Что такое отжиг? Руководство по термической обработке металлов

В обработка металла, Существует распространённая проблема. Материалы, достаточно прочные для эксплуатации, часто трудно формовать, гнуть или обрабатывать на станках. Отжиг — ключевой метод термической обработки, решающий эту проблему. Он включает в себя нагрев металла выше температуры рекристаллизации, но ниже температуры плавления. Затем металл контролируемо охлаждается. Этот процесс размягчает материал, восстанавливает его гибкость и снимает внутренние напряжения. В результате формовка, штамповка и механическая обработка становятся более стабильными и предсказуемыми.

Для производителей отжиг — практичный инструмент. Он помогает избежать трещин, снизить износ инструмента и стабилизировать размеры. Планируете ли вы традиционные рабочие процессы или внедряете новые, Токарная обработка с ЧПУ онлайн Для решения этой задачи также важно понимать особенности отжига. Знание того, когда и как его применять, может напрямую влиять на стоимость, качество и сроки поставки.

Какое воздействие отжиг оказывает на металлы?

Краткое определение и основная цель отжига

Отжиг — это термическая обработка металлов и сплавов. Он изменяет их внутреннюю структуру, снижая твёрдость, повышая пластичность и уменьшая внутренние напряжения. На практике заготовку нагревают до заданной температуры, превышающей температуру рекристаллизации. Её выдерживают при этой температуре в течение определённого времени, а затем охлаждают с контролируемой скоростью. Охлаждение обычно происходит в печи или на воздухе.

Основными целями отжига являются:

• Устранить последствия упрочнения при холодной штамповке, гибке, волочении или прокатке.
• Восстанавливает гибкость и прочность. Это позволяет материалу подвергаться дальнейшей формовке и механической обработке без образования трещин.
• Снимают внутренние напряжения, возникающие во время прокатки, сварки, литья или механической обработки.
• Улучшить электрические и магнитные свойства таких материалов, как медь и алюминий.

Кедо и после отжига

На высоком уровне эффекты отжига можно увидеть в следующих изменениях свойств:

Эти изменения происходят из-за изменений во внутренней структуре металла. Они не являются результатом простого нагревания и охлаждения.

Как работает отжиг на уровне микроструктуры

Деформационное упрочнение, дислокации и внутренние напряжения

При холодной прокатке, гибке или штамповке металла его зёрна растягиваются и деформируются. На атомном уровне увеличивается количество дефектов, называемых дислокациями. Именно поэтому материал становится твёрже и прочнее. Но при этом он теряет гибкость и становится более склонным к растрескиванию.

В то же время в материале возникают внутренние напряжения. Разные области стремятся к расширению или сжатию, но удерживаются друг другом. Эти напряжения могут привести к деформации деталей во время обработки или даже к их растрескиванию в процессе эксплуатации.

Процесс отжига даёт атомам достаточно тепловой энергии для перемещения и перегруппировки. Дислокации удаляются или организуются в структуры с более низкой энергией. Образуются новые зёрна, свободные от напряжений. В результате свойства материала возвращаются к более сбалансированному и стабильному состоянию.

Три стадии отжига

Процесс отжига обычно состоит из трех этапов, хотя циклы нагрева могут различаться в зависимости от сплава.

• Восстановление: На первом этапе материал нагревается до умеренной температуры. Атомы могут двигаться более свободно. Это позволяет некоторым дислокациям перестроиться и частично снять напряжение. Электро- и теплопроводность могут улучшиться. Однако общая структура зерен при этом существенно не меняется, а твёрдость снижается лишь незначительно.
• Перекристаллизация: Затем металл нагревают выше температуры рекристаллизации, но всё ещё ниже температуры плавления. Начинают формироваться и расти новые, свободные от деформаций зёрна. Они заменяют деформированную, наклепанную структуру. На этом этапе твёрдость падает сильнее всего, а пластичность увеличивается сильнее всего.
• Рост зерна: Если металл слишком долго находится при высокой температуре или охлаждается очень медленно, происходит рост зерен. Существующие зерна увеличиваются в размерах за счет исчезновения более мелких. Это может сделать материал еще более гибким, но слишком быстрый рост может снизить его прочность и вязкость. Контроль времени и температуры здесь имеет ключевое значение для баланса формуемости и эксплуатационных характеристик.

Виды отжига

Для определенных материалов и желаемых результатов применяются различные процессы отжига.

