2. ОТЖИГ II РОДА (ФАЗОВАЯ ПЕРЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ)

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

После отжига углеродистой стали получаются структуры (см. рис. 84), указанные на диаграмме состояния железо — цементит; 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 (см. рис. 108). 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 °С выше температуры, соответствующей точке выдержке при этой температуре для полного прогрева и завершения фазовых превращений в объеме металла и последующем медленном охлаждении (рис. 129, б, кривая 1).

При нагреве до температуры выше точки на 30-50 °С образуется аустенит, характеризующийся мелким зерном, поэтому при охлаждении возникает мелкозернистая структура (рис. 129, а), обеспечивающая высокую вязкость и пластичность и возможность достижения высоких свойств после окончательной термической обработки.

Чрезмерное повышение температуры нагрева выше точки 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

Рис. 129. (см. скан) Схема последнего отжига (а) и изотермическая программа распада аустенита (б) углеродистой стали: 1 - охлаждение при отжиге; 2 - охлаждение при нормализации

ограничивают и устанавливают ее максимально возможной по тепловой мощности печи (чаще ); продолжительность выдержки может колебаться от 0,5 до на нагреваемого металла. Металл загружают в печь непосредственно после выгрузки предыдущей садки при температуре печи 400-500 °С. 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 на сталь уравновешивалось противоположным воздействием и . В этом случае атмосфера выполняет защитные функции.

На металлургических заводах чаще применяют экзотермическую атмосферу получаемую путем почти полного сжигания природного газа (коэффициент избытка воздуха нередко с добавкой по объему природного газа Состав атмосферы:

Медленное охлаждение должно обеспечить распад аустенита при малых степенях переохлаждения (см. рис. 129), 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 чем углеродистые, скорость охлаждения которых составляет

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 нормальной температуры.

Полному отжигу подвергают сортовой прокат из стали с , поковки и фасонные отливки.

Изотермический отжиг (рис. состоит обычно в нагреве легированной стали, как и для полного отжига, и в сравнительно быстром охлаждении до температуры, лежащей ниже точки (обычно 660-680 °С). При этой температуре

Рис. 130. Схема изотермического отжига стали (Q — масса садки, т)

назначают изотермическую выдержку 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. 130, 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 °С. Нагрев нередко осуществляют в проходных печах с контролируемой атмосферой.

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

При отжиге больших садок 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 , 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 °С. 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

Неполный отжиг отличается от полного тем, что сталь нагревают до более низкой температуры (немного выше точки 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 °С с последующим охлаждением со скоростью (чем выше легированность стали, тем медленнее охлаждение) до далее на воздухе.

Неполный отжиг широко применяют для заэвтектоидных углеродистых и легированных сталей. В этих сталях проводят нагрев до температуры лишь немного выше точки (обычно на что вызывает практически полную перекристаллизацию и позволяет получить зернистую (сфероидальную) форму перлита вместо пластинчатой (см. рис. 84, з и и). Такой отжир 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 Л]; и принимающего в этом случае зернистую форму. В результате нагрева до температуры значительно выше точки и растворения большей части цементита и более полной гомогенизации аустенита последующее выделение его ниже точки происходит в пластинчатой форме. Если избыточный цементит находился в виде сетки (см. рис. 84, з), что является дефектом, то перед этим отжигом предварительно нужно провести нормализацию с нагревом до температуры выше точки для растворения сетки из вторичного цементита с последующим охлаждением на воздухе или в воздушной струе для предупреждения выделения этого цементита по границам аустенита. Нормализацию нередко проводят прокатного (ковочного) нагрева.

Стали, близкие к эвтектоидному составу, имеют узкий интервал температур нагрева (750-760 °С) для отжига на зернистый цементит, для заэвтектоидных углеродистых сталей интервал расширяется до 770-790 °С. Легированные заэвтектоидные стали для получения зернистых карбидов можно нагревать до более высоких температур и в более широком интервале (770-820 °С).

Охлаждёние при сфероидизации медленное. Оно должно обеспечить распад аустенита на ферритно-карбидную структуру,

сфероидизацию и коагуляцию образовавшихся карбидов при охлаждении до 620-680 °С. Чаще применяют изотермический отжиг, требующий меньше времени. В этом случае сталь медленно охлаждают до Выдержка при постоянной температуре, необходимая для распада переохлажденного аустенита и коагуляции карбидов, составляет в зависимости от массы отжигаемого металла. Последующее охлаждение проводят на воздухе.

Сталь 6 зернистым перлитом имеет более низкую твердость, временное сопротивление и соответственно более высокие значения относительно удлинения и сужения. Например, эвтектоидная сталь с пластинчатым перлитом имеет твердость а с зернистым перлитом — и соответственно временное сопротивление 820 и относительное удлинение 15 и 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 на 40-50 °С, заэвтектоидной стали до температуры выше точки также на 40-50 °С, в непродолжительной выдержке для прогрева садки и завершения фазовых превращений и охлаждений 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. 129, 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 °С) 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 (см. с. 220).