей значения из диапазона +600°С≤Т≤680°С, то есть ниже точки Ac1. Для определения точных температурных показателей нужно использовать специальные формулы, учитывающие температуры, при которых происходит плавление и рекристаллизация металла.

Структурные изменения являются также характеристикой производной от:

• химического состава материала;
• исходной структуры;
• времени выдержки.

Необходимо отметить, что с увеличением температуры разогрева на выдержку отводится меньший временной интервал. Его предельные значения такие: минимум 2, а максимум 8 часов. И еще один момент: обработка металла методом низкотемпературного отжига характеризуется отсутствием фазовой перекристаллизации. Происходит формирование сорбитной структуры, сопровождающееся повышением уровня ударной вязкости, но снижением твердости.

Отжиг рекристаллизационный

В ходе обработки стальных заготовок давлением осуществляется деформационное упрочнение сплава, которое принято называть наклепом либо нагартовкой. Для повышения уровня пластичности и одновременного снижения жесткости применяется метод, получивший название рекристаллизационный отжиг.

Этот способ термообработки предусматривает разогрев металла до отметки, превышающей температуру кристаллизации не меньше, чем на сто-двести градусов (у стали углеродистой это где-то в районе 700 ºC) и выдержку на протяжении определенного отрезка времени. Финишным этапом данной процедуры является охлаждение сплава.

Когда проводится холодная штамповка, рекристаллизационный отжиг может выступать, как:

• предварительный либо межоперационный этап, выполняемый с целью снижения показателя жесткости заготовки;
• завершающая стадия всего техпроцесса, целью которой является придание готовой продукции заданной пластичности.

Закалка стали

Закалка — это нагрев доэвтектоидной стали на 30-50°С выше Ас3, а заэвтектоидной выше Ас1, выдержка при этой температуре и ускоренное охлаждение в жидкостях (в воде, в водных растворах солей или щелочей, масле) с целью максимального повышения твёрдости и прочности.

В результате закалки у доэтектоидных и эвтектоидных сталей образуется структура мартенсит, а у заэвтектоидных мартенсит + цементит вторичный. Так как углеродистые стали обладают низкой устойчивостью аустенита, то для получения мартенсита необходимы высокие скорости охлаждения, что обеспечивается водой или водными растворами солей и щелочей. Для легированных сталей применяют минеральные масла.

Вода в качестве охлаждающей среды имеет недостатки:

— высокая скорость охлаждения может привести к образованию закалочных трещин, а так же вода быстро нагревается и теряет охлаждающую способность. Наиболее высокой и равномерной способностью обладают водные растворы NaCl и NaOH. Масло обеспечивает невысокую скорость охлаждения, что предотвращает образование закалочных трещин. Однако, оно склонно к воспламенению при температуре 165-300°С и имеет повышенную стоимость.