Технологические особенности отжига, нормализации

Закалки и отпуска

При разработке технологии необходимо установить:

– режим нагрева деталей (температуру и время нагрева);

– характер среды, где осуществляется нагрев, и ее влияние на материал стали;

– условия охлаждения.

Режимы термической обработки назначают в соответствии с диаграммами состояния и диаграммой изотермического распада аустенита.

Рис. 5.12. Левый угол диаграммы состояния железо−цементит и температурные области нагрева при термической обработке сталей

Нагрев может осуществляться в нагревательных печах, топливных или электрических, в соляных ваннах или в ваннах с расплавленным металлом, пропусканием через изделие электрического тока или в результате индукционного нагрева. С точки зрения производительности нагрев с максимальной скоростью уменьшает окалинообразование, обезуглероживание и рост аустенитного зерна. Однако необходимо учитывать перепад температур по сечению, что ведет к возникновению термических напряжений. Если растягивающие напряжения превысят предел прочности или предел текучести, то возможно коробление или образование трещин.

Температурные области нагрева при термической обработке сталей показаны на рис. 5.12.

Отжиг и нормализация. Целью отжига является разупрочнение металла для обеспечения обрабатываемости резанием и давлением; исправление дефектов структуры, образующихся при горячей пластической деформации, литье или сварке; устранение остаточных напряжений, возникающих в процессе получения заготовок этими методами.

Отжиг состоит в нагреве металла, выдержке и последующем медленном охлаждении (вместе с печью). Отжиг приближает металл к равновесию.

Отжиг первого рода проводят для получения более равновесной, чем исходная, структуры, не связывая эту цель с наличием или отсутствием фазовой перекристаллизации. Примерами отжига первого рода являются рекристаллизационный отжиг, диффузионный отжиг.

При рекристаллизационном отжиге деформационно упрочненный металл (например, после холодной пластической деформации – прокатки, волочении, холодной штамповки) нагревают несколько выше температурного порога рекристаллизации. В результате отжига материал приобретает такие же механические свойства, какие он имел до деформации (снимается наклеп, понижается прочность и твердость, увеличивается пластичность и вязкость).

Диффузионный (гомогенизирующий) отжиг проводят при нагреве до высоких температур (применительно к сталям значительно выше А _{с 3}или А_ст), предполагающих интенсивную диффузию атомов. Такому отжигу подвергают, например, отливки для устранения дендритной ликвации (гомогенизации сплава).

При отжиге второго рода непременно протекает хотя бы частичная фазовая перекристаллизация. К отжигу второго рода относятся неполный отжиг, полный отжиг.

При неполном отжиге нагрев ведут до температуры А_ст,нониже A _{с 3} споследующим медленным охлаждением.Происходит частичная перекристаллизация сплава (меняется перлитная составляющая). Неполный отжиг чаще применяют для заэвтектоидных сталей (сфероидизирующий отжиг).

При полном отжиге сталь нагревают до температуры, превышающей на 20 – 30 °С критическую точку A _{c 3,}выдержке при этой температуре и последующем медленном охлаждении. Происходит полная перекристаллизация сплава. К заэвтектоидным сталям полный отжиг не применяют, т.к. при медленном охлаждении этих сталей от температуры А_ст.вторичный цементит выделяется по границам зерен в виде сетки, и сталь приобретает повышенную хрупкость.

Нормализация – разновидность отжига.

Термическая обработка, при которой изделие нагревают до аустенитного состояния, на 30 – 50 °С выше А₃ или А_ст с последующим охлаждением на воздухе.

Т _н = А₃ + (30 – 50) °С

или

Т _н =А_ст+(30 – 50) °С.

В результате нормализации получают более тонкое строение эвтектоида (тонкий перлит или сорбит), уменьшаются внутренние напряжения, устраняются пороки, полученные в процессе предшествующей обработки. Твердость и прочность несколько выше, чем после отжига.

В заэвтектоидных сталях нормализация устраняет грубую сетку вторичного цементита. Нормализацию чаще применяют как промежуточную операцию, улучшающую структуру. При нормализации происходит перекристаллизация стали, которая устраняет крупнозернистую структуру, полученную при литье или ковке. Иногда проводят как окончательную обработку, например при изготовлении сортового проката.

Назначение нормализации различно в зависимости от состава стали. Для низкоуглеродистых сталей нормализацию применяют вместо отжига. При этом уменьшается загруженность оборудования – охлаждение выполняют не в печи, а на воздухе. Твердость стали получается выше, чем при отжиге, но для низкоуглеродистых сталей ее значения все равно остаются достаточно низкими. Нормализация практически не снижает производительность обработки, но улучшает качество поверхности при резании.

