Введение

Тепловая обработка, изменяющая свойства материала.

В металлургии и материаловедении отжиг – это тепловая обработка, изменяющая физические и иногда химические свойства материала для повышения его пластичности и снижения твердости, что делает его более удобным в обработке. Она включает в себя нагрев материала выше температуры рекристаллизации, выдерживание при подходящей температуре в течение определенного времени и последующее охлаждение. Во время отжига атомы перемещаются в кристаллической решетке, и количество дислокаций уменьшается, что приводит к изменению пластичности и твердости. По мере охлаждения материал рекристаллизуется. Для многих сплавов, включая углеродистую сталь, размер зерна кристалла и фазовый состав, которые в конечном итоге определяют свойства материала, зависят от скорости нагрева и скорости охлаждения. Горячая или холодная обработка после отжига изменяет структуру металла, поэтому для достижения требуемых свойств могут применяться дополнительные термические обработки. Зная состав и фазовую диаграмму, тепловую обработку можно использовать для изменения материала от более твердого и хрупкого к более мягкому и пластичному. В случае черных металлов, таких как сталь, отжиг выполняется путем нагрева материала (обычно до свечения) в течение определенного времени, а затем медленного охлаждения до комнатной температуры на спокойном воздухе. Медь, серебро и латунь могут охлаждаться как медленно на воздухе, так и быстро путем закалки в воде. Таким образом, металл смягчается и подготавливается к дальнейшей обработке, такой как формовка, штамповка или ковка. Многие другие материалы, включая стекло и пластиковые пленки, используют отжиг для улучшения конечных свойств.

Термодинамика

Отжиг происходит за счет диффузии атомов в твердом материале, в результате чего материал приближается к своему равновесному состоянию. Нагревание увеличивает скорость диффузии, предоставляя энергию, необходимую для разрыва связей. Движение атомов приводит к перераспределению и устранению дислокаций в металлах и (в меньшей степени) в керамике. Это изменение существующих дислокаций позволяет металлическому изделию легче деформироваться, повышая его пластичность. Количество энергии Гиббса, инициирующей процесс в деформированном металле, также уменьшается в процессе отжига. На практике и в промышленности это снижение энергии Гиббса называется снятием напряжений. Релаксация внутренних напряжений является термодинамически спонтанным процессом, однако при комнатной температуре он протекает очень медленно. Высокие температуры, при которых происходит отжиг, ускоряют этот процесс. Реакция, способствующая возвращению холоднодеформированного металла в состояние без напряжений, имеет множество реакционных путей, в основном связанных с устранением градиентов концентрации вакансий в объеме металла. Образование вакансий регулируется уравнением Аррениуса, а миграция/диффузия вакансий – законами диффузии Фика. В стали существует механизм обезуглероживания, который можно описать как три отдельных этапа: реакция на поверхности стали, интерстициальная диффузия атомов углерода и растворение карбидов в стали.

Этапы

Три стадии процесса отжига, которые происходят по мере повышения температуры материала, это: восстановление, рекристаллизация и рост зерна. Первая стадия – восстановление, и она приводит к смягчению металла за счет удаления преимущественно линейных дефектов, называемых дислокациями, и внутренних напряжений, которые они создают. Восстановление происходит на начальной, более низкой температурной стадии всех процессов отжига и до появления новых зерен, свободных от деформации. Размер и форма зерен не изменяются. Вторая стадия – рекристаллизация, при которой образуются зародыши новых зерен, свободных от напряжений, и они растут, замещая деформированные внутренними напряжениями зерна.

Контролируемые атмосферы

Высокая температура отжига может привести к окислению поверхности металла, в результате чего образуется окалина. Если необходимо избежать образования окалины, отжиг проводится в специальной атмосфере, например, с эндотермическим газом (смесь монооксида углерода, водорода и азота). Отжиг также проводят в формирующем газе – смеси водорода и азота. Магнитные свойства мю-металла (сердечники Эспея) приобретаются путем отжига сплава в атмосфере водорода.

Настройка и оборудование

Обычно для процесса отжига используются большие печи. Внутреннее пространство печи должно быть достаточно большим, чтобы разместить заготовку в положении, обеспечивающем максимальное воздействие циркулирующего нагретого воздуха. Для отжига больших партий часто используются газовые конвейерные печи. Для крупных заготовок или большого количества деталей применяются печи с выдвижным подом, чтобы рабочие могли легко загружать и выгружать детали. После успешного завершения процесса отжига заготовки иногда оставляют в печи для контролируемого охлаждения. В то время как некоторые заготовки оставляют в печи для контролируемого охлаждения, другие материалы и сплавы извлекают из печи. После извлечения из печи заготовки часто быстро охлаждают в процессе, известном как закалка. Типичные методы закалки материалов включают использование таких сред, как воздух, вода, масло или соль. Соль используется в качестве среды для закалки, как правило, в виде рассола (соленой воды). Рассол обеспечивает более высокую скорость охлаждения, чем вода. Это связано с тем, что при закалке в воде на поверхности объекта образуются паровые пузырьки, уменьшающие площадь контакта с водой. Соль в рассоле снижает образование паровых пузырьков на поверхности объекта, что увеличивает площадь контакта объекта с водой и, следовательно, улучшает теплопроводность от объекта к окружающей воде. Закалка обычно применяется к некоторым черным сплавам, но не к медным сплавам.

