Отжиг и нормализация сталей.

Отжиг.

Отжиг - это первичная операция термической обработки, при которой стали нагревают до определенных температур, выдерживают при этих температурах и затем медленно охлаждают вместе с печью.

Цель и назначение отжига так же разнообразны, как и выполнение. Отжиг применяют для снятия внутренних напряжений, повышения механических свойств металла, улучшения обрабатываемости режущим инструментом, снижения твердости и для подготовки структуры к дальнейшей термической обработке.

В зависимости от температуры нагрева и назначения различают следующие виды отжига: полный, неполный, отжиг на зернистый перлит, изотермический, диффузионный и т. д.

Полный отжиг.

Полный отжиг осуществляется главным образом после горячей механической обработки и литья углеродистых и легированных сталей. Основной целью полного отжига кованых и литых деталей является измельчение зерна, смягчение металла для улучшения его обработки режущим инструментом и устранение вну­ренних напряжений. Это достигается нагревом, не превышающим 20-40°С верхней критической точки А_Сз, и медленным охлаждением.

Температуру нагрева для деталей, изготовленных из углеродистых сталей, определяют по диаграмме состояния, а для легированных сталей - по положению их критической точки А_Сз, имеющейся в справочных таблицах.

Время выдержки при температуре отжига обычно складывается из времени, необходимого для полного прогрева всей массы деталей, и времени, нужного для окончания структурных превращений. После отжига сталь медленно охлаждают вместе с печью. Детали, изготовленные из углеродистой стали, охлаждают со скоростью 180-200°С в час, из низколегированных сталей - со скоростью 90-100°С в час, из высоколегированных - со скоростью примерно 50°С в час. Высоколегированные стали целесообразнее подвергать изотермическому отжигу.

В результате полного отжига деталей, изготовленных из доэвтектоидной углеродистой стали, получается пластинчатый перлит, а зерна феррита располагаются в виде разорванной сетки.

Структура фасонных литых деталей, изготовленных из стали с содержанием углерода от 0,15 до 0,45%, обычно неоднородна, т. е. состоит из очень крупных и мелких зерен, а механические свойства такой стали неудовлетворительны. Поэтому для повышения механических свойств, измельчения зерна и снятия внутренних напряжений литые детали нужно обязательно подвергать полному отжигу.

Неполный отжиг. Если до отжига структура стали была удовлетворительная, но сталь обладает повышенной твердостью и в деталях имеются внутренние напряжения, то целесообразнее применять неполный отжиг. Детали при таком отжиге нагревают при температуре, немного превышающей точку A_Cl. Неполный отжиг изменяет структуру перлита, однако, структура феррита может оставаться неизменной. Внутренние напряжения снимаются полностью, и сталь получает пониженную твердость и хорошо обрабатывается механически.

Отжиг на зернистый перлит (сфероидизация). Заэвтектоидные высокоуглеродистые инструментальные стали со структурой пластинчатого перлита имеют плохую обрабатываемость режущим инструментом. Поэтому заэвтектоидные углеродистые и легированные стали подвергают отжигу только на зернистый перлит.

Получение зернистого перлита достигается специальным видом отжига, близким по своему режиму к неполному отжигу. Сталь нагревают немного выше A_Cl с последующим охлаждением сначала до 700°С, затем до 550-600°С и далее на воздухе. Особенно важным для получения зернистого перлита является точное соблюдение температурного режима, так как при очень медленном охлаждении зернистый перлит получается с крупными зернами, а часто с отдельными пластинками перлита, а при более быстром охлаждении образуется мелкозернистый (точечный) перлит. Поэтому для получения зернистого перлита целесообразно применять циклический или маятниковый отжиг. При таком отжиге сталь нагревают до 760-780°С, после небольшой выдержки охлаждают имеете с печью до 680 - 700°С и затем снова повторяют весьцикл несколько раз.

Изотермический отжиг. Этот вид отжига заключаетсяв нагреве стали на 30-50°С выше точки А_с3, охлаждении дотемпературы несколько ниже точки А_r1, изотермической выдержке при этой температуре для полного превращения аустенита и последующем охлаждении на воздухе. Изотермический отжиг позволяет сокращать продолжительность циклов, используемых при обычном отжиге высоколегированной стали, с 15-30 до 4-7 час. и дает однородную структуру. Такой отжиг особенно необходим для высокохромистых сталей с устойчивым аустенитом.

Диффузионный отжиг (гомогенизация). Он производится для устранения или уменьшения химической неоднородности, получаемой при затвердевании стальных слитков (дендритная ликвация). Выравнивание химического состава стали и уничтожение дендритной ликвации осуществляется путем диффузии (перемещения) атомов примесей из мест с высокой концентрацией в места с низкой концентрацией. Для обеспечения хороших условий диффузии атомов диффузионный отжиг стали, проводят при высоких температурах (1100-1200°С), с длительной выдержкой (от 10 до 15 час.) и медленным охлаждением.

Длительная выдержка при высокой температуре приводит к укрупнению зерен. Для измельчения зерен после диффузионного отжига часто применяют обыкновенный отжиг. Такому отжигу подвергают слитки хромоникелевых, марганцовистых и других высококачественных сталей.

Рекристаллизационный (разупрочняющий) отжиг. При деформации стали вхолодном состоянии происходит ее наклеп. Зерна феррита и перлита вытягиваются по направлению деформации. Вследствие этого наклепа искажается кристаллическая решетка, сталь становится более жесткой, твердой и пластичность ее резко падает. Для восстановления пластичности и устранения наклепа деформированную сталь (обычно листовую) подвергают рекристаллизационному отжигу. Отжиг обычно производят при температуре 650-680°С, в результате чего вместо старых вытянутых зерен в исходной структуре образуются новые, равноосные зерна и сталь становится мягкой и вязкой.

