Отжиг II рода (фазовая перекристаллизация)

Отжиг II рода заключается в нагреве стали до темпера­тур выше точек А_С3 или А_cm, выдержке и, как правило, последую­щем медленном охлаждении. В процессе нагрева и охлаждения в этом случае протекают фазовые превращения (g ® a - превращение), определяющие структуру и свойства стали.

После отжига углеродистой стали получаются структуры, указанные на диаграмме состояния Fe – Fe₃C: феррит + перлит в доэвтектоидных сталях; перлит в эвтектоидной стали; перлит и вторичный цементит в заэвтектоидных сталях. После отжига сталь имеет низкую твердость и проч­ность при высокой пластичности. При фазовой перекристалли­зации измельчается зерно, и устраняются видманштеттова струк­тура и строчечность, вызванная ликвацией, и другие неблаго­приятные структуры стали. В большинстве случаев отжиг является подготовительной термической обработкой: от­жигу подвергают отливки, поковки, сортовой и фасонный прокат, трубы, горячекатаные листы и т. д. Понижая прочность и твер­дость, отжиг облегчает обработку, резание средне- и высокоугле­родистой стали. Измельчая зерно, снимая внутренние напряжения и уменьшая структурную неоднородность, отжиг способ­ствует повышению пластичности и вязкости по сравнению со свойствами, полученными после литья, ковки и прокатки. В не­которых случаях (например, для многих крупных отливок) отжиг является окончательной терми­ческой обработкой.

Различают следующие виды отжига: полный, изотермиче­ский и неполный.

Полный отжиг заключается в нагреве доэвтектоидной стали на 30…50 ⁰С выше температу­ры, соответствующей точке А_С3, выдержке при этой температу­ре для полного прогрева и завер­шения фазовых превращений в объеме металла и последующем медленном охлаждении (рис. 85, б, кривая 1).

При нагреве до температуры выше точки А₃ на 30…50 ⁰С об­разуется аустенит, характери­зующийся мелким зерном, поэто­му при охлаждении возникает мелкозернистая структура (рис. 85, а), обеспечивающая высо­кую вязкость и пластичность, и возможность достижения высо­ких свойств после окончатель­ной термической обработки.

Чрезмерное повышение температуры нагрева выше точки А₃ вызывает рост зерна аустенита, что ухудшает свойства стали.

Время нагрева и продолжительность выдержки при заданной температуре зависят от типа нагревательной печи, способа укладки изделий в печь, от высоты садки, типа полуфабри­ката (лист, сортовой прокат и т.д.).

На металлургических заводах скорость нагрева не ограничивают и устанавливают ее максимально возможной по тепловой мощности печи (чаще ~ 100 ⁰С/ч); продолжительность выдержки может колебаться от 0,5 до 1 ч на 1 т нагреваемого металла. Ме­талл загружают в печь непосредственно после выгрузки преды­дущей садки при температуре печи 400…500 ⁰С.

Нагрев металла на металлургических заводах ведут в садочных печах периодиче­ского действия или в проходных печах непрерывного действия с роликовым подом, обеспечивающих равномерный прогрев, возможность проведения всех видов отжига, высокий уровень механизации и автоматизации.

Для защиты металла от окисления и обезуглероживания на металлургических заводах все шире применяются защитные (контролируемые) атмосферы. Защитная атмосфера составляется так, чтобы при химическом равновесии в печи обезуглероживающее и окислительное воздействие O₂, СО₂ и Н₂О на сталь уравно­вешивалось противоположным воздействием СО и СН₄. В этом случае атмосфера выполняет защитные функции.

На металлургических заводах чаще применяют экзотермиче­скую атмосферу ПСО-09, получаемую путем почти полного сжи­гания природного газа (коэффициент избытка воздуха a = 0,9), нередко с добавкой 1…2 % по объему природного газа СН₄. Состав атмосферы: 2 % СО, 2 % Н₂, 96 % N₂.

Медленное охлаждение должно обеспечить распад аустенита при малых степенях переохлаждения (см. рис. 77, б), чтобы из­бежать образования излишне дисперсной ферритно-карбидной структуры и свойственной ей более высокой твердости.

Скорость охлаждения при отжиге зависит от устойчивости переохлажденного аустенита, а, следовательно, от состава стали. Чем больше устойчивость аустенита в области температур пер­литного превращения, тем медленнее должно быть охлаждение.

