Рубрика: Термическая обработка
Отжиг и нормализация редко указываются в чертеже как отдельные требования, но от них во многом зависит, насколько легко заготовка будет обрабатываться резанием, как поведет себя деталь при закалке и сколько будет брака на последних операциях. Это подготовительные виды термической обработки: они устраняют последствия литья, ковки, проката и сварки, выравнивают структуру, снимают напряжения и снижают твердость. В статье разбираем, какие бывают виды отжига, чем от них отличается нормализация и как подобрать режим под задачу.
Металл, поступающий на производство, редко находится в оптимальном состоянии. Горячекатаный пруток может иметь неравномерную структуру и повышенную твердость, поковка — крупное зерно и полосчатость, отливка — дендритную ликвацию, сварной узел — высокие остаточные напряжения. Если сразу направить такую заготовку в механическую обработку и закалку, возникнут проблемы:
Отжиг и нормализация решают эти задачи до того, как в деталь вложены основные трудозатраты.
Отжиг — нагрев металла до определенной температуры, выдержка и медленное охлаждение, как правило вместе с печью. Различают отжиги с фазовой перекристаллизацией и без нее.
Применяется для доэвтектоидных сталей: нагрев на 30–50 °C выше Ac3, выдержка для полного прогрева и медленное охлаждение со скоростью 50–100 °C в час до 500–600 °C, далее на воздухе. Структура полностью перекристаллизуется, зерно измельчается, твердость снижается. Используется для поковок, проката с крупным зерном, отливок, а также для исправления перегрева после неудачной закалки.
Нагрев между Ac1 и Ac3 для доэвтектоидных сталей или выше Ac1 для заэвтектоидных. Перекристаллизуется только перлитная составляющая. Метод экономичнее полного и используется, когда исходное зерно не крупное, а цель — снизить твердость и снять напряжения.
Основной вид подготовительной обработки инструментальных и подшипниковых сталей — У8–У12, ШХ15, 9ХС, ХВГ, Х12МФ. Нагрев немного выше Ac1 с длительной выдержкой или маятниковыми колебаниями температуры вокруг этой точки. Пластинчатый цементит превращается в зернистый (сфероидизированный). Сталь со структурой зернистого перлита имеет минимальную твердость, отлично обрабатывается резанием и равномерно закаливается без перегрева.
Сталь аустенитизируют, затем быстро переносят в печь с температурой ниже Ac1 и выдерживают до полного распада аустенита. Процесс короче полного отжига и дает более однородную структуру. Широко применяется для легированных сталей и поковок, например 18ХГТ, 20ХН3А, 40ХН.
Высокотемпературный нагрев до 1050–1200 °C с длительной выдержкой для выравнивания химического состава в крупных отливках и слитках легированной стали. После него обычно требуется полный отжиг или нормализация для измельчения зерна.
Нагрев холоднодеформированного металла выше температуры рекристаллизации — для стали обычно 650–700 °C. Снимает наклеп, восстанавливает пластичность. Применяется между операциями холодной вытяжки, гибки, высадки, а также для листа и проволоки.
Нагрев до 550–650 °C без фазовых превращений, выдержка и медленное охлаждение. Устраняет остаточные напряжения после сварки, правки, черновой механической обработки. Особенно важен для крупных сварных корпусов, станин, плит и точных деталей, которые иначе деформируются при чистовой обработке или в эксплуатации.
Нормализация — нагрев стали на 30–50 °C выше Ac3 (для заэвтектоидных — выше Acm), выдержка и охлаждение на спокойном воздухе. Охлаждение быстрее, чем при отжиге, поэтому образуется более мелкодисперсная перлитная структура, а твердость и прочность получаются несколько выше.
