Отжиг металлов

Отжиг металлов — это вид термической обработки, заключающийся в нагреве металла или сплава до определённой температуры, выдержке при этой температуре и последующем медленном охлаждении. Целью отжига является получение равновесной структуры, снижение твёрдости и повышение пластичности, снятие внутренних напряжений, а также устранение дефектов кристаллической решётки, возникших в результате предыдущей обработки (литья, ковки, прокатки, сварки). Отжиг является одной из основных операций в металлургии и машиностроении, предшествующей или завершающей другие виды обработки.

Физическая сущность процесса

В основе отжига лежат диффузионные процессы, протекающие в твёрдом металле при нагреве. При повышении температуры атомы металла приобретают большую подвижность, что позволяет им перестраиваться в более устойчивые кристаллические решётки, уменьшать искажения и ликвидировать дефекты. Для сплавов, испытывающих полиморфные превращения (например, сталь), отжиг может включать перекристаллизацию — переход из одной кристаллической модификации в другую при охлаждении.

Основные стадии отжига:

1. Нагрев до заданной температуры, которая зависит от типа металла или сплава и целей обработки.
2. Выдержка при этой температуре для завершения структурных превращений по всему объёму детали. Время выдержки рассчитывается исходя из толщины изделия и скорости диффузии.
3. Медленное охлаждение, обычно вместе с печью, чтобы избежать возникновения новых напряжений и закалочных структур. Скорость охлаждения может варьироваться от десятков градусов в час до нескольких градусов в минуту.

Классификация видов отжига

Отжиг классифицируют по нескольким признакам: по температуре нагрева, по цели проведения и по типу обрабатываемого материала.

По температуре нагрева

1. Отжиг первого рода (диффузионный или гомогенизирующий). Проводится при температурах, значительно превышающих критическую точку (для стали — 1000–1200 °C). Цель — выравнивание химического состава сплава за счёт диффузии атомов легирующих элементов, устранение дендритной ликвации (неоднородности состава, возникающей при кристаллизации слитка). Применяется для крупных слитков и отливок. Недостаток — значительный рост зерна, что требует последующей обработки.

2. Отжиг второго рода (рекристаллизационный). Проводится при температурах выше температуры рекристаллизации (обычно 0,4–0,5 от температуры плавления металла в Кельвинах). Цель — устранение наклёпа (упрочнения, вызванного пластической деформацией) и восстановление пластичности. Применяется после холодной обработки давлением (прокатки, волочения, штамповки) для подготовки материала к дальнейшей деформации. В результате рекристаллизации образуются новые, равноосные зёрна, а старые, деформированные, исчезают.

По цели проведения

1. Полный отжиг. Нагрев до температуры на 30–50 °C выше критической точки Ac3 (для доэвтектоидных сталей) или Accm (для заэвтектоидных сталей), выдержка и медленное охлаждение. Цель — полная перекристаллизация, получение мелкозернистой структуры, максимальное снижение твёрдости и снятие внутренних напряжений. Применяется для заготовок, подвергающихся последующей механической обработке резанием.

2. Неполный отжиг. Нагрев до температуры между критическими точками Ac1 и Ac3 (для доэвтектоидных сталей). Цель — частичная перекристаллизация, снятие напряжений и снижение твёрдости. Применяется для заготовок, не требующих полного разупрочнения, или как подготовительная операция перед закалкой.

3. Изотермический отжиг. Нагрев до температуры полного отжига, затем быстрое охлаждение до температуры, лежащей ниже Ac1 (обычно 600–700 °C), выдержка при этой температуре до полного распада аустенита и последующее охлаждение на воздухе. Позволяет получить более однородную структуру (перлит) и сократить общее время обработки по сравнению с полным отжигом. Широко применяется для легированных сталей.

4. Отжиг на зернистый перлит (сфероидизирующий отжиг). Длительный нагрев при температуре, близкой к Ac1, с последующим медленным охлаждением. Цель — получение структуры, в которой цементит имеет форму глобулей (шариков), а не пластин. Такая структура обеспечивает наилучшую обрабатываемость резанием и высокую пластичность. Применяется для инструментальных и подшипниковых сталей.

