Отжиг доэвтектоидных и заэвтектоидных сталей

Обновлено: 14.05.2024

Отжигом называется операция термической обработки, при которой путем нагрева, выдержки при установленных температурах и последующего медленного охлаждения в стали получают устойчивую структуру, свободную от остаточных напряжений. Цель отжига стальных изделий — снять внутренние напряжения, устранить структурную неоднородность, улучшить обрабатываемость резанием и подготовить к последующей термической обработке.

Отжиг стали может быть с фазовой перекристаллизацией: полный, изотермический, на зернистый перлит и диффузионный, а также без фазовой перекристаллизации — рекристаллизационный.

1. Нагрев стали до температур, на 20—30° превышающих верхнюю критическую точку А_С1, т. е. лежащих выше линии GS, — полный отжиг для доэвтектоидных сталей (рис. 1), или нагрев стали до температур, на 30—40° превышающих нижнюю критическую точку A_C1 т. е. расположенных выше линии PSK, — неполный отжиг.

2. Выдержка детали в течение времени, достаточного для равномерного прогрева ее по всему сечению до заданных температур и для завершения всех структурных (фазовых) превращений, которые должны полностью закончиться. Законченность структурных превращений в стали при отжиге составляет цель данной операции: лишь в этом случае свойства стали после отжига существенно улучшаются.

3. Медленное охлаждение стали от температур отжига со скоростью, меняющейся (от 10 до 100° в час) в зависимости от марки стали, формы и назначения детали.

Полному отжигу подвергают обычно доэвтектоидные стали, нагревая их до температур выше линии GS, выдерживая при них в течение 1 /₄ продолжительности нагрева и медленно охлаждая вместе с печью до 600 — 400° С. Углеродистые стали охлаждают со скоростью 100—150° в час, легированные — со скоростью 30—50° в час. Полный отжиг сопровождается фазовой перекристаллизацией, в результате чего крупнозернистая сталь получает мелкозернистую структуру, освобождается от внутренних напряжений, становится мягкой и вязкой. Для отжига изделия упаковывают в ящики, трубы или реторты, которые затем наполняют песком, чугунной стружкой или углем, чтобы предохранить поверхность изделий от обезуглероживания и окисления. Наилучшие результаты дает применение защитной атмосферы. Отжиг в защитной атмосфере называют светлым, так как при этом способе обезуглероживания и окисления почти не бывает и поверхность изделий остается относительно светлой.

Неполный отжиг является разновидностью отжига перекристаллизации. При неполном отжиге сталь нагревают до температуры, на 30—40° превышающей нижнюю критическую точку А_С1 (см. рис. 1), т. е. до 750—760° С.

Замедленное охлаждение или длительная выдержка стали при температурах 680—750° С способствует образованию крупнопластинчатого перлита, облегчающего обрабатываемость стали резанием. Для мягких доэвтектоидных сталей, содержащих до 0,4—0,5% углерода, этот вид отжига применяют редко, так как они и без отжига достаточно хорошо обрабатываются резанием. Для инструментальных сталей, особенно заэвтектоидных, неполный отжиг является единственным видом отжига. Он способствует снятию внутренних напряжений и улучшению обрабатываемости резанием.

Отжигу на зернистый перлит подвергают эвтектоидные и заэвтектоидные стали. Для отжига сталь нагревают на 20—30° выше критической точки A_Ci(см. рис. 54) и после выдержки при рабочей температуре в течение 3—5 часов медленно охлаждают (со скоростью 30—50° в час) до 650—600° С. В результате длительной выдержки пластинчатый перлит превращается в зернистый; это явление называется сфероидизацией (округлением). Высокоуглеродистые инструментальные стали, содержащие более 0,65% углерода, со структурой зернистого перлита хорошо обрабатываются резанием и лучше поддаются закалке; они обладают меньшей склонностью к образованию трещин и короблению. В некоторых случаях, чтобы ускорить процесс сфероидизации перлита, нагрев и охлаждение повторяют несколько раз. Такой отжиг называется м а я т н и к о в ы м, или цикличным. При цикличном отжиге инструментальную сталь нагревают до 730—750° С и медленно охлаждают до 650° С; процесс повторяют несколько раз. Все заэвтектоидные (инструментальные) стали отжигают на зернистый перлит.

Изотермический отжиг заключается в нагреве стали выше критической точки А_С3 и выдержке при этой температуре в течение времени, необходимого для полного и равномерного прогрева. Затем сталь относительно быстро охлаждают до температуры ниже A_r₁(650—700° С). При этой постоянной (изотермической) температуре сталь выдерживают определенное время, необходимое для полного распада аустенита с образованием перлита (в доэвтек-тоидной стали — феррита и перлита), и затем охлаждают на воздухе. Изотермический отжиг имеет почти вдвое более короткий цикл,

Преимущества изотермического отжига —однородность структуры и ускорение процесса, особенно при отжиге легированной стали. Для сталей, содержащих большое количество хрома, никеля и других элементов, только изотермический отжиг позволяет добиться превращения весьма устойчивого аустенита в перлит и феррит и обеспечить хорошую обрабатываемость стали режущим инструментом. Диффузионный отжиг применяют для слитков и крупных отливок, чтобы выравнять (путем диффузии) химический состав стали, имеющий внутрикристаллическую ликвацию. Сталь нагревают до 1050—1150° С, выдерживают при этой температуре 10—15 часов и затем медленно охлаждают до 600 — 550° С. Диффузионный отжиг приводит к росту зерна стали; этот дефект устраняют повторным отжигом на мелкое зерно (полный отжиг). Сталь, прошедшая гомогенизацию, обладает более высокими меха* ническими свойствами; особенно повышается ударная вязкость.

