2.2.3. Отжиг 2 рода

Отжиг 2 рода основан на процессах фазовых превращений при нагреве и охлаждении.

При отжиге 2 рода сталь нагревается до температур выше точек Асз или Ас!, выдерживается при этой температуре до полного завершения структурно-фазовых превращений и охлаждается, как правило, с очень малой скоростью « 100 ОС/ч) в камере выключенной печи.

Различают полный, изотермический, неполный, сфероидизирующий и нормализационный отжиги (рис. 2.5).

Полный отжuг заключается в нагреве доэвтектоидной стали на 30...50 ос выше температуры Асз, выдержке при этой температуре и последующем медленном охлаждении. При этом отжиге происходит полная фазовая и структурная перекристаллизация: нагрев до температур Асз + 30...50 ос приводит к образованию мелкозернистого аустенита, а при последующем охлаждении образуется ферритоперлитная структура. Скорость охлаждения при отжиге зависит от устойчивости переохлажденного аустенита, Т.е. от состава стали. Чем более устойчив аустенит в области перлитного превращения, тем меньше должна быть скорость охлаждения. Легированные стали, обладающие высокой устойчивостью переохлажденного аустенита, охлаждают значительно медленнее (1 О.. . 100 ОС/ч), чем углеродистые(150...2000С/ч).

Полному отжигу подвергают только доэвтектоидные стали. Выделение при таком отжиге вторичного цементита в виде сетки пограницам зерен в заэвтектоидных сталях охрупчивает сталь. Поэтомудля заэвтектоидных сталей полный отжиг не применяют.

Чрезмерное повышение температуры нагрева (перегрев на 200.. .300 ос выше точки Асз) вызывает рост зерна аустенита, а при охлаждении такого аустенита формируется грубая структура с выделением избыточных фаз - феррита (в доэвтектоидных сталях) и цементита (в заэвтектоидных сталях) - по границам зерен. При сильном перегреве формируется так называемая «видманштеттова структура» с выделением избыточных фаз в виде игл. Это приводит К охрупчиванию стали: низкая ударная вязкость и хрупкий крупнокристаллический излом.

Если после охлаждения с температур перегрева получена кристаллографически неупорядоченная структура ферритно-карбидной смеси, то для исправления такой структуры перегрева достаточно нагреть сталь выше температуры перекристаллизации (Асз + 30.. .50 ОС) (нагрев с любой скоростью). При переходе через критическую точку образуется мелкое зерно аустенита, которое при дальнейшем нагреве ваустенитной области будет расти.

Если полученная после перегрева структура кристаллографически

упорядочена (мартенсит, бейнит, видманштеттова структура), то при нагреве несколько выше Асз размер, форма и кристаллографическая

ориентировка новых зерен аустенита сохранится, Т.е. перегрев не исправится. Такое явление называется структурной наследственностью.

Возможность устранения крупного зерна при нагреве до Асз + 30.. .50 ОС в данном случае определяется скоростью нагрева.

При умеренных скоростях нагрева (100.. .150 ОС/мин) полный распад мартенсита успевает пройти до начала а.~у-перехода, структурная наследственность не проявляется, структура перегрева исправляется при нагреве до Асз + 30...50 ОС.

При достаточно быстром (сотни градусов в секунду) или достаточно медленном (1...2 град/мин) нагреве реализуется кристаллографически упорядоченный механизм а. ~ у-превращения, Т.е. проявляется структурная наследственность, и зерно при температурахнесколько выше Асз остается крупным. В этом случае измельчениезерна, особенно в легированных сталях, про изойдет при температурах значительно выше Асз (Асз + 100...150 ОС).

В высоколегированных сталях структурная наследственность проявляется в широком диапазоне скоростей нагрева, Т.е. не только при быстром и медленном нагреве, но и при умеренных скоростях нагрева.

Полный отжиг применяется обычно как промежуточная термическая обработка для получения по всему объему однородной, мелкозернистой структуры, обеспечивающей высокую вязкость и пластичность, пониженную прочность и твердость.

Этому отжигу подвергаются имеющие неблагоприятную грубозернистую структуру литые заготовки, а также заготовки, прошедшие ковку, штамповку и другие виды обработки давлением, также нуждающиеся в исправлении структуры.

Изотермический отжиг - сталь нагревают до температур Асз + 50...70 ОС, сравнительно быстро охлаждают до температуры изотермической выдержки (обычно на 100.. .150 ос ниже Ас!), выдерживают до полного распада аустенита и охлаждают на воздухе.

Преимущества изотермического отжига: уменьшение длительности процесса и получение более однородной структуры (вследствие выравнивания температуры по всему сечению изделия превращение происходит при одинаковой степени переохлаждения).

Изотермический отжиг применяют для штамповок, заготовок инструмента и других изделий небольшого размера из легированной стали. Для больших садок обычно не применяют.

