Что происходит при отжиге стали?

Отжиг стали: теория и процессы

Что происходит при отжиге стали?

Отжиг стали – это термическая обработка, при которой сталь нагревают:

  • выше верхней критической температуры Ас3 – полный отжиг;
  • между критическим температурами Ас1 и Ас3 – неполный отжиг;
  • ниже критических температур – низкий отжиг.

После нагрева следует медленное охлаждение, чаще всего с печью.

Нагрев выше температуры Ас3 обеспечивает полную перекристаллизацию стали, а медленное охлаждение обеспечивает распад аустенита на полностью феррито-перлитную структуру (рисунок 1).

Рисунок 1 — Среднеуглеродистая сталь 40 после полного отжига.
Феррито-перлитная структура.

Цели отжига стали

Основными целями отжига стали являются перекристаллизация стали и устранение внутренних напряжений. Отжиг, как и нормализация, является первоначальной операцией термической обработки. Цель отжига – устранить дефекты предыдущих металлургических операций (литья, прокатки, ковки) или подготовить сталь к последующим технологическим операциям, например, обработке резанием или закалке. Часто отжиг является заключительной термической операцией, когда свойства стали после отжига удовлетворяют требованиям к детали или изделию.

Полный отжиг стали

Полный отжиг – нагрев выше верхней критической температуры с последующим медленным охлаждением – решает обе эти задачи. При нагреве феррито-перлитная структура стали переходит в аустенитную, а затем при охлаждении аустенит превращается обратно в феррит и перлит – происходит полная перекристаллизация. Крупнозернистая феррито-перлитная структура, характерная для стали после литья или ковки, после полного отжига превращается в структуру из мелких зерен феррита и перлита.  Интервалы температуры полного отжига показаны на рисунке 2 для стали с различным содержанием углерода.

Область температуры для полного отжига стали.

Неполный отжиг стали

Неполный отжиг стали – нагрев между выше температуры Ас1, но ниже температуры Ас3 – проводят, когда структура стали не слишком крупнозернистая и нет видманштеттова структура феррита. Этот отжиг иногда называют межкритическим. В этом случае происходит только перекристаллизация только перлитной структуры, а феррит остается без изменений. Понятно, что неполный отжиг является более экономичным, чем полный.

Низкий отжиг стали

Низкий отжиг проводят ниже обеих критических точек. Поэтому этот отжиг еще называют подкритическим. При этом отжиге не образуется аустенита. Низкий отжиг стали проводят в тех случаях, когда исходная структура не требует исправления и нет необходимости в ее перекристалиизации. Цель низкого отжига – только снизить внутренние напряжения в детали за счет механизмов возврата, рекристаллизации, роста зерна и аггломерации карбидов. Если исходная структура стали бейнитная или мартенситная, то такую операцию называют не отжигом, а отпуском.

Низкий отпуск является одним из способов сфероидизации стали.

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.

Читайте также  Как разобрать радиатор кондиционера на медь?

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.

Охлаждение стали при ее отжиге

Скорость охлаждения при отжиге стали не должна быть более 50-100 °С в час, что может достигаться только при охлаждении с печью. Это обеспечивает превращение аустенита с минимальной степенью переохлаждения и гарантирует образование равновесной феррито-перлитной структуры.

Изотермический отжиг

Чтобы избежать трудностей контроля скорости охлаждения стали при отжиге, а также сократить длительность отжига, вместо классического отжига с медленным охлаждением на практике часто применяют так называемый изотермический отжиг. Он отличается от обычного полного отжига тем, что сталь от температуры отжига охлаждают быстро до температуры на 50-100 °С ниже критической точки Ас1 и выдерживают при ней столько, сколько требуется для полного превращения аустенита.

Источники:1. Гуляев А. П. Металловедение, 1986.

2. The Heater’s Guide: Practices and Procedures for Irons and Steels, AMS International, 1995.

Источник: https://steel-guide.ru/termicheskaya-obrabotka-stali/otzhig-stali-teoriya-i-processy.html

Отжиг сталей

Что происходит при отжиге стали?

По книжному определению, отжиг — это нагрев стали до температуры выше критической, выдержка при этой температуре и медленной охлаждение вместе с печью. На самом деле это общее определение, под которое попадают не все виды отжига. Режимы отжига зависят в первую очередь от конечных требований к стали или изделию, в первую очередь это требования по механическим или технологическим свойствам металла.

Отжиг первого рода (І-го рода)

Отжиг І рода – термическая операция, состоящая в нагреве металла в неустойчивом состоянии, полученном предшествующими обработками, для приведения металла в более устойчивое состояние. Этот вид отжига может включать в себя процессы гомогенизации, рекристаллизации, снижения твердости и снятия остаточных напряжений. Особенность этого вида отжига в том, что указанные процессы протекают независимо от того происходят ли фазовые превращения при термообработке или нет. Различают гомогенизационный (диффузионный), рекристаллизационный отжиг и отжиг, уменьшающий напряжения и снижающий твердость.