Рекристаллизационным отжигом называется отжиг стали, прошедшей холодную прокатку, волочение или холодную штамповку, с выдержкой при температуре 680—700° С и последующим охлаждением. Этой температуры достаточно для того, чтобы возвратить стали свойства, которые она имела до холодной обработки давлением. В результате такого отжига понижается твердость и прочность, но повышаются показатели пластичности — относительное удлинение, ударная вязкость.

Нормализацией называется нагрев стали выше линии GSE на 30—50° (см. рис. 1) свыдержкой при этой температуре и последующим охлаждением на воздухе. Нормализацию применяют для устранения внутренних напряжений и наклепа, повышения механических свойств стали.

Слово «нормализация» указывает на то, что сталь после этой операции получает нормальную, однородную, мелкозернистую структуру; перлит приобретает тонкое строение. Нормализации подвергают отливки и поковки. В настоящее время нормализация распространена в машиностроении больше, чем отжиг, так как она более производительна и дает лучшие результаты.

Источник:
Остапенко Н.Н.,Крапивницкий Н.Н. Технология металлов. М. Высшая школа,1970г.

Отжиг стали

Отжиг стали – процесс термообработки стали, при котором происходит температурный нагрев для получения определенных свойств изделия – снижение твердости, получение однородной структуры для проведения механической обработки, снятие внутреннего напряжения стали.

Отжиг – одна из основных операций термообработки, предназначенная для получения определенных свойств стали. Она может служить промежуточным этапом или выполнять функции окончательного технологического процесса. Цели, достигаемые с помощью различных видов отжига: снизить твердость, получить однородную структуру, удобную для последующих операций мехобработки, снять внутренние напряжения. В зависимости от температуры нагрева, времени и условий выдержки различают два основных типа отжига –I иII рода, которые, в свою очередь, подразделяются на подвиды.

Отжиг сталей первого рода – назначение, виды, температуры нагрева

В зависимости от температур нагрева и начального состояния сплава при различных видах отжига I рода протекают процессы гомогенизации, рекристаллизации, устранения остаточных напряжений, уменьшения твердости. Все эти процессы проходят в случаях нагрева сплавов и выше, и ниже температур, при которых осуществляются фазовые трансформации. Основные цели, достигаемые с помощью этого вида термической обработки, – ликвидация химической и физической неоднородности, возникающей после сварки, резки, обработки давлением, закалки.

Гомогенизационный (диффузионный) отжиг

Этот вид термообработки применяется для слитков из легированных марок. Он позволяет снизить дендритную или внутрикристаллитную неоднородность, повышающую склонность металла при обработке давлением к негативным явлениям, среди которых:

хрупкий излом;
неравномерность свойств в различных направлениях;
слоистый излом;
трещинообразование;
снижение пластичности и вязкости.

Режим диффузионного процесса:

нагрев до высоких температур (до +1200°C), при которых характеристики структуры сплава выравниваются по всем направлениям;
выдержка – 15-20 часов;
быстрое охлаждение заготовки до 800-820°C, а затем более медленное на воздухе.

В результате гомогенизационного термического процесса получают крупное зерно, которое измельчают дальнейшей обработкой давлением или термической обработкой.

Рекристаллизационный отжиг стали

Этот вид термообработки используется для стальных заготовок или полуфабрикатов после холодного деформирования или между такими операциями. Он заключается в нагреве до температур, превышающих температуры рекристаллизационных процессов, выдержке и охлаждении. Температура операции определяется содержанием углерода в сплаве:

Для снятия напряжений

Этот вид термообработки применяют для отливок, сварных изделий, заготовок после резки, в которых появляются остаточные напряжения в результате неоднородного охлаждения и пластических деформаций. Остаточные напряжения провоцируют целый ряд негативных последствий, среди которых – изменение размерных параметров и деформационные процессы во время хранения, транспортировки и эксплуатации изделий.

Операция для снятия напряжений осуществляется в следующих температурных интервалах:

Ходовые винты, зубчатые колеса, червяки: +570-600°C, выдержка 2-3 часа после основной механообработки, +160…+180°C, выдержка 2-2,5 часа после финишных мероприятий, проводимых для снятия напряжений после шлифовки.
Обработка для снятия сварных напряжений: +650-700°C.

Остаточные напряжения снижаются и при рекристаллизационном отжиге, при котором осуществляются фазовые трансформации.

Отжиг II рода – процессы с фазовой перекристаллизацией

Отжиг II рода осуществляется только при температурах, лежащих выше порога начала фазовых трансформаций. Разновидности – полный, изотермический, неполный.

Полный

Полный отжиг заключается в нагреве выше критической температуры А₃ (окончания перекристаллизации), выдержке до полного завершения фазовых трансформаций и медленном охлаждении. При нагреве до температур, превышающих на 30-50°Cточку А₃, сталь после полного отжига приобретает однофазную аустенитную структуру с измельченным зерном, обеспечивающую повышенную вязкость и пластичность. При более высоких температурах аустенитное зерно увеличивается в размере, что снижает характеристики полуфабриката.

Температура нагрева и время выдержки в высокотемпературных условиях определяются типом заготовок, способом их укладки в печь, высотой садки. Для защиты стали от окисления и обезуглероживания отжиг проводится в защитных атмосферах.

Скорость охлаждения определяется химсоставом стали. Чем большую устойчивость переохлажденного перлита проявляет металл, тем медленнее его необходимо охлаждать. Поэтому углеродистые стали охлаждают со скоростью 100-150 градусов в час, а легированные стали значительно медленнее – со скоростью 40-60 градусов в час. После распада аустенита в ферритной области охлаждение может быть более интенсивным. Его можно реализовать даже на воздухе. Если цель этого вида т/о – снятие напряжений в деталях сложной конфигурации, то медленное охлаждение в печи осуществляют до достижения нормальных температур.

Полный отжиг обычно применяется для сортового проката, фасонных отливок, поковок из среднеуглеродистых сталей.

