Шариковый отжиг (сфероидизация) стали – процесс, микроструктура и применение.

Шариковый отжиг, также называемый сфероидизирующим отжигом или сфероидизацией.Цементит – это процесс термической обработки, используемый в основном для получения сферической или почти сферической формы цементита или других карбидов в стали. Этот процесс особенно важен для высокоуглеродистых, инструментальных и подшипниковых сталей, где количество, размер, форма и распределение карбидов сильно влияют на твердость, обрабатываемость и поведение материала при последующем закаливании.
В типичной перлитной структуре цементит встречается в виде тонких пластинок, расположенных между ферритными пластинками. В процессе соответствующего отжига происходят диффузионные процессы, приводящие к постепенному разрушению, округлению и перестройке этих преципитатов. В результате образуется структура, состоящая из сфероидальные частицы цементита, распределенные в ферритной матрице., называемый сфероидитом.
Сфероидизирующий отжиг — один из методов. смягчающая стальОднако его значение выходит за рамки простого снижения твердости. Правильно подготовленная твердосплавная структура обеспечивает благоприятные исходные условия для механической обработки и последующей термообработки.

Что такое шаровой отжиг?

Суть процесса заключается в изменении морфологии цементита и других карбидов. В перлитной структуре цементит чаще всего принимает форму пластин. Такая структура может обеспечить относительно высокую твердость, но в высокоуглеродистых сталях она может затруднить механическую обработку.
При длительном нагреве в выбранном температурном диапазоне происходят диффузионные процессы. Пластинки цементита постепенно теряют свою вытянутую форму, фрагментируются, приобретают округлую форму и могут образовывать более плотные частицы.
Этот процесс называется сфероидизация цементитаСтремление к более сферической форме связано, помимо прочего, с уменьшением поверхностной энергии системы. Сферические частицы имеют меньшую площадь границы фаз относительно своего объема, чем тонкие ламеллярные осадки.

Цементит и карбиды – что подвергается сфероидизации?

Цементит Fe₃C Цементит — это твердая и хрупкая фаза, встречающаяся в углеродистых сталях. В перлите он образует систему чередующихся пластин с ферритом. Увеличение содержания цементита и изменение его морфологии существенно влияют на механические и технологические свойства стали.
В случае легированных сталей ситуация может быть сложнее. Карбидообразующие элементы, такие как хром, молибден, вольфрам или ванадий, могут участвовать в образовании различных типов карбидов. Поэтому, говоря об инструментальных сталях, точнее будет сказать: сфероидизация цементита или других карбидов, в зависимости от состава конкретного вида.

Цель сфероидизирующего отжига

Отжиг в шаровой печи проводится в основном тогда, когда необходимо получить соответствующее структурное состояние стали перед дальнейшей обработкой. Он особенно важен для материалов с высоким содержанием углерода и значительным количеством карбидных фаз.

Наиболее важными целями этого процесса являются:

• получение сферической формы цементита или других карбидов,
• снижение твердости высокоуглеродистых сталей,
• улучшение обрабатываемости соответствующих марок стали.
• повышение восприимчивости материала к дальнейшим технологическим процессам,
• получение соответствующего распределения карбидов,
• подготовка инструментальной стали для механической обработки.
• получение благоприятной микроструктуры перед последующим упрочнением.

температура отжига шарика

Сфероидизирующий отжиг не следует описывать одной универсальной температурой, применимой ко всем маркам стали. Параметры процесса выбираются в первую очередь в зависимости от критической температуры Ac1 конкретного материала.

В зависимости от вида, исходной структуры и требуемой степени сфероидизации могут использоваться различные варианты процесса, в том числе:

• длительный нагрев при температуре немного ниже Ac1,
• нагрев при температуре, очень близкой к Ac1,
• Нагрев немного выше температуры Ac1, после чего следует соответствующее медленное охлаждение.
• Циклический нагрев и охлаждение в диапазоне температур, близком к Ac1.

Точная температура и время процесса должны определяться характеристиками конкретной марки стали. Особенно в высоколегированных сталях стабильность различных типов карбидов может существенно влиять на процесс сфероидизации.

Значение температуры Ac1

Ac1 Указывает температуру, при которой в процессе нагрева начинается превращение, приводящее к образованию аустенита. Это одна из важнейших контрольных точек при проектировании цикла сфероидизирующего отжига.
Если процесс происходит при температуре ниже Ac1, полная аустенитизация материала не происходит, в то время как повышение температуры позволяет протекать диффузионным процессам, ответственным за изменение морфологии цементита.
В других вариантах материал может периодически нагреваться немного выше Ac1. Частичная структурная трансформация и последующее контролируемое охлаждение могут ускорить достижение требуемой формы карбида.

