Сл.20. Сфероидизирующий отжиг

Целью такого отжига является получение структуры с глобулярной формой цементита. Зернистый перлит по сравнению с пластинчатым обладает меньшей твердостью, большей пластичностью и вязкостью, что обеспечивает во многих случаях лучшую обрабатываемость резанием и хорошую штампуемость.

Сфероидизирующему отжигу подвергают как доэвтектоидные, так и заэвтектоидные углеродистые и легированные стали. Простейший вид отжига заключается в нагреве стали со структурой пластинчатого перлита до температур несколько ниже А₁ (650...700 °С) и последующей выдержке, обеспечивающей развитие сфероидизации и коалесценции карбидов. Чем ближе температура нагрева к точке А₁, тем быстрее идут эти процессы. Однако даже вблизи критической точки для интенсивного развития сфероидизации необходимы очень большие выдержки (десятки и сотни часов). Но и после длительной обработки в структуре могут встречаться участки со следами пластинчатого перлита. При наличии в стали карбидообразующих элементов процессы трансформации пластинчатых карбидов в зернистые еще более затрудняются. Поэтому данный вид отжига используется редко.

Сл.21. Для получения структуры зернистого перлита обычно применяется отжиг с фазовой перекристаллизацией. Заэвтектоидные углеродистые стали при таком отжиге нагревают в интервале А₁ – Ас_m (740...780 °С) и после выдержки проводят медленное охлаждение (рис. 12.8). По существу для них этот режим обработки является разновидностью неполного отжига.

Рис. 12.8. Схемы сфероидизирующего отжига заэвтектоидной стали.

а – отжиг с непрерывным охлаждением; б – изотермический отжиг; в – маятниковый отжиг

При нагреве в интервал А₁ – Ас_m растворяются не все карбиды; нерастворившиеся пластины цементита претерпевают сфероидизацию. Образовавшиеся глобулярные частицы играют роль готовых зародышевых центров при выделении цементита в процессе распада переохлажденного аустенита. Местами предпочтительного зарождения цементитных частиц являются также участки аустенита с повышенным содержанием углерода. Считается, что в заэвтектоидных сталях при малых скоростях охлаждения преобладает первый способ образования цементитных частиц.

Интервал температур нагрева, который обеспечивает при соответствующем охлаждении получение структуры зернистого перлита, называется интервалом отжигаемости. Нижняя граница интервала отжигаемости близка к точке Ас₁. При нагреве ниже этой границы скорость превращения ферритокарбидной структуры в аустенит очень мала, и после отжига в структуре кроме зернистого перлита будут присутствовать участки пластинчатого перлита. Нагрев выше верхней границы интервала отжигаемости способствует гомогенизации аустенита и существенному уменьшению количества нерастворившихся карбидных частиц, что приводит к образованию при охлаждении пластинчатого перлита.

Интервал отжигаемости зависит от содержания углерода в заэвтектоидной стали. Для сталей, содержащих 1.1...1.3 % С, он составляет порядка 30 °С. При приближении состава стали к эвтектоидному, когда точки А₁ и Аc_m сближаются, интервал отжигаемости сужается до 10...15 °С и получение структуры зернистого перлита усложняется.

Отжиг с нагревом в интервале отжигаемости, приводя к образованию зернистого перлита, обеспечивает минимальную твердость стали. При нагреве до температур, лежащих как ниже, так и выше этого интервала, твердость отожженной стали возрастает в связи с присутствием в структуре пластинчатого перлита.

