Получение структуры глобулярного перлита

Нормализационный отжиг (нормализация)- вид термической обработки доэвтектоидных и заэвтектоидных сталей, заключающийся в нагреве металла до температур на 30-500 С выше критической точки АС3 (линии GSE диаграммы Fe-C), выдержке и охлаждении на воздухе.

В связи с тем, что при нормализации охлаждение изделий происходит с большей скоростью, чем при отжигах, степень переохлаждения аустенита больше и соответственно больше дисперсность получаемых структур (феррита, колоний перлита и межпластинчатое расстояние в колониях), а также подавляется выделение (или образуется меньшее количество) феррита (в доэвтектоидных сталях) по границам зерен и цементита вторичного (в заэвтектоидных сталях).

Поэтому нормализацию можно отнести как к упрочняющей термической обработке, так и к умягчающей. Но под понятием нормализация понимают вид термической обработки,при которой распад переохлажденного аустенита происходит по диффузионному механизму.

Нормализация может использоваться как окончательная операция, так и как промежуточная.

В качестве окончательной операции нормализация используется в основном для изделий из малоуглеродистых и низколегированных сталей (для повышения комплекса свойств, устранения полосчатости структуры после ОМД). Для литых изделий, в структуре которых может присутствовать большое количество видманштеттового феррита, нормализация проводится с повышенных температур (т.е. нагрев на 80-120⁰ С выше выше линии GSE), для таких обработок эта операция называется высокотемпературная нормализация. В качестве окончательной операции нормализацию могут использовать для средне- и высокоуглеродистых сталей неответственного назначения.

Для углеродистых сталей нормализация часто используется как умягчающая обработка или для подготовки структуры к окончательному улучшению. Нормализацию можно использовать для уменьшения сетки вторичного цементита по границам зерен. При нагреве выше линии GSE вторичный Ц растворяется и при ускоренном охлаждении его выделение либо подавляется или его меньше образуется на границах зерен. Для таких целей часто используют принудительный обдув изделий вентиляторным воздухом или используют другие средства.Но все же в качестве умягчающей обработки для углеродистых сталей больше подходят полный и неполный отжиги. Особенно это актуально для сталей с высокой устойчивостью переохлажденного аустенита (легированных), в которых при охлаждении на воздухе может происходить распад по мартенситному или промежуточному механизмам. Для заэвтектоидных сталей (шарикоподшипниковых и других хромистых, магнитныхи т.д.) нормализацию используют с целью устранения карбидной сетки. В случае использования нормализации при обработке легированных сталей после нее требуется дополнительно проводить высокий отпуск.

Для чугунов нормализация используется с целью повышения прочности, твердости и износостойкости.

Серый чугун с пластинчатым графитом (структура Ф+П+Г) нагревают до температуры 850-950⁰С, выдерживают при этой температуре 0,5-3 часа (в зависимости от сечения отливки) и охлаждают на воздухе или в воздушной среде. При нагреве выше А₁ структурно свободный графит частично растворяется в g-железе, а при ускоренном охлаждении в интервале 780-700⁰С происходит графитизация эвтектоидного цементита и распад аустенита с образованием перлита или даже сорбита, т.е. происходит замена феррита на более прочную матрицу.

При нормализации чугуна с перлитной матрицей увеличивается дисперсность эвтектоида, что повышает сопротивление износу и твердость.

Изделия из чугуна с шаровидным графитом сложной формы и имеющие значительную разнотолщинность и структурную неоднородность (П+Ц+Ф+Г) подвергают нормализации с целью выравнивания уровня свойств и получения однородной структуры (перлит+графит). Максимальные температуру нагрева и время выдержки применяют в случае, когда в чугуне с шаровидным графитом имеется более 10% свободного цементита или феррита.

Ковкий чугун также подвергают нормализации с целью повышения твердости. Ковкий чугун с ферритной матрицей при нормализации (860-880⁰С, выдержка»1,5 часа) превращается в чугун на перлитной или сорбитной основе. Такую же структуру возможно получить и при получении ковкого чугуна из белого за счет ускоренного охлаждения после первой стадии графитизации.

Отливки сложной формы подвергают после нормализации дополнительному низкотемпературному отжигу для снятия напряжений при температурах 550-650⁰С с выдержкой 0,5-1,0 час.

