Нормализация

Отжиг

Практика термической обработки стали

Различают следующие виды термообработки: отжиг,
нормализация, закалка и отпуск стали.

Отжиг – это нагрев стали выше температур фазовых превращений, выдержка и последующее медленное охлаждение, обычно с печью. После отжига сталь приближается к фазовому и структурному равновесиям, отображенным на диаграмме Fe–Fe₃C.

Поэтому после любого отжига структура будет та же, что и на диаграмме железо-цементит (см. п. 5.3):

· у доэвтектоидных сталей – перлит и феррит;

· у эвтектоидной стали – перлит;

· у заэвтектоидных сталей – перлит и цементит вторичный.

В зависимости от температуры нагрева отжиг подразделяется на диффузионный, полный, изотермический, рекристаллизационный и неполный.

Диффузионный отжиг (гомогенизация) – это нагрев стали до температуры 1100…1200 ⁰С, выдержка (минимальная – около 16 часов), и последующее медленное охлаждение с печью. Применяется в основном для легированных сталей и крупных фасонных отливок (слитков) из углеродистой стали с целью выровнять химический состав по углероду и легирующим элементам, а, следовательно, и механические свойства по всему объему слитка (чем выше температура, тем выше диффузия). После диффузионного отжига получаем структуру, состоящую из перлита и феррита, но при этом зерна будут крупными, что понижают ударную вязкость, а это нежелательно. Поэтому после диффузионного отжига нужно измельчать зерно.

Способы измельчения зерна. Зерно в стали измельчается при нагреве в момент перехода перлита в аустенит. Скорость же охлаждения на величину зерна не влияет. Поэтому зерно в стали измельчают: 1) полным отжигом; 2) нормализацией; 3) закалкой; 4) пластической деформацией, при которой измельчение зерен происходит механически, путем дробления.

Полный отжиг – это нагрев доэвтектоидной стали выше A_с3 на 30…50 ⁰С (рис. 6.1), выдержка и последующее медленное охлаждение с печью. Выше нагревать нельзя, поскольку в этом случае слишком вырастает зерно аустенита. После такого отжига получается мелкозернистая структура, состоящая из перлита и феррита, с повышенной ударной вязкостью.

Рис. 6.1. Диапазон оптимальных температур нагрева

при различных видах термообработки

Полный отжиг применяется:

· для измельчения зерна и повышения ударной вязкости после диффузионного отжига, литья, сварки, а также после горячей прокатки и ковки (1100…1200 ⁰С);

· для смягчения стали перед обработкой резанием, так как перлит намного мягче мартенсита;

· для снятия внутренних напряжений.

Полный отжиг – это, как правило, подготовительная операция перед окончательной термической обработкой.

Полный отжиг для заэвтектоидной стали, то есть нагрев выше A_cm, не применяют, так как: а) образуется крупное зерно; б) появляется хрупкая сетка вторичного цементита по границам зерен.

Медленное охлаждения в печи при полном отжиге способствует выделению избыточного феррита в виде отдельных скоплений, то есть зерен. Образование таких участков (зерен) феррита нежелательно, так как при последующем нагреве под закалку трудно обеспечить выравнивание концентрации углерода по всему объему аустенита. Это может привести к образованию после закалки участков с пониженной твердостью. Поэтому полному отжигу чаще всего подвергаются прокат, поковки, фасонные отливки, а также слитки легированных сталей для понижения твердости с целью облегчения их прокатки.

Изотермический отжиг – это разновидность полного отжига, применяется в основном для легированных сталей с целью сокращения времени отжига.

И при полном и изотермическом отжиге детали нагревают до температур выше A_c3 на 30…50 ⁰С и дают выдержку – для прогрева деталей и окончания фазовых превращений перлита и феррита в аустените. Если затем проводят полный отжиг, то охлаждения деталей ведут в той же печи. Если проводят изотермический отжиг, то детали из первой печи быстро перебрасывают во вторую печь с температурой, соответствующей изотермической выдержке. При этом получается более твердая структура сорбита или троостита, детали обрабатываются резанием хуже, но есть выигрыш во времени и меньше внутренние напряжения, так как перлитное превращение на поверхности и в сердцевине идет более или менее равномерно, и нет резких концентратов напряжений.

Изотермическому отжигу подвергают прокат, штамповки, заготовки инструмента и другие изделия небольшого размера. Нагрев чаще всего проводится в защитных средах, чтобы избежать окисления и выгорания углерода с поверхности деталей. Если, например, длительность обычного отжига мелкосортного проката быстрорежущей стали составляет около 30 часов, то изотермический отжиг продолжается 8…10 часов.

При отжиге очень крупных изделий или заготовок не удается их быстро и равномерно по объему охладить до температуры изотермической выдержки. В этом случае превращение в отдельных местах деталей протекает при разных температурах, что приводит к неравномерной структуре и твердости.

Рекристаллизационный отжиг – это нагрев холоднодеформированной стали выше температуры рекристаллизации, выдержка при этой температуре и последующее охлаждение. Цель отжига – устранение наклепа и повышение пластичности. Этот вид отжига применяют перед холодной обработкой давлением и как промежуточную операцию для снятия наклепа между операциями холодного деформирования. В некоторых случаях рекристаллизационный отжиг используют и в качестве окончательной термообработки.

