Отжиг и нормализация

Отжиг. Назначение и технология. Этот вид термообработки относится к предварительным операциям, производится отжиг в основном заготовкам (отливкам и поковкам). В зависимости от того, какой основной процесс лежит в основе достижения поставленной цели отжига, различают два его вида: отжиг I рода и отжиг II рода. Первый вид – это отжиг, при котором поставленные цели достигаются без фазовых переходов. К этому виду относят гомогенизацию, рекристаллизационный и релаксационный отжиги.

К отжигу II рода относят технологии, когда цель достигается за счет фазовых переходов.

Отжиг I рода. Гомогенизация, или диффузионный отжиг. Применяется для выравнивания химического состава (устранения ликвации). Гомогенизации в основном подвергают слитки из высоколегированных сталей, либо отливки из таких же сталей.

Технология: нагрев до 1100…1200 ⁰С со скоростью 70...80 ⁰С/ч, выдержка при этой температуре – 8...10 ч с последующим медленным охлаждением (вместе с печью) со скоростью 30...40 ⁰С/ч. Общая продолжительность такого отжига – до 50…60 часов.

Рекристаллизационный отжиг применяют для устранения наклепа, вызванного предшествующей холодной пластической деформацией. Технология: нагрев стали со скоростью 70...80 ⁰С/ч до температуры 650...680 ⁰С. Продолжительность выдержки 4...6 часов, охлаждение – вместе с печью. Такому отжигу подвергают электротехнические, нержавеющие стали, а также листовую сталь, предназначенную для холодной штамповки.

Релаксационный отжиг применяется для снятия остаточных напряжений. Этот вид отжига применяют для отливок (после нормализации), сварных изделий, деталей после обработки резанием и т.п., в которых в процессе предыдущих операций из-за неравномерного охлаждения, неоднородной пластической деформации и т.п. возникли остаточные напряжения.

Технология: температура нагрева 570...600⁰С, выдержка 2...3 часа, охлаждение вместе с печью со скоростью 30…40 ⁰С/ч. Отжиг для снятия сварочных напряжений производят при 650...700 ⁰С.

Отжиг II рода (фазовая перекристаллизация). Цели отжига II рода:

– понижение твердости и улучшение обрабатываемости резанием;

– измельчениезерна;

– ослабление химической неоднородности;

– снятие внутренних напряжений.

Этот отжиг является подготовительной операцией для последующей обработки резанием и окончательной термообработки. Отжигу II рода подвергают отливки, поковки, прокат.

Различают следующие виды отжига II рода: полный, неполный, изотермический, сфероидизирующий и низкий.

Полный отжиг. Заключается в нагреве доэвтектоидной стали на 30...50 ⁰С выше точки Ас₃, выдержке с последующим медленным охлаждением (вместе с печью). Скорость нагрева 70...80 ⁰С/ч, время выдержки 4...6 ч, охлаждение со скоростью 40...50 ⁰С/ч. При таком охлаждении распад аустенита происходит в верхнем перлитном диапазоне температур, и образуется мелкодисперсная феррито-перлитная структура.

Полному отжигу подвергают стальные отливки, поковки ответственного назначения.

Неполный отжиг отличается только температурой нагрева и применяется для неответственных поковок с целью экономии топлива. Температура нагрева выше А_с1, но ниже А_с3.

Изотермический отжиг применяется, в основном, для легированных сталей с высокой устойчивостью переохлажденного аустенита.

Технология: нагрев до температуры Ас₃+(50…70 ⁰С), сравнительно быстрое охлаждение (путем переноса заготовки в другую печь) до температуры, лежащей ниже А₁ на 100...150 ⁰С, в зависимости от характера кривой изотермического распада аустенита. При этой температуре назначается выдержка до полного распада аустенита, после чего следует охлаждение на воздухе. Основное преимущество этого отжига – сокращение продолжительности процесса, особенно для легированных сталей, которые необходимо очень медленно охлаждать для снижения их твердости (например, быстродействующие стали).

Сфероидизируюший отжиг применяется для получения зернистой формы избыточных карбидов, в основном для инструментальных сталей. Температура нагрева должна быть выше Ас₁, но ниже А_cm, с таким расчетом, чтобы в структуре аустенита сохранились мелкие частицы карбидов, которые при охлаждении играют роль центров кристаллизации с образованием зернистых частиц.

