Отжиг стали: температура, режимы, виды

Низкотемпературный отжиг

Гетеродиффузия Р32 при 700 С, стимулированная ионной бомбардировкой Р31. дозы ионов Р31 ( см-2 – 5 – 10й, 5 – Ю 5.

Низкотемпературный отжиг ( 70 – 100 С) приводит к росту концентрации Л – центров, так как атомы кислорода, содержащиеся в кремнии ( концентрации 1016 – 1017 см-3) диффундируют к вакансиям, возникшим при облучении, и связываются с ними. При нагреве образцов до 170 С процесс образования Л – центров прекращается, и выше 170 С начинают исчезать – центры. Отжиг при 310 – 350 С приводит уже к распаду Л – щентров.

Низкотемпературный отжиг для медных штампованных изделий осуществляется при 400 – 450 С, а для латунных – при 500 – 540 С. Высокий отжиг производится для меди при 600 – 650 С, для латуни – при 650 – 700 С.

Режимы изотермического отжига различных марок инструментальных сталей.

Низкотемпературный отжиг применяется для снижения твердости легированных сталей и устранения внутренних напряжений в заготовках, прошедших холодную штамповку или механическую обработку резанием. Заготовки медленно нагревают до температуры 650 – 700 С, при этой температуре выдерживают до полного прогрева, затем охлаждают вместе с печью или в ящике с сухим песком. Этот процесс иногда называют высоким отпуском.

Низкотемпературный отжиг ( высокий отпуск) характеризуется нагревом до температуры ниже Ль выдержкой и медленным охлаждением. Применяется для снятия внутренних напряжений, возникших, в частности, при сварке, в наклепанном металле, а также для рекристаллизации металла. В производственной практике этот вид термообработки иногда называют низким отжигом.

Низкотемпературный отжиг – нагрев стали до температуры ниже интервала превращений; выдержка при этой температуре и последующее охлаждение обычно на воздухе. Низкотемпературный отжиг применяется главным образом для снятия внутренних напряжений после черновой обработки поковок из легированной стали.

Низкотемпературный отжиг применяется для снижения в отливках внутренних напряжений. Он осуществляется медленным нагревом отливок до температуры 500 – 600 С с выдержкой 10 – 12 часов и последующим медленным охлаждением вместе с печью.

Низкотемпературный отжиг ( высокий отпуск) применяют главным образом для легированных сталей ( хромистых, хромонике-левых и др.), для снятия внутренних напряжений, для снижения твердости и для избежания образования флокенов. Фазовая перекристаллизация при этом виде отжига отсутствует. Полное снятие внутренних напряжений достигается при нагреве до 600, поэтому низкотемпературный отжиг можно производить в широком температурном интервале от 600 до точки Асг Выдержка для снятия внутренних напряжений тем меньше, чем выше температура нагрева. Охлаждение после нагрева должно быть достаточно медленным, чтобы вновь не возникли внутренние напряжения.

Низкотемпературный отжиг применяют для снятия внутренних остаточных напряжений отливок серого чугуна. Данный отжиг проводят по следующему режиму: медленный нагрев отливок ( 30 – 180 С / ч) до 530 – 620 С, выдержка при этой температуре 3 – 4 ч ( с момента нагрева до заданной температуры наиболее толстого сечения отливки) и медленное охлаждение вместе с печью со скоростью 10 – 30 С / ч до 300 – 400 С. Отжиг при более высоких температурах может вызвать графитизацию эвтектоидного цементита, снижение твердости и прочности чугуна.

Низкотемпературный отжиг предназначается для снятия литейных напряжений в отливках. Отливки из серого и отбел. Длительность выдержки при низкотемпературном отжиге составляет 1 час на 25 мм сечения отливки с последующим охлаждением с печью до 400 – 300, далее на воздухе.

Схемы нагревательных приборов.

Низкотемпературный отжиг ( высокий отпуск) применяют после закалки для смягчения структуры и снятия или уменьшения остаточных напряжений. При низкотемпературном отжиге металл нагревают до температуры ниже критической точки / 4С, ( 600 – 680 С), выдерживают при этой температуре и медленно охлаждают.

Низкотемпературный отжиг после сварки является средством, наиболее полно устраняющим остаточные напряжения.

Отжиг доэвтектоидной стали

Для доэвтектоидной стали применяют следующие виды отжига (рис.40):

-полный;

-изотермический;

-нормализация;

-патентирование.

Рис.40 Основные виды отжига доэвтектоидной стали:

1- полный; 2- изотермический; 3 -нормализация;4 — патентирование.