Охлаждение заэвтектоидных углеродистых сталей при отжиге проводят со скоростями 20...50 град/ч. При больших скоростях охлаждения переохлаждение ниже критических точек оказывается значительным и диффузионное превращение протекает с образованием пластинчатого перлита. Чем меньше количество не растворившихся при нагреве карбидов и чем более однороден аустенит, тем ниже предельная скорость охлаждения, обеспечивающая образование зернистого перлита. Варьируя скорость охлаждения, можно в широких пределах изменять дисперсность карбидных частиц, а следовательно, и твердость стали. На практике подбирают такую скорость охлаждения, которая обеспечивает структуру и твердость, оговоренные ГОСТами или техническими условиями. Охлаждение с регламентированной скоростью обычно осуществляется до 600...500 °С, далее металл охлаждают ускоренно на воздухе.

Сл.22. Заэвтектоидные стали в целях получения зернистого перлита часто подвергают изотермическому отжигу. После нагрева в интервал А₁ – Ас_m их ускоренно подстуживают до 650...680 °С и делают выдержку в течение 2...4 ч, обеспечивающую завершение диффузионного превращения. Дальнейшее охлаждение может осуществляться на воздухе. При наличии достаточного количества не растворившихся при нагреве карбидов такой режим охлаждения обеспечивает формирование зернистого перлита. Изотермический отжиг имеет меньшую длительность, зернистый перлит получается более однородным, а также уменьшается опасность образования карбидной сетки. Следует лишь заметить, что надежно выдержать температурный режим изотермического отжига можно только при обработке изделий небольшого сечения.

Если однократного нагрева выше А₁ и последующего охлаждения недостаточно для получения структуры зернистого перлита, то можно применить маятниковый, или циклический отжиг, включающий несколько циклов нагрева и охлаждения (см. рис. 12.8). При обработке заэвтектоидных углеродистых сталей нагрев осуществляют до 780 °С, а охлаждение до 670...690 °С. При каждом нагреве растворяются в первую очередь пластинчатые карбиды, оставшиеся от предыдущего цикла обработки, и при последующем охлаждении все большее количество цементита будет выделяться на глобулярных частицах. После завершения последнего цикла охлаждение начиная с 600 °С можно проводить на воздухе. Маятниковый отжиг дает наилучшие результаты, но осуществить его в производственных условиях трудно.

Сл.23. Для получения структуры зернистого перлита в доэвтектоидных сталях чаще всего используют неполный отжиг с нагревом в интервал Ас₁ – Ас₃. Охлаждение при отжиге может осуществляться как непрерывно со скоростями порядка 20...50 град/ч, так и с изотермической выдержкой несколько ниже Ас₁, обычно при 680...700 °С. Нагрев доэвтектоидной стали выше Ас₁ сопровождается достаточно быстрым растворением цементита. Поэтому необходим режим нагрева, обеспечивающий высокую неоднородность аустенита. Тогда при распаде переохлажденного аустенита местами предпочтительного зарождения цементита будут служить участки аустенита с повышенным содержанием углерода и появятся условия для формирования зернистого перлита.

При нагреве сталей со структурой пластинчатого перлита до температур ниже Ас₁ процессы сфероидизации карбидов можно существенно интенсифицировать, проводя предварительную холодную пластическую деформацию. В деформированных сталях сфероидизация развивается при более низких температурах, завершается значительно быстрее и обеспечивает образование глобулярных карбидов, более однородных по размерам. При отжиге деформированных сталей может заметно ускоряться не только сфероидизация, но и коалесценция карбидов.

Холодная пластическая деформация как метод интенсификации сфероидизации карбидов нашла применение при производстве калиброванного подката и проволоки из доэвтектоидных сталей, которые подвергают волочению и отжигу, обеспечивающему не только снижение прочности, но и формирование структуры зернистого перлита.

Перспективным направлением ускорения сфероидизации карбидов является использование теплой пластической деформации. Режим обработки может включать аустенизацию и последующую пластическую деформацию с умеренными обжатиями как выше Ас₁ (730... 780 °С), так и несколько ниже ее (650...700 °С). Образовавшиеся при пластической деформации аустенита дислокации способствуют гетерогенному зарождению карбидов и получению при диффузионном превращении структуры мелкозернистого перлита.