Рекристаллизационный отжиг. изотермический отжиг

Предназначение изотермического отжига и нормализации

Изотермический отжиг применяется для высоколегированных и высокохромистых сталей. Его особенность заключается в нагреве металла на 30−50 градусов выше критической точки Ас3 и в ускоренном охлаждении до температуры выдержки ниже критической точки А1, а затем в естественном охлаждении на открытом воздухе.

Данный вид дает несколько видимых преимуществ, первое из которых заключается во времени, то есть весь процесс — начиная от нагрева, выдержки и до остывания — занимает гораздо меньше времени, чем этап остывания детали вместе с печью. Второе преимущество состоит в том, что при изотермической выдержке и резком охлаждении достигается более сглаженная и однородная структура по сечению детали.

• Нормализация. Процесс нормализации осуществляется в качестве промежуточного перед обработкой и закалкой в целях устранения наклепа и внутреннего напряжения. Доэвтектоидная сталь подвергается нагреву до критической точки Ас3 на 30−50 градусов выше, постепенно охлаждается на открытом воздухе. Причем в отличие от отжига при нормализации происходит переохлаждение, за счет чего и достигается более однородная тонкая и мелкозернистая структура.
• Последствия нормализации. Значительно повышается прочность и ударная вязкость стали. Нормализация протекает гораздо быстрее, чем отжиг, а ее производительность намного выше. Поэтому рекомендуется нормализовать стали, содержащие в своем составе углерод, а не подвергать отжигу.

Способы охлаждения при закаливании

При быстром охлаждении стальных изделий при закалке существует угроза возникновений больших внутренних напряжений, что приводит к короблению материала, а иногда и трещинам. Для того чтобы этого избежать там, где возможно, стальные детали лучше охлаждать в масле. Углеродистую сталь, для которой такое охлаждение невозможно, лучше охлаждать в воде.

Кроме среды охлаждения на внутренне напряжение изделий из стали влияет, каким образом они погружаются в охлаждающую среду. А именно:

• изделия, имеющие толстую и тонкую часть, лучше погружать в закалочную жидкость сначала объемистой частью;

• если изделие имеет вытянутую форму (сверла, метчики), нужно погружать строго вертикально, в противном случае они могут покоробиться.

Иногда требуется закалить не всю деталь, а только ее часть. Тогда применяется местная закалка. Изделие нагревается не полностью, зато в закалочную жидкость погружают всю деталь.

Полный отжиг

Полный отжиг проводят после ковки и прокатки для снижения твердости, повышения пластичности и выравнивания состава, структуры и свойств по сечению изделий.
 

Полный отжиг применяют, как показывает название, для полной фазовой перекристаллизации.
 

Цвета каления и соответствующие им температуры.

Полный отжиг применяют для измельчения структуры, улучшения обрабатываемости и устранения химической неоднородности стали.
 

Интервалы температур для различных видов отжига и нормализации углеродистой стали.

Полный отжиг сопровождается фазовой перекристаллизацией, в результате чего крупнозернистая сталь получает мелкозернистую структуру, освобождается от внутренних напряжений, становится мягкой и вязкой.
 

Полный отжиг должен иметь такую скорость охлаждения, при которой превращения аустенита протекают при малой степени переохлаждения. Практически скорость охлаждения не должна быть больше 50 — 100 С / ч, а при отжиге крупных изделий — не более 10 — 20 С / ч, что достигается их охлаждением с печью. Охлаждать заготовки с печью следует примерно до 500 С, а затем их можно охлаждать на воздухе.
 

Полный отжиг обеспечивается при температурах выше температуры рекристаллизации, выдержке в течение определенного времени при этой температуре и охлаждении вместе с печью. С точки зрения уменьшения сопротивления деформированию высокотемпературный отжиг предпочтителен. Для сталей это соответствует нагреву до температуры выше критической точки Ас. Однако с увеличением температуры резко увеличивается толщина слоя окалины и, кроме того, структура становится крупнозернистой, что не всегда допустимо. Поэтому наиболее распространен режим субкритического отжига стальных заготовок с нагревом до температуры несколько ниже критической точки Aci.
 

Полный отжиг заключается в нагреве стали до температуры, превышающей на 20 — 50 С критическую течку ACi, выдержке при этой температуре и последующем медленном охлаждении. При обычном отжиге стальные детали охлаждают медленно со скоростью 50 — 100 в час до 500 С, а затем на воздухе.
 

Полный отжиг применяется главным образом для стальных отливок, поковок и штамповок, а также для проката.
 

