Размягчение стали – методы, температура, микроструктура и применение.

Размягчение стали Она включает в себя процессы термической обработки, которые снижают твердость материала, повышают его пластичность или позволяют получить микроструктуру, более благоприятную для дальнейшей обработки. Размягчение в основном используется перед механической обработкой, пластической формовкой и последующими процессами термической обработки, такими как закалка.
Этот процесс особенно важен для высокоуглеродистых, легированных и инструментальных сталей, высокая твердость или неблагоприятное содержание карбидов которых могут затруднять токарную, фрезерную, сверлильную или другие операции механической обработки. Размягчение также может применяться в материалах, упрочненных холодной обработкой, где необходимо устранить последствия холодной обработки и восстановить способность материала к дальнейшей деформации.
Единого универсального метода размягчения стали не существует. В зависимости от типа материала, содержания углерода, легирующих элементов, исходной структуры и желаемого эффекта используются различные методы, включая полный отжиг, изотермический отжиг, сфероидизирующий отжиг и рекристаллизационный отжиг.

Что такое размягчение стали?

Размягчение основано на взаимосвязи между механическими свойствами стали и ее микроструктурой. Правильно подобранные процессы нагрева, отжига и охлаждения могут изменять размер и форму конструктивных элементов, распределение карбидов, степень упрочнения материала и уровень остаточных напряжений.
В зависимости от используемого процесса могут происходить следующие процессы: превращение аустенита в феррит и перлит, сфероидизация цементита или других карбидов, рекристаллизация упрочненного материала и снижение плотности дислокаций.
Как правило, это приводит к снижению твердости материала и его устойчивости к дальнейшей обработке, а также к увеличению пластичности. Однако точный механизм зависит от используемого метода, поэтому термин «размягчение» не следует отождествлять с каким-либо одним конкретным термическим циклом.

Почему сталь размягчается?

Материал, полученный после прокатки, ковки, волочения, закалки или других технологических процессов, не всегда обладает свойствами, необходимыми для следующей производственной операции. Чрезмерная твердость увеличивает износ инструмента и силы резания, а чрезмерное деформационное упрочнение может ограничивать возможности дальнейшей штамповки, гибки или волочения.
Основные цели размягчения стали:

• снижение твердости материала,
• улучшенная обрабатываемость соответствующих марок стали.
• повышение пластичности и способности к дальнейшей обработке.
• устранение или ограничение последствий деформационного упрочнения,
• получение благоприятной формы цементита или карбидов,
• подготовка стали к закалке и дальнейшей термообработке.
• гомогенизация микроструктуры перед последующими этапами производства.

Методы размягчения стали

Выбор метода упрочнения зависит прежде всего от типа стали и желаемого технологического эффекта. Высокоуглеродистая сталь, предназначенная для упрочнения, требует иного процесса, чем низкоуглеродистый листовой металл, сильно упрочненный при холодной прокатке.

1. Полный отжиг

Полный отжиг Процесс включает в себя нагрев стали до диапазона, обеспечивающего надлежащую аустенитизацию, нагрев материала, а затем очень медленное охлаждение, обычно вместе с печью.
Для доэвтектоидных сталей температура процесса выбирается выше критической температуры Ac3. Точная температура, время выдержки и скорость охлаждения зависят от марки стали и размеров детали.
Медленное охлаждение позволяет получить относительно мягкую феррито-перлитную структуру. По сравнению с нормализация стали Охлаждение происходит гораздо медленнее, поэтому результирующая структура и механические свойства отличаются.
Типичное применение: Конструкционные стали и другие марки, требующие снижения твердости, улучшения пластичности или подготовки к дальнейшей обработке.

2. Изотермический отжиг

Изотермический отжиг Используется контролируемое превращение аустенита при постоянной температуре. После аустенитизации сталь охлаждается до соответствующей температуры превращения, а затем выдерживается при этой температуре до достижения требуемой микроструктуры.
В отличие от классического отжига с очень медленным, непрерывным охлаждением, превращение происходит в контролируемых изотермических условиях. Это позволяет получить более однородную структуру и, для некоторых сталей, сократить время процесса.
Этот метод используется, в частности, для некоторых легированных и инструментальных сталей, где медленное охлаждение во время традиционного отжига заняло бы много времени.
Эффект: получение контролируемой микроструктуры и свойств, позволяющих проводить дальнейшую механическую или термическую обработку.