5. Низкий отжиг (отпуск для снятия напряжений). Нагрев до температур 150–650 °C (ниже Ac1), выдержка и медленное охлаждение. Цель — снятие внутренних напряжений, возникших при сварке, литье, механической обработке, без изменения структуры и механических свойств. Применяется для крупных отливок, сварных конструкций и деталей после обработки резанием.

Отжиг различных металлов и сплавов

Стали

Для углеродистых и легированных сталей отжиг является стандартной операцией. Выбор режима (температура, скорость охлаждения) зависит от содержания углерода и легирующих элементов. Для инструментальных сталей часто применяют сфероидизирующий отжиг. Для нержавеющих сталей (аустенитных) отжиг (закалка на твёрдый раствор) проводится при 1000–1100 °C с быстрым охлаждением для предотвращения выделения карбидов по границам зёрен.

Чугуны

Отжиг чугунов (графитизирующий отжиг) применяется для получения ковкого чугуна из белого чугуна. Длительный нагрев при 900–1000 °C приводит к распаду цементита и образованию хлопьевидного графита, что придаёт чугуну пластичность.

Цветные металлы и сплавы

• Алюминиевые сплавы: Отжиг (рекристаллизационный) проводится при 300–400 °C для снятия наклёпа после холодной деформации. Для термически упрочняемых сплавов (дюралюминий) применяют отжиг для перевода их в мягкое состояние.
• Медные сплавы: Латуни и бронзы отжигают при 600–700 °C для снятия напряжений и повышения пластичности. Для латуней, склонных к коррозионному растрескиванию, низкотемпературный отжиг (200–300 °C) является обязательной операцией.
• Титановые сплавы: Отжиг проводится при 700–800 °C для снятия напряжений и стабилизации структуры. Для некоторых сплавов применяют двойной отжиг для получения оптимального сочетания прочности и пластичности.

Оборудование для отжига

Для отжига используются различные типы печей:

• Камерные печи: Наиболее распространённый тип, обеспечивающий равномерный нагрев и медленное охлаждение. Используются для штучных и мелкосерийных деталей.
• Колпаковые печи: Применяются для отжига рулонов ленты и проволоки. Металл укладывается под колпак, в котором создаётся защитная атмосфера (азот, водород, аргон) для предотвращения окисления.
• Проходные печи: Используются для непрерывного отжига длинномерных изделий (труб, прутков) или массовых деталей, движущихся по конвейеру.
• Вакуумные печи: Обеспечивают нагрев в вакууме, что исключает окисление и обезуглероживание поверхности. Применяются для отжига ответственных деталей из высоколегированных сталей и титановых сплавов.

Контроль качества отжига

Качество отжига контролируется:

• Металлографическим анализом: Исследование микроструктуры на наличие требуемых фаз (перлит, феррит, глобулярный цементит) и размеров зерна.
• Механическими испытаниями: Определение твёрдости (по Бринеллю, Роквеллу), прочности и пластичности (относительное удлинение, сужение).
• Измерением твёрдости: Является наиболее простым и распространённым методом контроля. Для отожжённых сталей твёрдость по Бринеллю обычно составляет 150–200 HB.
• Контролем обезуглероживания: Для ответственных деталей проверяется глубина обезуглероженного слоя (снижение содержания углерода на поверхности), который может ухудшить прочностные свойства.

Значение отжига в промышленности

Отжиг является критически важной операцией в металлургическом и машиностроительном производстве. Он позволяет:

• Обеспечить обрабатываемость металлов резанием и давлением.
• Снять внутренние напряжения, предотвращающие деформацию и разрушение деталей при эксплуатации.
• Подготовить структуру металла к последующей закалке или другим видам термической обработки.
• Улучшить механические свойства готовых изделий (пластичность, вязкость).

Без правильно проведённого отжига невозможно получение качественных заготовок и деталей, работающих в условиях высоких нагрузок и сложных температурных режимов.

Источники

1. Гуляев А.П. Металловедение. — М.: Металлургия, 1986.
2. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. — М.: Машиностроение, 1990.
3. Новиков И.И. Теория термической обработки металлов. — М.: Металлургия, 1986.
4. ГОСТ 5639-82. Стали и сплавы. Методы выявления и определения величины зерна.
5. ГОСТ 9012-59. Металлы. Метод измерения твёрдости по Бринеллю.