Полный отжигпроводится с нагревом стали в область аустенита.Полному отжигу подвергают доэвтектоидные стали (со структурой перлит + феррит). При нагреве выше критической точки Ас3 происходит полная перекристаллизация стали и соответственно образование структуры аустенита. Температура нагрева должна превышать точку Ас3 на 30-50 град. В этом случае мы получим структуру мелкозернистого аустенита. При несоблюдении такого интервала перегрева может сохраниться часть феррита (при недогреве), а при перегреве произойдет рост зерна аустенита. При последующем медленном охлаждении в результате протекания эвтектоидного превращения происходит распад аустенита с образованием структуры перлита и феррита. Если до отжига в виду определенных причин структура была крупнозернистой (сталь с такой структурой обладает неудовлетворительными механическими свойствами), то при фазовой перекристаллизации образуется структура мелкозернистого аустенита, которая при последующем охлаждении превращается в мелкозернистую структуру перлита и феррита.

Изотермический отжиг. В заводской практике с целью экономии времени чаще проводят изотермический отжиг.Сталь нагревают выше критической точки в одной печи, затем быстро охлаждают переносом в другую печь до температуры, лежащей на 50-100 град ниже равновесной точки А1 и выдерживают до полного распада аустенита. 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.

Нормализация – это термическая операция, которая заключается в нагреве стали до аустенитного состояния (выше А3 или выше Аcm) и охлаждение на воздухе.

При нормализации охлаждение проводят на спокойном воздухе. При этом скорость охлаждения составляет 200–250 град/час. Нормализация – более дешевая операция, чем отжиг, т.к. печи используют только для нагрева и выдержки при температуре нормализации. Охлаждение осуществляют на воздухе, вне печи. Более быстрое охлаждение приводит к получению в стали более мелкозернистой структуры.

Отжиг и нормализация обычно являются первоначальными операциями термической обработки, цель которых – устранить дефекты предыдущих операций горячей обработки (литья и ковки), или подготовить структуру к последующим технологическим операциям (например, обработке резанием или закалке). Однако довольно часто отжиг, а особенно нормализация, являются окончательной термической обработкой. Это происходит в том случае, когда после отжига или нормализации сталь имеет свойства, удовлетворительные с точки зрения эксплуатации детали, и не требуется дальнейшего их улучшения с помощью закалки и отпуска.

Для низкоуглеродистых нелегированных сталей разница в свойствах между отожженным и нормализованным состояниями практически отсутствует. Эти стали рекомендуется подвергать не отжигу, а нормализации. Для среднеуглеродистых сталей (0,3 – 0,5%С) различие в свойствах стали после отжига и нормализации существенно. В этом случае нормализация не может заменить отжига. Но для этих сталей (если речь не идет о деталях ответственного назначения) нормализация может заменить более дорогую термическую обработку – улучшение. 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.

Патентирование.Патентирование применяется для получения высокопрочной канатной проволоки. При этом сталь нагревают до температуры превышающей А3 на 1050-2000С, а затем охлаждают до 450-5500С в соляной или свинцовой ванне и наматывают на барабан. После такого отжига сталь имеет структуру мелкозернистого троостита. Затем сталь подвергается волочению, что позволяет получить предел прочности до 2000-3000МПа.

3.8 Химико-термическая обработка.

Химико-термическая обработка гальванических покрытий – это насыщение осадка углеродом, азотом и бором диффузией из внешней твердой, газообразной или жидкой среды. Иными словами это обычно цементация, азотирование и борирование. Химико-термическая обработка сопровождается изменением фазового состава покрытия. Фазовые превращения могут идти как по ходу процесса, так и при охлаждении (полиморфные, эвтектоидные превращения, выделения избыточных фаз). Ввиду повышенной дисперсности и дефектности гальванических покрытий, их химико-термическая обработка идет быстрее, чем обработка металлов, полученных металлургически. Поэтому, зачастую, она требует меньшей температуры.Гальваническое покрытие при химико-термической обработке изделия может выполнять разные функции:

Основная рабочая поверхность, на модификацию которой и направлена химико-термическая обработка.
Транзитный слой, через который насыщающий элемент попадает в поверхность основного изделия. Транзитный слой 1-10 мкм позволяет ускорить насыщение детали и улучшить качество обработки. Например, при азотировании стали никелевое покрытие увеличивает глубину насыщения в 2-3 раза. А стали типа Х18Н9Т и ЗХ2В8 без железного покрытия вообще практически не борируются. Слой железа устраняет влияние углерода и легирующих элементов, тормозящих диффузию. Глубина борирования при этом может достигать 250 мкм.
Блокирующий слой, защищающий локальные участки детали от насыщения. Классический пример – медное покрытие на стали защищает ее от цементации.

