Рекристаллизационный отжиг и его отличия от других видов термообработки стали

1 Когда производится рекристаллизационный отжиг

Под отжигом рекристаллизационного вида подразумевают нагрев металла до температуры, превышающей показатель температуры кристаллизации не менее, чем на 100–200 °С и выдержку его в течение определенного времени. Финальная стадия процесса – охлаждение материала. Данный отжиг может подразделяться на неполный, полный и текстурирующий. На практике наиболее часто применяется полный отжиг (обратите внимание на то, что закалка стали и ее отжиг являются разными процессами). Полный вариант рекристаллизационной термической обработки используется в качестве:

• процедуры, предшествующей обработке (холодной) металла давлением: в этом случае материал становится более пластичным, что облегчает в дальнейшем работу с ним;
• выходного вида термообработки: готовое изделие либо полуфабрикат получают требуемые по условиям производства характеристики;
• промежуточной операции в процессе холодного деформирования металла: отжиг дает возможность эффективно удалять наклеп.

Нередко рекристаллизационный отжиг применяется и после горячей обработки давлением, когда медленная рекристаллизация не прошла полностью, что не позволило снять наклеп. Обычно подобной обработке подвергаются горячекатаные рулоны из сплавов на основе алюминия. Также процедура выполняется в таких ситуациях:

• после прокатки (холодной) лент, листов, фольги из различных сплавов и цветных металлов, проволоки и прутков, холодной штамповки стали, холодного волочения труб;
• при изготовлении изделий и полуфабрикатов из цветных металлов: в этом случае отжиг является, по сути, отдельной процедурой термической обработки, которая применяется намного чаще, нежели в процессе производства стали.

Как правило, полная рекристаллизация для различных материалов длится не более 1 часа, при условии, что отжиг осуществляется при заданных температурах для каждого из них:

• от 300 до 400 °С – магниевые сплавы;
• от 800 до 1150 °С – никелевые сплавы;
• от 650 до 710 °С – стали углеродистой группы;
• от 350 до 430 °С – сплавы на основе алюминия;
• от 670 до 690 °С – титан;
• от 700 до 850 °С – медноникелевые композиции;
• от 300 до 500 °С – алюминий;
• от 600 до 700 °С – бронзы и латуни, а также медь (последняя может отжигаться и при температуре от 500 °С).

2 Диффузионный отжиг – особенности процесса

Его также называют гомогенизирующим. Подобная термообработка проводится для устранения результатов ликвации дендритного типа. Диффузионному отжигу подвергается легированная сталь, в которой показатели вязкости и пластичности могут снижаться именно из-за внутрикристаллической либо дендритной ликвации. Это приводит к образованию в стальных слитках флокенов, слоистого или хрупкого излома. Гомогенизирующий отжиг, как правило, не используется для углеродистых сталей (дендритная ликвация в них вследствие "оперативной" диффузии углерода при обработке давлением исчезает сама).

Цель диффузионной обработки литого металла состоит в том, чтобы добиться его равновесной структуры, а также улучшения механических характеристик и однородности свойств по всему объему готовой продукции. При гомогенизирующем отжиге наблюдаются такие процессы:

• избыточные фазы растворяются;
• химический состав выравнивается;
• из твердого пересыщенного раствора происходит выделение фаз;
• возникновение пор и их рост;
• увеличение размеров зерна.

Описываемый вид термообработки предполагает длительную выдержку металла при температурах существенно выше критических (не менее 1100–1200 градусов Цельсия). На первом этапе нагрева отмечается растворение тройной и четверной эвтектики (при постоянном давлении нонвариантная точка в жидком растворе), затем происходит нагрев до двойной эвтектики, а на последней стадии – до температуры солидуса (диаграммная линия, на которой полностью исчезают капли расплава), являющегося метастабильным. При этом важно, чтобы металл не пережигался (границы зерен не должны окисляться) и не перегревался, так как это чревато чрезмерным увеличением параметров зерен.

3 Изотермический отжиг – нюансы термообработки стали

Рекомендован для легированных сталей. Его особенность состоит в том, что аустенит распадается на смесь из цементита и феррита при неизменной температуре.

При иных видах отжига подобный распад требует постоянного уменьшения температуры (происходит охлаждение металла).

После распада аустенита охлаждение может производиться на воздухе, так как скорость охлаждения значительной роли уже не играет. Преимущества такого охлаждения следующие:

• однородность структуры легированных композиций (аустенит превращается в перлит при одинаковой температуре, что недостижимо, если применяются другие виды отжига стали);
• снижение времени, затрачиваемого на термическую обработку (отпадает необходимость осуществлять медленное, а значит, очень длительное охлаждение).

Рассматриваемый отжиг выполняется по такой схеме:

• нагрев стали до температурного показателя, превышающего величину Ас3 (критическая верхняя точка) на 50–70 градусов;
• снижение температуры ниже Ас1 на 150 градусов;
• перенос нагретой детали в ванну либо печь с температурой не более 700 °С для изотермической выдержки.

Изотермическая выдержка продолжается до тех пор, пока не будет зафиксирован распад аустенита в полной мере. Конкретная длительность процедуры зависит не только от состава металла, но еще и от геометрических размеров детали. По этой причине изотермическая выдержка может идти и несколько часов (обычно для легированных составов), и буквально несколько минут (горячекатаные листы из углеродистых сталей).

4 Различия между полным и неполным отжигом

Полный отжиг обеспечивает фазовую полную перекристаллизацию стали, он избавляет металл от различных дефектов структуры, придает стали важные свойства, дает возможность смягчить ее для последующей резки. Суть процедуры состоит в том, что доэвтектоидная сталь нагревается выше температуры Ас3 на 30–50 градусов, прогревается, а затем медленно охлаждается. В большинстве случаев выдержка продолжается не более 60 минут (минимум – полчаса) на одну тонну стали, а скорость нагрева равняется примерно 100 С/ч.

Скорость охлаждения может варьироваться в зависимости от состава стали и уровня устойчивости аустенита. Необходимость же медленного охлаждения вызвана потребностью избежать формирования чересчур твердой ферритно-цементитной дисперсной структуры. Регулируется скорость остывания посредством охлаждения печи (выключенный частично либо полностью обогрев, открытая или закрытая дверца).

Доэвтектоидная сталь после такого отжига имеет структуру, которая состоит из избыточного перлита и феррита. Очень важно не перегревать металл выше Ас3 более рекомендованных показателей, так как в этом случае свойства стали существенно ухудшатся из-за увеличения зерна аустенита.

Неполный отжиг выполняется при температурах ниже Ас3, но выше Ас1. Подобный нагрев приводит к частичной перекристаллизации (в аустенит превращается лишь некоторая часть феррита), что не позволяет избавиться от дефектов стали, имеющих отношение к форме и размерам "лишнего" феррита. Подобный вид термообработки подходит для сталей без ферритной полосчатости, которые нужно только смягчить перед резкой, уменьшив их твердость.