Файл: 13. Технология термической обработки стали13. 1 Отжиг.pdf

1
13. Технология термической обработки
стали
13.1 Отжиг
13.1.1 Отжиг I рода
Этот вид отжига, в зависимости от температурных условий, устраняет химическую или физическую неоднородность стали, вызванную предшествующими обработками. Характерная особенность отжига I рода заключается в том, что устранение этой неоднородности в сталях происходит независимо от того, протекают ли при этой обработке фазовые превращения, поэтому отжиг I рода можно проводить при температурах как выше, так и ниже температур фазовых превращений.
Разновидностями отжига
I рода являются
гомогенизация,
рекристаллизационный отжиг и отжиг для снятия остаточных
напряжений.
Гомогенизация (диффузионный отжиг).Диффузионный отжиг обычно применяют для стальных слитков с целью уменьшения дендритной или внутрикристаллитной ликвации (ликвация – явление неравномерного распределения примесей по объёму металла, которая повышает склонность стали к хрупкому разрушению).
Нагрев при диффузионном отжиге производится до высоких температур (1100…1200ºС), так как только в этом случае наиболее полно протекают диффузионные процессы, необходимые для выравнивания химического состава по объёму слитка.
Общая продолжительность диффузионного отжига, в зависимости от массы слитка, может достигать 50…100 ч и более. Продолжительность выдержки слитка при высоких температурах составляет обычно 8…20 ч.

2
Рекристаллизационный отжиг (низкий отжиг).Под этим видом отжига понимают нагрев холоднодеформированной стали (стали после наклёпа) выше температуры рекристаллизации, выдержку при этой температуре с последующим охлаждением.
Этот вид отжига применяют как промежуточную операцию для снятия наклепа между операциями холодного деформирования.
Температура отжига должна несколько превышать температуру рекристаллизации для обеспечения протекания рекристаллизационных процессов по всему объему стального слитка.
Для углеродистых сталей с содержанием углерода 0,08…0,2%, чаще всего подвергаемых холодной деформации, температура нагрева при рекристаллизационном отжиге составляет 680…700ºС.
Отжиг легированных и высокоуглеродистых сталей проводят при температуре ≈ 730ºС.
При рекристаллизационном отжиге стали, кроме рекристаллизации ферритных зерен, может протекать процесс коагуляции и сфероидизации цементитных прослоек, в результате которого повышается пластичность стали и облегчается обработка давлением.
Отжиг для снятия остаточных напряжений. Этот вид отжига применяют для отливок, сварных изделий, деталей после обработки резанием, в которых в процессе обработки возникли остаточные напряжения из-за неравномерного охлаждения, неоднородной деформации и т.д.
Наличие остаточных напряжений в деталях и конструкциях может вызывать изменение размеров, коробление изделия, а также явиться причиной возникновения дефектов (трещин).
Отжиг для снятия остаточных напряжений проводится путем нагрева до температуры 160…700ºС с последующим медленным охлаждением.
Остаточные напряжения снимаются и при проведении других видов отжига, например рекристаллизационного, а также при отпуске закаленной стали.

