Рекристаллизационный отжиг - сборник информации

Интенсивная холодная пластическая обработка приводит к задержке в форме внутренних напряжений от 1 до 10% энергии, затраченной на обработку. Эта энергия хранится в основном в сдавленных и растянутых зернах. В этой статье я опишу, как рекристаллизационное отжигание восстанавливает первоначальную структуру и снимает напряжения. Я также обсужу различия между рекристаллизацией, отпуском и нормализацией и представлю подборку информации, которая поможет в выборе температуры рекристаллизационного отжига.

Стальные изделия, поставляемые в состоянии рекристаллизационного отжига, обозначаются +RA.

Рекристаллизационный отжиг — преобразования и цель

Рекристаллизационный отжиг (или рекристаллизация) применяется к металлу, предварительно подвергнутому холодной пластической обработке (холодное ковка, холодное прокатывание, холодное волочение проволоки, холодное штамповка и т. д.). Цель рекристаллизации — устранить последствия деформации, то есть заменить деформированную и твердую структуру на форму и мягкую, обычно мелкозернистую. Рекристаллизующее отжигание заключается в нагревании сдавленного металла до температуры, немного превышающей температуру рекристаллизации, выдержке при этой температуре в течение определенного времени и охлаждении с произвольной скоростью.

В отличие от отжига для снятия напряжений, рекристаллизация позволяет проводить дальнейшую холодную пластическую обработку.

По сравнению с нормализующим отжигом, рекристаллизация является более быстрой и дешевой, поскольку не требует нагрева выше температуры аустенизации.

Рекристаллизационное отжигание применяется в качестве межоперационной обработки при

• холодное прокатывание листов
• холодное волочение проволоки / прутьев
• глубокой штамповки полуфабрикатов холодным способом

Изменения, происходящие во время деформации / пластической обработки. Холодная пластическая обработка значительно изменяет механические свойства сплава. Кристаллическая структура деформируется, отдельные зерна, имеющие форму относительно правильных многоугольников, удлиняются и становятся похожими на веретена. Вместе с деформацией увеличивается твердость и прочность на растяжение, одновременно увеличивается хрупкость, что делает невозможной дальнейшую обработку. Например, мягкая стальная проволока, подвергнутая холодной волочике, после нескольких проходов приобретает твердость и не может быть далее волочена, так как ломается. То же самое происходит при глубокой штамповке изделий из листовой стали и никелевых сплавов.

Преобразования, происходящие во время рекристаллизационного отжига. Пластическая деформация вызывает непосредственное пластическое деформирование некоторых зерен. Другие зерна не деформируются, но вследствие взаимозависимости в них все равно возникают напряжения. Состояние напряжений не является однородным и зависит от ориентации зерен по отношению к деформациям скольжением. Первая фаза рекристаллизационного отжига, называемая упрочнением, вызывает расслабление в тех зернах, которые не были пластически деформированы. Дальнейшее воздействие температуры приводит к снижению напряжений в зернах, которые ранее были подвержены постоянной деформации. В результате смещения дислокаций происходит «полигонизация», то есть разделение зерен на ряд блоков, скрученных относительно друг друга на небольшой угол, но имеющих сеть, лишенную деформаций.

Дальнейшее поступление тепловой энергии вызывает правильную рекристаллизацию (также называемую первичной рекристаллизацией). В местах с большим запасом свободной энергии образуются зародыши новых зерен. Прочность и твердость сплава снижаются, пластичность увеличивается, а сдавленная структура заменяется новыми зернами, почти одинакового размера. Эти зерна имеют небольшой объем, но довольно большую поверхность из-за характерных зазубренных границ. Законы термодинамики стремятся к росту и соединению зерен, выпрямлению их границ и выравниванию углов между границами до 120° (значение, соответствующее минимуму поверхностной свободной энергии), поэтому дальнейшая подача тепловой энергии вызывает рост зерен, также называемый вторичной рекристаллизацией.
Вторичная рекристаллизация приводит к дальнейшему снижению механических свойств и часто ухудшению формуемости. Поэтому обычно целью рекристаллизующего отжига является первичная рекристаллизация без чрезмерного роста зерен. 

