Что значит отожженная сталь

Что такое отжиг стали

Чтобы обеспечить надежность и долговечность металлоконструкций, прибегают к отжигу сталей. Завод металлоконструкций ЧЗМК располагает всем необходимым для этого оборудованием.

Почему нужна термическая обработка металла

В процессе эксплуатации металлоконструкции изделия из стали и других сплавов подвергаются различным нагрузкам – статическим, динамическим, циклическим. На них оказывают воздействие агрессивные среды, перепады температур. Чтобы обеспечить высокую эксплуатационную надежность, необходимо упрочнить структуру материала. Для этого используют разнообразные процедуры, включая термообработку.

Для упрочнения и стабилизации эксплуатационных свойств металла, предстоит повысить его механические и физико-химические показатели. Отжиг стали – термическая обработка, которая и позволяет достичь желаемого эффекта путем последовательного нагрева, выдержки и охлаждения сплава.

Такая процедура позволяет целенаправленно поменять характеристики металла. Благодаря отжигу стали этого удается достичь с максимальной точностью. Хотя схожего эффекта добиваются и другими способами. Например, вовлекают химические вещества, подвергают материал электромеханической обработке.

Во время отжига сталей в структуре происходят важнейшие изменения:

• меняется фазовый состав;
• перераспределяются компоненты;
• колеблются размеры и формы кристаллических зерен.

Конечный результат зависит от точности соблюдения технологии. Чтобы получить желаемый эффект, выполняя отжиг стали, учитывают химический состав сплава. Под него подбирают температурно-временные параметры, защитную среду. В противном случае в процессе возможно обезуглероживание, окисление, науглероживание.

Чаще всего к отжигу стали прибегают перед дальнейшей обработкой металла. Воздействуя на сплав посредством высоких температур, удается понизить показатель его твердости. Благодаря этому будет легче придавать заготовкам желаемые формы при помощи резательного и другого инструмента.

Поскольку структура стали становится более однородной, химические, механические и физические характеристики улучшаются.

Виды отжига

Чтобы получить равновесную структуру, к сталям применяют несколько вариантов термообработки. Но в любом случае предполагается три этапа процедуры:

Параметры выдержки на каждом этапе подбирают под марку стали. В таком случае удается снизить внутренние напряжения и повысить пластичность для уравновешивания структуры.

Основное отличие между разными видами заключаются в том, какая используется температура. Однако имеет значение также способ и скорость охлаждения – иногда его выполняют крайне медленно, оставляя металл в печи, а порой процесс протекает на открытом воздухе.

Полный и неполный отжиг

Благодаря грамотной термообработке после устранения структурной неоднородности легче подвергать металлы резке и другим процедурам. К классическим видам отжига стали относят полный и неполный.

Первый предполагает нагрев металла на 30-50 градусов выше критической точки на начальной стадии. Когда структура превратится в аустенит, начинается медленное охлаждение в печи. Как правило, для этого выдержка длится около одной четверти времени, которое требовалось для нагрева.

Скорость медленного охлаждения при полном отжиге сталей зависит от марки:

• углеродистым требуется около 100-150 градусов в час;
• легированным – 30-50 градусов в час.

Температура снижается до 400-600 градусов. В результате образовывается феррит и перлит. Во время отжига охлаждение выполняют не только в печи, но и на воздухе, если хотят добиться нормализации.

Такой способ гарантирует полную перекристаллизацию. В крупнозернистых сталях структура становится мелкозернистой. Из металла уходят напряжения, он более вязкий и мягкий. Данный способ помогает также устранить дефекты, которые образовались при предыдущей обработке. Например, к нему прибегают после литья или деформации, сварки либо термообработки, которая привела к неблагожелательным результатам.

При неполном отжиге сталей температуру удерживают, не превышая верхнюю критическую точку. Однако она должна быть выше нижней критической. Далее следует медленное охлаждение.

К неполному отжигу стали прибегают для того, чтобы облегчить их обработку методом резки. Поэтому по отношению к мягким сплавам он применим редко. Кроме того, данный вид не поможет избавиться от дефектов.

Наиболее востребован данный вид отжига при работе с инструментальными сталями. Так как они становятся более податливыми к резанию, уменьшаются затраты на последующую обработку.

Изотермический отжиг

Некоторые марки стали не поддаются полному и неполному отжигу. Например, сталь конструкционная 18Х2Н4ВА. Даже самое медленное охлаждение не помогает поменять структуру должным образом. В таком случае прибегают к изотермическому отжигу.

Отличие заключается в том, что охлаждение происходит с остановкой. Благодаря этому удается добиться цели и придать сталям необходимые характеристики.

