Подпишитесь на обновления сайта. Получайте новые статьи на почту:

Отжиг стали

Нужен отжиг деталей (металла)? НТУ ХПИ качественно  выполнит любые виды отжига стали.

 

Знания касающиеся отжига стали Вы можете почерпнуть из статьи.

 

Введение

 

Сплавы железо – углерод, к которым относятся и стали могут находиться в различном структурном и фазовом состоянии (рис 1). К сталям принято относить сплавы железо – углерод содержащие от 0 до 2,14 % С. Увеличение содержания углерода изменяет структуру и свойства сталей в очень широких пределах, поэтому стали принято делить на доэвтектоидные (0 – 0,78 % С), эвтектоидные (около 0,78 % С ) и заэвтектоидные (0 – 2,14 % С).

 Фазовое состояние доэвтектоидных, эвтектоидных и заэвтектоидных сталей

Рис 1. Фазовое состояние доэвтектоидных, эвтектоидных и заэвтектоидных сталей, приведенное на фрагменте диаграммы состояния железо – углерод.

 

Отжиг стали

 

Отжиг I рода

 

В зависимости от исходного состояния обрабатываемой стали и температуры выполнения отжига отжиг I рода может включать процессы гомогенизации, рекристаллизации и снимать остаточные напряжения. Характерной особенностью отжига I рода является то, что указанные процессы идут независимо от того протекают ли в сплаве при этом фазовые превращения или нет. Поэтому отжиг I рода может производиться при температурах лежащих выше или ниже температур фазовых превращений.

Этот вид отжига преимущественно предназначен для того чтобы устранять химическую или физическую неоднородность сплавов, созданную предшествующим технологическим переделом.

 

Диффузионный отжиг (гомогенизация)

 

Диффузионный отжиг назначается для выравнивания химического состава стали по сечению за счет протекания процесса диффузии. Нагрев стали при диффузионном отжиге обязательно должен быть высоким (1100 – 1200 ºС) так как только при этой температуре диффузионные процессы идут с достаточной для практической ценности скоростью.

Диффузионный отжиг в первую очередь применяется для обработки слитков легированной стали с целью уменьшения дендритной и внутрикристаллитной ликвации (неоднородности вызванной механизмом затвердевания и охлаждения отливки). Дендритная ликвация в легированной конструкционной стали повышает склонность к хрупкому излому при обработке давлением и ковке, а также приводит к анизотропии (пространственной неоднородности) свойств. Дендритная и внутрикристаллитная ликвация так же может стать причиной образования таких дефектов как флокены (тонкие внутренние трещины которые можно наблюдать на изломе в виде белых овальных пятен) и шиферность (слоистый излом). Дендритная ликвация снижает вязкость и пластичность легированной стали, поэтому не только стальные слитки, но и крупные отливки как правило подвергают гомогенизации.

В зависимости от химического состава стали, размеров отливки или слитка, а также в зависимости от массы и формы всей садки продолжительность выдержки при диффузионном отжиге составляет от 8 до 20 часов. При этом общая продолжительность обработки, включая нагрев, выдержку и медленное охлаждение может достигать 2 – 4 суток и даже более (при массивных садках металла). По возможности, диффузионный отжиг стараются проводить прямо на металлургическом предприятии, загружая в печь еще горячие слитки – в этом случае удается сэкономить значительное количество энергии необходимое на нагрев массивной садки от температуры окружающей среды.

Следует учитывать, что в результате диффузионного отжига металла образуется крупное зерно. Этот недостаток устраняется либо последующей обработкой давлением, либо проведением нормализации после предварительной механической обработки. Фасонные отливки после диффузионного отжига обычно подвергают последующему полному отжигу или нормализации для измельчения зерна и улучшения технологических и механических свойств.

 

Рекристаллизационный отжиг

 

Рекристаллизационным отжигом называют нагрев холоднодеформированной стали выше температуры рекристаллизации, выдержку при этой температуре, с последующим охлаждением. На практике этот вид отжига применяется перед холодной обработкой давлением и как промежуточная операция для снятия наклепа между операциями холодного деформирования (особенно при больших степенях деформации). Иногда рекристаллизационный отжиг стали может быть и окончательным видом термообработки.

