Отжиг стали

Автор: Волков Семён

Дата публикации: 05 Мая 2024

Термическая обработка стали, известная как отжиг, представляет собой процесс, в ходе которого сталь подвергается нагреванию до определенной температуры с целью придания ей конкретных характеристик. Эти свойства включают снижение твердости, формирование единой структуры для выполнения механического обработывания и устранение внутренних напряжений в материале.

Отжиг является ключевым этапом в термической обработке, целью которого является придание специфических характеристик стали. Этот процесс может быть применен как промежуточный шаг, либо как заключительный технологический этап. Различные варианты отжига могут использоваться с целью уменьшения твердости, формирования равномерной структуры, подходящей для последующих операций механической обработки, и снятия внутренних напряжений. В соответствии с параметрами, такими как температура нагрева, продолжительность и условия выдержки, отжиг классифицируется на два основных вида - I и II, каждый из которых имеет свои подкатегории.

Отжиг сталей первого рода – назначение, виды, температуры нагрева

В процессах отжига I типа, в зависимости от начального состояния сплава и температуры нагрева, происходят различные процессы, включая гомогенизацию, рекристаллизацию, устранение остаточных напряжений и снижение твердости. Все эти процессы могут проходить как при температурах выше, так и ниже температур фазовых трансформаций. Основными целями такой термической обработки являются устранение химической и физической неоднородности, которая обычно возникает после сварки, резки, обработки давлением и закалки.

Отжиг с целью гомогенизации (или диффузии)

Процедура термообработки используется для обработки слитков из сплавов. Этот процесс помогает уменьшить диндритную или внутрикристаллическую неоднородность, которая увеличивает предрасположенность металла к отрицательным эффектам во время обработки под давлением, включая:

• тонкий разрыв;
• Несоответствие характеристик в разных дирекциях;
• излом с многослойной структурой;
• трещинообразование;
• Уменьшение гибкости и текучести.

Метод диффузионного процесса:

• Подогревание до экстремальных температур (до +1200°C), в результате которого свойства структуры сплава становятся однородными во всех направлениях.
• Время устойчивости - от 15 до 20 часов.
• Заготовка быстро охлаждается до температуры 800-820°C, после чего процесс охлаждения продолжается более умеренными темпами на открытом воздухе.

После проведения процесса термической гомогенизации формируется крупнозернистый материал, который затем подвергается измельчению путем дальнейшего воздействия давления или теплового воздействия.

Процесс рекристаллизации при обработке стали

Тот тип термической обработки применяется для стальных изделий или полуизделий после процесса холодного деформирования или в перерывах между этими действиями. Процесс обработки включает в себя нагрев до уровней температури, которые превышают уровни температуры процессов рекристаллизации, термической стойкости и последующего охлаждения. Температурный режим процесса определяется на основе содержания углерода в сплаве.

• Стали с содержанием углерода от 0,08 до 0,2% обрабатываются при температуре 680-700°C. Это позволяет проводить процедуры такие как штамповка, прокатка и волочение.
• Сталь с высоким содержанием углерода и легированная сталь обрабатываются при температуре от +680 до +740 градусов Цельсия. В большинстве случаев используются калиброванные стержни из безникелевых хромовых и хромоникелевых марок металла. Время выдержки варьируется от 0,5 до 1,5 часов.

Чтобы устранить напряжения

Такой метод термической обработки используют для литья, сварных конструкций, деталей после нарезки, которые подвергаются резидуальным напряжениям из-за неоднородного охлаждения и пластического искажения. Резидуальные напряжения могут вызвать целый ряд отрицательных эффектов, включая изменение размеров и деформационные явления в процессе хранения, транспортирования и использования готовых изделий.

Процедура по устранению напряжений проводится в следующих диапазонах температур:

• Зубчатые передачи, червячные механизмы и прочие ходовые детали: температура +570-600°C с выдержкой в течение 2-3 часов после основного станкообработки; +160…+180°C с фиксацией на промежуток от 2 до 2,5 дней в след за завершающими процедурами, направленными на обеспечение снятия напряжений по окончании процесса шлифовки.
• Процесс снятия сварочных напряжений происходит при температуре +650-700°C.

Процесс рекристаллизационного отжига, включающий фазовые превращения, способствует снижению остаточных напряжений.

Отжиг II рода – процессы с фазовой перекристаллизацией

Термический процесс второго рода проводится только при условии превышения критической температуры, когда возможны фазовые изменения. Он бывает трех типов: полный, изотермический и неполный.

Полный

Нагрев до температуры, превышающей критическую температуру А, является определением полного отжига.₃(завершения процесса перекристаллизации), проведении до окончательного выполнения фазовых превращений и замедленном охлаждении. При подогреве до температур, которые превосходят точку А на 30-50°C.₃После полного отжига сталь получает однофазную аустенитную структуру с мелким зерном, что способствует увеличению вязкости и пластичности. Но при действии повышенных температур размер аустенитного зерна растет, что негативно влияет на характеристики полуизделия.

Тип обрабатываемых деталей, метод их размещения в печи и высота стеллажей определяют температуру нагрева и длительность выдержки в условиях высокой температуры. Для предотвращения окисления и избавления от углерода для стали, отжиг осуществляется в защитной среде.

