Отжиг изделий на производстве

Такая термообработка используется в автомобильной, авиационной промышленности и при производстве проводов, труб, электронных компонентов. В зависимости от исходного сырья выбирают определенный вид обработки.

Зачем нужен отжиг металла

В процессе деформации металлический материал подвергается сжатию, растяжению или сдвигу, что приводит к изменению его структуры и уплотнению зерен. В результате увеличивается твердость и ухудшается пластичность металла. Однако при термообработке металла происходит рекристаллизация, что позволяет восстановить и улучшить прежние механические свойства.

Во время нагрева новые кристаллы формируются в областях с наибольшими внутренними напряжениями или на границах. Они увеличиваются в размерах и забирают в себя деформированные зерна. Появляется новая, менее деформированная и более однородная структура зерен в металле. Чем выше поднимается температура, тем быстрее происходит процесс рекристаллизации. После отжига металл становится намного пластичней и может быть легче подвергнут дальнейшей механической либо термической обработке.

Такая термообработка нужна для улучшения свойств компонентов и деталей: двигателей, трансмиссий, рам автомобилей, проводов, контактов и разъемов. На производстве крепежей используют технологию отжига для упрочнения метизов. Некоторые компании предоставляют услуги термической обработки. Производитель Трайв изготавливает крепежные изделия и доставляет в Санкт-Петербурге и других городах. Стоимость зависит от объема партии, сложности и вида термообработки.

Процесс отжига металла

Основная цель состоит в том, чтобы устранить внутренние напряжения, которые могут возникать в металле в результате его обработки (после сварки или холодной деформации). Сначала металл нагревается до определенной температуры, зависящей от его толщины. Какое оборудование применяется:

• Электрические печи или печи с контролируемой атмосферой. Обеспечивают равномерное нагревание стали и контролируемые условия окружающей среды. Температура нагрева обычно устанавливается и регулируется с помощью системы управления.

• Индукционная нагревательная система. Создает переменное магнитное поле. Сталь, являющаяся проводником, подвергается электромагнитной индукции, что вызывает повышение температуры. Индукционный способ обеспечивает быстрое и локальное нагревание.

• Лазерный луч. Энергия сосредотачивается на очень маленькой площади, поэтому соседние области материала не затрагиваются. Нагрев проводится в контролируемой атмосфере, что позволяет предотвратить окисление и сохранить химические свойства материала.

• Газовые горелки. Дешевая альтернатива для любительского применения. Обычно используются пропан, природный газ или акетилен. Горелка выпускает горючий газ и смешивает его с воздухом для образования пламени.

Лазерный нагрев обычно не требует использования добавочных материалов или растворителей, что делает его более экологически чистым методом, но цена такого метода самая высокая. После достижения нужной температуры металл удерживается с ней в течение некоторого времени. Выдержка позволяет атомам металла перестроиться и принять новую структуру. Важно отметить, что процесс отжига должен быть правильно настроен, и для каждого типа сплава могут существовать определенные рекомендации по температуре, времени выдержки и скорости охлаждения.

В конце металл медленно или быстро охлаждается. Выделение тепла может осуществляться в воздухе, в печах или охладителях. Скорость охлаждения также может влиять на структуру и свойства сплава. Быстрое снижение температуры создает желаемые состояния изделия – твердые растворы или мартенситные фазы. В некоторых случаях медленное охлаждение может быть предпочтительным, поскольку позволяет более равномерно распределить тепло и избежать появления нежелательных микроструктурных изменений (термического напряжения или неравномерного откисания).

Виды отжига металлов

В зависимости от температуры нагрева, времени и условий выдержки выделяют два типа отжига: 1 и 2 рода.

Отжиг металлов 1 рода

Основная цель отжига первого рода состоит в устранении эффектов деформации, вызванной механической обработкой или длительным воздействием высоких температур. Термообработка происходит в неустойчивом состоянии сплава. Частичная рекристаллизация снижает внутренние напряжения, что делает изделия более надежными и долговечными. Гомогенизационная термическая обработка устраняет химические неоднородности. В процессе диффузии элементы сплава перемещаются из областей с высокой концентрацией в области с низкой, достигая равномерного распределения.

Ликвация – явление, которое приводит к разделению металла на две, три и большее количество фаз. Это обычно связано с наличием лишних химических элементов или примесей в стали. При нагреве или при изменении температуры и других условий, эти элементы могут превышать свою растворимость в основной структуре стали и образовывать новые фазы или соединения. Это приводит к образованию неравномерных областей, называемых ликвационными областями или ликватами. Чтобы уменьшить зональную ликвацию (скопление примесей или компонентов в отдельных частях отливки), регулируют размеры слитков, применяют непрерывную разливку, переплавляют в водоохлаждаемом кристаллизаторе.