Фаза	Внутренние напряжения	Прочность	Объемность	Хрупкость	Зерна
Исцеление	Высокий	Высокая	Слабая	Высокая	Зерна дробленые, волокнистые
Полигонизация	Среднее	Высокая	Слабая	Средний	Зерна дробленые, волокнистые
Рекристаллизация (первичная)	Брак	Средний	Добра	Ниска	Мелкие зерна первичные
Разрастание зерен (Вторичная рекристаллизация)	Брак	Ниска	Средний	Средний	Крупные зерна первичные

Таблица № 1 — Схема изменений некоторых свойств стали, происходящих во время рекристаллизационного отжига

Факторы, определяющие рекристаллизацию

Рост зерна во время рекристаллизационного отжига зависит от нескольких факторов:

• Химический состав - нержавеющие и жаропрочные сплавы требуют более высокой температуры
• Температура — чем выше температура, тем больше разрастание зерна. 
• Время прогрева
• Згнит

Химический состав  - в нержавеющих и жаропрочных сплавах рекристаллизация происходит при более высокой температуре, чем в чистых металлах. Это очень важный фактор. 

Температура рекристаллизационного отжига — чем выше температура, тем больше рост зерна и тем короче время, необходимое для достижения оптимального размера при данной температуре. Минимальная практическая температура, при которой происходит рекристаллизация, называется температурой рекристаллизации или температурой первичной рекристаллизации. Ниже этой температуры рекристаллизация не происходит. Температура рекристаллизации НЕ является постоянной и зависит от деформации.

Сжатие  - чем больше деформация, тем меньше зерно и тем ниже температура рекристаллизации. Большая степень холодной пластической деформации в целом благоприятна для рекристаллизации. Без деформации рекристаллизация не происходит вообще. При небольшой деформации очень быстро образуются неблагоприятные крупные зерна. Такая деформация называется критической деформацией и предотвращается довольно просто, путем небольшого увеличения степени деформации. Эта зависимость нелинейна - для многих сталей деформация 10% является критической, а деформация 20% является полностью допустимой. 

Конечно, слишком сильное сжатие может привести к физическому разрушению заготовки, поэтому при производстве холоднокатаных лент или холоднотянутых проволок используются следующие параметры:

• Критическая деформация - минимальная деформация, необходимая для начала рекристаллизационного отжига.
• Допустимая частичная деформация между фазами рекристаллизационного отжига.
• Возможная общая деформация - то есть возможная деформация во всем производственном процессе, которая не требует полного отжига.

Пример -  для стального проволоки с 0,07%C и деформацией 85% диапазон температур первичной рекристаллизации составляет 500-550°C, а вторичная рекристаллизация заканчивается при температуре около 650°C - после отжига при этой температуре проволока приобретает свойства, почти равные тем, которые она имела в недеформированном состоянии.

Время прогрева - чем дольше время прогрева, тем больше разрастается зерно, но разрастание ограничивается температурой прогрева. Важно знать, что зерно начинает расти в течение нескольких минут, а до максимального размера (возможного при данной температуре) растет в течение нескольких часов, и дальнейший нагрев уже не вызывает рост зерен, если только речь не идет о масштабе нескольких дней. Традиционно мелкое зерно получали путем нескольких часов отжига при температуре, немного превышающей температуру рекристаллизации, в колпаковых печах. Для оптимизации затрат были разработаны методы непрерывного нагрева при гораздо более высоких температурах, но и за гораздо более короткое время. Достижение желаемого зерна таким методом требует большой точности и специальных знаний.

Вторичные факторы, влияющие на температуру рекристаллизации - температура рекристаллизации тем ниже, чем ниже была температура холодной пластической деформации и чем меньше было кристаллическое зерно перед холодной деформацией.

Рекристаллизационный отжиг в технологическом процессе

Рекристаллизационный отжиг в технологическом процессе может выполнять следующие функции:

Межоперационное отжигание, применяемое при холодной обработке, когда обрабатываемый материал затвердел настолько, что дальнейшее растяжение может привести к его разрушению.

Предварительная отжиг, применяемый для сталей с более высоким содержанием углерода перед началом процесса волочения в сочетании с патентованием.

Конечная отжига, применяемая для получения проволоки, листа или другого полуфабриката с низкой твердостью после завершения пластической обработки.