Темп охлаждения во многом зависит от химического состава стали. Металл, демонстрирующий высокую стабильность переохлажденного перлита, требует более медленного охлаждения. Именно по этой причине углеродистые стали охлаждаются со скоростью от 100 до 150 градусов в час, в то время как легированные стали охлаждаются гораздо медленнее – от 40 до 60 градусов в час. После превращения аустенита в феррит в зоне охлаждения можно применять более интенсивные методы, включая охлаждение на открытом воздухе. Если главная задача такого процесса – устранение напряжений в деталях сложной формы, то медленное охлаждение в печи продолжают, пока не будут достигнуты нормальные температуры.

Типичное применение полного отжига заключается в обработке сортового проката, фасонных отливок и поковок, изготовленных из сталей со средним содержанием углерода.

Отжиг при постоянной температуре

В данном случае, процесс термики включает нагрев, как в процедуре полного отжига. Особенность этого метода заключается в быстром охлаждении до температур, которые находятся ниже критического уровня А.₁В типичном случае, сталь быстро охлаждают до температуры в пределах +660…680°С. Затем проводится изотермическая выдержка, длительностью до 6 часов. В течении этого времени происходит полное превращение аустенитной структуры. Далее, на последнем этапе, полуфабрикаты дополнительно охлаждают при контакте с воздухом.

Положительный момент изотермического процесса по отношению к полному заключается в уменьшении времени проведения операции. Это особенно важно для легированных сортов. Другое преимущество - получение структуры с максимальной единообразностью по всей поверхности обработанного предмета. Те заготовки, обработка которых осуществляется резанием, подвергаются отжигу при температуре 930-950°C, что способствует незначительному увеличению размера зерна и оптимизации обработки режущим инструментом.

Обычно изотермический отжиг используется для обработки поковок и сортового проката малых размеров, произведенного из сплавов. Применение такого метода для больших партий (более 20 тонн) не практикуется, так как в различных частях партии процесс превращения происходит при разнообразных температурных режимах.

Процедура, именуемая патентованием, предназначена для адаптации пружинной стали среднего углеродного содержания (0,6-0,9% C) с помощью уникальной изотермической обработки. Данный метод используется для предварительной подготовки проволоки к процессу последовательного сжатия в условиях холодного волочения.

Начальный этап заключается в нагревании заготовок до таких температур, на которых происходит полноценная аустенизация структуры (около +900°C). Затем следует погружение в соли, температура которых колеблется в диапазоне от +450 до +600°C.

Структуры сорбита или тонкопластинчатого троостита, которые формируются в результате такого процесса обработки, обеспечивают:

• перспектива существенных деформаций при растяжении;
• нет разрывов при холодной деформации;
• После окончательного процесса волочения достигается высокая устойчивость.

Частичный отжиг

В случае неполного отжига, температура нагрева металлического изделия незначительно превышает критическую температуру А.₁Данный способ термической обработки повышает эффективность резки полуфабрикатов из заэвтектоидных (с углеродом свыше 0,8%) легированных и углеродистых сталей.

Стадии неполного закалки в сталях, находящихся в состоянии заэвтектоидной фазы:

• Прогрев до уровней температуры, превышающих отметку А.₁Температура от 10 до 30 градусов Цельсия (обычно от +750 до 770 градусов Цельсия) позволяет в основном достичь полной рекристаллизации структуры. В ходе этой процедуры, ламеллярный феррит трансформируется в сфероидальную форму. Отсюда и часто используемое название этого процесса - сфероидизация.
• Температура должна снижаться до 600°C со скоростью до 60°C в час. Скорость охлаждения должна уменьшаться с увеличением количества легирующих элементов в составе стали.
• Охлаждение в атмосфере с +600°C до обычной температуры.

Отжиг с применением нормализации

Нормализационный отжиг или нормализация, является процедурой, которая занимает промежуточное положение между закалкой и отжигом. Она позволяет добиться у металла меньшей хрупкости, по сравнению с закалкой, и более высокой твердости, по сравнению с другими видами отжига. Именно из-за этих преимуществ нормализационный процесс широко используется при создании компонентов для машиностроения.

Часто процесс нормализации проводят при прокатном подогреве. Температурные параметры подогрева:

• Стали доэвтектоидные - до достижения температуры, которая превысит А.₃при температуре от 40 до 50 градусов Цельсия;
• Стали заэвтектоидного типа обладают температурой, которая на 40-50°C превышает точку Аm.

Затем проходит короткий период выдержки, в процессе которого происходит окончание фазовых преобразований, а охлаждение реализуется в атмосферных условиях.

Процесс нормализации включает в себя полную перекристаллизацию и измельчение структуры, которая формируется после литья, ковки, прокатки и штамповки. Нормализация используется для низкоуглеродистых сталей вместо отжига, чтобы повысить твердость, улучшить производительность при резании и повысить качество поверхности. Для некоторых типов легированных сталей, нормализация с охлаждением на воздухе заменяет процесс закалки. Горячекатаный прокат типа часто нагревается для нормализации с помощью токов высокой частоты.

Отжиг на зернистый перлит

Чтобы добиться структуры зернистого перлита, применяется метод маятникового отжига. Это обеспечивает хорошую обработку резанием для эвтектоидных и заэвтектоидных сталей, увеличивает скорость резания и улучшает качество поверхности. Подобный тип обработки подходит для тонких листов перед холодной штамповкой и прутков перед холодным волочением. В итоге мы получаем улучшение пластических свойств материала.

Пендульный режим отжига включает в себя несколько этапов подогрева материала до температуры выше критического значения А.₃Охлаждение проводится медленно до температуры +670…+700°C. После трех таких циклов достигается структура с полностью зернистым перлитом. Окончательное охлаждение происходит при воздействии воздуха.