Поэтому легированные стали, обладающие высокой устойчивостью переохлажденного аустенита, охлаждаются значительно медлен­нее (чаще со скоростью 40…60 ⁰С/ч), чем углеродистые, скорость охлаждения, которых составляет 100…150 ⁰С/ч.

После распада аустенита в перлитной области дальнейшее ох­лаждение можно ускорять и выполнять даже на воздухе.

Если отжиг предназначен и для снятия напряжений, например, в отливках сложной конфигурации, медленное охлаждение с пе­чью проводят почти до комнатной температуры.

Полному отжигу подвергают сортовой прокат из стали с 0,3… 0,4 % С, поковки и фасонные отливки.

а б

Рис. 85. Схема полного отжига (а) и изотермическая диаграмма распада аустенита (б) углеродистой стали:

1 - охлаждение при отжиге; 2 - охлаждение при нормализации

Рис. 86. Схема изотермического отжига стали

Изотермический отжиг (рис. 86, а) состоит обычно в на­греве легированной стали, как и для полного отжига, и в сравни­тельно быстром охлаждении до температуры, лежащей ниже точки А₁ (обычно 660…680 ⁰С). При этой температуре назначают изотермическую выдержку 3…6 ч, необходимую для полного распада аустенита, после чего следует охлаждение на воздухе.

Одно преимущество изотермического отжига - в сокращении длительности процесса, особенно для легированных сталей, ко­торые для заданного снижения твердости приходится охлаждать очень медленно. Для наибольшего ускорения процесса темпера­туру изотермической выдержки выбирают близкой к темпера­туре минимальной устойчивости переохлажденного аустенита в перлитной области (рис. 86, б).

Другое преимущество изотер­мического отжига заключается в получении более однородной ферритно-перлитной структуры; при изотермической выдержке температура по сечению изделия выравнивается, и превращение по всему объему стали происходит при одинаковой степени пере­охлаждения. Для некоторого укрупнения зерна и улучшения обработки резанием температуру отжига принимают 930…950 ⁰С. Нагрев нередко осуществляют в проходных печах с контролируе­мой атмосферой.

Изотермическому отжигу чаще подвергают поковки (штамповые заготовки) и сортовой прокат из легированной цементуемой стали небольших размеров.

При отжиге больших садок (20…30 т и более) быстрое и равно­мерное охлаждение до температуры изотермической выдержки невозможно. Превращения в отдельных участках садки проте­кают при разных температурах, что приводит к неравномерной структуре и твердости в пределах одной садки, поэтому для таких садок изотермический отжиг обычно не применяется.

Пружинную (канатную) проволоку из стали, содержащей 0,65…0,9 % С, перед холодным волочением подвергают изотер­мической обработке - патентированию. Для патентирования про­волоку подвергают высокотемпературной аустенитизации для получения однородного аустенита, а затем пропускают через расплавленную соль температурой 450…550 ⁰С. В результате изотермического распада аустенита образуется тонкопластинча­тый троостит или сорбит. Такая структура позволяет при холод­ной протяжке давать большие обжатия (более 75 %) без обрывов и после заключительного холодного волочения получить высокую прочность (s_В = 2000…2250 МПа).

Неполный отжиг отличается от полного тем, что сталь нагре­вают до более низкой температуры (немного выше точки А₁). Неполный отжиг доэвтектоидных сталей применяют для улучше­ния обрабатываемости их резанием. При неполном отжиге проис­ходит частичная перекристаллизация стали - вследствие пере­хода перлита в аустенит. Избыточный феррит лишь частично превращается в аустенит. Такой отжиг конструкционных легиро­ванных сталей проводится при 750…770 ⁰С с последующим ох­лаждением со скоростью 30…60 ⁰С/ч (чем выше легированность стали, тем медленнее охлаждение) до 600 ⁰С, далее на воздухе.

