Отжиг сталей

Существует несколько разновидностей отжига, из них для конструкционных сталей наибольшее применение находит перекристаллизационный отжиг, а для инструментальных сталей – сфероидизирующий отжиг.

Конструкционные стали чаще всего содержат углерод в количестве до 0,7 %, т.е. являются доэвтектоидными сталями.

Перекристаллизационный отжиг проводят для снижения твердости, повышения пластичности и получения однородной мелкозернистой структуры.

Одновременно при отжиге полностью снимаются остаточные напряжения.

Полуфабрикаты из конструкционных сталей после литья или горячего деформирования из-за ускоренного охлаждения с высоких температур могут иметь повышенную твердость, что затруднит их обработку резанием и приведет к понижению пластичности.

Характерный структурный дефект стальных отливок – крупнозернистость.

При ускоренном охлаждении крупнозернистого аустенита создаются условия для образования видманштеттовой структуры. Типичная структура литой стали и видманштеттовая структура горячедеформированной стали показана на рис. 4.17, а.

Строчечная структура стали значительно чаще возникает из-за загрязнения стали неметаллическими включениями, обычно сульфидами, а также в результате ликвации фосфора. При обработке давлением включения вытягиваются. Феррит, зарождаясь на вытянутых включениях, образует вытянутые скопления. Строчечность структуры, вызванная неметаллическими включениями, не исправляется отжигом. Горячекатаная сталь со строчечной структурой (рис. 4.24) имеет худшие механические свойства (прочность, пластичность и вязкость) в поперечном и высотном направлениях по сравнению с основным направлением деформации.

Рис. 4.24. Строчечная структура конструкционной углеродистой стали (сернистые включения – центры кристаллизации доэвтектоидного феррита). ×250

Для полной перекристаллизации структуры конструкционные стали нагревают до температуры, превышающей температуру Аст на 30–50°С. После сквозного прогрева изделия следует медленно охлаждать, чтобы обеспечить в результате распада аустенита равновесную феррито-перлитную структуру и, соответственно, низкую твердость и высокую пластичность.

Скорость охлаждения при отжиге выбирают в зависимости от степени легированности стали.

Углеродистые стали получаются достаточно мягкими при скорости охлаждения 100–200°С/ч. Легированные стали с более высокой устойчивостью переохлаждённого аустенита нужно охлаждать медленнее, со скоростью 20–70°С/ч. Высоколегированные стали экономичнее подвергать изотермическому отжигу, т.е. дать выдержку при температуре немного меньшей Аr1, чтобы получить продукты распада аустенита с низкой твёрдостью.

Для заэвтектоидных сталей перекристаллизационный отжиг с нагревом выше Асm (линия ES) вообще не используют, т.к. при медленном охлаждении после такого нагрева образуется грубая сетка вторичного цементита, ухудшающего механические свойства. К заэвтектоидным углеродистым сталям широко применяют отжиг с нагревом до 740–780 °С и последующим медленным охлаждением. После такого нагрева в аустените остается большое число нерастворившихся включений цементита, которые служат центрами кристаллизации во время распада аустенита при охлаждении.

В результате образуется структура зернистого перлита (сферодита), почему этот отжиг и называют сфероидизирующим.

Для режима сфероидизирующего отжига заэвтектоидных сталей характерен узкий температурный «интервал отжигаемости». Нижняя его граница должна находиться выше точки А1, а верхняя граница не должна быть слишком высокой, т.к. иначе из-за растворения в аустените центров карбидного выделения при охлаждении образуется пластинчатый перлит. Так, если точки Асm и Ас1 сходятся при эвтектоидной концентрации, то у сталей, близких к эвтектоидному составу, «интервал отжигаемости» особенно узок. Например, для сталей У9А и У10А граница этого интервала 740–750 °С, в то время как для сталей У11А, У12А и У13А они находятся в пределах 750–780 °С.

