В металлургии и материаловедении отжиг — это термическая обработка, которая изменяет физические, а иногда и химические свойства материала, повышая его пластичность и уменьшая твердость, делая его более пригодным для обработки. Он включает нагрев материала выше температуры его рекристаллизации, поддержание подходящей температуры в течение соответствующего периода времени, а затем охлаждение.
При отжиге атомы мигрируют в кристаллической решетке, и количество дислокаций уменьшается, что приводит к изменению пластичности и твердости. По мере охлаждения материала он рекристаллизуется. Для многих сплавов, включая углеродистую сталь, размер кристаллического зерна и фазовый состав, которые в конечном итоге определяют свойства материала, зависят от скорости нагрева и скорости охлаждения. Горячая или холодная обработка после процесса отжига изменяет структуру металла, поэтому для достижения требуемых свойств можно использовать дальнейшую термическую обработку. Зная состав и фазовую диаграмму, можно использовать термическую обработку для регулировки от более твердого и хрупкого до более мягкого и пластичного.
В случае черных металлов, таких как сталь, отжиг выполняется путем нагрева материала (обычно до раскаливания) в течение некоторого времени, а затем медленного охлаждения до комнатной температуры на неподвижном воздухе. Медь, серебро и латунь можно либо медленно охлаждать на воздухе, либо быстро, закаливая в воде. Таким образом, металл размягчается и подготавливается к дальнейшей работе, такой как формовка, штамповка или формовка.
Для улучшения конечных свойств многих других материалов, включая стекло и пластиковые пленки, применяется отжиг.
Термодинамика
Отжиг происходит путем диффузии атомов внутри твердого материала, в результате чего материал приближается к равновесному состоянию. Тепло увеличивает скорость диффузии, предоставляя энергию, необходимую для разрыва связей. Движение атомов приводит к перераспределению и уничтожению дислокаций в металлах и (в меньшей степени) в керамике. Это изменение существующих дислокаций позволяет металлическому объекту легче деформироваться, увеличивая его пластичность.
Количество свободной энергии Гиббса, инициирующей процесс в деформированном металле, также уменьшается в процессе отжига. На практике и в промышленности это уменьшение свободной энергии Гиббса называется снятием напряжений.
Снятие внутренних напряжений — термодинамически спонтанный процесс, однако при комнатных температурах он протекает очень медленно. Высокие температуры, при которых происходит отжиг, ускоряют этот процесс.
Реакция, которая способствует возвращению холоднодеформированного металла в состояние без напряжений, имеет много путей реакции, в основном связанных с устранением градиентов вакансий решетки внутри тела металла. Создание вакансий решетки регулируется уравнением Аррениуса, а миграция/диффузия вакансий решетки регулируется законами диффузии Фика.
В стали существует механизм обезуглероживания, который можно описать тремя отдельными событиями: реакцией на поверхности стали, интерстициальной диффузией атомов углерода и растворением карбидов внутри стали.
Этапы
Три стадии процесса отжига, которые протекают по мере повышения температуры материала, это: восстановление, рекристаллизация и рост зерна. Первая стадия — восстановление, и она приводит к размягчению металла за счет удаления в первую очередь линейных дефектов, называемых дислокациями, и внутренних напряжений, которые они вызывают. Восстановление происходит на более низкой температурной стадии всех процессов отжига и до появления новых зерен без деформации. Размер и форма зерна не меняются. Вторая стадия — рекристаллизация, где зарождаются и растут новые зерна без деформации, заменяя те, которые деформированы внутренними напряжениями. Если отжиг продолжается после завершения рекристаллизации, то происходит рост зерна (третья стадия). При росте зерна микроструктура начинает грубеть и может привести к потере металлом значительной части своей первоначальной прочности. Однако ее можно восстановить с помощью закалки.
Управляемая атмосфера
Высокая температура отжига может привести к окислению поверхности металла, что приведет к образованию окалины. Если необходимо избежать образования окалины, отжиг проводят в специальной атмосфере, например, с эндотермическим газом (смесь оксида углерода, водорода и азота). Отжиг также проводят в формовочном газе, смеси водорода и азота.
Магнитные свойства мю-металла (сердечники Эспея) приобретаются путем отжига сплава в атмосфере водорода.
Установка и оборудование
Обычно для процесса отжига используются большие печи. Внутренняя часть печи достаточно велика, чтобы разместить заготовку в положении, максимально подверженном циркулирующему нагретому воздуху. Для отжига в больших объемах часто используются газовые конвейерные печи. Для больших заготовок или большого количества деталей используются печи с выдвижным подом, чтобы рабочие могли легко перемещать детали внутрь и наружу. После успешного завершения процесса отжига заготовки иногда оставляют в печи, чтобы они остыли контролируемым образом. 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 такие среды, 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 происходит потому, что когда объект закаливается в воде, на поверхности объекта образуются пузырьки пара, что уменьшает площадь поверхности, с которой контактирует вода. Соль в рассоле уменьшает образование пузырьков пара на поверхности объекта, что означает большую площадь поверхности объекта, контактирующей с водой, что способствует лучшей проводимости тепла от объекта к окружающей воде. Закалка обычно применима к некоторым сплавам железа, но не к медным сплавам.