Изотермический отжиг

При этом виде термообработки нагрев осуществляется, как и для полного отжига. Отличие процесса – быстрое охлаждение до температур, расположенных ниже критической точки А₁, обычно – это +660…680°C. При температуре, до которой сталь была быстро охлаждена, осуществляется изотермическая выдержка – до 6 часов, во время которой происходит полный распад аустенитной структуры. На следующем этапе полуфабрикаты охлаждаются на воздухе.

Плюс изотермического процесса по сравнению с полным – сокращение периода операции. Особенно это актуально для легированных марок. Еще одно преимущество – получение максимально однородной структуры по всему сечению заготовки. Заготовки, которые планируется обрабатывать резанием, отжигают при температурах 930-950°C, обеспечивающих небольшое укрупнение зерна и улучшение обработки режущим инструментом.

Чаще всего изотермическому отжигу подвергают: поковки и сортовой прокат небольших размеров, изготовленный из легированных марок. Для больших садок (от 20 т) изотермический отжиг не применяют, поскольку на отдельных участках садки превращения осуществляются при разных температурных условиях.

Для пружинной среднеуглеродистой стали с содержанием углерода 0,6-0,9% C применяют специализированную изотермическую обработку, называемую патентированием. Этот процесс служит для подготовки проволоки к многостадийному обжатию во время холодного волочения.

Первый этап – нагрев заготовок до температур, при которых осуществляется полная аустенизация структуры (примерно +900°C),второй – погружение в соли с температурами в интервале+450…+600°C.

Образовавшиеся после такой обработки структуры сорбита или тонкопластинчатого троостита обеспечивает:

возможность значительных обжатий при протяжке;
отсутствие обрывов при холодных деформациях;
высокую прочность после финишного волочения.

Неполный отжиг

При неполном отжиге металлоизделия нагревают немного выше критической температуры А₁.Этот вид термообработки улучшает обработку резанием полуфабрикатов из заэвтектоидных (с содержанием углерода более 0,8%)легированных и углеродистых сталей.

Этапы неполного отжига в заэвтектоидных сталях:

Нормализационный отжиг

Нормализация (нормализационный отжиг) считается промежуточным процессом между закалкой и отжигом, поскольку позволяет получать меньшую хрупкость металла, чем при закалке, и большую твердость, чем при других разновидностях отжига. Поэтому нормализация – процесс, широко распространенный для изготовления деталей машиностроения.

Нормализацию часто выполняют с прокатного нагрева. Температуры нагрева:

доэвтектоидные стали – до температур, превышающих А₃ на 40-50°C;
заэвтектоидные стали – на 40-50°C выше точки Аm.

Далее осуществляют непродолжительную выдержку, во время которой завершаются фазовые превращения, охлаждение – на воздухе.

Нормализация сопровождается полной перекристаллизацией, измельчением структуры, образовавшейся после литья, ковки, прокатки, штамповки. Для низкоуглеродистых сталей нормализация востребована вместо отжига с целью получения повышенной твердости, улучшения производительности при обработке резанием, качества поверхности. Для некоторых легированных марок нормализация с охлаждением на воздухе заменяет процесс закалки. Нагрев для нормализации сортового горячекатаного проката часто осуществляется токами высокой частоты.

Отжиг на зернистый перлит

Для получения структуры зернистого перлита осуществляется маятниковый отжиг, после которого эвтектоидные и заэвтектоидные стали обеспечивают хорошую обрабатываемость резанием, повышается cкорость процесса резания и улучшается качество поверхности. Этот вид т/о подходит для тонких листов перед холодной штамповкой и прутков перед холодным волочением. Результат – улучшение пластических свойств.

Отжиг сталей

По книжному определению, отжиг - это нагрев стали до температуры выше критической, выдержка при этой температуре и медленной охлаждение вместе с печью. На самом деле это общее определение, под которое попадают не все виды отжига. Режимы отжига зависят в первую очередь от конечных требований к стали или изделию, в первую очередь это требования по механическим или технологическим свойствам металла.

Содержание

Отжиг первого рода (І-го рода)

Отжиг І рода – термическая операция, состоящая в нагреве металла в неустойчивом состоянии, полученном предшествующими обработками, для приведения металла в более устойчивое состояние. Этот вид отжига может включать в себя процессы гомогенизации, рекристаллизации, снижения твердости и снятия остаточных напряжений. Особенность этого вида отжига в том, что указанные процессы протекают независимо от того происходят ли фазовые превращения при термообработке или нет. Различают гомогенизационный (диффузионный), рекристаллизационный отжиг и отжиг, уменьшающий напряжения и снижающий твердость.

Гомогенизационный отжиг

Гомогенизационный отжиг – это термическая обработка, при которой главным процессом является устранение последствий дендритной и внутрикристаллитной ликвации в слитках сталей. Ликвация повышает склонность стали, обрабатываемой давлением, к хрупкости, анизотропии свойств и таким дефектам, как шиферность (слоистый излом) и флокены. Устранение ликвации достигается за счет диффузионных процессов. Для обеспечения высокой скорости диффузии сталь нагревают до высоких (1000–1200 °С) температур в аустенитной области. При этих температурах делается длительная (10–20 час.) выдержка и медленное охлаждение с печью. Диффузионные процессы наиболее активно протекают в начале выдержки. Поэтому во избежание большого количества окалины, охлаждение с печью обычно проводят до температуры 800 — 820°С, а далее на воздухе. При гомогенизационном отжиге вырастает крупное аустенитное зерно. Избавиться от этого нежелательного явления можно последующей обработкой давлением или термической обработкой с полной перекристаллизацией сплава. Выравнивание состава стали при гомогенизационном отжиге положительно сказывается на механических свойствах, особенно пластичности.