3. Шариковый отжиг – сфероидизация

Шариковый отжиг, также называемый сфероидизациейЭто особенно важно для высокоуглеродистых, подшипниковых и инструментальных сталей. Цель состоит в изменении морфологии цементита и других карбидов для получения более округлых, сферических частиц, расположенных в ферритной матрице, вместо пластинчатой ​​или сетчатой ​​структуры.
Сфероидизацию можно проводить с использованием различных термических циклов, включая длительный нагрев вблизи температуры Ac1 или циклирование в определенном температурном диапазоне. Параметры зависят от химического состава и исходной структуры конкретного вида.
Изменение формы и распределения карбидов может значительно снизить твердость высокоуглеродистой стали и улучшить ее обрабатываемость. Правильно подготовленная структура также обеспечивает благоприятные исходные условия перед последующим закаливанием.
Типичное применение: инструментальные стали, подшипниковые стали и другие высокоуглеродистые стали, предназначенные для дальнейшей механической обработки и закалки.

4. Отжиг для перекристаллизации

Рекристаллизационный отжиг Он используется преимущественно для материалов, упрочненных в процессе холодной формовки, например, прокатки, волочения или штамповки.
В процессе холодной деформации плотность дислокаций увеличивается, материал упрочняется, его твердость и прочность возрастают, а пластичность снижается. После достижения высокой степени холодной деформации дальнейшая обработка может стать затруднительной.
Рекристаллизационный отжиг создает новые зерна, свободные от последствий предыдущего деформационного упрочнения. Это приводит к снижению твердости и прочности за счет деформационного упрочнения и восстановлению пластичности.
Типичное применение: Листы, полосы, проволока и другие полуфабрикаты, подвергнутые интенсивной холодной обработке.

Сравнение методов размягчения стали

Метод Основной механизм Главный эффект Типичное применение Полный отжиг Аустенитизация и медленное превращение при охлаждении Снижение твердости и более мягкая структура Конструкционные стали и полуфабрикаты перед дальнейшей обработкой Изотермический отжиг Превращение аустенита при контролируемой постоянной температуре Однородная микроструктура и контролируемые свойства Выбранные легированные и инструментальные стали Шариковый/сфероидизирующий отжиг Изменение морфологии цементита и карбидов Снижение твердости и улучшение обрабатываемости Высокоуглеродистые, подшипниковые и инструментальные стали Рекристаллизационный отжиг Образование новых зерен после предварительного упрочнения Устранение эффектов упрочнения и восстановление пластичности Холоднодеформированные листы, полосы и проволока

Сравнение методов размягчения стали

Как изменяется микроструктура в процессе разупрочнения?

Микроструктурные изменения зависят от типа отжига. Поэтому невозможно выделить единую структурную характеристику для всех процессов разупрочнения.
В зависимости от используемой технологии могут произойти следующие события:

• формирование ферритно-перлитной структуры при медленном охлаждении после аустенитизации.
• контролируемое превращение аустенита в процессе изотермического отжига,
• Сфероидизация цементита и других карбидов в высокоуглеродистых и легированных сталях.
• Восстановление и перекристаллизация структуры после предварительной холодной пластической обработки.
• снижение плотности дислокаций и эффектов деформационного упрочнения.

Сфероидизирующий отжиг – почему он важен для инструментальных сталей?

В инструментальных сталях и других высокоуглеродистых сталях твердость — не единственный параметр, определяющий пригодность для обработки. Форма, размер и распределение карбидов также имеют решающее значение.
Структура с соответствующим образом распределенными, почти сферическими карбидами может облегчить механическую обработку и обеспечить подходящие исходные условия для последующей аустенитизации и закалки. Поэтому инструментальные стали часто поставляются в мягком отожженном состоянии.
Фактическую твердость после отжига следует определять для конкретной марки стали. Не следует принимать единый диапазон HB или HV для всех инструментальных сталей.

размягчение стали и обрабатываемость

Одна из важнейших причин применения размягчения материала — подготовка его к токарной, фрезерной, сверлильной, протяжной или другим операциям механической обработки. Снижение избыточной твердости позволяет уменьшить напряжение на режущей кромке и износ инструмента.
Однако зависимость между твердостью и обрабатываемостью не является линейной. Материал с наименьшей возможной твердостью не всегда является самым легким в обработке. Очень мягкие и пластичные стали могут испытывать проблемы с образованием стружки, наростом на кромке и качеством поверхности.
Поэтому подходящий технологический процесс выбирается не только для достижения минимально возможной твердости, но прежде всего для получения микроструктуры, соответствующей конкретному материалу и последующей технологии производства.

Размягчение и содержание углерода в стали

Содержание углерода оказывает существенное влияние на выбор метода разупрочнения. В низкоуглеродистых сталях особенно важно устранение последствий упрочнения при холодной обработке. В среднеуглеродистых сталях выбор процесса зависит, помимо прочего, от последующей механической и термической обработки.
В высокоуглеродистых сталях морфология цементита и других карбидов приобретает все большее значение. Поэтому процессы, приводящие к сфероидизации карбидов, часто используются в инструментальных, подшипниковых и пружинных сталях.

