Основной фактор, от которого зависит микроструктура стали после отжига 2-го рода, — это степень переохлаждения аустенита. Разновидности отжига 2-го рода различаются главным образом способами охлаждения и степенью переохлаждения аустенита, а также положением температур нагрева относительно критических точек.
Необходимая степень переохлаждения аустенита достигается или при непрерывном охлаждении, или при изотермической обработке.
На рисунке на примере доэвтектоидной стали схематично изображены режимы охлаждения, соответствующие основным разновидностям отжига 2-го рода: полный (1), изотермический (2), нормализационный (3) отжиг (нормализация) и патентирование (4).
Основные разновидности отжига 2-го рода доэвтектоидной стали
К заэвтектоидным сталям применяют сфероидизирующий отжиг и нормализацию.
Полный отжиг
При отжиге сталь после нагрева выше критической точки медленно охлаждается вместе с печью. Проведение отжига 2-го рода основано на использовании фазового превращения в отличие от отжига 1-го рода, основанного на рекристаллизации, снятии макронапряжений и других структурных изменениях, необязательно связанных с фазовыми превращениями.
Для проведения полного отжига доэвтектоидную сталь нагревают до температур на 20 — 40 °С выше точки Ас3.
Температура нагрева сталей для отжига 2-го рода
Температура нагрева сталей для отжига 2-го рода:
1 — полный отжиг;
2 — неполный отжиг;
3 — сфероидизирующий отжиг;
4 — нормализация.
Охлаждение при отжиге проводят с такой малой скоростью, чтобы аустенит распадался при небольшой степени переохлаждения. Так как в легированных сталях аустенит более склонен к переохлаждению (смотрите рисунок Схематические диаграммы изотермического распада аустенита), то их следует охлаждать при отжиге с меньшей скоростью, чем углеродистые.
Если углеродистые стали можно охлаждать при отжиге со скоростью 200 град/ч, то легированные — со скоростью 100 — 30 град/ч. Скорость охлаждения при отжиге можно регулировать, охлаждая печь с закрытой или открытой дверцей, с полностью или частично выключенным обогревом, и перегружая садку в специальную камеру замедленного охлаждения.
Так как превращение аустенита при отжиге полностью завершается при температурах значительно выше изгиба С-кривых, то отжигаемые изделия можно выдавать из печи на спокойный воздух при температурах 500 — 600 °С, если не опасны термические напряжения. Если же одной из целей отжига является уменьшение напряжений в детали сложной конфигурации, то следует проводить охлаждение с печью почти до комнатной температуры.
Структура доэвтектоидной стали после полного отжига состоит из избыточного феррита и перлита.
Основные цели полного отжига следующие: устранение пороков структуры, возникших при предыдущей обработке металла (литье, горячей деформации, сварке и термообработке), смягчение стали перед обработкой резанием и уменьшение напряжений.
При литье могут кристаллизоваться крупные зерна аустенита, из которых при охлаждении образуются грубые зерна феррита и перлита.
Часто феррит располагается в виде вытянутых кристаллов с определенной ориентировкой — возникает видманштеттова структура, характеризующаяся пониженной ударной вязкостью.
Микроструктура доэвтиктоидной стали
Микроструктура доэвтиктоидной стали. Х 100:
а — видманшеттова структура литой стали;
б — та же сталь после полного отжига.
Если температура окончания горячей обработки давлением (ковки, прокатки) слишком высока, то успевает вырасти крупное зерно аустенита, а если температура слишком низка, то возникает строчечная структура.
Строчечная структура доэвтектоидной стали
Строчечная структура доэвтектоидной стали:
а — Х 70;
б — Х 300.
У сварного шва имеются такие же недостатки структуры, как у литой стали, причем по соседству с зоной литой структуры находится зона стали, перегретой в твердом состоянии.
Во время проведения операций термической обработки возможен перегрев стали. Например, при гомогенизационном отжиге сталь необходимо нагревать до температур 1100 — 1200 °С, при которых вырастает крупное аустенитное зерно.
Для устранения указанных недостатков структуры, возникших при литье, горячей деформации, сварке и термообработке, необходимо провести полную фазовую перекристаллизацию. При нагреве до температуры Ас3 + (20 — 40 °С) образуется мелкое аустенитное зерно, из которого при охлаждении складывается равномерная и мелкая структура, состоящая из феррита и перлита.
Иногда однократного отжига бывает недостаточно для исправления структуры стали. Это объясняется, во-первых, тем, что образующиеся при нагреве аустенитные зерна находятся в ориентационной связи с исходной видманштеттовой структурой или структурой бейнита и мартенсита, образовавшихся при подкалке на воздухе отливок, сварных швов и горячего проката из легированных сталей.
При такой исходной структуре обычный отжиг не исправляет грубозернистого излома (смотрите Образование аустенита при нагревании). Во-вторых, при горячей деформации шлаковые и сульфидные включения вытягиваются вдоль полос феррита.
При обычном нагреве до Ас3 + (20 — 40 °С) эти включения не растворяются в аустените и ориентируют при последующем охлаждении выделяющийся феррит, т. е. строчечность не устраняется обычным отжигом.
В рассмотренных случаях можно применять двойной отжиг: вначале при повышенной, а затем при нормальной температуре.
Первый высокотемпературный отжиг (выше точки b Чернова) необходим для развития первичной рекристаллизации аустенита, устраняющей его ориентационные связи с исходной кристаллографически упорядоченной структурой (смотрите Образование аустенита при нагревании), а также для растворения вытянутых шлаковых и сульфидных включений. Второй отжиг при нормальной температуре устраняет структуру перегрева от первого отжига.
Целям обычного полного отжига, измельчающего зерно, противоположна цель отжига, увеличивающего зерно. Отжиг на крупное зерно с нагревом до 950 — 1100 °С применяют к мягким низкоуглеродистым сталям для улучшения обрабатываемости резанием. Такие стали дают вязкую, трудно отделяемую стружку, способны привариваться к режущему инструменту, что делает поверхность шероховатой.
Улучшению качества поверхности и большей ломкости стружки низкоуглеродистых сталей способствует структура с крупными колониями пластинчатого перлита, которую и получают при высокотемпературном отжиге, увеличивающем зерно.
Неполный отжиг
Неполный отжиг доэвтектоидной стали проводят при нагреве до температур выше Ас1, но ниже Ас3. Этот отжиг для доэвтектоидных сталей применяют ограниченно. При температуре неполного отжига избыточный феррит не исчезает. Следовательно, неполный отжиг не может устранить указанных выше пороков стали, которые связаны с нежелательными размерами и формой избыточного феррита.
Неполный отжиг доэвтектоидной стали используют для смягчения ее перед обработкой резанием, так как в результате эвтектоидного превращения при неполном отжиге образуется мягкий перлит. Неполный смягчающий отжиг позволяет сэкономить время и снизить стоимость обработки.
«Теория термической обработки металлов»,
И.И.Новиков