Рекристаллизационный отжиг стали

Рекристаллизационный отжиг, применяемый для сталей после холодной обработки давлением, – это термическая обработка деформированного металла или сплава. Может применять как окончательная, так и промежуточная операция между операциями холодного деформирования. Главным процессом этого вида отжига являются возврат и рекристаллизация соответственно. Возвратом называют все изменения в тонкой структуре, которые не сопровождаются изменениями микроструктуры деформированного металла (размер и форма зерен не изменяется). Возврат сталей происходит при относительно низких (300–400°С) температурах. При этом процессе наблюдается восстановление искажений кристаллической решетки.

Рекристаллизацией называют зарождение и рост новых зерен с меньшим количеством дефектов кристаллического строения. В результате рекристаллизации образуются совершенно новые, чаще всего равноосные кристаллы. Между температурным порогом рекристаллизации и температурой плавления имеется простое соотношение: ТР ≈ (0,3–0,4)Т_ПЛ., что составляет для углеродистых сталей 670–700°С.

Отжиг для снятия напряжений

Отжиг для снятия напряжений – это термическая обработка, при которой главным процессом является полная или частичная релаксация остаточных напряжений. Такие напряжения возникают при обработке давлением или резанием, литье, сварке, шлифовании и других технологических процессах. Внутренние напряжения сохраняются в деталях после окончания технологического процесса и называются остаточными. Избавиться от нежелательных напряжений можно путем нагрева сталей от 150 до 650°С в зависимости от марки стали и способа предыдущей обработки.

Высокий отжиг стали

Эта операция часто называется высоким отпуском. После горячей пластической деформации сталь имеет мелкое зерно и удовлетворительную микроструктуру. Такое состояние сталь получает при ускоренном охлаждении после пластической деформации. Однако в структуре могут быть составляющие: мартенсит, бейнит, троостит и т. д. Твердость металла при этом может быть достаточна высока. Для повышения пластичности и соответственно снижения твердости делается высокий отжиг. Его температура ниже критической Ас1 и зависит от требований к металлу для следующей операции обработки.

Отжиг второго рода (ΙΙ-го рода)

Отжиг ΙΙ рода основан на использовании фазовых превращений сплавов и состоит в нагреве выше температуры превращения с последующим медленным охлаждением для получения устойчивого структурного состояния сплавов.

Полный отжиг

Полный отжиг производится для доэвтектоидных сталей. Для этого стальную деталь нагревают выше критической точки А3 на 30–50°С и после прогрева проводят медленное охлаждение. Как правило, детали охлаждают вместе с печью со скоростью 30–100°С/час. Структура доэвтектоидной стали после отжига состоит из избыточного феррита и перлита.

Основные цели полного отжига:

- устранение пороков структуры, возникших при предыдущей обработке (литье, горячая деформация, сварка, термообработка), – крупнозернистости и видманштеттовой структуры;

- смягчение стали перед обработкой резанием – получение крупнозернистости для улучшения качества поверхности и большей ломкости стружки низкоуглеродистых сталей;

Неполный отжиг

Неполный отжиг отличается от полного тем, что нагрев производится на 30–50 °С выше критической точки А1 (линия РSК на диаграмме «Железо – цементит»). Неполный отжиг доэвтектоидных сталей проводят для улучшения обрабатываемости резанием. При неполном отжиге происходит частичная перекристаллизация стали — вследствие перехода перлита в аустенит. Избыточный феррит лишь частично превращается в аустенит. Такой отжиг проводится при температуре 770 — 750°С с последующим охлаждением со скоростью 30 — 60°С/с до 600°С, далее на воздухе.

Неполный отжиг широко применяется для заэвтектоидных углеродистых и легированных сталей. Нагрев этих сталей на 10 — 30°С выше Ас1 вызывает практически полную перекристаллизацию сплава и позволяет получить зернистую (сферическую) форму перлита вместо пластинчатой. Такой отжиг называют сфероидизацией. Частицы цементита, не растворившегося при нагреве, или области аустенита с повышенной концентрацией углерода за счет неполной его гомогенизации после растворения цементита, служат центрами кристаллизации для цементита, выделяющегося при последующем охлаждении до температуры ниже А1 и принимающего в этом случае зернистую форму. В результате нагрева до температуры значительно выше А1 и растворения большей части цементита и более полной гомогенизации аустенита последующее выделение цементита ниже А1 происходит в пластинчатой форме. Если избыточный цементит находился в виде сетки, то перед этим отжигом нужно сделать нормализацию с нагревом выше Асm (желательно с охлаждением в направленном потоке воздуха).

Стали, близкие к эвтектоидному составу, имеют узкий температурный интервал нагрева (750 — 760°С) для отжига на зернистый цементит, для заэвтектоидных сталей интервал рсширяется до 770 — 790°С. Легированные заэвтектоидные стали можно нагревать до более высоких температур 770 — 820°С. Охлаждение и сфероидизация цементита происходит медленно. Охлаждение должно обеспечить распад аустенита на феррито-карбидную структуру, сфероидизацию и коагуляцию образовавшихся карбидов до 620 — 680°С.

Отжиг на зернистый перлит (маятниковый отжиг)

Для получения зернистого перлита применяют отжиг с различными вариациями термоциклирования в надкритическом и межкритическом интервале температур, маятниковые виды отжига с различными выдержками и количеством циклов.

Сталь с зернистым перлитом имеет более низкую твердость, временное сопротивление разрыву и соответственно более высокие значения характеристик пластичности. Например эвтектоидная сталь с пластинчатым перлитом имеет твердость 228НВ, а с зернистым 163НВ и соответственно временное сопротивление 820 и 630МПа, относительное удлинение 15 и 20%.

Микроструктура стали после отжига на зернистый перлит (ОЗП) выглядит следующим образом

После отжига на зернистый перлит стали обладают наилучшей обрабатываемостью резанием, при этом достигается более высокая чистота поверхности. В ряде случаев, отжиг на зернистый перлит является обязательной предварительной операцией. Например для избежания трещинообразования при высадке болтов и заклепок.