Для среднеуглеродистых сталей нормализацию или нормализацию с высоким отпуском применяют вместо закалки с высоким отпуском, или улучшения. В этом случае механические свойства несколько ниже, но изделие подвергается меньшей деформации, исключаются трещины. Кроме того, повышается производительность операций термической обработки – одна операция выполняется вместо двух.

Высокоуглеродистые (заэвтектоидные) стали подвергают нормализации с целью устранения цементитной сетки. Нормализацию с последующим высоким отпуском (600 – 650 ºС) часто применяют вместо отжига для исправления структуры и улучшения обрабатываемости резанием легированных сталей.

Закалка состоит в нагреве сплавов до значений температуры, превышающих значение температуры для фазовых превращений и последующем быстром охлаждении, фиксирующем их высокотемпературное состояние (истинная закалка) или состояние, промежуточное между высокотемпературным и равновесным, характерным для нормальной температуры. Закалка – это упрочняющая термическая операция. Повышение твердости и прочности обеспечивается за счет получения структуры мартенсита.

Теоретическая возможность осуществления закалки определяется видом диаграммы состояния системы, к которой принадлежит сплав. Необходимо, чтобы при нагреве он испытывал хотя бы частичную твердофазовую перекристаллизацию. При закалочных скоростях охлаждения диффузионные процессы в металле в значительной степени подавлены и, следовательно, фазовые превращения не могут не отличаться от равновесных. (Отставание диффузионных процессов в твердой фазе при неравновесном охлаждении даже при кристаллизации из жидкого расплава приводит к разнородности состава кристаллов в центре и на периферии)

Применительно к сталям нагрев при закалке обычно ведут до температуры А _{с 3}(доэвтектоидные стали) и A _{c 1}(заэвтектоидные стали). Если нагрев ведется до температур А _{с 3},то такая закалка называется полной, если до А _{с 1} – неполной.

Полная, с температурой нагрева на 30 – 50 ° С выше критической температурыА₃:   Т _н =А₃ + (30 – 50) °С.

Изменения структуры стали при нагреве и охлаждении происходят по схеме:

.

Неполная закалка доэвтектоидных сталей недопустима, так как в структуре остается мягкий феррит. Избыточная фаза (феррит), имеющая малую твердость, понизит механические свойства закаленного сплава. Изменения структуры стали при нагреве и охлаждении происходят по схеме

_.

Неполная, с температурой нагрева на 30 – 50 °С выше значения критической температурыА₁:  Т_н = А₁+(30 – 50) °С.

Заэвтектоидные стали, в отличие от доэвтектоидных, подвергают неполной закалке. Изменения структуры стали при нагреве и охлаждении происходят по схеме

.

После охлаждения в структуре остается вторичный цементит, который повышает твердость и износостойкость режущего инструмента. Это объясняется тем, что избыточная фаза заэвтектоидных сталей (цементит) обладает высокой твердостью и наличие дисперсных включений цементита повышает износостойкость стали. Нагрев до А_стпривел бы к растворению цементита и, кроме того, к укрупнению аустенитного зерна, а следовательно, к возникновению после закалки структуры крупноигольчатого мартенсита, обладающего пониженными механическими свойствами.

Таким образом, в зависимости от скорости охлаждения существуют два принципиально различных способа закалки – закалка на ферритоцементитные смеси и закалка на мартенсит. При охлаждении со скоростью ниже критической, т.е. такой минимальной скорости, которая необходима для образования мартенсита, возникают структуры перлитного типа (перлит, сорбит, троостит, бейнит). Сорбит и троостит отличаются от перлита и друг от друга степенью дисперсности (троостит дисперснее сорбита, а последний – перлита). Чем структура дисперснее, тем выше ее механические свойства.

Заэвтектоидные стали перед закалкой обязательно подвергают отжигу – сфероидизации, чтобы цементит имел зернистую форму.

Охлаждение со скоростью выше критической ведет к превращению аустенита в мартенсит. Суть превращения состоит в перестройке кристаллической решетки аустенита (ГЦК) в решетку феррита (ОЦК). При этом углерод, растворенный в аустените, оказывается полностью в решетке феррита. Таким образом, мартенсит представляет собой пересыщенный твердый раствор углерода в феррите. Кристаллическая решетка мартенсита – тетрагональная (искаженная решетка феррита с увеличенным параметром с).

Большинство  легирующих  элементов, растворенных в аустените, повышают его временную устойчивость, сдвигая С-образные кривые изотермического превращения аустенита вправо по координатной оси времени. При этом критическая скорость закалки уменьшается. (В сталях мартенситного типа этого уменьшения оказывается достаточно, чтобы уже при нормализации получить мартенситную структуру)

Мартенсит – самая твердая структура, образующаяся при термообработке сталей. Чем больше в нем углерода, тем он тверже. Температура начала мартенситного превращения не зависит от скорости охлаждения, но определяется составом сплава. Углерод и большинство легирующих элементов сдвигают точки начала и конца превращения к более низким температурам.