Процесс изотермического отжига начинается с нагрева до определенной температуры. Какой именно, зависит от марки стали. Далее переходят к охлаждению, но, когда доходят до 670-600 градусов, на этом на некоторое время останавливаются. После продолжают охлаждать сплав.

К преимуществам изотермического отжига относят увеличение производительности печей. Поскольку сокращается время, необходимое для термообработки.

Если говорить о специфике воздействия на металл, определенным сталям удается придать желаемую структуру благодаря тому, что поддерживается определенная температура, при которой происходит распад аустенита на ферритно-цементитную смесь. Когда этот процесс завершается, нет необходимости продолжать медленное охлаждение – оно может идти быстро, поэтому заготовку выставляют на воздух.

При работе с легированными сталями изотермический отжиг наиболее целесообразен. Альтернативой может быть только процесс с крайне медленным охлаждением. И все равно не получится добиться такой идеальной однородной структуры, как при интервальном способе.

Диффузионный отжиг

Если приходится работать со стальными слитками, тогда вышеперечисленные методы бывают недейственными. Литым сталям свойственна неоднородность химического состава. Из-за дендритной кристаллизации сплавов неоднородным становится химический состав дендритных кристаллов. Поэтому и приходится прибегать к особому отжигу сталей. Его называют диффузионным, хотя еще считают подвидом полного.

В данном случае на первой стадии отжига стали нагревают до отметки, которая намного выше интервала превращений. А именно, разница в большую сторону составляет в пределах 180-300 градусов. Дальше переходят к медленному охлаждению, чтобы придать стали желаемую структуру.

Этот способ помогает сделать сплав однородным, уменьшив микроликвацию. Поэтому встречается еще одно название такого отжига сталей – гомогенизация. Путем диффузии удается выровнять химическую неоднородность.

Длительность диффузионного отжига достигает до сотни часов. Только на выдержку уходит около 12-15 ч. Последующее охлаждение с температур в 1100-1150 до 250-200 градусов весьма долгое. Причем нередко требуется еще один отжиг. Поскольку после гомогенизации стали получаются крупнозернистыми. Однако, когда их готовят под прокат или ковку, то в дополнительной термообработке нет необходимости. Так как пластическая деформация поможет измельчить зерно.

Рекристаллизационный отжиг

Если металл прошел процесс холодной деформации, его термообработка требует особого подхода. Тогда прибегают к рекристаллизационному отжигу. Благодаря специфике процесса удается уменьшить прочность и увеличить пластичность параллельно со снятием наклепа, который неизбежно образовывается в ходе холодной пластической деформации.

Для выполнения рекристаллизационного отжига необходимо достичь температуры, которая на 100-150 градусов выше порога рекристаллизации. Далее следует выдержка и охлаждение. Для отжига холоднодеформированной стали самое главное – не перегреть металл. В противном случае зерно станет крупнее, а пластичность будет утрачена.

Этот вид отжига особенно часто применим по отношению к цветным металлам, а со сталями таким образом работают реже. Если его используют, то преимущественно перед очередным холодным деформированием либо перед окончательной термообработкой.

Для данного метода прибегают к помощи диаграмм рекристаллизации, чтобы правильно рассчитать продолжительность и температуру. Чтобы исключить укрупнение зерен и разрозненности структуры после отжига холоднодеформированной стали, прибегают к ускорению нагрева. Быстрее добиться достижения нужной температуры удается, погрузив заготовку в соляную ванну.

Особенности отжига различных видов стали

Чтобы не возникали сложности разного рода, к процедуре прибегают, изучив состав сплава. Большое значение имеет содержание углерода в стали. На основании сведений о свойствах рассчитывают температуру нагрева, длительность выдержки и время охлаждения.

Время рассчитывают, учитывая назначение отжига. От него требуются структурные изменения в сталях, поэтому продолжительность процедуры должна быть такой, чтобы металл успел не только прогреться, но и измениться. В случае нарушения регламента или в результате ошибок в расчетах возникают дефекты.

Например, после отжига, выполненного с нарушениями, образовывается окисление поверхностного слоя с образованием окалины. С нею борются при помощи химических реактивов. Но возможна очистка стали механическим образом.

Для отжига необходимы специальные печи не только по той причине, что металл разогревают до очень высоких температур: важно исключить воздействие кислорода. Иначе произойдет выгорание углерода, что приведет к ухудшению механических и технологических свойств стали. Поэтому в печи подают специальные газы, именуемые защитными.

Если температура будет превышена, в результате зерно станет слишком крупным, а металл обретет нежелательную хрупкость. Подобный дефект исправляют, повторяя процедуру заново. Однако, если все допустимые значения нагрева и выдержки значительно превышены, может произойти пережег. В таких сталях нарушаются связи между зернами. Поэтому металл бесповоротно портится.

