Отжиг для смягчения / сфероидизации

Отжиг для упрочнения (или упрочнение, сфероидизация, сфероидизирующий отжиг, отжиг на шаровидный цементит) позволяет получить структуру с минимальной твердостью, возможной для данной стали, например, для эвтектоидной стали HB достигает 160 кг/мм². Стальные изделия, поставляемые в состоянии отжига для смягчения, имеют в обозначении дополнительный символ +A (или +AT), а отжигаемые для сфероидизации — +AC.

Структурные изменения и шариковый цементит

Стали с более высоким содержанием углерода, как правило, твердые, что затрудняет их механическую обработку. Это обусловлено пластинчатой, игольчатой или сетчатой формой цементита (или других карбидов), которая упрочняет структуру. В результате отжига сфероидизирующийся цементит принимает форму мелких шаровидных зерен, равномерно распределенных по матрице, что стало называться шаровидным цементитом или зернистым перлитом. Возможно, более точным является название сфероид, поскольку этот термин устраняет неточности предыдущих формулировок и объясняет образование структуры. В углеродистых сталях эти шарики представляют собой карбиды железа (то есть цементит), а в легированных сталях — другие сложные карбиды. Шариковый цементит — это самая мягкая структура стали в данной системе.

Необходимым условием для получения структуры шаровидного цементита является то, что при нагревании до аустенитного состояния сохраняется определенное количество мелких нерастворенных остатков цементита, которые при охлаждении становятся зачатками кристаллизации. Если сталь полностью переходит в твердый раствор, то при охлаждении кристаллизуется перлитовая структура.

Шаровой цементит классифицируется на несколько разновидностей с помощью эталонных фотографий, которые в упрощенном виде и на примере подшипниковой стали ЛХ15 можно представить следующим образом:

• Очень мелкий шаровидный цементит с остатками перлита: HB = 229 кГ/мм²
• Мелкий шаровой цементит: HB = 207-197 кГ/мм²
• Средний шариковый цементит: HB = 187 кГ/мм²
• Крупный шаровой цементит: HB = 179 кГ/мм²
• Крупнозернистый неоднородный цементит с остатками крупнопластинчатого перлита: HB = 179-170 кГ/мм²

Форма цементита в отожженной стали определяет ее твердость, а значит и обрабатываемость при механической обработке и пластической деформации. Она также является основным фактором, влияющим на кинетику аустенизации при закалке, размер зерна и химический состав. В свою очередь, состав аустенита определяет закаливаемость стали и все свойства мартенсита — основного компонента подшипников и многих инструментов.

Цель отжига для смягчения

Смягчение стали применяется в основном в металлургии с целью снижения твердости изделия перед дальнейшей обработкой. Примером может служить смягчение прутков, которые впоследствии подвергаются холодной волочике. Также большая часть инструментальной стали поставляется в мягком состоянии для улучшения обрабатываемости при резании, а также для уменьшения напряжений и деформаций при закалке.

Отжиг для смягчения и сфероидизации

Эти два термина часто используются как синонимы, однако между ними может быть разница. Если методы умягчения, которые для одного вида стали приводят к образованию сфероидов, применить к другим видам стали, то в результате получится значительно умягченная, но только частично сфероидизированная сталь, в которой рядом с зернами цементита видны остатки некоагулированного перлита. Формулировка «сфероидизирующий отжиг» более однозначно указывает на то, что конечной структурой должен быть сфероид.

Таким образом, любое сфероидизирующее отжигание является отжигом для смягчения, но не любое отжигание для смягчения является сфероидизирующим. Однако для большинства марок стали это не имеет большого значения.

Методы отжига для смягчения

Существует множество методов отжига для смягчения.

Отжиг для смягчения с нагревом чуть ниже A_C1p заключается в длительном отжиге при температуре чуть ниже перехода A_C1 с последующим охлаждением с любой скоростью, поскольку без превышения границы A_C1p (температуры начала аустенитного перехода) скорость охлаждения не влияет на структуру и лишь незначительно влияет на твердость. Метод считается неэкономичным из-за длительного времени выдерживания. Он также не уменьшает карбидную сеть.

Отпуск с отжигом при температуре фазового перехода A_C1 заключается в несколько более коротком отжиге стали в диапазоне между A_C1p и A_C1k. Охлаждение до температуры 600°C должно быть очень медленным, затем охлаждение можно производить с любой скоростью. Этот метод в целом более выгоден, чем предыдущий, поскольку он прост, немного быстрее и защищает поверхностные слои материала от перегрева.

Отжиг для смягчения с нагревом чуть выше  A_C1k состоит в кратковременном нагревании стали выше температуры A_C1k (чем выше содержание углерода, тем выше температура), медленном охлаждении до температуры чуть ниже A_r1 с последующим произвольным охлаждением. Это наиболее часто используемый, хорошо масштабируемый метод.

Отжиг для смягчения с изотермическим превращением заключается в кратковременном нагревании стали выше температуры A_C1k и переносе заготовки до температуры изотермического превращения, где сталь должна выдерживаться до завершения изотермического превращения. Охлаждение до температуры 600°C должно быть медленным, затем охлаждение может происходить с любой скоростью. Это самый короткий процесс отжига для смягчения, а закалка полученной таким образом структуры дает наибольшую твердость. Недостатком метода является необходимость наличия специального оборудования.

