Як проводиться відпал сталі? Види термічної обробки

Відпал сталі – це процес термічної обробки, що передбачає нагрівання металу, витримку за певних температур і повільне охолодження. На даному етапі обробки він набуває параметрів, без яких можуть бути неможливі деякі наступні технологічні операції. Щоб краще зрозуміти, що таке відпал сталей, необхідно розібратися, як проводиться відпал сталі та з якою метою, які бувають різновиди і яка основна мета відпалу.

Навіщо потрібен відпал металу?

Він використовується для покращення якісних параметрів металопродукції та дозволяє:

• знизити твердість та покращити пластичність – для полегшення різання, свердління та інших видів механічної обробки виробів;
• зменшити внутрішні напруження, що виникли в результаті первинної обробки;
• змінити властивості наклепаного металу після холодної пластичної деформації;
• усунути структурну неоднорідність матеріалу, що має місце при затвердінні виливки після лиття.

У ряді випадків для отримання бажаних характеристик продукції вистачить неповного відпалу металу. Але в будь-якому випадку необхідно суворо дотримуватись призначених режимів термічної обробки (час витримки, температура нагріву та швидкість охолодження).

Для якісного проведення відпалу необхідно використовувати спеціалізоване термічне обладнання та високоточні контрольно-вимірювальні прилади. В іншому випадку досягти позитивних результатів такої термічної обробки буде дуже складно. Єдиним орієнтиром стане колір гарячого металу, точність якого дуже відносна і залежить від багатьох факторів, включаючи досвід терміста, який виконує оцінку.

Види відпалу сталі та їх особливості

Методи даної термообробки поділяються на дві основні категорії: першого та другого роду. Також розрізняють такі види відпалу металу, як повний та неповний. До категорії 1-го роду входять усі операції, у яких сталь знаходить необхідні властивості, але процес не доходить до фазової рекристалізації.

Вид такої термічної обробки як відпал 2-го роду передбачає фазові перетворення сплавів. Він включає нагрівання вище критичних точок фазових перетворень і охолодження з точним дотриманням тимчасового і температурного режиму. Внаслідок такого термічного впливу структура сплаву значно змінюється. Далі розглянемо докладніше процес відпалу сталі та його види.

Повний відпал

Цей метод використовують для доевтектоїдних та евтектоїдних сталей, які містять вуглець у кількості, що не перевищує 0,8%. Процедура передбачає нагрівання на 30-50 градусів Цельсія вище критичних температур. Сталь трансформується в аустеніт. Потім відбувається повільне охолодження до 500-600°C, у якому утворюється феритно-перлітна структура.

По завершенні операції повного відпалу сталі структура сплаву приходить до однорідного стану, усувається смугастість і текстура, а всі внутрішні напруження знімаються. Завдяки цьому матеріал стає піддатливим при подальшій обробці.

Неповний відпал

Подібна термообробка – це нагрівання у міжкритичний інтервал температур, витримка та повільне охолодження. Спочатку сплав нагрівають на 30-50°C вище за точку A1 (для більшості вуглецевих і низьколегованих сталей температура нагріву становить близько 740-770°C). Під час витримки відбувається часткова перекристалізація – перліт перетворюється на аустенітну фазу. Надлишковий ферит трансформується в аустеніт тільки частково.

Після неповного відпалу сплав стає максимально м’яким. У такому вигляді він легко піддається механічній обробці.

Ізотермічний відпал

Цей метод використовують для легованих сталей та сплавів. Сировину нагрівають на 30-50°С вище верхньої критичної точки Ас₃ – до стану аустеніту. Потім метал охолоджують із прискоренням до 660-680 градусів за Цельсієм. При цій температурі сталь проходить витримку, під час якої відбувається перетворення на перліт. Тому важливо врахувати такий фактор, як температура відпалу. Завершальний етап ізотермічного відпалу сталей – охолодження на повітрі.

Після термообробки за ізотермічною технологією виріб набуває більш чистої поверхні, стає однорідним за структурою. Також його легше обробляти різанням через збільшений рівень пластичності. Тому це найбільш використовувана технологія відпалу нержавіючої сталі.

Дифузійний відпал

Цей спосіб називають також гомогенізаційним і застосовують переважно для злитків з метою усунення дендритної ліквації та інших видів хімічної та структурної неоднорідності. Його відносять до досить тривалих видів термічної обробки, тому це досить дорога процедура. Дифузійний відпал металів передбачає нагрівання до 1000-1200°С, тривалу витримку протягом 10-20 годин та повільне охолодження з піччю. Загальна тривалість такої термічної обробки може сягати 100 годин й більше.