Полный отжиг

Полный отжиг часто применяется для углеродистых и легированных сталей. Он предназначен для деталей, которые должны быть максимально мягкими и однородными. Сталь нагревается выше верхней критической температуры для образования структуры, называемой аустенитом. Выдержка длится достаточно долго для равномерного изменения температуры. Затем сталь медленно охлаждают в печи.

Этот процесс:

• Создает достаточно грубую, но однородную структуру с низкой твердостью.
• Обеспечивает максимальную гибкость и обрабатываемость, что полезно перед тяжелой формовкой или механической обработкой.
• Обычно применяется для поковок, отливок и толстых профилей, требующих более тщательной обработки.

Процесс отжига

Технологический отжиг, или субкритический отжиг, применяется преимущественно к низкоуглеродистым сталям, подвергнутым холодной обработке. Материал нагревают до температуры ниже критической точки, выдерживают при этой температуре в течение короткого времени, а затем охлаждают на воздухе.

Типичные цели:

• Восстановить достаточную гибкость, чтобы материал мог подвергаться дальнейшей холодной формовке.
• Уменьшите усилия, необходимые для формования, и снизьте риск образования трещин.
• Обеспечивает практичный этап “промежуточного размягчения” в многоступенчатых процессах формования.

Нормализация

Нормализация — это отдельная термическая обработка, но её часто обсуждают вместе с отжигом. Материал нагревают до температуры, немного превышающей верхнюю критическую. Затем его охлаждают на воздухе, а не в печи.

По сравнению с полным отжигом:

• Нормализованные стали обычно прочнее и тверже, но немного менее гибкие.
• Скорость воздушного охлаждения создает более мелкую и однородную структуру зерна.
• Его широко применяют для конструкционных сталей, где важны однородные свойства и стабильность, но не требуется максимальная мягкость.

Отжиг для снятия напряжений и рекристаллизации

Отжиг для снятия напряжений нагревает материал до температуры ниже критического диапазона. Материал выдерживают при этой температуре для снятия внутренних напряжений, а затем медленно охлаждают. Этот метод применяется после сварки, литья или тяжёлой механической обработки, когда стабильность размеров имеет решающее значение.

Рекристаллизационный отжиг применяется для холоднодеформированных материалов. Заготовка нагревается до температуры, немного превышающей температуру рекристаллизации. Это позволяет сформировать новые, свободные от деформаций зерна без изменения фазового состава. Эта обработка:

• Снижает твердость сильнее, чем простое снятие напряжения.
• Восстанавливает более однородную структуру зерна.
• Распространено для холоднокатаных листов и холоднотянутых прутков.

Другие специализированные методы отжига

Для некоторых сплавов и инструментальных сталей применяются более специализированные процессы отжига:

• Изотермический отжиг: Металл нагревают, а затем быстро охлаждают до более низкой температуры. Выдерживают при этой температуре для получения более контролируемой структуры и лучшей обрабатываемости.
• Сфероидизирующий отжиг: Используется для высокоуглеродистых сталей. Придаёт твёрдым карбидам круглую форму. Это значительно улучшает обрабатываемость и формуемость перед окончательной закалкой.

Эти методы выбираются в тех случаях, когда стандартный отжиг не может обеспечить необходимые свойства.

Какие металлы и детали больше всего выигрывают от отжига?

Углеродистые и легированные стали

Большинство углеродистых и низколегированных сталей хорошо поддаются отжигу. Типичные ситуации:

• Поковки или отливки, требующие полного отжига перед прецизионной обработкой.
• Холоднокатаные или холоднотянутые детали, которые слишком трудно согнуть или штамповать.
• Штампованные детали, требующие дополнительной формовки без образования трещин.

Для этих материалов выбор между полным отжигом, технологическим отжигом и нормализацией зависит от конечных целей.

Нержавеющие стали, инструментальные стали и жаропрочные сплавы

Эти материалы также подвергаются отжигу, но их поведение более сложное:

• Некоторые виды нержавеющей стали отжигают главным образом для восстановления коррозионной стойкости, а не только для их смягчения.
• Инструментальным сталям может потребоваться сфероидизация для улучшения обрабатываемости перед закалкой.
• Жаропрочные сплавы часто требуют специальной атмосферы в печах, чтобы избежать повреждения поверхности.

Для этих материалов крайне важно следовать рекомендациям, касающимся конкретных сплавов, а не использовать общий цикл.