Конечная структура зависит от скорости охлаждения и температуры сфероидизирующего отжига. Чем меньше скорость охлаждения, тем до больших размеров вырастают глобулы карбида при распаде аустенита. Регулируя скорость охлаждения, можно получить структуры глобулярного перлита от точечного до крупнозернистого. Более мелкозернистый перлит обладает повышенной твердостью.

Сфероидизирующему отжигу подвергают углеродистые и легированные инструментальные и шарикоподшипниковые стали. Сталь со структурой зернистого перлита обладает наименьшей твердостью, легче обрабатывается резанием, что особенно важно, например, для работы автоматических линий в условиях массового подшипникового производства. Кроме того, зернистый перлит является оптимальной исходной структурой перед закалкой. Сталь со структурой зернистого перлита имеет меньшую склонность к росту аустенитного зерна, более широкий допустимый интервал закалочных температур, меньшую склонность к растрескиванию при закалке, более высокие прочность и вязкость после закалки (мелкие глобули равномерно распределены в мартенсите закаленной заэвтектоидной стали).

Если при однократном отжиге не произошло полной сфероидизации цементита, то можно применять циклический, или маятниковый, отжиг, являющийся разновидностью сфероидизирующего.

Изотермический отжиг. Малая степень переохлажденного аустенита, необходимая при отжиге, может быть получена не только при непрерывном охлаждении стали с печью. Другой путь – ступенчатое охлаждение с изотермической выдержкой в интервале перлитного превращения. Такая термообработка называется изотермическим отжигом. После нагрева до температуры выше А₃ сталь ускоренно охлаждают до температуры изотермической выдержки, которая находится ниже точки А₁. Затем проводят ускоренное охлаждение на воздухе; мелкие изделия простой конфигурации можно охладить в подогретой воде.

Чем ближе температура изотермической выдержки к точке А₁, тем больше межпластинчатое расстояние в перлите и мягче сталь, но больше и время превращения. Так как основное назначение изотермического отжига – смягчение стали, то выбирают такую температуру изотермической выдержки (на 30–100 °С ниже температуры А₁), при которой получается достаточное смягчение стали за сравнительно небольшой промежуток времени.

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.

Нормализация сталей. Нормализации, так же как и перекристализационному отжигу, чаще всего подвергают конструкционные стали после горячей обработки давлением и фасонного литья. Нормализация отличается от отжига в основном условиями охлаждения после нагрева до температуры на 50–70 °С выше температуры Ас3, сталь охлаждают на спокойном воздухе.

Нормализация – более экономичная термическая операция, чем отжиг, т.к. меньше времени затрачивается на охлаждение стали. Кроме того, нормализация, обеспечивая полную перекристализацию структуры, приводит к получению более высокой прочности стали, поскольку при ускорении охлаждения распад аустенита происходит при более низких температурах.

Рис. 4.25. Микроструктура стали (0,4 % С), ×300:

а – после отжига; б – после нормализации

После нормализации углеродистых и низколегированных сталей так же, как и после отжига, образуется феррито-перлитная структура, однако имеются и существенные структурные отличия (рис. 4.25).

При ускоренном охлаждении, характерном для нормализации, доэвтектоидный феррит при прохождении температурного интервала Ar3–Ar1 выделяется на границах зёрен аустенита, поэтому кристаллы феррита образуют сплошные или разорванные оболочки вокруг зёрен аустенита – ферритную сетку.

Нормализация позволяет несколько уменьшить анизотропию свойств, вызванную наличием в горячедеформированной стали вытянутых неметаллических включений. При ускоренном охлаждении (по сравнению с отжигом) возникает больше самопроизвольно образующихся центров кристаллизации, поэтому строчечность структуры менее резко выражена. Это дополнительное преимущество данного вида обработки.

Свойства нормализованных горячекатаных полуфабрикатов существенно зависят от сечения: чем меньше сечение, тем быстрее произойдёт охлаждение на спокойном воздухе и тем выше прочность стали.

Дата добавления: 2014-01-03