Після закінчення гомогенізаційного відпалу металурги отримують метал з розчиненими надлишковими фазами та більш рівномірним хімічним складом, з підвищеною пластичністю та в’язкістю. З іншого боку, дифузійний відпал може призводити до небажаних явищ, наприклад зростання аустенітного зерна, що може вимагати проведення додаткових операцій.

Рекристалізаційний відпал

Призначений для жорстких та непіддатливих заготівель, що пройшли холодну обробку тиском. Цей метод призначений для зняття ефекту наклепу та використовується для:

• труб;
• листового прокату;
• прутків;
• дроту;
• штампування.

Цей спосіб відпалу застосовують для деформованих сплавів як остаточну або проміжну операцію. В межах процедури виріб нагрівають на 100-200°C вище за температуру рекристалізації, витримують та охолоджують.

На виході металурги отримують сплав із цілком новими, найчастіше рівноосними зернами. Рекристалізаційна термічна обробка сталі повертає металу пластичність.

Відпал для зняття напруження

Цей метод термообробки застосовують для зварних виробів, виливків, заготовок після обробки різанням і т. д. Усі перераховані вище вироби можуть характеризуватись наявністю залишкових напружень через неоднорідну пластичну деформацію та нерівномірне охолодження.

Відпал сталі для зняття внутрішнього напруження здійснюють при 160-700°C, після чого виріб повільно охолоджують. Різні вироби обробляють за різної температури. На вибір температурного режиму впливають марка сталі й те, яким способом обробляли раніше заготівлю. При цьому методі термічної обробки вдається провести часткову або повну релаксацію залишкових напружень.

Нормалізаційний відпал (нормалізація)

Цей різновид відпалу призначений для повної фазової перекристалізації, усуває крупнозернистість структури, отриманої в процесі прокатки, штампування, лиття та інших видів обробки металів тиском. При нормалізації заевтектоїдна сталь нагрівається до температури вище Acm, а доевтектоїдна – вище Ас₃.

Після витримки при цій температурі виконується прискорене охолодження повітря, яке забезпечує розпад аустеніту при нижчих температурах. Це підвищує дисперсність ферито-цементитної структури, що підвищує міцність та твердість сталі у порівнянні з відпаленою. Після нормалізаційного відпалу сталева продукція набуває підвищеної опірності крихкому руйнуванню.

Висновок

Необхідний вид термічної обробки (у тому числі відпалу) та його режими мають вибиратися залежно від низки параметрів:

• марки сталі;
• структури та комплексу механічних характеристик, які необхідно забезпечити для подальшої переробки чи кінцевого використання;
• обробки, яка передувала етапу термічного впливу тощо.

Температуру, тривалість витримки та швидкість охолодження при відпалі призначають, виходячи зі складу сплаву, форми та розмірів виробу. Від правильного вибору та суворого дотримання параметрів термообробки безпосередньо залежить якість та експлуатаційна стійкість кінцевого продукту.

Ми раді, що ви зацікавилися інформацією з нашого блогу. І даємо згоду на використання матеріалів для навчальних цілей або особистого користування.
Проте попереджаємо, що копіювання інформації для публічного розповсюдження – це порушення авторського права та інших прав інтелектуальної власності згідно з Бернською конвенцією та Законом України про авторське право №3792-XII.

Процес відпалу сталі

На виробництві часто затребувані метали з особливими властивостями, проте їх створення у великих масштабах недоцільно. З цієї причини металургійні підприємства виготовляють універсальну сировину, що відповідає державному стандарту, а вона потім проходить спеціальну обробку.

Найпопулярніший спосіб обробки сталі – її відпал. В результаті цієї операції змінюється структура матеріалу, і ця зміна надає їй нові властивості – наприклад, знижену твердість та здатність витримувати високі температури. Фахівці “Метал Холдінг” детально пояснює, як відбувається відпал металу і які є особливості у цієї операції.

Навіщо треба піддавати метал термічній обробці?

Термообробка сировини дозволяє поліпшити її фізичні та хімічні властивості:

• понижена твердість. Робота за таким матеріалом дозволяє прискорити процеси подальшої обробки й використати ширший спектр інструментів;
• поліпшена структура. Висока температура змінює кристалічну структуру металу, адаптуючи його для подальшої обробки.

Іноді буває досить і неповного відпалу. Також використовуються різні за своєю складністю режими. Повний відпал може займати до декількох діб залежно від розмірів оброблюваного виробу. Найдовші частини цієї процедури – нагрівання до необхідної температури і охолодження. Відпал проводиться зазвичай в муфельній печі – у ній можна задати необхідну температуру і тим самим контролювати відпал.

