Технология отжига

Отжиг является весьма распространенной операцией термообработки сталей и чугунов. В зависимости от назначения режимы отжига могут быть весьма различны. Различают следующие основные виды отжига:

-диффузионный

- для снятия напряжений

- отжиг с фазовой перекристаллизацией

- рекристаллизационный

- нормализация

По отношения к фазовым превращения в твердом состоянии различают отжиг первого рода, не связанный с фазовыми превращениями, и отжиг второго рода - с фазовыми превращениями

Диффузионный ( гомогенизирующий) отжиг применяется для устранения дендритной ликвации в слитках и отливках, а также для уменьшения гетерогенности микроструктуры прокатанной стали.

Дендритная ликвация, как известно, возникает при кристаллизации металла из расплава. При прокатке вытягивание ликвационных микрообластей приводит к первичной строчечности и анизотропности структуры. Некоторые важные свойства стали весьма чувствительны к такой анизотропии, особенно- ударная вязкость.

Параметрами строчечности являются расстояния между строчками, а так же градиент концентрации в направлении, перпендикулярном строчкам. На “профиль концентрации” влияют степень деформации при прокатке, а также степень легированности стали:

Рис 10 Схема изменения строчечности нелегированной (а) и легированной (б) стали при прокатке:

η - степень деформации

λ - расстояние между строчками

Δ - градиент концентрации

Из рис10 следует, в частности, что в нелегированных сталях легче устранить дендритную ликвацию

Устранение дендритной ликвации возможно лишь при большой диффузионной подвижности атомов, Поэтому стали нагревают до 1000 - 1200 град С и длительно выдерживают ( 10 - 15 ч). Таким образом, это весьма дорогой вид термообработки. Следует иметь в виду, что при таком нагреве образуется крупнозернистая видманштеттовая микроструктура, имеющая характерное игольчатое строение феррита:

Задача: рассчитать диффузионный путь атома углерода в стали при температуре 1000 град С, если коэффициент диффузии углерода в γ-железе при этой температуре

D =10м/с, время термообработки – 10 часов

Рис 11 Структура перегретой стали (а). эта же структура . исправленная термообработкой (б).

Ввиду больших расходов на диффузионный отжиг его стараются избегать. Для этого применяют следующие меры

-стремятся уменьшить ликвацию при разливке

- нагрев заготовки под обработку давлением проводить как диффузионный отжиг.

Отжиг для снятия напряжений применяется для уменьшения остаточных напряжений в заготовках и изделиях без существенного изменения свойств.

Остаточные напряжения создают большие упругие деформации во внутренних объемах металла. Снятие этих напряжений происходит за счет перехода части упругой деформации в пластическую при нагреве металла - так как предел текучести при нагревании уменьшается:

Рис. 12 Влияние температуры на предел текучести стали с 0.1% С

Кроме того при нагревании существенно возрастает диффузионная подвижность атомов

Температура отжига для сталей лежит ниже А1, как правило, от 450 до 650 град С и всегда ниже уже проведенного отпуска ,продолжительность нагрева 1 - 2 мин на каждый миллиметр толщины, выдержка после прогрева не менее 20 - 30 минут.

Важен точный выбор температуры и времени выдержки для снятия напряжений. Связь между температурой отжига Т и временем выдержки t учитывается параметром Холломона:

Р = 0,001Т( 20 + lgt )

Таблица

Уровень остаточных напряжений в строительных сталях после отжига

Уровень остаточных напряжений ,%	Продолжительность отжига, ч ,при температурах, град С
	530	550	580
40	0,5	-	-
30	6	2	-
20	63	18	3
10	-	160	28

Вопрос: Рассчитать параметр Холломона (для каждого уровня остаточных напряжений) по данным вышеприведенной таблицы

Рекристаллизационный отжиг применяют для устранения наклепа после холодной пластической деформации (обработки давлением), а также для восстановления пластичности перед дальнейшей обработкой давлением (например, промежуточные отжиги при волочении проволоки)

Рекристаллизация углеродистых сталей начинается при температуре выше 450 град С. Отжиг листовой стали в автомобилестроении проводят при 650...670 град С после деформации 20%. Такой отжиг обеспечивает при дальнейшей холодной вытяжке хорошую пластичность и гладкую поверхность

Степень предварительной деформации и режим рекристаллизационного отжига являются способом регулирования размера зерна. Этим особенно пользуются для таких сплавов, которые не имеют фазовых превращений в твердом состоянии ( например, ферритные и аустенитные стали). Как известно. для сталей работающих в обычных условиях наилучшим является мелкое зерно. Однако, для повышения жаропрочности предпочтительны стали с крупным зерном. При отжиге электротехнической листовой стали так же добиваются получения крупнокристаллической структуры, улучшающей магнитные характеристики стали.

