Створення нових матеріалів та управління їх властивостями - це мистецтво технології металів. Одним з її інструментів є термічна обробка. Ці процеси дозволяють змінювати характеристики і відповідно, сфери використання сплавів. Віджиг сталі - широко поширений варіант для усунення виробничих дефектів виробів, підвищення їх міцності і надійності.
Завдання процесу і його різновиди
Операції випалу проводяться з метою:
- оптимізації внутрішньокристалічної структури, впорядкування легуючих елементів;
- мінімізації внутрішніх спотворень і напружень внаслідок стрімких технологічних температурних перепадів;
- підвищення податливості об'єктів до подальшої обробки різанням.
Класичну операцію називають «повним віджигом», проте існує цілий ряд його різновидів, залежно від заданих властивостей і особливостей виконання завдань: неповний, низький, дифузійний (гомогенізація), ізотермічний, рекристалізаційний, нормалізаційний. Всі вони схожі за принципом, однак режими термообробки сталей значно відрізняються.
Термічна обробка на основі діаграми
Всі перетворення в чорній металургії, які засновані на грі температур, чітко відповідають діаграмі залізовуглецевих сплавів. Вона є наочним посібником для визначення мікроструктури вуглецевих сталей або чавунів, а також точок перетворення структур і їх особливостей під впливом нагріву або охолодження.
Технологія металів регламентує цим графіком всі види випалу вуглецевих сталей. Для неповного, низького, а також для рекристалізації «відправними» температурними значеннями служить лінія PSK, а саме її критична точка Ас1. Повний віджиг і нормалізація стали термічно орієнтовані на лінію діаграми GSE, її критичні точки Ac3 і Acm. Також діаграма чітко встановлює зв'язок певного способу термічної обробки з видом матеріалу за змістом вуглецю і відповідну можливість її проведення для конкретного сплаву.
Повний віджиг
Об'єкти: відливки і поковки з доевтектоїдного сплаву, при цьому склад сталі повинен наповнювати карбон у кількості до 0,8%.
Мета:
- максимальна зміна мікроструктури, отриманої литтям і гарячим тиском, приведення неоднорідного крупнозернистого ферритно-перлітного складу в однорідний дрібнозернистий;
- зниження твердості і підвищення податливості для подальшої обробки різанням.
Технологія. Температура відпалу стали на 30-50 ºС вище критичної точки Ас3. Після досягнення металом заданих термічних характеристик їх підтримують на цьому рівні протягом деякого часу, що дозволяє завершити всіх необхідні перетворення. Великі перлітні та ферритні зерна повністю переходять в аустеніт. Наступний етап - повільне охолодження разом з піччю, в процесі якого з аустеніту знову виділяються феррит і перліт, що має дрібне зерно і однорідну структуру.
Повний віджиг сталі дозволяє усунути найбільш складні внутрішні дефекти, проте є дуже тривалим і енергоємним.
Неповний віджиг
Об'єкти: доевтектоїдні стали, які не мають серйозних внутрішніх неоднорідностей.
Мета: подрібнення і пом'якшення перлітного зерна, без зміни ферритної основи.
Технологія. Нагрів металу до температур, що потрапляють у проміжок між критичними точками Ас1 і Ас3. Витримка заготовок у печі при стабільних характеристиках сприяє завершенню необхідних процесів. Охолодження проводиться повільно, разом з піччю. На виході отримують ту ж перлітно-ферритну дрібнозернисту структуру. При такому термічному впливі перліт перетворюється на дрібнозернистий, феррит же залишається незмінним кристалічно, а може лише змінюватися структурно, також подрібнюючись.
Неповний віджиг сталі дозволяє врівноважити внутрішній стан і властивості нескладних об'єктів, він менш енергоємний.
Низький випалювальний (рекристалізація)
Об'єкти: всі види прокату з вуглецевої сталі, легована сталь з вмістом вуглецю в межах 0,65% (наприклад, шарикопідшипникова), деталі і заготовки з кольорових металів, які не містять серйозних внутрішніх дефектів, проте потребують неенергоємної корекції.
Мета:
- зняття внутрішніх напружень і наклепу внаслідок впливу як холодної, так і гарячої деформації;
- ліквідація негативних наслідків нерівномірного охолодження зварних конструкцій, підвищення пластичності та міцності швів;
- додання однорідності мікроструктурі продукції кольорової металургії;
- сфероїдизація пластинчастого перліту - надання йому зернистої форми.
Технологія.
Нагрів деталей виробляється на 50-100 ºС нижче критичної точки Ас1. Під дією таких впливів усуваються незначні внутрішні зміни. Весь технологічний процес займає близько 1-1,5 години. Приблизні значення температурних інтервалів для деяких матеріалів:
- Вуглецева сталь і мідні сплави - 600-700. С.
