8. Отжиг

8.1. ПРЕВРАЩЕНИЕ ПРИ ОТЖИГЕ

Цель любого процесса термической обработки состоит в том, чтобы нагревом до определенной температуры и последующим охлаж­дением вызвать требуемое изменение строения металла и получить заданные свойства. Если охлаждение ведется медленно, то превра­щение аустенита в смесь перлита и феррита пройдет достаточно полно вследствие развития диффузионных процессов, и фазовый сос­тав будет соответствовать равновесному состоянию. Например, струк­тура, состоящая из крупных зерен феррита и перлита, какая часто бывает после литья и ковки, в результате термической обработки будет состоять из мелких зерен феррита и перлита. Основой для изучения термической обра­ботки стали является диаграмма железо-углерод (рис.8.1).

Общепринятые обозначения критических точек:

Ас₁- соответствует линии РSК,

Ас₃ - соответствует линии GS,

Ас_m- соответствует линии ES.

Отжиг заключается в нагреве стали до определенной температуры, выдержке и последующем медленном охлаждении с печью со ско­ростью 20-30 град/ч.

Вследствие медленного охлаждения сталь приобретает структу­ру, близкую к равновесию. Следовательно, после отжига углеродис­той стали получаются структуры, указанные на диаграмме железо-углерод:

доэвтектоидная сталь - феррит + перлит,

эвтектоидная сталь - перлит,

заэвтектоидная сталь - перлит + цементит.

Рис. 8.1 Левая часть диаграммы железо-углерод. Указана температура нагрева при разных видах термической обработки

Различают следующие виды отжига:

Полный отжиг заключается в нагреве доэвтектоидной стали на 30...50°С выше линии (GS), выдержке при этой температуре для пол­ного прогрева металла и завершения фазовых превращений и последу­ющем медленном охлаждении. Сопровождается полной фазовой пере­кристаллизацией (Ф А).

Скорость нагрева при термической обработке зависит от хими­ческого состава, формы и размеров изделий. Чем сложнее форма, больше размер изделия, выше содержание углерода и легирующих эле­ментов, уменьшающих теплопроводность, тем медленнее следует наг­ревать сталь, чтобы избежать возникновения трещин за счет терми­ческих напряжений, образующихся вследствие разности температур внутренних и наружных слоев детали или заготовки.

Полный отжиг применяется для смягчения стали перед обработ­кой резанием, для снятия напряжений и устранения пороков струк­туры. Например, при литье и сварке образуется крупнозернистая структура с игольчатым ферритом и пониженными механическими свойствами, которая получила название видманштеттовой, при горячей пластической деформа­ции наблюдается неоднородное распределение феррита вокруг зерен перлита, что резко снижает прочность стали; при большой степени холодной пластической дефор­мации образуется строчечная структура, которая ведет к анизотропии, т.е. различию свойств металла вдоль и поперек волокон.

Неполный отжиг отличается от полного тем, что сталь нагре­вается до температуры выше Ас₁, но ниже Ас₃. Полной фазовой пере­кристаллизации не происходит, следовательно, устранить дефекты структуры, связанные с нежелательным размером и формой зерна, невозможно.

Неполный отжиг для доэвтектоидной стали применяется для сня­тия напряжений и улучшения обрабатываемости и позволяет экономить тепловую энергию.

Заэвтектоидная сталь не отжигается по режиму полного отжига с нагревом выше Ас_m, так как при медленном охлаждении выделя­ется грубая сетка вторичного цементита, которая ухудшает механи­ческие свойства стали. Для заэвтектоидной стали применяется не­полный отжиг. При нагреве до Ас₁ + (30...50)°С в аустените остает­ся большое число нерастворившихся включений цементита перлита, которые способствуют образованию зернистого перлита при охлажде­нии. Инструментальная сталь со структурой зернистого перлита обладает наименьшей твердостью, наилучшей обрабатываемостью резанием и менее склонна к перегреву при закалке.

Изотермический отжиг заключается в нагреве стали до Ас₃ +(30...50)°С и выдержке при этой температуре. Затем деталь быстро переносится в печь или ванну с жидкой разогретой солью или рас­плавленным свинцом с температурой 690...700°С (ниже Ас₁) и выдерживается до полного распада аустенита. Последующее охлаждение производится на воздухе.

Так как аустенит распадается в печи или в ванне при постоян­ной температуре, то получается более однородная структура. Меха­нические свойства при изотермическом отжиге получаются почти та­кими же, как и при полном отжиге. Преимущество изотермического отжига - в сокращении продолжительности отжига почти вдвое за счет этапа охлаждения и получении более однородной структуры и свойств по сечению изделия.

Изотермическое превращение аустенита доэвтектоидной стали описывается диаграммой (рис.8.2,в).

Линия I - начало превращения переохлажденного аустенита с образованием феррита.

Линии 2,3- начало и конец превращения переохдажденного аустенита с образованием ферритоцементитной смеси (перлита).

Линии Мн и Мк –начало и конец мартенситного превращения (АМ).

Рис. 8.2. Схема термообработки доэвтектоидной стали:

а) левая часть диаграммы железо-углерод;

в) диаграмма изотермического превращения аустенита;

V1- отжиг при непрерывном охлаждении;

V2-охлаждение при изотермическом отжиге;

V3- охлаждение при нормализации.

На диаграмме показаны скорости охлаждения V , соответствую­щие различным видам термической обработки. Критическая скорость закалки Vкр. является граничной скоростью охлаждения между диф­фузионным и бездиффузионным превращениями переохлажденного аусте­нита.

Рекристаллизационный отжиг применяется для снятия наклепа и восстановления пластичности металла после холодной деформации.

Нагрев производится до температуры, равной (0,4...0,45) Тпл, т.е. 450...650°С (ниже Ас₁), затем следует выдержка и медленное охлаждение с печью. В результате рекристаллизационного отжита вместо деформированных образуются новые равноосные зерна, остаточные напряжения снимают­ся, твердость понижается, а пластичность увеличивается.

Гемогенизирущий (диффузионный) отжиг заключается в нагреве стали до 1100...1200°С, длительной выдержке при указан­ной температуре и последующем медленном охлаждении. Применяется для устранения дендритной и зональной неоднородностей по хими­ческому составу (ликвации) в литых заготовках.

Применяется для устранения дендритной и зональной неоднородностей по хими­ческому составу (ликвации) в литых заготовках.

При длительной выдержке в области высоких температур наблю­дается интенсивный рост зерна, приводящий к снижению механичес­ких свойств. Для исправления структуры и улучшения свойств тре­буется дополнительная термическая обработка (обычно нормализа­ция или полный отжиг).

Нормализация заключается в нагреве доэвтектоидной стали до Ас₃+(40...50)°С, заэвтектоидной - до Ас_r+(50...60)°С (рис.8.2). После выдержки охлаждение производится на воздухе.