Медь, латунь и алюминий

Такие металлы, как медь, латунь и алюминий, часто отжигают, чтобы:

• Восстановление гибкости проволоки после волочения, гибки или глубокой вытяжки.
• Улучшить электропроводность за счет уменьшения внутренних дефектов и напряжений.
• Позволяет создавать более острые изгибы и более сложные формы без разрывов.

Например, отожженная медь и алюминий широко используются в электрических деталях, где важны как формуемость, так и проводимость.

Контроль температуры, времени и охлаждения при отжиге

Стадия нагрева

Для успешного отжига требуется нагрев до правильной температуры и ее выдержка достаточно долго.

• При слишком низкой температуре восстановление происходит лишь частично. Твёрдость и напряжение сохраняются.
• Если оно слишком высокое, может произойти нежелательный рост зерен, что снизит прочность.

Время выдержки зависит от толщины детали, сплава и печи. Инженеры выбирают температуру и время, обеспечивающие полную рекристаллизацию без чрезмерного увеличения зерен.

Стратегии охлаждения

Стадия охлаждения напрямую влияет на конечную структуру и свойства:

• Охлаждение печи (очень медленный) используется для полного отжига. Он обеспечивает максимальную мягкость и минимизирует термические напряжения.
• Воздушное охлаждение Используется для нормализации и снятия стресса. Обеспечивает баланс силы и гибкости.
• Некоторые цветные металлы можно охлаждать в воде или масле, в зависимости от требуемых свойств.

Выбор правильного метода охлаждения помогает контролировать твердость, деформацию и напряжение.

Типы печей и атмосфера (воздух, защитный газ, вакуум)

Отжиг можно проводить в различных печных условиях:

• Воздушные печи являются обычными для сталей, но поверхности могут окисляться.
• Печи с защитной атмосферой (например, с использованием азота) уменьшают окисление. Они используются, когда качество поверхности имеет решающее значение.
• Вакуумные печи лучше всего подходят для высококачественных сплавов, где качество поверхности имеет решающее значение.

Правильная печь и атмосфера помогают контролировать качество поверхности и затраты на отделку.

Преимущества и недостатки отжига в производстве

Улучшенная пластичность, обрабатываемость и электрические свойства

Хорошо спланированный отжиг имеет ряд преимуществ:

• Более высокая гибкость и прочность, снижающие риск растрескивания.
• Лучшая обрабатываемость, более плавная резка и меньший износ инструмента.
• Для меди и алюминия улучшенные электрические свойства.
• Более однородное и предсказуемое поведение при штамповке, гибке и сварке.

Во многих случаях отжиг позволяет использовать более прочные или более трудоемкие материалы без большого процента брака.

Время, энергия и возможная потеря силы: ограничения

Отжиг также имеет очевидные компромиссы:

• Это требует времени, особенно для толстых деталей и охлаждения печи.
• Он потребляет энергию и требует больших мощностей печи, что увеличивает производственные затраты.
• Плохо контролируемый отжиг может привести к образованию крупных зерен и потере прочности.

По этой причине отжиг должен быть осознанным этапом процесса с четкими целями.

Практические применения и примеры применения в металлообработке

Листовой металл, проволока и детали глубокой вытяжки

Классическими примерами отжига являются холоднокатаные листы, тянутая проволока и детали глубокой вытяжки.

• После интенсивной холодной обработки листы и проволока становятся твёрдыми и хрупкими. Отжиг восстанавливает их гибкость, позволяя лучше формоваться.
• Детали из глубоко вытянутого алюминия или латуни часто требуют отжига между этапами, чтобы предотвратить разрывы.

В этих случаях отжиг напрямую влияет на возможность формовки деталей без трещин.

Сварные конструкции

Сварка вызывает интенсивные изменения температуры и напряжений в зоне сварного шва, или зоне термического влияния (ЗТВ). Отжиг для снятия напряжений после сварки:

• Снижает внутренние напряжения, минимизируя деформацию и растрескивание.
• Помогает восстановить более однородные свойства в сварном шве и вокруг него.

Это особенно важно для толстых профилей и деталей с жесткими допусками на размеры.

Перед обработкой на станке с ЧПУ, штамповкой или гибкой

Для некоторых материалов дешевле сначала провести отжиг, а затем механическую обработку или формовку.

• Очень твердые или закаленные материалы вызывают сильный износ инструмента при обработке на станках с ЧПУ.
• Сложные изгибы при штамповке невозможны без предварительного размягчения материала.

Планирование отжига перед этими операциями может сократить количество брака, стабилизировать размеры и продлить срок службы инструмента.

