Отжиг первого и второго рода. Нормализация

После литья, проката, ковки и других видов обработ­ки происходит неравномерное охлаждение заготовок. Результатом является неоднородность структуры и свойств в различных местах заготовок, а также появление внутренних напряжений. Кроме того, отливки при затверде­вании получаются неоднородными по химическому со­ставу. Для устранения таких дефек­тов производят термообработку, к которой относятся отжиг и нормализация.

Отжиг заключается в нагреве заготовок или изделий до определенной температуры, выдержке их при данной температуре с последующим медленным охлаждением (со скоростью около 100-200⁰С в час для углеродистых сталей и 30-100⁰С в час для легированных сталей). При этом заготовки или изделия получают устойчивую струк­туру без остаточных напряжений. Цели отжига – снятие внутренних напряжений, устранение структурной и хими­ческой неоднородности, снижение твердости и улучшение обрабатываемости, подготовка к последующей операции термообработки. Отжиг бывает полный, неполный, диффузионный, рекристаллизационный, низкий, изотер­мический и нормализационный. По приведенной выше классификациидиффузионный, рекристаллизационный и низкий виды отжига относятся к отжигу первого рода, а остальные виды – к отжигу второго рода. Температуры нагрева стали отжига второго рода связаны с положением линий диаграммы Fe-Fe₃C (критических точек). Низкая скорость охлаждения обычно достигается при остывании стали вместе с печью.

Полный отжиг применяется для доэвтектоидных ста­лей. Осуществляется нагревом стали на 30-50°С выше точки А_с3 (рисунок 22). При этом происходит полная перекристаллизация стали и уменьшение величи­ны зерна. Исходная структура из крупных зерен ферри­та и перлита при нагреве превращается в аустенитную, а затем при медленном охлаждении в структуру из мелких зерен феррита и перлита. Повышение температуры нагре­ва привело бы к росту зерна. При полном отжиге снижа­ется твердость и прочность стали, а пластичность повы­шается.

При неполном отжиге нагрев производится выше точ­ки А_с1, но ниже А_с3 (рисунок 22). Он производится, если ис­ходная структура не очень крупнозерниста или не надо изменить расположение ферритной (в доэвтектоидных сталях) или цементитной (в заэвтектоидных сталях) со­ставляющей. При этом происходит лишь частичная пе­рекристаллизация – только перлитной составляющей стали. Для доэвтектоидных сталей неполный отжиг при­меняют ограниченно, лишь для улучшения обрабатывае­мости резанием.

Для заэвтектоидных сталей неполный отжиг применя­ется для получения зернистой формы перлита вместо пластинчатой. В этом случае его часто называют отжигом на зернистый перлит или сфероидизацией. Такой отжиг осуществляют маятниковым способом (температуру не­сколько раз изменяют вблизи точки А_с1, то перегревая выше нее на 30-50 °С, то охлаждая ниже на 30-50 °С) или путем длительной выдержки (5-6 часов) при температу­ре на 10-30 °С выше точки А_с1 и последующего медленно­го охлаждения. После такого отжига цементит, обычно присутствующий в структуре в виде пластин, приобрета­ет зернистую форму. Сталь со структурой зернистого перлита обладает большей пластичностью, меньшей твердостью и прочностью по сравнению с пластинча­тым перлитом. Отжиг на зернистый перлит применя­ется для подготовки сталей к закалке или для улучше­ния их обрабатываемости резанием.

Диффузионный отжиг (гомогенизация) заключает­ся в нагреве стали до 1000-1100 °С, выдержке (10-15 часов) при этой температуре и последующем медлен­ном охлаждении (рисунок 22). В результате диффузионно­го отжига происходит выравнивание неоднородности стали по химическому составу. Столь высокая темпе­ратура необходима для ускорения диффузионных про­цессов. Благодаря высокой температуре нагрева и про­должительной выдержке получается крупнозернистая структура, которая может быть устранена последую­щим полным отжигом.

