3.2.1. Отжиг сталей

Отжиг является весьма распространенной операцией термической обработки сталей и чугунов. В зависимости от назначения отжига ре­жимы его могут быть различными. При отжиге сталь нагревают ниже или выше температур критических точек, выдерживают при этой тем­пературе и затем медленно охлаждают (обычно вместе с печью). В ре­зультате получается стабильная структура. Отжиг применяют для уст­ранения неоднородности микроструктуры литых деталей, для снятия наклепа в материале после прокатки, ковки и других видов обработ­ки, а также для подготовки детали к последующей технологической операции (резанию, закалке и т. д.). Температурные области нагрева для диффузионного, рекристаллизационного отжига и отжига для снятия остаточных напряжений в соответствии с диаграммой состоя­ния Fe-Fe3C указаны на рис. 3.1.

Диффузионный отжиг {гомогенизацию) применяют для устранения дендритной ликвации в стальных слитках и отливках. Его также назна­чают для повышения пластичности и вязкости легированных сталей, что достигается за счет более благоприятного распределения избыточ­ных карбидов в результате их частичного растворения и коагуляции. Схема технологического процесса включает нагрев до температуры примерно 1100 °С, длительную выдержку (в течение 8...20 ч) и медлен­ное охлаждение. Однако из-за высоких температур гомогенизации происходит рост зерна стали. Для устранения этого недостатка требует­ся дополнительно проводить полный отжиг или нормализацию.

Рекристаллизационный отжиг применяют для снятия наклепа и повышения пластичности холоднодеформированной стали. Схема технологического процесса включает нагрев до температур, превы­шающих порог рекристаллизации (650...760 °С), выдержку в течение 0,5...1,5 ч и последующее медленное охлаждение. В процессе такого отжига вытянутые в результате деформации зерна феррита становятся равноосными, а также происходит коагуляция и сфероидизация час-, тиц цементита, в результате чего повышается пластичность сталей.

Отжиг для снятия остаточных напряжений применяют для сталь­ных изделий после литья, сварки или механической обработки. Оста­точные напряжения возникают из-за неравномерного охлаждения, не­однородности пластической деформации и могут вызывать изменение размеров, коробление изделий в процессе обработки, эксплуатации или хранения. Схема технологического процесса включает нагрев до 160...700 °С, выдержку в течение 2...3 ч и последующее медленное ох­лаждение. Выбор температуры зависит от вида предшествующей обра­ботки: после резания - при 570...600 °С, сварки - 650...700, шлифова­ния- 160... 180 °С.

Для получения равновесной структуры с целью снижения твердо­сти, повышения пластичности и вязкости стали, улучшения обраба­тываемости, измельчения зерен отжиг проводят при температурах выше точек Асъ или Асх и подразделяют на полный, неполный и изо­термический.

Полный отжиг применяют для перекристаллизации всей структу- • ры доэвтектоидной стали с целью измельчения зерна ферритной и перлитной составляющих и снятия остаточных напряжений. Схема технологического процесса включает нагрев стальных деталей на 30...50 °С выше точки Асъ, выдержку при этой температуре и после­дующее медленное охлаждение вместе с печью (рис. 3.7, а). При этом образуется мелкозернистый аустенит, обусловливающий получение перлита с мелким зерном, что обеспечивает высокую вязкость и пла­стичность стали.

Рис. 3.7. Режим отжига стали: ~ а - полный; б - нормализационный

Разновидностью полного отжига является нормализационный (норма­лизация). Отжиг в этих случаях обязательно сопровождается а <-»^-фа­зовыми превращениями.

Нормализационный отжиг применяется для получения мелко­зернистой однородной структуры, устранения цементитной сетки в структуре заэвтектоидной стали, частичного снятия внутренних напряжений и наклепа, улучшения штампуемости и обрабатываемо­сти резанием. Схема технологического процесса включает нагрев на 30...50 °С выше Асг для доэвтектоидных или выше АсСТ для заэвтекто-идных сталей, выдержку в течение 0,5...3 ч с последующим охлажде­нием на воздухе (рис. 3.7, б). Нормализация - более экономичная термическая операция, чем отжиг, так как ускоренное охлаждение на воздухе приводит к сокращению времени, затрачиваемого на охлаж­дение деталей. Кроме того, нормализация приводит к получению ста­лей более высокой прочности, так как распад аустенита происходит при более низких температурах, что повышает дисперсность ферри-тоцементитной смеси. Эту особенность охлаждения на воздухе ис­пользуют для среднеуглеродистых сталей, чтобы заменить улучшение (для изделий неответственного назначения). Нормализацию с после­дующим высоким отпуском (600...650 °С) часто используют для ис­правления структуры легированных сталей вместо полного отжига, что обеспечивает повышение производительности.

Неполный отжиг применяется для улучшения обрабатываемости резанием и получения зернистого перлита в структуре заэвтектоид-ных сталей. Схема технологического процесса включает нагрев на 30...50 °С выше точки Acv выдержку и последующее медленное охла­ждение. Следует отметить, что в доэвтектоидных сталях при неполном отжиге происходит частичная перекристаллизация, так как перлит превращается в аустенит полностью, а избыточный феррит - лишь частично. Поэтому доэвтектоидные стали подвергают неполному от­жигу тогда, когда необходима перекристаллизация только перлитной составляющей структуры стали.

Эвтектоидная и заэвтектоидная стали подвергаются только непол­ному отжигу, так как при этих температурах происходит практически полная перекристаллизация перлита, который приобретает зернистое строение вместо пластинчатого. Зернистое строение обеспечивается тем, что при небольшом превышении температуры нагрева над Ас^ ау­стенит сохраняет неоднородность и частицы не полностью раство­рившегося цементита служат зародышами при последующей кри­сталлизации перлита из аустенита в процессе охлаждения стали.

Для получения структуры зернистого перлита температуру нагре­ва выбирают в диапазоне 750...760 °С для эвтектоидных сталей и 770...790 °С для заэвтектоидных. Охлаждение выполняют с малой ско­ростью до температуры образования карбидов, выдерживают при этой температуре 1...3 ч, а затем быстро охлаждают на воздухе. Стали со структурой зернистого перлита лучше обрабатываются резанием, так как имеют более низкую твердость (160...180 НВ), чем стали с пла­стинчатым перлитом (180...250 НВ). Так как при этом виде отжига по­лучается зернистая (сфероидальная) форма частичек цементита, его называют сфероидизирующим.

Изотермический отжиг применяется для измельчения зерна, сниже­ния твердости и снятия внутренних напряжений. При этом в 2...3 раза сокращается длительность технологического процесса^ что особенно важно при отжиге больших поковок из легированных сталей. Схема технологического процесса включает нагрев деталей до температур вы­ше точки Ас} на 20...30 °С, выдержку и последующее сравнительно бы­строе охлаждение до температур 680...620 °С (ниже температуры точ­ки у4г на 50... 100 °С) и выдержку при этой температуре до полного рас­пада аустенита, после чего детали охлаждают на воздухе.

Для ускорения процесса отжига температуру изотермической выдержки выбирают близкой к температуре минимальной устойчи­вости переохлажденного аустенита в перлитной области. Это приво­дит к получению более однородной ферритно-перлитной структуры, так как при изотермической выдержке температура по сечению изде­лия выравнивается и превращение по всему объему детали происхо­дит при одинаковой степени переохлаждения.