Изотермический отжиг

Изотермический отжиг заключается в нагреве стали до температуры Ас3 + (30–50°С), последующего ускоренного охлаждения до температуры изотермической выдержки ниже точки А1 и дальнейшего охлаждения на спокойном воздухе. Изотермический отжиг по сравнению с обычным отжигом имеет два преимущества:

- больший выигрыш во времени, т. к. суммарное время ускоренного охлаждения, выдержки и последующего охлаждения может быть меньше медленного охлаждения изделия вместе с печью;

- получение более однородной структуры по сечению изделий, т. к. при изотермической выдержке температура по сечению изделия выравнивается и превращение во всем объеме стали происходит при одинаковой степени переохлаждения.

Патентирование

Патентирование — операция отжига, как правило назначаемая для пружинной проволоки, с содержанием углерода 0,65 — 0,9%, перед волочением. Процесс заключается в аустенитизации металла и последующим пропускании его через расплав солей с температурой 450 — 550°С (на ДИПА это температуры изотермической выдержки в области минимальной устойчивости аустенита). Это приводит к образованию тонкопластинчатого троостита или сорбита, который позволяет получать степени обжатия более 75% для волочения и окончательное временное сопротивление 2000 — 2250МПа после ХПД.

Нормализационный отжиг (нормализация стали)

Нормализационный отжиг или нормализацию стали применяют как промежуточную операцию для смягчения стали перед обработкой резанием и для общего улучшения ее структуры перед закалкой. При нормализации доэвтектоидную сталь нагревают до температур Ас3 + (30–50°С), заэвтектоидную до Асм + (30–50°С) и после выдержки охлаждают на спокойном воздухе.

Ускоренное охлаждение по сравнению с отжигом обуславливает несколько большее переохлаждение аустенита, поэтому при нормализации получается более тонкое строение эвтектоида (тонкий перлит или сорбит) и более мелкое эвтектоидное зерно.

Прочность стали после нормализации несколько выше, чем после отжига. В заэвтектоидной стали нормализация устраняет грубую сетку вторичного цементита. При нагреве выше точки Асм вторичный цементит растворяется, а при последующем ускоренном охлаждении на воздухе не успевает образовать грубую сетку, понижающую свойства стали. В доэвтектоидной стали, как говорилось выше, нормализация позволяет устранить крупное зерно после перегрева и видманштетт после нарушения цикла ГПД.

Превосходный эффект сварки с помощью лазерного сварочного аппарата по доступной цене, обращайтесь!

Закалка сталей

Закалка - это процесс термической обработки, заключающийся в нагреве стали до температуры выше критической и последующем быстром охлаждении, со скоростью подавляющей распад аустенита на феррито-цементитную смесь и обеспечивающей структуру мартенсита.

Мартенсит и мартенситное превращение в сталях

Мартенсит - это пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе (α-Fe). Что такое аустенит, цементит, феррит и перлит читаем здесь. При нагреве эвтектоидной стали (0,8 % углерода) выше точки А1, исходная структура перлит превратится в аустенит. При этом в аустените растворится весь углерод, который имеется в стали, т. е. 0,8 %. Быстрое охлаждение со сверхкритической скоростью (см. рисунок ниже), например в воде (600 °С/сек), препятствует диффузии углерода из аустенита, но кристаллическая ГЦК решетка аустенита перестроится в тетрагональную решетку мартенсита. Данный процесс называется мартенситным превращением. Он характеризуется сдвиговым характером перестройки кристаллической решетки при такой скорости охлаждения, при которой диффузионные процессы становятся невозможны. Продуктом мартенситного превращения является мартенсит с искаженной тетрагональной решеткой. Степень тетрагональности зависит от содержания углерода в стали: чем его больше, тем больше степень тетрагональности. Мартенсит - это твердая и хрупкая структура стали. Находится в виде пластин, под микроскопом выглядит, как иглы.

Температура закалки для большинства сталей определяется положением критических точек А1 и А3. На практике температуру закалки сталей определяют при помощи марочников сталей. Как выбрать температуру закалки стали с учетом точек Ас1 и Ас3 читаем по ссылке.

Микроструктура стали после закалки

Для большинства сталей после закалки характерна структура мартенсита и остаточного аустенита, причем количество последнего зависит от содержания углерода и качественного и количественного содержания легирующих элементов. Для конструкционных сталей среднего легирования количество остаточного аустенита может быть в пределах 3-5%. В инструментальных сталях это количество может достигать 20-30%.

Вообще, структура стали после закалки определяется конечными требованиями к механическим свойствам изделия. Наряду с мартенситом, после закалки в структуре может присутствовать феррит или цементит (в случае неполной закалки). При изотермической закалке стали ее структура может состоять из бейнита. Структура, конечные свойства и способы закалки стали рассмотрены ниже.

Частичная закалка стали

Частичной называется закалка, при которой скорости охлаждения не хватает для образования мартенсита и она оказывается ниже критической. Такая скорость охлаждения обозначена синей линией на рисунке. При частичной закалке как-бы происходит задевание "носа" С-кривой стали. При этом в структуре стали наряду с мартенситом будет присутствовать троостит в виде черных островковых включений.

Микроструктура стали с частичной закалкой выглядит примерно следующим образом

Частичная закалка является браком, который устраняется полной перекристаллизацией стали, например при нормализации или при повторном нагреве под закалку.

