Отжиг

Отжиг — термическая обработка, которая заключается в нагревании до определенной температуры, выдерживании при этой температуре и последующем медленном охлаждении. Отжиг применяют для получения в металлах равновесной структуры, улучшения обрабатываемости, повышения пластичности, уменьшения остаточных напряжений.

Отжиг бывает первого и второго рода.

Отжиг первого рода — это отжиг, при котором не происходит структурных изменений, связанных с фазовыми превращениями. Такая термообработка устраняет частично (или полностью) всякого рода неоднородности и неравновесности, которые образовались в металле при предшествующих операциях (механической обработке, обработке давлением, литье, сварке).

Отжиг первого рода в свою очередь делится на гомогенизацию, рекристаллизационный отжиг и отжиг для снятия внутренних напряжений.

Гомогенизация — отжиг, направленный на уменьшение химической неоднородности металлов, получающейся в результате рекристаллизации. В отличие от чистых металлов, все сплавы после кристаллизации имеют неравновесную структуру, т. е. их химический состав является переменным как в пределах одного зерна, так и в пределах всего слитка.

Химическая неоднородность обусловлена различной температурой плавления компонентов сплава. Чем меньше эта разница, тем более заметна химическая неоднородность. Устранить ее полностью невозможно, можно только уменьшить. Для этого применяют высокотемпературный отжиг с продолжительными выдержками (от 2 до 48 часов). При высокой температуре подвижность атомов в кристаллической решетке большая, и через некоторое время вследствие процессов диффузии происходит постепенное выравнивание химического состава вещества. Однако выравнивание химического состава происходит в пределах одного зерна, т. е. устраняется в основном дендритная ликвация. Для того чтобы устранить зональную ликвацию (химическую неоднородность в объеме слитка), необходимо выдерживать слитки при данной температуре в течение нескольких лет, что практически невозможно.

В процессе гомогенизации происходит постепенное растворение неравновесных фаз, которые могут образовываться в результате кристаллизации с большой скоростью. При медленном охлаждении после отжига такие неравновесные фазы больше не выделяются. Поэтому после гомогенизации металл обладает повышенной пластичностью и легко поддается пластической деформации.

Рекристаллизационный отжиг. Холодная пластическая деформация вызывает изменение структуры металла и его свойств. Сдвиговая деформация вызывает увеличение плотности дефектов кристаллической решетки. Образование ячеистой структуры происходит с изменением формы зерен: они сплющиваются, вытягиваются в направлении главной деформации. Все эти процессы ведут к тому, что прочность металла постепенно увеличивается, а пластичность снижается. Дальнейшая деформация такого металла невозможна, так как происходит его разрушение. Для снятия эффекта упрочнения применяют рекристаллизационный отжиг, который заключается в нагревании металла до температур выше начала кристаллизации, его выдержке с последующим медленным охлаждением. Температура нагревания зависит от состава сплава. Для чистых металлов температура начала рекристаллизации /_р = 0,4Г_пл, где Г_пл — температура плавления; для обычных сплавов /_р = 0,6 Г_пл; для сложных термопрочных сплавов /_р = 0,8 Т_пл. Продолжительность такого отжига зависит от размеров детали и в среднем составляет от 0,5 до 2 ч. В процессе ре-кристаллизационного отжига происходит образование зародышей новых зерен и последующий их рост. Постепенно старые деформированные зерна исчезают. Число дефектов в кристаллической решетке уменьшается, металл возвращается в исходное состояние, т. е. становится более пластичным.

Отжиг для снятия внутренних напряжений. В металле в результате различной обработки могут возникать внутренние напряжения. Это могут быть термические напряжения, возникшие в результате неравномерного нагревания, разной скорости охлаждения отдельных частей детали после горячей деформации, литья, сварки, шлифовки и резания, или структурные напряжения, появившиеся в результате структурных превращений, которые происходят внутри детали в разных местах с разной скоростью. Внутренние напряжения в металле могут быть значительными и, накладываясь на рабочие напряжения, могут превысить предел прочности, что приведет деталь к разрушению. Устранить внутренние напряжения можно с помощью отжига при температуре ниже температуры рекристаллизации: /_отж = 0,2—0,3 Т_ПЛ. Продолжительность такого отжига составляет несколько часов.

Отжиг второго рода — термическая обработка, направленная на получение равновесной структуры в металлах и сплавах, испытывающих фазовые превращения; заключается в нагревании вещества до температуры выше точек Лс₃ или Ас,, выдержке и последующем охлаждении. В результате добиваются почти равновесного структурного состояния. В доэвтектоидных сталях — это феррит и перлит, в эвтектоидных — перлит, в заэвтектоид-ных — перлит и вторичный цементит.

После отжига сплав имеет мелкозернистое строение, отличается низкой прочностью и твердостью при достаточном уровне пластичности.

В промышленности отжиг второго рода часто использует как подготовительную и окончательную обработку.

Отжиг второго рода позволяет кардинально изменить строение сплава, уменьшить размер зерна, снять наклеп, устранить внутренние напряжения, т. е. полностью изменить структуру и свойства детали.

Отжиг второго рода может быть полным, неполным и изотермическим.

Полный отжиг сопровождается полной перекристаллизацией. Основные цели такого отжига — устранение пороков структуры, возникших при предыдущей обработке (литье, горячей деформации или сварке), смягчение стали перед обработкой резанием и уменьшение напряжений, для придания стали определенных свойств.

Полный отжиг заключается в нагревании доэвтектоидной стали до температуры на 30—50 °С выше температуры Лс₃ (чрезмерное превышение температуры приводит к росту зерна аустенита, что вызывает ухудшение свойств стали), выдержке для полного прогревания и завершения фазовых превращений в объеме металла и последующем медленном охлаждении.

При полном отжиге происходит полная фазовая перекристаллизация стали. При нагревании выше точки Ас₃ образуется аустенит, характеризующийся мелким зерном, который при охлаждении дает мелкозернистую структуру, обеспечивающую высокую вязкость, пластичность.

Доэвтектоидная сталь после полного отжига состоит из избыточного феррита и перлита.

Неполный отжиг доэвтектоидной стали — нагревание до температуры выше Ас„ но ниже Ас₃. При такой температуре происходит частичная перекристаллизация стали, т. е. лишь переход перлита в аустенит. Избыточный феррит частично превращается в аустенит, и значительная часть его не подвергается перерекри-сталлизации. Поэтому неполный отжиг не устраняет пороки стали, связанные с нежелательными размерами и формой избыточного феррита. Для доэвтектоидной стали неполный отжиг применяется в том случае, если отсутствует перегрев и ферритная полосчатость и требуется только снижение твердости и смягчение перед обработкой резанием.

Изотермический отжиг — термическая обработка, при которой после нагревания до температуры выше Ас₃ на 50—70 °С сталь ускоренно охлаждают до температуры изотермической выдержки, которая находится ниже точки Ас, на 100—150 °С; затем выполняют ускоренное охлаждение на воздухе. Чем ближе температура изотермической выдержки к точке Ас,, тем больше межпластинчатое расстояние в перлите и, следовательно, мягче сталь, но больше продолжительность превращения. А так как основная цель изотермического отжига — смягчение стали, то выбирают такую температуру, при которой получается требуемое смягчение за небольшой промежуток времени.

Преимущества изотермического отжига:

• • сокращается время обработки по сравнению с обычным отжигом;
• • получается более однородная структура;
• • улучшается обрабатываемость резанием и повышается чистота поверхности детали.

Изотермическому отжигу подвергаются штамповки, заготовки инструментов и других изделий небольших размеров.