Для чего применяют отпуск и отжиг металлов

Термическая и химико-термическая обработка металла: закалка и отжиг стали

Цементация стали — воздействие подогревом для улучшения технических параметров и структуры поверхности. Ее используют по отношению к деталям из разнообразных сплавов. Процесс включает многократный нагрев, выдержку и охлаждение. По окончании процедуры изделие становится тверже, прочнее, улучшаются характеристики. Рассмотрим подробнее, с какой целью производят закалку, отжиг, какие есть виды, их описание.

Что называется термической обработкой металла: основы, общие принципы

В процессе данной технологии кристаллическая решетка болванки преобразуется. Задача – изменить свойства, а не ее конфигурацию и габариты. По завершении заготовка приобретает требуемые по технологии параметры и уникальное строение. Рассмотрим, для чего нужна закалка металла и как она влияет на структуру стали после процедуры:

Все процедуры допускаются только на материалах, в которых температурные превращения выполняются подобным образом. Воздействие температурой применяют с целью производства режущих элементов оснастки, станков, машин и производственного оборудования. Отвечая на вопрос, какие виды стали подвергаются закалке, отметим, что процедура подходит для металлов любых марок, требующих повышения износоустойчивости.

Виды и их описание

Температурное воздействие чаще всего применяется к стальным материалам и некоторым сплавам. Основы базируются на управлении диффузией для получения структур с заданными параметрами, на полиморфной трансформации, на различной степени растворения углерода. Поверхность нагревают сильнее критической точки, запускающей превращение в определенной фазе. У каждой есть свои критические точки нагрева. Эти показатели проверяют по схеме.

Отжиг: как проводится, температура, режим для стали, таблица

Это нагревание изделия, выдержка его в определенном температурном режиме, а потом постепенное охлаждение до 2-3⁰ в минуту. Плавное понижение возможно в песке либо в условиях печи. Процесс позволяет убрать остаточное напряжение, получается стабильная структура. Рассмотрим ниже, как он проводится. Данную процедуру используют:

Назначение отжига стали — получение заданных технических показателей кристаллической решетки. Для этого нагрев выставляют на 20-30⁰ больше критической точки, при которой кристаллическая решетка начинает меняться. Для металлов данная точка составляет 723⁰С. Для крупных изделий и заготовок сложной конфигурации подогрев выполняют медленно. Режим подразумевает последующее охлаждение в соответствии с составом материала:

Закалка: режимы, основные показатели, виды и способы для металла и нержавеющей стали

Это очень быстрое остывание после подогрева до максимальных градусов. Она уместна для получения неравномерной структуры, которая придает прочности материалу. Процедуру выполняют резко, что позволяет повысить износоустойчивость. Существует несколько режимов. Они различаются температурой нагрева, временем выдержки и скоростью охлаждения. На выбор режима влияют химические характеристики стальной болванки. После проведения процедуры учитывают два основных показателя:

Многие считают, что данные две процедуры также называются термической обработкой металлов. Такое мнение ошибочно. Оба термина обозначают параметры процесса закаливания, по которым определяют качество работ. Не будем подробно описывать, как при закалке изменяются свойства низкоуглеродистых сталей и цвет, отметим, что мелкозернистые изделия прокаливаются на меньшую глубину, чем крупнозернистые. Проверку осуществляют на изломе, осматривая структуру поверхности и твердость.

Различают несколько видов в зависимости от количества используемых сред и способов. Задействование одного вида охладителя уместно не для всех типов болванок. Из-за быстрого снижения градусов нагрева в структуре возникает сильное напряжение, температура распределяется неравномерно, что может привести к растрескиванию и искривлению.

Способы подбирают с учетом состава материала. Заэвтектоидные стальные изделия лучше всего выдерживать именно в одном охлаждающем. Заготовки со сложной геометрией поддают обработке в двух средах. Изначально их охлаждают в воде до 400⁰, потом кладут в масло, оставляя в нем до окончательного остывания.

Ступенчатая закалка не допускает случайного растрескивания и искажения. Изделие помещают в ванну, прогретую свыше 250⁰, затем окунают в масло или оставляют остывать на воздухе. Процедура уместна для болванок из углеродистого материала с сечением до 10 мм, а также крупных заготовок из легированной стали.

Процесс изотермическим методом выполняют жидкой солью, обеспечивая большую выдержку, чем при ступенчатой процедуре. Данный способ позволяет охладить заготовку с любой скоростью, поверхность не растрескивается, деталь не коробится, сохраняется нужная вязкость.

Светлая выполняется в защитной среде. Заготовку нагревают в специализированной печи. Чтобы поверхность приобрела светлый чистый цвет, процесс выполняют ступенчато. Предмет подогревают в хлористом натрии, затем опускают в расплавленную щелочь для остывания.

