Разновидности отжига сталей

Лекция 5. Отжиг 2-го рода. Разновидности отжига сталей

Отжиг сталей (отжиг 2-го рода) – это термическая обработка, при которой главными процессами является аустенизация с последующим перлитным превращением. Отжиг II рода заключается в нагреве стали до температур выше точек Ас₁ или Ас₃, выдержке и, как правило, последующем медленном охлаждении. В процессе нагрева и охлаждения протекают фазовые превращения (превращения), определяющие структуру и свойства стали. После отжига углеродистой стали получаются структуры (рисунок 5.1), указанные на диаграмме состояния железо-цементит;

феррит + перлит в доэвтектоидной стали; перлит в эвтектоидной стали;

перлит + цементит в заэвтектоидной стали.

1 - охлаждение при отжиге; 2 - охлаждение при нормализации

Рисунок 5.1 - Схема полного отжига (а) и изотермическая диаграмма распада

аустенита (б) углеродистой стали

После отжига сталь имеет низкую твердость и прочность при высокой пластичности. В большинстве случаев отжиг является подготовительной термической обработкой; отжигу подвергают трубы, отливки, поковки, сортовой и фасонный прокат, горячекатанные листы. Понижая прочность и твердость, отжиг облегчает обработку резанием; измельчая зерно, снимая внутренние напряжения и уменьшая структурную неоднородность, отжиг способствует повышению пластичности и вязкости.

Разновидности отжига сталей

Основной фактор, от которого зависит микроструктура стали после отжига 2-го рода, — это степень переохлаждения аустенита. Разновидности отжига 2-го рода различаются главным образом способами охлаждения и степенью переохлаждения аустенита, а также положением температур нагрева относительно критических точек. Необходимая степень переохлаждения аустенита достигается или при непрерывном охлаждении, или при изотермической обработке. На рисунке 5.2 на примере доэвтектоидной стали схематично изображены режимы охлаждения, соответствующие основным разновидностям отжига 2-го рода: полный (1), изотермический (2), нормализационный (3) и патентирование (4).К заэвтектоидным сталям применяют сфероидизирующий отжиг и нормализацию.

Полный отжиг заключается в нагреве доэвтектоидной стали выше Ас₃ на 30 - 50 ^оС, выдержке при этой температуре для полного прогрева и завершения фазовых превращений в объеме металла и последующем медленном охлаждении. При нагреве до температуры выше точки Ас₃ на 30 - 50 ^оС образуется аустенит (твердый раствор внедрения атомов углерода в g-Fe, имеющий решетку г.ц.к.), характеризующийся мелким зерном, поэтому при охлаждении возникает мелкозернистая структура, обеспечивающая высокую вязкость и пластичность.

Рисунок 5.2 - Основные разновидности отжига 2-го рода доэвтектоидной стали

1–полный отжиг; 2–неполный отжиг; 3 – сфероидизирующий отжиг; 4 - нормализация Рисунок 5.3 – температура нагрева сталей для отжига 2-го рода

Чрезмерное повышение температуры нагрева выше критической точки вызывает рост зерна аустенита, что ухудшает механические свойства стали. Скорость охлаждения при отжиге зависит от устойчивости переохлажденного аустенита, и, следовательно, от состава стали. Чем больше устойчивость аустенита в области температур перлитного превращения, тем медленнее должно быть охлаждение. Легированные стали охлаждаются значительно медленнее (40 - 60^оС/ч), чем углеродистые (100 - 150^оС/ч). Структура доэвтектоидной стали после отжига состоит из избыточного феррита и перлита. Основные цели полного отжига следующие: устранение пороков структуры, возникших при предыдущей обработке металла (литье, горячей деформации, сварке и термообработке), смягчение стали перед обработкой резанием и уменьшение напряжений. Целям обычного полного отжига, измельчающего зерно, противоположна цель отжига, увеличивающего зерно. Отжиг на крупное зерно с нагревом до 950-110 ^оС применяют к мягким назкоуглеродистым сталям для улучшения обрабатываемости резанием. Такие стали дают вязкую, трудно отделяемую стружку, способную привариваться к режущему инструменту, что делает поверхность шероховатой. Улучшению качества поверхности и большей ломкости стружки низкоуглеродистых сталей способствует структура с крупными колониями пластинчатого перлита, которую получают при выоскотемпературном отжиге, увеличивающем зерно..Полному отжигу подвергают сортовой прокат из стали

с 0, 3 - 0, 4 % С, поковки и фасонные отливки.