Температура при рекристаллизационном отжиге стали обычно составляет 650 – 700 ºС и зависит от ее состава. Увеличение содержания углерода в стали и увеличение содержания в ней легирующих элементов повышает температуру рекристаллизации. Температура рекристаллизационного отжига всегда выбирается несколько выше температурного порога начала рекристаллизации, для того чтобы процесс рекристаллизации стали затронул весь объем, и протекал с более высокой скоростью. Низкоуглеродистые стали содержащие 0,08 – 0,2% С подвергают рекристаллизации при 680 – 700 ºС после таких операций как штамповка, прокатка и волочение. Высокоуглеродистые легированные стали (хромистые, хромокремнистые) подвергают рекристаллизационному отжигу при 700 – 730 ºС, обычно после операций холодной протяжки при производстве калиброванных прутков.

При проведении рекристаллизационного отжига стали одновременно может протекать процесс коагуляции и сфероидизации цементита. Этот сопутствующий процесс повышает пластичность стали (особенно высокоуглеродистой), что облегчает обработку давлением.

 

Отжиг для снятия остаточных напряжений

 

Этот вид отжига I рода применяют для отливок, деталей после обработки резанием, сварных изделий и т.п. то есть для деталей, в которых при проведении предшествующих технологических операций возникли остаточные напряжения (например, из-за неравномерного охлаждения, неоднородной пластической деформации, резкого и неоднородного термоудара).

Диапазон температур применяющихся при отжиге для снятия остаточных напряжений очень широк и сходен с температурным диапазоном отпуска. Обычно он составляет 350 – 600 ºС, но может достигать 180 – 700 ºС. Время выдержки обычно составляет несколько часов и зачастую определяется опытным путем (процесс снятия остаточных напряжений при отжиге является затухающим, и в зависимости от полноты протекания процесса выдержка может составлять от 1 – 2 до 4 – 6 часов). Механизм снятия остаточных напряжений при отжиге сходен с таковым при отпуске и осуществляется в основном за счет сдвиговой деформации.

Остаточные напряжения так же могут быть сняты и при проведении других видов отжига (протекающего в том же температурном интервале или при более высокой температуре), например при рекристаллизационном отжиге и любых видах отжига II рода.

 

Отжиг II рода (фазовая перекристаллизация)

 

Отжигом II рода называется нагрев стали до температур выше критических точек Ас3 или Ас1, выдержке для достижения равномерного прогрева металла и завершения аустенизации, и последующем медленном охлаждении, при котором обратные фазовые превращения приводят к достижению структурного состояния близкого к равновесному. Таким образом, после отжига углеродистой стали получаются структуры соответствующие структурам, указанным на диаграмме железо – углерод (рис. 1). Так в доэвтектоидных сталях образуется феррит + перлит; в эвтектоидных – перлит; а в заэвтектоидных – перлит + вторичный цементит.

После фазовой перекристаллизации сталь обладает низкой твердостью и прочностью, но очень высокой пластичностью. Фазовая перекристаллизация, сама по себе, измельчает зерно и устраняет многие неблагоприятные виды структуры.

Измельчая зерно, снимая остаточные внутренние напряжения и уменьшая неоднородность структуры отжиг II рода способствует наиболее эффективному повышению пластичности и вязкости по сравнению с исходными показателями (после литья, ковки и прокатки).

Отжиг II рода в технологическом цикле как правило является подготовительной термической обработкой. Фазовой перекристаллизации подвергают отливки, поковки и прокат. Снижая прочность и твердость, этот вид отжига значительно облегчает обработку резанием средне- и высокоуглеродистых сталей (особенно – легированных).

В некоторых случаях (например, для крупных отливок от которых не требуются высокие прочностные показатели) фазовая перекристаллизация может быть и окончательной термической обработкой, так как после нее в изделиях практически отсутствуют остаточные напряжения, а их деформация оказывается минимальной.

 

Полный отжиг

 

Полный отжиг заключается в нагреве доэвтектоидной стали до температуры на 30 – 50 ºС выше температуры Ас3, выдержке при этой температуре для полного прогрева по сечению изделий, всей садки и завершения фазовых превращений и последующем медленном охлаждении (рис. 2).

 Схема охлаждения стали при полном отжиге

Рис 2. Схема охлаждения стали при полном отжиге (и нормализации).