Нормализация металла: технология процесса, температура закалки для обычной и низкоуглеродистых стали

Процедура представляет собой нагрев свыше показателей критической точки, выдерживание и охлаждение естественным образом на воздухе. Она позволяет получить нормализованную структуру материала. Ее используют для поверхностей различных типов. Температура должна превышать критические показатели на 50⁰. Время выдержки рассчитывают, руководствуясь нормой: на 1 час приходится 25 мм толщины болванки.

Заготовки большого сечения нагревают в соляной ванне, придерживаясь технологии. Это позволяет снизить внутреннее напряжение, избежать деформации и растрескивания. Когда нагрев поверхности снижается ниже критической точки, возможно быстрое охлаждение в масле или воде.

Отпуск стали после закалки: таблица

Он используется после закаливания. Ее применяют для металлических болванок, из которых будут изготовлены инструменты. Заготовку изымают из охлаждающей среды в определенный момент до наступления полного остывания. Остаточное тепло из сердцевины выходит наружу, нагревая поверхность. После того как достигнуты заданные показатели, охлаждение продолжают до полного остывания. Характеристки выдержки контролируют по таблице.

Источник

Основные виды термической обработки стали: отжиг, закалка, отпуск и нормализация

Металлургия производит огромное количество марок стали. Для выполнения разных задач часто требуются специфические характеристики металла, которые обеспечить заводы не в состоянии. Тогда на обрабатывающих предприятиях производится доработка сырья до нужной кондиции. Отжиг стали — одна из наиболее частых операций по приданию нужных качеств.

Почему необходима термическая обработка металла

Операцию проводят с целью улучшения технологических качеств сырья. Ключевым фактором становится температура отжига стали, которую необходимо выдерживать определенное время. При этом достигаются следующие цели:

Иногда достаточен неполный отжиг стали для получения нужных технологических кондиций. В зависимости от желаемых качественных показателей металла могут использоваться сложные и длительные по времени режимы. Полный отжиг стали может длиться более суток для габаритных изделий. Большую часть этого времени занимают нагрев до нужной температуры и медленное остывание, регламентированное типом термической обработки при заданном стандарте.

Подробно режим отжига стали описан в специальной литературе. Некоторые операции предполагают соблюдение временного режима и точной температуры, вплоть да нескольких градусов. Если есть муфельная печь, то процедуру можно выполнить качественно. Когда такого оборудования нет, то точно провести отдельные виды термообработки будет затруднительно. Ориентироваться придется исключительно по цвету раскаленного металла.

Цвета каления стали

Сделать отжиг стали в домашних условиях можно по упрощенной схеме. Проконтролировать температуру предмета, нагретого газовой горелкой точно не получится. Регулировать режимы нагрева и остывания металла можно только примерно. При обработке стали в домашних условиях сделать структурный анализ невозможно. Определяется температура неполного отжига только визуально. Целями в бытовых условиях становятся снижение прочности и повышение обрабатываемости изделия. Микроструктура стали после отжига меняется и можно проводить дальнейшие операции.

Виды отжига

Принято делить эту операцию на два основных вида. Отжиг стали может быть 1-го и 2-го рода. В первом случае не происходит фазовой рекристаллизации, но металл приобретает нужные качества. Устраняются последствия механической обработки металла на прокатных станах, штампах.

Упрочнение поверхности стали после физического воздействия на металлургическом комбинате называют наклепом.

Главное назначение отжига стали 1-го рода — снижение прочности и повышение пластичности, необходимой для дальнейшей обработки. Частичная рекристаллизация снижает внутренние напряжения, что делает изделия более надежными и долговечными.

Отжиг стали 2-го рода характеризуется кардинальными изменениями структуры. Фазовая рекристаллизация достигается нагреванием металла выше критических точек и точным выполнением режима охлаждения по температуре и времени. Такие виды отжига и их назначение определяются производственными задачами для получения необходимых качеств металла. Критические температуры являются серьезным фактором риска. В ряде случаев, например, при пережоге, возникают необратимые изменения в структуре. Такой металл отправляется на переплавку. Термообработка, отжиг и нормализация сталей сложный процесс дающий возможность получить из исходного сырья продукцию, отвечающую по заданным характеристикам запросы производителей конечных изделий.

Полный, неполный отжиг

Применяют термическую обработку для достижения необходимых качеств металла. Цель отжига стали определена как получение заданных технологических свойств. Они могут быть как общими, так и достаточно специфичными. Так неполный отжиг заэвтектоидной стали допустим при изготовлении конструкционных элементов, но при производстве деталей с заданными характеристиками будет недостаточен. Изменения структуры металла в обоих типах обработки различны. Играет роль не только время отжига стали, но и температура. Важным фактором успешного решения задачи является и режим охлаждения.

