2.1.2.Гомогенизационный отжиг.
Гомогенизационный отжиг применяют для слитков и отливок, в которых в реальных условиях кристаллизации сформировалась химически неоднородная структура, включая дендритную ликвацию и наличие неравновесных эвтектик или других структурных составляющих.
Целью гомогенизационного отжига является устранение химических неоднородностей в структуре и на этой основе повышение пластичности материала отливок, улучшение технологичности слитков при обработке давлением, повышение однородности структуры готовых изделий и улучшение комплекса их свойств.
Температура нагрева при гомогенизационном отжиге должна быть предельно высокой, близкой к температуре плавления. Это позволит предельно сократить длительность выдержки. Однако верхний предел температурного режима отжига ограничивается развитием возможных нежелательных явлений, таких как чрезмерный рост размера зерна (перегрев) или оплавление границ зерен, обогащенных примесями, что сопровождается насыщением газами, образованием газовой и усадочной пористости, окислением и возникновением трещин (пережог).
Оптимальной считается температура, которая при минимальных затратах (небольшой длительности отжига), обеспечивает достаточную технологичность материала заготовки при обработке давлением (прессовании, прокатке и др.) и заданный уровень свойств готовых изделий.
Длительность выдержки при гомогенизационном отжиге зависит от типа сплава, технологии его получения, размеров заготовок и величины садки в нагревательном устройстве (печи). Она складывается из длительности прогрева изделия по толщине либо времени прогрева по сечению крупной садки; времени, необходимого для растворения неравновесных структурных составляющих в структуре сплава; и, наконец, времени, требуемого для устранения дендритной ликвации.
Длительность прогрева определяется теплотехническими расчетами на основе решения дифференциальных уравнений теплопроводности либо экспериментальными методами путем термометрирования садки в печи.
Время, необходимое для растворения неравновесных структурных составляющих, можно определить эмпирическим выражением
где а и b - константы для конкретного сплава и технологии его производства; m- толщина растворяющихся частиц неравновесных структурных составляющих.
Значение величины а во многом определяется размером обрабатываемых заготовок и изделий, а значение показателя степени b - устойчивостью неравновесных фаз и диффузионными характеристиками системы. Для алюминиевых сплавов, например, величина b колеблется от 1,2 до 2,5, при средних значениях, равных 2, что свидетельствует о преимущественно диффузионной кинетике растворения неравновесных структурных составляющих в таких сплавах.
Третья составляющая длительности выдержки при гомогенизационном отжиге определяется временем, затрачиваемым на гомогенизацию твердого раствора, характеризующегося в исходном состоянии либо после окончания растворения неравновесной структурной составляющей химической неоднородностью по сечению каждого зерна (внутрикристаллитной или дендритной ликвацией).
Скорость нагрева и скорость охлаждения - дополнительные технологические параметры гомогенизационного отжига. Слитки и фасонные отливки, особенно сложной формы, следует нагревать медленно, обычно вместе с печью во избежание возникновения термических напряжений, которые могут привести к образованию трещин или короблению изделий.
По этой же причине и охлаждение часто проводят медленно (вместе с печью). При назначении режимов охлаждения наибольшее значение уделяют учету развивающихся при охлаждении фазовых превращений. При этом применяют такие способы и скорости охлаждения, при которых в результате развития фазовых превращений дополнительно повышается пластичность сплавов. Например, после отжига стальных слитков охлаждение, как правило, проводят медленное (вместе с печью) со скоростью от нескольких градусов до нескольких десятков градусов в час. Образующиеся при этом перлитные структуры характеризуются достаточно грубопластинчатым строением с низкими прочностными, но высокими пластическими характеристиками.
Наоборот, слитки из термически упрочняемых алюминиевых сплавов после гомогенизационного отжига рекомендуется охлаждать ускоренно (например, на воздухе), за счет чего предотвращается выделение по границам зерен твердого раствора вторичных выделений обычно хрупких фазовых составляющих.