Якщо печі немає, контроль за температурою можна проводити тільки візуально, орієнтуючись на колір сировини.

Які є види відпалу металу?

У класифікації використовують різні роди, повноту і види відпалу.

Відпал першого роду проходить без рекристалізації й дозволяє усунути сліди механічної обробки на верстатах. Такий вид процедури знижує міцність і збільшує пластичність металу, а також зменшує внутрішню напругу в ньому. Такі якості наділяють вироби підвищеною надійністю і довговічністю.

Відпал другого роду використовує фазову рекристалізацію, внаслідок чого серйозно міняється структура металу. Фазова рекристалізація – це нагрівання металу вище за критичні для нього точки з подальшим охолодженням. Спосіб проведення відпалу другого роду визначається необхідними для виробу якостями металу. Тут особливо важлива точність, оскільки при надмірному перегріванні зміни в структурі металу стають безповоротними, після чого метал потрібно переплавляти.

Відпал також буває повним і неповним. Неповний у більшості випадків застосовується для створення основних елементів конструкцій, а неповний – для невеликих деталей. Це пов’язано з тим, що міра змін в структурі сталі сильно розрізняється залежно від обраного способу обробки. Тут важливі такі параметри, як температура нагріву, час витримки, швидкість охолодження і режим охолодження.

Неповний відпал не дозволяє температурі в печі досягти критичної для металу точки й не вимагає тяжких умов для режиму охолодження. При повному відпалі метал розігрівається навпаки, вище за критичні для нього значення. Необхідно підтримувати цю температуру точно вказаний за стандартом час і так само суворо виконати охолодження у відповідному режимі.

При цьому треба враховувати усі параметри сталі: марку, її твердість і зміст домішок, оскільки для кожного складу є свій державний стандарт для термічної обробки.

За видом розрізняють ізотермічний, дифузійний і рекристалічний відпал.

Ізотермічний відпал – відповідніший варіант для легованих марок сталі. Цей спосіб полягає в тому, щоб нагрівати метал до аустенітної фази й прискорено потім його охолодити. Після цього заготівля витримується в печі на кінцевій температурі після охолодження до тих пір, поки не настає перлітовий стан. Потім метал до кінця охолоджується поза піччю, природним способом на повітрі. Для сталей з високим відсотком хрому в складі це найефективніший спосіб збільшити їх пластичність.

Також для ізотермічного відпалу характерний особливий спосіб охолодження. Для нього матеріал не охолоджують поступово, як при інших видах відпалу, а тримають в постійній температурі, внаслідок чого аустеніт повністю розпадається з перетворенням феритового і перлітового стану. Так відбувається обробка сплавів, стійких до дії екстремальних температур, а також для обробки дрібних деталей і інструментів. При цьому цей вид відпалу не займає багато часу, залишаючись ефективним для вирішення багатьох технологічних завдань виробництва.

Дифузійний відпал за усіма стандартами вважається екстремальним, оскільки при ньому метал нагрівають до максимально високих температур, що екстремально перевищує критичні для нього точки нагріву. Така методика підійде для роботи з легкоплавкими складами й сплавами з досить складними складами. За допомогою дифузійного відпалу можна зробити структуру сталі м’якше й пластичніше, відкриваючи доступ до інших можливостей для подальшої обробки.

Відмітимо, що при використанні такого виду відпалу потрібен суворий контроль за температурним режимом і точне дотримання технології операції, тому при роботі з екстремально високими температурами завжди є ймовірність перегрівання, після чого сплав доведеться віддавати на переплавку. Точні значення температури для кожної марки сталі вказані в металургійних довідниках – чітке відстежування цих значень уберігає склад від втрати своїх якостей.

Відпал рекристалізації – це спосіб, відповідний для позбавлення від небажаних якостей матеріалу. За допомогою цієї методики знімають наклепання і всілякі ушкодження після попередніх етапів обробки. У такий спосіб обробляють:

• листовий металопрокат;
• дріт і прутки;
• різні види труб;
• штампування.

Використання відпалу рекристалізації дозволяє різним видам металу набути необхідні для виробництва характеристики, щоб задовольняти необхідним якостям кінцевого виробу.

Те, яку методику треба вибрати, залежить від первинного хімічного складу сплаву і необхідних якостей кінцевого продукту. Для правильної термічної обробки металу матеріал треба нагрівати з перевищенням температури кристалізації на пару сотень градусів. Спосіб обробки також визначає якості, які можна надати матеріалу.

Часто досить неповного відпалу, але для дрібних деталей знадобиться використання повного.