Качество, допуски и распространенные проблемы при отжиге

Типичные цели качества

Качественно отожжённая деталь не просто “мягче”. Она контролируема.

• Твердость должна находиться в определенном диапазоне.
• Структура зерна должна быть однородной и не слишком крупной.
• Деформация должна быть в пределах допуска, особенно для длинных и тонких деталей.

Эти цели должны быть согласованы проектировщиком, покупателем и поставщиком.

Распространенные ошибки (недогрев, перегрев, неравномерное охлаждение) и как их избежать

Типичные проблемы при отжиге:

• Недогрев или короткое время замачивания: Напряжения сохраняются, твердость слишком высока, и детали трескаются.
• Перегрев или длительное время удержания: Зерна вырастают слишком крупными, что снижает прочность.
• Неравномерный нагрев или охлаждение: Возникают искажения, коробления и остаточные очаги напряжения.

Правильная калибровка печи, правильная загрузка и контроль процесса имеют решающее значение для предотвращения этих проблем.

Простое руководство по выбору

Краткий контрольный список для дизайнеров и покупателей

Вам следует рассмотреть возможность отжига, если:

• Материал слишком твердый из-за холодной обработки и трескается во время формовки.
• Вам необходимы жесткие допуски размеров после сварки, литья или тяжелой механической обработки.
• Износ инструмента и проблемы с обработкой слишком высоки.
• Деталь должна быть формуемой, но при этом иметь стабильные свойства.

Если применимо несколько из этих условий, стоит обсудить отжиг с вашим поставщиком.

Когда отжиг не рекомендуется или его можно заменить

Иногда отжиг — не лучший выбор:

• Когда основной целью является высокая прочность, лучше использовать другую термическую обработку.
• Когда только нормализация позволяет достичь необходимых свойств.
• Когда затраты и время не оправдывают полный цикл отжига.

Выбор зависит от материала, формы детали, условий нагрузки и общего процесса.

Yonglihao Machinery: От отожженных заготовок до готовых деталей

Основанная в 2010 году, компания Yonglihao Machinery специализируется на точной штамповке металла., обработка на станках с ЧПУ, и лазерная резка. Во многих проектах мы работаем с отожжёнными или снятыми с напряжения материалами. Мы также привлекаем партнёров по термообработке для обеспечения стабильности формовки и обработки.

Сочетая правильную термообработку с контролируемыми операциями, мы помогаем клиентам получать более надежное качество, более длительный срок службы инструмента и предсказуемые поставки.

Часто задаваемые вопросы

Когда следует рассмотреть возможность отжига деталей?

Обратите внимание на этот метод, если холодная обработка делает материал слишком твёрдым или сварка создаёт высокие напряжения. Также используйте его при появлении трещин во время формовки или механической обработки. Если усилия формовки велики, а процент брака растёт, отжиг часто является хорошим решением.

Можно ли все металлы отжигать одинаково?

Нет. Стали, медь и алюминий поддаются отжигу, но для каждого из них требуются определённые температура, время и метод охлаждения. Специальные сплавы, такие как нержавеющие и инструментальные стали, требуют ещё более точного контроля.

В чем разница между полным отжигом, технологическим отжигом и нормализацией?

Полный отжиг нагревает сталь до температуры выше критической и медленно охлаждает её в печи для достижения максимальной мягкости. Технологический отжиг нагревает сталь до температуры ниже критической для восстановления некоторой гибкости. Нормализация нагревает сталь до температуры выше критической и охлаждает на воздухе для получения более мелкой структуры и повышения прочности.

Всегда ли отжиг снижает прочность и твердость?

Как правило, это так, но степень размягчения зависит от процесса. Полный отжиг обеспечивает максимальную мягкость. Другие методы, например, снятие напряжения, позволяют добиться баланса прочности и гибкости. Главное — выбрать обработку, соответствующую вашим потребностям.

Значительно ли увеличивает время и стоимость отжига?

Это увеличивает время выдержки в печи и энергозатраты, что, конечно, увеличивает стоимость и время выполнения заказа. Однако это часто снижает количество брака, стабилизирует обработку и продлевает срок службы инструмента. Эта экономия может компенсировать дополнительные затраты на процесс.

Как следует указывать отжиг на чертежах?

Укажите тип процесса (например, полный отжиг), целевой диапазон твёрдости и любые критические пределы деформации. Для ключевых деталей добавьте примечания об атмосфере печи или методах контроля, чтобы соответствовать ожиданиям вашего поставщика.