Что такое отжиг и как он работает?

Отжиг — это процесс термической обработки, который может изменить физические свойства материала, а иногда и его химические свойства, как правило, за счет повышения пластичности и снижения твердости, что облегчает его обработку на станках или станках.

Обзор отжига

Отжиг — это процесс термической обработки, включающий нагрев металла до подходящей температуры, выдержку при ней в течение определённого времени и последующее медленное охлаждение (обычно в печи) до комнатной температуры. Суть отжига заключается в нагреве стали до полной аустенизации с последующим медленным охлаждением, способствующим перлитному превращению, что приводит к формированию близкой к равновесной микроструктуры.

Функция отжига

Отжиг проводится для достижения нескольких важнейших целей:

• Измельчение зерна и гомогенизация микроструктуры: измельчает структуру зерна, гомогенизирует внутреннюю микроструктуру и уменьшает химическую сегрегацию, подготавливая структурно материал для последующих процессов термической обработки.
• Снятие напряжений: устраняет остаточные внутренние напряжения в заготовке, предотвращая потенциальное растрескивание или чрезмерную деформацию, которые могут быть вызваны этими напряжениями.
• Снижение твердости и повышение пластичности: снижает твердость материала и повышает его пластичность, что имеет решающее значение для улучшения последующих операций холодной обработки, штамповки и механической обработки.

Процесс отжига обычно делится на 3 основных этапа:

1. Стадия восстановления: На стадии восстановления используется печь или другой тип нагревательного устройства для повышения температуры материала до точки, при которой снимаются его внутренние напряжения.
2. Стадия рекристаллизации: На стадии рекристаллизации материал нагревается выше температуры рекристаллизации, но поддерживается ниже температуры плавления. Это приводит к формированию новых зёрен, свободных от напряжений.
3. Стадия роста зерен: по мере формирования новые зерна продолжают развиваться. Этот рост контролируется охлаждением материала с заданной скоростью.

Выполнение трёх стадий приводит к повышению пластичности и снижению твёрдости материала. Иногда за отжигом могут следовать последующие процессы для дальнейшего изменения механических свойств материала.

Виды отжига

Методы отжига широко классифицируются в зависимости от температуры нагрева относительно критических температур (Ac1 или Ac3):

Рекристаллизационный отжиг фазового превращения (выше Ac1 или Ac3) включает полный отжиг, диффузионный отжиг, неполный отжиг и сфероидизирующий отжиг.

Отжиг ниже критической температуры (ниже Ac1 или Ac3) включает рекристаллизационный отжиг и отжиг для снятия напряжений.

Полный отжиг

Процесс включает нагрев стали до температуры на 20–30 °C выше линии Ac3, выдержку в течение определенного периода времени, а затем медленное охлаждение (охлаждение в печи) для получения близкой к равновесной микроструктуры (достижения полной аустенитизации).

• Применение: В основном используется для доэвтектоидных сталей (содержание углерода от 0.3% до 0.6%), обычно для отливок из среднеуглеродистой и низкоуглеродистой легированной стали, поковок, горячекатаных профилей и иногда сварных конструкций.
• Назначение: измельчение зернистой структуры, гомогенизация микроструктуры, устранение внутренних напряжений, снижение твёрдости и улучшение обрабатываемости стали. В результате в доэвтектоидной стали образуется структура феррит + перлит (Ф+П).
• Примечание: В процессе производства для повышения производительности детали часто вынимают из печи и охлаждают на воздухе, как только они достигают температуры около 500 °C.

Изотермический отжиг

Полный отжиг может быть длительным, особенно для легированных сталей с относительно стабильным переохлаждённым аустенитом. Изотермический отжиг значительно сокращает время отжига за счёт быстрого охлаждения аустенитизированной стали до температуры немного ниже Ar1, выдержки её в изотермических условиях для превращения аустенита (А) в перлит (Р), а затем охлаждения на воздухе до комнатной температуры.

Этот метод подходит для сталей со стабильной микроструктурой, таких как высокоуглеродистые стали (C > 0.6%), легированные инструментальные стали и высоколегированные стали (общее содержание легирующих элементов > 10%). Он способствует достижению однородной микроструктуры и стабильных свойств. Он не подходит для стальных деталей большого сечения или больших загрузок печи, поскольку достижение равномерной изотермической температуры по всей загрузке может быть сложной задачей.

Неполный отжиг

Сталь нагревают до температуры между Ac1 и Ac3 (для доэвтектоидной стали) или между Ac1 и Acm (для гиперэвтектоидной стали), выдерживают, а затем медленно охлаждают для получения близкой к равновесной микроструктуры.