Отливки из литейных алюминиевых сплавов после продолжительной гомогенизирующей выдержки охлаждают очень быстро - в воде, что полностью предотвращает выделение избыточной фазы. Кроме того, такое сочетание гомогенизационного отжига и быстрого “закалочного” охлаждения исключает необходимость нового нагрева под закалку, сокращая общую длительность цикла получения отливок.
Иногда применяют посадку в печь для отжига горячих слитков, не до конца охлажденных в кристаллизаторе или изложнице, подачу слитков из печи отжига на операцию горячей прокатки, исключая операции охлаждения после отжига слитков и их нового нагрева под обработку давлением. Это уменьшает общую продолжительность отжига и повышает суммарную экономичность процессов получения изделий.
Охлаждение слитков или слитковых заготовок из алюминиевых сплавов обычно ведут на воздухе. При использовании печей непрерывного действия слитковые заготовки подают непосредственно к прокатным станам для горячей пластической деформации подстуженными с температуры отжига до температуры деформации. Отливки из алюминиевых сплавов охлаждают после гомогенизации в воде, совмещая отжиг с закалкой.
Магниевые сплавы гомогенизируют при температурах 390 - 415 °С. Время выдержки 18 - 24 ч. Как и для алюминиевых сплавов, часто применяют совмещение гомогенизационного отжига с нагревом под обработку давлением (для слитков) и с закалкой (для отливок). Особенностью магниевых сплавов является их высокая химическая активность в контакте с кислородом воздуха, в связи с чем всегда существует опасность самовоспламенения. Поэтому нагрев слитков или отливок до температур отжига целесообразно вести в защитных средах, простейшей из которых является смесь воздуха с сернистым газом.
Как для алюминиевых, так и для магниевых сплавов иногда применяют высокотемпературную гомогенизацию (при температурах, на несколько градусов превышающих температуру неравновесного солидуса), что резко увеличивает степень гомогенизации слитков и отливок и не менее чем в 1,5 - 3 раза повышает пластичность сплавов.
2.1.3.Рекристаллизационные видыотжига.
Рекристаллизационные виды отжига относятся к классу отжига первого рода и включают в себя: дорекристаллизационный, рекристаллизационный и выделяемый в отдельную классификационную группу отжиг, увеличивающий зерно. Рекристаллизационные виды отжига применяются для полуфабрикатов либо готовых изделий, полученных методами обработки металлов давлением(прокаткой, прессованием, волочением, ковкой, штамповкой и др.).
Целью основного из этих видов отжига (рекристаллизационного) является повышение пластичности и уменьшение прочности деформированного материала, в результате чего улучшается его технологичность на последующих операциях обработки давлением и повышается пластичность готового изделия.
Дорекристаллизационный отжиг, преследуя аналогичную цель, дополнительно должен обеспечивать сохранение в готовом изделии или полуфабрикате частичного деформационного упрочнения, полученного при предшествовавшей пластической деформации, что требуется в соответствии с условиями эксплуатации обрабатываемого изделия.
Отжиг, увеличивающий зерно, выполняется со специальными целями, чаще всего не связанными с достижением тех или иных механических свойств. В большинстве случаев такой отжиг имеет цель - укрупнение размера зерна и формирование текстур либо получение монокристаллического состояния сплава.
Общим для всех трех видов отжига металлов и сплавов в данном случае являются особенности его структурного состояния, характеризующегося повышенным количеством физических дефектов кристаллического строения, введенных в металл при пластической деформации. При этом изменяется характер распределения дислокаций в тонком кристаллическом строении, формируются объемные дислокационные сетки, субзерна. Видимая под микроскопом зеренная структура металлов становится вытянутой вдоль направления основных растягивающих напряжений, а при больших степенях деформации зерна разрушается полностью, заменяясь волокнистым строением.