Неполная закалка сталей

Закалка от температур, лежащих в пределах между А1 и А3 (неполная закалка), сохраняет в структуре доэвтектоидных сталей наряду с мартенситом часть феррита, который снижает твердость в закаленном состоянии и ухудшает механические свойства после отпуска. Это понятно, так как твердость феррита составляет 80НВ, а твердость мартенсита зависит от содержания углерода и может составлять более 60HRC. Поэтому данные стали обычно нагревают до температур на 30–50 °С выше А3 (полная закалка). В теории, неполная закалка сталей не допустима и является браком. На практике, в ряде случаев для избежания закалочных трещин, неполная закалка может использоваться. Очень часто это касается закалки токами высокой частоты. При такой закалке необходимо учитывать ее целесообразность: тип производства, годовую программу, тип ответственности изделия, экономическое обоснование. Для заэвтектоидных сталей закалка от температур выше А1, но ниже Асm дает в структуре избыточный цементит, что повышает твердость и износоустойчивость стали. Нагрев выше температуры Аcm ведет к снижению твердости из-за растворения избыточного цементита и увеличения остаточного аустенита. При этом происходит рост зерна аустенита, что также негативно сказывается на механических характеристиках стали.

Таким образом, оптимальной закалкой для доэвтектоидных сталей является закалка от температуры на 30–50 °С выше А3, а для заэвтектоидных – на 30–50 °С выше А1.

Скорость охлаждения также влияет на результат закалки. Оптимальной охлаждающей является среда, которая быстро охлаждает деталь в интервале температур минимальной устойчивости переохлажденного аустенита (в интервале носа с-кривой) и замедленно в интервале температур мартенситного превращения.

Стадии охлаждения при закалке

Наиболее распространенными закалочными средами являются вода различной температуры, полимерные растворы, растворы спиртов, масло, расплавленные соли. При закалке в этих средах различают несколько стадий охлаждения:

- пленочное охлаждение, когда на поверхности стали образуется «паровая рубашка»;

- пузырьковое кипение, наступающее при полном разрушении этой паровой рубашки;

Более подробно про стадии охлаждения при закалке можно прочитать в статье "Характеристики закалочных масел"

Кроме жидких закалочных сред используется охлаждение в потоке газа разного давления. Это может быть азот (N2), гелий (Не) и даже воздух. Такие закалочные среды часто используются при вакуумной термообработке. Здесь нужно учитывать факт возможности получения мартенситной структуры - закаливаемость стали в определенной среде, т. е. химический состав стали от которого зависит положение с-кривой.

Факторы, влияющие на положение с-кривых:

- Углерод. Увеличение содержания углерода до 0,8% увеличивает устойчивость переохлажденного аустенита, соответственно с-кривая сдвигается вправо. При увеличении содержания углерода более 0,8%, с-кривая сдвигается влево;

- Легирующие элементы. Все легирующие элементы в разной степени увеличивают устойчивость аустенита. Это не касается кобальта, он уменьшает устойчивость переохлажденного аустенита;

- Размер зерна и его гомогенность. Чем больше зерно и чем оно однороднее структура, тем выше устойчивость аустенита;

- Увеличение степени искажения кристаллической решетки снижает устойчивость переохлажденного аустенита.

Температура влияет на положение с-кривых через все указанные факторы.

Способы закалки сталей

На практике применяются различные способы охлаждения в зависимости от размеров деталей, их химического состава и требуемой структуры (схема ниже).

Схема: Скорости охлаждения при разных способах закалки сталей

Непрерывная закалка стали

Непрерывная закалка (1) – способ охлаждения деталей в одной среде. Деталь после нагрева помещают в закалочную среду и оставляют в ней до полного охлаждения. Данная технология самая распространенная, широко применяется в условиях массового производства. Подходит практически для всех типов конструкционных сталей.

Закалка в двух средах

Закалка в двух средах (скорость 2 на рисунке) осуществляется в разных закалочных средах, с разными температурами . Сначала деталь охлаждают в интервале температур например 890–400 °С например в воде, а потом переносят в другую охлаждающую среду – масло. При этом мартенситное превращение будет происходить уже в масляной среде, что приведет к уменьшению поводок и короблений стали. Такой способ закалки используют при термообработке штампового инструмента. На практике часто используют противоположный технологический прием - сначала детали охлаждают в масле, а затем в воде. При этом мартенситное превращение происходит в масле, а в воду детали перемещают для более быстрого остывания. Таким образом экономится время на осуществление технологии закалки.

Ступенчатая закалка

При ступенчатой закалке (скорость 3) изделие охлаждают в закалочной среде, имеющей температуру более высокую, чем температура мартенситного превращения. Таким образом получается некая изотермическая выдержка перед началом превращения аустенита в мартенсит. Это обеспечивает равномерное распределение температуры по всему сечению детали. Затем следует окончательное охлаждение, во время которого и происходит превращение мартенситное превращение. Этот способ дает закалку с минимальными внутренними напряжениями. Изотермическую выдержку можно сделать чуть ниже температуры Мн, уже после начала мартенситного превращения (скорость 6). Такой способ более затруднителен с технологической точки зрения.

Изотермическая закалка сталей

Изотермическая закалка (скорость 4) делается для получения бейнитной структуры стали. Данная структура характеризуется отличным сочетание прочностных и пластических свойств. При изотермической закалке детали охлаждают в ванне с расплавами солей, которые имеют температуру на 50–150 °С выше мартенситной точки Мн, выдерживают при этой температуре до конца превращения аустенита в бейнит, а затем охлаждают на воздухе.

Обработка холодом (5) применяется для сталей, у которых температура конца мартенситного превращения Мк находится ниже комнатной температуры.

Обработке холодом подвергают быстрорежущие стали, цементованные детали, мерительные инструменты, и другие особо точные изделия. Подробнее про этот нестандартный способ термообработки можете прочитать в статье "Обработка холодом стальных деталей"

Зависимость твердости мартенсита от содержания углерода

Твердость стали после закалки зависит от твердости мартенсита, которая в свою очередь зависит от содержания углерода. С увеличением содержания углерода увеличивается и твердость после закалки стали. Графическая зависимость приведена на рисунке.