Неполный отжиг отличается от полного тем, что сталь нагревают до более низкой температуры (немного выше точки Ас₁), но ниже А_с3. Неполный отжиг доэвтектоидных сталей применяют для улучшения обрабатываемости резанием; при неполном отжиге происходит частичная перекристаллизация феррита (твердый раствор внедрения атомов углерода в a-железо, имеет решетку о.ц.к.). Избыточный феррит лишь частично превращается в аустенит. Для конструкционных сталей такой вид отжига проводится при температуре 750 - 770 ^оС с последующим охлаждением со скоростью 30 - 60 ^оС/ч.

Сфероидизирующий отжиг. Неполный отжиг широко применяют для заэвтектоидных углеродистых и легированных сталей, что позволяет получать зернистую (сфероидальную) форму перлита вместо пластинчатой. Стали, близкие к эвтектоидному составу, имеют узкий интервал температур нагрева (750 - 760 ^оС) для отжига на зернистый перлит, для заэвтектоидных сталей интервал расширяется до 770 - 790 ^оС. Охлаждение при сфероидизации медленное. Оно должно обеспечить распад аустенита на феррито-карбидную смесь. Регулируя скорость охлаждения, можно получать структуры глобулярного перлита от точечного до крупнозернистого. Более мелкозернистый перлит обладает повышенной твердостью. Отжигу на зернистый перлит подвергают тонкие листы и прутки из низко- и среднеуглеродистой стали перед холодной штамповкой и волочением для повышения пластичности, углеродистые и легированные инструментальные и шарикоподшипниковые стали. Сталь со структурой зернистого перлита обладает наименьшей твердостью, легче обрабатывается резанием; кроме того, зернистый перлит является оптимальной исходной структурой перед закалкой. Поэтому металлургические заводы поставляют отожженную инструментальную сталь со структурой зернистого перлита. Поковки шарикоподшипниковой стали такжеотжигают на зернистый перлит.

Изотермический отжиг состоит в нагреве легированной стали, как и для полного отжига, и в сравнительно быстром охлаждении до температуры, лежащей ниже точки Ас₁ (660 - 680^оС). При этой температуре назначают изотермическую выдержку 3 - б часов, необходимую для полного распада аустенита, после чего следует охлаждение на воздухе (рисунок 5.4). Изотермический отжиг по сравнению с обычным отжигом имеет два преимущества. Прежде всего он может дать выигрыш во времени, если суммарное время ускоренного охлаждения, изотермической выдержки и последующего ускоренного охлаждения меньше времени медленного непрерывного охлаждения изделия вместе с печью.

Рисунок 5.4 - Схема изотермического отжига стали

Особенно большой выигрыш времени можно получить при изотермическом отжиге легированных сталей с устойчивым переохлажденным аустенитом. Другое преимущество изотермического отжига — получение более однородной структуры, так как при изотермической выдержке температура по сечению изделия выравнивается и превращение во всем объеме стали происходит при одинаковой степени переохлаждения. Изотермическому отжигу чаще подвергают поковки (штампованные заготовки) и сортовой прокат из легированной цементуемой стали небольших размеров.

Отжиг нормализационный (нормализация).

