Отжиг и нормализация стали

Основными видами термической обработки стали являются отжиг, нормализация, закалка и отпуск.

Отжиг I рода проводят для уменьшения химической или физической неоднородности, созданной предшествующими обработками. Существует несколько видов отжигов I рода.

Диффузионный отжиг (гомогенизацию) применяют с целью уменьшения дендритной или внутрикристаллитной ликвации, которая может приводить к хрупкому разрушению стали, обрабатываемой давлением. Нагрев при диффузионном отжиге должен составлять 1100…1200 °С.

Общая продолжительность диффузионного отжига, состоящего из нагрева, выдержки и медленного охлаждения составляет 50…100 ч и более.

Рекристаллизационный отжиг применяют для устранения наклепа и повышения пластичности перед холодной обработкой давлением. Температура рекристаллизационного отжига стали зависит от ее состава и чаще всего находится в пределах 650…760 °С. Продолжительность отжига может составлять от 0,5 до 12 ч.

Отжиг для снятия остаточных напряжений применяют для отливок, сварных изделий, деталей после обработки резанием и других обработок, в которых в процессе предшествующих технологических операций из-за неравномерного охлаждения, неоднородной пластической деформации возникли остаточные напряжения. Остаточные напряжения могут вызвать изменение размеров и коробление изделий в процессе его обработки, эксплуатации или хранения. Отжиг стальных изделий для снятия остаточных напряжений проводят при 160…700 °С в течение 2…3 ч с последующим медленным охлаждением. Остаточные напряжения снимаются при других видах отжига, а также при отпуске.

Отжиг II рода (фазовая перекристаллизация) заключается в нагреве стали до температур выше точек А_С3 или А_С1, выдержке и последующем медленном охлаждении, в результате которого протекающие фазовые превращения приближают сталь к практически равновесному структурному состоянию и измельчают зерно. Этот вид отжига в большинстве случаев является подготовительной термической обработкой.

Различают следующие виды отжига II рода: полный, изотермический, неполный и сфероидизирующий.

Полный отжиг заключается в нагреве доэвтектоидной стали на 30…50 °С выше температуры, соответствующей точке А₃, выдержке при этой температуре в течение 0,5…1,0 ч для полного прогрева и завершения фазовых превращений в объеме металла и последующем медленном охлаждении. В результате такого отжига получается мелкозернистая структура, обеспечивается высокая вязкость и пластичность.

При изотермическом отжигесталь, обычно легированную, нагревают до точки А₃ + (50…70 °С) и сравнительно быстро охлаждают (обычно переносом в другую печь) до температуры, лежащей ниже точки А₁ на 100…150 °С, в зависимости от характера кривой изотермического распада аустенита (рисунок 2.11).

Рисунок 2.11. Сопоставление способов охлаждения при фазовой перекристаллизации и закалке стали: 1 – полный и неполный отжиг; 2 – изотермический отжиг; 3 – изотермическая закалка; 4 – ступенчатая закалка, 5 – закалка в двух средах; 6 – непрерывная закалка

При этой температуре назначают изотермическую выдержку, необходимую для полного распада аустенита, после чего следует охлаждение на воздухе. Преимущество изотермического отжига по сравнению с полным состоит в уменьшении длительности процесса, особенно для легированных сталей.

Неполный отжиг отличается от полного тем, что сталь нагревают до более низкой температуры (немного выше точки А_С1). При неполном отжиге доэвтектоидной стали происходит частичная перекристаллизация стали, а именно лишь переход перлита в аустенит. Избыточный феррит лишь частично превращается в аустенит, поэтому значительная его часть не подвергается перекристаллизации.

Для доэвтектоидной стали неполный отжиг применяется лишь тогда, когда требуется только снижение твердости.

Заэвтектоидные стали подвергают только неполному отжигу.

В этих сталях нагрев несколько выше точки А_С1 (обычно на 10…30 °С) вызывает практически полную перекристаллизацию металлической матрицы.

Сфероидизирующему отжигу подвергают инструментальную углеродистую (эвтектоидную и заэвтектоидную) сталь, содержащую от 0,8 до 2 % С перед обработкой резанием. Для этого ее нагревают несколько выше А_С1 (750…770 °С) и медленно охлаждают или изотермически выдерживают при субкритической температуре 650…680 °С.

В результате такой обработки частицы цементита, не растворившегося при нагреве, и микрообъемы с повышенной концентрацией углерода в аустените из-за недостаточно полной ее гомогенизации служат центрами кристаллизации для цементита, выделяющегося при последующем охлаждении ниже точки А₁ и принимающего в этом случае зернистую форму. Если избыточный цементит находился в виде сетки, что является дефектом, то перед этим отжигом предварительно нужно провести нормализацию с нагревом выше А_cm для растворения сетки из вторичного цементита с последующим охлаждением на воздухе для предупреждения выделения этого цементита по границам аустенита.

Сталь с зернистым перлитом имеет более низкие значения твердости, временного сопротивления и, соответственно, более высокие относительные удлинения и сужения, хорошо обрабатывается резанием.

Кроме того, такая структура при последующей закалке стали обеспечивает мелкое зерно, расширяет интервал закалочных температур и уменьшает склонность к образованию трещин.

Нормализация отличается от полного отжига в основном условиями охлаждения. После нагрева на 50…70 °С выше температуры А_С3 или А_сm сталь охлаждают на спокойном воздухе. Нормализация вызывает полную фазовую перекристаллизацию стали и устраняет крупнозернистую структуру, полученную при литье или прокатке, ковке или штамповке.

Нормализацию широко применяют для улучшения свойств стальных отливок вместо закалки и отпуска.

Контрольные вопросы:

1. До какой температуры нагревают доэвтектоидные стали при нормализации?

2. Что такое «отжиг»?

3. Что такое «нормализация»?

4. При какой температуре производят полный отжиг углеродистой стали 45?

5. Когда следует производить отжиг первого рода?

6. Когда следует производить отжиг второго рода?

7. Когда следует производить изотермический отжиг?

8. Когда производится нормализация стали?