Особенности отжига металлов и сплавов, способных к фазовым превращениям
Диффузионный отжиг служит для устранения химических микронеоднородностей и обеспечения однородной структуры и одинаковых свойств по всему объему металла. Поэтому диффузионный отжиг называется также гомогенизацией. В частности, при гомогенизации устраняется анизотропность свойств, приобретаемая металлом при механической обработке, апример, если при холодной штамповке использовать неотож-женные после прокатки листы (ленты) металла, то анизотропность свойств приводит к разнотолщинности стенок и волокнистости краев детали. Для гомогенизации требуются температура и продолжительность термической обработки значительно более высокие, чем при рекристаллизационном отжиге (например, температура диффузионного отжига стали Т ~ 1000 + 1100°С с выдержкой при максимальной температуре в течение 10 — 15 ч, в то время как температура начала рекристаллизации равна всего 550°С).
Диффузионный отжиг, устраняя химические неоднородности, позволяет наносить на детали сплошные равномерные гальванические покрытия любой толщины.
Отожженные детали медленнее окисляются на воздухе, чем неотожженные, их можно более длительное время хранить на воздухе.
Не следует путать понятия «отжиг» и «обжиг».
Обжигом или спеканием называется процесс, предназначенный для термической обработки покрытий, нанесенных на детали. При обжиге происходит обезгаживание покрытий (удаление следов влаги и органических загрязнений) и увеличение прочности сцепления частиц покрытий друг с другом и с поверхностью деталей — спекание покрытий. При обжиге в отличие от отжига не изменяются структура и механические свойства материала деталей. Следует отметить, что низкая температура и малая продолжительность обжига покрытий могут привести к сильному газовыделению в процессе вакуумной обработки и эксплуатации приборов и «отравлению» катодов.
Для термической обработки углеродистых и легированных сталей и сплавов, способных к фазовым превращениям, применяются операции полного отжига, нормализации, закалки и отпуска. Общим для этих операций является обязательный нагрев до температур, превышающих критическую температуру стали, при которой она приобретает аустенитную структуру (см. с. ПО). Однако эти операции отличаются друг от друга продолжительностью выдержки при максимальных температурах и особенно скоростью охлаждения деталей.
Полный отжиг или отжиг на мелкое зерно применяется для придания металлу мелкозернистой структуры. При полном отжиге металл нагревают на 30 — 50°С выше температуры, при которой в нем образуется аустенитная структура1, а затем без выдержки очень медленно охлаждают. При полном отжиге происходит фазовая перекристаллизация, сопровождающаяся снятием внутренних напряжений, образованием мягкой и вязкой мелкозернистой структуры, легко поддающейся обработке штамповкой.
Закалка — термическая обработка металла, производимая с целью повышения его твердости и прочности. Процесс закалки заключается в последовательном проведении операций нагрева металла до температуры выше критической (как и при полном отжиге), выдержки при этой температуре и быстрого принудительного охлаждения.
При медленном охлаждении (при отжиге и нормализации) аустенитная структура стали превращается в перлитную; при быстром охлаждении (при закалке) аустенитная структура превращается в мартенситную. Мартенсит магнитен и обладает наибольшей способностью сохранять в себе остаточный магнетизм.
При отжиге сплавов с содержанием отдельных компонентов более 1 % учитывают следующие особенности: добавки к основному металлу более легкоплавких металлов не изменяют температуру отжига сплава, она остается равной температуре отжига основного металла; добавки к основному металлу более тугоплавких металлов повышают температуру отжига, она становится равной температуре отжига наиболее тугоплавкого металла, если этот металл введен в количестве более 1%.
Добавка 10% рения к молибдену поднимает температуру отжига сплава до температуры отжига рения — это объясняется тем, что температура плавления рения (3180°С) выше температуры плавления молибдена (2622°С).
Добавка тех же 10% рения к вольфраму не меняет температуру отжига, которая остается равной температуре отжига вольфрама, — это объясняется тем, что температура плавления вольфрама (3410°С) выше температуры плавления рения (3180°С).
В среде сухого водорода отжигают детали из никеля, вольфрама, молибдена, железа, стали, бескислородной меди, магнитных материалов, производят спекание некоторых тугоплавких металлов и их сплавов, получаемых методом порошковой металлургии.
Водород выполняет следующие функции: удаляет оксиды с поверхности металла (восстанавливает оксиды до чистого металла); заполняет поры и неоднородности структуры металла и вытесняет из них другие газы и пары; препятствует проникновению агрессивных газов и паров загрязненного атмосферного воздуха в толщу деталей и соответственно повышает коррозионную стойкость и допустимые сроки хранения деталей после отжига. В отличие от других газов и паров водород имеет очень высокий коэффициент диффузии: поэтому он легко удаляется из деталей в процессе их обезгаживания при вакуумной обработке прибора.
В самом водороде может содержаться некоторое количество вредных примесей, особенно кислорода, водяных паров, углеводородов. Для отжига требуется водород, содержащий не более 0,001% влаги и 0,005% кислорода (по объему).
При содержании в водороде даже незначительных количеств кислорода и паров воды (больше 0,1%) вместо восстановления оксидов может происходить дополнительное окисление отжигаемого металла. Поэтому водород предварительно подвергают очистке и сушке.
Очистка водорода от кислорода заключается в пропускании водорода через гранулированную, или пористую, медь, нагретую До ЗОО°С. Медь связывает кислород, превращаясь в закись или оксид меди.
На практике, однако, чем лучше и полнее производится очистка водорода от кислорода, тем больше в нем оказывается паров воды. Это связано с тем, что одновременно с реакцией 2Cu + О2 — 2СиО происходит реакция CuO + Н2 -» Си + +НгО, приводящая к регенерации меди и образованию паров воды.
Степень осушки водорода (т. е. очистка водорода от водяных паров) характеризуется его точкой росы.
Точкой росы называется температура, до которой требуется охладить водород, чтобы из него начали конденсироваться пары