| Операция | Температура нагрева | Охлаждение | Результат |
|---|---|---|---|
| Полный отжиг | Ac3 + 30–50 °C | С печью | Мелкое зерно, минимальная твердость |
| Неполный отжиг | Ac1–Ac3 | С печью | Снижение твердости, снятие напряжений |
| Сфероидизирующий отжиг | Ac1 + 10–30 °C, длительно | Медленно до 600 °C | Зернистый перлит, лучшая обрабатываемость |
| Изотермический отжиг | Ac3 + 30–50 °C, затем ниже Ac1 | Выдержка, затем воздух | Однородная структура, короче цикл |
| Рекристаллизационный | 650–700 °C | Воздух или с печью | Снятие наклепа |
| Снятие напряжений | 550–650 °C | Медленно | Снижение остаточных напряжений |
| Нормализация | Ac3 (Acm) + 30–50 °C | Спокойный воздух | Мелкодисперсный перлит, измельчение зерна |
Для технолога механического участка важна твердость заготовки, от которой зависят режимы резания и выбор инструмента. Ниже — типичные значения.
| Марка | Обработка | Твердость, HB |
|---|---|---|
| 20 | Нормализация | 130–160 |
| 45 | Отжиг / нормализация | 170–200 / 190–230 |
| 40Х | Отжиг | 180–210 |
| У10А | Сфероидизирующий отжиг | не более 197 |
| ШХ15 | Сфероидизирующий отжиг | 179–207 |
| 9ХС | Сфероидизирующий отжиг | 197–241 |
| Х12МФ | Изотермический отжиг | 207–255 |
| Р6М5 | Изотермический отжиг | не более 255 |
Прокат, поковка, отливка или сварной узел поступает на производство. Проверяется исходная твердость и, при необходимости, структура.
Нормализация или отжиг для выравнивания структуры и снижения твердости до уровня, удобного для резания.
Снятие основного припуска. Для точных деталей далее выполняется отжиг для снятия напряжений.
Обработка с припуском под окончательную термообработку и шлифование.
Закалка с отпуском, цементация, азотирование или закалка ТВЧ.
Такая последовательность особенно важна для штампов, пресс-форм и длинномерных деталей, где коробление после закалки обходится дорого. Механическую обработку заготовок на всех этапах выполняет наш участок токарной обработки и фрезерный участок.
Длительный нагрев при отжиге приводит к образованию окалины и потере углерода. Для инструментальных сталей это критично: обезуглероженный слой нужно полностью снять до закалки. Поэтому отжиг ведут в защитной атмосфере, в контейнерах с засыпкой или оставляют увеличенный припуск на механическую обработку — обычно не менее 1–2 мм на сторону для поковок.
Подготовительная термообработка нужна не только стали. Для серого и высокопрочного чугуна применяют низкотемпературный отжиг при 500–600 °C для снятия литейных напряжений — особенно важно для станин, корпусов и плит, которые затем точно обрабатываются. Отбеленный чугун с твердыми участками цементита на кромках отливок проходит графитизирующий отжиг при 850–950 °C, после чего резание становится возможным без выкрашивания инструмента.
Медь, латунь и алюминиевые сплавы подвергают рекристаллизационному отжигу между операциями холодной деформации. Для меди это 500–700 °C, для латуни 600–700 °C, для деформируемых алюминиевых сплавов 350–420 °C. Термически упрочняемые алюминиевые сплавы типа Д16 отжигают с медленным охлаждением, чтобы получить максимально мягкое состояние перед гибкой или вытяжкой.
Отжиг и нормализация — фундамент качественной детали. Они устраняют дефекты структуры, полученные при производстве заготовки, снижают твердость до удобной для резания, снимают напряжения и готовят металл к окончательной закалке или химико-термической обработке. Полный и изотермический отжиг подходят для поковок и легированных сталей, сфероидизирующий — для инструментальных и подшипниковых, рекристаллизационный — для холоднодеформированного металла, отжиг для снятия напряжений — для сварных и точных деталей. Нормализация — экономичный способ измельчить зерно и подготовить конструкционные стали к дальнейшей обработке. Правильно выбранная подготовительная операция окупается снижением брака и затрат на инструмент.
Если нужно подготовить заготовки к механической обработке, снять напряжения со сварных узлов или исправить структуру после ковки, отправьте заявку с указанием марки стали и размеров — подберем режим и выполним обработку.