Для сохранения чистой и блестящей поверхности холоднокатаных стальных листов и ленты рекристаллизационный отжиг производят в печах с нейтральной (не окисляющей) атмосферой.

Нормализация. Термическую операцию, при которой сталь нагревают до температуры 30-50°С выше верхних критических точек А_Сз и А_ст, выдерживают при этой температуре и затем охлаждают на спокойном воздухе, называют нормализацией.

Нормализацией устраняют внутренние напряжения и наклеп, повышают механические свойства и подготовляют структуру стали для окончательной термической обработки.

При нормализации превращение аустенита происходит с большей степенью переохлаждения, чем при отжиге, поэтому перлит имеет более тонкую структуру. В результате нормализации сталь получает нормальную, однородную мелкозернистую структуру. При нормализации среднеуглеродистых и малолегированных сталей образуется структура сорбитообразного перлита или сорбита и свободного феррита. При этом прочность и ударная вязкость нормализованной стали значительно выше, чем отожженной. Например, у хромистой стали 40Х после отжига σ_ь = 65,5 кгс/мм², δ = 21%, а _к=5,6 кгсм/см², а после нормализации σ_ь =75,4 кгс/мм²; δ = 20,9%; а_к = 7,8 кгсм/см². Нормализация стали по сравнению с отжигом является более коротким процессом термической обработки, а следовательно, и более производительным. Поэтому углеродистые стали целесообразнее нормализовать, а не отжигать.

Закалка и отпуск сталей.

Для того, чтобы повысить механические свойства стали, производится ее закалка с последующим отпуском. Термообработка (закалка) заключается в том, что сталь нагревают до определенной температуры, благодаря чему изменяется структура металла. Это позволяет повысить прочность, износостойкость и хладоломкость (то есть, способность металла не ломаться и не трескаться при холодной обработке).
Скорость и температура нагрева, а также время выдержки при данной температуре и скорость охлаждения, определяют режимы выполнения работы. После завершения данного процесса конструкционные стали становятся более прочными, а инструментальные – твердыми и износостойкими. Закаленная сталь становится по своей структуре мартенситом.
В зависимости от химического состава выбирается температура нагрева для закаливания. Доэвтектоидные разновидности нагревают до температуры выше точки АС3 на 30-50 градусов и позволяют получать материал однородного аустенита, который охлаждают со скоростью, превышающей скорость закалки. В результате этого сталь превращается в мартенсит, а закалка носит название «полной». Если доэвтектоидную сталь нагревать до критической температуры АС1 – АС3, то мартенсит может сохранить в своей структуре феррит, который снизит ее твердость.
Заэвтектоидная разновидность нагревается выше АС1 на 20-300 С, это называется «неполной закалкой». Цементит сохраняется в процессе нагрева и охлаждения, что способствует повышению твердости (цементит тверже мартенсита).
После нагрева состав требуется быстро охладить при температуре 650-550 С (при данной температуре аустенит менее устойчив), чтобы получить структуру мартенсита. В том случае, когда аустенит превращается в мартенсит при температуре ниже 240 С, применяется замедленное превращение, при котором внутренне напряжение выравнивается, а твердость мартенсита сохраняется. Для того чтобы термообработка прошла успешно, необходимо правильно подобрать закаливающую среду.
Чаще всего закалка стали проводится в воде, 5-10 % растворе едкого натра, масле или же поваренной соли. Углеродистые стали закаливают в воде с температурой 180 С, а легированные – в минеральном масле.
Способы закалки бывают следующие:
• Закалка в одной среде (охладителе). При этом способе нагретую до определенной температуры заготовку помещают в закалочную среду, где она находится до полного охлаждения. Этот способ применяют для простых деталей из углеродистой и легированной сталей;
• Закалка в 2-х средах (прерывистая). Детали быстро охлаждают в воде, а затем медленно в масле. Применяют для высокоуглеродистых сталей;
• Закалка струйчатая. Определенная часть детали интенсивно обрызгивается струей воды. Она производится на установках ТВЧ и в индукторах;
• Закалка ступенчатая. Закалка производится в среде, температура которой выше, чем мартенситная точка данного типа материала. Деталь, охлаждаемая и выдерживаемая в закаливающей среде, приобретает одинаковую температуру во всех точках сечения. Далее деталь медленно охлаждается и происходит процесс превращения аустенита в мартенсит;
• Закалка изотермическая. При таком способе деталь выдерживается в закаливающей среде время, при котором происходит изотермическое превращение аустенита в мартенсит, чем и отличается от ступенчатой закалки.
После того, как материал подвергли закаливанию, производится его отпуск. Отпуском стали называется техпроцесс, при котором закаленный на мартенсит металл подвергается мартенситному распаду или рекристаллизации. Отпуск производится с целью придания стали высокой пластичности и снижения хрупкости с сохранением прочности. Он заключается в нагреве детали до температуры от 150-260 до 370-650 С, после чего производится медленное остывание.
Он может быть следующих видов:
• низкотемпературный, проводимый до 250 С для деталей из низколегированных и углеродистых сталей. Все металлорежущие и измерительные инструменты подвергаются низкотемпературному отпуску;
• среднетемпературный, проводится при температуре 350-500 С. Его проводят для пружин, штампов и рессор. После отпуска детали охлаждают в воде. Такой способ значительно увеличивает срок службы пружин;
• высокотемпературный. Он проводится при температурах в 500-680 С и дает возможность для сохранения высокой прочности, вязкости, а также пластичности. Применяется для валов и зубчатых колес.