Полный отжиг стали

При неполном отжиге стали температура не достигает верхней критической точки. Менее жестки и требования по выдержке времени охлаждения. Выполняя полный отжиг сталей, металл разогревают выше критической точки. Затем выдерживают указанное время и точно выполняют график охлаждения. При термообработке, отжиге важно учитывать марку сырья, твердость, химический состав, поскольку технология и режимы определяются нормами ГОСТ.

Изотермический отжиг

Этот вид обработки применяется главным образом для легированных сплавов. Изометрический отжиг стали заключается в нагревании металла до аустенитного состояния с последующим ускоренным охлаждением до 660-680° C. Затем заготовку выдерживают при этой температуре, пока аустенит не превратится в перлит. После этого металл охлаждают на воздухе естественным способом.

Это самый быстрый и эффективный способ повысить пластичность металлов с высоким содержанием хрома.

Высокотемпературный отжиг нержавеющей стали и некоторых других конструкционных, инструментальных сплавов делается таким способом. Подобная технология позволяет снизить твердость легированных материалов до уровня, позволяющего эффективно обрабатывать впоследствии заготовку на металлорежущем оборудовании.

Изотермический отжиг характеризуется особым методом охлаждения. Заданное время материал выдерживается при температуре, указанной в нормах на одном уровне, а не падает постепенно, как в других вариантах обработки. Формирование однородной структуры происходит за счет полного распада аустенита и преобразований ферритов и перлитов. Таким способом обрабатывают жаростойкие сплавы.

Эффективна эта методика для обработки небольших изделий, штамповок, инструментальных заготовок.

Изотермический отжиг имеет небольшой по времени технологический цикл, однако достаточно эффективный для решения многих производственных задач.

Преимущества технологии

Этот процесс применяется повсеместно на многих предприятиях – каждое второе производство металлической продукции требует теплового воздействия. Это обусловлено достоинствами:

Диффузионный отжиг

Согласно отраслевым нормам, этот вид термообработки можно отнести к экстремальным. Металл нагревается до максимально возможной температуры, превышающей критические точки. Технология часто применяется для сплавов со сложными и легкоплавкими соединениями. При этом структура заэвтектоидной стали после отжига становится менее твердой и значительно пластичнее, что позволяет использовать широкий набор приемов для дальнейшей обработки. Метод требует полного контроля и соблюдения технологии, поскольку высоки риски перегрева и пережога, что может привести частично или полностью к утрате необходимых качеств и такой металл к дальнейшим операциям будет непригоден. Точная температура полного отжига доэвтектоидной стали и других марок металла есть в специальных справочниках.

Диффузионный отжиг стали

Правильно выполненная термообработка позволяет получить:

Последний пункт является побочным эффектом, относится к дефектам и при производстве стараются избегать возникновения этого явления. Технология отжига стали этим методом требует навыков и знаний, понимания разницы между отдельными видами и марками металла.

Используемое оборудование сегодня

В термических цехах для закалки, отпуска и отжига изделий из стали, как правило, используют одно и то же оборудование. Нагрев осуществляют в камерных печах с открытыми или закрытыми источниками тепла, а также индукционными и газопламенными установками. Отдельные виды этого оборудования могут работать с защитными средами из вакуума или химически нейтральных газов. Для выполнения изотермических операций применяют печи или ванны с расплавленными металлами и солями. Транспортировка изделий производится специальными тележками с рельсовыми направляющими, при этом остужение изделий на воздухе обычно осуществляется прямо на этих транспортных средствах. Для погрузки и разгрузки деталей используются мостовые и консольные краны и кран-балки.

Рекристаллизационный отжиг

Методика, позволяющая избавиться от многих нежелательных качеств металла. Рекристаллизационный отжиг стали проводят с целью снять наклеп и другие последствия после некоторых механических операций. Технология применяют для обработки:

После рекристаллизационного отжига стали металл приобретает необходимые характеристики для получения изделий с заданными качествами.

Выбор технологии определяется химическим составом. При процедуре материал нагревают до значений, превышающих температуру кристаллизации не менее чем на 100-200° C. Необходимые свойства появляются в разной степени в зависимости от вида обработки. Чаще используют полный отжиг. При этом структурные изменения более существенные. В ряде случаев достаточен неполный отжиг.

Температурные зоны для рекристаллизационного отжига

Закалка

Методика актуальна для создания неравномерной структуры стали заготовки. Это увеличивает твердость, но также повышает хрупкость конструкции. Выбор температуры воздействия зависит от химического состава. Также важными являются скорость охлаждения и периодичность повторения процедуры.

При выборе технологии закаливания учитывают следующие факторы:

Способы закалки рассчитываются индивидуально для каждого типа изделия. О том, как закаливать и делать отпуск металла в домашних условиях, читайте здесь.