При этом в структуре наблюдаются лишь грубые полосы скольжения с единой направленностью вдоль направления деформирования. При штамповке сложных по конфигурации деталей (например, зубья шестерен, коленчатые валы, крюки грузоподъемных механизмов и т.д.) волокна деформации, копируя форму наружной поверхности, располагаются во всем сечении по контуру детали.
Такое волокнистое строение повышает надежность работы изделий при эксплуатации. В результате пластической деформации наблюдается деформационное упрочнение металла (наклеп), что выражается в увеличении твердости, предела прочности, предела текучести с одновременным уменьшением пластичности (рис. 1.2).
Рисунок 1.2. Изменение механических свойств алюминиевого сплава типа АМг и удельного электросопротивления металлов и сплавов с увеличением степени пластической деформации: 1 -чистые металлы; 2 - сплавы типа твердых растворов; 3 - упорядоченные твердые растворы.
Одновременно увеличиваются значения удельного электросопротивления. Характер этого изменения отличается от кривых деформационного упрочнения, что обусловлено тем, что удельное электросопротивление повышается в связи с ростом концентрации точечных дефектов (вакансий), тогда как повышение прочности и снижение пластичности обусловлено накоплением высокой плотности дислокаций.
Для повышения пластичности применяют рекристаллизационный и дорекристаллизационный отжиги, технологические параметры которых определяются с учетом степени пластической деформации, значения температурного порога рекристаллизации.
Температурный порог рекристаллизации - это такая минимальная температура, при которой начинается рекристаллизация в сильнодеформированных металлах. Температурный порог рекристаллизации для технически чистых металлов по определению А.А. Бочвара равен Тпр = 0,4 Тпл (в Кельвинах). Для сверхчистых металлов значение температурного порога рекристаллизации коэффициент 0,4 может уменьшаться вплоть до 0,25, а для сильнолегированных сплавов - увеличиваться до 0,55 - 0,60, а иногда рекристаллизация может не начаться вплоть до температурыплавления.
Температуру отжига назначают в связи с рекомендациями А.А. Бочвара на 100 - 150 ˚С выше температурного порога рекристаллизации, хотя могу быть и отступления от этого правила для каждого конкретного сплава.
Отжиг при температурах ниже температурного порога рекристаллизации соответствует дорекристаллизационному виду отжига, при котором развиваются процессы возврата (отдых и полигонизация). При этом не изменяется исходная структура деформационного типа, но снижаются внутренние напряжения, могут формироваться устойчивые субзеренные структуры. Сплавы сохраняют после такого отжига частично деформационное упрочнение, необходимое для условий эксплуатации изделий.
Температурный порог рекристаллизации является своеобразным температурным критерием, отделяющим холодную и горячую пластическую деформацию. Температурный порог рекристаллизации железа 450°С. Для углеродистых сталей он составляет 450 - 650°С.
Длительность выдержки при рекристаллизационном отжиге углеродистых сталей может быть небольшой (10 - 60 мин) и зависит от толщины заготовки.
Легированные стали требуют выдержек в 1,5 - 2 раза больших в связи с замедленным развитием диффузионных процессов, играющих большое значение в развитии рекристаллизации. Охлаждение после отжига углеродистых и легированных сталей не регламентируется и чаще всего проводится на спокойном воздухе. Стали аустенитного класса, типа 12Х18Н10Т, принципиально отличаются по технологии рекристаллизационного отжига от углеродистых и легированных сталей перлитного класса. Температура отжига таких сталей составляет 1050 - 1100 °С, охлаждение с температуры отжига в воде. При этом в едином процессе совмещается рекристаллизационный отжиг и закалка.
Для высокоуглеродистых (эвтектоидных и заэвтектоидных) инструментальных сталей отжиг преследует цель осуществить не только рекристаллизацию феррита, но и сфероидизацию цементита. В этой связи температура отжига выбирается предельно высокой, близкой к точке Ас1 (680-710 °С), а длительность выдержки 5 -12 ч.
Чрезмерно выросшее при рекристаллизационном отжиге зерно в стали можно исправить пластической деформацией с последующим рекристаллизационным отжигом при относительно низких температурах или путем отжига второго рода.
