Объяснение отжига:повышение прочности, долговечности и технологичности металла

Когда инженеры и производители работают с металлами, они требуют прочности и долговечности. Ожидается, что металлические детали прослужат долго, а их устойчивость к нагрузкам делает их полезными во всем мире.

Однако иногда производителям необходимо, чтобы металлы были мягкими и пластичными. Потому что, когда металлы очень твердые, их труднее сгибать, формовать и разрезать по желаемой форме. Другими словами, большая пластичность и меньшая твердость означают лучшую обрабатываемость с точки зрения слесаря.

В металлообработке процессы термообработки, такие как отжиг, могут использоваться для повышения пластичности и снижения твердости металлов, чтобы сделать их более пригодными для обработки. В этой статье рассматривается, как работает отжиг и как он используется для улучшения огромного количества металлических (а иногда и неметаллических) деталей.

Что такое процесс отжига?

Отжиг — это процесс термической обработки, который размягчает металл, снижает его твердость, снимает внутренние напряжения и повышает его пластичность. Все эти физические изменения улучшают обрабатываемость металла, облегчая его использование в производственных процессах, таких как гибка или механическая обработка.

Помимо облегчения работы с металлами, отжиг может стабилизировать химические свойства материала и увеличить срок службы готовых металлических деталей, поскольку помогает предотвратить разрушение в процессе производства. Этот процесс можно использовать даже с неметаллическими материалами, такими как стекло и пластик, для достижения аналогичных преимуществ.

Как работает отжиг?

Отжиг происходит путем нагревания материала выше температуры рекристаллизации, но ниже точки плавления. Это позволяет атомам двигаться в процессе, известном как диффузия. За стадией нагрева следует период контролируемого процесса охлаждения, в результате которого образуются новые зерна без напряжений. Точный контроль скорости охлаждения имеет решающее значение, поскольку слишком быстрое или медленное охлаждение может отрицательно повлиять на производительность.

 Процесс в целом перестраивает кристаллическую структуру металла, уменьшая дислокации и делая металл мягче и облегчая его форму для дальнейшего производства.

Три этапа отжига

1. Восстановление

Когда температура металла повышается, он проходит стадию восстановления — названную так потому, что металл начинает восстанавливать свои «исходные», более мягкие свойства.

Восстановление смягчает металлы за счет удаления дефектов, известных как дислокации, устранения внутренних дефектов решетки и снижения остаточных напряжений. Это происходит потому, что тепло даёт энергию атомам кристаллической решётки, позволяя им двигаться.

2. Рекристаллизация

Стадия рекристаллизации происходит при определенной температуре рекристаллизации материала, которая выше, чем раньше, но ниже температуры плавления. На этом этапе зарождаются новые ненапряженные зерна и заменяют своих деформированных предшественников.

3. Рост зерна

Рост зерна, третья стадия, происходит только в том случае, если процесс отжига продолжается после полной рекристаллизации.

На стадии роста зерна размер отдельных зерен увеличивается. Это приводит к укрупнению микроструктуры материала, что может еще больше улучшить мягкость и пластичность, но в конечном итоге может ослабить материал.

Виды отжига

Различные типы или варианты отжига могут давать разные эффекты. Эти подтипы отжига включают:

• Отжиг для снятия напряжения :включает низкотемпературный нагрев материала для снятия внутренних напряжений, вызванных сваркой, литьем или механической обработкой, с последующим медленным охлаждением.
• Процесс отжига :Также называется промежуточным отжигом, подкритическим отжигом или отжигом в процессе процесса. Восстанавливает пластичность между этапами холодной обработки без полного размягчения материала.
• Полный отжиг :Используется для значительного улучшения пластичности, особенно стали. Включает в себя нагрев материала выше критической температуры, его выдерживание, а затем очень медленное охлаждение для создания однородной ферритно-перлитной структуры.
• Изотермический отжиг :включает нагрев материала до образования аустенита с последующим быстрым охлаждением и выдержкой для завершения перлитного преобразования и создания однородной твердости.
• Диффузионный отжиг :Также называется гомогенизацией, при которой используются высокие температуры для уменьшения сегрегации.
• Отжиг на раствор :включает нагрев сплава (обычно аустенитной нержавеющей стали) до высоких температур для растворения осадков в твердый раствор, а затем быстрое охлаждение для сохранения коррозионной стойкости.
• Светлый отжиг :предполагает использование инертной атмосферы для предотвращения окисления и создания «яркой» поверхности.
• Короткоцикловый отжиг :Включает повторяющиеся циклы нагрева и охлаждения для превращения обычного феррита в ковкий феррит.
• Сфероидизация :предполагает нагрев материала чуть ниже критической температуры в течение длительного времени. Сделайте высокоуглеродистые стали легко обрабатываемыми, образуя сферические карбидные структуры (сфероиды).

Термическая обработка Цель Температура

Изменить

Влияние на твердость Типичное использование ОтжигРазмягчает материал, снимает напряжения, улучшает обрабатываемостьНагрев до высокой температуры, затем медленное охлаждение↓Формовка, подготовка к механической обработкеУточнение зернистой структуры, улучшение однородностиНагрев до очень высокой температуры, затем охлаждение на воздухе↓Конструкционные сталиЗакалкаМаксимизация твердости и прочностиНагрев до очень высокой температуры, а затем быстрое охлаждение↑↑Режущие инструменты, износостойкие деталиОтпускУменьшение хрупкости после закалкиНагрев до умеренная температура, затем охлаждение↓Детали из закаленной стали, требующие прочности

Как отжиг улучшает обрабатываемость и обрабатываемость материала

Отжиг — важный процесс подготовки металлов к другим производственным процессам. Это достигается за счет увеличения пластичности, позволяя металлам и другим материалам подвергаться пластической деформации без разрушения.

Отжиг улучшает обрабатываемость и обрабатываемость материала следующими способами:

• Повышает пластичность :Атомная диффузия уменьшает количество дислокаций (дефектов) в кристаллической структуре, восстанавливая пластичность и предотвращая вероятность разрушения.
• Уменьшает хрупкость :Большая пластичность означает меньшую хрупкость, что означает, что металл можно свободно сгибать, прессовать или формовать без растрескивания.
• Повышает мягкость :более мягкий металл легче прорезать станку, что позволяет выполнять резку быстрее и точнее.
• Уменьшает износ инструмента :более мягкий и менее абразивный материал более безопасен для режущего инструмента, что продлевает срок его службы.

Эти преимущества делают отжиг особенно ценным при работе с черными металлами, такими как сталь и чугун.

Плюсы и минусы отжига отличаются от других процессов термообработки. Все вышеперечисленное можно считать ключевыми преимуществами отжига; однако к недостаткам отжига относятся высокие затраты энергии, требуемое время, а также риск чрезмерного отжига и чрезмерного роста зерен, которые могут вызвать слабость материала.

Как отожженные материалы используются в производственных процессах

Металлы, прошедшие отжиг, легче производить с использованием различных процессов формовки и резки. Ниже мы рассмотрим, как отжиг может помочь в этих различных методах.

Обработка с ЧПУ

Отжиг можно использовать до и после обработки на станке с ЧПУ для улучшения качества обрабатываемых деталей.

Перед механической обработкой можно использовать отжиг для смягчения металлов, что облегчает их точную резку и снижает потенциальный износ инструмента. После механической обработки можно применить отжиг для снятия напряжений, вызванных процессом резки.

Формирование и гибка

Отжиг облегчает сгибание металлов без разрушения, что делает его идеальным для процессов формовки и гибки, при которых металлы значительно деформируются. Отжиг обращает вспять нагар, вызванный предыдущими операциями, подготавливая его к дальнейшей работе.

Штамповка и глубокая вытяжка

Процесс отжига идеально подходит для процессов холодной обработки, таких как штамповка и глубокая вытяжка, поскольку он снижает хрупкость материала и помогает предотвратить разрушение.

Сварка

Отжиг делает металлы мягче и податливее, что позволяет производить сварку без риска разрушения материала.

Для таких материалов, как некоторые нержавеющие стали и никелевые сплавы, термообработка перед сваркой, такая как отжиг, полезна для снижения чувствительности к образованию трещин и обеспечения прочного и надежного сварного соединения. Кроме того, отжиг после сварки используется для снятия внутренних напряжений, смягчения хрупкой зоны термического влияния (ЗТВ) после интенсивного нагрева, восстановления пластичности и ударной вязкости металла.