Примеры процессов производства холоднокатаных лент

Отжиг смягчает продукт, а деформация упрочняет его. Порядок этих обработок может быть изменен для достижения различной конечной твердости. Это иллюстрирует сравнение 3 технологических процессов холодной прокатки лент:

Ход процесса прокатки с отмеченным отжигом для получения темно-отжигаемой, мягкой ленты:

1. Травление
2. Первый провал
3. Резка
4. Другой гниот
5. Очистка
6. Рекристаллизационный отжиг
7. Контроль и связывание проволокой

Ход процесса прокатки с отмеченным отжигом для получения ленты средней мягкости, 2 раза очищенной, после последнего отжига слегка перекатанной:

1. Травление
2. Первый провал
3. Второй провал, кроме последнего пропуска
4. I Очищение
5. II Очистка
6. Рекристаллизационный отжиг
7. Резка
8. Последний проход прокатки
9. Контроль и связывание проволокой

Ход процесса прокатки с отмеченным отжигом для получения ленты твердой:

1. Травление
2. Первый провал
3. Резка
4. Рекристаллизационный отжиг
5. Другой гниот
6. Контроль и связывание проволокой

Печи для рекристаллизационного отжига прокатных изделий

Выделяют отжиг в колпаковых печах и непрерывный отжиг.

Отжиг в колпаковых печах является традиционным и по-прежнему широко используемым методом. Несколько плотно свернутых колец из листов, проволоки или лент укладываются в печи друг на друга с осью кольца в вертикальном положении. Печь имеет защитную атмосферу с принудительной циркуляцией, что облегчает передачу тепла между крышкой печи и загрузкой. В настоящее время широко используемой защитной атмосферой является водород, раньше использовали 95% азота и 5% водорода. Лента, отжигаемая в водороде, имеет более чистую поверхность и более однородные механические свойства. Сталь нагревается до температуры, немного превышающей температуру рекристаллизации, выдерживается при этой температуре в течение 1 дня, а затем охлаждается в течение нескольких дней вместе с печью. Прокатные оцинкованные стальные изделия, отжигаемые в колпаковых печах, маркируются символом TS  (например, TS550 — это знак стали, отожженной в колпачной печи с номинальным пределом прочности 550).

Постоянно мягкие отжигаются этим методом, например, при температуре 700 °C.

Непрерывный отжиг длится всего несколько минут и состоит, например, из следующих этапов:

• Нагрев ленты до 800°C 
• Нагревать при этой температуре в течение примерно 2 минут.
• Медленное охлаждение в течение 30 секунд до температуры около 700 °C
• Быстрое охлаждение до 400 °C
• Выдерживать при температуре 400-350°C в течение 6 минут.
• Медленное охлаждение в течение 30 секунд до 300 °C
• Быстрое охлаждение до температуры окружающей среды

При непрерывном отжиге используются потоки смесей водорода и азота, горячая и холодная вода, водяные туманы, горячие валки и т. д. Прокатные стальные изделия, оцинкованные методом непрерывного отжига, маркируются символом TH.

Параметры непрерывного отжига в значительной степени зависят от марки стали. Ленты из мягкой стали для достижения наилучшей формуемости отжигают этим методом при температуре 650-850 °C. Современные процессы непрерывного отжига позволяют после отжига применять старение при температуре 350-450 °C для дальнейшего улучшения формуемости.

Рекристаллизационный отжиг коррозионно-стойких сталей

Рекристаллизационное отжигание также применяется для коррозионно-стойких ферритных, ферритно-мартензитных и мартензитных сталей, например, при производстве проволоки. Коррозионно-стойкие аустенитные стали подвергаются пересыщающему отжигу. Все хромистые нержавеющие стали обладают критической пластичностью, после которой рекристаллизационный отжиг вызывает сильный рост зерна. Вот несколько примеров параметров при производстве проволоки из коррозионно-стойкой стали:

• Ферритные стали, устойчивые к коррозии
  • Критический провал: 15%
  • Допустимая частичная деформация: 27%
  • Возможная общая деформация: 95%
  • Температура отжига r: 800°C, быстрое охлаждение
• Устойчивые к коррозии ферритно-мартензитные стали
  • Критический провал: 12%
  • Допустимая частичная деформация: 24%
  • Возможная общая деформация: 80%
  • Температура отжига r: 750 °C, охлаждение в теплообменнике
• Устойчивые к коррозии мартенситные стали
  • Критический провал: 10%
  • Допустимая частичная деформация: 20%
  • Возможная общая деформация: 60%
  • Температура отжига r: 750°C, охлаждение с печью

