Отжиг 1 рода – все особенности процесса

1 Отжиг 1 рода – общая информация о процессе

Под отжигом понимают операцию термической обработки, цель которой одна – создание равновесной структуры в обрабатываемом материале. Вне зависимости от конкретного типа отжига он включает в себя нагрев стали до какой-либо заданной температуры, при которой происходит его выдержка, а затем охлаждение (медленное) металла.

В процессе такой относительно несложной операции в металле уменьшается внутреннее напряжение, повышается пластичность и  снижаются прочностные характеристики.

Отжиг 1 рода годится для любых сплавов и металлов, а его осуществление не имеет отношения к фазовым модификациям в твердом состоянии.

Ключевыми параметрами при таком варианте отжига являются:

• время, в течение которого производится выдержка металла;
• температура нагрева.

Именно они устанавливают результативность процедуры, а вот скорость охлаждения и нагрева стали для данного отжига не столь важны.

Описываемый нами вид термообработки подразделяют на три группы, каждая из которых имеет свои особенности:

• гомогенизирующий отжиг (диффузионный);
• рекристаллизационный отжиг;
• отжиг для снятия напряжений (внутренних).

2 Гомогенизирующий отжиг первого рода – в чем его суть?

Задача гомогенизирующего отжига заключается в том, чтобы химическая неоднородность, которая создается в процессе рекристаллизации металлов, была снижена до требуемого уровня. После кристаллизации любой сплав имеет неравновесную структуру, что отличает его от чистых металлов. Под неравновесной понимают такую структуру, в которой химсостав и во всем слитке, и в одном зерне непостоянен. Подобная неоднородность вызвана тем, что исходные элементы имеют разную температуру плавления. Избавиться от нее полностью нельзя, но зато при проведении отжига есть возможность ее значительно уменьшить.

Высокотемпературный диффузионный отжиг должен проводиться с продолжительными выдержками (в некоторых случаях они достигают 48 часов, минимальное время выдержки – 2 часа). Подобная длительность процесса обусловлена тем, что в кристаллической решетке атомы при повышенной температуре характеризуются очень высокой подвижностью. За счет диффузии они с течением времени выравнивают химсостав, но проходит такой процесс не сразу, а постепенно.

Причем при термической обработке отмечается в основном нивелирование дендритной ликвации (усреднение состава в одном зерне). А вот устранение неоднородности в слитке (зольной ликвации) не достигается. По теоретическим расчетам удалить зольную неоднородность можно лишь в том случае, если выдерживать слиток на протяжении 2–3 лет, поддерживая постоянную высокую температуру.

При гомогенизации интерметаллидные фазы, находящиеся в неравновесном состоянии, растворяются. Подобные фазы формируются из-за быстрого протекания процесса кристаллизации. Впоследствии, когда осуществляется охлаждение металла на медленной скорости, неравновесных фаз подобного типа уже нет, поэтому обработанный материал можно без труда деформировать, так как он характеризуется высоким уровнем пластичности.

3 Особенности рекристаллизационного отжига

Более сложным является рекристаллизационный отжиг, который используется для устранения эффекта упрочнения металла. Под такой термической обработкой понимают нагрев материала до температурного показателя, который превышает величину начала его кристаллизации, выдержку металла и его охлаждение (опять же таки медленное).

Необходимость в рекристаллизации вызвана тем, что пластическая холодная деформация значительно изменяет свойства металла и его структуру. А деформация сдвигового типа становится причиной повышения плотности дислокаций и вакансий (изъяны кристаллической решетки). В результате этого зерна меняют свою форму и устремляются в сторону основной деформации. А это ведет к уменьшению пластичности металла и увеличению через некоторое время его прочности. Как результат – образование нагартовки либо наклепа, а затем и разрушение материала при попытке его деформирования.

Конкретная температура нагрева металла при рекристаллизационном отжиге выбирается в зависимости от того, какой сплав обрабатывается. Как правило, старт кристаллизации отмечается при температуре равной:

• 0,8Тпл (температура плавления) для термопрочных очень сложных по составу сплавов;
• 0,6Тпл для обычных сплавов;
• 0,4Тпл для чистых металлов.

Длительность рекристаллизационной термообработки меньше, нежели диффузионной. В зависимости от геометрических параметров изделия – от 30 до 120 минут. Заметим, что описанный вариант отжига допускается использовать и в качестве промежуточной обработки, и предварительной (перед началом холодной деформации), и финальной (если требуется получить продукцию с максимально высокими показателями пластичности).

4 Термическая обработка для снятия напряжений

В металле внутренние напряжения обычно образуются из-за разных вариантов обработки:

• шлифования;
• литья;
• деформации горячего типа;
• сварки.

Также они могут возникать из-за неравномерного нагрева слитка, разных схем охлаждения отдельных участков обрабатываемого изделия.

Такие напряжения иногда характеризуются по-настоящему высокими показателями, что может вызвать разрушение металла. Понятно, что допустить этого нельзя, а значит, требуется провести специальную термическую обработку при температурах равных 0,2–0,3 Тпл. В данном случае речь идет об отжиге при температуре меньше той, после которой отмечается рекристаллизация материала.

Дислокации легко скользят при повышенной температуре отжига, перераспределяются по металлу (переходят в зоны с малым содержанием внутренних напряжений из зон с большим содержанием), что в конечном итоге приводит к разрядке потенциально небезопасных напряжений. Длительность описанной термообработки обычно не превышает 2–3 часов (при обычной температуре указанная разрядка длилась бы не менее 1–2 лет).

5 Что представляет собой отжиг 2 рода, его разновидности

Под таковым понимают обработку с целью достижения равновесной структуры в сплавах и металлах, в которых фиксируются фазовые модификации. Особенность данного отжига в том, что после него возможно и полное, и только частичное изменение начальной структуры материала. По этой причине его делят на:

• неполный: исходная фаза частично остается неизменной;
• полный: перекристаллизация осуществляется в полной мере.

Также отжиг 2 рода принято подразделять на:

• нормализационный: рекомендован для улучшения структуры перегретого металла и обрабатываемости конструкционных сталей (не подходит для инструментальных сталей);
• изотермический: позволяет обрабатывать на максимально быстрой скорости небольшие поковки и прокатные изделия (для уменьшения их твердости) из высокоуглеродистых и легированных сталей;
• светлый: применяется для предохранения стальных поверхностей от потери углерода и окисления;
• сфероидизирующий: дает возможность подготовить для холодного деформирования среднеуглеродистые и низколегированные составы, снять внутренние напряжения и снизить их твердость.