Отжиг стали: процесс, виды, преимущества, недостатки и области применения

Отжиг стали - это процесс термообработки, при котором сталь нагревают выше температуры рекристаллизации, а затем дают ей остыть в регулируемой среде.

Это повышает пластичность, снижает твердость и снимает внутренние напряжения, что делает сталь пригодной для сложной механической обработки и усталостных нагрузок.

В этой статье представлено подробное руководство по процессу отжига стали с описанием его типов, преимуществ, ограничений и областей применения.

Перед изготовлением деталей на металлообрабатывающих станках заготовки могут подвергаться различным процессам термообработки, таким как нормализация, отжиг, отпуск, горячее цинкование и другие процессы обработки поверхности, например, анодирование.

Однако отжиг является одним из наиболее распространенных процессов термообработки стальных заготовок для улучшения их обрабатываемости.

Процесс отжига требует нагрева стали в печи выше температуры рекристаллизации, поддержания тепла в течение определенного промежутка времени и, наконец, охлаждения заготовки в контролируемой атмосфере.

Такие металлы, как медь, серебро и латунь, обычно требуют закалки в воде для охлаждения, в то время как сталь охлаждается внутри печи после отключения источника тепла.

Нагрев материала изменяет структуру зерна и уменьшает количество дислокаций/неоднородностей, что повышает пластичность и снижает твердость.

Медленная скорость охлаждения при отжиге стали способствует правильному развитию зернистой структуры, что приводит к минимальным внутренним напряжениям в заготовке.

Процесс отжига стали подразделяется на стадии восстановления, рекристаллизации и стадию роста зерна.

На этапе восстановления стальная заготовка нагревается в печи до температуры рекристаллизации.

Как правило, отжиг стали для крупных заготовок производится в промышленных печах. Однако более дешевой альтернативой для любительского применения является использование газовой горелки для нагрева заготовки.

На этом этапе зерновая структура измельчается, чтобы минимизировать дислокации (неровности), тем самым устраняя внутренние напряжения.

На этом этапе микроструктура стали проходит через два механизма: аннигиляцию и перестройку.

Во время аннигиляции дислокации, присутствующие в структуре зерна, объединяются и тем самым уменьшаются в количестве.

В процессе нагрева кинетическая энергия стальной заготовки увеличивается, что повышает вероятность взаимодействия и слияния дислокаций.

Стадия восстановления также включает перестройку дислокаций таким образом, что напряжения взаимодействуют и гасят друг друга, уменьшая внутреннюю энергию материала.

Как правило, более высокая температура рекристаллизации приводит к выделению большего количества тепла, что приводит к эффективному взаимодействию между дислокациями, повышая эффективность стадии восстановления.

Вторая стадия - рекристаллизация, которая включает в себя нагрев стали до температуры отжига, которая примерно на 37,8 °C (310,9 К) выше температуры рекристаллизации.

Как правило, температура рекристаллизации для различных типов стали варьируется между 400 °C (673,12 К) и 900 °C (1073,15 К).

Например, при полном отжиге стали AISI типов 1018, 1020 и 1025 средняя температура отжига 877,5 °C (1150,65 К), в то время как сталь типа 1030 имеет температуру отжига около 865 °C (1138,15 К).

Аналогично, сталь AISI типов 1060, 1070, 1080 и 1090 имеет среднюю температуру отжига около 817,5 °C (1090,65 К), а 1040 и 1050 - около 830 °C (1103,15 К).

Стадия рекристаллизации также изменяет структуру зерна, уменьшая любые деформации, присутствующие в стали, тем самым снижая ее твердость и повышая пластичность.

Температура рекристаллизации материала зависит от размера зерна. Чем больше размер зерна, тем ниже температура рекристаллизации.

Более низкая температура рекристаллизации приводит к снижению потребности в тепле для перехода на стадию роста зерна, что сокращает общее время цикла.

Таким образом, стадия рекристаллизации зависит от образования зерен на стадии восстановления.

После достижения температуры отжига, о чем свидетельствует оранжево-красный цвет поверхности заготовки, она поддерживается в течение определенного периода.

Общий принцип заключается в поддержании этой температуры в течение приблизительно 1 часа на каждый 1 дюйм (25,4 мм) толщины стальной заготовки.

Например, если толщина стальной заготовки составляет 2" (50,8 мм), то температуру отжига необходимо поддерживать не менее 2 часов.

На этом этапе происходит охлаждение стали внутри печи после отключения источника тепла. Cовершается полное развитие зерновой структуры и уменьшение внутренней энергии за счет уменьшения общей площади границ зерен.

Скорость охлаждения обычно поддерживается медленной, чтобы способствовать постепенному развитию зернистой структуры, сводя к минимуму хрупкость стали.

Любители могут воспользоваться изоляционным одеялом или песок, поместив их над горячей заготовкой, чтобы охладить ее, поскольку этот метод дешевле и проще в исполнении.

Как правило, оптимальная скорость охлаждения для отжига стали составляет от 15 °C (288,15 К) в час до 22 °C (295,15 К) в час.

Температура отжига стальной заготовки также зависит от ее толщины, углеродного состава и геометрии.

Стали с более высоким содержанием углерода имеют более низкую температуру отжига, и наоборот.

Кроме того, температура отжига увеличивается по мере увеличения толщины заготовки.

Аналогично, стальные заготовки с большей площадью поверхности и объемом требуют большего количества тепла, что повышает температуру отжига.