Отжиг стали необходим для изменения свойств сплавов. Сначала изделие нагревают выше критической температуры, а затем медленно охлаждают. Такая операция термообработки позволяет получить однородную структуру, снять внутренние напряжения в металле, снизить твердость.

Температура нагрева зависит от химического состава стали и цели отжига. Время нагрева и остывания зависит от размеров изделия и, соответственно, веса. Для точности операции применяют справочные материалы и расчетные методы. Подробнее о видах отжига стали и особенностях технологии читайте в нашем материале.

Отжиг сталей первого рода

Различные типы отжига первого рода позволяют запускать гомогенизацию, рекристаллизацию, избавляют от остаточных напряжений, понижают степень твердости стали. Условия для конкретного процесса задаются в соответствии с начальным состоянием металла при помощи определенной температуры. Возможен нагрев в пределах или выше показателей, способствующих протеканию фазовых трансформаций.

Назначением отжига стали является достижение следующих результатов:

VT-metall предлагает услуги:

Лазерная резка металла Гибка металла Порошковая покраска металла Сварочные работы

При отжиге стали горячую заготовку остужают без использования специальных сред, а необходимая степень повышения температуры определяется в соответствии с составом металла и запланированным эффектом.

Гомогенизационный (диффузионный) отжиг

Данный режим отжига создан для легированных сталей и призван уменьшить неоднородность дендритного или внутрикристаллитного характера. Из-за нее при обработке давлением проявляются:

хрупкость на излом;
неравномерность характеристик в различных направлениях;
слоистость излома;
склонность к растрескиванию;
недостаточная пластичность, вязкость.

Диффузионный отжиг стали проходит в несколько этапов:

доведение металла до +1 200 °C, благодаря чему свойства структуры сплава выравниваются по всем направлениям;
выдержка в течение 15–20 часов;
быстрое снижение нагрева до +800…+820 °C и последующее постепенное естественное остывание материала.

Гомогенизация позволяет сформировать крупное зерно – его размеры потом уменьшают под воздействием температуры, давления.

Рекристаллизационный отжиг стали

Данный метод обработки подходит для металлов, деформированных посредством давления без повышения температуры. Такой тип отжига сталей нередко выполняет функцию окончательной или промежуточной стадии между этапами холодного деформирования. Основными процессами здесь считаются возврат и сама рекристаллизация.

Под первым понимают любые перемены в тонкой структуре, при которых не наблюдается изменения микроструктуры сплава, иными словами – сохраняются габариты и форма зерен. Все искажения кристаллической решетки восстанавливают нагревом в пределах +300…+400 °С.

Отжиг для снятия напряжений

Этот подход используют для удаления остаточных напряжений, присутствующих в отливках, сварных, резаных изделиях после неоднородного охлаждения, пластического воздействия. Такие напряжения чреваты изменением размеров, деформацией готовых металлических предметов при хранении, транспортировке, использовании по назначению.

Снятие напряжений при помощи отжига стали предполагает использование такой температуры:

Остаточные напряжения удается снизить посредством рекристаллизационного отжига, во время которого происходят описанные выше фазовые трансформации.

Полный отжиг доэвтектоидной стали

Полный отжиг стали предполагает нагрев выше критической точки А3 или окончания перекристаллизации, далее требуется выдержка на протяжении всех фазовых трансформаций и медленное охлаждение.

Превышение на 30–50 °C температуры А3 приводит к тому, что у стали формируется однофазная аустенитная структура с измельченным зерном, обеспечивающая повышенную вязкость и пластичность сплава. Более значительный нагрев вызывает увеличение размеров аустенитного зерна, из-за чего свойства заготовки оказываются хуже.

Температура и продолжительность выдержки зависят от типа изделий, способа их размещения в печи, высоты садки. Чтобы не допустить окисления и выгорания углерода в структуре стали после полного отжига, работу проводят в условиях защитной атмосферы.

Время остывания устанавливается в соответствии с химическим составом металла: чем большую устойчивость переохлажденного перлита он имеет, тем дольше его остужают. По этой причине после отжига температуру углеродистых сталей снижают на 100–150 °C в час, а легированных – всего на 40–60 °C за тот же отрезок времени.

Процесс остужения ускоряют, когда завершен распад аустенита в ферритной области. Для этого металл допускается содержать при естественных условиях. Если отжиг нацелен на удаление напряжений в изделиях, имеющих сложные формы, то обязательным условием становится их постепенное охлаждение в печи.

При помощи полного отжига обрабатывают сортовой прокат, фасонные отливки, поковки из сталей со средним содержанием углерода.

Изотермический отжиг

Данный подход предполагает нагрев как при полном отжиге, с тем лишь отличием, что потом требуется стремительное охлаждение до температуры, находящейся в диапазоне ниже критической точки А1. Чаще всего речь идет о +660…+680 °C. Далее проводится изотермическая выдержка в течение не более шести часов при достигнутых условиях, чтобы обеспечить распад аустенитной структуры. После чего заготовки оставляют остывать в естественных условиях.

Изотермический подход выгодно отличается от полного отжига стали меньшим временем воздействия, что важно при работе с легированными сплавами. Также он обеспечивает предельно однородную структуру по всему объему изделия. Если металл планируется резать, его отжиг проводят при +930…+950 °C, чтобы упростить дальнейшую обработку и обеспечить небольшое увеличение размеров зерен.

Изотермический отжиг обычно используют для поковок и компактного сортового проката из легированной стали. Метод не подходит для крупных садок массой более 20 тонн, так как условия, при которых протекают превращения, оказываются разными на отдельных участках.

Существует специализированная изотермическая обработка (или патентирование), предназначенная для пружинной стали со средним содержанием углерода (0,6–0,9 %). Этим методом проволоку подготавливают к многостадийному обжатию холодным волочением.

