Процессы термической обработки включают в себя точные процедуры нагрева и охлаждения, направленные на изменение физических и механических свойств металлов. Основная цель — изменить нежелательные свойства и усилить желательные.
Одним из таких процессов является отжиг, который позволяет корректировать механические характеристики определённых металлов и сплавов для лучшего соответствия их предполагаемому назначению.
Давайте разберёмся подробнее.
Процесс отжига заключается в нагреве с целью снижения твёрдости и увеличения пластичности и вязкости различных сталей, чугуна и сплавов. Для этого заготовку нагревают выше температуры рекристаллизации, что стимулирует образование новых зёрен и позволяет существующим зёрнам переориентироваться.
Перестройка и образование зёрен снимают внутренние напряжения металла и придают кристаллической структуре более однородное течение. Это свойство полезно для большинства сфер применения.
Из-за большого разнообразия сталей и металлических сплавов существует множество специальных видов отжига. Самые распространённые — полный или общий отжиг и технологический отжиг (также известный как промежуточный или рекристаллизационный отжиг).
Хотя нормализация часто рассматривается как отдельный процесс термической обработки, на самом деле это разновидность отжига, при которой металлы охлаждаются на воздухе при комнатной температуре, а не при контролируемой скорости в печи.
В результате отжига сталь становится мягче, чем после отпуска, поэтому этот процесс преимущественно используют для изделий, которые не должны выдерживать значительные нагрузки. Однако существует множество случаев применения отжига к металлическим деталям:
Отжиг обычно проводят после механической обработки изделий, приводящей к затвердеванию и хрупкости металла. Гибка, формовка, прокатка, шлифовка и волочение — яркие примеры таких операций. Например, при волочении металлической проволоки для уменьшения её диаметра в материале возникают внутренние напряжения и происходит упрочнение.
Повышенная твёрдость обработанных металлов затрудняет дальнейшую обработку и увеличивает риск растрескивания. Тем не менее, дальнейшие операции часто необходимы. Для возвращения металла к исходному состоянию и повышения его пригодности для последующих операций проводят технологический отжиг.
Отжиг увеличивает пластичность металла и снижает его твёрдость, делая заготовку более податливой и пригодной для обработки. После отжига металл может подвергаться дальнейшим операциям.
Процесс отжига особенно полезен при производстве сложных деталей. Поскольку требуется выполнить множество операций, отжиг позволяет возвращать изделие к исходному состоянию после каждой из них.
Сварка при высоких температурах может привести к образованию зон термического влияния (ЗТВ), характеризующихся повышенной твёрдостью и хрупкостью. В этом случае отжиг возвращает механические свойства ЗТВ ближе к исходным.
Отжиг влияет и на электрические свойства металла, поэтому его используют для повышения электропроводности отдельных металлов.
Помимо влияния на формуемость и обрабатываемость, холодная обработка вызывает внутренние напряжения в материале. Даже если дальнейшие операции не планируются, рекомендуется снять внутренние напряжения, возникшие после механических процессов.
Игнорирование этого может привести к растрескиванию, разрушению, деформации и другим механическим проблемам в будущем.
Отжиг позволяет снять остаточные напряжения и восстановить однородные свойства материала, что увеличивает срок службы и эксплуатационные характеристики выбранных материалов.
Процесс отжига делится на три основных этапа:
На этом этапе металл нагревают до заранее определённой температуры, ниже точки плавления. Для нагрева используют печи или сушильные шкафы, обеспечивающие контролируемую и равномерную среду.
Тепло печи уменьшает количество дефектов в кристаллической решётке по мере миграции атомов. Это возвращает пластичность и снижает твёрдость материала. Миграция также устраняет внутренние напряжения, поэтому эта стадия называется восстановительной.
Достигнув нужной температуры, металл нагревают дальше — до температуры рекристаллизации, которая также ниже температуры плавления металла. Это та же температура, на которую ориентируются при нормализации металлических изделий.
После достижения этой температуры металл выдерживают в ней определённое время. Длительность зависит от требуемых свойств и марки металла.
На этом этапе кристаллическая структура начинает перестраиваться, формируются новые зёрна. Это устраняет последствия упрочнения и возвращает материалу свойства, близкие к исходным.
На стадии роста зёрен увеличивается размер как новых, так и прежних зёрен по мере начала охлаждения. Такие факторы, как скорость охлаждения, атмосфера и марка материала, определяют фазовый состав и размер кристаллических зёрен.
Сталь и другие железосодержащие металлы обычно охлаждают до комнатной температуры на воздухе. Медь и латунь могут охлаждаться как медленно на воздухе, так и быстро — в воде. По сравнению с нормализацией скорость охлаждения при отжиге ниже.
Иногда для достижения желаемых механических и химических свойств после отжига требуются дополнительные операции.
Процесс отжига даёт следующие преимущества:
Отжиг — важный этап термической обработки при производстве сложных деталей, а также изделий, требующих нескольких операций для достижения окончательной формы.
Однако отжиг требует тщательного планирования и точного исполнения. Зная состав материала и фазовую диаграмму, с помощью отжига можно смягчить многие виды металлов. Чаще всего он применяется к углеродистой стали и чугуну, но также используется для меди, алюминия и латуни благодаря своим многочисленным преимуществам.