Ххххххххххххххххххххххххххххххх

В промышленности используется большое количество легированных и высоколегированных сталей и сплавов, имеющих высокую устойчивость переохлажденного аустенита (характеризуется расстоянием от носа кривой начала распада аустенита по диффузионному или бейнитному механизму до начала координат, т.е. до температурной оси на ТКД или С-образной диаграмме распада). На практике это приводит к получению игольчатых структур при проведении умягчающих режимов термической обработки. Поэтому в качестве подготовительной (умягчающей) обработки для таких сталей используют изотермический отжиг (рис.77).

Рис.77 - График режима изотермического отжига для доэвтектоидной стали

Цель изотермического отжига – умягчение сталей с высокой устойчивостью аустенита к распаду при переохлаждении ниже А_r1 и получение однородной структуры по сечению изделия перед последующей обработкой (механической, деформационной). Это достигается путем получения заданного структурного состояния (Ф+П; П; сорбит; троостит), но в связи с тем, что в процессе подкритической изотермической выдержки температура металла по сечению выравнивается, то превращение аустенита происходит одновременно по всему сечению с получением равномерной структуры.

Обычно металл нагревают выше критической точки А_С3 ( для доэвтектоидных сталей) или А_С1 (для заэвтектоидных), производят выдержку, ускоренно охлаждают до температуры ниже А_С1 на 30-100⁰С и делают изотермическую выдержку с такой длительностью, чтобы она перекрывала время полного распада аустенита согласно изотермической диаграммы конкретной марки стали. Дальнейшее охлаждение металла производят на воздухе. Наиболее хорошие условия проведения изотермического отжига бывают при наличии двух печей, одна для нагрева и выдержки, а другая печь для изотермической выдержки при заданной температуре.

Такой отжиг можно успешно использовать для легированных сталей, у которых аустенит имеет высокую устойчивость к распаду в подкритической области и даже при замедленном охлаждении с печью (при полном отжиге) может распадаться с образованием дисперсного перлита, что обусловливает повышенную твердость и прочность. Может использоваться и для доэвтектоидных сталей. Преимущество изотермического отжига перед полным отжигом состоит также и в сокращении времени операции.

Возможно проведение изотермического отжига с температуры ковочного нагрева (т.е.без затрат на нагрев), при котором металл переохлаждается ниже температуры А_r1 и делается изотермическая выдержка. При таком отжиге происходит снятие напряжений и исключается распад аустенита по бейнитному или мартенситному механизмам, что возможно при обработке легированных сталей. Такая обработка обеспечивает заданное структурное состояние и твердость металла при сокращении длительности процесса.

Хххххххххххххххххххххххххххххх

Для каждой стадии передела металла при изготовлении деталей целесообразно получать оптимальное структурное состояние, обеспечивающее технологичность процесса и требуемое качество изделия. Известно, что около 50% трудоемкости изготовления деталей в массовом машиностроении приходится на операции обработки резанием и холодным деформированием. Поэтому проблема улучшения обрабатываемости металлов и сплавов этими способами имеет большое народно-хозяйственное значение. Обрабатываемость резанием и холодным выдавливанием определяется многими факторами, среди которых определяющим является микроструктура обрабатываемого материала (табл. 3).

Таблица 3 - Сравнительная оценка чистоты обрабатываемой различными видами резания поверхности для сталей с различной структурой (Э.И. Фельдштейн)

Стали	Структура	Вид обработки
Протягивание Развертыание Нарезание резьбы	Нарезание зуба Фасонное точение	Чистовое точение Чистовое фрезерование
Среднеуглеро-дистые	Пластинчатый перлит и феррит	Хорошо или очень хорошо	Хорошо или удовлетворительно	Удовлетворительно или плохо
Зернистый перлит и феррит	Очень плохо или плохо	Плохо или удовлетворительно	Очень хорошо или хорошо
Высокоуглеро-дистые	Пластинчатый перлит	Хорошо или очень хорошо	Удовлетворительно	Удовлетворительно
Зернистый перлит	Плохо или удовлетворительно	Хорошо	Хорошо или очень хорошо

Обработка холодным деформированием также предъявляет высокие требования к микроструктуре стальных заготовок. Микроструктура такого металла должна характеризоваться достаточной для данного вида деформации однородностью, отсутствием химической и особенно физической неоднородности, минимальным количеством неметаллических включений, сферической формой частиц второй фазы. Крайне нежелательны сплошные в виде непрерывной сетки выделения фаз по границам зерен матрицы; видманштеттова структура избыточной фазы.