Отжиг для смягчения с колебаниями температуры заключается в переменном нагревании при температурах примерно на 20 °C выше A_C1 и немного ниже  A_r1 с последующим очень медленным охлаждением до температуры 600°C, после чего сталь можно охлаждать с любой скоростью. Это самый простой способ получения полной сфероидизации подотектоидальной стали. Недостатком метода является отсутствие уменьшения карбидной сетки, длительное время отжига и, как следствие, обезуглероживание, а также сложность соблюдения заданного диапазона температур для больших партий. Иногда он используется для исправления дефектной структуры, вызванной слишком высокой температурой отжига.

Сфероидизирующее отжигание углеродистых и конструкционных инструментальных сталей

Как правило, изделия из инструментальной стали поставляются в мягком состоянии. Полуфабрикаты из быстрорежущей стали после ковки, сварки, литья или при обработке изношенных инструментов требуют сфероидизирующего отжига для смягчения перед дальнейшей механической обработкой или снятия напряжений перед закалкой. Отжиг для смягчения также требуется для инструментов, которые уже были закалены, перед повторной закалкой. В этом случае это предотвращает образование мраморного разлома после закалки.

Отжиг для смягчения ледебуритной стали выполняется исключительно методом с отжигом чуть выше A_C1.

Отжиг для смягчения сталей, близких к эвтектоидным и надэвтектоидным (например, N11E) осуществляется методами с отжигом чуть выше A_C1 (часто) или методом с изотермическим превращением (в практике редко).

Отжиг для смягчения подотектоидальной стали (например, N6) выполняется методами с отжигом чуть ниже A_C1 или в пределах превращения A_C1. Однако эти методы не дают полного сфероида, а смешанную структуру сфероида и перлита, что рекомендуется для некоторых инструментальных сталей. В зависимости от доли перлита твердость стали увеличивается. Полную сфероидизацию легче всего получить методом колебательного отжига, однако на практике это редко встречается.

Сфероидизирующее отжигание легированных инструментальных и быстрорежущих сталей

Отжиг для смягчения легированных и быстрорежущих инструментальных сталей в целом проходит аналогично отжигу углеродистых инструментальных сталей. Ниже приведены примеры.

Для быстрорежущей стали используется отжиг для смягчения с прогревом чуть выше  A_C1, т. е. около 800-840 °C для вольфрамовых и кобальтовых сталей и 780-790 °C для сталей с более низким содержанием вольфрама. Также применяется сфероидизирующее отжигание с изотермическим превращением, которое заключается в нагревании до температуры отжига 800-840°C, выравнивании температуры и охлаждении до температуры изотермического превращения, характерной для данной марки, обычно в диапазоне 700-740°C. При этой температуре стальной изделие выдерживается до превращения аустенита в феррит и карбиды. Время выдержки и оптимальная температура определяются по кривым CTP (время-температура-превращение) для данного сорта.

Отжиг быстрорежущей стали до слишком низкой твердости ниже H_B 240 кГ/мм² не является целесообразным, поскольку при обработке он приводит к низкой гладкости обрабатываемой поверхности. По этой причине при чистовой обработке иногда закаливают инструменты до H_B 350-390 kG/mm² путем нагрева до температуры 880°C в течение 15 минут и охлаждения в масле. Так подготовленный инструмент может быть отшлифован и затем закален без необходимости дальнейшей шлифовки.

Отжиг для смягчения подшипниковых сталей

Оптимальная микроструктура после закалки для подшипниковых сталей — мелкозернистый цементит. Допустим также среднезернистый и крупнозернистый цементит. Цементит в сочетании с остатками перлита по некоторым нормам допустим в небольшом объеме, а по другим — совершенно недопустим из-за ухудшения гладкости поверхности.

Сфероидизирующее отжигание подшипниковых сталей чаще всего выполняется методом с отжигом чуть выше A_C1k, а затем методом с изотермическим преобразованием. Второй метод является более дорогостоящим и требует специальных печей непрерывного действия, но его преимуществом является получение очень равномерной и высокодисперсной структуры с твердостью, близкой к верхней границе требуемого диапазона. Детали подшипников после закалки из такой исходной структуры характеризуются более высокой твердостью и стойкостью к отпусканию.

Библиография

Leszek Adam Dobrzański, Metaloznawstwo i obróbka cieplna, Wydawnictwa szkolne i pedagogiczne, 1986

Kornel Wesołowski, Metaloznawstwo i obróbka cieplna, Państwowe wydawnictwa szkolnictwa zawodowego

Paweł Kosieradzki, Obróbka cieplna metali, Państwowe wydawnictwa techniczne

Edward Żmihorski, Stal szybkotnąca, Państwowe wydawnictwa techniczne

Mikołaj Scelina, Atlas metalograficzny struktur, Wydawnictwa naukowo-techniczne

Wacław Luty, Stale łożyskowe, Wydawnictwa naukowo-techniczne