ОТЖИГ И НОРМАЛИЗАЦИЯ

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. 39): 1 — диффузионный; 2 -— пол­ный; 3 — изотермический; 4 — неполный; 5 — сфероидизирующий; 6 — рекристаллизационный.

Рис. 39. Режимы различных видов отжига

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. 39, кривая 1).

Полный отжиг (рис. 39, кривая 2) 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.

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.

Неполный отжиг (рис. 39, 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. 39. кривая 3) от­личается от других видов отжига тем, что 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.

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. 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.

Сфероидизирующий отжиг (рис. 39, 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. 39, 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 (рекристаллизационный отжиг) 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.

Нормализация. Термическую операцию, при которой сталь нагревают до температуры на 30—50°С выше верхних критических точек Ас₃ к А _см , затем выдерживают при этой температуре и охлаждают на спокойном воздухе, называют нормализацией). При нормализации уменьшаются внутренние напряжения, происхо­дит перекристаллизация стали, измельчающая крупнозернистую структуру металла сварных швов, отливок или поковок.

Нормализация стали по сравнению с отжи­гом является более коротким процессом термиче­ской обработки, а следовательно, и более произ­водительным. Поэтому углеродистые и низколе­гированные стали подвергают, как правило, не отжигу, а нормализации.

С повышением содержания углерода в стали увеличивается различие в свойствах между отож­женной и нормализованной сталью. Для сталей, содержащих до 0,2 % углерода, предпочтительнее нормализация. Для сталей, содержащих 0,3 - 0,4 % углерода, при нормализации по сравнению с отжигом существенно увеличивается твердость, что необходимо учитывать. Поэтому нормализа­ция не всегда может заменить отжиг.

Сплавы после нормализации приобретают мелкозернистую структуру и несколько большую прочность и твердость, чем при отжиге. Норма­лизацию применяют для исправления крупнозер­нистой структуры, улучшения обрабатываемости стали резанием, улучшения структуры перед за­калкой. В заэвтектоидной стали нормализация устраняет сетку вторичного цементита.

ЗАКАЛКА И ОТПУСК

Закалка. Это процесс термической обработ­ки, при которой сталь нагревают до оптималь­ной температуры, выдерживают при этой темпе­ратуре и затем быстро охлаждают с целью по­лучения неравновесной структуры. В результате закалки- повышается прочность и твердость и понижается пластичность конструкционных и инструментальных сталей и сплавов. Качество за­калки зависит от температуры и скорости на­грева, времени выдержки и охлаждения. Основ­ными параметрами закалки являются темпера­тура нагрева и скорость охлаждения.

Скорость нагрева и время вы­держки зависят от химического состава ста­ли, размеров, массы и конфигурации закаливае­мых деталей, типа нагревательных печей и на­гревательной среды. Чем больше размеры и сложнее конфигурация закаливаемых деталей, тем медленнее происходит нагрев. Детали из вы­сокоуглеродистых и легированных сталей, име­ющих пониженную теплопроводность, нагревают медленно и с более длительной выдержкой при нагреве по сравнению с деталями из низкоугле­родистых сталей. Это делается для того, чтобы уменьшить деформацию деталей при нагреве.

Скорость нагрева и продолжительность вы­держки определяют экспериментально или по технологическим картам, в которых указывают температуру, время нагрева для каждого вида деталей или инструмента. Ориентировочно вре­мя нагрева в электрических печах принимают 1,5—2 мин на 1 мм сечения изделия.