Краткие теоретические сведения. Отжигом называется операция термической обработки, связанная с нагревом стали до

3.1.1. Отжиг

Отжигом называется операция термической обработки, связанная с нагревом стали до определенной температуры, выдержкой и медленным охлаждением (с печью). Режимы отдельных видов отжига приведены на рис. 3.1.

Скорость охлаждения в печи при отжиге в зависимости от материала и вида изделий – не более 30 – 200°С/ч. Чтобы они не покоробились их выгружают при температуре 500 – 450°С, а затем охлаждают на воздухе.

Отжиг – в зависимости от назначения, операция предварительная или окончательная. Основное назначение ее – получение более равновесной структуры: снятие внутренних напряжений, улучшение или исправление структуры металла (измельчение зерна, устранение ликвации), снижение твердости, повышение пластичности, улучшение обрабатываемости резанием.

Рис. 3.1. Виды отжига стали: а – рекристаллизационный (низкий);

б – диффузионный; в – полный; г – изотермический;

Рекристаллизационный отжиг применяют для восстановления исходной твердости, пластичности и ударной вязкости, которые изменились в результате холодной пластической деформации, т.е. для снятия наклепа.

Упрочнение металла под действием холодной пластической деформации называется наклепом, или нагартовкой. В металле резко возрастает плотность дефектов кристаллического строения и образуется определенная ориентировка зерен – текстура. Зерна деформируются, сплющиваются и из равноосных зерен превращаются в неравноосные (растягиваются в виде лепешки, блина).

Рекристаллизацией называют, зарождение, и рост новых равноосных зерен с меньшим количеством дефектов кристаллического строения при нагреве деформированной стали. Между температурным порогом рекристаллизации и температурой плавления имеется простое соотношение: Т_Р ≈ (0,3 – 0,4)∙Т_ПЛ., что составляет для углеродистых сталей 670-700 ⁰С.

Рекристаллизационный отжиг углеродистых и низколегированных сталей проводится при температуре до 700°С с выдержкой после нагрева от 30 до 60 мин в зависимости от состава стали. После завершения рекристаллизации строение металла и его свойства становятся прежними (которые он имел до деформации).

Низкотемпературный отжиг проводят для снятия внутренних остаточных напряжений при температуре до 700°С в течение несколько часов. Степень снятия напряжений определяется главным образом температурой нагрева, а не временем выдержки. В результате отжига уменьшаются особенно опасные остаточные растягивающие напряжения, снижается склонность к хрупкому разрушению, повышается сопротивление усталости и ударным нагрузкам, снижается склонность к межкристаллитной коррозии, стабилизируются размеры и предотвращается коробление изделий. Низкотемпературному отжигу подвергают отливки, поковки, сварные изделия и детали, в которых из-за неравномерного охлаждения и по другим причинам возникли внутренние напряжения.

Гомогенизация (высокотемпературный, или диффузионный отжиг) применяется для устранения дендритной (внутрикристаллической) ликвации в слитках или фасонных отливках главным образом из легированных сталей. Ликвация усиливает анизотропию свойств, карбидную неоднородность, снижает относительное удлинение и ударную вязкость.

Для ускорения диффузии и получения однородного (гомогенного) металла нагрев производят до температуры 1100 – 1200°С с выдержкой после нагрева от 8 до 20 ч. В результате такого высокотемпературного нагрева происходит интенсивный рост зерна. Перегрев устраняется дополнительным отжигом на мелкое зерно. Диффузионный отжиг сопровождается потерями металла на окалину и является малопроизводительной и дорогой операцией.

Полный отжиг, или отжиг на мелкое зерно, проводится только для эвтектоидных сталей при температуре на 30 – 50°С выше точки Ас₃. При этом время нагрева и продолжительность выдержки зависят от состава стали, размеров изделий и способа укладки их в печь, типа нагревательной печи и т. п.

Назначение полного отжига – измельчение зерна, исправление структуры, максимальное снижение твердости и повышение пластичности, снятие внутренних напряжений. При этом отжиге происходит полная фазовая перекристаллизация. Медленное охлаждение обеспечивает распад аустенита при малых степенях переохлаждения, получение высокой пластичности и минимальной твердости. Мелкое начальное зерно аустенита способствует получению при охлаждении мелкозернистой структуры с равномерным распределением феррита и перлита (Рис. 3.2). Полному отжигу обычно подвергают сортовой прокат, поковки и фасонные отливки. Это операция длительная и малопроизводительная.