Диффузионное отжигание полупроводников

В полупроводниковой промышленности кремниевые пластины подвергаются отжигу для устранения дефектов кристаллической решетки, возникающих, например, при ионной имплантации. В ходе этого процесса атомы примесей, как правило, бор, фосфор или мышьяк, занимают позиции замещения в кристаллической решетке, что обеспечивает их правильную работу в качестве допантов в полупроводниковом материале.

Нормализация

Нормализация – это вид отжига, применяемый к черным сплавам для придания материалу однородной мелкозернистой структуры и предотвращения чрезмерного размягчения стали. Процесс включает нагрев стали до 20–50 °C выше ее верхней критической точки, выдержку при этой температуре в течение короткого времени и последующее охлаждение на воздухе. Нагрев стали немного выше верхней критической точки формирует аустенитные зерна (значительно меньшие, чем предыдущие ферритные зерна), которые при охлаждении образуют новые ферритные зерна с еще более мелким размером зерна. В результате получается более вязкий и пластичный материал, а также устраняются столбчатые зерна и дендритная неоднородность, которые могут возникать при литье. Нормализация улучшает обрабатываемость детали и обеспечивает стабильность ее размеров при последующей термической обработке.

Процесс отжига

Процесс отжига, также называемый промежуточным отжигом, субкритическим отжигом или отжигом в процессе, представляет собой цикл термической обработки, восстанавливающий некоторую пластичность изделия, подвергнутого холодной обработке, чтобы его можно было продолжить обрабатывать на холоде без разрушения. Температурный диапазон для процесса отжига составляет от 260 °C (500 °F) до 760 °C (1400 °F), в зависимости от рассматриваемого сплава. Этот процесс наиболее подходит для низкоуглеродистой стали. Материал нагревают до температуры, немного ниже нижней критической температуры стали. Холоднодеформированная сталь обычно обладает повышенной твердостью и пониженной пластичностью, что затрудняет ее обработку. Процесс отжига улучшает эти характеристики. Обычно его применяют к холоднокатаной стали, такой как проволока, трубы из ковкого чугуна, полученные центробежным литьем, и т.д.

Полная отжига

Полный отжиг обычно приводит к второму по гибкости состоянию, которое может принять металлический сплав. Его цель – сформировать однородную и стабильную микроструктуру, максимально приближенную к равновесной микроструктуре фазовой диаграммы металла, что позволяет достичь относительно низкой твердости, предела текучести и прочности на разрыв при высокой пластичности и ударной вязкости. Для проведения полного отжига стали, например, сталь нагревают немного выше температуры аустенита и выдерживают достаточное время для полного формирования аустенитной или аустенит-цементитной зерновой структуры. Затем материал охлаждают очень медленно, чтобы получить равновесную микроструктуру. В большинстве случаев это означает охлаждение в печи (печь выключают, и сталь остывает внутри), но в некоторых случаях применяется воздушное охлаждение. Скорость охлаждения стали должна быть достаточно низкой, чтобы предотвратить превращение аустенита в бейнит или мартенсит, и обеспечить его полное превращение в перлит, феррит или цементит. Это означает, что высокозакаляемые стали (то есть склонные к образованию мартенсита при умеренно низких скоростях охлаждения) необходимо охлаждать в печи. Детали процесса зависят от типа металла и конкретного сплава. В любом случае, результатом является более пластичный материал, но с более низким пределом текучести и прочностью на растяжение. В сталелитейной промышленности этот процесс также называют LP-отжигом (отжиг ламелярного перлита), в отличие от отжига, который не определяет микроструктуру и направлен только на смягчение материала. Часто материал, предназначенный для механической обработки, подвергают отжигу, а затем – дополнительной термической обработке для достижения окончательных требуемых свойств.

Короткоциклическая отжига

Для превращения обычного феррита в ковкий феррит используется короткоцикличный отжиг. Он включает в себя нагрев, охлаждение и повторный нагрев в течение 4–8 часов.

Огнестойкость

Для эффективного отжига медного провода можно использовать резистивный нагрев; в системе нагрева используется контролируемое электрическое короткое замыкание. Это может быть выгодно, поскольку не требует печи с регулируемой температурой, как другие методы отжига. Процесс состоит из двух проводящих шкивов (ступенчатых шкивов), через которые провод проходит после вытягивания. На этих двух шкивах создается электрический потенциал, что приводит к замыканию цепи через провод. Эффект Джоуля вызывает повышение температуры провода примерно до 400 °C. На эту температуру влияют скорость вращения шкивов, температура окружающей среды и приложенное напряжение. Где t – температура провода, K – константа, V – приложенное напряжение, r – число оборотов шкивов в минуту, а ta – температура окружающей среды.

Константа K зависит от диаметра шкивов и удельного сопротивления меди. Если рассматривать только температуру медного провода, то увеличение скорости провода в системе шкивов оказывает тот же эффект, что и уменьшение сопротивления.