4. 2 Отжиг и нормализация

4.2.1. Отжиг

Это процесс термической обработки, состоящий в нагреве стали до определенной тем­пературы, выдержке при ней и последующем медленном охлаждении с целью получения более равновесной структуры. Особенностью отжига является медленное охлаждение.

В зависимости от того, какие свойства стали требуется получить, применяют различные виды отжига (рис. 4.3):

1 - диффузионный; 2 - пол­ный; 3 - изотермический; 4- неполный; 5 - сфероидизирующий; 6 - рекристаллизационный.

Диффузионный отжиг (гомогенизи­рующий) - применяют для уменьшения химиче­ской неоднородности стальных слитков и фасонных отливок. Слитки (отливки), особенно из легированной стали, имеют неоднородное строение. Неоднородность строения обусловлена карбид­ной и дендритной ликвациями, так как в местах образования карбидов или в средней части дендритов возникают скопления легирующих элемен­тов. Для выравнивания химического состава слиток или отливку нагревают до высокой темпе­ратуры, при которой атомы элементов приобрета­ют большую подвижность. Благодаря этому происходит перемещение атомов из мест с большей концентрацией химических элементов в места с меньшей концентрацией. В результате такой диф­фузии обеспечивается выравнивание химического состава слитка или отливки по объему.

Для обеспечения необходимой скорости диф­фузии атомов отжиг стали проводят при высокой температуре (1100 -1200°С) с выдержкой 10 - 20 ч (рис. 4.3, кривая 1).

Полный отжиг (рис. 4.3, кривая 2, рис..4.4) при­меняют для доэвтектоидной стали в основном после горячей обработки поковок давлением и отливок с целью измельчения зерна и снятия внутренних напряжений. Это достигается нагре­вом стали на 30 - 50° С выше верхней критиче­ской точки Ас₃ и медленным охлаждением.

Рис. 4.4. Схема полного отжига (а) и изотермическая диаграмма распада аустенита (б) угле­родистой стали: 1 - охлаждение при отжиге; 2 - охлаж­дение при нормали­зации

При нагреве стали выше температуры Ас₃ пер­лит превращается в аустенит. Это происходит пу­тем образования в начальной стадии мельчайших зародышей кристалликов аустенита и постепен­ного их роста по мере повышения температуры. При небольшом превышении температуры Ас₃ (на 30 - 50°С) образовавшиеся кристаллики аус­тенита остаются еще мелкими. В дальнейшем, при охлаждении ниже температуры Ac₁, образу­ется однородная мелкозернистая структура ферритно - перлитного типа. При этом в пределах од­ного аустенитного зерна возникает несколько перлитных зерен, которые значительно мельче, чем аустенитное зерно, из которого они образова­лись.

Температуру нагрева деталей, изготовленных из углеродистых сталей, определяют по диаграм­ме состояния, а для легированных ста­лей - по положению их критической точки Ас₃, имеющейся в справочных таблицах.

Время выдержки при отжиге складывается из времени, необходимого для полного прогрева де­тали, и времени, нужного для окончания структурных превращений.

Рис. 4.5 - Микроструктура стали, содержащей 0,4 % С; зерна феррита и перлита: после диффузионного отжига (а); после полного отжига (б

Неполный отжиг (рис. 4.3, кривая 4) обеспечивается при нагреве изделий из заэвтектоидной стали выше температуры Ас ₁ на 30 - 50°С, выдержке и последующем медленном охлажде­нии.

При неполном отжиге происходит снятие внутренних напряжений, снижение твердости, повы­шение пластичности, улучшение обрабатывае­мости резанием. Поскольку температура нагрева требуется меньшая, чем при полном отжиге, то на обработку тратится меньше времени и тепло­ты, что обеспечивает экономичность процесса.

Неполному отжигу подвергают высокоуглеро­дистые заэвтектоидные стали и стали инструмен­тальные, шарикоподшипниковые и др.

Изотермический отжиг (рис. 4.3, кривая 3) от­личается от других видов отжига тем, что распад аустенита на ферритно – цементитную смесь происходит при постоянной температуре.

Изотермический отжиг заключается в том, что сталь нагревают до температуры на 30 – 50 °С вы­ше точки Ас₃ (конструкционные стали) и выше точки Ac₁ на 50 - 100°С (инструментальные ста­ли). После выдержки сталь медленно охлаждают в расплавленной соли до температуры несколько ниже точки Ar₁ (680 -700 °С). При этой температуре сталь подвергают изотермической выдержке до полного превращения аустенита в перлит, а затем охлаждают на спокойном воздухе.

На рис. 4.6 приведена диаграмма изотермического образования аустенита для стали с 0,8 % С.