Отжиг с фазовой перекристаллизацией ( отжиг второго рода) - применяется для получения равновесной структуры с целью понижения твердости. повышения пластичности и вязкости стали, улучшения обрабатываемости, измельчения зерна. Различают два вида фазовых отжига - полный отжиг с температурой нагрева выше Ас3 и неполный отжиг. когда температура выше Ас1 но ниже Ас3.

Полный отжиг применяется для исправления структуры литой или кованой стали, если она крупнозернистая. Он заключается в нагреве стали выше точки Асз на 30...50 град С. выдержке при этой температуре до полной перекристаллизации с последующим медленным охлаждением. Скорость охлаждения углеродистой стали 150...200 град в час, легированной стали - 30...100 град/ч.

Вопрос: Почему для легированой стали скорость охлаждения ниже?

Полный отжиг повышает прочность, пластичность и вязкость литой стали. Прочность горячекатаной стали несколько понижается. (Почему? ).

Полный отжиг применяется для улучшения обрабатывемости резанием доэвтектоидных сталей. Оптимальная структура для механической обработки таких сталей- тонкопластинчатый перлит с сеткой феррита( обеспечивается хорошее качество поверхности и стойкость инструмента).

Неполный отжиг заключается в нагреве стали выше температуры точки Ас1. но ниже точки Ас3. выдержке и последующем медленном охлаждении. Такой отжиг применяют в основном для заэвтектоидных инструментальных сталей. При этом в ряде случае стремятся получить зернистый перлит( в котором частицы цементита сфероидизированы) . При этом улучшается обрабатываемость резанием и холодное деформирование.

Как получить зернистый перлит? Вообще, сферическая форма обладает меньшей энергией ,чем пластинчатая, поэтому длительная выдержжка при температуре Т ≈ А1 ( см рис 14-а) приведет к зернистому перлиту:

Рис 13 Процесс разделения пластинок цементита

Различные варианты сфероидизирующего отжига представлены на рис 14 Для ускорения сфероидизации иногда проводят маятниковый отжиг ( рис 14-б). но практичнее всего вариант (в )

Рис 14 Варианты режимов сфероидизирующего отжига

Нормализация стали. При нормализации сталь нагревают выше температуры точек Асз или Асm на 30...50 град С ( см Рис 15 ). После выравнивания температуры по всему сечению детали охлаждаются на спокойном воздухе. Таким образом по своему режиму нормализация является промежуточной операцией между отжигом и закалкой. основной целью нормализации является получение однородной мелкозернистой структуры, устранение сетки цементита в структуре заэвтектоидной стали. частичное снятие внутренних напряжений и наклепа, улучшение штампуемости и обрабатываемости резанием. Низкоуглеродистые стали подвергают нормализации вместо отжига - это дешевле. Среднеуглеродистые стали при нормализации “подкаливаются”. так как в их структуре появляется сорбит вместо перлита.

Нормализация во многих случаях является окончательной термической обработкой

Нормализации часто подвергают стальные отливки ( для устранения крупного зерна) , поковки и штамповки.

На рис 15 представлены в обобщенном виде температурные области всех рассмотренных видов отжигов на поле диаграммы железо-углерод

Рис 15 Температура нагрева при отжиге и нормализации

1 –диффузионный отжиг,2- рекристаллизационный отжиг, 3- отжиг для снятия напряжений, 4- полный отжиг, 5- неполный отжиг, 6- нормализация

1 – 3 – отжиги I рода, 4 – 5 – отжиги II рода

Вопрос: Стальной лист после холодной вытяжки и рекристаллизационного отжига получил крупнокристаллическое строение. Как можно исправить дефект?

Вопросы по темам: «Теория термообработки» и «Отжиг»

1. Виды термических обработок. Понятие о равновесном и неравновесном состоянии материала

2. Основные структуры стали. Основные превращения этих структур при термообработке

3. Превращение перлита в аустенит при нагреве . Факторы, влияющие на размер зерна аустенита. Наследственность стали

4. Превращение аустенита в перлит при охлаждении. Три температурные области превращения, соответствующие структуры.

5. Диаграмма изотермического распада аустенита. Способ построения. Информация, которую она дает.

6. Превращение аустенита в перлитной области, типы структур

7. Виды отжига, их температурные области на диаграмме железо-углерод

8. Диффузионный отжиг: назначение, режимы. Задача: рассчитать диффузионный путь атома

9. Отжиг для снятия напряжений: понятие о внутренних напряжения, причины их возникновения. Механизм снятия напряжений при отжиге.

10. Рекристаллизационный отжиг: понятие о рекристаллизации, режим отжига. От чего зависит размер рекристаллизованного зерна?

11. Полный нормальный отжиг: назначение, области применения, режимы, получаемая структура

12. Неполный отжиг, отжиг на зернистый перлит

13. Нормализация стали, область применения, режимы