Рекристаллизационный отжиг ферритных жаропрочных сталей

В прошлом жаропрочные стали подвергались горячей волочике, что позволяло волочить с большими деформациями (до 35%), но снижало жаропрочность. В настоящее время для изготовления изделий из жаропрочных сталей применяется холодная волочик и термообработка. Рекристаллизационное отжигание применяется для ферритных жаропрочных сталей. Аустенитные жаропрочные стали подвергаются пересыщающему отжиганию. Ниже приведены несколько примеров параметров рекристаллизационного отжига при производстве проволоки из жаропрочной стали.

• Жаропрочная сталь 15Х5М
  • Критический провал: 10%
  • Допустимая частичная деформация: 28%
  • Возможная общая деформация: 75%
  • Температура отжига r: 680 °C, охлаждение в теплообменнике
• Жаропрочная сталь 15Х6СЮ 
  • Критическая деформация: 15%
  • Допустимая частичная деформация: 24%
  • Возможная общая деформация: 50%
  • Температура отжига r: 800°C, охлаждение на воздухе
• Жаропрочная сталь 10Х13СЮ, 15Х18СЮ, 1.4762
  • Критический провал: 18%
  • Допустимая частичная деформация: 22%
  • Возможная общая деформация: 60%
  • Температура отжига r: 850°C, охлаждение на воздухе
• Жаропрочная сталь 15Х25Т
  • Критическая оценка: 20%
  • Допустимая частичная деформация: 22%
  • Возможная общая деформация: 50%
  • Температура отжига r: 750°C, охлаждение на воздухе

Рекристаллизационный отжиг никелевых сплавов

Высокотемпературные никелевые сплавы, как правило, лучше поддаются холодной обработке, чем горячей, особенно листы и пластины. Как правило, между операциями холодной обработки или после такой обработки требуется отжиг, восстанавливающий структуру зерна и смягчающий структуру. В литературе редко используется термин «отжиг, восстанавливающий структуру», предпочитая «межоперационный отжиг» (intermediate annealing, interstage annealing) или просто «отжиг» (annealing). Возможно, это связано с тем, что в никелевых сплавах присутствует только аустенитная структура, не происходит аллотропного превращения и нет необходимости выделять рекристаллизационное отжигание как таковое, которое приводит к рекристаллизации, но не приводит к аллотропному превращению. Однако из-за происходящей рекристаллизации, зависимости от сжатия и функции в технологическом процессе, название рекристаллизующий отжиг является правильным и в польском языке позволяет обеспечить точность.

Температуры межоперационного отжига для выбранных никелевых сплавов:

• Haynes HR-160®: 1066 °C
• NIMONIC® 75: 1050 °C
• Сплав NIMONIC® 90: 1040 °C
• Inconel® 601: 1000-1100 °C

Термическая обработка никелевых сплавов более подробно описана в этой статье.

Рекристаллизационный отжиг остальных металлов

Приблизительная абсолютная температура первичной рекристаллизации обычно составляет 0,4-0,6 абсолютной температуры плавления (термин «абсолютная температура» означает, что для расчетов следует использовать шкалу Кельвина) и для наиболее важных с технической точки зрения металлов составляет:

• серебро: рекристаллизация 175 °C, плавление 960 °C
• алюминий: рекристаллизация 150 °C, плавление 660 °C
• золото: рекристаллизация 200 °C, плавление 1063 °C
• кадмий: рекристаллизация ~20 °C, плавление 321 °C
• кобальт: рекристаллизация 550 °C, плавление 1490 °C
• медь: рекристаллизация 200 °C, плавление 1083 °C
• железо: рекристаллизация 450°C, плавление 1528°C
• магний: рекристаллизация 150 °C, плавление 650 °C
• молибден: рекристаллизация 530 °C, плавление 2620 °C
• никель: рекристаллизация 530 °C, плавление 1452 °C
• свинец: рекристаллизация <20°C, плавление 327°C
• платина: рекристаллизация 450°C, плавление 1773°C
• олово: рекристаллизация <20°C, плавление 232°C
• вольфрам: рекристаллизация 1200 °C, плавление 3370 °C
• цинк: рекристаллизация ~20°C, плавление 420°C