Отжиг стали: цели, разновидности и режимы термообработки

Цели, разновидности и режимы термообработки стали

Металлопрокат, поковки и отливки после первичной обработки нередко хранят в себе неоднородную структуру и повышенную твёрдость, мешающие дальнейшему производству. Чтобы вернуть стали удобные для обработки качества, применяют отжиг — одну из базовых операций термической обработки.

Зачем выполняют отжиг стали?

Основной смысл операции — улучшение технологических свойств стали, и решающую роль здесь играет температура, поддерживаемая в течение определённого времени. Через грамотно подобранный режим достигают сразу нескольких результатов:

1. Снятие первичных напряжений. При начальной термообработке на металлургическом производстве в металле нарушается равновесие кристаллической структуры. Верно выбранный вид отжига возвращает материалу свойства, нужные под конкретную задачу.
2. Снижение твёрдости. Более мягкий металл легче резать, поэтому сокращаются трудозатраты и время операций, а список пригодного режущего инструмента заметно расширяется.
3. Улучшение микроструктуры. Под действием высокой температуры за отведённый промежуток в стали происходят существенные изменения на молекулярном уровне. Полученная однородная структура оптимальна для последующих физических и механических операций.

Какими бывают виды отжига?

По времени, температуре и условиям выдержки операцию делят на два типа:

• отжиг первого рода — сюда входят диффузионный, рекристаллизационный и отжиг для снятия напряжений;
• отжиг второго рода — к нему относят полный, неполный, изотермический и нормализационный, а также отжиг на зернистый перлит (маятниковый).

Задача отжига первого рода — устранить физическую и химическую неоднородность, возникающую после закалки, резки, обработки давлением и сварки.

Отжиг первого рода

Диффузионный отжиг используют для слитков легированных марок стали. Он уменьшает внутрикристаллитную неоднородность, которая при обработке давлением провоцирует слоистый и хрупкий излом, появление трещин и другие дефекты. Слитки нагревают до 1200 °C, чтобы выровнять характеристики структуры во всех направлениях, выдерживают 15–20 часов, а затем быстро охлаждают до 800 °C и далее медленнее на воздухе. Итогом становится крупное зерно, которое измельчается при последующей обработке давлением или термообработке.

Рекристаллизационный отжиг предназначен для заготовок и полуфабрикатов, прошедших холодное деформирование, либо применяется между такими операциями. Металл нагревают выше температуры рекристаллизации, выдерживают и охлаждают; сама температура зависит от содержания углерода в сплаве.

Отжиг для снятия напряжений подходит для отливок, заготовок и деталей, где остаточные напряжения появляются из-за пластических деформаций и неравномерного охлаждения. Такие напряжения опасны: они меняют размеры детали при транспортировке, хранении и эксплуатации. Для ходовых винтов, червяков и зубчатых колёс режим составляет около 600 °C с выдержкой 2–3 часа после основной механической обработки и 180 °C с выдержкой до 2,5 часов после финишного снятия напряжений вслед за шлифовкой. Сварные напряжения снимают при 650–700 °C.

Отжиг второго рода

Операции второго рода ведут при температурах выше начала фазовых превращений.

Полный отжиг предполагает нагрев до критической точки, лежащей выше завершения перекристаллизации, выдержку до полного окончания фазовых превращений и медленное охлаждение. Если нагреть сталь на 30–50 °C выше критической точки, она приобретает однофазную аустенитную структуру с измельчённым зерном, что даёт высокую вязкость и пластичность. При более сильном нагреве аустенитное зерно укрупняется, а качество полуфабрикатов падает. Время выдержки и температуру подбирают по типу заготовок и способу их укладки в печь. Обычно этот вид применяют к фасонным отливкам, сортовому прокату и поковкам из среднеуглеродистой стали.

Изотермический отжиг идёт при том же нагреве, что и полный, но отличается быстрым охлаждением — как правило, до 660–680 °C. Его главное преимущество перед полным отжигом заключается в сокращении длительности операции.

Неполный отжиг улучшает обрабатываемость резанием заготовок и полуфабрикатов из заэвтектоидных углеродистых и легированных сталей. Нагрев здесь доводят примерно до 700 °C.

Нормализационный отжиг занимает промежуточное положение между закалкой и отжигом. После нормализации сплав получает меньшую хрупкость, чем после закалки, но большую твёрдость, чем при прочих видах отжига. В современном машиностроении этот приём распространён очень широко.

Маятниковый отжиг проводят ради структуры зернистого перлита. Благодаря ему заэвтектоидные и эвтектоидные стали хорошо обрабатываются резанием, что ускоряет процесс и повышает качество поверхности. Приём востребован для тонких стальных листов перед холодной штамповкой и для прутков перед холодным волочением, поскольку заметно улучшает пластические свойства. Технология складывается из нескольких циклов нагрева выше точки перекристаллизации с медленным охлаждением до 670–700 °C; после трёх таких циклов формируется структура со 100-процентным зернистым перлитом, а финальное остывание заготовок происходит на открытом воздухе.