Гомогенизационный отжиг

Гомогенизационный отжиг – это термическая обработка, при которой главным процессом является устранение последствий дендритной и внутрикристаллитной ликвации в слитках сталей. Ликвация повышает склонность стали, обрабатываемой давлением, к хрупкости, анизотропии свойств и таким дефектам, как шиферность (слоистый излом) и флокены. Устранение ликвации достигается за счет диффузионных процессов. Для обеспечения высокой скорости диффузии сталь нагревают до высоких (1000–1200 °С) температур в аустенитной области. При этих температурах делается длительная (10–20 час.

) выдержка и медленное охлаждение с печью. Диффузионные процессы наиболее активно протекают в начале выдержки. Поэтому во избежание большого количества окалины, охлаждение с печью обычно проводят до температуры 800 — 820°С, а далее на воздухе. При гомогенизационном отжиге вырастает крупное аустенитное зерно. Избавиться от этого нежелательного явления можно последующей обработкой давлением или термической обработкой с полной перекристаллизацией сплава.

Выравнивание состава стали при гомогенизационном отжиге положительно сказывается на механических свойствах, особенно пластичности.

Рекристаллизационный отжиг стали

Рекристаллизационный отжиг, применяемый для сталей после холодной обработки давлением, – это термическая обработка деформированного металла или сплава. Может применять как окончательная, так и промежуточная операция между операциями холодного деформирования.

Читайте также  В состав какого сплава не входит медь?

Главным процессом этого вида отжига являются возврат и рекристаллизация соответственно. Возвратом называют все изменения в тонкой структуре, которые не сопровождаются изменениями микроструктуры деформированного металла (размер и форма зерен не изменяется). Возврат сталей происходит при относительно низких (300–400°С) температурах.

При этом процессе наблюдается восстановление искажений кристаллической решетки.

Рекристаллизацией называют зарождение и рост новых зерен с меньшим количеством дефектов кристаллического строения. В результате рекристаллизации образуются совершенно новые, чаще всего равноосные кристаллы. Между температурным порогом рекристаллизации и температурой плавления имеется простое соотношение: ТР ≈ (0,3–0,4)ТПЛ., что составляет для углеродистых сталей 670–700°С.

Отжиг для снятия напряжений

Отжиг для снятия напряжений – это термическая обработка, при которой главным процессом является полная или частичная релаксация остаточных напряжений. Такие напряжения возникают при обработке давлением или резанием, литье, сварке, шлифовании и других технологических процессах. Внутренние напряжения сохраняются в деталях после окончания технологического процесса и называются остаточными. Избавиться от нежелательных напряжений можно путем нагрева сталей от 150 до 650°С в зависимости от марки стали и способа предыдущей обработки.

Высокий отжиг стали

Эта операция часто называется высоким отпуском. После горячей пластической деформации сталь имеет мелкое зерно и удовлетворительную микроструктуру. Такое состояние сталь получает при ускоренном охлаждении после пластической деформации. Однако в структуре могут быть составляющие: мартенсит, бейнит, троостит и т. д. Твердость металла при этом может быть достаточна высока. Для повышения пластичности и соответственно снижения твердости делается высокий отжиг. Его температура ниже критической Ас1 и зависит от требований к металлу для следующей операции обработки.

Отжиг второго рода (ΙΙ-го рода)

Отжиг ΙΙ рода основан на использовании фазовых превращений сплавов и состоит в нагреве выше температуры превращения с последующим медленным охлаждением для получения устойчивого структурного состояния сплавов.

Полный отжиг

Полный отжиг производится для доэвтектоидных сталей. Для этого стальную деталь нагревают выше критической точки А3 на 30–50°С и после прогрева проводят медленное охлаждение. Как правило, детали охлаждают вместе с печью со скоростью 30–100°С/час. Структура доэвтектоидной стали после отжига состоит из избыточного феррита и перлита.

Основные цели полного отжига:

— устранение пороков структуры, возникших при предыдущей обработке (литье, горячая деформация, сварка, термообработка), – крупнозернистости и видманштеттовой структуры;

— смягчение стали перед обработкой резанием – получение крупнозернистости для улучшения качества поверхности и большей ломкости стружки низкоуглеродистых сталей;

— уменьшение напряжений.