Температура рекристаллизационного отжига стали зависит от ее состава. С увеличением содержания углерода и легирующих элементов в стали температура рекристаллизационного отжига повышается. Чаще всего температура такого отжига находится в интервале 650…750 ⁰С (рис. 6.1).

Неполный отжиг – это нагрев доэвтектоидных и заэвтектоидных сталей выше A_с1 на 30…50 ⁰С, выдержка и последующее медленное охлаждение с печенью. Структура после такого отжига такая же, как на диаграмме железо-цементит.

Доэвтектоидные стали. Неполный отжиг применяют для смягчения стали перед обработкой резанием, снятия внутренних напряжений и частичного измельчения зерна (зерно измельчается только за счет перлита, а феррит при этом не принимает участие). Этот отжиг проводят тогда, когда горячая обработка давлением проведена правильно и не привела к резкому укрупнению зерна. Неполный отжиг по сравнению с полным отжигом дешевле, и сталь меньше окисляется.

Заэвтектоидные стали. Неполный отжиг применяют вместо полного отжига для измельчения зерна, так как вторичного цементита очень мало, а в структуре находится в основном перлит. Кроме того, неполный отжиг применяют для получения зернистого перлита, и тогда этот отжиг называют циклическим или отжигом сфероидизацией, так как пластичный цементит в перлите приобретает зернистую форму.

Процесс сфероидизации заключается в следующем. При нагреве от 680…760 ⁰С и выдержке перлит превращается в аустенит в ходе эвтектоидной реакции. При этом феррит очень быстро переходит в аустенит (полиморфное превращение), а цементит затем медленно растворяется в образовавшемся аустените, причем растворение идет преимущественно по углам и ребрам пластинки, где атомам легче всего оторваться.

При охлаждении от 760 ⁰С до 680⁰С и выдержке идет обратный процесс, то есть вновь выпадает цементит, но уже преимущественно по граням пластинки (округление пластинки цементита в перлите). И так повторяют несколько раз. В результате получаем зернистый перлит, то есть на фоне феррита расположены не пластинки, а зерна цементита (рис. 6.2).

Рис. 6.2. Микроструктура заэвтектоидной стали после сфероидизации: на светлом фоне (феррит) – зёрна цементита (Fe₃C)

Сталь с зернистым перлитом имеет более низкую твердость и прочность по сравнению с пластичным перлитом, но зато более высокую ударную вязкость. Кроме того, сталь с зернистым перлитом менее склонна к перегреву (к росту зерна при нагреве), короблению и трещинообразованию при последующей закалке. Для устранения хрупкости сетки вторичного цементита перед неполным отжигом производят нормализацию.

Отжигу на зернистый перлит подвергаются также низко- и среднеуглеродистые стали для повышения пластичности перед холодной штамповкой или волочением.

Нормализация – это нагрев доэвтектоидных сталей выше А_с3, а заэвтектоидных выше А_cm на 50…60 ⁰С (рис. 6.1), выдержка и последующее охлаждение на спокойном воздухе. Нормализация вызывает полную фазовую перекристаллизацию стали и устраняет крупнозернистую структуру, полученную при литье, горячей прокатке, ковке и штамповке. После нормализации структура сильно зависит от толщины стенки изделия. Для изделий средних размеров получаем следующие структуры.

Доэвтектоидные стали – сорбит пластинчатый и избыточный феррит. Причем с увеличением углерода в стали количество избыточного феррита становиться все меньше, а в сталях 0,6% углерода и выше его совсем не будет, то есть получим квазиэвтектоид, и твердость при этом на 10…15% повышается.

Эвтектоидная сталь – сорбит пластинчатый.

Заэвтектоидные стали – сорбит пластинчатый и вторичный цементит. Но этот цементит хрупкую сетку по границам зерен не дает, так как охлаждение по сравнению с отжигом ускоренно, то есть не в печи, а на воздухе.

Нормализация по сравнению с отжигом обеспечивает более высокую твердость и прочность, а, вследствие измельчения зерна, сохраняет достаточную пластичность и вязкость. Поэтому нормализация очень широко применяется в машиностроении как окончательный вид термообработки.

Применение. Для низкоуглеродистых сталей (до 0,3% С) – (у них в структуре много мягкого феррита, а перлита или сорбита очень мало) нормализация применяется вместо полного отжига. Это дешевле и проще, так как охлаждение проходит на воздухе. При этом твердость будет немного выше, но поверхность при обработке резанием будет чище. Для высокоуглеродистых сталей применять нормализацию вместо полного отжига нельзя, так как будет слишком много сорбита и обработка резанием будет затруднена;

Для среднеуглеродистых сталей (0,3…0,5% С) нормализацию применяют вместо улучшения, когда получают структуру сорбит отпуска зернистый с повышенной ударной вязкостью. Улучшение – это дорогой вид обработки, и применяется для ответственных деталей автомобиля, работающих с высокими ударными нагрузками (шатун, коленчатый вал и др.). Если же деталь работает с невысокими ударными нагрузками, то дешевле применять нормализацию (охлаждение на воздухе), но при этом получают сорбит пластинчатый, у которого вязкость ниже.

Для заэвтектоидных сталей нормализация применяется для разрушения хрупкой сетки вторичного цементита перед закалкой и неполным отжигом.

Дата добавления: 2014-12-26