Полный отжиг применяется для уменьшения твердости стали, снятия внутренних напряжений и исправления ее структуры, нарушенной неправильным нагревом и охлаждением заготовки во время ковки, сварки, газопламенной резки. По режимам полного отжига обрабатываются также литые заготовки инструментов. Полный отжиг возвращает стали мелкозернистое строение, обеспечивающее лучшую вязкость и пластичность.
 

Температуры нагревов при различных видах термической обработки.

Полный отжиг обычно применяют для доэвтектоидной стали.
 

Полный отжиг ( рис. 137) заключается в нагреве доэвтектоидной стали на 30 — 50 С выше температуры, соответствующей точке Ас3, выдержке при этой температуре для полного прогрева металла и последующем медленном охлаждении, что достигается охлаждением в печи. При этом отжиге протекает процесс полной перекристаллизации стали.
 

Полный отжиг заключается в нагреве стали до температуры, превышающей на 20 — 50 С критическую течку АСз, выдержке при этой температуре и последующем медленном охлаждении. При обычном отжиге стальные детали охлаждают медленно со скоростью 50 — 100 в час до 500 С, а затем на воздухе.
 

Отжиг в домашних условиях

В быту для снижения прочности и упрощения последующей обработки металла возможно выполнить процедуру отжига упрощенным сспособом неполного отжига. Использование газовой горелки для нагревания не дает возможности проконтролировать температурный режим, поэтому температуру определяют «на глазок», в затененном месте. Изделие последовательно приобретает цвет разжаривания в зависимости от температуры (в градусах):

• темно-коричневый — t=530…580;
• коричнево-красный — t=580…650;
• темно-красный — t=650…730;
• темно-вишневый -t= 730…770;
• вишнево-красный — t=770…800;
• светло-вишневый — t=800…830;
• светло-красный — t=830…900;
• оранжевый — t=900…1050;
• темно-желтый -t= 1050…1150;
• светло-желтый — t=1150…1250;
• светло-белый — t=1250…1350.

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.

Отжиг

Операцию проводят для получения требуемой равновесной структуры с минимальной твердостью, с целью дальнейшей металлообработки получаемых изделий резанием. С особенностями вас познакомит видео:

Общее определение и виды

При отливе или прочих первичных процессах обработки помимо напряжения появляются дефекты. Убрать эти изменения и добиться однородной структуры кристаллической решетки можно с помощью следующего алгоритма действий:

• нагрев – необходимо немного превысить критическую отметку для этой разновидности стали;
• определенный период требуется держать стабильный температурный режим;
• следует медленно остудить заготовку вместе с печью.

У отжига есть следующие разновидности.

Гомогенизация

Относится к первому роду, когда изменения считаются незначительными. Задача подобной манипуляции – убрать неоднородность структуры, привести ее к однообразию. При этом следует нагревать изделие в температурном режиме от 1000 до 1150 градусов, затем выдерживать около 8-15 часов и постепенно снижать нагрев, охлаждая заготовку кислородом.

Рекристаллизация

Тоже разновидность 1 фазы отжига. Задача процедуры – привести все кристаллы в единый вид, а также снять внутреннее напряжение металла. Существует два подвида:

• смягчающий – обычно используется в качестве финальной обработки, подразумевает улучшение пластических характеристик;
• упрочняющий – увеличивает упругость, особенно актуально для закалки пружин.

Температура выбирается в зависимости от сплава, обычно на 100-200 градусов выше, чем точка рекристаллизации. Час или два необходимо поддерживать температурный режим, чтобы потом дать остывать не спеша.

Изотермический отжиг

Цель – достижение высокотемпературной гранецентрированной модификации железа (распад аустенита) для его смягчения. При этом получается более однородная структура изделия. Чаще такой тип металлообработки применяют к небольшим штамповкам, потому что их можно без проблем подвергнуть быстрому охлаждению. Процесс:

• нагрев на 20-30 градусов больше предела материала;
• непродолжительное выдерживание;
• быстрое остывание – это преимущество перед прочими подвидами.

Для устранения напряжений

Это операция удаления, снятия негативного внутреннего состояния излишней твердости, из-за которой металл становится хрупким и недолговечным. Он быстро деформируется от внешних физических воздействий. Процесс подразумевает температуры от 700 до 750, затем небольшое охлаждение до 600 и выдержку до 20 часов, затем под воздействием воздуха медленное остужение.

Отжиг полный

Применяется для создания пластичной, однородной мелкозернистой структуры. Наиболее характерный метод промежуточного воздействия на металлопрокат – после литья, ковки, штамповки и до резания любым способом. Этапы:

• нагрев на 30-50 больше предела стали;
• выдерживание;
• очень медленное остывание вместе с печью – в 60 минут не более 50-150 градусов.