Неполный отжиг

Неполный отжиг отличается от полного тем, что нагрев производится на 30–50 °С выше критической точки А1 (линия РSК на диаграмме «Железо – цементит»). Неполный отжиг доэвтектоидных сталей проводят для улучшения обрабатываемости резанием. При неполном отжиге происходит частичная перекристаллизация стали — вследствие перехода перлита в аустенит. Избыточный феррит лишь частично превращается в аустенит. Такой отжиг проводится при температуре 770 — 750°С с последующим охлаждением со скоростью 30 — 60°С/с до 600°С, далее на воздухе.

Неполный отжиг широко применяется для заэвтектоидных углеродистых и легированных сталей. Нагрев этих сталей на 10 — 30°С выше Ас1 вызывает практически полную перекристаллизацию сплава и позволяет получить зернистую (сферическую) форму перлита вместо пластинчатой. Такой отжиг называют сфероидизацией.

Частицы цементита, не растворившегося при нагреве, или области аустенита с повышенной концентрацией углерода за счет неполной его гомогенизации после растворения цементита, служат центрами кристаллизации для цементита, выделяющегося при последующем охлаждении до температуры ниже А1 и принимающего в этом случае зернистую форму.

В результате нагрева до температуры значительно выше А1 и растворения большей части цементита и более полной гомогенизации аустенита последующее выделение цементита ниже А1 происходит в пластинчатой форме. Если избыточный цементит находился в виде сетки, то перед этим отжигом нужно сделать нормализацию с нагревом выше Асm (желательно с охлаждением в направленном потоке воздуха).

Читайте также  Белое золото что это за металл?

Стали, близкие к эвтектоидному составу, имеют узкий температурный интервал нагрева (750 — 760°С) для отжига на зернистый цементит, для заэвтектоидных сталей интервал рсширяется до 770 — 790°С. Легированные заэвтектоидные стали можно нагревать до более высоких температур 770 — 820°С. Охлаждение и сфероидизация цементита происходит медленно. Охлаждение должно обеспечить распад аустенита на феррито-карбидную структуру, сфероидизацию и коагуляцию образовавшихся карбидов до 620 — 680°С.

Отжиг на зернистый перлит (маятниковый отжиг)

Для получения зернистого перлита применяют отжиг с различными вариациями термоциклирования в надкритическом и межкритическом интервале температур, маятниковые виды отжига с различными выдержками и количеством циклов.

Сталь с зернистым перлитом имеет более низкую твердость, временное сопротивление разрыву и соответственно более высокие значения характеристик пластичности. Например эвтектоидная сталь с пластинчатым перлитом имеет твердость 228НВ, а с зернистым 163НВ и соответственно временное сопротивление 820 и 630МПа, относительное удлинение 15 и 20%.

Микроструктура стали после отжига на зернистый перлит (ОЗП) выглядит следующим образом

После отжига на зернистый перлит стали обладают наилучшей обрабатываемостью резанием, при этом достигается более высокая чистота поверхности. В ряде случаев, отжиг на зернистый перлит является обязательной предварительной операцией. Например для избежания трещинообразования при высадке болтов и заклепок.

Патентирование

Патентирование — операция отжига, как правило назначаемая для пружинной проволоки, с содержанием углерода 0,65 — 0,9%, перед волочением. Процесс заключается в аустенитизации металла и последующим пропускании его через расплав солей с температурой 450 — 550°С (на ДИПА это температуры изотермической выдержки в области минимальной устойчивости аустенита). Это приводит к образованию тонкопластинчатого троостита или сорбита, который позволяет получать степени обжатия более 75% для волочения и окончательное временное сопротивление 2000 — 2250МПа после ХПД.

Нормализационный отжиг (нормализация стали)

Нормализационный отжиг или нормализацию стали применяют как промежуточную операцию для смягчения стали перед обработкой резанием и для общего улучшения ее структуры перед закалкой. При нормализации доэвтектоидную сталь нагревают до температур Ас3 + (30–50°С), заэвтектоидную до Асм + (30–50°С) и после выдержки охлаждают на спокойном воздухе.

Ускоренное охлаждение по сравнению с отжигом обуславливает несколько большее переохлаждение аустенита, поэтому при нормализации получается более тонкое строение эвтектоида (тонкий перлит или сорбит) и более мелкое эвтектоидное зерно.

Прочность стали после нормализации несколько выше, чем после отжига. В заэвтектоидной стали нормализация устраняет грубую сетку вторичного цементита. При нагреве выше точки Асм вторичный цементит растворяется, а при последующем ускоренном охлаждении на воздухе не успевает образовать грубую сетку, понижающую свойства стали. В доэвтектоидной стали, как говорилось выше, нормализация позволяет устранить крупное зерно после перегрева и видманштетт после нарушения цикла ГПД.

Уксусная кислота ca oh 2 — https://www.dcpt.ru

Источник: https://heattreatment.ru/otzhig-stalej