Термокинетическая диаграмма превращения переохлажденного аустенита с указанием скорости охлаждения при полном отжиге (1) и нормализации (2).

 

Как уже говорилось выше, при полном отжиге происходит полная фазовая перекристаллизация.

При нагреве стали до температуры на 30 – 50 ºС выше температуры Ас3 образуется аустенит с мелким зерном, поэтому при охлаждении так же образуется мелкозернистая структура, обуславливающая высокую вязкость и пластичность, и возможность достижения высоких механических свойств после окончательной термической обработки (как правило – закалки с отпуском). Чрезмерное повышение температуры нагрева выше точки Ас3 нежелательно, поскольку это вызовет рост зерна аустенита и ухудшит свойства отожженной стали.

Время нагрева и выдержки стали при проведении полного отжига в основном определяются размерами формой и массой изделий и всей садки, а также мощностью и тепловой инерцией нагревательной печи.

Основным условием правильно проведенного полного отжига является медленное охлаждение стали после завершения ее прогрева и выдержки. Медленное охлаждение призвано обеспечить распад аустенита при малых степенях переохлаждения (рис. 2). Это позволяет избежать образования слишком дисперсной ферритокарбидной структуры (троостита и сорбита) и присущей ей более высокой твердости.

Конкретная скорость охлаждения при полном отжиге зависит от устойчивости переохлажденного аустенита и следовательно – от состава стали. Чем больше устойчивость аустенита в диапазоне температур перлитного превращения (А→П), тем медленнее необходимо проводить охлаждение. По этой причине легированные (и особенно высоколегированные) стали, обладающие высокой устойчивостью переохлажденного аустенита, необходимо охлаждать значительно медленнее (10 — 100 ºС/час). Охлаждение деформированных высоколегированных сталей, склонных к образованию флокенов, поводят особенно медленно. Нелегированные углеродистые стали можно охлаждать значительно быстрее (150 — 200 ºС/час). После распада аустенита в перлитной области охлаждение далее можно ускорять (и даже заканчивать на воздухе).

Если одной из основных задач полного отжига является снятие напряжений (например, в отливках сложной формы) медленное охлаждение необходимо проводить с печью почти до нормальной температуры.

Полному отжигу принято подвергать фасонные отливки, поковки и сортовой прокат (а также инструменты из легированных сталей перед окончательной термической обработкой).

 

Изотермический отжиг

 

При изотермическом отжиге сталь (как правило – легированную) нагревают как и для полного отжига, а затем относительно быстро охлаждают до температуры лежащей ниже температуры Ас1 на 100 – 150 ºС (попадая в зону наиболее активного перлитного превращения А→П). Когда необходимая температура достигнута – назначают изотермическую выдержку необходимую для полного распада аустенита в перлитной области, после чего охлаждение можно снова ускорить и завершить на воздухе (рис. 3).

Преимущество изотермического отжига перед полным заключается в уменьшении длительности обработки легированных и высоколегированных сталей (которые в противном случае пришлось бы охлаждать с чрезмерно низкой скоростью). Для наибольшего ускорения изотермического отжига температуру выдержки выбирают равной или близкой к температуре наименьшей устойчивости переохлажденного аустенита в перлитной области (рис. 3). Вторым преимуществом изотермического отжига является получение более однородной структуры по сечению изделия, так как при изотермической выдержке температура выравнивается, и превращение во всем объеме стали протекает при одинаковой степени переохлаждения.

 Схема охлаждения стали при изотермическом отжиге

Рис 3. Схема охлаждения стали при изотермическом отжиге и диаграмма превращения переохлажденного аустенита с кривой охлаждения.

 

Технологической особенностью изотермического отжига является то, что он не применяется для отжига очень массивных садок металла (20 – 30 тонн и более), поскольку одновременное охлаждение таких садок по всему объему невозможно.

Изотермический отжиг улучшает обрабатываемость средне и высокоуглеродистых сталей резанием, чистоту поверхности, и уменьшает деформации при последующей закалке. Он применяется для поковок и заготовок относительно небольших размеров.