3D-печать

Описанные выше процессы включают отжиг таких металлов, как сталь, алюминий и титан. Однако его также можно использовать для продления срока службы термопластичных 3D-напечатанных деталей.

При отжиге 3D-печати пластиковые детали нагреваются чуть ниже температуры стеклования, в результате чего дезорганизованные полимерные цепи выстраиваются в более кристаллическую структуру. Это делает деталь прочнее, тверже и жаростойче.

Применение отжига

Отжиг используется во многих отраслях промышленности для снижения твердости, улучшения пластичности и снятия внутренних напряжений, что в конечном итоге делает детали более долговечными. К обычным отожженным деталям относятся:

• Общее производство :Холоднокатаный листовой металл, тянутый алюминий, проволока и сварные конструкции.
• Строительство :Гидравлические цилиндры, коленчатые валы, поршни.
• Автомобилестроение :Полуоси, шестерни, детали двигателя.
• Аэрокосмическая промышленность :Рамы, шасси, детали двигателя, детали из титановых сплавов.
• Электроника :Полупроводниковые пластины, медные и алюминиевые проводники.

Металлы и сплавы для отжига

Некоторые металлы и сплавы подходят для отжига, хотя разные температуры (и типы отжига) подходят для разных материалов. В таблице ниже показаны подходящие температуры для различных металлов, а также дополнительные преимущества, которые они дают помимо улучшенной пластичности.

Металл Типичная температура отжига Уникальные преимущества Низкоуглеродистая сталь750–900 °CСреднеуглеродистая сталь800–850 °CЛегированная сталь750–900 °CНержавеющая сталь (аустенитная)1000–1100 °CВосстанавливает коррозионную стойкость за счет растворения карбидов хромаНержавеющая сталь (ферритная)750–850 °CЧугун800–950 °CПревращает связанный углерод в свободный графит для улучшения демпфированиеАлюминий300–415 °CВосстанавливает электропроводность после холодной обработкиМедь400–650 °CМаксимизирует электро- и теплопроводностьЛатунь450–650 °CПредотвращает коррозионное растрескивание при холодной обработкеБронза500–700 °CУлучшает износостойкость подшипниковых сплавовТитан650–760 °CПредотвращает водородное охрупчиваниеНикель и никель сплавы700–1100 °CВосстанавливает стойкость к окислению при высоких температурах

Вывод:передовые решения в области отжига с помощью 3ERP

Отжиг обеспечивает важные преимущества при металлообработке, позволяя производителям выполнять такие процессы, как формовка и механическая обработка, не повреждая металлическую заготовку. Его многочисленные подтипы означают, что это универсальный процесс, подходящий для различных сплавов и применений.

Новые промышленные применения отжига включают его использование в аддитивном производстве, где недостатки, присущие 3D-печати — внутренние напряжения и пустоты — можно уменьшить за счет термообработки. Еще одним современным применением отжига является производство полупроводников, где передовые процессы, такие как лазерный и микроволновый отжиг, могут воздействовать на определенные функциональные слои в 3D-чипах.

Какими бы ни были ваши потребности в отжиге, специалисты по металлообработке 3ERP могут использовать наш многолетний опыт для реализации вашего проекта. Запросите цену здесь.

Часто задаваемые вопросы

Каковы три стадии отжига?

Тремя стадиями отжига являются восстановление (обеспечивает движение атомов), рекристаллизация (обеспечивает зарождение зерен без напряжений) и рост зерен (дальнейшее изменение механических свойств).

Что такое магнитный отжиг?

Магнитный отжиг — это специализированная термообработка магнитомягких материалов, требующая контролируемой атмосферы. Этот процесс обеспечивает обычные преимущества отжига, а также улучшает магнитные свойства.

Что такое печь отжига?

Печь для отжига — это промышленная печь, которая может точно генерировать и поддерживать высокие температуры, необходимые во время отжига. Охлаждение металлов также обычно происходит внутри печи.

  Возможен ли отжиг нержавеющей стали?

Да, отжиг нержавеющей стали является обычным явлением, хотя он требует высоких температур. Отжиг на раствор часто используется для аустенитных марок.

Возможен ли отжиг золота?

Отжиг золота — довольно распространенный процесс в ювелирном деле и других отраслях. Поскольку заготовки обычно очень маленькие, ювелиры часто используют специальную горелку, а не печь, нагревая золото до тех пор, пока оно не начнет светиться красным.