Содержание углерода, %

Рисунок 22.Область температур нагрева для различных видов отжига:

I – диффузионный отжиг; II – неполный отжиг; III – полный отжиг; IV – низкий отжиг; V – нормализационный отжиг

Рекристаллизационный отжиг предназначен для сня­тия наклепа и внутренних напряжений после холодной деформации и подготовки структуры к дальнейшему де­формированию. Нагрев необходимо осуществлять выше температуры рекристаллизации, которая для железа со­ставляет 450 °С.Обычно для повышения скорости рекристаллизационных процессов применяют значительно более высокие температуры, которые, одна­ко, должны быть ниже критической точки а_с1. Поэтому температура нагрева для рекристаллизационного отжи­га стали составляет 650-700 °С. В результате рекристаллизационного отжига образуется однородная мелкозернистая структура с небольшой твердостью и значитель­ной вязкостью.

Низкий отжиг применяется в тех случаях, когда струк­тура стали удовлетворительна и необходимо только снять внутренние напряжения, возникающие при кри­сталлизации или после механической обработки. В этом случае сталь нагревают значительно ниже точки A_С1 (200 - 600 °С).

Изотермический отжиг заключается в нагреве стали на 30-50 °С выше точки А_с3 (как при полном отжиге, рисунок 22), относительно быстром охлаждении до температуры не­сколько ниже точке А_С1, (приблизительно 660- 680 °С), изо­термической выдержке при этой температуре для получе­ния равновесной перлитной структуры и последующем охлаждении на воздухе. Изотермический отжиг сокраща­ет продолжительность перекристаллизации, что особенно важно для легированных сталей, которые требуют очень медленного охлаждения при полном отжиге. Помимо этого при изотермическом отжиге получается более однородная структура стали. Изотермическая выдержка производит­ся в расплаве соли.

Нормализационный отжиг состоит из нагрева стали на 30-50 °С выше точки А_С3 для доэвтектоидных и А_С1 для заэвтектоидных сталей (рисунок 22), выдержки при этой температуре и последующего охлаждения на воздухе. Более быстрое охлаждение по сравнению с обычным отжигом приводит к более мелкозернистой структуре.

Нормализация – бо­лее дешевая термическая операция, чем отжиг, так как печи используют только для нагрева и выдержки. Для низкоуглеродистых сталей (до 0,3% С) разница в свой­ствах между нормализованным и отожженным состоя­нием практически отсутствует и эти стали лучше под­вергать нормализации. При большем содержании углеро­да нормализованная сталь обладает большей твердостью и меньшей вязкостью, чем отожженная. Иногда нормали­зацию считают самостоятельной разновидностью терми­ческой обработки, а не видом отжига.

Закалка стали

Закалка заключается в нагреве стали до температур, превышающих температуру фазовых превращений, вы­держке при этой температуре и последующем быстром охлаждении. Цель закалки – повышение твердости и проч­ности стали. При этом снижается вязкость и пластичность.

Обычно в результате закалки образуется мартенситная структура. Поэтому охлаждать сталь следует с определенной скоростью, чтобы кривая охлаждения не пересекала С-образные кривые диаграммы изотермического превраще­ния аустенита. Наименьшая скорость закалки, при которой образуется мартенсит, называется критичес­кой скоростью закалки. Для достижения высокой скоро­сти охлаждения закаливаемые детали из углеродистой стали погружают в воду. Легированные стали охлажда­ют в минеральном масле, так как у них критическая ско­рость закалки значительно ниже.

Выбор температуры закалки.Температура нагрева при закалке стали зависит от ее химического состава. В доэвтектоидных сталях, нагрев производится на 30-50 °С выше точек А_с3 (рисунок 23). При этом образуется аустенит, который при последующем охлаждении со скоростью выше крити­ческой, превращается в мартенсит. Такую закалку называ­ют полной. При нагреве доэвтектоидной стали до темпера­туры в интервале А_С3 - A_С1 в структуре мартенсита сохраня­ется часть оставшегося при закалке феррита, снижающего твердость закаленной стали. Такую закалку называют неполной. Для закалки заэвтектоидной стали наилучшей температурой является нагрев на 30-50 °С выше А_С1 , т.е. неполная закалка (рисунок 23). В этом случае в стали сохра­няется цементит и при нагреве, и при охлаждении, а это способствует повышению твердости, так как твердость це­ментита больше, чем твердость мартенсита. Нагрев заэв­тектоидной стали до температуры выше точек А_С3 (полная закалка) является излишним, так как твердость при этом меньше, чем при закалке выше А_С1. Кроме того, при охлаж­дении после нагрева до более высоких температур могут воз­никнуть большие внутренние напряжения.