 

Неполный отжиг

 

Неполный отжиг стали отличается от полного тем, что нагрев ведут до более низкой температуры (лишь на 10 – 25 ºС выше температуры Ас1). При этом происходит лишь частичная перекристаллизация стали, затрагивающая  превращение перлит – аустенит. Избыточный феррит только частично превращается в аустенит и поэтому основная его часть не подвергается перекристаллизации. По этой причине неполный отжиг можно применять только если предварительная обработка не создала крупного зерна и других структурных дефектов.

Для доэвтектоидных сталей неполный отжиг применяется для улучшения обрабатываемости и способности к холодной пластической деформации.

Для заэвтектоидных сталей неполный отжиг является основным видом отжига, в то время как другие виды отжига для них почти не применяются. В этих сталях при нагреве на 10 – 25 ºС выше температуры Ас1 происходит практически полная перекристаллизация, а при последующем замедленном охлаждении перлит можно получить в зернистой форме вместо пластинчатой (рис. 4). Такой вид отжига называют сфероидизацией, и он будет рассмотрен подробнее ниже.

 Микроструктура заэвтектоидной стали после отжига на зернистый перлит

 

Рис 4. Микроструктура заэвтектоидной стали содержащей 1,2% С после отжига на зернистый перлит (сфероидизации) Х500.

 

Сфероидизация

 

Как уже было отмечено выше, сфероидизацией называется отжиг эвтектоидных и заэвтектоидных сталей на зернистый перлит (рис. 4). Частицы цементита не растворившегося при нагреве до температуры на 10 – 25 ºС выше температуры Ас1 и микрообъемы с повышенной концентрацией углерода в аустените становятся центрами кристаллизации для цементита выделяющегося при последующем охлаждении ниже точки Ас1. При таком порядке кристаллизации цементит принимает зернистую форму. В противном случае (при нагреве значительно выше температуры Ас1 и практически полном растворении избыточного цементита в аустените и гомогенизации самого аустенита, последующее выделение перлита при охлаждении происходит в пластинчатой форме.

Стали близкие по составу к эвтектоидным при сфероидизационном отжиге имеют наиболее узкий интервал нагрева (750 – 760 ºС). Для заэвтектоидных сталей интервал шире (770 – 790 ºС). Легированные и высоколегированные заэвтектоидные стали можно нагревать до более высоких температур и в еще более широком диапазоне (770 – 820 ºС).

При сфероидизации стали применяется только медленное охлаждение (около 25 — 50 ºС/час). Оно должно обеспечить распад аустенита на ферритокарбидную структуру, и сам процесс сфероидизации и коагуляции образующихся карбидов. Замедленное охлаждение ведут до (620 – 680 ºС) после чего вообще применяют дополнительную выдержку в течение 1 – 3 часов. Лишь после завершения этой стадии дальнейшее охлаждение можно ускорять.

Сталь с зернистым перлитом имеет более низкую твердость (около 160 HB) и предел прочности, чем сталь с пластинчатым (210 – 240 HB). Относительное удлинение и сужение стали с зернистым перлитом выше (относительное удлинение составляет 20% и 15% соответственно).

Сфероидизационному отжигу подвергают тонкие листы и прутки из легированной среднеуглеродистой и высокоуглеродистой стали перед холодной штамповкой или волочением. Но наиболее часто сфероидизации подвергают шарикоподшипниковые и заэвтектоидные инструментальные стали перед окончательной термической обработкой (закалкой и отпуском).

 

Высокий отпуск (“низкий отжиг”)

 

На практике встречаются случаи (например после горячей механической обработки) когда не требуется полная фазовая перекристаллизация (отжиг II) рода. Так после горячей механической обработки сталь обычно имеет мелкое зерно и приемлемую микроструктуру, но вследствие ускоренного охлаждения легированные стали могут получить разнородную неравновесную структуру (сорбит, троостит, бейнит или даже мартенсит), и как следствие – высокую твердость и наличие остаточных напряжений. В этом случае и применяется высокий отпуск (650 – 680 ºС), иногда именуемый низким отжигом. При нагреве до указанных температур происходит распад мартенсита, коагуляция выделившихся карбидов, снятие остаточных напряжений и стремительное снижение твердости.

Для высоколегированных сталей, у которых может и не быть полного перлитного превращения, высокий отпуск (низкий отжиг) является единственной термической обработкой позволяющей существенно снизить их твердость.

Понравилась статья? Расскажите друзьям.
Общайтесь с нами:

Добавить комментарий