Металлургия производит огромное количество марок стали. Для выполнения разных задач часто требуются специфические характеристики металла, которые обеспечить заводы не в состоянии. Тогда на обрабатывающих предприятиях производится доработка сырья до нужной кондиции. Отжиг стали — одна из наиболее частых операций по приданию нужных качеств.
История и технология отжига стали
Отжиг стали предполагает применение переменных температур: нагревание до высоких значений без потери формы и охлаждение в заданном температурном режиме приводит к структурным изменениям кристаллической решетки, сплав получает новые качества, нужные для решения конкретных задач.
Отжиг стали улучшает технологические характеристики металлов. Принято различать 2 разновидности отжига — 1 и 2-го рода.
При первом воздействие выполняется наклепом, который понижает внутренние напряжения рекристаллизацией. Этим устраняются последствия обработки давлением, снижение прочностных характеристик и увеличение пластичности. Изделия приобретают повышенную надежность и долговечность.
Второй род воздействия включает прогревание проката до уровня, превышающего критические точки, в особых режимах охлаждения по сроку и температуре. Итогом становится качественное изменение структурных решеток и получение заданных характеристик материала. Проведение отжига сопряжено с риском пережога. Возникновение необратимых негативных изменений структуры приводит к переплавке проката и изделий.
Точки Чернова
Расчет температурных режимов выполняют, используя открытые в 1868 г. русским ученым Д.К. Черновым критические точки, зависящие от значения температур и %-ого содержание углерода, в которых изменяются фазовые состояния и структурное строение металлов. Открытие Чернова — фундамент создания науки о металлах: впервые установлена связь между режимом обработки, структурным видом и характеристиками сплавов. Применение критических точек дает возможность построения различных режимов термообработки металла. Точки Чернова обозначают литерой А с добавлением индекса, указывающего соответствие точки воздействию:
- «c» — нагреву, от французского chauffage – нагревание;
- «r» — охлаждению, refroidissement – на французском языке.
Диаграмма, построенная на точках Чернова:
Сечение «I» на диаграмме соответствует доэвтектоидной стали. Пересечение линии диаграммы, по горизонтали температуры и вертикали, соответствующей %-му содержанию углерода в сплаве, определяет искомые критические значения.
В процессе нагревания сечение «I»проходит следующие критические точки:
- При температуре 210°С пересекает пунктир, проходящий по линии QP — точка Ас 0, которая отмечает потерю цементитом магнитных свойств.
- t=727°С на линии PG находится точка Ас 1 превращения перлита в аустенит.
- t=768°С на линию PG приходится точка Ас 2 потери магнитных свойств — магнитного железо переходит в немагнитное.
- Последующее повышение t° до пересечения с линией GS показывает переход стального сплава в однофазное аустенитное состояние (перекристаллизация заканчивается. Температура этой точки зависит от состава конкретного металла.
Охлаждение не меняет номеров точек, не вызывает обратной перестройки материала.
Линия «II» выстроена для эвтектоидных сталей.
В промышленности для термообработки проката и изделий используют в печи конструкций:
- камерные — для заготовок небольшого объема;
- шахтные — работают на газе и электроэнергии, выполняют различные технологические задания;
- печи с выдвигающимся полом — обработка крупногабаритного проката и узлов;
- вакуумные — для быстротекущих сплавов, тугоплавкого металла, титана, меди.
Аналоги
Если сильно не вникать в определение, то У10А-7ХНМ можно считать дамасской сталью, по крайней мере, она имеет с ними довольно большое сходство. А значит и этот обширный подвид металлов можно считать её аналогами.
По своим свойствам большое сходство с У10А-7ХНМ имеет ZD-0803. Она также сочетает в себе высокие режущие показатели, устойчивость к большим нагрузкам, но требует за собой несложного, но ухода. Её закалка также находится в пределах 59-60 HRC.
Ещё один аналог, характеристик которого также чем-то напоминаю У10А-7ХНМ, это 40Х13-Х12Ф1. Это высоколегированная марка стали повышенной твердости. Используется для режущего, мерительного инструмента, предметов домашнего обихода, предметов, предполагающих эксплуатацию на износ, например, пружин, подшипников и др.). Это популярная сталь, обладающая хорошей антикоррозионной устойчивостью.
Что даёт отжиг металлов
Отжиг выполняется для придания стали нужных качеств:
- снятия внутренних напряжений, полученных первичной обработкой металла — проявляется структурный дисбаланс, который можно снять определенным способом термообработки, получив необходимые характеристики сплава для решения конкретных задач;
- увеличения прочностных и механических характеристик — изделия после отжига долговечнее и прочнее;
- изменения внутренней структуры — под действием высокой температуры изменяется молекулярная структура металла, становится однородной (гомогенной), что упрощает проведение последующих обработок;
- улучшения пластичности, уровня сопротивления, вязкости при ударах — улучшение качественных характеристик после отжига снижает затраты на конечную доводку металлоизделий до требуемых параметров.
Способ и режим термообработки назначается по составу сплава.
Виды отжига
Рассмотрим, что означает термин «отжиг металлов». Термическая обработка металла, состоящая из нагрева выше температуры критических точек Чернова и охлаждение на профессиональном языке называется отжигом. Процедура применяется к различным металлам и их сплавам.
На промпредприятиях применяют режимы термообработки:
- полный, неполный;
- рекристаллизационный;
- диффузионный;
- изотермический;
- сфероизодизационный;
- нормализационный.