Он применяется для получения сфероидальной перлитной структуры в гиперевтектоидных сталях, что способствует устранению внутренних напряжений, снижению твёрдости и улучшению обрабатываемости. Сфероидизирующий отжиг является разновидностью неполного отжига.

Сфероидизирующий отжиг

Специфический процесс термической обработки, предназначенный для сфероидизации карбидов в стали, приводящей к образованию зернистого перлита (сфероидального карбида). Материал нагревают до температуры на 20–30 °C выше температуры Ac1, выдерживают в течение определённого времени (обычно 2–4 часа) и обычно медленно охлаждают в печи или длительно выдерживают изотермически при температуре примерно на 20 °C ниже температуры Ar1.

В основном он применяется для эвтектоидных и гиперевтектоидных сталей, таких как углеродистые инструментальные стали, легированные инструментальные стали и подшипниковые стали.

Структура гиперевтектоидной стали после ковки или прокатки – пластинчатый перлит с сетками цементита – твердая, хрупкая, труднообрабатываемая. Станок с ЧПУ, и склонны к деформации/трещинообразованию во время окончательного гашениеСфероидизирующий отжиг приводит к образованию сфероидального перлита, в котором мелкие глобулярные частицы цементита распределены в ферритной матрице. Такая структура обладает меньшей твёрдостью, лучшей обрабатываемостью и, что особенно важно, предотвращает укрупнение зёрен аустенита при последующей закалке, тем самым снижая склонность к деформации и растрескиванию.

Если в гиперевтектоидной стали присутствует цементитная сетка, ее необходимо устранить путем нормализации, прежде чем сфероидизирующий отжиг сможет эффективно протекать.

Диффузионный отжиг

Включает в себя нагрев слитков, отливок или крупных поковок до высокой температуры, немного ниже линии солидуса, выдержку в течение длительного периода, а затем медленное охлаждение для устранения химической неоднородности (дендритной и региональной ликвации).

Температура нагрева очень высокая, обычно на 100–200 °C выше температуры Ac3 или Accm, в зависимости от степени сегрегации и марки стали. Время выдержки обычно составляет 10–15 часов.

Для устранения сегрегации, образующейся при затвердевании слитков, необходимо гомогенизировать химический состав и микроструктуру.

За диффузионным отжигом обычно следует полный отжиг или нормализация для измельчения крупнозернистой структуры.

В основном он применяется к высококачественным легированным сталям и отливкам или слиткам из легированной стали, имеющим серьезные проблемы сегрегации.

Отжиг для снятия напряжений

Отжиг для снятия напряжений включает нагрев стальной детали до определённой температуры ниже Ac1 (обычно 500–650 °C), выдержку при этой температуре (выдержка) и последующее медленное охлаждение (охлаждение в печи). Поскольку температура, используемая для отжига для снятия напряжений, ниже критической линии A1, этот процесс не вызывает никаких микроструктурных изменений. Его цель — устранить остаточные внутренние напряжения в детали.

Рекристаллизационный отжиг

Нагрев холоднодеформированного металла до температуры выше температуры рекристаллизации в течение определённого времени. Этот процесс приводит к преобразованию деформированных зёрен в однородные равноосные зёрна, что исключает наклёп и остаточные напряжения.

Температура нагрева должна быть на 100–200 °C выше минимальной температуры рекристаллизации (для стали около 450 °C). Минимальная температура рекристаллизации обычно составляет Tc = 0.4*Tm (абсолютная температура).

Соображения по выбору отжига

Выбор подходящего метода отжига обычно осуществляется по следующим принципам:

• Для сталей с доэвтектоидной микроструктурой обычно выбирают полный отжиг. Для сокращения времени отжига может быть выбран изотермический отжиг.
• Для гиперевтектоидных сталей обычно выбирают сфероидизирующий отжиг. При невысоких требованиях можно использовать неполный отжиг. Для инструментальных и подшипниковых сталей обычно выбирают сфероидизирующий отжиг. Сфероидизирующий отжиг иногда также применяется для холоднопрессованных и холодновысадочных деталей из низкоуглеродистой или среднеуглеродистой стали.
• Для устранения наклепа можно выбрать рекристаллизационный отжиг.
• Отжиг для снятия напряжений может быть выбран для устранения внутренних напряжений, возникающих в процессе производства. Диффузионный отжиг часто применяется для крупных отливок из некоторых высококачественных легированных сталей для улучшения неоднородности микроструктуры и химического состава.