Отжиг II рода (фазовая перекристаллизация)

Отжиг II рода заключается в нагреве стали до темпера­тур выше точек А_С3 или А_cm, выдержке и, как правило, последую­щем медленном охлаждении. В процессе нагрева и охлаждения в этом случае протекают фазовые превращения (g ® a - превращение), определяющие структуру и свойства стали.

После отжига углеродистой стали получаются структуры, указанные на диаграмме состояния Fe – Fe₃C: феррит + перлит в доэвтектоидных сталях; перлит в эвтектоидной стали; перлит и вторичный цементит в заэвтектоидных сталях. После отжига сталь имеет низкую твердость и проч­ность при высокой пластичности. При фазовой перекристалли­зации измельчается зерно, и устраняются видманштеттова струк­тура и строчечность, вызванная ликвацией, и другие неблаго­приятные структуры стали. В большинстве случаев отжиг является подготовительной термической обработкой: от­жигу подвергают отливки, поковки, сортовой и фасонный прокат, трубы, горячекатаные листы и т. д. Понижая прочность и твер­дость, отжиг облегчает обработку, резание средне- и высокоугле­родистой стали. Измельчая зерно, снимая внутренние напряжения и уменьшая структурную неоднородность, отжиг способ­ствует повышению пластичности и вязкости по сравнению со свойствами, полученными после литья, ковки и прокатки. В не­которых случаях (например, для многих крупных отливок) отжиг является окончательной терми­ческой обработкой.

Различают следующие виды отжига: полный, изотермиче­ский и неполный.

Полный отжиг заключается в нагреве доэвтектоидной стали на 30…50 ⁰С выше температу­ры, соответствующей точке А_С3, выдержке при этой температу­ре для полного прогрева и завер­шения фазовых превращений в объеме металла и последующем медленном охлаждении (рис. 85, б, кривая 1).

При нагреве до температуры выше точки А₃ на 30…50 ⁰С об­разуется аустенит, характери­зующийся мелким зерном, поэто­му при охлаждении возникает мелкозернистая структура (рис. 85, а), обеспечивающая высо­кую вязкость и пластичность, и возможность достижения высо­ких свойств после окончатель­ной термической обработки.

Чрезмерное повышение температуры нагрева выше точки А₃ вызывает рост зерна аустенита, что ухудшает свойства стали.

Время нагрева и продолжительность выдержки при заданной температуре зависят от типа нагревательной печи, способа укладки изделий в печь, от высоты садки, типа полуфабри­ката (лист, сортовой прокат и т.д.).

На металлургических заводах скорость нагрева не ограничивают и устанавливают ее максимально возможной по тепловой мощности печи (чаще ~ 100 ⁰С/ч); продолжительность выдержки может колебаться от 0,5 до 1 ч на 1 т нагреваемого металла. Ме­талл загружают в печь непосредственно после выгрузки преды­дущей садки при температуре печи 400…500 ⁰С.

Нагрев металла на металлургических заводах ведут в садочных печах периодиче­ского действия или в проходных печах непрерывного действия с роликовым подом, обеспечивающих равномерный прогрев, возможность проведения всех видов отжига, высокий уровень механизации и автоматизации.

Для защиты металла от окисления и обезуглероживания на металлургических заводах все шире применяются защитные (контролируемые) атмосферы. Защитная атмосфера составляется так, чтобы при химическом равновесии в печи обезуглероживающее и окислительное воздействие O₂, СО₂ и Н₂О на сталь уравно­вешивалось противоположным воздействием СО и СН₄. В этом случае атмосфера выполняет защитные функции.

На металлургических заводах чаще применяют экзотермиче­скую атмосферу ПСО-09, получаемую путем почти полного сжи­гания природного газа (коэффициент избытка воздуха a = 0,9), нередко с добавкой 1…2 % по объему природного газа СН₄. Состав атмосферы: 2 % СО, 2 % Н₂, 96 % N₂.

Медленное охлаждение должно обеспечить распад аустенита при малых степенях переохлаждения (см. рис. 77, б), чтобы из­бежать образования излишне дисперсной ферритно-карбидной структуры и свойственной ей более высокой твердости.

Скорость охлаждения при отжиге зависит от устойчивости переохлажденного аустенита, а, следовательно, от состава стали. Чем больше устойчивость аустенита в области температур пер­литного превращения, тем медленнее должно быть охлаждение.

