Отжиг стали – что происходит со структурой сплава?

1 Отжиг металла – это что, и каких видов бывает?

В работе с металлами тяжело добиться идеального состояния прямо с первой выплавки, нужно произвести с деталями еще ряд операций. В этой статье мы разберем, что такое отжиг стали, когда применяют такой метод обработки, какие дефекты возникают во время этой операции и как с ними бороться. По сути это является самым первым этапом термического преобразования сплава. Заключается он в том, чтобы произошел нагрев стали до определенной температуры, далее некоторое время это состояние выдерживается, а затем следует и постепенное охлаждение. В результате такого вида обработки изменяется структура сплава и, соответственно, его свойства.

Существует несколько видов подобной термообработки, а уж какой из них применять, зависит от материала и желаемых свойств. Таким образом, полный отжиг предполагает нагрев до температуры, превышающей критическую не более чем на 20–40 °С. Что же насчет времени выдержки, так оно должны быть таковым, чтобы деталь смогла полностью прогреться, а в материале произошли все структурные превращения. Скорость охлаждения будет различной, в зависимости от типа стали, так для углеродистой она составит 180–200 °С/час, для низколегированной – около 100 °С/час, а для деталей, сделанных из высоколегированных сплавов, падать температура будет приблизительно на 50 °С за один час.

В случае когда не нужны серьезные структурные изменения, применяют неполный отжиг, при этом температура нагрева будет только чуть больше критической. А для того чтобы в результате получился зернистый перлит в структуре высокоуглеродистой стали, необходим специальный вид термической обработки. В этом случае невероятно важным является точное соблюдение температурного режима и скорости охлаждения. Сплав нагревают до 760–780 градусов Цельсия, а затем, немного выдержав, охлаждают до 700 °С и повторяют эту процедуру несколько раз. При изотермическом отжиге нагрев превышает критическую точку не более чем на 50 градусов Цельсия. Добиться химической однородности можно гомогенизацией, осуществляемой при очень высоких температурах, длительной выдержке (10–15 часов) и медленном охлаждении. Для рекристаллизационного отжига необходим нагрев до 680 градусов Цельсия.

Также одним из видов термической обработки металлов является нормализация, ее суть аналогична выше описываемому процессу. Сплав нагревают до заданной температуры, которая превышает критическую на 30–50 °С, выдерживают, а затем постепенно охлаждают.

2 Печи для отжига металла – используемое оборудование сегодня

Так как данный вид обработки предусматривает очень сильный нагрев, то, соответственно, необходимо и специальное оборудование. Так, для термического преобразования проволоки, стержней, канатов, а также легированной, средне- и низкоуглеродистой сталей нашли свое применение печи для отжига металла шахтного типа. Суть процесса заключается в следующем: среда внутри разогревается до тех пор, пока не будет достигнута номинальная температура, после этого же нагрев прекращается и осуществляется загрузка материала специальными подъемниками. Затем крышка печи плотно закрывается, и осуществляется подогрев до заданной отметки уже непосредственно для отжига. Далее следует выдержка и остывание изделия.

Иногда данный процесс включает в себя и подачу эндогаза, она осуществляется при температуре 750 °С и длится до тех пор, пока не закончится вся термообработка. Затем на нагревательные элементы перестает поступать электроэнергия, избыточное давление сбрасывается, открывается затворка, и изделия выгружаются опять-таки с помощью цеховых подъемников.

Одними из последних разработок являются непрерывно нормализующие печи. Они могут быть как с газовым нагревом, так и с косвенным. В последнем случае система подбирается в зависимости от конкретно нужной температуры и назначения. К их преимуществам относится возможность управления мощностью, повышенная безопасность, отличная термоизоляция и экологичность, по крайней мере, количество выбросов вредных веществ в атмосферу в разы меньше, чем при использовании устаревшего оборудования.

3 Какие процессы происходят в металле при отжиге?

Отжиг металла – это нагрев до весьма значительных температур, зачастую превышающих даже критическую, что не может не отразиться на его структуре. Однако, так как и режим при разных видах термообработки различен, да и изначально структура сталей неодинакова, то и изменения в них будут происходить непохожие в зависимости от этих факторов.

Таким образом, углеродистые доэвтектоидные стали, подвергшиеся полному отжигу, в результате получат перлитную структуру с включением зерен феррита. Низко- и среднеуглеродистые стали с содержанием углерода, не превышающим 0,45%, в основном имеют неоднородную структуру, после же обработки их зерна измельчаются и становятся более однородными.

При неполном отжиге изменению подвергается структура перлита, что же насчет феррита, так он неизменен. Таким образом, снимаются внутренние напряжения в материале, и он становится более мягким. При гомогенизации происходит распределение атомов (диффузия), при этом довольно часто следствием может служить укрупнение зерен. После нормализации структура стали становится мелкозернистой и более однородной.

4 Обязательно ли отжигать сталь?

Очень часто бывают случаи, когда последствиями какой-либо обработки является неустойчивое состояние материала. Например, результатом холодной пластической деформации может послужить искажение кристаллической решетки. Диффузионные процессы, которые должны пройти при затвердевании, не успевают произойти, что способствуют неоднородности сплава. Быстрое охлаждение, а также неравномерное распределение усилий приводит к неравномерному распространению упругой деформации. Без теплового движения атомов неустойчивое состояние стали будет сохраняться надолго. Таким образом, для того чтобы снять напряжение, свести искажение кристаллической решетки до минимума, а также осуществить диффузию и рекристаллизацию, необходим нагрев.

Кроме того, в случае нагрева выше температуры фазового превращения и дальнейшего медленного охлаждения произойдет структурированное равновесие сплава. Таким образом, с помощь отжига добиваются повышения уровня механических свойств, снятия внутренних напряжений, материал лучше поддается резке специальным инструментом, становится более мягким, а также данный этап считается подготовительным для дальнейшей термообработки.

5 Какие дефекты может создать отжиг стали?

При этом очень важно знать и о вероятных дефектах. Среди них окисление – возникновение на поверхности окислов железа и окалины. Связано это с выгоранием углерода в поверхностных слоях. Этот брак может привести к искажению геометрии деталей, снижению прочности, возникновению трещин, а также короблению. Дабы избежать данных дефектов, необходимо использовать защитные газы, чтобы снизить содержание кислорода в рабочей среде до минимума.

Еще виды дефектов, которые могут встретиться при отжиге, это перегрев и пережог. Возникают они при воздействии чрезвычайно высоких температур и длительной выдержке. В первом случае происходит укрупнение зерна, что приводит к появлению горячих трещин, снижению вязкости и прочности сплава. Бороться с этим можно только лишь повторной нормализацией. Второй же дефект характеризуется окислением самих зерен, а значит, и оплавлением поверхности. Исправить такой брак невозможно, поэтому деталь просто переплавляют.