Раздел 2. Технология термической обработки

2.1. Отжиг

Отжигом называется термическая обработка, в процессе которой производится нагрев деталей из стали до требуемой температуры с последующей выдержкой и медленным охлаждением в печи для получения однородной, рав­новесной, менее твердой структуры, свободной от остаточных на­пряжений и с минимальной плотностью дислокаций (10⁶ - 10⁷ см^-2).

Наиболее распространенной разновидностью отжига является обыкновенный отжиг, который производится с целью смягчения стали перед механи­ческой обработкой и подготовки ее структуры к окончательной обработке, состоящей из закалки и отпуска. 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.

В ряде случаев, когда получающиеся после отжига свойства обеспечи­вают долголетнюю службу детали, он оказывается окончательным видом термообработки. При обыкновенном отжиге сталь нагревается до температу­ры на 30÷50°С выше линии GSK, выдерживается при этой температуре до полного завершения структурно-фазовых превращений и охлаждается с очень высокой скоростью (менее 100°С/ч) в камере печи с отключенными источниками теплоты.

Заэвтектоидную сталь при от­жиге нельзя нагревать выше точки А_ст (линия SE), так как образующая­ся при очень медленном охлаждении вокруг зерен перлита цементитная сетка затрудняет механическую обра­ботку заготовки резанием и охрупчивает сталь. Умягчению стали при от­жиге способствует очень малая плот­ность дислокаций.

Диффузионный отжиг, или гомогенизация, является разновидностью отжига, применяемого с целью устранения в легированной стали (как и в других сплавах) дендрит­ной ликвации.

При диффузионном отжиге с целью интенсификации диффузионных процессов сталь нагревается до 1000÷1100°С и подвергается длительной выдержке (18÷24 ч). Для устранения крупнозернистости после гомогениза­ции производится обыкновенный отжиг, или нормализация.

Рекристаллизационный отжиг производит­ся с целью устранения наклепа холоднодеформированного металла. На­помним, что наклепанный металл очень тверд и хрупок, его кристалли­ческая решетка вследствие высокой плотности дислокаций и наличия большого числа других дефектов (вакансий, перемещенных в междоуз­лия атомов), а также из-за искажений и больших внутренних напряжений находится в неравновесном состоянии, обладая большим запасом избы­точной свободной энергии. В сильно наклепанном металле из-за слияния дислокаций в местах их скопления наблюдаются опасные дефекты - зародыши трещин.

Следовательно, в ряде случаев наклеп приходится устранять. Для этого требуется нагрев, стимулирующий диффузионные процессы. Наклеп можно устранить, применяя уже рассмотренный обыкновенный отжиг. Однако рекристаллизационный отжиг из-за значительно более низкой температуры и намного меньшей продолжительности его проведения при практически оди­наковых результатах более предпочтителен.

Температура нагрева при этом виде отжига выбирается на 150÷250°С выше температуры рекристаллизации обрабатываемого сплава. Это наи­меньшая температура, необходимая для протекания в наклепанном металле процессов, возвращающих ему исходные (до деформации) значения характе­ристик механических и других свойств.

Температура рекристаллизации зависит от состава сплава и связана с температурой его плавления уравнением Т_р = αТ_пл (где Т_пл выражена в К; α - коэффициент, зависящий от природы сплава). Для углеродистых сталей и не сложных по составу сплавов он составляет 0,4, а у легированных сталей и сложных сплавов твердых растворов достигает 0,6÷0,8.

Рекристаллизационный отжиг углеродистой стали производится при температуре нагрева в пределах 600÷700°С.

Во время нагрева и выдержки в холодноде-формированном металле про­исходят рекристаллизационные процессы, суть которых сводится к таким следующим друг за другом по мере нагрева и выдержки явлениям, как анни­гиляция (самоликвидация) противоположных по знаку дислокаций, выстраи­вание дислокационных стенок (из леса дислокаций) и, наконец, зарождение и рост новых равновесных зерен. Причем если первые два явления происходят при Т < Т_р, то зарождение новых зерен происходит только при Т > Т_р.

Заметное укрупнение рекристаллизованных зерен за счет поглощения более крупными зернами соседних мелких (собирательная рекристаллиза­ция) происходит по окончании процесса формирования новых зерен из мате­риала разрушенных старых. Для этого требуются продолжительные выдерж­ки при повышенных температурах.

В рекристаллизованном металле плотность дислокаций составляет 10⁷ см^-2, поэтому он имеет низкие прочностные характеристики и высокую пластичность. Наклеп необходимо устранять после холодной обработки металла дав­лением, производимой при Т< Т_р (ковка, штамповка, тонколистовая прокат­ка и в других случаях).