Массовое содержание углерода, %

Рисунок 23. Температурный интервал закалки и отпуска стали:

I – полная закалка; II – неполная закалка; III – высокий отпуск.

Закаливаемость и прокаливаемость стали.Способ­ность стали закаливаться на мартенсит называется зака­ливаемостью. Она характеризуется значением твердости, приобретаемой сталью после закалки, и зависит от содержания углерода. Стали с низким содержанием углерода (до 0,3 %) практически не закаливаются и закалка для них не применяется.

Прокаливаемостью называется глубина проникновения закаленной зоны. При сквозной прокаливаемости все сече­ние закаливаемой детали приобретает однородную мартенситную струк­туру. При малой прокаливаемости закаливается только поверхностный слой определенной толщины, а сердцевина остается мягкой и непрочной. Отсутствие сквозной прока­ливаемости объясняется тем, что при охлаждении сердце­вина остывает медленнее, чем поверхность. Прокалива­емость характеризует критический диаметр d_k , т.е. мак­симальный диаметр детали цилиндрического сечения, которая прокаливается насквозь в данном охладителе. Про­каливаемость зависит от химического состава стали. С по­вышением содержания углерода прокаливаемость увеличи­вается. Легированные стали характеризуются значительно более высокой прокаливаемостью, чем углеродистые. На прокаливаемость также влияет скорость охлаждения. По­вышение скорости охлаждения приводит к увеличению прокаливаемости. Поэтому при закалке в воде прокаливаемость значительно выше, чем при закалке в масле. Повы­шение размеров закаливаемой детали приводит к значи­тельному уменьшению прокаливаемости.

Способы охлаждения.Идеальное охлаждение при закалке должно характеризоваться следующими особен­ностями. Для получения структуры мартенсита следует переохладить аустенит путем быстрого охлаждения стали в интервале температур наименьшей его устойчиво­сти, т. е. при температуре 500-650 ⁰С. В зоне температур мартенситного превращения (ниже 240 °С) выгоднее при­менять замедленное охлаждение, так как образующиеся структурные напряжения, связанные с получением новой кристаллической решетки, могут успеть выровняться, а твердость мартенсита не снизится.

По способу охлаждения различают виды закалки: в одной среде, в двух средах (прерывистая), ступенчатая и изотермическая.

Закалка в одной средепроще и применя­ется чаще для изделий несложной формы. Недостаток закалки в одной среде – возникновение значительных внутренних напряжений.

При прерывистойзакалке изде­лие охлаждают, сначала в одной среде (например, в воде до 300-400°С), а затем в масле или на воздухе. При этом внутренние напряжения меньше, но возникают затрудне­ния при определении времени выдержки в первом охла­дителе. Ступенчатуюзакалку производят путем быстро­го охлаждения в соляной ванне, температура которой немного выше 240-250°С (соответствующей началу мар­тенситного превращения), затем дают выдержку при дан­ной температуре и окончательно охлаждают на воздухе. Короткая остановка при охлаждении способствует вы­равниванию температуры по всему сечению детали, что уменьшает напряжения, возникающие в процессе закал­ки. Ступенчатую закалку применяют для деталей из углеродистой стали небольшого сечения (8-10 мм). Для сталей, имеющих небольшую критическую скорость за­калки, ступенчатая закалка применяется в основном для изделий большого сечения.

При изотермическойзакалке, как и при ступенчатой, детали переохлаждают в среде, нагретой выше темпера­туры начала мартенситного превращения, однако вы­держка при этой температуре продолжительная – до пол­ного распада аустенита. Получается структура не мар­тенсита, а близкого по твердости, но более пластичного бейнита. Дальнейшее охлаждение производят на возду­хе. Преимущества изотермической закалки заключают­ся в большей вязкости, отсутствии трещин, минимальном короблении. Изотермическую закалку применяют для изделий сложной формы.

Важно не только правильно подобрать способ охлаж­дения, но применять правильные способы погружения деталей в охлаждающую среду. Например длинные изде­лия вытянутой формы (сверла, метчики) нужно погру­жать в строго вертикальном положении, чтобы избежать коробления.

