Отжиг стали: виды, технология, возможные дефекты

Отжиг стали необходим для изменения свойств сплавов. Сначала изделие нагревают выше критической температуры, а затем медленно охлаждают. Такая операция термообработки позволяет получить однородную структуру, снять внутренние напряжения в металле, снизить твердость.

Температура нагрева зависит от химического состава стали и цели отжига. Время нагрева и остывания зависит от размеров изделия и, соответственно, веса. Для точности операции применяют справочные материалы и расчетные методы. Подробнее о видах отжига стали и особенностях технологии читайте в нашем материале.

Отжиг сталей первого рода

Различные типы отжига первого рода позволяют запускать гомогенизацию, рекристаллизацию, избавляют от остаточных напряжений, понижают степень твердости стали. Условия для конкретного процесса задаются в соответствии с начальным состоянием металла при помощи определенной температуры. Возможен нагрев в пределах или выше показателей, способствующих протеканию фазовых трансформаций.

Цель отжига стали состоит в сообщении материалу внутренней однородности, улучшении зернистости, обеспечении более равномерной кристаллической решетки, снятии остаточного напряжения. Последняя особенность проявляется после деформации металла при его обработке.

Назначением отжига стали является достижение следующих результатов:

• сообщение сплаву свойств, необходимых для дальнейшего термического воздействия;
• придание металлу характеристик, которые требуются для качественной обработки резанием, давлением;
• избавление сварных изделий, отливок от внутреннего напряжения, предотвращение утраты первоначальной формы;
• восстановление качества сплава после допущенных при закалке ошибок.

При отжиге стали горячую заготовку остужают без использования специальных сред, а необходимая степень повышения температуры определяется в соответствии с составом металла и запланированным эффектом.

Гомогенизационный (диффузионный) отжиг

Данный режим отжига создан для легированных сталей и призван уменьшить неоднородность дендритного или внутрикристаллитного характера. Из-за нее при обработке давлением проявляются:

• хрупкость на излом;
• неравномерность характеристик в различных направлениях;
• слоистость излома;
• склонность к растрескиванию;
• недостаточная пластичность, вязкость.

Диффузионный отжиг стали проходит в несколько этапов:

• доведение металла до +1 200 °C, благодаря чему свойства структуры сплава выравниваются по всем направлениям;
• выдержка в течение 15–20 часов;
• быстрое снижение нагрева до +800…+820 °C и последующее постепенное естественное остывание материала.

Рекристаллизационный отжиг стали

Данный метод обработки подходит для металлов, деформированных посредством давления без повышения температуры. Такой тип отжига сталей нередко выполняет функцию окончательной или промежуточной стадии между этапами холодного деформирования. Основными процессами здесь считаются возврат и сама рекристаллизация.

Под первым понимают любые перемены в тонкой структуре, при которых не наблюдается изменения микроструктуры сплава, иными словами – сохраняются габариты и форма зерен. Все искажения кристаллической решетки восстанавливают нагревом в пределах +300…+400 °С.

Рекристаллизация – это формирование и увеличение зерен, имеющих меньшее число дефектов в строении кристаллов. В большинстве случаев получающиеся кристаллы являются равноосными. Для углеродистых сталей разница между порогом рекристаллизации и плавления находится на уровне +670…+700 °С и рассчитывается как ТР ≈ (0,3-0,4) ТПЛ.

Отжиг для снятия напряжений

Этот подход используют для удаления остаточных напряжений, присутствующих в отливках, сварных, резаных изделиях после неоднородного охлаждения, пластического воздействия. Такие напряжения чреваты изменением размеров, деформацией готовых металлических предметов при хранении, транспортировке, использовании по назначению.

Снятие напряжений при помощи отжига стали предполагает использование такой температуры:

• +570…+600 °C для ходовых винтов, зубчатых колес, червяков с выдержкой в течение 2-3 часов после механической обработки, далее +160…+180 °C и выдержка 2-2,5 часа с момента завершения финишных мероприятий, направленных на снятие напряжений после шлифовки.
• +650…+700 °C для избавления металла от напряжений, вызванных проведением сварных работ.

Остаточные напряжения удается снизить посредством рекристаллизационного отжига, во время которого происходят описанные выше фазовые трансформации.