Неполный

Значительные преобразования на уровне кристаллической решетки отсутствуют, но придается твердость ранее пластичным материалам. Это особенно нужно конструкциям, образованным методом сварных соединений, а также инструментам, которым нужна особенная прочность. Метод предполагает температуру около 700, и спустя 20 часов постепенное охлаждение.

Дефекты закалки

К дефектам закалки относятся:

• трещины,
• поводки или коробление,
• обезуглероживание.

Главная причина трещин и поводки — неравномерное изменение объема детали при нагреве и, особенно, при резком охлаждении. Другая причина — увеличение объема при закалке на мартенсит.

Трещины возникают потому, что напряжения при неравномерном изменении объема в отдельных местах детали превышают прочность металла в этих местах.

Лучшим способом уменьшения напряжений является медленное охлаждение около температуры мартенситного превращения. При конструировании деталей необходимо учитывать, что наличие острых углов и резких изменений сечения увеличивает внутреннее напряжение при закалке.

Коробление (или поводка)возникает также от напряжений в результате неравномерного охлаждения и проявляется в искривлениях деталей. Если эти искривления невелики, они могут быть исправлены, например, шлифованием. Трещины и коробление могут быть предотвращены предварительным отжигом деталей, равномерным и постепенным нагревом их, а также применением ступенчатой и изотермической закалки.

Обезуглероживание стали с поверхности — результат выгорания углерода при высоком и продолжительном нагреве детали в окислительной среде. Для предотвращения обезуглероживания детали нагревают в восстановительной или нейтральной среде (восстановительное пламя, муфельные печи, нагрев в жидких средах).

Образование окалины на поверхности изделия приводит к угару металла, деформации. Это уменьшает теплопроводность и, стало быть, понижает скорость нагрева изделия в печи, затрудняет механическую обработку. Удаляют окалину либо механическим способом, либо химическим (травлением).

Выгоревший с поверхности металла углерод делает изделия обезуглероженным с пониженными прочностными характеристиками, с затрудненной механической обработкой. Интенсивность, с которой происходит окисление и обезуглерожевание, зависит от температуры нагрева, т. е. чем больше нагрев, тем быстрее идут процессы.

Возможные дефекты при отжиге стали

Все основные дефекты при отжиге стали связаны с нарушением температурных режимов и воздействием на металл активных газовых сред. При слишком высокой температуре нагрева сначала происходит чрезмерное укрупнение зерен, а при значениях, близких к температуре плавления, начинается проникновение кислорода внутрь металла и окисление границ его структурных элементов. Первый дефект, называемый перегревом, можно исправить повторной термообработкой, а второй (он называется пережогом) приводит к необратимым изменениям. Самым активным газом, вызывающим изменение химического состава поверхности стали, является кислород. При воздействии открытого пламени на поверхности стали появляется упрочненный слой из смеси оксидов железа, именуемый окалиной. С нею связано не только уменьшение объема стали в заготовке, но и возможное возникновение проблем с механической обработкой после отжига. Удаление окалины вызывает повышение трудозатрат и дополнительный расход материалов на травление или дробеструйную обработку. Еще одним результатом воздействия кислорода является обезуглероживание, которое приводит к деградации поверхностного слоя стали и может образовать микротрещины и поверхностную деформацию.

Цели и назначение нормализации

Нормализация имеет несколько назначений – нельзя рассматривать ее только как способ увеличить твердость стали. В некоторых случаях с помощью этого процесса добиваются обратного эффекта по твердости, а также могут снижать прочность и ударную вязкость металла

Здесь важно понимать, что любая сталь имеет механическую и термическую историю

Основной целью нормализации является достижение эффекта нивелирования напряжений, которые возникли в структуре материала по тем или иным причинам. В результате сталь легче обрабатывать разными способами, и она получает дополнительные характеристики в результате обработки.

Если взять, к примеру, стальные отливки, то обработка методом нормализации позволит получить гомогенизацию кристаллической структуры, снизить остаточные напряжения и повысить способность к термическому упрочнению.

Стальные предметы, которые были получены методом давления, после проведения прокатки и ковки подвергают нормализации с целью уменьшить полосчатость и разнозернистость структуры соответственно.

Еще одно свойство нормализации: она позволяет переводить крупнозернистую структуру металла в более мелкое состояние. Такая обработка улучшает способность к закалке, обработке при помощи резания, позволяет удалять сетку так называемого вторичного цемента в стали заэвтектоидной. Все это способствует подготовке изделия к термической обработке последнего этапа технологического процесса.