Размягчение углеродистых сталей

Для углеродистых сталей выбор обработки зависит от содержания углерода и желаемого конечного состояния. Например, для стали C45 может потребоваться иная обработка, чем для высокоуглеродистых пружинных или инструментальных сталей.
В сталях с более высоким содержанием углерода сфероидизирующий отжиг может применяться перед механической обработкой и последующей закалкой. Получение необходимой формы цементита облегчает дальнейшую обработку и подготавливает структуру к следующему термическому циклу.

Размягчение легированных сталей

Легирующие элементы могут существенно влиять на температуры фазовых превращений, закаливаемость, тип образующихся карбидов и скорость диффузионных процессов. Поэтому параметры, подходящие для низкоуглеродистой стали, не следует автоматически применять к хромистым, хромомолибденовым, никелевым или высоколегированным сталям.
В случае легированных сталей контроль температуры, времени и скорости охлаждения при термической обработке имеет особое значение. Для инструментальных сталей параметры мягкого отжига обычно определяются индивидуально для каждой марки.

Размягчение нержавеющей стали

Когда речь идет о нержавеющих сталях, термин «размягчение» требует большей осторожности. Аустенитные, ферритные, мартенситные и дуплексные стали имеют различную микроструктуру и требуют различной термической обработки.
Например, аустенитные нержавеющие стали могут значительно упрочняться при холодной обработке. Восстановление их пластичности требует тщательно подобранной термической обработки, соответствующей конкретной марке. Поэтому единый универсальный температурный диапазон для «размягчения нержавеющей стали» использовать не следует.

Влияние времени и температуры на размягчение стали

Температура и время тесно взаимосвязаны. Слишком низкая температура может не привести к необходимым микроструктурным изменениям, в то время как слишком высокая температура или чрезмерно длительный нагрев могут вызвать нежелательный рост зерен или другие структурные изменения.
Параметры процесса должны включать:

• марка и химический состав стали,
• критические температуры материалов,
• структура вывода,
• степень предварительного усиления,
• размеры и геометрия элемента,
• тип печи и способ нагрева,
• ожидаемая конечная микроструктура,
• вид дальнейшей механической или термической обработки.

Влияние скорости охлаждения

Скорость охлаждения — один из параметров, определяющих конечную структуру стали. Классический полный отжиг предполагает медленное охлаждение, позволяющее осуществить превращения, приводящие к образованию более мягкой структуры.
При изотермическом отжиге аустенитизированный материал доводится до определенной температуры, при которой происходит контролируемое превращение. При рекристаллизационном отжиге, напротив, метод охлаждения имеет иное значение, поскольку основная цель процесса — устранение последствий предыдущего упрочнения, а не превращение аустенита.
По этой причине не следует использовать одно значение скорости охлаждения в качестве универсального для всех процессов умягчения.

Атмосфера во время мягкого отжига

В процессе отжига важны не только температура и время, но и атмосфера печи. Высокие температуры могут привести к окислению поверхности, образованию окалины и, при определенных условиях, к изменению химического состава поверхностного слоя.
В зависимости от технологических требований используются печи, работающие в воздушной атмосфере, защитной атмосфере или вакууме. Защитная атмосфера или вакуум могут быть особенно важны для прецизионных компонентов и легированных сталей, где требуется окислительно-восстановительная обработка и высокое качество поверхности.

Применение размягчения стали в промышленности

производство инструментов

Инструментальные стали часто подвергаются механической обработке перед окончательной закалкой. Мягкий отжиг, в частности сфероидизация, создает структуру, облегчающую фрезерование, токарную обработку, сверление и другие операции, выполняемые перед окончательной термообработкой.

производство подшипников

В высокоуглеродистых подшипниковых сталях важно добиться соответствующей формы и распределения карбидов перед закалкой. Поэтому сфероидизирующий отжиг является важнейшим этапом подготовки материала.

Производство листов, полос и проволоки.

Материалы, подвергнутые холодной прокатке или вытяжке, постепенно упрочняются. Рекристаллизационный отжиг восстанавливает необходимую пластичность и позволяет продолжить процесс формования.

Машиностроение

Размягчение можно использовать при подготовке полуфабрикатов для валов, осей, шестерен, компонентов трансмиссии, пресс-форм и других деталей, требующих интенсивной механической обработки перед окончательной термообработкой.

Отжиг для размягчения и снятия напряжений

Размягчение не следует приравнивать к отжиг для снятия напряженийОсновная цель снятия напряжений заключается в уменьшении остаточных напряжений при минимизации изменений в основной микроструктуре материала.
В процессе размягчения основная цель состоит в изменении твердости, пластичности или микроструктуры таким образом, чтобы облегчить последующие технологические операции.

