Отжиг в металлургии и материаловедении¶

Отжиг — это термическая обработка материалов, заключающаяся в нагреве до определённой температуры, выдержке при этой температуре и последующем медленном охлаждении, как правило, вместе с печью. Цель отжига — снять внутренние напряжения, повысить пластичность и обрабатываемость, уменьшить твёрдость или получить требуемую структуру фаз. Отжиг применяют к металлам, стеклу, керамике и полупроводникам; в зависимости от материала и поставленной задачи режимы отжига существенно различаются.

¶Отжиг в металлургии

В металловедении отжиг — один из основных видов термической обработки, наряду с закалкой, нормализацией и отпуском. По назначению различают несколько видов:

• Рекристаллизационный отжиг — применяют к деформированным (прокатанным, вытянутым) металлам для устранения наклёка. При нагреве выше температуры рекристаллизации (обычно 0,3–0,5 от температуры плавления в кельвинах) происходит образование и рост новых зёрен, снижаются плотность дислокаций и внутренние напряжения.
• Диффузионный (гомогенизирующий) отжиг — длительный нагрев слитков при высокой температуре для выравнивания химического состава по объёму и устранения ликвации.
• Отжиг на снятие внутренних напряжений (отжиг рекристаллизации низкотемпературный) — проводят ниже температуры рекристаллизации, при 500–650 °C для сталей; уменьшает остаточные напряжения после сварки, механической обработки или литья без заметного изменения структуры.
• Изотермический отжиг — нагрев до температуры выше критической точки, выдержка, быстрое охлаждение до температуры ниже точки превращения и изотермическая выдержка до завершения превращения аустенита, после чего охлаждение на воздухе. Применяется для получения мелкозернистой сорбитоподобной структуры и снижения времени обработки.
• Полный и неполный отжиг — при полном отжиге сталь нагревают выше точки A₃ (для эвтектоидных сталей — выше A₁), при неполном — только выше A₁. Полный отжиг даёт равномерную мелкозернистую перлитную структуру.
• Сферизирующий (сфероидизирующий) отжиг — длительная выдержка стали при температуре чуть ниже точки A₁ (650–700 °C), в результате пластинчатый цементит превращается в сфероидные включения, твёрдость снижается, обрабатываемость резанием улучшается.

Типичные температуры отжига конструкционных углеродистых сталей составляют 700–900 °C, инструментальных — 750–850 °C. Скорость охлаждения после отжига, как правило, невелика — 20–100 °C/ч, что отличает отжиг от нормализации, при которой охлаждение происходит на воздухе.

¶Отжиг цветных металлов

Для алюминиевых сплавов различают полный отжиг (нагрев до 370–410 °C с выдержкой и медленным охлаждением) и отжиг на снятие напряжений (150–300 °C). Медные сплавы отжигают при 400–700 °C в зависимости от системы. Титановые сплавы отжигают в вакууме или инертной атмосфере при 700–950 °C, чтобы избежать окисления. Для вольфрама и молибдена применяют отжиг при 1100–1600 °C в защитной атмосфере.

¶Отжиг стекла

Отжиг стекла (иногда его называют «закалкой стекла») — обязательная операция при производстве стеклянных изделий. После формования в стекле возникают остаточные напряжения из-за неравномерного охлаждения. Изделие нагревают до температуры, близкой к точке размягчения (для натриево-кальциевого стекла — около 550–600 °C), выдерживают, затем охлаждают со скоростью 20–30 °C/мин. Правильно отожжённое стекло обладает высокой механической и термической стойкостью. Контроль качества отжига проводят полярископом по остаточной двулучепреломлению.

¶Отжиг в полупроводниковой технологии

В производстве полупроводников отжиг кремния проводят при 1000–1200 °C в атмосфере инертного или окислительного газа для восстановления кристаллической решётки после ионной имплантации и активации примесей. Отжиг диэлектрических плёнок (SiO₂, Si₃N₄) позволяет снять механические напряжения и улучшить их электрические свойства. В оптоэлектронике отжиг применяют для устранения точечных дефектов в эпитаксиальных структурах.

¶Отжиг керамики

При обжиге керамических изделий отжигом называют медленное охлаждение после спекания для снятия термических напряжений, особенно у крупногабаритных и толстостенных изделий. Для фарфора и шамота режимы отжига подбирают с учётом коэффициента температурного расширения материала.

¶Оборудование и режимы

Отжиг выполняют в муфельных, трубчатых, камерных и шахтных печах, в соляных и свинцовых ваннах. Для защиты от окисления применяют контролируемую атмосферу (азот, аргон, водород, эндогаз) или вакуум. Контроль температуры осуществляют термопарами, а режим выдержки задают программными контроллерами. Основные параметры отжига — температура, время выдержки и скорость охлаждения — определяют по диаграммам состояния и превращения сплавов.

¶Применение

Отжиг применяют в машиностроении перед резанием заготовок из горячекатаного проката, перед холодной деформацией (промежуточный отжиг), после сварки конструкций из легированных сталей, при изготовлении прецизионных изделий, требующих стабильности размеров. В стекольной промышленности отжиг — обязательная стадия производства оконного, автомобильного и посудного стекла. В микроэлектронике отжиг входит в технологический цикл почти каждого кристалла интегральной схемы.

Источники:

• Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П. «Материаловедение» — М.: Металлургия.
• Буше Н. А. «Термическая обработка металлов и сплавов» — М.: Металлургия.
• Постников И. С. «Термическая обработка металлов» — М.: Металлургия.
• ГОСТ 16852-88. «Изделия стеклянные. Отжиг».
• Шевелев Л. А. «Материаловедение» — М.: Высшая школа.