Превращение начинается с зарождения центров аустенитных зерен на поверхности раздела феррит - цементит (рис. 4.6, а). Экспериментально аустенит обнаруживается уже при неболь­ших перегревах (выше 727°С) и очень малых выдержках. Это объясняется тем, что в стали поверхность раздела феррит - цементит сильно развита.

Время превращения перлита в аустенит при изотермической выдержке существенно зависит от температу­ры. Это наглядно показывают кривые начала (1) и конца (2) превращения (рис. 4.6). Объясняется это тем, что с увеличением степени перегрева относительно А₁ уменьшается размер критического зародыша аустенита, увеличивается скорость возникновения зародышей и линейная скорость их роста.

Правее линии происходит образование зародышей аустенита на поверхности раздела феррита и цементита в перлите (схема А). Образующиеся зерна аустенита вначале имеют такую концентрацию углерода, как и исходная фаза – феррит, так как полиморфное превращение протекает с большей скоростью, чем диффузия углерода. Затем в аустените начинает растворяться вторая фаза перлита - цементит (рис. 4.6), область между линиями 2 и 3, схемы б, в), содержание углеро­да в аустените увеличивается. К концу превращения в тех местах, где находились пластинки цементита, концентрация углерода в аустените становится более высо­кий по сравнению с участками, в которых до превраще­ние был феррит. Поэтому для выравнивания состава аустенита требуется некоторое время, зависящее от температуры - чем выше температура, при которой совер­шалось превращение П → А, тем быстрее завершится диффузионный процесс перераспределения углерода в аустените (с ростом температуры нагрева уменьшается скачок концентраций на границе аустенит – феррит – линии GP и GS сближаются).

Влияние скорости нагрева на продолжительность превращения характеризуется лучами υ₁ и υ₂. При меньшей скорости нагрева (луч υ₂₎ превращение П – А произойдет при более низких температурах по сравнению с более быстрым нагревом (луч υ₁).

На скорость превращения перлита в аустенит влияет также степень дисперсности перлита — чем мельче пластинки цементита, тем быстрее образуется аустенит, так как и атом случае больше межфазная поверхность феррита с цементитом. Перлито - аустенитное превраще­ние сопровождается уменьшением удельного объема примерно на 1%, поэтому происходит фазовый наклеп аустенита, т. е. деформация его кристаллической решетки.

Рис. 4.6. Диаграмма изотермического образования аустенита:

1. Начало образования аустенита; 2- конец превращения перлита в аустенит; 3 – полное растворение цементита; а-б – точки начала превращения перлита в аустенит при нагреве со скоростью υ₁ и υ₂ (υ₁ > υ₂); А, Б, В, Г – последовательные стадии превращения перлита в аустенит

Таким образом, превращение совершается только в стали эвтектоидного состава. Доэвтектоидные стали пос­ле нагрева выше Ас₁ состоят из аустенита и феррита и только после нагрева выше Ас₃ (линия GOS) сталь приoбретает строение однородного аустенита..

При нагреве заэвтектоидной сталей выше Ас₁ вначале преврашение протекает так же, как и в эвтектоидных сталях, т.е. перлит будет превращаться в аустенит. За­тем по мере дальнейшего нагревания в аустените посте­пенно растворяется Ц₁₁. Выше температуры А_ст (линия SE) этот процесс заканчивается и сталь также приобре­тает однофазную структуру аустенита.

В углеродистых сталях образование аустенита и его гомогенизация протекают достаточно быстро - в течение нескольких минут. В легированных сталях для этих про­цессов требуется больше времени, так как концентрация легирующих элементов в феррите и карбидах различ­на, и поэтому образующийся аустенит неоднороден не только по углероду, но и по концентрации легирующих элементов, скорость диффузии которых на несколько по­рядков меньше скорости диффузии углерода.

Начальные зерна аустенита всегда мелкие, так как в каждой перлитной колонии одновременно зарождается несколько центров кристаллизации аустенита (рис. 4.6). При дальнейшем нагреве зерна аустени­та растут, причем в различных сталях с различной ско­ростью

Такие элементы, как ванадий, титан, молибден, воль­фрам, алюминий, уменьшают склонность к росту зерна аустенита, а марганец и фосфор увеличивают ее. Заэвтектоидные стали, как правило, менее склонны к росту зерна. Условия выплавки стали также имеют большое значение.

При последующем охлаждении происходит превращение аустенита в перлитные, феррито - перлитные и цементито - перлитные зерна.

Так для эвтектоидной стали (0,8 % С) в результате превращения аустенита образуется механическая смесь двух фаз – феррита и цементита, состав которой отличается от состава исходного аустенита. Исходный аустенит содержит 0,8 % С, а образующиеся фазы – феррит ~ 0,02 % с, цементит 6,67 % С.

При образовании из аустенита перлита ведущей фазой является цементит (в зерне аустенита всегда имеются флуктуационные обогащения углеродом, особенно вблизи границ зерна).