Отжиг стали классифицируется на семь типов в зависимости от степени нагрева заготовки.

Каждый тип процесса отжига стали снижает твердость и улучшает пластичность, но в результате каждого из них определенные свойства преобладают над другими.

Основные области применения полного и изотермического отжига стали включают снижение твердости, получение мелкозернистой и однородной структуры, устранение внутренних напряжений и улучшение обрабатываемости.

Неполный отжиг стали в основном снижает твердость, устраняет внутренние напряжения и улучшает обрабатываемость.

Кроме того, диффузионный и сфероидизирующий отжиг стали приводят к равномерному расположению зерен.

Аналогично, рекристаллизация и отжиг для снятия напряжений направлены на снижение внутренних напряжений в материале.

Тип стали диктует период поддержания тепла, скорость охлаждения и, в конечном итоге, тип отжига, который лучше всего подходит для конкретного применения.

Например, рекристаллизационный отжиг больше подходит для низкоуглеродистых сталей, а полный отжиг предпочтителен для высокоуглеродистых сталей.

Это связано с тем, что стали с более высоким содержанием углерода требуют больше тепла для измельчения зернистой структуры.

Отжиг повышает пластичность стали, одновременно снижая ее твердость. Это полезно в тех случаях, когда стальная конструкция подвергается усталости или тяжелым нагрузкам.

Например, балочный мост со сквозными фермами, состоящий из отожженных стальных стержней высокой пластичности, будет успешно сопротивляться деформации, вызванной усталостью или тяжелыми нагрузками.

С другой стороны, стальные стержни с низкой проводимостью будут иметь более высокую вероятность разрушения и последующего обрушения моста.

Процесс отжига также улучшает обрабатываемость стали, что делает ее пригодной для применения в тех случаях, когда на стальной заготовке необходимо выполнить несколько операций механической обработки.

Например, если вы хотите обработать сложную стальную деталь, такую как коническая шестерня, из стальной заготовки, отжиг заготовки будет способствовать высокой скорости резания при низком износе инструмента и низком энергопотреблении.

Таким образом, вы сможете ускорить процесс и продлить срок службы инструмента.

Внутренние напряжения могут вызвать нестабильность размеров, трещины и деформации, что приводит к разрушению стальных деталей во время эксплуатации.

Однако их устранение повышает общую механическую прочность детали, снижая вероятность разрушения.

Например, стальной пруток с внутренними напряжениями неизбежно выйдет из строя из-за трещин. Однако отжиг стального прутка приведет к улучшению механических свойств и сделает его менее склонным к разрушению под действием напряжения.

Улучшение магнитных свойств стальных изделий может быть полезно для использования в электромагнитных датчиках, магнитном экранировании или электромагнитах.

Высокие первоначальные и эксплуатационные затраты на отжиг стали делают его подходящим для крупномасштабных производств, без возможности или с минимальными возможностями для использования малым бизнесом и любителями.

Хотя для любительского отжига стали можно использовать пламенную горелку, затраты на ресурсы при этом остаются высокими, а полученные результаты будут сравнительно хуже, чем при профессиональном отжиге стали.

Трудоемкий процесс отжига может стать недостатком для крупных производств, где быстрое время цикла имеет первостепенное значение.

Процесс отжига стали требует обращения с горячими заготовками и источниками тепла, что может привести к серьезным травмам, если не будут соблюдены надлежащие протоколы безопасности.

Для проведения крупномасштабного процесса отжига стали требуется опытный оператор с хорошей подготовкой или сертификацией.

Отжиг требует хорошего контроля на протяжении всего процесса, поскольку даже незначительное изменение температуры может привести к образованию крупнозернистой структуры стали с неоднородными механическими свойствами.

Это снижает прочность стальной заготовки и делает ее склонной к разрушению при больших или циклических нагрузках.

Отожженная сталь играет важную роль в различных отраслях промышленности.

Благодаря благоприятным механическим свойствам, таким как повышенная пластичность, улучшенная обрабатываемость, пониженная твердость, минимальные остаточные напряжения и повышенная прочность, отожженная сталь имеет огромный потенциал в различных отраслях промышленности.

Отожженная сталь лучше всего подходит для использования в различных компонентах, связанных с автомобильной, железнодорожной и аэрокосмической промышленностью.

Применение в инфраструктуре также связано с усталостью, чрезмерными нагрузками и высокими вибрациями, которые могут стать сейсмическими в результате землетрясения.

Отожженная сталь обеспечивает структурную целостность инфраструктуры благодаря своей высокой прочности и долговечности.

Кроме того, отожженная сталь также используется в коммунальном хозяйстве, например, для изготовления инструментов и бытовой посуды.

Отжиг повышает пластичность стали и улучшает ее обрабатываемость, что делает ее благоприятной для производственных операций.

Различные типы процессов отжига вызывают различные механические свойства стали, поэтому перед выбором оптимального процесса отжига рекомендуется определить свои требования.

Хотя существуют различные процессы обработки металлов, такие как отпуск, нормализация, анодирование и т.д., отжиг стали дает наилучшие результаты в тех случаях, когда требуется значительная механическая обработка заготовок.

Советуем вам прочитать статьи опубликованные в нашем блоге ранее: «‎Как обрабатывать алюминий: Все, что вам нужно знать! [часть 1 из 2]»‎ и «‎40 интересных фактов о металлах»‎.

Если вам понравилась статья, то ставьте лайк, делитесь ею со своими друзьями и оставляйте комментарии!