Поэтому легированные стали, обладающие высокой устойчивостью переохлажденного аустенита, охлаждаются значительно медлен­нее (чаще со скоростью 40…60 ⁰С/ч), чем углеродистые, скорость охлаждения, которых составляет 100…150 ⁰С/ч.

После распада аустенита в перлитной области дальнейшее ох­лаждение можно ускорять и выполнять даже на воздухе.

Если отжиг предназначен и для снятия напряжений, например, в отливках сложной конфигурации, медленное охлаждение с пе­чью проводят почти до комнатной температуры.

Полному отжигу подвергают сортовой прокат из стали с 0,3… 0,4 % С, поковки и фасонные отливки.

а б

Рис. 85. Схема полного отжига (а) и изотермическая диаграмма распада аустенита (б) углеродистой стали:

1 - охлаждение при отжиге; 2 - охлаждение при нормализации

Рис. 86. Схема изотермического отжига стали

Изотермический отжиг (рис. 86, а) состоит обычно в на­греве легированной стали, как и для полного отжига, и в сравни­тельно быстром охлаждении до температуры, лежащей ниже точки А₁ (обычно 660…680 ⁰С). При этой температуре назначают изотермическую выдержку 3 … 6 ч, необходимую для полного распада аустенита, после чего следует охлаждение на воздухе.

Одно преимущество изотермического отжига - в сокращении длительности процесса, особенно для легированных сталей, ко­торые для заданного снижения твердости приходится охлаждать очень медленно. Для наибольшего ускорения процесса темпера­туру изотермической выдержки выбирают близкой к темпера­туре минимальной устойчивости переохлажденного аустенита в перлитной области (рис. 86, б).

Другое преимущество изотер­мического отжига заключается в получении более однородной ферритно-перлитной структуры; при изотермической выдержке температура по сечению изделия выравнивается, и превращение по всему объему стали происходит при одинаковой степени пере­охлаждения. Для некоторого укрупнения зерна и улучшения обработки резанием температуру отжига принимают 930…950 ⁰С. Нагрев нередко осуществляют в проходных печах с контролируе­мой атмосферой.

Изотермическому отжигу чаще подвергают поковки (штамповые заготовки) и сортовой прокат из легированной цементуемой стали небольших размеров.

При отжиге больших садок (20…30 т и более) быстрое и равно­мерное охлаждение до температуры изотермической выдержки невозможно. Превращения в отдельных участках садки проте­кают при разных температурах, что приводит к неравномерной структуре и твердости в пределах одной садки, поэтому для таких садок изотермический отжиг обычно не применяется.

Пружинную (канатную) проволоку из стали, содержащей 0,65…0,9 % С, перед холодным волочением подвергают изотер­мической обработке - патентированию. Для патентирования про­волоку подвергают высокотемпературной аустенитизации для получения однородного аустенита, а затем пропускают через расплавленную соль температурой 450…550 ⁰С. В результате изотермического распада аустенита образуется тонкопластинча­тый троостит или сорбит. Такая структура позволяет при холод­ной протяжке давать большие обжатия (более 75 %) без обрывов и после заключительного холодного волочения получить высокую прочность (s_В = 2000…2250 МПа).

Неполный отжиг отличается от полного тем, что сталь нагре­вают до более низкой температуры (немного выше точки А₁). Неполный отжиг доэвтектоидных сталей применяют для улучше­ния обрабатываемости их резанием. При неполном отжиге проис­ходит частичная перекристаллизация стали - вследствие пере­хода перлита в аустенит. Избыточный феррит лишь частично превращается в аустенит. Такой отжиг конструкционных легиро­ванных сталей проводится при 750…770 ⁰С с последующим ох­лаждением со скоростью 30…60 ⁰С/ч (чем выше легированность стали, тем медленнее охлаждение) до 600 ⁰С, далее на воздухе.

Неполный отжиг широко применяют для заэвтектоидных угле­родистых и легированных сталей. В этих сталях проводят нагрев до температуры лишь немного выше точки A₁ (обычно на 10…30 ⁰С), что вызывает практически полную перекристаллизацию и позво­ляет получить зернистую (сферическую) форму перлита вместо пластинчатой. Такой отжиг называют сфероидизацией. Частицы цементита, не растворившегося при нагреве, или области аустенита с повышенной концентрацией углерода за счет неполной его гомогенизации после растворения цемен­тита служат центрами кристаллизации для цементита, выделяю­щегося при последующем охлаждении до температуры ниже точки А₁ и принимающего в этом случае зернистую форму. В ре­зультате нагрева до температуры значительно выше точки A₁ и растворения большей части цементита и более полной гомогени­зации аустенита последующее выделение его ниже точки A₁ происходит в пластинчатой форме. Если избыточный цементит находился в виде сетки, что является дефектом, то перед этим отжигом предварительно нужно провести нормализа­цию с нагревом до температуры выше точки А_cm для растворения сетки вторичного цементита с последующим охлаждением на воздухе или в воздушной струе для предупреждения выделения цементита по границам аустенита. Нормализацию нередко проводят с прокатного (ковочного) нагрева.