Полный отжиг стали
Полный обжиг проводится на изделиях из доэвтектоидных сплавов или сталей, содержащих карбон в количестве ≤ 0,8%. Цель проведения операции — измельчение зерна и улучшение качества обработки с применением режущего инструмента, снятие внутренних напряжений материала. Нагрев происходит на 30..50°С выше точки Ас3, затем деталь постепенно остужают, не вынимая из печи. Охлаждаясь, аустенит выделяет мелкозернистые, гомогенные (однородной структуры) ферриты и перлиты (франц. — жемчуг). Температура нагревания выбирается по типу стали и диаграмме состояний, данные зафиксированы в справочных материалах. Продолжительность охлаждения назначают по составу и структуре металла:
- углеродистые сплавы — 180…200°С/час;
- низколегированные — 90°С/час;
- высоко легированные — 50°С/час.
Плюсы стали У10
Положительные свойства ножей серии У10 составляют обширный перечень.
- Острый. Отличные режущие качества. Твердость ножей из инструментальной легированной стали проверяют по ГОСТ 9012 при снятом обезуглероженном слое на расстоянии 10 см от полосы. Количество отпечатков не должно превышать трех.
- Долго сохраняет заточку. Режущая кромка изделия длительное время остается острой. Ножи из стали У10 с легкостью проходят тесты жесткими, мягкими и абразивными материалами, показывая конкурентные преимущества при нарезании материала под различными углами.
- Стойкость к истиранию. Ножи серии У10 устойчивы к выкрашиванию (загибу краев) при разделке небольших охотничьих трофеев, использовании в быту и на рыбалке. Однако, производители изделий из твердых стальных сплавов предупреждают о возможном нарушении структуры металла при реализации сложных задач: Рубки твердых заготовок — дерева, гвоздей, металлоконструкций, костей крупного скота.
- Открывания консервных банок.
- Замены молотков, отверток, подобного инструмента.
- Работы с агрессивными средами.
- Перегиба под большим углом.
Особенности отжига различных сплавов
При назначении способа и режима термообработки важен процент содержания в нем углерода и других примесей. Для точности соблюдения режима рекомендуют использовать две печи: в 1-ой изделие проходит нагрев при t=max , во 2-ой — проходит выдержку, обеспечивающую завершение структурных преобразований металла. Обработка нержавеющей стали в первой печи происходит с t=1000°С, затем выдержка несколько часов во 2-ой при t=900, завершает охлаждение до t=300° на скорости 50…100 град/ час, окончательное охлаждение производят на открытом пространстве.
Отжиг в домашних условиях
В быту для снижения прочности и упрощения последующей обработки металла возможно выполнить процедуру отжига упрощенным сспособом неполного отжига. Использование газовой горелки для нагревания не дает возможности проконтролировать температурный режим, поэтому температуру определяют «на глазок», в затененном месте. Изделие последовательно приобретает цвет разжаривания в зависимости от температуры (в градусах):
- темно-коричневый — t=530…580;
- коричнево-красный — t=580…650;
- темно-красный — t=650…730;
- темно-вишневый -t= 730…770;
- вишнево-красный — t=770…800;
- светло-вишневый — t=800…830;
- светло-красный — t=830…900;
- оранжевый — t=900…1050;
- темно-желтый -t= 1050…1150;
- светло-желтый — t=1150…1250;
- светло-белый — t=1250…1350.
Химический состав
Так как сталь У10А 7ХНМ состоит из двух разных сталей, имеющих в соединении различные элементы, то и их химический состав и его конечное влияние на свойства металла необходимо рассматривать отдельно.
| Сталь | С | Si | Mn | Cr | V | S | Ni | Cu | Р |
| У10А | 0.96-1.03 | 0.17-0.33 | 0.17-0.28 | 0.20 | — | <0.018 | <0.20 | <0.20 | <0.025 |
| 7ХНМ | 0.66-0.73 | 0.17-0.37 | 0.50-0.80 | 1.30-1.70 | 0.10-0.30 | <0.025 | <1.20-1.60 | <0.20 | <0.025 |
Химический состав этого уникального сплава представлен такими элементами:
Каждый элемент влечёт за собой положительное или же отрицательное качество и отвечает за определённую характеристику.
- углерод улучшает удержание режущей кромки, увеличивает вязкость, твердость износостойкость, но негативно сказывается на пластичности и в большом содержании ухудшает сопротивление ржавлению;
- кремний повышает прочность и, как марганец, используется в роли дегазатора;
- марганец увеличивает закаливаемость и вязкость, применяется во время плавки как элемент для удаления из металла кислорода, также он значительно увеличивает показатели твёрдости и одновременно хрупкости;
- хром положительно сказывается на твёрдости и твердости, значительно увеличивает коррозионную стойкость;
- ванадий улучшает прочность, устойчивость к износу и коррозиям, вязкость и плотность;
- сера – это, по сути, вредная примесь, негативно влияющая на стойкость к ржавчине, однородность поверхности, пластичность и т.д. Марганец несколько снижает её вредное воздействие на состав;
- никель добавляет коррозионную устойчивость, ударную вязкость, но уменьшает твердость;
- фосфор – это также вредная примесь, которая за счет растворения в фосфорите несколько повышает твердость, но ухудшает пластичность и увеличивает хрупкость.
