10. Отжиг и нормализация

Отжиг — термическая обработка, при которой сталь нагревается выше (или только выше — неполный отжиг) с последующим медленным охлаждением. Нагрев выше обеспечивает полную перекристаллизацию стали. Медленное охлаждение при отжиге обязательно должно привести к распаду аустенита и превращению его в перлитные структуры. Нормализация есть разновидность отжига, при нормализации охлаждение проводят на спокойном воздухе, что создает несколько более быстрое охлаждение, чем при обычном отжиге (рис. 245). И в случае нормализации превращение должно произойти в верхнем районе температур с образованием перлита, но при несколько большем переохлаждении, что определяет некоторое различие свойств отожженной и нормализованной стали.

Отжиг и нормализация обычно являются первоначальными операциями термической обработки, цель которых либо устранить некоторые дефекты предыдущих операций горячей обработки (литья, ковки и т. д.), либо подготовить структуру к последующим технологическим операциям (например, обработке резанием, закалке). Однако довольно часто отжиг, и особенно нормализация, являются и окончательной термической обработкой. Это бывает тогда, когда после отжига или нормализации получаются удовлетворительные с точки зрения эксплуатации детали свойства и не требуется их дальнейшее улучшение с помощью закалки и отпуска.

Основные цели отжига: перекристаллизация стали и устранение внутренних напряжений или исправление структуры.

Обе эти задачи выполняются обычным полным отжигом (рис. 246), заключающимся в нагреве стали выше верхней критической точки с последующим медленным охлаждением. Феррито-перлитная структура переходит при нагреве в аустенитную, а затем при охлаждении аустенит превращается обратно в феррит и перлит, т. е. происходит полная перекристаллизация.

Структура, состоящая из крупных зерен перлита и феррита, какая часто бывает после литья или ковки, после такого отжига превращается в структуру из мелких зерен феррита и перлита (рис. 247, а, б).

Рис. 245. Кривые охлаждения для отжига, нормализации и одинарной термической обработки. наложенные на диаграмму изотермического распада аустенита

Рис. 246. Температура нагрева для различных видов отжига

Если нет необходимости изменить расположение ферритной составляющей, если исходная структура не очень крупнозерниста, и не имеет характера видманштеттовой структуры, то достаточно провести более низкий нагрев — выше но ниже При этом произойдет лишь перекристаллизация перлитной составляющей, но не ферритной. Это будет так называемый неполный отжиг (рис. 246). Неполный отжиг — более экономичная операция, чем полный, так как нагрев в этом случае осуществляется до более низких температур.

Если исходная структура хорошая и нет необходимости в перекристаллизации, а требуется только снизить внутренние напряжения, то нагрев под отжиг ограничивают еще более низкими температурами, ниже критической точки. Это будет низкий отжиг (рис. 246). Очевидно, что эта операция относится к первой группе видов термической обработки (отжиг I рода, тогда как полный и неполный отжиг относится во второй группе (отжиг II рода, или фазовая перекристаллизация). Если исходное состояние имеет структуры

закалки (бейнит, мартенсит), то такую операцию правильнее называют высоким (смягчающим) отпуском.

Литая сталь обычно характеризуется неоднородностью состава, дендритной и зональной ликвацией. Нагрев до высоких температур и выдержка при них приводят к устранению или смягчению дендритной неоднородности. Такая операция называется гомогенизацией, или диффузионным отжигом. В результате высокого нагрева (обычно до 1000-1100 °С) и длительной выдержки наблюдается сильный рост зерна, и поэтому после такой обработки структура получается крупнозернистой и требуется дополнительная операция термической обработки для исправления структуры (обычный отжиг).

Рис. 247. Структура стали 50, X 100: а - крупнозернистая; б — «видманштетт»; в — после отжига, исправляющего структуру

Если диффузионный отжиг был применен к слиткам, которые будут подвергаться пластической деформации (прокатке, ковке), то необходимость в последующем отжиге отпадает, так как крупнозернистая структура исправится пластической деформацией.

Неполный отжиг заэвтектоидных сталей называют также сфероидизацией, так как это — основной способ получения зернистого перлита. Выше было отмечено, что для получения зернистого перлита нагрев должен не на много превосходить критическую точку в противном случае получается пластинчатый перлит. Структурой зернистого перлита должны обладать инструментальные стали, так как это обеспечивает хорошую обрабатываемость режущим инструментом и малую склонность к перегреву при закалке.

При отжиге скорость охлаждения должна быть такова, чтобы успели произойти превращения аустенита при малой степени переохлаждения. Практически скорость охлаждения не должна быть больше что достигается охлаждением в печи. В

заводской практике с целью экономии времени чаще проводят так на зываемый изотермический отжиг. Для этого сталь, нагретая выше верхней (или только нижней) критической точки, охлаждается быстро (точнее с любой скоростью) до температуры, лежащей на 50-100 °С ниже равновесной точки и при этой температуре выдерживается столько, сколько необходимо для полного распада аустенита (рис. 248). Поскольку температуру контролировать легче, чем скорость охлаждения, такой отжиг дает более стабильные результаты. В настоящее время изотермический отжиг применяют чаще, чем отжиг с непрерывным охлаждением, особенно для легированных сталей, так как это сокращает продолжительность операции.

Рис. 248. Кривые маотериического обычного отжига

Нормализация, естественно, — более дешевая термическая операция, чем отжиг, так как печи используют только для нагрева и выдержки при температуре нормализации, охлаждение осуществляется на воздухе, вне печи.

Для низкоуглеродистых нелегированных сталей разница в свойствах между отожженным и нормализованным состояниями практически отсутствует и рекомендуется эти стали подвергать не отжигу, а нормализации. Для среднеуглеродистых сталей (0,3-0,5 % С) различие в свойствах нормализованной и отожженной стали более значительно; в этом случае нормализация не может заменить отжига. Но для этих сталей нормализацией часто заменяют более дорогую операцию улучшения, состоящую в двойной обработке: закалка отпуск при высокой температуре. Нормализация в этом случае придает стали по сравнению с отожженным состоянием более высокую прочность, но по сравнению с улучшенным состоянием нормализованная сталь имеет несколько меньшую пластичность и вязкость. Для неответственных деталей нормализация дает достаточно удовлетворительные механические свойства; для ответственных деталей следует все же применять улучшение.

При нормализации охлаждение проводят на спокойном воздухе. Если после нагрева до аустенитной области следует охлаждение в струе воздуха, создающего такую повышенную скорость охлаждения, чтобы превращение произошло все же в районе изгиба С — кривой (см. рис. 245), то такая обработка носит название одинарной термической обработки (термин, предложенный Н. А. Минкевичем). Ее применяют, если нужно избежать закалки и получить твердость, несколько более высокую, чем при нормализации.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

(см. скан)

(см. скан)