В первую очередь, металл доводят до температуры в +900 °C, обеспечивающей полную аустенизацию структуры. Далее заготовку погружают в соль при +450…+600 °C.

В результате такого отжига стали формируются структуры сорбита или тонкопластинчатого троостита, благодаря чему становятся возможны:

значительные обжатия при протяжке;
защита от обрывов металла во время деформаций без повышения температуры;
высокая прочность изделия после завершения волочения.

Неполный отжиг заэвтектоидных сталей

В процессе неполного отжига сталь нагревают, немного выходя за пределы критической температуры А1. Так достигается лучшая обработка резанием легированных и углеродистых сталей, относящихся к заэвтектоидным, то есть с долей углерода свыше 0,8 %.

Отжиг заэвтектоидных сталей требует проведения следующих этапов:

Нормализационный отжиг

Метод нормализации сочетает в себе особенности закалки и отжига. С его помощью обеспечивается меньшая, чем при закалке, хрупкость, и повышенная твердость, недостижимая другими способами отжига стали. Это делает нормализацию распространенным в сфере машиностроения способом обработки деталей.

Нередко к нормализации переходят после прокатного нагрева. При этом металл нагревают:

до температуры выше А3 на 40–50 °C, если речь идет о доэвтектоидных сталях;
на 40–50 °C выше Аm, если используются заэвтектоидные марки металла.

Далее фазовые превращения завершаются краткосрочной выдержкой, после чего переходят к охлаждению на воздухе.

При нормализации происходит полная перекристаллизация, измельчение структуры, сформировавшейся в ходе литья, ковки, прокатки, штамповки. При работе с низкоуглеродистыми сталями отдают предпочтение данному методу, а не отжигу, чтобы задать металлу повышенную твердость, качество поверхности, увеличить производительность при резании.

Для ряда легированных марок нормализация с остужением на воздухе выполняет функцию закалки. В рамках этого способа обработки сортовой горячекатаный прокат нагревают высокочастотными токами.

Важной характеристикой заэвтектоидных инструментальных сталей с высоким содержанием углерода и структурой пластинчатого перлита является трудная обработка резанием. По этой причине их, как и стали с добавлением легирующих веществ, отжигают на зернистый перлит.

Добиться необходимых свойств стали после отжига и образования зернистого перлита невозможно без точного соблюдения температурного режима: при слишком медленном снижении степени нагрева зерна оказываются крупными, могут встречаться отдельные пластинки перлита, тогда как быстрое охлаждение задает структуру мелкозернистого или точечного перлита.

Дефекты и брак при отжиге и нормализации

После отжига стали и ее нормализации могут появляться дефекты, подлежащие и неподлежащие исправлению. Чаще всего приходится встречаться с такими проблемами:

Окисление

Сталь взаимодействует с печными газами, пока находится в пламенных или электрических печах, из-за чего окисляется, на заготовках появляется окалина. Увеличение температуры, времени выдержки приводит к резкому возрастанию степени окисления. В результате металл угорает, геометрия изделий меняется, сплав приобретает неровную поверхность под окалиной, затрудняется его резание. Избавиться от окалины можно травлением в серной кислоте или при помощи дробеструйных установок.

Обезуглероживание

Это выгорание углерода с поверхности металла при его окислении, которое негативно отражается на прочности конструкционной стали. Изделия с обезуглероженной поверхностью подвержены закалочному растрескиванию, короблению. Ярче всего данный дефект проявляется при отжиге стали в электрических печах.

Избежать подобного изменения свойств металла во время отжига, нормализации и закалки удается благодаря использованию неокисляющих или контролируемых атмосфер. То есть в рабочее пространство печи вводят защитные газы. Контролируемые атмосферы делятся по химическому составу на нейтральные, восстановительные и науглероживающие.

Универсальной и эффективной газовой средой считается эндотермическая, так как подходит для большинства термических и химико-термических операций. Ее создают посредством переработки природного газа в эндотермических генераторах, задавая 20 % СО, 40 % Н2, 40 % N2. Немаловажно, что состав можно регулировать по точке росы.

Перегрев

Пережог

Иногда, чтобы задать стали определенные технологические характеристики, хватает неполного отжига. Могут применяться сложные режимы, требующие больших временных затрат, – их подбирают в соответствии со свойствами металла. На полный отжиг стали может уйти свыше суток, если речь идет о крупных заготовках, причем подавляющая часть времени приходится на нагрев и медленное охлаждение по всем нормам.

Почему следует обращаться именно к нам

Мы с уважением относимся ко всем клиентам и одинаково скрупулезно выполняем задания любого объема.

Наши производственные мощности позволяют обрабатывать различные материалы:

цветные металлы;
чугун;
нержавеющую сталь.

При выполнении заказа наши специалисты применяют все известные способы механической обработки металла. Современное оборудование последнего поколения дает возможность добиваться максимального соответствия изначальным чертежам.

Для того чтобы приблизить заготовку к предъявленному заказчиком эскизу, наши специалисты используют универсальное оборудование, предназначенное для ювелирной заточки инструмента для особо сложных операций. В наших производственных цехах металл становится пластичным материалом, из которого можно выполнить любую заготовку.

Преимуществом обращения к нашим специалистам является соблюдение ими ГОСТа и всех технологических нормативов. На каждом этапе работы ведется жесткий контроль качества, поэтому мы гарантируем клиентам добросовестно выполненный продукт.

Благодаря опыту наших мастеров на выходе получается образцовое изделие, отвечающее самым взыскательным требованиям. При этом мы отталкиваемся от мощной материальной базы и ориентируемся на инновационные технологические наработки.

Мы работаем с заказчиками со всех регионов России. Если вы хотите сделать заказ на металлообработку, наши менеджеры готовы выслушать все условия. В случае необходимости клиенту предоставляется бесплатная профильная консультация.

Читайте также: