Что такое полный отжиг
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:
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.
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:
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.
7 методов и технология отжига стали
Металлургия производит огромное количество марок стали. Для выполнения разных задач часто требуются специфические характеристики металла, которые обеспечить заводы не в состоянии. Тогда на обрабатывающих предприятиях производится доработка сырья до нужной кондиции. Отжиг стали — одна из наиболее частых операций по приданию нужных качеств.
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:
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.
Охлаждение не меняет номеров точек, не вызывает обратной перестройки материала.
Линия «II» выстроена для эвтектоидных сталей.
Что даёт отжиг металлов
Способ и режим термообработки назначается по составу сплава.
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 отжиг стали
После проведения процедуры полного отжига неоднородная структура углеродистых или доэвтектоидных сплавов становится однородной, что дает податливость дальнейшей обработке.
Неполный
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.
Особенности отжига различных сплавов
Отжиг в домашних условиях
Изделия следует нагревать на нагретых металлических подставках. Для охлаждения используют различные среды — воду комнатной температуры или нагретую до 50°С, водные растворы, масла, воздух. Ускоряет охлаждение добавка кухонной соли, едкого натра, селитры. Замедляет процесс добавка жидкого мыла, масляной эмульсии, жидкого калиевого или натриевого стекла, известкового молочка.
Охлаждение с высокой скоростью дает твердый закал, приводящий к высоким внутренним напряжениям, возможны трещины, а медленное охлаждение не даст твердости закала. Для получения деталей одинаковой степени закалки следует использовать ванну большой емкости или заменять среду закаливания после каждой операции.
Следует помнить, что режимы высоких температур потенциально пожароопасны, их проводят с соблюдением правил пожарной безопасности в подготовленных помещениях с огнезащитой поверхностей и качественной приточно-вытяжной вентиляцией. При проведении отжига обязательно использовать средства защиты — спецодежду и обувь, рукавицы, головной убор с защитным козырьком.
Что такое отжиг стали
Чтобы обеспечить надежность и долговечность металлоконструкций, прибегают к отжигу сталей. Завод металлоконструкций ЧЗМК располагает всем необходимым для этого оборудованием.
Почему нужна термическая обработка металла
В процессе эксплуатации металлоконструкции изделия из стали и других сплавов подвергаются различным нагрузкам – статическим, динамическим, циклическим. На них оказывают воздействие агрессивные среды, перепады температур. Чтобы обеспечить высокую эксплуатационную надежность, необходимо упрочнить структуру материала. Для этого используют разнообразные процедуры, включая термообработку.
Для упрочнения и стабилизации эксплуатационных свойств металла, предстоит повысить его механические и физико-химические показатели. Отжиг стали – термическая обработка, которая и позволяет достичь желаемого эффекта путем последовательного нагрева, выдержки и охлаждения сплава.
Такая процедура позволяет целенаправленно поменять характеристики металла. Благодаря отжигу стали этого удается достичь с максимальной точностью. Хотя схожего эффекта добиваются и другими способами. Например, вовлекают химические вещества, подвергают материал электромеханической обработке.
Во время отжига сталей в структуре происходят важнейшие изменения:
Конечный результат зависит от точности соблюдения технологии. Чтобы получить желаемый эффект, выполняя отжиг стали, учитывают химический состав сплава. Под него подбирают температурно-временные параметры, защитную среду. В противном случае в процессе возможно обезуглероживание, окисление, науглероживание.
Чаще всего к отжигу стали прибегают перед дальнейшей обработкой металла. Воздействуя на сплав посредством высоких температур, удается понизить показатель его твердости. Благодаря этому будет легче придавать заготовкам желаемые формы при помощи резательного и другого инструмента.
Поскольку структура стали становится более однородной, химические, механические и физические характеристики улучшаются.
Виды отжига
Чтобы получить равновесную структуру, к сталям применяют несколько вариантов термообработки. Но в любом случае предполагается три этапа процедуры:
Параметры выдержки на каждом этапе подбирают под марку стали. В таком случае удается снизить внутренние напряжения и повысить пластичность для уравновешивания структуры.
Основное отличие между разными видами заключаются в том, какая используется температура. Однако имеет значение также способ и скорость охлаждения – иногда его выполняют крайне медленно, оставляя металл в печи, а порой процесс протекает на открытом воздухе.
Полный и неполный отжиг
Благодаря грамотной термообработке после устранения структурной неоднородности легче подвергать металлы резке и другим процедурам. К классическим видам отжига стали относят полный и неполный.
Первый предполагает нагрев металла на 30-50 градусов выше критической точки на начальной стадии. Когда структура превратится в аустенит, начинается медленное охлаждение в печи. Как правило, для этого выдержка длится около одной четверти времени, которое требовалось для нагрева.
Скорость медленного охлаждения при полном отжиге сталей зависит от марки:
Температура снижается до 400-600 градусов. В результате образовывается феррит и перлит. Во время отжига охлаждение выполняют не только в печи, но и на воздухе, если хотят добиться нормализации.
Такой способ гарантирует полную перекристаллизацию. В крупнозернистых сталях структура становится мелкозернистой. Из металла уходят напряжения, он более вязкий и мягкий. Данный способ помогает также устранить дефекты, которые образовались при предыдущей обработке. Например, к нему прибегают после литья или деформации, сварки либо термообработки, которая привела к неблагожелательным результатам.
При неполном отжиге сталей температуру удерживают, не превышая верхнюю критическую точку. Однако она должна быть выше нижней критической. Далее следует медленное охлаждение.
К неполному отжигу стали прибегают для того, чтобы облегчить их обработку методом резки. Поэтому по отношению к мягким сплавам он применим редко. Кроме того, данный вид не поможет избавиться от дефектов.
Наиболее востребован данный вид отжига при работе с инструментальными сталями. Так как они становятся более податливыми к резанию, уменьшаются затраты на последующую обработку.
Изотермический отжиг
Некоторые марки стали не поддаются полному и неполному отжигу. Например, сталь конструкционная 18Х2Н4ВА. Даже самое медленное охлаждение не помогает поменять структуру должным образом. В таком случае прибегают к изотермическому отжигу.
Отличие заключается в том, что охлаждение происходит с остановкой. Благодаря этому удается добиться цели и придать сталям необходимые характеристики.
Процесс изотермического отжига начинается с нагрева до определенной температуры. Какой именно, зависит от марки стали. Далее переходят к охлаждению, но, когда доходят до 670-600 градусов, на этом на некоторое время останавливаются. После продолжают охлаждать сплав.
К преимуществам изотермического отжига относят увеличение производительности печей. Поскольку сокращается время, необходимое для термообработки.
Если говорить о специфике воздействия на металл, определенным сталям удается придать желаемую структуру благодаря тому, что поддерживается определенная температура, при которой происходит распад аустенита на ферритно-цементитную смесь. Когда этот процесс завершается, нет необходимости продолжать медленное охлаждение – оно может идти быстро, поэтому заготовку выставляют на воздух.
При работе с легированными сталями изотермический отжиг наиболее целесообразен. Альтернативой может быть только процесс с крайне медленным охлаждением. И все равно не получится добиться такой идеальной однородной структуры, как при интервальном способе.
Диффузионный отжиг
Если приходится работать со стальными слитками, тогда вышеперечисленные методы бывают недейственными. Литым сталям свойственна неоднородность химического состава. Из-за дендритной кристаллизации сплавов неоднородным становится химический состав дендритных кристаллов. Поэтому и приходится прибегать к особому отжигу сталей. Его называют диффузионным, хотя еще считают подвидом полного.
В данном случае на первой стадии отжига стали нагревают до отметки, которая намного выше интервала превращений. А именно, разница в большую сторону составляет в пределах 180-300 градусов. Дальше переходят к медленному охлаждению, чтобы придать стали желаемую структуру.
Этот способ помогает сделать сплав однородным, уменьшив микроликвацию. Поэтому встречается еще одно название такого отжига сталей – гомогенизация. Путем диффузии удается выровнять химическую неоднородность.
Длительность диффузионного отжига достигает до сотни часов. Только на выдержку уходит около 12-15 ч. Последующее охлаждение с температур в 1100-1150 до 250-200 градусов весьма долгое. Причем нередко требуется еще один отжиг. Поскольку после гомогенизации стали получаются крупнозернистыми. Однако, когда их готовят под прокат или ковку, то в дополнительной термообработке нет необходимости. Так как пластическая деформация поможет измельчить зерно.
Рекристаллизационный отжиг
Если металл прошел процесс холодной деформации, его термообработка требует особого подхода. Тогда прибегают к рекристаллизационному отжигу. Благодаря специфике процесса удается уменьшить прочность и увеличить пластичность параллельно со снятием наклепа, который неизбежно образовывается в ходе холодной пластической деформации.
Для выполнения рекристаллизационного отжига необходимо достичь температуры, которая на 100-150 градусов выше порога рекристаллизации. Далее следует выдержка и охлаждение. Для отжига холоднодеформированной стали самое главное – не перегреть металл. В противном случае зерно станет крупнее, а пластичность будет утрачена.
Этот вид отжига особенно часто применим по отношению к цветным металлам, а со сталями таким образом работают реже. Если его используют, то преимущественно перед очередным холодным деформированием либо перед окончательной термообработкой.
Для данного метода прибегают к помощи диаграмм рекристаллизации, чтобы правильно рассчитать продолжительность и температуру. Чтобы исключить укрупнение зерен и разрозненности структуры после отжига холоднодеформированной стали, прибегают к ускорению нагрева. Быстрее добиться достижения нужной температуры удается, погрузив заготовку в соляную ванну.
Особенности отжига различных видов стали
Чтобы не возникали сложности разного рода, к процедуре прибегают, изучив состав сплава. Большое значение имеет содержание углерода в стали. На основании сведений о свойствах рассчитывают температуру нагрева, длительность выдержки и время охлаждения.
Время рассчитывают, учитывая назначение отжига. От него требуются структурные изменения в сталях, поэтому продолжительность процедуры должна быть такой, чтобы металл успел не только прогреться, но и измениться. В случае нарушения регламента или в результате ошибок в расчетах возникают дефекты.
Например, после отжига, выполненного с нарушениями, образовывается окисление поверхностного слоя с образованием окалины. С нею борются при помощи химических реактивов. Но возможна очистка стали механическим образом.
Для отжига необходимы специальные печи не только по той причине, что металл разогревают до очень высоких температур: важно исключить воздействие кислорода. Иначе произойдет выгорание углерода, что приведет к ухудшению механических и технологических свойств стали. Поэтому в печи подают специальные газы, именуемые защитными.
Если температура будет превышена, в результате зерно станет слишком крупным, а металл обретет нежелательную хрупкость. Подобный дефект исправляют, повторяя процедуру заново. Однако, если все допустимые значения нагрева и выдержки значительно превышены, может произойти пережег. В таких сталях нарушаются связи между зернами. Поэтому металл бесповоротно портится.
Чтобы исключить ошибки, необходимо понимать процессы, протекающие в сталях, и обладать профессиональными навыками. У нас трудятся компетентные специалисты, которые знают, что такое отжиг, умеют работать с различными сплавами. Они выбирают необходимый режим в соответствии с маркой и поставленной целью. Череповецкий завод металлоконструкций располагает необходимым оборудованием и инструментами для работы с различными сталями.