При нормализации сталь нагревают до температур на 30— 50 К выше линии GSE и охлаждают на воздухе. Ускоренное по сравнению с отжигом охлаждение обусловливает несколько большее переохлаждение аустенита. Поэтому при нормализации получается более тонкое строение эвтектоида (тонкий перлит или сорбит) и более мелкое эвтектоидное зерно. Кроме того, частично подавляется выделение избыточной фазы (феррита или вторичного цементита) и, следовательно, образуется квазиэвтектоид. Таким образом, прочность стали после нормализации должна быть больше, чем прочность после отжига. Нормализацию применяют чаще всего как промежуточную операцию для устранения пороков строения и общего улучшения структуры перед закалкой, а также для смягчения стали перед обработкой резанием. Таким образом, назначение нормализации как промежуточной обработки аналогично назначению отжига. Так как нормализация выгоднее отжига (меньше задалживается печное оборудование), то ее всегда следует предпочесть отжигу, если оба эти вида обработки дают одинаковые результаты. Но нормализация не всегда может заменить отжиг как операцию смягчения стали. Это объясняется следующим. Склонность аустенита к переохлаждению растет с увеличением содержания в нем углерода и легирующих элементов, поэтому разница в свойствах после отжига и после нормализации зависит от состава стали. Например, твердость сталей, содержащих 0, 2; 0, 45 и 0, 8 % С, после отжига равна, соответственно НВ120, 160 и 180, а после нормализации НВ130, 190 и 240.

Нормализацию широко применяют вместо смягчающего отжига к низкоуглеродистым сталям, в которых аустенит слабо переохлаждается. Но она не может заменить смягчающий отжиг высокоуглеродистых сталей, которые весьма ощутимо упрочняются при охлаждении на воздухе из-за значительного переохлаждения аустенита. Что же касается средне- и высоколегированных сталей, то в них при охлаждении на воздухе может образоваться мартенсит, т. е. происходит воздушная закалка. Под нормализацией понимают такую термическую обработку стали, при которой охлаждение на воздухе приводит к распаду аустенита в температурном интервале перлитного превращения.Поэтому если охлаждение легированной стали на воздухе дает мартенсит, как в стали 18Х2Н4ВА, то такой процесс никакого отношения к нормализации не имеет. Нормализацию широко применяют взамен отжига для устранения пороков стали, возникших при горячей деформации и термической обработке: крупнозернистости, видманштеттовой структуры, строчечности. Во многих случаях нормализация дает лучшие результаты, чем отжиг. В заэвтектоидной стали нормализация устраняет грубую сетку вторичного цементита. Нормализацию используют и как окончательную обработку средне- и высокоуглеродистых доэвтектоидных сталей, если требования к свойствам умеренные и необязательна закалка с высоким отпуском.

Как окончательную термообработку нормализацию применяют и к низкоуглеродистым низколегированным сталям, например к высокопрочной строительной стали с карбонитридным упрочнением марки 16Г2АФ. Нормализация этой стали обеспечивает сочетание высокой прочности и низкой температуры перехода из вязкого состояния в хрупкое.

Патентирование. Для получения высокопрочной канатной пружинной и рояльной проволоки применяют изотермическую обработку, которая получила название патентирование. Проволоку из углеродистых сталей, содержащих от 0, 45 до 0, 85 %С, нагревают в проходной печи до температуры на 150-200 ^оС выше А_с3, пропускают через свинцовую или соляную ванну с температурой 450-550 ^оС и наматывают на приводной барабан. По выходе из ванны проволока имеет феррито-цементитную структуру с очень малым межпластинчатым расстоянием, которую называют сорбитом патентирования или трооститом. После патентирования проволоку подвергают многократному холодному волочению с большим суммарным обжатием. Высокая температура нагрева при патентировании (870-920^оС) необходима для гомогенизации аустенита. Скорость движения проволоки должна быть такой, чтобы время пребывания в ванне было несколько больше времени окончания перлитного превращения. В противном случае, на выходе проволоки из ванны аустенит, не успевший превратиться в перлит, превращается в нижний бейнит или мартенсит, что резко снижает пластические свойства проволоки.

По типу фазовых превращений патентирование не смотря на свою специфичность, относится к разновидности изотермической обработки.

Рекомендуемая литература

Основная 1 [122-193]

Контрольные вопросы

1. Что называется отжигом 2-го рода?

2. Как проводится полный отжиг доэктектоидных сталей?

3. Какому виду отжига подвергаются заэвтектоидные стали?

4. Что называется нормализацией?

5. Для каких целей проводится патентирование?