Чтобы исключить ошибки, необходимо понимать процессы, протекающие в сталях, и обладать профессиональными навыками. У нас трудятся компетентные специалисты, которые знают, что такое отжиг, умеют работать с различными сплавами. Они выбирают необходимый режим в соответствии с маркой и поставленной целью. Череповецкий завод металлоконструкций располагает необходимым оборудованием и инструментами для работы с различными сталями.

Источник

Суть технологии отжига стали, виды и назначение

Суть отжига стали: физика процесса, виды и области применения. Различия отжига первого и второго рода. Описание рекристализационного, диффузионного, гомогенизационного отжига. Особенности отжига меди, латуни с сплавов. Применяемое оборудование.

Отжиг стали — это один из видов термообработки, применяемый в качестве подготовительной или заключительной операции при закалке, сварке, обработке резанием или давлением.

Основное назначение отжига заключается в изменении структуры стали для снижения ее твердости и придания ей пластичности и ударной вязкости, а также устранения внутренних напряжений. Для этого стальные изделия нагревают выше критической температуры, а затем подвергают медленному охлаждению.

После такой обработки изменяется структура металла, его зернистость и равномерность кристаллической решетки. Температура нагрева при отжиге выбирается в зависимости от целей конкретной операции, а также процентного содержания в стали углерода и легирующих добавок.

Для определения временных параметров нагрева и остывания, которые во многом зависят от массы и формы изделия, используют расчетные методы и данные из технологических справочников.

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.

Процессы в металле при отжиге

Отжиг металла выполняется для возвращения его микроструктуры в исходное состояние, которое, как правило, характеризуется мягкостью, пластичностью и отсутствием напряжений.

При отжиге углеродистых сталей изделие сначала разогревают до температуры, несколько превышающей точку аустенита, а затем естественным способом остужают до комнатной температуры. В результате получается сталь, состоящая из сочетания перлита с ферритом с упорядоченной кристаллической структурой.

В зависимости от состава металла и целей обработки отжиг стали может быть без фазовых преобразований (1-го рода) или с их использованием (2-го рода). Первый способ чаще всего применяют после механообработки для устранения нагартовки, а второй — перед закалкой для получения исходной структуры материала.

Отжиг первого рода

Как правило, первый вид применяется после литья, горячей и холодной обработки давлением, а также различных видов обработок резанием. Он имеет несколько вариантов технологии отжига, которые используют в зависимости от того, какие неравновесные состояния структуры стали предполагается устранить, в том числе:

• рекристаллизационный;
• гомогенизационный (диффузионный);
• для снижения напряжений;
• высокий.

При применении этого вида термообработки все процессы реструктуризации стали протекают самопроизвольно, вне зависимости от изменений в фазовых составляющих, а нагрев лишь ускоряет их.

Гомогенизационный отжиг

Этот вид термообработки также называют диффузионным отжигом, т. к. выравнивание распределения химических элементов по объему изделия происходит с помощью диффузии.

При литье легированных сталей в их структуре формируются древовидные (дендритные) неоднородности, при этом легирующие элементы (хром, молибден, ванадий) концентрируются в средней части таких образований. После нагрева их атомы становятся более подвижными и диффундируют в области с меньшей концентрацией.

При гомогенизирующем отжиге сталь разогревают до температур, близких к плавлению (до 1200 ºC), а затем медленно остужают в печи в течение десятков часов. В результате большой длительности процесса металл становится крупнозернистым. Это недостаток исправляют последующей термообработкой, отжигая деталь на мелкое зерно.

Рекристаллизационный отжиг

При обработке стальных деталей давлением происходит деформационное упрочнение металла, которое называется нагартовкой или наклепом. Для снижения жесткости и повышения пластичности применяют рекристаллизационный отжиг, позволяющий восстановить деформации и искажения в кристаллической решетке стали.

Для этого деталь нагревают до температуры, превышающей на 150÷200 ºC порог рекристаллизации (для углеродистой стали это составляет около 700 ºC), выдерживают под нагревом, а затем остужают.

При операциях холодной штамповки этот вид термообработки может применяться как в качестве предварительного или межоперационного, для снижения жесткости заготовки, так и в качестве окончательного, для придания готовому изделию требуемой пластичности.

Отжиг, уменьшающий напряжение

Такие напряжения часто имеют достаточно большую величину и в совокупности с эксплуатационными могут оказаться выше порога прочности изделия. Для их уменьшения стальные детали отжигают по специальной методике в температурном диапазоне, находящемся ниже точки рекристаллизации.

