Рекристаллизационные виды отжига

 

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 (главным образом, высокой плотностью дислокаций, достигающих величин 10¹¹ - 10¹² 1/см²), 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 (рисунок 7.2). 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.

Рисунок 7.2. 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

 

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 Т_пр = 0,4 Т_пл (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 температуры плавления.

Температуру отжига назначают в связи с рекомендациями А.А. Бочвара на 100 - 150 ˚С выше температурного порога рекристаллизации, хотя могут 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. Использование выражения для определения температуры отжига, предложенного А.А.Бочваром (Т_отж = Т_пр + 100...150°С), приводит к значениям температуры отжига для железа и углеродистых сталей 650 - 700°С.

Для сталей, легированных хромом, алюминием, молибденом и иными легирующими элементами, повышающими точку фазового превращения (например, стали 38ХМЮА, а также быстрорежущих сталей типа Р18, Р6М5), температура отжига может быть повышена до 750 - 770°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) инструмен-тальных сталей отжиг преследует цель осуществить не только рекристаллизацию феррита, но и сфероидизацию цементита. В этой связи температура отжига выбирается предельно высокой, близкой к точке А_с1 (680-710 °С), а длительность выдержки 5 -12 ч.

Чрезмерно выросшее при рекристаллизационном отжиге зерно в стали можно исправить пластической деформацией с последующим рекристал-лизационным 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.

Температурурекристаллизационного отжига меди выбирают 500 - 700°С, что существенно в большую сторону отличается от рекомендаций А.А.Бочвара. Для двойных латуней и бронз температура отжига 600 - 700 °С, а медно-никелевых сплавов и хромовых бронз - 700 - 850°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 технически чистого никеля и термически неупрочняемых сплавов (НМц5 - марганцовистый никель, НМЖМц-28-2,5-1,5 - монель-металл, Х20Н80 - нихром) охлаждение может быть любым и чаще всего его проводят на воздухе. 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.