Полный отжиг доэвтектоидной стали

Полный отжиг стали предполагает нагрев выше критической точки А3 или окончания перекристаллизации, далее требуется выдержка на протяжении всех фазовых трансформаций и медленное охлаждение.

Превышение на 30–50 °C температуры А3 приводит к тому, что у стали формируется однофазная аустенитная структура с измельченным зерном, обеспечивающая повышенную вязкость и пластичность сплава. Более значительный нагрев вызывает увеличение размеров аустенитного зерна, из-за чего свойства заготовки оказываются хуже.

Температура и продолжительность выдержки зависят от типа изделий, способа их размещения в печи, высоты садки. Чтобы не допустить окисления и выгорания углерода в структуре стали после полного отжига, работу проводят в условиях защитной атмосферы.

Время остывания устанавливается в соответствии с химическим составом металла: чем большую устойчивость переохлажденного перлита он имеет, тем дольше его остужают. По этой причине после отжига температуру углеродистых сталей снижают на 100–150 °C в час, а легированных – всего на 40–60 °C за тот же отрезок времени.

При помощи полного отжига обрабатывают сортовой прокат, фасонные отливки, поковки из сталей со средним содержанием углерода.

Изотермический отжиг

Данный подход предполагает нагрев как при полном отжиге, с тем лишь отличием, что потом требуется стремительное охлаждение до температуры, находящейся в диапазоне ниже критической точки А1. Чаще всего речь идет о +660…+680 °C. Далее проводится изотермическая выдержка в течение не более шести часов при достигнутых условиях, чтобы обеспечить распад аустенитной структуры. После чего заготовки оставляют остывать в естественных условиях.

Изотермический подход выгодно отличается от полного отжига стали меньшим временем воздействия, что важно при работе с легированными сплавами. Также он обеспечивает предельно однородную структуру по всему объему изделия. Если металл планируется резать, его отжиг проводят при +930…+950 °C, чтобы упростить дальнейшую обработку и обеспечить небольшое увеличение размеров зерен.

Изотермический отжиг обычно используют для поковок и компактного сортового проката из легированной стали. Метод не подходит для крупных садок массой более 20 тонн, так как условия, при которых протекают превращения, оказываются разными на отдельных участках.

В первую очередь, металл доводят до температуры в +900 °C, обеспечивающей полную аустенизацию структуры. Далее заготовку погружают в соль при +450…+600 °C.

В результате такого отжига стали формируются структуры сорбита или тонкопластинчатого троостита, благодаря чему становятся возможны:

• значительные обжатия при протяжке;
• защита от обрывов металла во время деформаций без повышения температуры;
• высокая прочность изделия после завершения волочения.

Неполный отжиг заэвтектоидных сталей

В процессе неполного отжига сталь нагревают, немного выходя за пределы критической температуры А1. Так достигается лучшая обработка резанием легированных и углеродистых сталей, относящихся к заэвтектоидным, то есть с долей углерода свыше 0,8 %.

Отжиг заэвтектоидных сталей требует проведения следующих этапов:

• Доведение металла до +750…+770 °C или температуры, превышающей точку А1 на 10–30 °C. В результате происходит практически полная рекристаллизация структуры, пластинчатый феррит приобретает сфероидальную форму, из-за чего процедуру принято обозначать как сфероидизацию.
• Охлаждение до +600°C при снижении степени нагрева на 60 °C в час. Здесь действует одно правило: чем больше легирующих компонентов в составе, тем медленнее остужают сталь.
• Доведение заготовок до нормальной температуры в естественных условиях.

Нормализационный отжиг

Метод нормализации сочетает в себе особенности закалки и отжига. С его помощью обеспечивается меньшая, чем при закалке, хрупкость, и повышенная твердость, недостижимая другими способами отжига стали. Это делает нормализацию распространенным в сфере машиностроения способом обработки деталей.

Нередко к нормализации переходят после прокатного нагрева. При этом металл нагревают:

• до температуры выше А3 на 40–50 °C, если речь идет о доэвтектоидных сталях;
• на 40–50 °C выше Аm, если используются заэвтектоидные марки металла.

Далее фазовые превращения завершаются краткосрочной выдержкой, после чего переходят к охлаждению на воздухе.

