4.2 Отжиг и нормализация

На рис.4.11 приведены изделия для которых требуется провести отжиг первого рода.

Отжиг – термическая обработка, в результате которой металлы или сплавы приобретают структуру, близкую к равновесной: отжиг вызывает разупрочнение металлов и сплавов, сопровождающееся повышением пластичности и снятием остаточных напряжений.

Температура нагрева при отжиге зависит от состава сплава и конкретной разновидности отжига; скорость охлаждения с температуры отжига обычно не велика, она лежит в пределах 30 – 200 ^о С/ч.

Отжиг первого рода проводят независимо от того, происходят ли в сплавах фазовые превращения в твёрдом состоянии или нет. Такую обработку применяют, например, для уменьшения остаточных напряжений в изделиях, рекристаллизации пластически деформированных полуфабрикатов, уменьшения внутрикристаллической ликвации в слитках и отливках. Соответствующие операции термической обработки являются разновидностями отжига (отжиг первого рода).

а б

c

Рис.4.11 Изделия для которых необходимо провести отжиг первого рода:

а – устранить ликвацию; б – устранить наклёп; с – устранить сварочные напряжения

Диффузионный отжиг (гомогенизация).

В реальных условиях охлаждения расплава кристаллизация твёрдых растворов чаще всего протекает не равновесно: диффузионные процессы, необходимые для выравнивания концентрации растущих кристаллов по объёму, отстают от процесса кристаллизации. В результате сохраняется неоднородность состава по объёму кристалла – внутрикристаллическая ликвация: сердцевина кристаллов обогащена тугоплавким компонентом сплава, а наружные части кристаллов обогащены компонентом, понижающим температуру плавления.

Внутрикристаллическая ликвация, особенно в случае появления в структуре эвтектической составляющей, затрудняет последующую обработку давлением, так как снижается пластичность сплавов.

Диффузионным отжигом называют длительную выдержку сплавов при высоких температурах, в результате которой уменьшается ликвационная неоднородность твёрдого раствора. При высокой температуре протекают диффузионные процессы, не успевшие завершиться при первичной кристаллизации.

В стальных слитках в результате диффузионного отжига достигается более равномерное распределение фосфора, углерода и легирующих элементов в объёме зёрен твёрдого раствора.

Диффузионный отжиг стальных слитков ведут при температуре 1100 – 1300^оС с выдержкой 20 – 50 ч.

Диффузионный отжиг слитков алюминиевых сплавов проводят при температуре 420 – 520^оС с выдержкой 20 – 30 ч для устранения ликвации.

Рекристаллизационный отжиг.

Нагрев деформированных полуфабрикатов или деталей выше температуры рекристаллизации называют рекристаллизационным отжигом; в процессе выдержки происходит главным образом рекристаллизация.

Температура отжига обычно выбирают на 100 – 200^оС выше температуры рекристаллизации. Скорость охлаждения при этой разновидности отжига не имеет решающего значения (обычно на спокойном воздухе).

Цель отжига – понижение прочности и восстановление пластичности деформированного металла, получение определённой кристаллографической текстуры, создающей анизотропию свойств, и получения заданного размера зерна.

Нагрев для снятия остаточных напряжений.

Значительные остаточные напряжения возникают в отливках и полуфабрикатах, неравномерно охлаждающихся после прокатки или ковки, в холоднодеформированных полуфабрикатах или заготовках, в прутках в процессе правки, в сварных соединениях, при закалке и т.п.

Остаточные напряжения могут вызвать деформацию деталей при обработке резанием или в процессе эксплуатации, а суммируясь с напряжениями от внешних нагрузок, привести к разрушению или к короблению конструкции; увеличивая запас упругой энергии (например, сварной конструкции), остаточные напряжения повышают вероятность хрупкого разрушения. Во многих сплавах они вызывают склонность к растрескиванию в присутствии коррозионно-активной среды. По величине остаточные напряжения могут достигать предела текучести.

В стальных и чугунных деталях значительное снижение остаточных напряжений происходит в процессе выдержки при температуре 450^оС; после выдержки при температуре 600^оС напряжения понижаются до очень низких значений. Время выдержки устанавливается от нескольких до десятков часов и зависит от массы изделия.

В сплавах на основе меди и алюминия существенное уменьшение остаточных напряжений происходит при температурах 250 – 350^оС.

По окончании выдержки при заданной температуре изделия медленно охлаждают, чтобы предотвратить возникновение новых напряжений. Допустимая скорость охлаждения зависит от массы изделия, его формы и теплопроводности материала; она обычно лежит в пределах 20 – 200^оС/ч.

Существует несколько разновидностей отжига, из них для конструкционных сталей наибольшее применение находит перекристаллизационный (полный) отжиг. Для инструментальных сталей – сфероидизирующий.

