Тема 3 Предварительная и окончательная термообработка сталей и чугунов, изменение структуры и свойств Лекция 10

ПТО: разновидности отжигов (2-го рода) сталей

Назначение: получить в результате перекристаллизации устойчивую равновесную структуру. Применяются в основном как ПТО, поэтому в назначение входит: а) исправление дефектов структуры после предыдущих технологических операций (литье, ОД, сварка, ТО), 2) обеспечение требуемых технологических свойств и характеристик (обычно требуется состояние с низкой твердостью и высокой пластичностью, обеспечивающее хорошую обрабатываемость резанием или холодной ОД типа высадки), 3) получение наилучшей структуры под окончательную ТО.

У доэвтектоидных конструкционных сталейполный обычный (с печью), изотермический (чаще у легированных сталей), нормализация, патентирование (в основном при производстве проволоки), неполный отжиг, высокий отпуск.

Часто полный отжиг применяется для измельчения зерна в исходных литых или горячедеформированных полуфабрикатах (заготовках). Температура отжига А_С3+ 20 –40^оС обеспечивает эту задачу, так как начальное зерно после перекристаллизации П ----А мелкое и значительного роста его не происходит. Обычно при печной ТО получают зерно 7 – 8 баллов.

Однако в некоторых случаях, обычно, когда микроструктура заготовки игольчатого типа (мартенсит, бейнит, видманштеттовый феррит), отжиг по такому режиму не исправляет зерно. Начальное зерно сразу получается большим – таким, каким оно было при предшествующей обработке, вызвавшей перегрев. Это связано с тем, что мартенситные, бейнитные зерна кристаллографически связаны с исходным зерном аустенита, поэтому образовавшиеся из одного зерна кристаллы имеют одинаковую кристаллографическую ориентацию. Явление восстановления исходного аустенитного зерна называется «структурной наследственностью».

В этих случаях положительный эффект может быть достигнут при повышении температуры отжига на 100 – 150^оС: зерно аустенита измельчается в результате первичной рекристаллизации (ПР). Движущей силой ПР в данном случае является внутренний фазовый наклеп при превращении М ----А, ВФ ---А или Б ----- А (из – за значительной разницы удельных объемов).

В отдельных случаях применяется высокотемпературный отжиг на крупное зерно. Например, мягкие низкоуглеродистые стали плохо обрабатываются резанием (стружка налипает на инструмент), но при крупном зерне вязкость стали снижается, и стружка становится ломкой. Кроме того, крупнозернистый металл лучше сопротивляется ползучести.

Во многих случаях после высокотемпературного отжига проводят полный отжиг при нормальной температуре или нормализацию для получения мелкого зерна.

Структура и свойства после отжига определяются состоянием (параметрами) аустенита перед началом охлаждения и скоростью охлаждения. Скорость охлаждения определяет температурный интервал превращения А----П и, соответственно, дисперсность перлита, соотношение Ф-П и твердость. Для получения минимальной твердости углеродистые стали можно охлаждать со скоростью порядка 100 град/час, а легированные стали, у которых С-кривые смещены вправо, со значительной меньшей скоростью, не более 50 град/час, у более легированных – даже 30 – 20 град/час. Часто для легированных сталей применяют полный изотермический отжиг. Температура изотермической выдержки Т_ИЗопределяет твердость и время выдержки: повышение температуры Т_ИЗуменьшает твердость, но увеличивает время отжига.

Для мягких малоуглеродистых нелегированных сталей, наоборот, можно заменить отжиг более экономичной и производительной нормализацией (или нормализацией+ высокий отпуск).

К дефектам горячедеформированной, например, прокатанной стали, кроме крупного зерна, может относиться строчечность – вытянутость ферритных участков вдоль деформации растяжения (этот структурный дефект вызывает анизотропию механических характеристик).