Для ряда легированных марок нормализация с остужением на воздухе выполняет функцию закалки. В рамках этого способа обработки сортовой горячекатаный прокат нагревают высокочастотными токами.

Отжиг на зернистый перлит

Важной характеристикой заэвтектоидных инструментальных сталей с высоким содержанием углерода и структурой пластинчатого перлита является трудная обработка резанием. По этой причине их, как и стали с добавлением легирующих веществ, отжигают на зернистый перлит.

Здесь необходим режим отжига стали, близкий к неполному. Металл доводят до температуры чуть выше ACl и охлаждают до +700 °C, а потом до +550…+600 °C, после чего оставляют заготовки остывать на воздухе.

Добиться необходимых свойств стали после отжига и образования зернистого перлита невозможно без точного соблюдения температурного режима: при слишком медленном снижении степени нагрева зерна оказываются крупными, могут встречаться отдельные пластинки перлита, тогда как быстрое охлаждение задает структуру мелкозернистого или точечного перлита.

Для создания зернистого перлита рекомендуется циклический или маятниковый отжиг, при котором сталь доводят до +760…+780 °C и после непродолжительной выдержки охлаждают в печи до +680…+700 °С. Описанную последовательность повторяют несколько раз.

Дефекты и брак при отжиге и нормализации

После отжига стали и ее нормализации могут появляться дефекты, подлежащие и неподлежащие исправлению. Чаще всего приходится встречаться с такими проблемами:

Окисление

Сталь взаимодействует с печными газами, пока находится в пламенных или электрических печах, из-за чего окисляется, на заготовках появляется окалина. Увеличение температуры, времени выдержки приводит к резкому возрастанию степени окисления. В результате металл угорает, геометрия изделий меняется, сплав приобретает неровную поверхность под окалиной, затрудняется его резание. Избавиться от окалины можно травлением в серной кислоте или при помощи дробеструйных установок.

Обезуглероживание

Это выгорание углерода с поверхности металла при его окислении, которое негативно отражается на прочности конструкционной стали. Изделия с обезуглероженной поверхностью подвержены закалочному растрескиванию, короблению. Ярче всего данный дефект проявляется при отжиге стали в электрических печах.

Универсальной и эффективной газовой средой считается эндотермическая, так как подходит для большинства термических и химико-термических операций. Ее создают посредством переработки природного газа в эндотермических генераторах, задавая 20 % СО, 40 % Н2, 40 % N2. Немаловажно, что состав можно регулировать по точке росы.

Перегрев

При очень высокой температуре нормализации и отжига сталь перегревается, то же самое наблюдается при избыточной выдержке. В результате зерна металла становятся больше, что негативно отражается на прочности, вязкости, приводит к появлению закалочных трещин. Справиться с этой проблемой удается благодаря грамотному повторному отжигу либо нормализации.

Пережог

Нагрев до высокой температуры сопровождается оплавлением заготовок и сильным окислением зерен стали. Это происходит потому, что кислород из печной атмосферы проникает внутрь горячего сплава. Сталь утрачивает свою пластичность, прочность, а из-за высокой хрупкости разрушается от любого удара. Данный дефект невозможно исправить термической обработкой, единственным решением является переплавка металла.

Иногда, чтобы задать стали определенные технологические характеристики, хватает неполного отжига. Могут применяться сложные режимы, требующие больших временных затрат, – их подбирают в соответствии со свойствами металла. На полный отжиг стали может уйти свыше суток, если речь идет о крупных заготовках, причем подавляющая часть времени приходится на нагрев и медленное охлаждение по всем нормам.

Подробная информация об отжиге стали содержится в специальной литературе. При некоторых операциях необходимо соблюдать временной и температурный режим с точностью до минут и градусов. Выполнить обработку качественно получится только в муфельной печи, в противном случае будет сложно точно провести отдельные этапы, отталкиваясь в своих действиях лишь от цвета горячего сплава.

Свойства и качества металла зависят в первую очередь от его структуры, для изменения которой прибегают к термической обработке. Узнать о тонкостях, основных методах термического воздействия на сталь и другие материалы, целях их применения можно, углубившись в основы технологии металлов. Предметом этой науки являются приемы и способы создания, обработки металлических материалов.