Механические свойства сталей с феррито-перлитной структурой в существенной мере зависят от морфологии структурных составляющих - феррита и цементита. Особо неблагоприятные структурные формы:
Видманштеттов феррит снижает пластичность и увеличивает склонность к хрупкому разрушению доэвтектоидных сталей.
Карбидная сетка, видманштеттов цементит, а также грубая анормальная структура вызывают охрупчивание заэвтектоидных сталей.
Одна из целей отжига как предварительной технологической операции - формирование феррито-карбидных структур, оптимальных для проведения обработки резанием и холодной обработки давлением.
11
Полный отжиг
Цель – получение более однородной структуры, измельчение зерна, снижение твердости и улучшение обрабатываемости стали резанием, а также уменьшение уровня внутренних напряжений.
Температуры нагрева сталей при различных видах отжига.
1 – полный отжиг; 2 – нормализации; 3 – неполный отжиг; 4 – низкотемпературный отжиг
При отжиге углеродистых сталей температуру нагрева выбирают на 20...40°С выше точки Ас3.
Углеродистые стали обычно охлаждают с печью со скоростью 150...200 град/ч.
После отжига сталь имеет структуру, состоящую из избыточного феррита и пластинчатого перлита.
В легированных доэвтектоидных сталях образование аустенита происходит медленней, чем в углеродистых. Поэтому их нагрев для отжига осуществляется до более высоких температур, а длительность выдержки увеличивается. Легированные
стали охлаждают с меньшими скоростями |
|
(10... 100 град/ч). |
12 |
|
|
Для ускорения процесса отжига можно использовать изотермический отжиг.
Сокращается длительность технологического процесса.
Формируется более однородная структура по сечению изделия.
С понижением температуры изотермической выдержки возрастает дисперсность образующейся феррито-карбидной структуры, повышается твердость отожженной стали. Для снижения твердости нужно несколько увеличить длительность изотермической выдержки (происходит сфероидизация и коалесценция карбидов).
Схема охлаждения доэвтектоидной стали при полном отжиге с непрерывным охлаждением (1) и изотермическом отжиге
(2)
13
Неполный отжиг
Неполный отжиг используется для снижения твердости доэвтектоидных сталей и уменьшения внутренних напряжений. Он заключается в нагреве до температур, лежащих выше Ас1, но ниже Ас3, и последующем охлаждении с такой же скоростью,
что и при полном отжиге.
Температуры нагрева сталей при различных видах отжига.
1 – полный отжиг; 2 – нормализации; 3 – неполный отжиг; 4 – низкотемпературный отжиг
При таком режиме нагрева в аустенит полностью превращается лишь перлит, а избыточный феррит претерпевает частичное превращение.
Поэтому неполный отжиг может быть использован только в тех случаях, когда структура стали, сформировавшаяся при предшествующих технологических операциях, имеет достаточно мелкое зерно и в ней нет грубых ферритных образований. Снижение твердости, приводящее к улучшению обрабатываемости резанием, связано в основном с образованием при отжиге менее дисперсного перлита, чем исходный.
14
Низкотемпературный отжиг
Низкотемпературный отжиг заключается в нагреве до температур, лежащих несколько ниже точки Ас1. После окончания выдержки охлаждение обычно
производится на воздухе.
Температуры нагрева сталей при различных видах отжига.
1 – полный отжиг; 2 – нормализации; 3 – неполный отжиг; 4 – низкотемпературный отжиг
Такой отжиг применяется в основном для конструкционных легированных сталей в целях снижения твердости, что позволяет улучшить обрабатываемость резанием.
Оптимальные температуры нагрева зависят от химического состава сталей и составляют 650...700 °С.
Низкотемпературный отжиг позволяет смягчить любую сталь с любой исходной структурой. При такой обработке измельчение зерна не происходит.
Основные процессы: сфероидизация и коалесценция карбидной фазы и
полигонизация феррита.
15
Нормализация
При нормализации сталь нагревают до аустенитного состояния и после выдержки охлаждают на воздухе. Температуру нагрева выбирают на 30...50 °С выше точки Ас3 для доэвтектоидных сталей и точки Accm, для заэвтектоидных.
Температуры нагрева сталей при различных видах отжига.
1 – полный отжиг; 2 – нормализации; 3 – неполный отжиг; 4 – низкотемпературный отжиг
Нормализация используется для улучшения структуры и свойств углеродистых и низколегированных сталей с невысокой устойчивостью переохлажденного аустенита.
Диффузионное превращение при нормализации протекает при больших переохлаждениях, что обусловливает формирование более дисперсной феррито- карбидной структуры.
Кроме того, уменьшается количество избыточного феррита или избыточного цементита, а также и «меняется» содержание углерода в перлите, т.е. образуется квазиэвтектоид.
16
Вряде случаев нормализация обеспечивает формирование более благоприятной структуры, чем отжиг.
Внизкоуглеродистых сталях в результате ускоренного охлаждения при нормализации уменьшается вероятность образования структурно свободного цементита.
Всреднеуглеродистых сталях при такой обработке легче устраняются большие скопления ферритных зерен, что не всегда достигается при отжиге.
Нормализация горячекатаной стали в большей степени ослабляет проявление строчечности в структуре, связанной с предпочтительным выделением избыточного феррита на неметаллических включениях.
Твердость стали после нормализации выше, чем после обычного отжига.
Механические свойства стали 40Х после различных обработок
Режим обработки |
σ0,2, МПа |
σв, МПа |
δ,% |
ψ, % |
KCU, |
|
|
|
|
|
МДЖ/м2 |
Отжиг |
364 |
656 |
21.0 |
53.5 |
0.56 |
Нормализация |
450 |
754 |
20.9 |
56.0 |
0.78 |
Закалка и высокий |
765 |
876 |
22.5 |
67.5 |
1.68 |
отпуск |
|
|
|
|
|
17
Патентирование
Патентирование является разновидностью изотермической обработки, при которой распад переохлажденного аустенита осуществляют в нижней части температурного интервала диффузионного превращения.
Патентирование применяют при изготовлении проволоки в целях создания структуры, позволяющей осуществлять холодную пластическую деформацию с большими обжатиями и получать при этом высокий уровень прочностных свойств. Такой обработке подвергают углеродистые стали, содержащие 0.4...0.9 % С.
Аустенитизацию проволоки при патентировании проводят при температуре, превышающей принятую для обычных процессов термической обработки. Затем следует быстрое переохлаждение в соляных или свинцовых ваннах до температур 450...550 °С. Изотермическая выдержка должна обеспечить образование структуры пластинчатого перлита с очень малым межпластинчатым расстоянием.
В доэвтектоидных и заэвтектоидных сталях, где в результате быстрого
охлаждения не успевают образовываться избыточные фазы, такая структура является квазиэвтектоидной.
18
Тонкопластинчатый перлит может претерпевать без разрушения значительные пластические деформации. Поэтому проволоку после патентирования подвергают многократному холодному волочению с большими суммарными обжатиями. При волочении происходит интенсивное упрочнение патентированной проволоки, ее предел прочности может достигать 1500...2000 МПа и более в сочетании с удовлетворительной пластичностью.
С ростом содержания углерода в стали температура изотермической выдержки повышается.
Чем больше диаметр проволоки, тем ниже выбирается температура патентирования. При проведении патентирования не допускается образование избыточных фаз, а также бейнита и мартенсита, снижающих пластичность стали.
19
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 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. Используется редко.
20