3
13.1.2 Отжиг II рода (фазовая перекристаллизация)
Отжиг II рода заключается в нагреве стали до температур выше точек фазовых превращений (A
c1
или А
с3
), выдержке и последующем медленном охлаждении, в результате которого протекающие в стали фазовые превращения приводят к достижению равновесной структуры.
После отжига II рода углеродистой стали образуются структуры, указанные на диаграмме равновесия «железо – цементит», т.е. (феррит + перлит) в доэвтектоидных сталях, перлит – в эвтектоидной стали и (перлит + цементит) – в заэвтектоидных сталях. После отжига сталь обладает низкими твердостью и прочностью при высокой пластичности. Фазовая перекристаллизация, происходящая при отжиге, измельчает зерно и устраняет неблагоприятные структуры стали.
К основным видам отжига II рода относят полный отжиг, неполный отжиг, изотермический отжиг и сфероидизацию.
Полный отжиг (отжиг на мелкое зерно).Этот вид отжига применяется только для доэвтектоидных углеродистых сталей. Полный отжиг заключается в нагреве стали на 30…50ºС выше температуры А
с3
, выдержке при этой температуре и последующем медленном охлаждении. При нагреве стали на
30…50ºС выше температуры А
с3
образуется мелкозернистый аустенит, и поэтому при охлаждении возникает мелкозернистая структура, обеспечивающая высокую вязкость и пластичность. Чрезмерный перегрев выше А
с3
(более, чем на 50º) вызывает рост зерна аустенита, что приводит к снижению свойств стали.
Изотермический отжиг. При изотермическом отжиге сталь (обычно легированную) нагревают, как и для полного отжига, до температуры на
30…50ºС выше температуры А
с3
, сравнительно быстро охлаждают переносом в другую печь до температуры, лежащей ниже точки А
с1
(обычно около
550…650ºС) и выдерживают при этой температуре до полного распада аустенита, после чего охлаждают на воздухе (см. рисунок 13.1).

4
Рисунок 13.1 – Схема цикла изотермического отжига стали
Такая термическая обработка позволяет получить более однородную структуру, так как при изотермической выдержке температура по сечению изделия выравнивается, и распад аустенита происходит по всему объему слитка при одинаковой температуре.
Преимуществом этого вида отжига является также снижение длительности процесса по сравнению с полным отжигом, особенно для легированных сталей, которые приходиться очень медленно охлаждать для требуемого снижения твердости.
Неполный отжиг. Этот отжиг отличается от полного тем, что сталь нагревают до более низкой температуры (немного выше А
с1
). При нагреве до такой температуры происходит только измельчение зерна перлита, а феррит практически не подвергается перекристаллизации. Поэтому неполный отжиг доэвтектоидных сталей применяют только тогда, когда не требуется измельчать ферритное зерно.
Для доэвтектоидных сталей неполный отжиг применяют для улучшения обрабатываемости резанием.
Для заэвтектоидных сталей применяют только неполный отжиг. В этих сталях нагрев выше точки А
с1
(на 10…30ºС) вызывает практически полную перекристаллизацию и позволяет получить зернистую структуру перлита (с

5 зернистым цементитом) вместо пластинчатой. Такой отжиг называют
сфероидизацией.
Частицы нерастворившегося при нагреве цементита являются центрами кристаллизации для цементита, выделяющегося из аустенита при охлаждении ниже температуры А
с1
, что приводит к образованию включений цементита в сферической форме. При перегреве до температуры, значительно большей, чем А
с1
(но ниже А
с3
), цементит выделяется в пластинчатой форме, что является дефектом неполного отжига.
Охлаждение при сфероидизации очень медленное, так как оно должно обеспечить распад аустенита на феррито-цементитную смесь и сфероидизацию цементита при охлаждении до температуры 620…680ºС.
Обобщенная информация о температурных интервалах нагрева для различных видов отжига приведена на рисунке 13.2.
Рисунок 13.2 – Температуры нагрева для различных видов отжига

6
13.2 Нормализация
Еще одним видом термической обработки, основанным на фазовой перекристаллизации, является нормализация, которая заключается в нагреве доэвтектоидной стали выше А
с3
, а заэвтектоидной – выше А
c1
на 30…50ºС, выдержке и охлаждении на спокойном воздухе. Иногда охлаждение при нормализации проводят в струе воздуха – в этом случае охлаждение происходит быстрее, и такой вид термической обработки называется
одинарная термическая обработка. Для сравнения на рисунке 13.3 качественно представлены кривые охлаждения доэвтектоидной стали при отжиге, нормализации и одинарной термической обработке.
Рисунок 13.3 – Кривые охлаждения доэвтектоидной стали при отжиге, нормализации и одинарной термической обработке, наложенные на диаграмму изотермического распада аустенита
Нормализация вызывает полную фазовую перекристаллизацию и устраняет крупнозернистую структуру стали, полученную при литье или прокатке. Ускоренное охлаждение на воздухе при одинарной ТО повышает дисперсность феррито-цементитной смеси и приводит к образованию сорбита или троостита. Это повышает примерно на 10…15% прочность и твердость нормализованной стали по сравнению с отожженной. Для низкоуглеродистых сталей с целью увеличения производительности операции термической нормализацию часто назначают вместо отжига.