Температурный порог рекристаллизации алюминия зависит от чистоты его по примесям и колеблется в пределах от 100 до 290 °С. Для сплавов его значение достигает 290 - 350 °С. Термически неупрочняемые сплавы и технический алюминий (алюминий марок АД0, АД1, сплавы АМц, АМг6 и др.) отжигают при температуре 350 - 420 °С с выдержкой от 0,5 до 2,0 ч и охлаждением на воздухе.
Отжиг термически упрочняемых алюминиевых сплавов осложняется протеканием сопутствующей фазовой перекристаллизации. Для уменьшения ее влияния сплавы типа дуралюмин (Д1, Д16), авиали (АВ, АК6, АК8 и др.) отжигают при температуре 350 - 370 °С с охлаждением на воздухе.
Высокопрочные сплавы системы Al-Zn-Mg-Cu типа В95 отжигают при температурах 390 - 430 °С, при которых уже существенно развиваются процессы фазовой перекристаллизации. В этом случае охлаждение осуществляют замедленно (не более 30 °/ч) до 150 - 200 °С.
Температурный порог рекристаллизации магния около 100 °С. Для большинства магниевых сплавов 250 - 280 °С. Температура отжига практически для всех сплавов 350 °С. Длительность выдержки 0,5 - 2,0 ч. Охлаждение производят на воздухе. Скорость нагрева и охлаждения не оказывает влияния на результаты отжига.
Медь и большинство медных сплавов упрочняющей термической обработке не подвергают, поэтому для таких сплавов рекристаллизационный отжиг становится основным видом термической обработки, определяющим качество изделий. Температурный порог рекристаллизации меди от 180 до 230 °С. Для двойных латуней и бронз он составляет 300 - 400 °С, для сплавов меди с никелем (мельхиоров, нейзильберов), а также хромовых бронз - 400 - 500 °С.
Скорость охлаждения меди и большинства двойных сплавов на ее основе практически не оказывает влияния на результаты отжига, поэтому может применяться любой. На практике такие сплавы часто охлаждают в воде, за счет чего достигается очистка поверхности полуфабриката (проволоки, ленты и др.) от окалины. Двухфазные латуни и бронзы таким образом охлаждать нельзя, поскольку во многих из них могут происходить мартенситные превращения либо формирование метастабильных фазовых составляющих с пониженной пластичностью.
Температура начала рекристаллизации чистого никеля 300 °С. В технически чистом никеле и никелевых сплавах она составляет 350 - 550 °С. Температура отжига 700 - 800 °С, а никелевых сплавов 800 - 1100 °С, что так же, как и для меди значительно превышает значения температурного порога рекристаллизации.
Длительность выдержки при отжиге никелевых сплавов должна быть небольшой (1-15 мин.) в связи с интенсивным ростом зерна при развитии собирательной рекристаллизации.
Скорость охлаждения с температуры отжига зависит от типа сплава. Для термически упрочняемых сплавов типа Х20Н80Т3 - (нимоник) охлаждение должно быть ускоренным (в масле или даже в воде) в связи с опасностью выделения из твердого раствора вторичных фаз - упрочнителей, что может вызвать нежелательное в данном случае упрочнение, а также привести к межкристаллитной коррозии из-за выделения интерметаллидных частиц по границам зерен.
Температурный порог рекристаллизации чистого титана 450 °С. Для титановых сплавов он равен 550 - 600 °С. Оптимальными температурами рекристаллизационного отжига являются: для титана 550 - 700 °С, а для большинства титановых сплавов 630 - 750 °С. Длительность выдержки небольшая (10 - 40 мин), охлаждение на воздухе. Превышение указанных температур вызывает усиленный рост зерен. Кроме того, при температурах выше 800 - 850 °С для разных сплавов происходит фазовое превращение, обеспечивающее упрочнение сплавов и понижение пластичности, т.е. эффектов, противоположных целям рекристаллизационного отжига.