Ход процесса сфероидизации

1. Отопление

Сталь нагревается до температуры, определяемой используемой технологией. Скорость нагрева следует выбирать в зависимости от типа материала, размера и геометрии детали, чтобы минимизировать чрезмерные перепады температур по всему поперечному сечению.

2. Отопление

Материал остается в соответствующем температурном диапазоне в течение времени, достаточного для протекания диффузионных процессов. Время выдержки может быть относительно длительным, поскольку образование цементита происходит не сразу.
В течение этого времени вытянутые или пластинчатые цементитные осадки постепенно меняют свою форму. Они фрагментируются, округляются и далее эволюционируют в сторону структуры с более низкой поверхностной энергией.

3. Охлаждение

Способ охлаждения зависит от используемого варианта процесса. В технологиях, использующих переход через температуру Ac1, скорость охлаждения оказывает существенное влияние на конечную структуру. Поэтому термический цикл следует рассматривать в целом – от нагрева, через отжиг и, наконец, охлаждение.

Как изменяется микроструктура стали?

Простейший способ продемонстрировать эффект сфероидизации — сравнить перлитную структуру со сфероидитной структурой.

Сфероидит – структурные характеристики

Сфероидит Цементит или другие карбиды представляют собой микроструктуру, в которой они присутствуют в виде округлых частиц, распределенных в матрице, чаще всего ферритной. Это не означает, что все частицы должны быть идеально сферическими. В практической микроструктуре встречаются осадки различной степени округлости, размера и расположения.
Равномерность распределения карбидов также имеет решающее значение. В инструментальных и подшипниковых сталях неправильный размер или распределение частиц может повлиять на последующую аустенитизацию и конечные свойства материала после закалки.

Влияние отжига шаров на твердость

Сфероидизация особенно эффективна в качестве метода разупрочнения высокоуглеродистых сталей. Изменение морфологии цементита с пластинчатой ​​структуры на дисперсные частицы снижает сопротивление структуры материала деформации.
Однако конечная твердость зависит от марки стали, содержания углерода, легирующих элементов, типа и количества карбидов, а также степени сфероидизации. Поэтому для шарового отжига нельзя присвоить единое значение конечной твердости.

Влияние сфероидизации на обрабатываемость.

Одно из важнейших применений этого процесса — подготовка стали к токарной, фрезерной, сверлильной и другим операциям механической обработки, выполняемым перед окончательной термообработкой.
Пластинки цементита в перлите представляют собой твердые микроструктурные элементы, которые разрезаются лезвием инструмента. После сфероидизации твердые фазы проявляются в виде более изолированных частиц внутри более мягкой ферритной матрицы, что облегчает резку многих высокоуглеродистых сталей.
Однако это не означает, что минимально возможная твердость всегда гарантирует наилучшую обрабатываемость. Чрезмерно мягкая и пластичная матрица может способствовать образованию наростов на кромках или нежелательной стружки. Поэтому параметры сфероидизации выбираются в соответствии с требованиями конкретного производственного процесса.

Сфероидизирующий отжиг перед закалкой

Отжиг в шаровой печи имеет большое значение в качестве подготовительного процесса. закалка сталиЭто особенно актуально для инструментальных и подшипниковых сталей.
В процессе последующей аустенитизации перед закалкой часть карбидов растворяется в аустените, увеличивая содержание углерода и легирующих элементов в растворе. Остальная часть может остаться в виде нерастворенных карбидов.
Состояние карбидов до закалки влияет на скорость их растворения, состав аустенита, размер зерна, а также на конечную микроструктуру и свойства после закалки. отпустить.

Шариковый отжиг инструментальных сталей

Инструментальные стали относятся к числу наиболее важных групп материалов, подвергаемых сфероидизирующему отжигу. Высокое содержание углерода и наличие карбидообразующих элементов обеспечивают высокую твердость и износостойкость после окончательной термообработки, но также затрудняют механическую обработку в неблагоприятном структурном состоянии.
Следовательно, полуфабрикаты из инструментальная сталь и углеродистая сталь Может поставляться или обрабатываться в мягком отожженном состоянии, что позволяет выполнять большинство механических операций до окончательной закалки.