Неполный отжиг широко применяют для заэвтектоидных угле­родистых и легированных сталей. В этих сталях проводят нагрев до температуры лишь немного выше точки A₁ (обычно на 10…30 ⁰С), что вызывает практически полную перекристаллизацию 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 точки А₁ и принимающего в этом случае зернистую форму. В ре­зультате нагрева до температуры значительно выше точки A₁ и растворения большей части цементита и более полной гомогени­зации аустенита последующее выделение его ниже точки A₁ происходит в пластинчатой форме. Если избыточный цементит находился в виде сетки, что является дефектом, то перед этим отжигом предварительно нужно провести нормализа­цию с нагревом до температуры выше точки А_cm для растворения сетки вторичного цементита с последующим охлаждением на воздухе или в воздушной струе для предупреждения выделения цементита по границам аустенита. Нормализацию нередко проводят с прокатного (ковочного) нагрева.

Стали, близкие к эвтектоидному составу, имеют узкий интер­вал температур нагрева (750…760 ⁰С) для отжига на зернистый цементит, для заэвтектоидных углеродистых сталей интервал рас­ширяется до 770…790⁰С. Легированные заэвтектоидные стали для получения зернистых карбидов можно нагревать до более высо­ких температур и в более широком интервале (770…820 ⁰С).

Охлаждение при сфероидизации медленное. Оно должно обес­печить распад аустенита на ферритно-карбидную структуру, сфероидизацию и коагуляцию образовавшихся карбидов при охлаж­дении до 620…680 ⁰С. Чаще применяют изотермический отжиг, требующий меньше времени. В этом случае сталь медленно ох­лаждают (30…50 ⁰С/ч) до 620…680 ⁰С. Выдержка при постоянной температуре, необходимая для распада переохлажденного аусте­нита и коагуляции карбидов, составляет 1…3 ч в зависимости от массы отжигаемого металла. Последующее охлаждение прово­дят на воздухе.

Сталь с зернистым перлитом имеет более низкую твердость, прочность и соответственно более высокие значе­ния относительного удлинения и сужения.

Например, эвтектоидная сталь с пластинчатым перлитом имеет твердость НВ = 2300 МПа, а с зер­нистым перлитом - 1700 МПа и соответственно s_В 820 и 630 МПа, относительное удлинение 15 и 20 %. После отжига на зернистый перлит эвтектоидные и заэвтектоидные стали обладают наилучшей обрабатываемостью резанием, т. е. возможно применение больших скоростей резания и достигается высокая чистота поверхности.

Отжигу на зернистый перлит подвергают также тонкие листы и прутки из низко- и среднеуглеродистой стали перед холодной штамповкой или волочением для повышения пластичности.

Отжиг нормализационный (нормализация) заключается в на­греве доэвтектоидной стали до температуры, превышающей точку А_С3 на 40…50 ⁰С, заэвтектоидной стали до температуры выше точки А_ст также на 40…50 ⁰С, непродолжительной вы­держки для прогрева садки и завершения фазовых превращений и охлаждения на воздухе. Нормализация вызывает полную фазовую перекристаллизацию стали и устраняет крупнозернистую струк­туру, полученную при литье при прокатке, ковке или штамповке. Нормализацию широко применяют для улучшения свойств сталь­ных отливок вместо закалки и отпуска.

Ускоренное охлаждение на воздухе (см. рис. 85, б, кривая 2) приводит к распаду аустенита при более низких температурах, что повышает дисперсность ферритно-цементитной структуры и увеличивает количество перлита или, точнее, сорбита или троостита. Это повышает прочность и твердость нормализованной средне- и высокоуглеродистой стали по сравнению с отожженной. Нормализация горячекатаной стали повышает ее сопротивление хрупкому разрушению, что характеризуется снижением порога хладноломкости и повышением работы развития трещины. Назначение нормализации различно в зависимости от состава стали. Для низкоуглеродистых сталей нормализацию применяют вместо отжига. При повышении твердости нормализация обеспечивает большую производительность при обработке резанием и получение более чистой поверхности. Для отливок из среднеуглеродистой стали нормализацию с высоким отпуском применяют вместо закалки и высокого отпуска. В этом случае механические свойства несколько ниже, но детали будут подвергнуты меньшей деформации по сравнению с получаемой при закалке, и вероят­ность появления трещин практически исключается.

Нормализацию с последующим высоким отпуском (600…650 ⁰С) часто используют для исправления структуры легированных ста­лей вместо полного отжига, так как производительность и трудоем­кость этих двух операций выше, чем одного отжига.

Нагрев под нормализацию сортового горячекатаного проката (диаметром 13…15 мм) из конструкционной легированной стали нередко проводится на специальных установках током высокой частоты.