Зарождение цементитного зародыша облегчено на гра­нице аустенитных зерн, так как здесь меньше работа образования критического зародыша. Образовавшаяся пластинка цементита растет, удлиняется и тем самым обедняет соседние участки аустенита углеродом. Поэто­му рядом с пластинкой цементита - вдоль нее - образу­ется пластинка феррита. Такой кооперативный рост двухфазной колонии в результате диффузионного пере­распределения компонентов - наиболее характерная особенность перлитного превращения. Перлит занимает объем больше, чем аустенит, поэтому по мерее роста перлитной колонии в аустените возникают напряжения. Это вызывает образование пластинок перлита уже с другой ориентацией (рис. 4.7, рис. 4.8).

Рис. 4.7. Схема образования перлита

Поскольку с увеличением степени переохлаждения растет число зародышей новых зерен, количество феррито-цементитных плстинок увеличивается₌, а их раз­меры и расстояния между ними сильно сокращаются. Дисперсность образующихся фаз увеличивается также и вследствие уменьшена скорости диффузии с переох­лаждением.

По мере снижения температуры изменяется степень дисперсности карбидной составляющей, что влияет на структуру и механические свойства стали, табл. 4.1. Происходит постепенный переход перлит- сорбит - тростит (механическая смесь феррита и цементита). Резкой разницы между П, С, Т не существует.

Таблица 4.1. Твердость фаз перлит, сорбит, тростит

Tпревр,0С	τ.превр. , с	Структуры	d, мм	Твердость, НВ
700	600	П.п.	1,0 – 0,77	200
675	30	Т.п.	~0,5	250
650- 600	10	С	0,4 – 0,25	300
600- 550	5	Т	~0,1	400

Примечание. П.н. – пластинчатый перлит; Т.п. – тонкопластинчатый перлит; С – сорбит; тростит

Рис. 4.8. Структура эвтектоидной стали в зависимости от температуры распада аустенита. Х100: а-в – перлит; г- сорбит; д- е - тростит

При больших степенях переохлаждения, например при 230⁰С для эвтектоидной стали, аустенит находится в неустойчивом состоянии. Скорость диффузии углерода мала. Весь углерод, растворенный в решетке аустенита, остается в решетке феррита. Так как максимальная растворимость углерода в α – железе не превышает 0,02 %, а в исходной фазе – аустените - может содержаться до 2,14 % С, то образуется пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в α – железе, называемый мартенситом , рис. 9.

При образовании мартенсита решетка α – железе сильно искажается, превращаясь из кубической в тетрагональную.

При других видах отжига такой распад происходит в период охлаждения в условиях непрерывного снижения температуры

Изотермический отжиг сокращает продолжительность термической обработки неболь­ших по размерам изделий из легированных сталей в 2 - 3 раза по сравнению с полным отжи­гом. Для крупных изделий такого выигрыша по времени не получается, так как требуется боль­шое время для выравнивания температуры по объему изделия. Изотермический отжиг является лучшим способом снижения твердости и улучше­ния обрабатываемости резанием сложнолегированных сталей, например, 18Х2НЧВА.

Рис. 4.9. Схема перестройки решетки аустенита в решетку мартенсита

( Х – атом углерода)

Сфероидизирующий отжиг (рис. 4.3, кривая 5) обеспечивает превращение пластинча­того перлита в зернистый, сфероидизированный. Это улучшает обрабатывамость сталей резанием.

Отжиг на зернистый перлит производят по режи­му: нагрев стали немного выше точки Ac₁ с по­следующим охлаждением сначала до 700°С. за­тем до 550—600°С и далее на воздухе. Сфероидизирующий отжиг применяют для сталей, содер­жащих более 0,65 % углерода, например шарико­подшипниковые стали типа ШХ15.

Рекристаллизационный отжиг (рис. 4.3, кривая 6) применяют для снятия накле­па, вызванного пластической деформацией ме­талла при холодной прокатке, волочении или штамповке. Наклепом называют упрочне­ние металла, появляющееся в результате холод­ной пластической деформации металла.

При холодной прокатке, штамповке, волоче­нии зерна металла деформируются, дробятся. Это повышает твердость металла, снижает его пластичность и вызывает хрупкость. В этом и заключается сущность наклепа.

Рекристаллизационный отжиг выполняют пу­тем нагрева до температуры ниже Ас ₁ (650 - 700°С), выдержки и последующего замедленного охлаждения. При нагреве металла до 650 - 700°С возрастает диффузионная подвижность атомов и в твердом состоянии происходят вторичные кристаллиза­ционные процессы (рекристаллизация). На грани­цах деформированных зерен возникают новые центры кристаллизации, вокруг которых заново строится решетка. Вместо старых деформирован­ных зерен вырастают новые равноосные зерна и деформированная структура полностью исчезает. При этом восстанавливаются первоначальная структура и свойства металла.