Термическая обработка сталей и сплавов. Отжиг

Классификация видов термической обработки. Все виды собственно термической обработки сталей и сплавов можно разделить на 3-и основные группы: отжиг, закалку и отпуск.

Отжигом называетсят термическая обработка, заключающаяся в нагреве металла, находящегося в результате каких-либо предшествующих воздействий в неравновесном состоянии, приводящая его в более равновесное состояние,. Охлаждение после отжига производится вместе с печью, т. е. медленно.

Нагрев при отжиге может производиться ниже и выше температур фазовых превращений в зависимости от целей отжига.

Отжиг, при котором металл при нагреве не претерпевает фазовых превращений называется отжигом первого рода. Он возможен для любых металлов и сплавов.

Отжиг, при котором нагрев производится выше температур фазовых превращений с последующим медленным охлаждением для получения структурно равновесного состояния, называется отжигом второго рода или перекристаллизацией.

В случае стали - отжиг второго рода это термическая обработка, при которой сталь нагревается выше А_с3, (или только выше А_с1, — при неполном отжиге) с последующим медленным охлаждением. Нагрев выше А_с3 обеспечивает полную перекристаллизацию стали. Медленное охлаждение при отжиге обязательно должно привести к распаду аустенита и превращению его в перлитные структуры. Отжиг обычно являются первоначальной операцией термической обработки, цель которой — либо устранить некоторые дефекты предыдущих операций горячей обработки (литья, ковки и т. д.), либо подготовить структуру к последующим технологическим операциям (например, обработке резанием, закалке). Однако довольно часто отжиг является и окончательной термической обработкой, когда после него получаются удовлетворительные с точки зрения эксплуатации детали свойства и не требуется их дальнейшее улучшение с помощью закалки и отпуска.

Основные цели отжига: перекристаллизация стали и устранение внутренних напряжений или исправление структуры.

Существуют следующие разновидности отжига стали II рода: полный, неполный и изотермический.

Полный отжиг применяется, как правило, для доэвтктоидных сталей, представляющих, как мы помним, смесь феррита с перлитом, и состоит в нагреве стали на 30-50⁰ свыше критической точки А_с3 (рис. 9.4), выдержке при этой температуре до полной перекристаллизации металла и медленном охлаждении. При такой температуре выдержки образуется мелкое зерно аустенита, из которого при охлаждении формируется равномерная мелкозернистая ферритно-перлитная структура, т. е. происходит полная перекристаллизация. Поэтому полный отжиг обычно применяют с целью измельчения зерна. После отжига сталь обладает низкой твердостью и прочностью при высокой пластичности.

Если нет необходимости изменить расположение ферритной составляющей и исходная структура не очень крупнозерниста, то достаточно провести более низкий нагрев — выше А_с1 но ниже А_с3. При этом произойдет лишь частичная перекристаллизация стали только вследствие превращения перлит-аустенит. Избыточный феррит лишь частично превращается в аустенит, и поэтому значительная его часть не подвергается перекристаллизации. Это будет так называемый неполный отжиг (рис. 9.4). Неполный отжиг — более экономичная операция, чем полный, так как нагрев в этом случае осуществляется до более низких температур.

Рис. 9.4 Температура нагрева для различных видов отжига

 

Для заэвтектоидных сталей применяют только неполный отжиг, который называют также сфероидизацией, так как это — основной способ получения зернистого перлита, для получения которого необходимо, что бы нагрев не на много превышал критическую точку А_с1, в противном случае получается пластинчатый перлит. Структурой зернистого перлита должны обладать инструментальные стали, так как это обеспечивает хорошую обрабатываемость режущим инструментом и малую склонность к перегреву при закалке.

При отжиге скорость охлаждения должна быть такова, чтобы успели произойти превращения аустенита при малой степени переохлаждения. Практически скорость охлаждения не должна быть больше 50 — 100⁰С/ч, что достигается охлаждением в печи. В заводской практике с целью экономии времени чаще проводят так называемый изотермический отжиг. Для этого сталь, нагретая выше верхней (или только нижней) критической точки, охлаждается быстро (точнее с любой скоростью) до температуры, лежащей на 50 — 100⁰С ниже равновесной точки А₁ и при этой температуре выдерживается столько, сколько необходимо для полного pacпада аустенита. Поскольку температуру контролировать легче, чем скорость охлаждения, такой отжиг дает более стабильные результаты. В настоящее время изотермический отжиг применяют чаще, чем отжиг с непрерывным охлаждением, особенно для легированных сталей, так как это сокращает продолжительность операции.

Нормализация есть разновидность отжига II рода, когда сталь нагревают до температур на 30-50⁰С выше точкиА_с3, а охлаждение проводят на спокойном воздухе, что создает несколько более быстрое охлаждение, чем при обычном отжиге при охлаждении детали вместе с печью. Это определяет некоторое различие свойств отожженной и нормализованной стали. Нормализация, естественно,— более дешевая термическая операция, чем отжиг, так как печи используют только для нагрева и выдержки при температуре нормализации, охлаждение осуществляется на воздухе, вне печи.

Для низкоуглеродистых нелегированных сталей разница в cвойствах между отожженным и нормализованным состояниями практически отсутствует и рекомендуется эти стали подвергать не отжигу, а нормализации. Для среднеуглеродистых сталей (0,3 — 0,5 % С) различие в свойствах нормализованной и отожженной стали более значительно; в этом случае нормализация не может заменить отжига. Нормализация в этом случае придает стали, по сравнению с отожженным состоянием, более высокую прочность.

Если избыточный цементит в заэвтектоидных сталях находится в виде грубой сетки, что является дефектом, то надо провести нормализацию с нагревом выше А_сm. Растворившийся при нагреве выше А_сm цементит при последующем ускоренном охлаждении в процессе нормализации стали не успевает вновь образовать грубую сетку цементита, что заметно улучшает свойства стали.

Нормализацию используют и как окончательную термическую обработку средне- и высокоуглеродистых доэвтектоидных сталей, если требования к свойствам этих сталей умеренные и для них не обязательна закалка с высоким отпуском.

Литая сталь обычно характеризуется неоднородностью состава, дендритной и зональной ликвацией. Нагрев до высоких (обычно до 1000 — 1100⁰С), значительно превосходящих точку А_с3 температур и выдержка при них приводят к устранению или смягчению дендритной неоднородности. Такая операция называется гомогенизацией или диффузионным отжигом. В результате высокого нагрева и длительной выдержки наблюдается сильный рост зерна, и поэтому после такой обработки структура получается крупнозернистой и требуется дополнительная операция термической обработки для исправления структуры (обычный отжиг).

Если диффузионный отжиг был применен к слиткам, которые будут подвергаться пластической деформации (прокатке, ковке), то необходимость в последующем отжиге отпадает, так как крупнозернистая структура исправится пластической деформацией.

Если исходная структура стали хорошая и нет необходимости в перекристаллизации, а требуется только снизить внутренние напряжения, то нагрев под отжиг ограничивают еще более низкими температурами, ниже критической точки А_с1. Это будет низкий отжиг (рис. 9.4). Эта операция относится к отжигу I рода.