Сфероидизирующий отжиг подшипниковых сталей

В подшипниковых сталях контроль структуры карбидов имеет особое значение. Перед окончательной закалкой материал должен обеспечивать возможность точной обработки колец, дорожек качения и других компонентов, а также иметь надлежащую структуру перед аустенитизацией.
Сфероидальные карбиды, распределенные по всей матрице, позволяют материалу достичь желаемого технологического состояния перед окончательной механической обработкой. Их равномерное распределение также играет роль в последующем упрочнении.

Сфероидизирующий отжиг высокоуглеродистых сталей

Значение сфероидизации возрастает с увеличением содержания углерода и доли карбидных фаз. В высокоуглеродистых сталях классические полный отжиг Это не всегда приводит к наиболее благоприятной микроструктуре для последующей резки.
Именно поэтому в различных областях применения используется шаровая термообработка, цель которой состоит не только в снижении твердости, но прежде всего в восстановлении карбидной структуры.

Отжиг шаров против полного отжига

Отжиг шаров против изотермического отжига

Изотермический отжиг Метод использует воздействие на материал подходящей температуры для проведения контролируемого превращения переохлажденного аустенита. Таким образом, основным параметром является кинетика превращения аустенита.
При сфероидизирующем отжиге основная цель — изменение формы и распределения карбидов. Оба процесса позволяют получить материал, который легче обрабатывать, но они используют разные механизмы и не должны путаться.

Отжиг и нормализация шаров

Подчас нормализующая сталь Материал подвергается аустенитизации, а затем охлаждается на воздухе. Цель состоит, помимо прочего, в гомогенизации и измельчении структуры.
С другой стороны, сфероидизирующий отжиг приводит к перестройке карбидных фаз. В высокоуглеродистых сталях, предназначенных для механической обработки перед закалкой, сфероидизация может быть гораздо более подходящим подготовительным процессом, чем нормализация.

Сфероидизирующий отжиг и отжиг для снятия напряжений

Wyżarzanie odprężające Его основная цель — снижение остаточных напряжений, возникающих, например, при сварке, механической обработке, литье или предыдущих термических процессах.
При отжиге в шаровой печи основная цель — изменение микроструктуры карбидов. Поэтому это два разных процесса, хотя оба и относятся к общей категории операций отжига.

Что влияет на эффективность сфероидизации?

Неполная сфероидизация

Если температура, время или термический цикл выбраны неправильно, сфероидизация может быть неполной. В микроструктуре наряду с уже округлыми частицами остаются вытянутые или пластинчатые фрагменты цементита.
Неполная сфероидизация может привести к неравномерным свойствам материала и снижению обрабатываемости, а также повлиять на последующий процесс аустенитизации перед закалкой.

Чрезмерная сфероидизация и рост карбидов.

Увеличение времени отжига не означает автоматически лучших результатов. Длительный отжиг может привести к слиянию и росту более крупных частиц за счет более мелких.
Цель процесса состоит в достижении необходимой степени сфероидизации, а также требуемого размера и распределения карбидов, а не в максимизации их размера. Чрезмерно крупные карбиды могут негативно повлиять на последующую термообработку и конечные свойства материала.

Преимущества шарового отжига

• снижение твердости высокоуглеродистых сталей,
• улучшенная обрабатываемость многих инструментальных и подшипниковых сталей.
• получение благоприятной морфологии цементита и других карбидов,
• подготовка материала для точной механической обработки,
• получение соответствующей микроструктуры перед закалкой.
• возможность ограничения неблагоприятной пластинчатой ​​формы цементита.

Недостатки и ограничения процесса

• относительно длительный период некоторых вариантов сфероидизации,
• Необходимость точного подбора температуры для конкретного типа стали.
• возможность получения неполной сфероидизации при слишком коротком процессе.
• Существует риск чрезмерного роста карбидов, если время нагрева слишком велико.
• сильная зависимость эффекта от исходной микроструктуры.
• Не существует единого универсального цикла, подходящего для всех сталей.

Отжиг шаров – самая важная информация

Шариковый отжиг, или сфероидизацияЦементит — это процесс термической обработки, используемый преимущественно для высокоуглеродистых сталей. Его характерным эффектом является превращение цементита или других карбидов в частицы почти сферической формы, распределенные по всей матрице материала.
Изменение морфологии карбидов может снизить твердость и улучшить обрабатываемость, а также подготовить материал к последующей аустенитизации и закалке. Поэтому сфероидизация особенно важна в технологии инструментальных сталей, подшипниковых сталей и других высокоуглеродистых сталей.
Единого универсального цикла отжига в шаровой печи не существует. Температуру, время выдержки и метод охлаждения следует выбирать, исходя из критических температур, химического состава, исходной структуры и желаемого конечного состояния конкретной марки стали.

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.