Особенности отжига различных видов стали

Все термические операции с металлом проводят в строгом соответствии с предписанными требованиями к каждой марке. Определяющим значением становится содержание углерода, других металлов в составе сплава. Фактором, влияющим на твердость после отжига стали, является время выдержки в печи и режим охлаждения.

Для того чтобы точно выполнить условия охлаждения часто используются 2 печи. В одной поддерживается максимальная температура, а во второй изделие выдерживают необходимое количество времени до завершения внутренних структурных процессов. Так температура отжига нержавеющей стали в первой камере может превышать 1000° С, а потом изделия выдерживают несколько часов при 900° С и охлаждают до 300° С со скоростью 50-100° С в час. Дальнейшее охлаждение проводится на воздухе.

Режимы отжига быстрорежущих сталей Режимы отжига углеродистых инструментальных сталей Режимы отжига легированных инструментальных сталей

Значительную долю в общем объеме термообработки занимают доэвтектоидные стали. Содержание углерода в них менее 0, 8%. Структуру составляют феррит и перлит, поэтому в большинстве случаев достаточно провести неполный отжиг доэвтектоидных сталей, что снизит твердость и повысит пластичность. Низкоуглеродистые сплавы используются в больших объемах в строительстве, в конструкциях, возводимых в народном хозяйстве. Однако в отдельных случаях требования к структуре металла более жесткие. Тогда необходимо проводить полный отжиг доэвтектоидных сталей для снятия напряжений и получения равновесной структуры с заданными качествами. Применяемый способ выбирается, опираясь на требования производителей, возможности имеющегося обрабатывающего оборудования. В технической документации обозначены температуры и время, необходимое при отжиге, для достижения качеств получаемых закалкой и отпуском.

В процессе термической обработки происходят сложные изменения структурного характера, которые можно анализировать только на специальном оборудовании. Разрабатывались нормы и рекомендации, опираясь на научные данные, выполнение которых в производственных условиях обязательно. Получаемая структура при отжиге и другие показатели строго регламентированы и в домашних условиях практически невыполнимы. Однако добиться изменения структурного строения, сделать металл мягким и податливым своими руками можно. Качество отожженной стали для бытового применения будет достаточным. Для домашнего мастера не важно, эвтектоидного или аустенитного класса сплав у обрабатываемой детали.

Суть процесса

Процедура нормализации выглядит следующим образом. Деталь разогревают до температур, которые превышает максимально допустимые параметры (Ас1, Ас3) на 30 – 50 градусов Цельсия, затем, какое-то время ее выдерживают под воздействием этой температуры, после чего ее охлаждают.

Подбор температуры выполняют, руководствуясь маркой стали. Так, сплавы содержащие 0,8 % углерода так называемые заэвтектоидные, обрабатывают при температурах, лежащих между критическими точками Ас1 и Ас3.

Что такое критические точки – так называют температуры, при которых происходят фазовые изменения и структуры сплава при его нагреве или охлаждении.

Результатом этого становиться то, что в твердый раствор попадает некоторый объем углерода и закрепляется аустенита. То есть, на свет появляется структура, состоящая из мартенсита и цементита. Именно цементит приводит к росту стойкости к износу и твердости. Нагрев высокоуглеродистой стали свыше ас3 приводит к тому, что увеличиваются внутренние напряжения. Это происходит из-за того, что растет количество аустенита, в следствии роста концентрации углерода.

Сталь с содержанием углерода менее 0,8% при нагреве свыше критической точки Ас3 приобретает повышенную вязкость. Это происходит потому что в стали этого типа появляется аустенит (мелкозернистый), переходящий в мартенсит (мелкозернистый).

Доэвтектоидная сталь не обрабатывают при температурах, расположенных в диапазоне Ас1 – Ас3. Так как в этом случае появляются феррит, который снижает параметры твердости.

Время необходимое для выполнения операции

Для получения однородной структуры сплава, при определенной температуре, требуется какое-то время. Это время и будет определено как время выдержки стали при нормализации. Опытным путем определено, что слой металла толщиной в 25 мм через час становится однородным. Таким образом. и определяют время нормализации.

Завершающий этап – охлаждение

Скорость охлаждения играет существенную роль в образовании объема перлита и размера его пластин. Многочисленные исследования показали, что высокая интенсивность охлаждения увеличивает количество перлита и сталь получает повышенную твердость и прочность. Малая интенсивность охлаждения приводит к тому, что сталь теряет твердость и прочность.

При обработке деталей с существенными перепадами размеров, например. валов, целесообразно убрать напряжения, возникающие под воздействием колебания температур. Для этого их предварительно нагревают в емкости, заполненной разными солями. При понижении температуры допускается ускорить этот процесс помещая горячие детали в воду или специально подобранное масло.

Другими словами, нормализация стали устраняет напряжения внутри детали, минимизирует ее структуру. То есть она оказывает прямое влияние на изменение микроструктуры стальных сплавов.

Источник