Одной из разновидностей изотермического отжига является патентирование.

Патентирование - проволоку из углеродистых сталей с 0,45...0,85 % С нагревают в проходной печи до температур Асз + 150...200 ОС, пропускают через свинцовую или соляную ванну (450...550 ОС) и наматывают на приводной барабан. После патентирования про волока имеет феррито-цементитную структуру с очень

малым межпластиносным расстоянием - сорбит патентирования илитроостит. Избыточный феррит или вторичный цементит при такойобработке не успевает образоваться.

После патентирования проволоку подвергают многократному холодному волочению с большим суммарным обжатием, что обеспечивает ее высокую прочность (ав = 1500.. .2000 МПа).

Такую обработку применяют для получения высокопрочной канатной, пружинной и рояльной проволоки.

Неполный отжиг доэвтектоидных сталей проводят при температурах Асl + 10...30 ОС. При этих температурах происходит переходперлита в аустенит, но избыточный феррит превращается в аустенитлишь частично, значительная его часть не подвергается перекристаллизации. Для доэвтектоидной стали неполный отжиг применяют только при отсутствии перегрева и ферритной полосчатости длясмягчения стали перед обработкой резанием.

3аэвтектоидные стали подвергают только неполному отжигу, так как при очень медленном охлаждении из аустенитной области (полный отжиг) по границам аустенитных зерен образуется грубая цементитная сетка, охрупчивающая сталь и затрудняющая механическую обработку заготовки резанием.

Сфероидизирующий отжиг - к заэвтектоидным сталям применяют отжиг с нагревом до температур Ас! + 10...30 ОС, вызывающим практически полную пере кристаллизацию металлической матрицы. После такого нагрева в аустените остается большое число нерастворившихся включений вторичного цементита, которые служат центрами кристаллизации для цементита, выделяющегося при последующем охлаждении и выдержке ниже точки Ас!. В результате образуется зернистая форма перлита вместо пластинчатой.

Стали, близкие к эвтектоидному составу, нагревают до 750... 760 ОС, дЛЯ заэвтектоидных углеродистых сталей интервал температур отжига - «интервал отжигаемостю>, расширяется до770...790 ОС. ДЛЯ легированных заэвтектоидных сталей этот интервал составляет 770.. .820 ОС. При нагреве выше «интервала отжигаемости» значительная часть цементита растворится и при последующем охлаждении ниже температуры Ас! выделится пластинчатый перлит.

Охлаждение при сфероидизации медленное, оно должно обеспечить распад аустенита на феррито-карбидную структуру, сфероидизацию и коагуляцию образовавшихся карбидов при охлаждении вперлитной области. Чаще применяют изотермическую выдержку притемпературах перлитного распада (620.. .680 ОС) дЛЯ завершения всехпроцессов распада и сфероидизации с последующим охлаждением навоздухе.

Сталь со структурой зернистого перлита имеет низкую твердость и временное сопротивление, хорошую пластичность и обрабатываемость резанием. Такая структура - оптимальная перед закалкой, так как обеспечивает мелкое зерно, расширяет интервал закалочных температур, снижает растрескивание при закалке, повышает прочность и вязкость закаленной стали.

Нормализационный отжиг (нормализация) предполагает нагрев на 30.. .500 С выше линии GSE, непродолжительную выдержку для прогрева садки и завершения превращений и охлаждение на воздухе, обеспечивающее перлитный распад аустенита. Применительно к доэвтектоидным сталям, особенно низкоуглеродистым (0,05.. .0,25 % С), нормализация за более короткое время и при большей простоте режима охлаждения позволяет получить те же результаты, что и при полном отжиге, т. е. измельчение зерна у литых и кованых заготовок.

Так как охлаждение на воздухе обеспечивает более высокую степень переохлаждения аустенита, чем при отжиге, то продукты его распада оказываются более дисперсными, а плотность дислокаций приближается к 108 см-2. При нормализации, в отличие от полного отжига, в структуре стали количество избыточных фаз (Ф или Ц) меньше, а перлита больше. Сам же перлит более дисперсный -размер его колоний меньше, пластины Ф и Ц тоньше. Вследствие этого нормализацией можно получить более благоприятную мелкозернистую структуру стали, обладающую повышенными прочностными свойствами. Поэтому в ряде случаев, когда от материала изделия не требуется повышенных прочностных свойств, нормализация заменяет закалку. Особенно это касается деталей из низкоуглеродистой стали, для которых применение закалки исключается из-за очень высокой критической скорости закалки.

При нормализации заэвтектоидных сталей из-за ускоренного охлаждения выделение из аустенита избыточного (вторичного) цементита (в интервале температур Аст-Ас!) частично подавляется и нежелательная цементитная сетка вокруг перлитных зерен не образуется. В связи с этим одной из целей нормализации является устранение цементитной сетки у заэвтектоидных сталей.