Стали, близкие к эвтектоидному составу, имеют узкий интер­вал температур нагрева (750…760 ⁰С) для отжига на зернистый цементит, для заэвтектоидных углеродистых сталей интервал рас­ширяется до 770…790⁰С. Легированные заэвтектоидные стали для получения зернистых карбидов можно нагревать до более высо­ких температур и в более широком интервале (770…820 ⁰С).

Охлаждение при сфероидизации медленное. Оно должно обес­печить распад аустенита на ферритно-карбидную структуру, сфероидизацию и коагуляцию образовавшихся карбидов при охлаж­дении до 620…680 ⁰С. Чаще применяют изотермический отжиг, требующий меньше времени. В этом случае сталь медленно ох­лаждают (30…50 ⁰С/ч) до 620…680 ⁰С. Выдержка при постоянной температуре, необходимая для распада переохлажденного аусте­нита и коагуляции карбидов, составляет 1…3 ч в зависимости от массы отжигаемого металла. Последующее охлаждение прово­дят на воздухе.

Сталь с зернистым перлитом имеет более низкую твердость, прочность и соответственно более высокие значе­ния относительного удлинения и сужения.

Например, эвтектоидная сталь с пластинчатым перлитом имеет твердость НВ = 2300 МПа, а с зер­нистым перлитом - 1700 МПа и соответственно s_В 820 и 630 МПа, относительное удлинение 15 и 20 %. После отжига на зернистый перлит эвтектоидные и заэвтектоидные стали обладают наилучшей обрабатываемостью резанием, т. е. возможно применение больших скоростей резания и достигается высокая чистота поверхности.

Отжигу на зернистый перлит подвергают также тонкие листы и прутки из низко- и среднеуглеродистой стали перед холодной штамповкой или волочением для повышения пластичности.

Отжиг нормализационный (нормализация) заключается в на­греве доэвтектоидной стали до температуры, превышающей точку А_С3 на 40…50 ⁰С, заэвтектоидной стали до температуры выше точки А_ст также на 40…50 ⁰С, непродолжительной вы­держки для прогрева садки и завершения фазовых превращений и охлаждения на воздухе. Нормализация вызывает полную фазовую перекристаллизацию стали и устраняет крупнозернистую струк­туру, полученную при литье при прокатке, ковке или штамповке. Нормализацию широко применяют для улучшения свойств сталь­ных отливок вместо закалки и отпуска.

Ускоренное охлаждение на воздухе (см. рис. 85, б, кривая 2) приводит к распаду аустенита при более низких температурах, что повышает дисперсность ферритно-цементитной структуры и увеличивает количество перлита или, точнее, сорбита или троостита. Это повышает прочность и твердость нормализованной средне- и высокоуглеродистой стали по сравнению с отожженной. Нормализация горячекатаной стали повышает ее сопротивление хрупкому разрушению, что характеризуется снижением порога хладноломкости и повышением работы развития трещины. Назначение нормализации различно в зависимости от состава стали. Для низкоуглеродистых сталей нормализацию применяют вместо отжига. При повышении твердости нормализация обеспечивает большую производительность при обработке резанием и получение более чистой поверхности. Для отливок из среднеуглеродистой стали нормализацию с высоким отпуском применяют вместо закалки и высокого отпуска. В этом случае механические свойства несколько ниже, но детали будут подвергнуты меньшей деформации по сравнению с получаемой при закалке, и вероят­ность появления трещин практически исключается.

Нормализацию с последующим высоким отпуском (600…650 ⁰С) часто используют для исправления структуры легированных ста­лей вместо полного отжига, так как производительность и трудоем­кость этих двух операций выше, чем одного отжига.

Нагрев под нормализацию сортового горячекатаного проката (диаметром 13…15 мм) из конструкционной легированной стали нередко проводится на специальных установках током высокой частоты.

Дата добавления: 2014-01-05