Особливості роботи з різними видами сталі

Для кожної марки є свої стандарти обробки й технологічні вимоги до проведення термічної обробки. Головний параметр, який враховується – вміст вуглецю і відсоток інших металів в сплаві. На твердість також впливає час, відведений на витримку металу в печі й на охолодження.

Нерідко використовують дві печі: одну для підтримки максимальної температури, і другу для завершення формування потрібної молекулярної структури матеріалу. У першій печі температура може бути вища за тисячу градусів з подальшим охолодженням зі швидкістю до ста градусів в годину. Нижче 300 градусів виріб охолоджується вже поза піччю.

Доевтектоїдні сталі містять менш одного відсотка вуглецю, в їх структурі переважають ферит і перліт, тому для марок цієї сталі досить неповного відпалу, щоб збільшити пластичність металу. Такі низьковуглецеві марки часто використовуються у будівництві для створення міцних несних конструкцій. До їх обробки можуть бути виставлені жорсткі вимоги – у таких випадках застосовують повний відпал. Цей вид відпалу дозволяє створити збалансовану за напругою та іншим якостям структуру залежно від вимог виробництва.

Під діям високих температурних режимів відбуваються серйозні структурні зміни металу – проаналізувати їх можна виключно за допомогою спеціального устаткування. Для кожного виду сплавів розроблені свої рекомендації та стандарти на основі численних досліджень, що дозволяють ефективно загартовувати й обробляти їх. У них прописані температурні режими, час витримки та інші особливості технологічного процесу.

Це актуально для роботи у виробничих умовах, коли така обробка приймає масштабніший характер. Для любительської роботи досить простого дотримання правил відпалу, оскільки для побутового застосування сталі у більшості випадків не має значення, який саме це сплав за змістом домішок.

Мережа металобаз “Метал Холдінг” пропонує послуги з декількох видів обробки металопрокату, у тому числі відпалу.

Процес відпалу сталі та металу: види, особливості, технологія

На подвір’ї XXI століття – це століття розвинених технологій, інфраструктури та промисловості. Це стосується й галузі металургії, яка має найважливіше значення для будівництва. З народженням нових можливостей та ідей підвищуються вимоги до якості матеріалів. Людство, яке зовсім недавно освоїло технологію обробки та застосування металу та різних сплавів, більше не влаштовують природні механічні властивості.

Відтепер лише високоміцні та високоякісні матеріали можуть бути використані у будівництві. І саме для зміни природних властивостей металу застосовуються різні методики термічної обробки, такі як відпал металу, які дозволяють значно підвищити його міцність і оброблюваність.

Що являє собою відпал

Відпал – це один із методів термічної обробки металу та сталі. В його основі лежить нагрів до дуже високої температури. Тобто метал нагрівається до потрібної температури залежно від мети та методу, витримується у такому стані на якийсь час, а потім поступово охолоджується.

Відпал може проводитися у найрізноманітніших випадках. Наприклад можна розглянути найголовніші. Зазвичай він проводиться у таких цілях:

• для зменшення внутрішньої напруженості металу, який може виникнути в результаті кування, іншого впливу на нього або обробки;
• для підвищення механічних властивостей та міцності металу;
• надання однорідності його структурі;
• щоб покращити пластичність, що дуже важливо під час обробки;
• для підвищення рівня опірності та ударної в’язкості та ін.

Види особливості

Залежно від мети та призначення відпал може мати такі різновиди:

• повний та неповний;
• рекристалізований;
• дифузійний;
• ізотермічний;
• сфероїдізація;
• нормалізація та ін.

Докладніше розглянемо деякі з них.

Технологія повного відпалу

Повний відпал проводиться з метою подрібнення зерна та покращення якості обробки з використанням ріжучого інструменту, а також для усунення внутрішньої напруженості. Йому піддаються вироби, виготовлені з доевтектоїдного сплаву або сталі, у складі якої міститься карбон у кількості, що не перевищує 0,8%. До таких виробів належать ковані та литі деталі.

Що стосується технології: виріб піддається нагріванню, що досягає критичної точки, що дорівнює приблизно 20-50 градусів, що має умовне позначення А3. Потім витримують у цьому стані стільки, скільки потрібно, і повільно охолоджують. Температура нагрівання визначається залежно від типу сталі за діаграмою стану. Для кожного типу сталі існують певні значення температур, за яких досягається необхідний ступінь нагріву. Ці значення можна знайти у довідкових таблицях.