Рис. 3.2. Структура стали 45: а) исходная; б) после полного отжига.

Изотермический отжиг имеет преимущество перед полным – сокращается время отжига и получается более однородная структура, так как распад аустенита происходит при постоянной температуре во время выдержки, поэтому полный отжиг часто заменяют изотермическим.

Неполный отжиг используют для снижения твердости стали и улучшения обрабатываемости резанием. Заэвтектоидные стали отжигу с полной перекристаллизацией подвергать нельзя, так как при медленном охлаждении из аустенитного состояния вторичный цементит выделяется по границам зерен в виде сетки и сталь становится хрупкой. Заэвтектоидные стали подвергают только неполному отжигу с нагревом до 750 – 770°С (несколько выше А₁), выдерживают до прогрева по сечению и охлаждают.

При таком нагреве в аустените остается большое число нерастворившихся включений цементита, которые служат центрами кристаллизации при охлаждении во время аустенитно-перлитного превращения. В результате образуется структура зернистого перлита. Этот отжиг часто называют отжигом на зернистый перлит, или сфероидизацией.

Для сокращения времени отжиг на зернистый перлит можно произвести с изотермической выдержкой. После нагрева сталь медленно охлаждают (30 – 50°С/ч) до 680 – 650°С и выдерживают 1 – 3 ч для распада переохлажденного аустенита и сфероидизации карбидов. Последующее охлаждение производят на воздухе. Сталь со структурой зернистого перлита обладает наименьшей твердостью, наилучшей обрабатываемостью резанием и менее склонна к перегреву при закалке, поэтому инструментальные и шарикоподшипниковые стали, как более твердые, должны поставляться со структурой зернистого перлита (Рис. 3.3).

Рис. 3.3 Структура стали, отожженной на зернистый перлит.

Доэвтектоидные стали отжигают на зернистый перлит для получения максимальной пластичности перед холодной обработкой давлением (штамповкой, волочением и т. п.). Нагрев при неполном отжиге до более высокой температуры (800°С) приводит к получению структуры пластинчатого перлита.

Циклический, или маятниковый отжиг, применяют для полной сфероидизации цементита сталей. Сталь несколько раз попеременно нагревают выше A₁ на 10 – 15°С и охлаждают ниже A₁ на 10 – 15°С с кратковременной выдержкой после каждого цикла нагрева и ожлаждения. Количество циклов нагрева и охлаждения зависит от химического состава стали. Пластинка карбида при каждом нагреве частично растворяется в аустените, а при охлаждении начинает расти. Растворяясь и подрастая, кристалл карбида из пластинчатой принимает зернистую форму – происходит его сфероидизация.

3.1.2. Нормализация

Нормализацией называется операция термической обработки, связанная с нагревом доэвтектоидной стали до температуры на 30 – 50°С выше точки Ас₃., заэвтектоидной – на 30 – 50°С выше точки Ас_m. (для обеспечения аустенитной структуры), выдержкой и последующим ускоренным охлаждением на воздухе.

По сравнению с отжигом она нормализация более производительна и экономична. В результате полной перекристаллизацией стали в аустенит, она измельчает структуру, повышает работу развития трещин, понижает порог хладноломкости.

Нормализация как промежуточная обработка аналогична отжигу, ее при­меняют для низкоуглеродистых сталей вместо полного отжига. Но она не может заменить смягчающий отжиг для среднеуглеродистых сталей, которые при охлаждении на воздухе имеют повышенную твердость и прочность. Ее часто используют для измельчения зерна стали перед закалкой.

Исправить структуру перегретой заэвтектоидной стали можно только нормализацией. Она измельчает зерно, и при ускоренном охлаждении на воздухе цементит вторичный не успевает образовать грубую сетку по границам зерен. Следует отметить, что скорость охлаждения на воздухе зависит от массы изделия и отношения его поверхности к объему. Эти факторы сказываются на структуре и свойствах нормализованной стали.

Дата добавления: 2015-07-07