Диффузионный отжиг полупроводников
В полупроводниковой промышленности кремниевые пластины отжигаются для восстановления беспорядка на атомном уровне, возникшего в результате таких шагов, как ионная имплантация. На этом этапе процесса атомы легирующих примесей, обычно бора, фосфора или мышьяка, перемещаются в замещающие позиции в кристаллической решетке, что позволяет этим атомам легирующих примесей правильно функционировать в качестве легирующих примесей в полупроводниковом материале.
Специализированные циклы
Нормализация
Нормализация — это процесс отжига, применяемый к железным сплавам для придания материалу однородной мелкозернистой структуры и предотвращения избыточного размягчения стали. Он включает в себя нагрев стали до температуры на 20–50 °C выше ее верхней критической точки, выдержку ее в течение короткого периода при этой температуре и последующее охлаждение на воздухе. Нагрев стали чуть выше ее верхней критической точки создает аустенитные зерна (гораздо меньшие, чем предыдущие ферритные зерна), которые при охлаждении образуют новые ферритные зерна с еще более мелким размером зерна. Процесс позволяет получить более прочный, более пластичный материал и устраняет столбчатые зерна и дендритную ликвацию, которая иногда возникает во время литья. Нормализация улучшает обрабатываемость детали и обеспечивает размерную стабильность при подвергании ее дальнейшим процессам термообработки.
Процесс отжига
Технологический отжиг, также называемый промежуточным отжигом, субкритическим отжигом или отжигом в процессе производства, представляет собой цикл термической обработки, который восстанавливает часть пластичности изделия, подвергаемого холодной обработке, чтобы его можно было подвергать дальнейшей холодной обработке без разрушения.
Диапазон температур для технологического отжига составляет от 260 °C (500 °F) до 760 °C (1400 °F) в зависимости от рассматриваемого сплава. Этот процесс в основном подходит для низкоуглеродистой стали. Материал нагревается до температуры чуть ниже нижней критической температуры стали. Холоднодеформированная сталь обычно имеет тенденцию обладать повышенной твердостью и пониженной пластичностью, что затрудняет ее обработку. Технологический отжиг имеет тенденцию улучшать эти характеристики. Это в основном выполняется для холоднокатаной стали, такой как тянутая сталь, центробежнолитая труба из ковкого чугуна и т. д.
Полный отжиг
Полный отжиг обычно приводит ко второму наиболее пластичному состоянию, которое может принять металл для металлического сплава. Его цель — создать однородную и стабильную микроструктуру, которая наиболее близко напоминает равновесную микроструктуру фазовой диаграммы металла, тем самым позволяя металлу достичь относительно низких уровней твердости, предела текучести и предельной прочности при высокой пластичности и вязкости. Чтобы выполнить полный отжиг стали, например, сталь нагревают до температуры немного выше аустенитной и выдерживают в течение достаточного времени, чтобы материал полностью сформировал структуру зерна аустенита или аустенитно-цементитного типа. Затем материалу дают очень медленно остыть, чтобы получить равновесную микроструктуру. В большинстве случаев это означает, что материалу дают остыть в печи (печь выключают, и сталь охлаждают внутри), но в некоторых случаях ее охлаждают на воздухе. Скорость охлаждения стали должна быть достаточно медленной, чтобы не позволить аустениту превратиться в бейнит или мартенсит, а вместо этого полностью превратить его в перлит и феррит или цементит. Это означает, что стали, которые очень закаливаемы (т. е. склонны образовывать мартенсит при умеренно низких скоростях охлаждения), должны охлаждаться в печи. Детали процесса зависят от типа металла и точного сплава. В любом случае результатом является более пластичный материал, но с более низким пределом текучести и более низкой прочностью на растяжение. Этот процесс также называется LP-отжигом для пластинчатого перлита в сталелитейной промышленности в отличие от технологического отжига, который не определяет микроструктуру и имеет целью только размягчение материала. Часто обрабатываемый материал отжигается, а затем подвергается дальнейшей термической обработке для достижения конечных желаемых свойств.
Короткий цикл отжига
Короткий цикл отжига используется для превращения обычного феррита в ковкий феррит. Он состоит из нагрева, охлаждения и повторного нагрева в течение от 4 до 8 часов.
Резистивный нагрев
Резистивный нагрев можно использовать для эффективного отжига медной проволоки; В системе отопления используется контролируемое электрическое короткое замыкание. Это может быть выгодно, поскольку не требует печи с регулируемой температурой, как другие методы отжига.
Процесс состоит из двух токопроводящих шкивов (ступенчатые шкивы), через которые проходит провод после того, как он протянут. Два шкива имеют электрический потенциал, что заставляет провод образовывать короткое замыкание. Эффект Джоуля приводит к повышению температуры провода примерно до 400 °C. Эта температура зависит от скорости вращения шкивов, температуры окружающей среды и приложенного напряжения. 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.
С точки зрения температуры медной проволоки увеличение скорости ее прохождения через систему шкивов имеет тот же эффект, что и уменьшение сопротивления.