Час охолодження також продиктований структурою і складом сталі, наприклад, вироби з вуглецевої сталі охолоджують на 180-200 градусів на годину, низьколеговані сталеві деталі охолоджуються на 90 градусів на годину, високолеговану сталь, якщо вона піддається повному відпалу, охолоджують ще повільніше. година. Оскільки вироби з високолегованої сталі найчастіше піддають іншому типу термічної обробки, ізотермічному, проте бувають і винятки.

Внаслідок повного відпалу неоднорідна структура вуглецевої та доевтектоїдної сталі, що складається з великих і дрібних зерен і часто не задовольняє за своїми механічними властивостями, стає однорідною та податливою для обробки. Саме з цією метою і проводиться повний відпал.

Особливості та мета неповного відпалу

Якщо повний відпал призначений для виробів, які не відповідають жодним вимогам, то неповний проводиться на тих самих об’єктах з більш-менш задовільними механічними властивостями. Тобто внаслідок неповної термічної обробки зміниться лише перлітова структура металу, а феритова залишиться незмінною. “Перлит” у перекладі з французької означає “перлина”, він входить до складу структури сталі, чавуну та інших залізовуглецевих сплавів. Перліт складається з фериту та цементиту, що утворюють евтектоїдну суміш. Іншими словами, основна мета – зробити сталь м’якою та пластичною, наскільки це можливо.

Технологічно процес неповного відпалу відрізняється ступенем нагріву, у разі він досягає критичної точки на 30-50 градусів вище до А1. Температура нагріву досягає 770 градусів, поступове охолодження відбувається зі швидкістю 60 градусів на годину: спочатку у печі до 600 градусів, а потім на відкритому повітрі.

Така термообробка також застосовується для заевтектоїдної та легованої сталі. Вона нагрівається до критичної точки Ас1, що перевищує 10-30 градусів. В результаті такого нагрівання відбувається перекристалізація сплаву, яка, у свою чергу, сприяє утворенню сферичної форми перліту. Цей процес ще називається сфероїдизацією.

Рекристалізація та дифузія

• Рекристалізаційний відпал проводиться з метою відновлення кристалічних ґрат, порушених в результаті деформації сталі. Деформація призводить до наклепу, який супроводжується зниженням пластичності, сталь стає дуже жорсткою, що робить її обробку неможливою. Деформована сталь нагрівається до 650-680 градусів, внаслідок чого феритові та перлітові зерна, що знаходяться у витягнутому у бік деформації стані, розподіляються рівномірно, відновлюючи кристалічну решітку та повертаючи стали пластичність та м’якість.
• Дифузійний відпал проводиться з метою вирівнювання структурної однорідності на хімічному рівні, тобто атомному. Така необхідність може виникнути під час твердіння литих злитків, інакше цей ефект називається дендритною ліквацією. Гомогенізація, або дифузійний відпал, дозволяє ліквідувати дендритну ліквацію шляхом переміщення атомів домішок з частини з високим скупченням в частину, де спостерігається їх нестача, таким чином вирівнюючи хімічну структуру.

Щоб цей процес протікав успішно, нагрівання проводиться за дуже високих температур, з більш тривалою витримкою та з повільним охолодженням, на відміну від видів, розглянутих вище. Тобто, це температури, що перевищують 1000 градусів, тривалість витримки становить більше 12 годин.

Призначення ізотермічного відпалу та нормалізації

Ізотермічний відпал застосовується для високолегованих та високохромистих сталей. Його особливість полягає в нагріванні металу на 30-50 градусів вище критичної точки Ас3 і прискореному охолодженні до температури витримки нижче критичної точки А1, а потім в природному охолодженні на відкритому повітрі.

Даний вид дає кілька видимих ​​переваг, перша з яких полягає в часі, тобто весь процес – починаючи від нагріву, витримки і до остигання – займає набагато менше часу, ніж етап остигання деталі разом з піччю. Друга перевага полягає в тому, що при ізотермічній витримці та різкому охолодженні досягається згладжена і однорідна структура по перерізу деталі.

• Нормалізація . Процес нормалізації здійснюється як проміжний перед обробкою і загартуванням з метою усунення наклепу і внутрішньої напруги. Доевтектоїдна сталь піддається нагріванню до критичної точки Ас3 на 30-50 градусів вище, поступово охолоджується на відкритому повітрі. Причому на відміну від відпалу при нормалізації відбувається переохолодження, за рахунок чого і досягається однорідніша тонка і дрібнозерниста структура.
• Наслідки нормалізації . Значно підвищується міцність та ударна в’язкість сталі. Нормалізація протікає набагато швидше, ніж відпал, а її продуктивність набагато вища. Тому рекомендується нормалізувати сталі, що містять у своєму складі вуглець, а не відпалювати.