Диффузионный отжиг

Диффузионный отжиг является вариантом полного отжига. Его проводят для стальных слитков. Для литой стали характерны неоднородность химического состава, а также дендритная ликвация. Операцию диффузионнго отжига, которую называют также гомогенизацией, проводят при высокой температуре, обычно до 1000-1100 °С. Такой нагрев с выдержкой приводит к устранению или смягчению дендритной неоднородности. Однако в результате такого высокого нагрева возникает крупнозернистая структура, которая требует дополнительной термической обработки, обычно – отжига. Если диффузионный отжиг применялся к слиткам, которые предназначены для обработки металлов давлением (прокатке, ковке), то в отжиге нет необходимости – зерно измельчится последующей пластической деформацией.

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, неполный;
• рекристаллизационный;
• диффузионный;
• изотермический;
• сфероизодизационный;
• нормализационный.

Полный отжиг стали

Полный обжиг проводится на изделиях из доэвтектоидных сплавов или сталей, содержащих карбон в количестве ≤ 0,8%. Цель проведения операции — измельчение зерна и улучшение качества обработки с применением режущего инструмента, снятие внутренних напряжений материала. Нагрев происходит на 30..50°С выше точки Ас3, затем деталь постепенно остужают, не вынимая из печи. Охлаждаясь, аустенит выделяет мелкозернистые, гомогенные (однородной структуры) ферриты и перлиты (франц. — жемчуг). Температура нагревания выбирается по типу стали и диаграмме состояний, данные зафиксированы в справочных материалах. Продолжительность охлаждения назначают по составу и структуре металла:

• углеродистые сплавы — 180…200°С/час;
• низколегированные — 90°С/час;
• высоко легированные — 50°С/час.

После проведения процедуры полного отжига неоднородная структура углеродистых или доэвтектоидных сплавов становится однородной, что дает податливость дальнейшей обработке.

Неполный

В отличие от полного, кардинально меняющего структурный состав металла, неполный отжиг изменяет только перлитовую, не затрагивая ферритовую структуру. Перлит , входящий в состав структур сталей, чугуна, других железоуглеродистых материалов, представляет собой цементит и феррит в эвтектоидной смеси. Основная задача неполного отжига — сделать сплавы максимально мягкими и податливыми.

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 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.

Режимы отжига быстрорежущих сталей Режимы отжига углеродистых инструментальных сталей Режимы отжига легированных инструментальных сталей

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

Что такое отжиг металла

Отжиг металла применяется для получения равновесной и однородной структуры при подготовке изделия к последующей термической или механической обработке, а также для улучшения его физических характеристик после операций резания, сварки, штамповки, прокатки или закалки. Цель отжига — устранить внутренние неоднородности стали, улучшить ее зернистость и равномерность кристаллической решетки, а также снять остаточное напряжение, вызываемое деформацией изделия при различных видах обработки. Особенности этой технологии позволяют:

• привести свойства стали к требованиям последующей термообработки;
• улучшить характеристики материала заготовки перед обработкой резанием или давлением;
• предотвратить деформацию и устранить внутренние напряжения сварных и литых изделий;
• восстановить исходное качество стали после неудачной закалки.

Одной из характерных особенностей такой термообработки является то, что остывание нагретого металла происходит естественным образом, без применения охлаждающих сред. А температура нагрева при отжиге зависит от состава стали и требуемого результата.

Принципы обработки

Основной принцип – суммарное время термообработки на заготовку равняется времени необходимому на ее нагрев до требуемой температуры, времени выдержки металла под нужной температурой и способа охлаждения.

Время и степень нагрева материала определяется индивидуально, они зависят от нескольких факторов:

• размера обрабатываемой детали;
• вида металла;
• типа печи, в которой обрабатывается заготовка;
• скорости преобразования свойств материала.

Ознакомиться с основными видами и способами термической обработки можно на примере такого металла, как сталь. В современной промышленности сталь является самым востребованным видом металла. Она используется при изготовлении как массивных конструкций, так и при создании сверхточных инструментов.

Изобретение этого материала стало возможным в результате получения сплава железа и углерода. Содержание углерода в стальном сплаве составляет не более 2,1%. Как производится термическая обработка стальных изделий?

Термическая обработка металлов

Это интересно: Сталь 95х18 для ножей — плюсы и минусы, характеристика

Используемое оборудование сегодня

В термических цехах для закалки, отпуска и отжига изделий из стали, как правило, используют одно и то же оборудование. Нагрев осуществляют в камерных печах с открытыми или закрытыми источниками тепла, а также индукционными и газопламенными установками. Отдельные виды этого оборудования могут работать с защитными средами из вакуума или химически нейтральных газов. Для выполнения изотермических операций применяют печи или ванны с расплавленными металлами и солями. Транспортировка изделий производится специальными тележками с рельсовыми направляющими, при этом остужение изделий на воздухе обычно осуществляется прямо на этих транспортных средствах. Для погрузки и разгрузки деталей используются мостовые и консольные краны и кран-балки.