7
13.3 Закалка
Закалка стали – термическая обработка, которая заключается в нагреве стали до температуры выше критической, выдержке и последующем охлаждении со скоростью V
зак
, превышающей критическую V
кр
.
Под критической скоростью охлаждения при закалке понимают минимальную скорость охлаждения, при которой предотвращается диффузионный распад переохлажденного аустенита. Кривая охлаждения на диаграмме распада аустенита в этом случае проходит по касательной к С- образным кривым (рисунок 13.4).
Рисунок 13.4 – Критическая скорость охлаждения при закалке
Целью закалкиявляется повышение твердости и прочности стали.
Закалка в большинстве случаев не является окончательной термической обработки, т.к. после закалки металл обладает высокой хрупкостью и остаточными напряжениями.
Выбор температуры закалки.
Доэвтектоидные стали при закалке нагревают до температуры на
30…50ºС выше точки А
с3
(рисунок 13.5). В этом случае сталь с исходной

8 структурой (феррит + перлит) при нагреве приобретает структуру аустенита, который при последующем быстром охлаждении превышается в мартенсит
(М). Если нагрев при закалке производить до более низких температур
(между А
с1
и А
с3
), то в структуре после закалки будет присутствовать не растворившийся при нагреве феррит, из-за которого твердость закаленной стали будет ниже, чем в случае нагрева до температур выше А
с3
Рисунок 13.5 – Левый нижний угол диаграммы «железо – цементит» с указанием оптимальных интервалов температур нагрева сталей под закалку
Заэвтектоидные стали под закалку нагревают на 30…50ºС выше температуры А
с1
. При таком нагреве из перлита образуется аустенит при сохранении цементита. При охлаждении аустенит распадается на мартенсит, в результате чего после закалки структура будет состоять из мартенсита и цементита, который, так же, как и мартенсит, обладает высокой твердостью.
Включения избыточного цементита повышают износостойкость стали.
Нагрев заэвтектоидных сталей выше А
с3
не приведет к повышению твердости после закалки, а может даже ее уменьшить, так как при растворении избыточного цементита аустенит обогащается углеродом, что после охлаждения приводит к увеличению остаточного аустенита. Кроме того, при нагреве выше А
с3
зерно аустенита растет, что также способствует снижению прочности.

9
Продолжительность нагрева при закалке
При закалке продолжительность нагрева должна обеспечить прогрев изделия по сечению и завершение фазовых превращений. Общая продолжительность нагрева складывается непосредственно из времени нагрева (

н
) и времени выдержки при высокой температуре (

в
).

общ
=

н
+

в
,
(13.1)
Продолжительность нагрева (

н
) зависит от нагревающей способности среды, от размеров и формы деталей. Время изотермической выдержки при высокой температуре (

в
) для углеродистых сталей составляет 50…70 с на
1 мм наименьшего сечения нагреваемой детали, а для легированных сталей –
90…100 с при нагреве на воздухе.
При высокой температуре происходит химическое взаимодействие поверхности металла с окружающей средой. Если процесс термической обработки идет на воздухе, то наиболее интенсивно при высоких температурах происходят два процесса:

обезуглероживание стали – выгорание углерода в поверхностных слоях
С + O
2
→ СО
2
;

окисление стали – образование на поверхности окалины, окислов железа: 2Fe + O
2
→ 2FeO.
Процессы окисления и обезуглероживания – это диффузионные процессы, которые естественно ускоряются с ростом температуры и времени, потому температура и время нагрева должны выбираться правильно.
Неправильный выбор температуры и времени нагрева может привести к дефектам термической обработки.

