Отжиг и нормализация стали

Отжиг.

Отжиг - это первичная операция термической обработки, при которой стали нагревают до определенных температур, выдерживают при этих температурах и затем медленно охлаждают вместе с печью.

Цель и назначение отжига так же разнообразны, как и выполнение. Отжиг применяют для снятия внутренних напряжений, повышения механических свойств металла, улучшения обрабатываемости режущим инструментом, снижения твердости и для подготовки структуры к дальнейшей термической обработке.

В зависимости от температуры нагрева и назначения различают следующие виды отжига: полный, неполный, отжиг на зернистый перлит, изотермический, диффузионный и т. д.

Полный отжиг.

Полный отжиг осуществляется главным образом после горячей механической обработки и литья углеродистых и легированных сталей. Основной целью полного отжига кованых и литых деталей является измельчение зерна, смягчение металла для улучшения его обработки режущим инструментом и устранение вну­ренних напряжений. Это достигается нагревом, не превышающим 20-40°С верхней критической точки А_Сз, и медленным охлаждением.

Температуру нагрева для деталей, изготовленных из углеродистых сталей, определяют по диаграмме состояния, а для легированных сталей - по положению их критической точки А_Сз, имеющейся в справочных таблицах.

Время выдержки при температуре отжига обычно складывается из времени, необходимого для полного прогрева всей массы деталей, и времени, нужного для окончания структурных превращений. После отжига сталь медленно охлаждают вместе с печью. Детали, изготовленные из углеродистой стали, охлаждают со скоростью 180-200°С в час, из низколегированных сталей - со скоростью 90-100°С в час, из высоколегированных - со скоростью примерно 50°С в час. Высоколегированные стали целесообразнее подвергать изотермическому отжигу.

В результате полного отжига деталей, изготовленных из доэвтектоидной углеродистой стали, получается пластинчатый перлит, а зерна феррита располагаются в виде разорванной сетки.

Структура фасонных литых деталей, изготовленных из стали с содержанием углерода от 0,15 до 0,45%, обычно неоднородна, т. е. состоит из очень крупных и мелких зерен, а механические свойства такой стали неудовлетворительны. Поэтому для повышения механических свойств, измельчения зерна и снятия внутренних напряжений литые детали нужно обязательно подвергать полному отжигу.

Неполный отжиг. Если до отжига структура стали была удовлетворительная, но сталь обладает повышенной твердостью и в деталях имеются внутренние напряжения, то целесообразнее применять неполный отжиг. Детали при таком отжиге нагревают при температуре, немного превышающей точку A_Cl.  Неполный отжиг изменяет структуру перлита, однако, структура феррита может оставаться неизменной. Внутренние напряжения снимаются полностью, и сталь получает пониженную твердость и хорошо обрабатывается механически.

Отжиг на зернистый перлит (сфероидизация). Заэвтектоидные высокоуглеродистые инструментальные стали со структурой пластинчатого перлита имеют плохую обрабатываемость режущим инструментом. Поэтому заэвтектоидные углеродистые и легированные стали подвергают отжигу только на зернистый перлит.

Получение зернистого перлита достигается специальным видом отжига, близким по своему режиму к неполному отжигу. Сталь нагревают немного выше A_Cl с последующим охлаждением сначала до 700°С, затем до 550-600°С и далее на воздухе. Особенно важным для получения зернистого перлита является точное соблюдение температурного режима, так как при очень медленном охлаждении зернистый перлит получается с крупными зернами, а часто с отдельными пластинками перлита, а при более быстром охлаждении образуется мелкозернистый (точечный) перлит. Поэтому для получения зернистого перлита целесообразно применять циклический или маятниковый отжиг. При таком отжиге сталь нагревают до 760-780°С, после небольшой выдержки охлаждают имеете с печью до 680 - 700°С и затем снова повторяют весь цикл несколько раз.

Изотермический отжиг. Этот вид отжига заключается в нагреве стали на 30-50°С выше точки А_с3, охлаждении до температуры несколько ниже точки А_r1, изотермической выдержке при этой температуре для полного превращения аустенита и последующем охлаждении на воздухе. Изотермический отжиг позволяет сокращать продолжительность циклов, используемых при обычном отжиге высоколегированной стали, с 15-30 до 4-7 час. и дает однородную структуру. Такой отжиг особенно необходим для высокохромистых сталей с устойчивым аустенитом.

Диффузионный отжиг (гомогенизация). Он производится для устранения или уменьшения химической неоднородности, получаемой при затвердевании стальных слитков (дендритная ликвация). Выравнивание химического состава стали и уничтожение дендритной ликвации осуществляется путем диффузии (перемещения) атомов примесей из мест с высокой концентрацией в места с низкой концентрацией. Для обеспечения хороших условий диффузии атомов диффузионный отжиг стали, проводят при высоких температурах (1100-1200°С), с длительной выдержкой (от 10 до 15 час.) и медленным охлаждением.

Длительная выдержка при высокой температуре приводит к укрупнению зерен. Для измельчения зерен после диффузионного отжига часто применяют обыкновенный отжиг. Такому отжигу подвергают слитки хромоникелевых, марганцовистых и других высококачественных сталей.