Технология сфероидизирующего отжига: стали, близкие к эвтектоидному составу, нагревают до 750...760 ⁰С, заэвтектоидные – до 770...790 ⁰С. Легированные заэвтектоидные стали нагревают до 780...820 ⁰С. Охлаждение медленное (30...50 ⁰С/ч) до 620...680 ⁰С и выдержка в течение 3...5 часов. Последующее охлаждение – на воздухе.

Низкий отжиг применяется, если после горячей обработки давлением (прокатки, ковки) охлаждение было ускоренным, в результате чего сталь приобрела структуру троостита, бейнита или даже мартенсита и, как следствие, высокую твердость. Для снижения твердости на металлургических заводах сортовой прокат подвергают нагреву до температуры 650...680 ⁰С. В результате происходят процессы распада мартенсита или бейнита, коагуляция карбидов в троостите, и в итоге снижается твердость.

Нормализация.Это операция термообработки, состоящая в нагреве доэвтектоидной стали на 40...50 ⁰С выше Ас₃ или заэвтектоидной стали выше А_cm, выдержке для завершения фазовых превращений с последующим охлаждением на спокойном воздухе. Цели нормализации – те же, что и при отжиге, однако нормализация – более высокопроизводительный процесс (печь освобождается и не охлаждается до низких температур, как это имеет место при отжиге). Охлаждение на воздухе со скоростью 250...300 ⁰С/ч приводит к распаду аустенита при более низких температурах, чем при отжиге, поэтому нормализованная сталь имеет более мелкозернистую, более тонкодисперсную структуру, а, следовательно, и более высокую твердость и прочность. Однако результативность нормализации зависит от содержания в стали углерода. Малоуглеродистые стали (содержащие менее 0,25…0,3 %С) после отжига и после нормализации имеют практически одинаковые свойства, поэтому для этих сталей предпочтительнее нормализация. Среднеуглеродистые стали, особенно детали сложной формы, после нормализации подвергают релаксационному отжигу для снятия остаточных напряжений. Для устранения цементитной сетки, которая возникла в результате медленного охлаждения в интервале А_cm–А₁, после нормализации выполняется сфероидизирующий отжиг.

Закалка стали

Это операция термообработки, состоящая из нагрева стали до температуры выше критической, выдержки для завершения фазовых превращений и последующего охлаждения со скоростью больше критической скорости закалки.

Целью закалки является получение наибольшей твердости, что достигается мартенситным превращением. Закалка не является окончательной термообработкой, после закалки следует операция нагрева – отпуск.

Выбор параметров технологии закалки. Температура нагрева: доэвтектоидные стали нагревают на 20...40 ⁰С выше точки Ас₃, эвтектоидные и заэвтектоидные – на столько же выше А_С1. В результате такого нагрева в доэвтектоидных и эвтектоидных сталях образуется аустенит, который при охлаждении превращается в мартенсит, и конечная структура стали после закалки: мартенсит и карбиды. Во всех случаях в структуре закаленной стали сохраняется остаточный аустенит.

Способ нагрева (скорость нагрева). Применяется три способа нагрева:

- вместе с печью. В этом случае изделие вместе с печью нагревается по тепловой мощности печи или со скоростью нагрева 150…200 ⁰С/ч.

Ориентировочно для более точного определения скорости нагрева можно пользоваться данными табл. 7;

- посадка в печь с температурой закалки. Скорость нагрева 250...260 ⁰С/ч.

- скоростной нагрев – посадка в печь с температурой на 100...120 ⁰С выше температуры закалки с последующим постепенным снижением температуры печи до температуры закалки. Скорость нагрева 650…680 ⁰С/ч.

Таблица 7 – Продолжительность нагрева различными

нагревательными устройствами

Продолжительность выдержки можно принять равной одной трети времени нагрева в часах.

Скорость охлаждения. Ее выбор определяется противоречивостью требований: с одной стороны, скорость охлаждения должна быть выше критической скорости закалки. Для обеспечения этого требования сталь при закалке охлаждают быстро. Но, с другой стороны, чем выше скорость охлаждения, тем больше внутренние напряжения, поэтому с этих позиций при закалке сталь желательно охлаждать как можно медленнее. В единстве этих противоположностей выбирается охлаждающая среда. Практически, изделия из углеродистых сталей охлаждают чаще всего в воде, из легированных – в минеральном масле.