10
Охлаждающие среды при закалке
При закалке углеродистых сталей для переохлаждения аустенита до температуры начала мартенситного превращения требуется быстрое охлаждение, но не во всем интервале температур, а только в диапазоне
650…400ºС, когда устойчивость аустенита минимальна. Несколько замедленное охлаждение желательно в мартенситном интервале 200…300ºС для уменьшения закалочных напряжений. Идеальная кривая охлаждения при закалке показана на рисунке 13.6.
Рисунок 13.6 – Идеальная кривая охлаждения при закалке
Для обеспечения быстрого охлаждения при закалке используют закалочные среды (вода, минеральное масло, растворы солей и др.).
Механизм действия закалочных сред состоит из трех основных этапов.
1. Пленочное кипение. В момент погружения изделия в закалочную среду вокруг него образуется пленка перегретого пара (паровая рубашка), и охлаждение происходит относительно медленно.
2. При определенной температуре пленочное кипение переходит в
пузырьковое кипение, охлаждение при этом происходит максимально быстро.

11 3. Когда температура поверхности металла опустится ниже температуры кипения жидкости (при охлаждении в воде – ниже 100ºС), жидкость кипеть уже не будет, и охлаждение замедлится. Этот третий этап охлаждения носит название стадии конвективного теплообмена.
Закалочные жидкости охлаждают тем интенсивнее, чем шире температурный интервал протекания второго процесса – пузырькового кипения. В таблице 13.1 приведены характеристики некоторых закалочных сред.
Таблица 13.1 –Характеристика различных закалочных сред
Закалочная среда
Температурный интервал пузырькового кипения, ºС
Относительная интенсивность охлаждения
Вода
20ºС
400…100 1,0 40ºС
350…100 0,7 80ºС
250…100 0,2
Растворы в воде
1% NaCl, 20ºС
500…100 1,5 10% NaCl, 20ºС
650…100 3,0 5-30% NaOH, 20ºС
650…100 2,5 50% NaOH, 20ºС
650…100 2,0 50% NaOH, 96ºС
650…100 1,0
Масло минеральное
20ºС
500…250 0,3
При закалке углеродистых и низколегированных сталей, имеющих низкую устойчивость переохлажденного аустенита, в качестве охлаждающей среды применяют воду и водные растворы NaCl или NaOH. Эти среды обеспечивают наиболее высокие скорости охлаждения.
Вода как охлаждающая среда имеет два основных недостатка.

12 1. Высокая скорость охлаждения в области температур мартенситного превращения нередко приводит к образованию закалочных дефектов.
2. С повышением температуры резко ухудшается закалочная способность.
Наиболее высокой и равномерной охлаждающей способностью отличаются водные растворы NaCl и NaOH, которые хорошо зарекомендовали себя на практике. При закалке в водных растворах паровая рубашка разрушается почти мгновенно, охлаждение происходит более равномерно и протекает на стадии пузырькового кипения.
Для легированных сталей, обладающих высокой устойчивостью переохлажденного аустенита при закалке, применяют минеральное масло.
Масло как закалочная среда обеспечивает невысокую скорость охлаждения в мартенситном интервале температур, что уменьшает возникновение закалочных дефектов.
Прокаливаемость
Под прокаливаемостью понимают способность стали получать закаленный слой с мартенситной структурой и высокой твердостью на ту или иную глубину.
Несквозная прокаливаемость деталей объясняется неодинаковой скоростью охлаждения по сечению при закалке – на поверхности деталей охлаждение металла всегда происходит быстрее, чем в сердцевине. В зависимости от критической скорости охлаждения V
кр
, которая, в свою очередь, зависит от химического состава стали, в деталях, изготовленных из разных материалов, образуется закаленный слой различной глубины
(рисунок 13.7).