- Нікелеві сплави - 800-1200. С.
- Алюмінієві сплави - 300-450. С.
Охолодження проводиться на повітрі. Для мартенситних і бейнітних сталей технологія металів передбачає іншу назву цього процесу - високу відпустку. Є простим і доступним способом поліпшення властивостей деталей і конструкцій.
Гомогенізація (дифузійний випалювання)
Об'єкти: великі продукти лиття, особливо відливки з легованої сталі.
Мета: рівномірний розподіл атомів легуючих елементів по кристалічних решітках і всьому об'єму злитку в результаті високотемпáної дифузії; пом'якшення структури заготовки, зниження її твердості перед виконанням наступних технологічних операцій.
Технологія. Нагрів матеріалу виробляють до високих температур 1000-1200 С. Стабільні термічні характеристики необхідно утримувати протягом тривалого часу - близько 10-15 годин, залежно від розмірів і складності литої конструкції. По завершенні всіх етапів високотемпáних перетворень слідує повільне охолодження.
Трудомісткий, однак високоефективний процес вирівнювання мікроструктури великих конструкцій.
Ізотермічний випалювання
Об'єкти: листовий прокат вуглецевої сталі, вироби з легованих і високолегованих сплавів.
Мета: поліпшення мікроструктури, зняття внутрішніх дефектів з меншими витратами часу.
Технологія. Метал спочатку нагрівають до температур повного відпалу і витримують час, необхідний для перетворень всіх наявних структур в аустеніт. Далі повільно охолоджують зануренням у розпечену сіль. По досягненню теплоти на 50-100 ºС нижче точки Ас1 поміщають в піч з метою підтримки її на даному рівні протягом часу, необхідного для повного перетворення аустеніту в перліт і цементит. Завершальне охолодження відбувається на повітрі.
Метод дозволяє досягти необхідних властивостей заготовок з легованої сталі, при цьому економить час, в порівнянні з повним відпалом.
Нормалізація
Об'єкти: відливки, поковки і деталі з низьковуглецевої, середньовуглецевої і низьколегованої сталі.
Мета: упорядкування внутрішнього стану, надання потрібної твердості та міцності, поліпшення внутрішнього стану перед подальшими етапами термообробки та обробки різанням.
Технологія. Сталь нагрівають до температур, які лежать трохи вище лінії GSE і її критичних точок, витримують і охолоджують на повітрі. Таким чином, швидкість завершення процесів збільшується. Однак за допомогою цієї процедури можна досягти раціональної спокійної структури лише в тому випадку, коли склад стали визначений вуглецем у кількості не більше 0,4%. З підвищенням кількості карбону має місце підвищення твердості. Та ж сталь після нормалізації має велику твердість разом з рівномірно розташованим дрібним зерном. Методика дозволяє значно підвищити опір сплавів руйнуванню і податливість обробці різанням.
Можливі дефекти випалу
Під час виконання операцій термічної обробки необхідно дотримуватися заданих режимів температурних нагрівів та охолоджень. У разі порушення вимог можуть виникнути різні дефекти.
- Окислення поверхневого шару та утворення окаліни. Під час проведення операції розпечений метал вступає в реакцію з киснем повітря, що призводить до утворення окаліни на поверхні заготовки. Підлягає очищенню механічним способом або за допомогою спеціальних хімічних реактивів.
- Вигорання вуглецю. Також відбувається в результаті впливу кисню на гарячий метал. Зниження кількості вуглецю в поверхневому шарі призводить до зниження його механічних і технологічних властивостей. З метою запобігання цих процесів, випалювання сталі необхідно виробляти паралельно з введенням всередину печі захисних газів, основне завдання яких - не допустити взаємодій сплаву з киснем.
- Перегрів. Є наслідком тривалої витримки в печі при високій температурі. Має наслідком надмірне зростання зерен, придбання неоднорідної крупнозернистої структури, підвищення крихкості. Піддається виправленню шляхом здійснення ще одного етапу повного відпалу.
- Пережіг. Відбувається в результаті перевищення допустимих значень нагріву і витримки, призводить до руйнування зв'язків між деякими зернами, повністю псує всю структуру металу і не піддається виправленню.
Для запобігання збоям важливо чітко виконувати завдання термообробки, володіти професійними навичками і суворо контролювати процес.
Віджиг сталі є високорезультативною технологією приведення мікроструктури деталей будь-якої складності і складу до оптимальної внутрішньої будови і стану, який потрібен для подальших етапів термічних впливів, обробки різанням і введення конструкції в експлуатацію.