Рекристаллизационный (разупрочняющий) отжиг. При деформации стали в холодном состоянии происходит ее наклеп. Зерна феррита и перлита вытягиваются по направлению деформации. Вследствие этого наклепа искажается кристаллическая решетка, сталь становится более жесткой, твердой и пластичность ее резко падает. Для восстановления пластичности и устранения наклепа деформированную сталь (обычно листовую) подвергают рекристаллизационному отжигу. Отжиг обычно производят при температуре 650-680°С, в результате чего вместо старых вытянутых зерен в исходной структуре образуются новые, равноосные зерна и сталь становится мягкой и вязкой.

Для сохранения чистой и блестящей поверхности холоднокатаных стальных листов и ленты рекристаллизационный отжиг производят в печах с нейтральной (не окисляющей) атмосферой.

Нормализация. Термическую операцию, при которой сталь нагревают до температуры 30-50°С выше верхних критических точек А_Сз и А_ст, выдерживают при этой температуре и затем охлаждают на спокойном воздухе, называют нормализацией.

Нормализацией устраняют внутренние напряжения и наклеп, повышают механические свойства и подготовляют структуру стали для окончательной термической обработки.

При нормализации превращение аустенита происходит с большей степенью переохлаждения, чем при отжиге, поэтому перлит имеет более тонкую структуру. В результате нормализации сталь получает нормальную, однородную мелкозернистую структуру. При нормализации среднеуглеродистых и малолегированных сталей образуется структура сорбитообразного перлита или сорбита и свободного феррита. При этом прочность и ударная вязкость нормализованной стали значительно выше, чем отожженной. Например, у хромистой стали 40Х после отжига σ_ь = 65,5 кгс/мм², δ = 21%, а_к=5,6 кгсм/см², а после нормализации σ_ь =75,4 кгс/мм²; δ = 20,9%; а_к = 7,8 кгсм/см². Нормализация стали по сравнению с отжигом является более коротким процессом термической обработки, а следовательно, и более производительным. Поэтому углеродистые стали целесообразнее нормализовать, а не отжигать.

Дефекты и брак при отжиге и нормализации. В процессе отжига и нормализации может возникать неисправимый и исправимый брак (дефекты). Наиболее распространенными видами дефектов и брака являются: окисление, обезуглероживание, перегрев и пережог стали.

Окисление. При нагреве в пламенных или электрических печах поверхность стальных деталей взаимодействует с печными газами. В результате металл окисляется и на деталях образуется окалина. С повышением температуры и времени, выдержки окисление резко возрастает. Образование окалины не только вызывает угар (потерю) металла, но и искажает геометрическую форму деталей. Поверхность стали под окалиной получается разъеденной и неровной, что затрудняет обработку металла режущим инструментом. Окалину с поверхности деталей удаляют или травлением в серной кислоте, или очисткой в дробеструйных установках.

Обезуглероживание. Обезуглероживание, т. е. выгорание углерода с поверхности деталей, всегда происходит при окислении стали. Обезуглероживание резко снижает прочностные свойства конструкционной стали.

Кроме того, детали с обезуглероженной поверхностью, склонны к закалочным (трещинам и короблению. Особенно большое обезуглероживание наблюдается при нагреве металла в электрических печах.

Для предохранения деталей от окисления, а следовательно и от обезуглероживания, в процессе отжига, нормализации и закалки применяют неокисляющие (контролируемые) атмосферы.

Для защиты деталей и заготовок от окисления и обезуглероживания при высоких температурах в рабочее пространство печи вводят защитные газы. Можно также создать защитную (контролируемую) атмосферу, которая может быть науглероживающей.

Контролируемые атмосферы обычно вводят при отжиге или закалке в рабочее пространство печи. В зависимости от химического состава контролируемые атмосферы могут быть нейтральными, восстановительными или науглероживающими.

Контролируемые атмосферы получают различными методами: разложением аммиака на азот (25%) и водород (75%), газификацией древесного угля, осветительного керосина и т. п.

Наиболее универсальной и эффективной газовой средой является эндотермическая, получаемая в результате переработки природного газа в специальных установках-эндотермических генераторах.

Под эндотермической понимается атмосфера, получаемая в генераторах, где реакции протекают с поглощением тепла.

Эндотермическая атмосфера имеет следующий состав: ~ 20% СО;- 40% Н₂;~40% N₂.

Она может быть использована почти для всех термических и химико-термических операций, причем состав ее можно регулировать по точке росы.

Перегрев. Сталь перегревается при очень высокой температуре отжига и нормализации, а также при большой выдержке. При перегреве зерна в стали укрупняются, что ведет к снижению прочности, вязкости и образованию закалочных трещин. Такой дефект стали устраняют повторным правильным отжигом или нормализацией.

Пережог. При нагреве до высоких температур получается пережог стали, выражающийся в оплавлении поверхности деталей и окислении зерен. При высокой температуре нагрева кислород из окружающей печной атмосферы проникает внутрь нагретой стали, при этом границы зерен сильно окисляются. Сталь теряет пластические свойства, прочность и становится настолько хрупкой, что при малейших ударах разрушается. Пережженную сталь, исправить термической обработкой невозможно, поэтому она идет на переплавку.