Температуру нагрева и выдержки выбирают в зависимости от марки металла и целей отжига. Для углеродистых сталей она находится в интервале от 150 до 700 ºC. Время термообработки зависит от массы и габаритов изделия и может составлять несколько часов.

Высокий отжиг

Этот вид термообработки используют главным образом для изделий из высоколегированных сталей с малым содержанием углерода. Для этого деталь нагревают до 650÷700 ºC, выдерживают при этой температуре около часа, а затем медленно охлаждают либо в остывающей печи, либо полностью засыпав просушенным песком в специальном ящике.

Таким способом отжигают зубчатые колеса после механической обработки.

Отжиг второго рода

• полный;
• неполный;
• изотермический;
• нормализационный;
• маятниковый;
• патентирование.

Все они характеризуются нагревом выше критической точки, а различаются временем выдержки и охлаждения, а также применимостью к конкретным маркам стали.

Полный и неполный отжиг

Температура нагрева при этом методе не должна превышать критическую точку Ас3 более чем на 50 ºC, а охлаждение проводится постепенно, вместе с остыванием печи. Этот метод применим только к сталям с содержанием углерода до 0.8 %, т. к. при большем значении этого параметра резко возрастает зернистость.

Для получения таких же результатов при термообработке высокоуглеродистых сталей (с содержанием углерода более 0.8 %) используют неполный отжиг, при котором изделие нагревают на 30÷50 ºС выше температуры Ас1, а затем также медленно охлаждают.

Оба метода основаны на фазовом переходе от аустенита к перлиту, а их результатом является уменьшение размера зерна и улучшение соответствующих физических характеристик металла.

Изотермический отжиг

Изотермический отжиг проводят путем нагрева изделия выше точки Ас3 с последующим его переносом в печь или ванну с расплавом солей, разогретую до температуры 620÷700 ºC.

В этом месте оно выдерживается определенное время до полного распада аустенита, а затем остужается на воздухе. Длительность выдержки определяется габаритами детали и маркой стали: для низкоуглеродистой стали это могут быть минуты, а для легированной — часы.

Данный вид термообработки предназначен для сталей с содержанием углерода менее 0.8 % и чаще всего используется для улучшения структурных свойств легированных сталей.

Нормализационный отжиг

Нормализацию сталей с содержанием углерода менее 0.3 % можно проводить вместо отжига второго рода. При большем содержании углерода у нее возрастает твердость и прочность, что не всегда приемлемо для механообработки.

В результате нормализации низкоуглеродистых сталей у них формируется более тонкая структура, поэтому этот вид термообработки иногда носит название стабилизирующий отжиг.

Маятниковый отжиг

Эта процедура называется маятниковым (или циклическим) отжигом и при повторении нагрева/охлаждения не менее трех раз позволяет получить перлит со стопроцентной зернистостью.

Патентирование

Патентирование является одним из узкоспециализированных видов изотермической термообработки, предназначенным для подготовки стальной проволоки к многократному обжатию в процессе холодного волочения.

Для этого ее вначале нагревают до 900 ºC, а затем некоторое время выдерживают в расплаве солей или свинца при температуре 500÷600 ºC. После этого она охлаждается на воздухе и приобретает сорбитовую структуру с включениями троостита, обладающую высокой прочностью на разрыв и необходимой для обжатия пластичностью.

Особенности отжига различных металлов и сплавов

У остальных изменение внутренней структуры при термообработке происходит за счет рекристаллизации и диффузионных процессов. Температура, при которой происходит внутренняя рекристаллизация алюминия, находится в интервале от 120 до 300 ºC, поэтому его отжигают с нагревом не выше 320 ºC.

Его сплавы (группы АД, АК, Д, АВ) отжигаются при более высоких температурах (370÷430 ºC) с последующим остужением на воздухе от получаса до нескольких часов.

Отжиг меди производят с нагревом до красного свечения (600÷700 ºC). Скорость охлаждения не влияет на качество отожженного металла, поэтому изделия из меди можно охлаждать в воде. При отжиге латунь и большинство бронз также нагревают до 700 ºC, а медно-никелевые сплавы — до 850 ºC, но охлаждать их можно только на воздухе.

Изделия из чистого титана отжигают с нагревом до температуры 600÷700 ºC, а из его сплавов — до 650÷750 ºC. Выдержка при нагреве составляет несколько десятков минут с последующим остужением на воздухе. Отжиг чугуна, также являющимся сплавом железа и углерода, происходит на основании тех же физических законов и технологий, что и у стали.

Используемое оборудование сегодня

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.

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.

В Интернете встречаются утверждения, что отдельные виды латуни можно отжигать с охлаждением в воде, но при этом марки такой латуни не указываются. Если вы что-нибудь знаете об этом, поделитесь, пожалуйста, информацией в комментариях.

Источник