Дендритная ликвация происходит из-за разницы в растворимости химических элементов в твердых и жидких фазах во время затвердевания. Некоторые элементы могут быть сильно растворимы в жидкой фазе, но иметь ограниченную растворимость в твердой. Поэтому они скапливаются вдоль границ дендритов – ветвистых структур, которые состоят из первичных кристаллов и растут в разных направлениях от центра зерна. Также существует отжиг для снятия напряжений, возникающих в процессе производства листовой стали, сварных конструкций и других деталей. Во время такой термообработки происходит релаксация в материале за счет пластической деформации, диффузии атомов и рекристаллизации.

Отжиг металлов 2 рода

Отжиг 2 рода основан на использовании фазовых превращений сплавов, проводится с целью изменения микроструктуры материала и его свойств. Такая термообработка устраняет дефекты, которые возникли при прошлой механической обработке сплава. Полная операция производится для доэвтектоидных сталей. Они включают в себя перлит, цементит и феррит. Перлит, состоящий из слоев цементита и феррита, является основной фазой доэвтектоидной стали. Цементит представляет собой прочный соединительный углеродный феррит, а феррит – твердый раствор железа и малого количества углерода. Деталь нагревают выше критической точки Ас3, охлаждают в печи. Структура доэвтектоидной стали после термообработки состоит из избыточного феррита и перлита.

В отличие от полного, неполный отжиг производится при более низких температурах (выше критической точки А1) и/или более короткой выдержке времени. Обработка приводит к частичной рекристаллизации перлита и оставлению недеформированных участков структуры, что улучшает обрабатываемость резанием. Сфероидизация применяется к сталям, содержащим уровень углерода выше 0,6% (заэвтектоидные углеродистые и легированные стали). Во время охлаждения цементитные включения в виде пластинчатых частиц преобразуются в круглые или сферические формы. Если лишний цементит был в виде сетки, то перед проведением основной термообработки необходимо сделать нормализацию с нагревом выше Ас1 и принудительным охлаждением.

Процесс отжига на зернистый перлит предполагает нагрев стали или чугуна до температуры, область которой находится выше точки образования перлита, но ниже его перехода в более грубую фазу (в области диффузионного роста зерен). Затем материал выдерживается в течение достаточного времени, чтобы произошла сфероидизация. Этот процесс приводит к улучшению пластичности и ударной вязкости материала за счет изменения структуры перлита, делая его устойчивей к разрушению. При этом используется специальная печь, в которой металлическая заготовка подвешивается на маятник и перемещается между различными температурными зонами.

Возможные дефекты при отжиге стали

Дефекты могут повлиять на структуру изделия и его свойства. Какие возникают проблемы:

• Избыточная реакция. Если сталь подвергается слишком высокой температуре или длительному времени нагрева, может произойти избыточный рост зерна, образование крупнозернистой структуры и ухудшение механических свойств.

• Перекалив – состояние, при котором сплав перегревается до температур, превышающих критическую точку перехода. Зерна начинают расти слишком быстро, что приводит к образованию крупнозернистой или грубозернистой структуры, снижению прочности и ударной вязкости.

• Неправильное охлаждение после термообработки. При неравномерном выделении тепла появляются термическое напряжение, мартенситная структура, белый слой на поверхности. Переохлаждение способствует образованию дополнительных фаз или компонентов. Также из-за растрескивания при охладительных процессах снижается прочность и происходит деградации материала.

• Окисление. При высоких температурах на поверхности металла могут образовываться слои окислов или скал. Дефекты твердые и неприятные на ощупь, усложняют последующую обработку или нанесение защитных покрытий. Применение инертных газов (азот или аргон) вокруг металлической заготовки предотвращает ее взаимодействие с окислительными средами.

• Изменение химического состава. Некоторые элементы испаряются или десорбируются из металлической структуры во время термообработки. Также если присутствуют примеси или легирующие элементы, они могут реагировать друг с другом или с основным металлом. Диффузия атомов или ионов между зернами приводит к перераспределению элементов, изменению характеристик чаще всего в худшую сторону.

После перечисленных дефектов требуется дополнительная обработка для восстановления или улучшения свойств стали (последующая закалка, нормализация). Пережог исправить невозможно, единственный выход – переплавка. На крупных предприятиях обычно предпринимают необходимые меры безопасности для минимизации риска возникновения проблем.