Решающее значение для холодного деформирования стали имеет сфероидизация карбидной фазы. Для особо сложной объемной штамповки, высадки количество сфероидизированного цементита в доэвтектоидных сталях должно быть не менее 80%, а в эвтектоидной и эаэвтектоидных сталях составлять 100%. Только в этом случае контрольные образцы выдерживают предусмотренные стандартами и техническими условиями испытания на холодную осадку без разрушения до 1/4 первоначальной высоты и имеют относительное сужение не менеє 50% при одноосном растяжении. Поэтому листовой, полосовой и сортовой металлопрокат, предназначенный для изготовления деталей машин методом холодного деформирования (кроме волочения), должен поставляться со сфероидизированной структурой определенного балла, либо его подвергают сфероидизирующей обработке на машиностроительных заводах.

Хорошей штампуемостью обладают стали с Ψ = 50 – 60%. Для объемной холодной штамповки сложных изделий относительное сужение должно быть не ниже 60%, а для особо сложных – не менее 70%. Эффект сфероидизации карбидной фазы и повышения за счет этого относительного сужения и штампуемости стали сказывается тем сильнее, чем выше содержание углерода в стали. Малоуглеродистые стали имеют высокие значения относительного сужения и удовлетворительно штампуются и без сфероидизации перлита из-за небольшой его объемной доли. Однако при сфероидизации перлита и у этих сталей выход годного при штамповке, высадке, выдавливании, чистовой вырубке значимо возрастает. При содержании углерода в стали 0,25% и более относительное сужение 65–70% и хорошая деформируемость обеспечиваются только после сфероидизации перлита.

Глобулярный или зернистый перлит (сорбит- см. рис.64) является именно той оптимальной структурой для металла, подвергаемого последующей холодной деформации. Глобулярный перлит имеет целый ряд особенностей, которые обусловливают целесообразность его получения в металле, используемом в целом ряде технологических процессов. К ним относятся:

-равномерное распределение карбидных частиц близких по форме и размерам в ферритной матрице;

-низкая твердость, высокая пластичность соответственно хорошая штампуемость, вырубка металла с такой структурой;

-хорошая обрабатываемость резанием;

-обеспечивает повышенную стойкость режущего инструмента, которым обрабатывается сфероидизированная сталь;

-минимально возможная удельная поверхность карбидных частиц и медленная их диссоциация при аустенитизации;

-задержка роста зерна аустенита при нагревах, меньшая склонность к перегреву и образованию трещин при закалке, более широкий интервал температур закалки, отсутствие склонности к структурной наследственности за счет восстановлению крупного зерна аустенита при нагреве выше критических точек;

-обеспечение металлу с такой структурой высокого комплекса свойств (прочности - пластичности).

Основными параметрами карбидной фазы глобулярного перлита являются:

-обьемная доля цементита;

-размер отдельных частиц цементита (или средний их размер);

-межкарбидное расстояние;

-удельная поверхность (площадь граничной поверхности раздела фаз, отнесенная к единице обьема сплава)- специалисты предлагают использовать ее в качестве универсального показателя дисперсности двухфазных сплавов..

Образование и рост феррита и цементита в виде пластин при эвтектоидном распаде аустенита (классическая схема с нормальным g®a диффузионным распадом аустенита) обьясняется меньшей работой образования зародыша пластинчатой формы и более быстрым достижением выиграша свободной энергии (по сравнению с глобулярным перлитом). Трансформация пластинчатых карбидов в зернистые при сфероидизирующем отжиге диктуется энергетическим фактором, т.е. необходимостью достижения минимального отношения площади поверхности карбида к его обьему, соответственно к уменьшению поверхностной и свободной энергии.

Целью сфероидизирующей обработки является создание условий для реализации ненормального (абнормального) g®a диффузионного распада аустенита, обеспечивающего получение структуры зернистого перлита (сорбита), т.е. при распаде аустенита происходит образование отдельных структурных составляющих – Ф и Ц (в виде глабулей).

Дата добавления: 2014-10-23