Обычный полный отжиг при Т = А_С3+ 20 –40^оС строчечность не исправляет,если онаявляется результатом выделения феррита на вытянутых при ГПД неметаллических включениях (строчечность может быть и от заниженной температуры конца ГПД). В данном случае необходимо либо дать более высокотемпературный отжиг (Т = 950 – 1000^оС), чтобы растворились неметаллические включения (а потом провести обычный полный отжиг на мелкое зерно), либо заменить отжиг нормализацией.

Более ускоренное охлаждение стали при нормализации обеспечивает зарождение зерен феррита не только и не столько на неметаллических включениях, сколько на других «преимущественных местах» (границах зерен и субзерен, дислокациях в аустените), в результате получаем равномерное распределение феррита в структуре.

Неполный отжиг не исправляет всю структуру. Из экономических соображений он иногда применяется либо для малонагруженных неответственных изделий, либо в высокотехнологичном автоматизированном массовом производстве, где гарантированно высокое качество горячедеформированного металла.

Высокий отпуск (или подкритический отжиг) доэвтектоидных сталей применяется для перевода пластинчатого перлита в зернистый (чаще в смешанную структуру П_ПЛ+ П_З). Предварительная пластическая деформация может ускорить процесс сфероидизации перлита.

Применяют также двойную обработку: нормализация + высокий отпуск.

Нормализация лучше отжига в отношении подготовки структуры под закалку, так как аустенит, полученный из более дисперсного перлита, легче гомогенизируется при нагреве под закалку (соответственно, можно уменьшить температуру и время нагрева под закалку).

Нормализация также экономичнее отжига, надо считать деньги: что выгоднее, это зависит и от объема обработки резанием (чем он меньше, тем предпочтительнее нормализация, особенно при невысоком содержании углерода).

Для заэвтектоидных инструментальных сталейв качестве ПТО проводится неполный сфероидизирующий отжиг: нагрев 740-750^оС (У9, У10), 750-780^оС (У11 – У13).

Происходит замена феррита аустенитом и растворение Ц, при этом деление пластинок Ц – растворение в тонких участках, местах выхода субграниц на межфазную поверхность Ц/А. Деление Ц-пластин можно ускорить, применив пластическую деформацию – холодную, либо теплую при Т меньше А₁(при нагреве после деформации формируются субграницы в результате полигонизации).

После деления мелкие частицы быстро сфероидизируются (ведь температура высокая) – в стремление уменьшить поверхностную энергию. Чем меньше скорость охлаждения после отжига, тем крупнее глобули, меньше твердость зернистого перлита, но часто предпочтительнее неполный изотермический ОЗП – можно точно задать твердость.

Параметрами процесса ТО являются Тнагрева и время выдержки(это влияет на оставший Ц-т, на легированность аустенита), Тизотерм.выд. – она влияет на дисперсность цементита и твердость, на время процесса).

Зернистый перлит имеет пониженную твердость (по сравнению с П_ПЛ) и является оптимальной структурой под закалку: меньше растет зерно А, шире интервал Тзак, равномернее распределены глобули Ц в М закаленной стали (потому выше вязкость).

При наличии дефекта - сетки карбидов в заготовках инструментальной стали перед неполным сфероидизирующим отжигом проводят нормализацию от Т = А_СМ+ 20 – 40^оС для устранения сетки (избыточный цементит выжеляется не только на границах зерен аустенита, а и на дислокациях).

Патентирование – полный изотермический отжиг, при температуре выдержки Т_ИЗна выступе С-кривой. Применяется в производстве высокопрочной проволоки из стали с 0,45 – 0,8%С. Проволоку нагревают до

Т = А_С3+ 150 - 200^оС (для максимальной гомогенизации аустенита) и пропускают через соляную или свинцовую ванну с Т = 450 – 550^оС. Высокодисперсная сорбитотрооститная структура позволяет проводить волочение проволоки с большими степенями холодной пластической деформации до высоких значений предела прочности (1500 – 2000 МПа).