Смягчение и нормализация

Нормализующая сталь Процесс включает аустенитизацию и последующее охлаждение на воздухе. Во многих углеродистых сталях это приводит к более тонкой структуре, большей твердости и прочности, чем медленный отжиг.
Если основная цель — сделать высокоуглеродистую инструментальную сталь максимально обрабатываемой, то сфероидизирующий отжиг может быть более подходящим процессом. Однако, если после ковки или прокатки требуется измельчение зерна и структурная однородность, то более подходящим процессом может быть нормализация.

Размягчение и затвердевание

Смягчение и закалка стали Они преследуют принципиально разные цели. Закалка позволяет получить структуру с высокой твердостью, тогда как размягчение используется для снижения твердости или получения структуры, благоприятной для дальнейшей обработки.
Однако эти процессы часто происходят в рамках единой технологической последовательности. Инструментальная сталь может сначала подвергаться мягкому отжигу, затем механической обработке, и только после этого закалке и прощен.

Наиболее важные преимущества размягчения стали.

• уменьшение чрезмерной твердости,
• улучшение обрабатываемости соответствующих марок стали.
• повышение пластичности материала,
• восстановление пластичности после холодной обработки.
• получение соответствующей морфологии карбида,
• подготовка инструментальных и высокоуглеродистых сталей к закалке.
• возможность проведения последующих этапов формования и механической обработки.

Ограничения процесса

• Параметры должны быть выбраны для конкретной марки стали.
• Слишком высокая температура может привести к неблагоприятному росту зерна.
• Неправильное охлаждение может привести к неправильной микроструктуре.
• Процессы сфероидизации могут потребовать длительного времени нагрева.
• Не каждый метод размягчения подходит для каждого типа стали.
• В случае высоколегированных сталей следует учитывать тип и стабильность присутствующих карбидов, а также специфические для данной марки превращения.

Разупрочнение стали — это не единый процесс с универсальными параметрами, а скорее группа термических обработок, выбираемых на основе химического состава, исходной микроструктуры и предполагаемого применения материала. Полный отжиг, изотермический отжиг, сфероидизирующий отжиг и рекристаллизационный отжиг используют разные механизмы, но их общая цель — достижение состояния материала, более благоприятного для последующих технологических операций.

Для высокоуглеродистых и инструментальных сталей сфероидизирующий отжиг имеет особое значение, поскольку он позволяет изменить морфологию карбидов и подготавливает материал к механической обработке и последующему закаливанию. В материалах, упрочненных холодной обработкой, решающее значение имеет рекристаллизация, устраняющая последствия холодной обработки и восстанавливающая пластичность.
Температуру, время выдержки и метод охлаждения всегда следует указывать для конкретной марки стали. Это позволяет достичь требуемой микроструктуры без неконтролируемого роста зерен, нежелательных превращений или ухудшения свойств материала.

Методы термической и термохимической обработки стали

Размягчение — это лишь одна из групп процессов, используемых для изменения микроструктуры и свойств стали. В зависимости от желаемого эффекта также применяются нормализация, снятие напряжений, закалка, отпуск и термохимические процессы, такие как цементация и азотирование.

Методы термообработки стали

• Нормализующая сталь – измельчение зерен и унификация микроструктуры.
• Wyżarzanie odprężające – снижение остаточных напряжений.
• Размягчение стали – снижение твердости и повышение восприимчивости к дальнейшей обработке.
• Полный отжиг – аустенитизация и медленное охлаждение.
• Изотермический отжиг – преобразование, осуществляемое при выдержке при правильно подобранной температуре.
• Шариковый отжиг – сфероидизация – изменение морфологии цементита или других карбидов.
• Рекристаллизационный отжиг – устранение последствий разрушения и восстановление пластичности.
• Гомогенизирующий отжиг – уменьшение расслоения и гомогенизация состава материала.
• Закалка и термообработка – формирование микроструктуры и свойств путем закалки и отпуска.
• Закаленная сталь – контролируемое изменение свойств стали после закалки.
• Индукционная закалка – индукционный нагрев поверхности и быстрое охлаждение.
• закалка пламенем – поверхностное упрочнение после локального нагрева пламенем.
• Перенасыщение – получение пересыщенного твердого раствора посредством соответствующего термического цикла.
• Старение – контролируемое фазовое расслоение, приводящее к упрочнению материала.

Методы термохимической обработки стали

• Азотирование стали – диффузионное обогащение поверхностного слоя азотом.
• цементированная сталь – диффузионное обогащение поверхностей углеродом.
• Карбонитридирование – одновременное обогащение поверхностного слоя углеродом и азотом.
• Нитрокарбюризация / нитрокарбюризация – обогащение слоя преимущественно азотом и углеродом.
• Бурение – диффузионное насыщение поверхности бором.
• Диффузионное хромирование – диффузионное обогащение слоя хромом.
• Диффузионное алюминирование – диффузионное обогащение слоя алюминием.