Отпуск стали

Отпуск стали- это вид термической обработки, следу­ющий за закалкой и заключающийся в нагреве стали до определенной температуры (ниже точки А_С1,), выдержке и охлаждении. Цель отпуска – получение более равновес­ной по сравнению с мартенситом структуры, снятие внут­ренних напряжений, повышение вязкости и пластичности. Основной процесс происходящий при отпуске – распад мартенсита, т.е. выделение углерода из пересыщенного твердого раствора в виде карбида железа. Кроме этого при отпуске происходит распад остаточного аустенита. Разли­чают низкий, средний и высокий отпуск.

Низкий отпуск проводится при температуре 150-200 °С. В результате снимаются внутренние напряжения, происходит некоторое увеличение пластичности и вязко­сти без заметного снижения твердости и износостой­кости. Образуется структура мартенсит отпуска. Мартен­сит отпуска отличается от мартенсита закалки наличием мелкодисперсных частиц карбидов и меньшей степенью тетрагональности кристаллической решетки. Низкому отпуску подвергают режущий и мерительный инструмент, а также детали, которые долж­ны обладать высокой твердостью и износостойкостью.

При среднем отпуске производится нагрев до 350-450 °С. При этом происходит некоторое снижение твердо­сти при значительном увеличении предела упругости и улучшении сопротивляемости действию ударных нагрузок. Структура стали представляет собой тростит отпус­ка, который имеет зернистое, а не пластинчатое строение. Применяется для пружин, рессор, ударного инструмента.

Высокий отпуск проводится при 550-650 ⁰С. В резуль­тате твердость и прочность снижаются значительно, но сильно возрастают вязкость и пластичность и получает­ся оптимальное для конструкционных сталей сочетание механических свойств. Структура стали - сорбит отпус­ка с зернистым строением цементита. Применяется для деталей, подвергающихся действию высоких нагрузок. Термическая обработка, состоящая из закалки и высоко­го отпуска, называется улучшением.Она является основ­ным видом обработки конструкционных сталей.

Продолжительность выдержки при отпуске зависит, прежде всего, от размеров деталей: чем они больше, тем длительнее выдержка. Низкий отпуск инструментов обычно происходит в течение 0,5-2,5 ч. Для измеритель­ных инструментов назначают более длительный отпуск (до 10-15ч). Длительность высокого отпуска составля­ет от 1-2 ч для деталей небольшого сечения до 6-8 ч для крупных деталей (например, дисков и роторов турбин).

Обработка холодом

Сущность этого метода заключа­ется в дополнительном, более полном превращении ос­таточного аустенита закаленной стали в мартенсит. Ос­таточный аустенит снижает твердость, приводит к изме­нению размеров деталей в процессе эксплуатации.

Обработка холодом состоит в том, что закаливаемые де­тали на некоторое время погружают в среду, имеющую тем­пературу ниже 0°С. Наиболее часто применяемая темпе­ратура -80⁰С, охлаждением при такой температуре до­биваются полного или почти полного мартенситного превращения. Производить обработку холодом нужно сразу же после закалки. Такой обработке подвергают измерительный инструмент, части точных механизмов, детали шарикопод­шипников и т. п. Обработка холодом не уменьшает внутрен­них напряжений, поэтому после нее необходим отпуск.

При обработке деталей холодом следует учитывать свойства стали и способность остаточного аустенита при комнатных температурах стабилизироваться. Поэтому, например, для среднеуглеродистых конструкционных сталей, разрыв между закалкой и обработкой холодом регламентируется во времени. Для некоторых сталей, не особенно склонных к стабилизации остаточного аустени­та, выдержку во времени между закалкой и обработкой холодом можно увеличить до 3 ч.

Выводы по лекции

Термической обработкой называется совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения твердых металлических сплавов с целью получения заданных свойств за счет изменения внутреннего строения и структуры.

Цель термообработки - придание сплавам таких свойств, которые требуются в процессе эксплуатации изделий. В результате термообработки получают лучшее сочетание механических свойств и хорошие физико-химические показатели. Иногда термообработка является промежуточной операцией, снижающей твердость стали и улучшающей ее обрабатываемость резанием. Упрочнению термообработкой подвергаются до 8-10 % общей выплавки стали в стране, а в машиностроении - 40 % .