Отжиг, уменьшающий напряжения

Отжиг для снятия остаточных напряжений основан на том, что при нагреве упругонапряженного металла снижается уровень критического напряжения сдвига ниже уровня действующих в металле остаточных напряжений, в результате чего остаточные напряжения снижаются. Чем выше температура нагрева, тем в большей степени снижаются напряжения. При этом происходит консервативное перемещение дислокаций в своих плоскостях скольжения после исчезновения части закреплений дислокаций узлами дислокационных сеток и различными физико-химическими неоднородностями.

Сдвиговая кинетика снятия напряжений характеризуется быстрым уменьшением остаточных напряжений до уровня, близкого к значению критического напряжения сдвига, соответствующего температуре отжига, с последующим очень слабым уменьшением напряжений в течение длительного времени. Кинетика снятия и уровень остаточных напряжений после отжига определяются не его длительностью, а температурой нагрева.

При низких температурах напряжения могут сниматься лишь по диффузионному механизму, при котором напряжения снимаются очень медленно и требуется очень длительная выдержка (несколько десятков часов).

Технология отжига отливок из серого чугуна предусматривает нагрев до температуры 430 - 600 ⁰С с выдержкой от 0,5 до 5,0 ч в зависимости от размеров и сложности формы отливок с последующим охлаждением вместе с печью. Технология реализует сдвиговый механизм снятия напряжений. Медленное охлаждение предотвращает образование новых напряжений в результате возможного появления температурных градиентов при быстром охлаждении. Отжиг стальных отливок, штамповок и сварных узлов проводится при температуре 550 - 680 ⁰С в зависимости от исходного структурного состояния изделия и требуемых механических свойств. Длительность выдержки определяется расчетом от 2 до 4 мин на 1 мм толщины изделия и не превышает обычно 2 - 3 ч. Снятие напряжений происходит по сдвиговому механизму.

Однако если после термической обработки на высокую твердость (50 - 60 HRC) изделия шлифуются, то для снятия шлифовочных напряжений, предотвращения коробления изделий при длительной эксплуатации и возможного образования шлифовочных трещин проводят отжиг (“старение”) при температурах 120 - 140 ⁰С с длительностью выдержки от 12 до 48 ч. Механизм снятия напряжений при таком отжиге стали - диффузионный.

Сдвиговое снятие напряжений в чистом алюминии и чистой меди достигается при температуре 150 ⁰С в течение 0,5 - 1,0 ч, в двойных латунях от Л90 до Л62 при 200 ⁰С; ЛС 59-1 - 285 ⁰С, 1 ч; ЛА 77-2 - 350 ⁰С, 1 ч. Технический титан отжигают при температуре 500 °С, титановые сплавы - при 550 - 600 ⁰С с выдержками 0,5 - 1,0 ч.

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 (см. лекцию 3).

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).

Практика показывает, что в большинстве случаев температура отжига может быть предварительно определена как (0,90 - 0,95) от температуры плавления в Кельвинах. Затем для каждого конкретного сплава она уточняется на основе проводимых исследований структуры и свойств заготовок и готовых изделий. 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

t = a× m ^b,

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.

Легированные стали, содержащие хром, молибден, ванадий, вольфрам, титан и др., отжигают при температурах 1050 - 1250°С в крупных садках с выдержкой от 8 до 20 ч. Нагрев и охлаждение очень медленные (до 10 - 20°/ч). Общая длительность цикла достигает 160 - 180 ч.

Алюминиевые сплавы отжигают при температурах от 440 до 640 °С в зависимости от химического состава сплавов. Преимущественно эта температура на 5 - 40 °С ниже температуры неравновесного солидуса конкретного сплава. Так, для дуралюминов Д1 и Д16, температуры неравновесного солидуса которых равны 509 и 508 °С, интервалы температур гомогенизационного отжига соответственно составляют: 470 - 500 °С и 470 - 495 °С. Для высокопрочного сплава В95 с температурой неравновесного солидуса 475 °С температура отжига 440 - 470 °С. Для сплава системы алюминий - магний марки АМг6, имеющего температуру неравновесного солидуса 460 °С, температура отжига очень близка к солидусу- 450 - 460 °С. Для малолегированного сплава АМц соответственно 650 и 600 - 640 °С. Длительность выдержки при отжиге от нескольких часов до нескольких десятков часов. Для сплавов типа дуралюмин это время от 8 до 36 ч, для сплавов систем Al - Mg до 48 ч.

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.