Мартенсит – термодинамически неустойчивая структура. Нагрев, повышая подвижность атомов, приводит к образованию более устойчивых структур (троостит, сорбит, перлит). С повышением температуры снижается твердость и возрастает пластичность сплава.

Охлаждение при закалке. Для получения требуемой структуры изделия охлаждают с различной скоростью, которая в большой степени определяется охлаждающей средой, формой изделия и теплопроводностью стали. Режим охлаждения должен исключить возникновение больших закалочных напряжений. При высоких скоростях охлаждения при закалке возникают внутренние напряжения, которые могут привести к короблению и растрескиванию. Режим охлаждения должен также обеспечить необходимую глубину закаленного слоя.

Оптимальный режим охлаждения: максимальная скорость охлаждения в интервале температур А₁ – M_н, для предотвращения распада переохлажденного аустенита в области перлитного превращения, и минимальная скорость охлаждения в интервале температур мартенситного превращения M_н – M_к, с целью снижения остаточных напряжений и возможности образования трещин. Очень медленное охлаждение может привести к частичному отпуску мартенсита и увеличению количества аустенита остаточного, а следовательно, к снижению твердости.

В качестве охлаждающих сред при закалке используют воду при различных температурах, технические масла, растворы солей и щелочей, расплавленные металлы. Вода имеет существенный недостаток: высокая скорость охлаждения в интервале мартенситного превращения приводит к образованию закалочных дефектов. С повышением температуры воды ухудшается ее закалочная способность.

Наиболее высокой и равномерной охлаждающей способностью отличаются холодные водные растворы NaCl и NaOH с массовой долей 8 – 12 %-и. Они мгновенно разрушают паровую рубашку и охлаждение происходит более равномерно и на стадии пузырькового кипения. Увеличения охлаждающей способности достигают при использовании струйного или душевого охлаждения, например при поверхностной закалке.

Для легированных сталей с высокой устойчивостью аустенита используют минеральное масло (нефтяное), обеспечивающее небольшую скорость охлаждения в интервале температур мартенситного превращения и постоянство закаливающей способности. Недостатками минеральных масел являются повышенная воспламеняемость, низкая охлаждающая способность в интервале температур перлитного превращения, высокая стоимость.

Следует различать термины закаливаемость и прокаливаемость и при выборе охлаждающей среды необходимо учитывать закаливаемость и прокаливаемость стали.

Закаливаемость – способность стали приобретать высокую твердость при закалке. Закаливаемость определяется содержанием углерода. Стали с долей углерода менее0,20 % не закаливаются.

Прокаливаемость – это глубина, на которую распространяется закаленная область, т.е.способность стали получать закаленный слой с мартенситной и троостомартенситной структурой, обладающей высокой твердостью, на определенную глубину. При сквозной прокаливаемости свойства материала однородны и достаточно высоки по всему сечению.

За глубину закаленной зоны принимают расстояние от поверхности до середины слоя, где в структуре одинаковые объемы мартенсита и троостита. Чем меньше критическая скорость закалки, тем выше прокаливаемость. Укрупнение зерен повышает прокаливаемость. Если скорость охлаждения в сердцевине изделия превышает критическую, то сталь имеет сквозную прокаливаемость. Нерастворимые частицы и неоднородность аустенита уменьшают прокаливаемость.

Характеристикой прокаливаемости является критический диаметр. Критический диаметр – максимальное сечение, прокаливающееся в данном охладителе на глубину, равную радиусу изделия. Чем больше скорость теплоотвода (охлаждения), тем на большую глубину прокаливается изделие. Поэтому критический диаметр при охлаждении в воде больше, чем в масле, и тем более больше, чем на воздухе. Особенно сильно увеличивают прокаливаемость сталей легирующие элементы (молибден и бор, кроме кобальта), растворен-ные в аустените. Критический диаметр зависит от критической скорости закалки. Чем меньше скорость, тем больше диаметр.

Отпуск и старение. Отпуск является окончательной термической обработкой, формирующей свойства металла, которая заключается в нагреве стали до температуры ниже А _{с 1}, изотермической выдержке при заданной температуре и последующем охлаждении (обычно на воздухе).

Целью отпуска является повышение вязкости и пластичности, снижение твердости и уменьшение внутренних напряжений закаленных сталей, т.е. получение окончательной структуры и свойств, которые формируются в результате полного или частичного распада мартенсита – пересыщенного твердого раствора углерода в Fe_α. С повышением температуры нагрева прочность обычно снижается, а пластичность и вязкость растут. Температуру отпуска выбирают, исходя из требуемой прочности конкретной детали.