Гальваносплав Fe-Cr (88) после цементации с последующей закалкой 820° С и отпуском 180° С в течение часа приобретает мелкодисперсную мартенситную структуру, в которой карбиды распределены равномерно. Это увеличивает микротвердость покрытия в 1,6 раза, износостойкость – в 5,5 раза. Характер износа становится равномерным, без задиров и схватывания. Цементация хрома на армко-железе, углеродистых и легированных сталях, приводит к образованию трех последовательно расположенных карбидных слоев:

внешнего – Cr₃С₂;
среднего – Cr₇С₃;
внутреннего – Cr₃С₆;

Цементированный хром становится более износостойким, жаростойким и коррозионностойким в 30% серной, соляной и азотной кислоте. Отдельным видом химико-термической обработки гальванических покрытий является нитроцементация. При этом на железных и железо-титановых покрытиях происходит залечивание дефектов по всей толщине и повышение микротвердости до 5 ГПа. Предварительный отжиг 950° С в течение 2 часов приводит к рекристаллизации структуры и полному сращиванию покрытия с подложкой. Последующая нитроцементация обеспечивает микротвердость в 12 ГПа.

Отжиг II-го рода. Отжиг и нормализация сталей; режимы и назначение отжига и нормализации

После отжига получается однородная мелкозернистая структура, твердость уменьшается, пластичность повышается, и в качестве предварительной термической обработки используется II вид отжига, перед обработкой стальных деталей металлорежущим станком. В зависимости от температуры нагрева происходит полный и неполный отжиг. Полный отжиг используется для предварительной эвтектоидной стали.

Его целью является улучшение структуры стали для облегчения последующей обработки резанием, штамповкой или закалкой, а также придание готовой детали мелкозернистой отделки. Неполный отжиг связан с фазой перекристаллизации, его применяют после процесса горячего прессования, а также при получении заготовки мелкозернистой структуры. После охлаждения получается грубая структура, состоящая из крупных частиц феррита и перлита. Сталь менее пластична. Производство гранулированного цементита облегчается горячей пластической деформацией перед отжигом, где цементитная сетка измельчается.

Сталь с зернистым цементитом лучше обрабатывается режущим инструментом, а после закалки приобретает хорошую структуру. Для экономии времени проводят изотермический отжиг. При изотермическом отжиге в процессе старения, температура равна по сечению изделия. Это способствует более однородной структуре и однородным характеристикам. Легированная сталь подвергается такому отжигу. Отжиг легированной стали увеличивает не только продолжительность нагрева и старения, но и продолжительность охлаждения. Высоколегированные стали охлаждаются на низких скоростях из-за высокой стабильности легированного аустенита. Их твердость после отжига остается высокой, что ухудшает обрабатываемость режущего инструмента.

Стандартизация называется термической обработкой стали, при которой изделие нагревается до аустенитного состояния и охлаждается на нежном воздухе. Разница между нормализацией и полным отжигом предварительно эвтектоидной стали заключается только в скорости охлаждения. В результате нормализации получается более тонкая структура кодекутана, уменьшаются внутренние напряжения, устраняются дефекты, возникшие в ходе предыдущей обработки продукта. Нормализованная твердость и прочность после термообработки используется в качестве промежуточной операции для улучшения структуры.

Особенностью данного вида режима термообработки является температура нагрева и охлаждения в спокойном воздухе. Эти особенности обусловлены конкретной целью нормализации. Что касается предэвтектоидной стали, особенно низкоуглеродистой стали, то можно получить те же результаты, что и при отжиге, используя более простой режим нормализации и охлаждения за более короткое время. Воздушное охлаждение обеспечивает более высокую степень переохлаждения аустенита, чем при отжиге, а продукты его распада более дисперсны, а плотность образующихся дислокаций близка к 108 см2.

Это особенно верно для деталей из низкоуглеродистой стали, где использование закалки исключено из-за очень высокой критической скорости закалки. Одной из целей нормализации является разрушение вышеупомянутой сетки в транс-со-сталях, в которых нежелательные цементитные сетки вокруг зерен перлита не образуются из-за ускоренного выделения избыточного (вторичного) цементита из аустенита. Рекристаллизационный отжиг (рекристаллизация) стали происходит при температуре 500-550 ° с; отжиг для снятия внутренних напряжений-при температуре 600-700°с. Эти виды отжига позволяют снять внутреннее давление литья от неравномерного охлаждения деталей и заготовок, обрабатываемых давлением при подкритических температурах.

Если в стали наблюдается внутрикристаллическое разжижение, то применяется диффузионный отжиг. Выравнивание состава в зернах аустенита, наряду с самодиффузией железа, достигается диффузией углерода и других примесей в твердом состоянии. В результате сталь становится однородной по составу, поэтому диффузионный отжиг также называют гомогенизацией. Температура гомогенизации должна быть достаточно высокой, но нельзя допускать сгорания частиц.