Перекристаллизационный отжиг проводят для снижения твёрдости, повышения пластичности и получения однородной мелкозернистой структуры. Одновременно при отжиге полностью снимаются остаточные напряжения.

Характерный структурный дефект стальных отливок – крупнозернистость (видманштеттовая структура) рис.4.12.

Размер зерна аустенита, образующегося после обработки давлением, как показывает опыт, определяется температурой окончания обработки.

При Т_обр выше А₃ образуется крупнозернистый аустенит, и после охлаждения – грубая структура продуктов распада.

Рис.4.12 Структура стали 50. х 100:

а – крупнозернистая; б — видманштеттовая, в – после отжига

При Т_обр между А₃ и А₁ возникает строчечность в расположении структурных составляющих – феррита и перлита, что обуславливает значительную анизотропию свойств.

Строчечность структуры, вызванная неметаллическими включениями, не исправляется отжигом (рис.4.13).

Рис.4.13 Макроструктура неметаллических включений

Скорость охлаждения при отжиге выбирают, в зависимости от степени легирования стали. Углеродистые стали получаются достаточно мягкими при скорости охлаждения 100 -200⁰С/час. Легированные стали с более устойчивостью переохлаждённого аустенита нужно охлаждать медленнее, со скоростью 20 – 70⁰С/час. Высоколегированные стали экономичнее подвергать изотермическому отжигу, т.е. дать выдержку при температуре немного меньше А₁, чтобы получить продукты распада аустенита с низкой твёрдостью.

Охлаждение при отжиге чаще всего проводят вместе с печью.

Сфероидизирующий отжиг инструментальных сталей (сфероидизация).

Высокое содержание углерода (от 0,7 до 2%) обуславливает высокую твёрдость инструментальных сталей, что затрудняет их обработку резанием. Для снижения твёрдости и подготовки структуры к закалке такие стали отжигают. После отжига получается структура зернистого перлита, отсюда и название отжига – «сфероидизация».

Отжиг проводят при нагреве сталей до температуры немного выше, чем А₁, (750 – 770⁰С) и последующего медленного охлаждения или изотермической выдержки при субкритической температуре 650 – 680⁰С (рис.4.14).

Низко-, средне- и высоколегированные инструментальные стали сфероидизируют аналогичным образом, однако чаще вместо непрерывного охлаждения от температуры нагрева используют субкритические изотермические выдержки.

Рис.4.14 Сфероидизирующий отжиг заэвтектойдных сталей

Изотермический отжиг. Отличительной особенностью изотермического отжига является то, что при его проведении распад аустенита на ферритно-цементитную смесь происходит при постоянной температуре. При других видах отжига такой распад происходит в период охлаждения в условиях непрерывного снижения температуры. После того как уже произошел распад аустенита, скорость охлаждения не имеет существенного значения, и поэтому охлаждение после изотермической выдержки можно проводить на воздухе. Это дает определенные преимущества. Во-первых, сокращается длительность процесса, особенно для легированных сталей, для которых при обычном отжиге требуется очень медленное охлаждение. Во-вторых, структура получается более однородной, поскольку превращение аустенита в перлит происходит при одной и той же температуре, а не в интервале температур, как при обычном отжиге.

Нормализация сталей. Нормализация отличается от отжига в основном условиями охлаждения; после нагрева до температуры на 50 – 70⁰С выше А₃ для доэвтектойдных и А_ст для заэвтектойдных сталей охлаждают на спокойном воздухе (рис.4.15). Преимущества нормализации перед отжигом:

• нормализация – более экономичная термическая операция, чем отжиг, так как меньше времени затрачивается на охлаждения стали.

• нормализация – обеспечивает полную перекристаллизацию структуры, приводит к получению более высокой прочности стали, так как распад аустенита происходит при более низких температурах.

• нормализация – позволяет несколько уменьшить анизотропию свойств, вызванную наличием в горячедеформированной, стали вытянутых неметаллических включений. При ускоренном охлаждении возникает больше самопроизвольно образующихся центров кристаллизации, поэтому строчечность структуры менее резко выражена (рис.4.16).

Рис.4.15 Температурный интервал нагрева сталей под нормализацию

Рис.4.16 Различие структур после нормализации и отжига

Свойства нормализованных горячекатаных полуфабрикатов существенно зависят от сечения: чем меньше сечение, тем быстрее произойдёт охлаждение на спокойном воздухе и тем выше будет прочность, стали.

Надо помнить, что легированные конструкционные стали с повышенной устойчивостью переохлаждённого аустенита после нормализации, приобретают высокую твёрдость, затрудняющую последующую обработку резанием. В связи с этим после нормализации проводят отпуск при температурах, обеспечивающих получение требуемой твёрдости (650 – 750⁰С), в зависимости от состава стали.