Различают три вида отпуска:

1. Низкий отпуск с температурой нагрева Т_н = 150… 300 °С.

В результате его проведения частично снимаются закалочные напряжения. Получают структуру – мартенсит отпуска. Низ-кий отпуск проводят для инструментальных сталей после закалки токами высокой частоты и после цементации. Отпуск осуществляется на воздухе, в масле или расплаве солей (50 % KNO₃ и 50 % NaNO₂). В жидких средах обеспечивается быстрый и равномерный нагрев, а также точное регулирование температуры.

2. Средний отпуск с температурой нагрева Т_н = 300… 450 °С.

Получают структуру – троостит отпуска, сочетающую высокую твердость HRC 40 – 45 c хорошей упругостью и вязкостью. Средний отпуск используется для изделий типа пружин, рессор. Его отпуск можно проводить в расплаве солей и в печах с воздушной атмосферой.

3. Высокий отпуск с температурой нагрева Т_н = 450…650 °С.

Получают структуру, сочетающую достаточно высокую твердость и повышенную ударную вязкость (оптимальное сочетание свойств) – сорбит отпуска. Высокий отпуск используется для деталей машин, испытывающих ударные нагрузки.

Комплекс термической обработки, включающий закалку и высокий отпуск, называется улучшением. Улучшению подвергают детали, эксплуатируемые в условиях высоких напряжений в сочетании с ударными нагрузками. Высокий отпуск можно проводить в расплаве солей и в печах с воздушной атмосферой.

Термин старение, а не отпуск используют при окончательной термической обработке сплавов, предварительно подвергнутых закалке без полиморфного превращения, а также сплавов, не подвергаемых закалке для стабилизации структуры.

Операции отпуска и стабилизационного старения выполняются для устранения или снижения остаточных деформаций. Напряжения в заготовках при отпуске и старении снимаются тем полнее, чем выше значения температуры этих термических операций.

Закалка без полиморфного превращения – термическая обработка, фиксирующая при более низком значении температуры состояние, свойственное сплаву при более высоких значениях температуры (пересыщенный твердый раствор).

Старение – термическая обработка, при которой главным процессом является распад пересыщенного твердого раствора. В результате старения происходит изменение свойств закаленных сплавов. В отличие от отпуска, после старения увеличиваются прочность и твердость, и уменьшается пластичность. Старение сплавов связано с переменной растворимостью избыточной фазы, а упрочнение при старении происходит в результате дисперсионных выделений при распаде пересыщенного твердого раствора и возникающих при этом внутренних напряжений. В стареющих сплавах выделения из твердых растворов встречаются в основных формах:

– тонкопластинчатой (дискообразной);

– равноосной (сферической или кубической);

– игольчатой.

Форма выделений определяется конкурирующими факторами: поверхностной энергией и энергией упругой деформации, стремящимися к минимуму. Поверхностная энергия минимальна для равноосных выделений. Энергия упругих искажений минимальна для выделений в виде тонких пластин.

Основное назначение старения – повышение прочности и стабилизация свойств. Различают старение естественное, искусственное и после пластической деформации.

Естественным старениемназывается самопроизвольное повышение прочности и уменьшение пластичности закаленного сплава, происходящее в процессе его выдержки при нормальной температуре. Нагрев сплава увеличивает подвижность атомов, что ускоряет процесс.

Повышение прочности в процессе выдержки при повышенных температурах называется искусственным старением. Предел прочности, предел текучести и твердость сплава с увеличением продолжительности старения возрастают, достигают максимума и затем снижаются (явление перестаривания). При естественном старении перестаривания не происходит. С повышением температуры стадия перестаривания достигается раньше.

Если закаленный сплав, имеющий структуру пересыщенного твердого раствора, подвергнуть пластической деформации, то также ускоряются процессы, протекающие при старении – это деформационное старение.

Старение охватывает все процессы, происходящие в пересыщенном твердом растворе: процессы, подготавливающие выделение, и сами процессы выделения. Для практики большое значение имеет инкубационный период – время, в течение которого в закаленном сплаве совершаются подготовительные процессы, когда сохраняется высокая пластичность. Это позволяет проводить холодную деформацию после закалки.

Если при старении происходят только процессы выделения, то явление называется дисперсионным твердением. После старения повышается прочность и снижается пластичность низкоуглеродистых сталей в результате дисперсных выделений в феррите цементита третичного и нитридов.

Старение является основным способом упрочнения алюминиевых и медных сплавов, а также многих жаропрочных сплавов.