Отпуск сталей. Превращения в стали при отпуске, изменение микроструктуры и свойств	Изменение микроструктуры и механических свойств металлов при нагреве после высоких и низких температур Обработка металлов давлением основана на их
Химико-термическая обработка стали.Назначение, виды и общие закономерности.Диффузионное насыщение сплавов металлами и неметаллами	Возврат, первичная и собирательная рекристаллизация. Рекристаллизационный отжиг

Отпуск стали

Отпуск стали смягчает действие закалки, уменьшает или снимает остаточные напряжения, повышает вязкость, уменьшает твердость и хрупкость стали. Отпуск производится путем нагрева деталей, закаленных на мартенсит до температуры ниже критической. При этом в зависимости от температуры нагрева могут быть получены состояния мартенсита, тростита или сорбита отпуска. Эти состояния несколько отличаются от соответственных состояний закалки по структуре и свойствам: при закалке цементит (в троостите и сорбите) получается в форме удлиненных пластинок, как в пластинчатом перлите. А при отпуске он получается зернистым, или точечным, как в зернистом перлите.

Преимуществом точечной структуры является более благоприятное сочетание прочности и пластичности. При одинаковом химическом составе и одинаковой твердости сталь с точечной структурой имеет значительно более высокое относительное сужение, ударную вязкость, повышенное удлинение и предел текучести по сравнению со сталью с пластинчатой структурой.

Отпуск разделяют на низкий, средний и высокий в зависимости от температуры нагрева.

Для определения температуры при отпуске изделия пользуются таблицей цветов побежалости.

Температура, °С	Цвета каления	Температура, °С	Цвета каления
1600	Ослепительно бело-голубой	850	Светло-красный
1400	Ярко-белый	800	Светло-вишневый
1200	Желто-белый	750	Вишнево-красный
1100	Светло-белый	600	Средне-вишневый
1000	Лимонно-желтый	550	Темно-вишневый
950	Ярко-красный	500	Темно-красный
900	Красный	400	Очень темно-красный (видимый в темноте)

Тонкая пленка окислов железа, придающая металлу различные быстро меняющиеся цвета — от светло-желтого до серого. Такая пленка появляется, если очищенное от окалины стальное изделие нагреть до 220°С; при увеличении времени нагрева или повышении температуры окисная пленка утолщается и цвет ее изменяется. Цвета побежалости одинаково проявляются как на сырой, так и на закаленной стали.

При низком отпуске (нагрев до температуры 200-300° ) в структуре стали в основном остается мартенсит, который, однако, изменяется решетку. Кроме того, начинается выделение карбидов железа из твердого раствора углерода в альфа-железе и начальное скопление их небольшими группами. Это влечет за собой некоторое уменьшение твердости и увеличение пластических и вязких свойств стали, а также уменьшение внутренних напряжений в деталях.

Для низкого отпуска детали выдерживают в течение определенного времени обычно в масляных или соляных ваннах. Если для низкого отпуска детали нагревают на воздухе, то для контроля температуры часто пользуются цветами побежалости, появляющимися на поверхности детали.

Цвет побежалости	Температура, °С	Инструмент, который следует отпускать
Бледно-желтый	210	—
Светло-желтый	220	Токарные и строгальные резцы для обработки чугуна и стали
Желтый	230	Тоже
Темно-желтый	240	Чеканы для чеканки по литью
Коричневый	255	—
Коричнево-красный	265	Плашки, сверла, резцы для обработки меди, латуни, бронзы
Фиолетовый	285	Зубила для обработки стали
Темно-синий	300	Чеканы для чеканки из листовой меди, латуни и серебра
Светло-синий	325	—
Серый	330	—

Появление этих цветов связано с интерференцией белого света в пленках окисла железа, возникающих на поверхности детали при ее нагреве. В интервале температур от 220 до 330 ° в зависимости от толщины пленки цвет изменяется от светло-желтого до серого. Низкий отпуск применяется для режущего, измерительного инструмента и зубчатых колес.

При среднем (нагрев в пределах 300-500°) и высоком (500-700°) отпуске сталь из состояния мартенсита переходит соответственно в состояние тростита или сорбита. Чем выше отпуск, тем меньше твердость отпущенной стали и тем больше ее пластичность и вязкость.

При высоком отпуске сталь получает наилучшее сочетание механических свойств, повышение прочности, пластичности и вязкости, поэтому высокий отпуск стали после закалки ее на мартенсит назначают для кузнечных штампов, пружин, рессор, а высокий — для многих деталей, подверженных действию высоких напряжений (например, осей автомобилей, шатунов двигателей).

Для некоторых марок стали отпуск производят после нормализации. Этот относится к мелкозернистой легированной доэвтектоидной стали (особенно никелевой), имеющий высокую вязкость и поэтому плохую обрабатываемость режущим инструментом.