Отжиг стали: процесс, виды, преимущества, недостатки и области применения

Полный отжиг стали подразумевает нагрев материала выше критической точки А3 или окончания перекристаллизации, после чего необходимо выдерживать сталь на протяжении всех фазовых трансформаций, а затем обеспечивать медленное охлаждение.

Отжиг стали: виды, технология, возможные дефекты

Отжиг стали является важным процессом, позволяющим изменять свойства различных сплавов. Сначала заготовка нагревается до температуры, превышающей критическую точку, а затем медленно охлаждается. Эта термообработка способствует получению однородной структуры металла, а также помогает снять внутренние напряжения и снизить твердость материала.

Температура, необходимая для нагрева, варьируется в зависимости от химического состава стали и целей, которые ставятся перед отжигом. Время нагрева и последующего охлаждения также зависит от размеров изделия, что делает необходимым использование справочных данных и расчетных методов для достижения точности результатов. В нашей статье подробно рассмотрены различные виды отжига стали и технологические особенности этого процесса.

Отжиг сталей первого рода

Сущность различных типов отжига первого рода заключается в запуске процессов гомогенизации и рекристаллизации, а также в устранении остаточных напряжений и снижении твердости металла. Условия, необходимые для конкретного процесса, задаются в зависимости от начального состояния металла через определённую температуру. Нагрев может происходить как в пределах критических точек, так и выше них, чтобы инициировать нужные фазовые трансформации.

Основной целью отжига стали является создание внутренней однородности, улучшение зернистости, получение более равномерной кристаллической решетки и снятие остаточного напряжения, возникшего после деформации металла при его обработке.

К основным задачам отжига стали можно отнести:

• обеспечение сплаву свойств, необходимых для дальнейшей термообработки;
• придание металлу характеристик, нужных для качественной обработки резанием и давлением;
• устранение внутреннего напряжения в сварных изделиях и отливках для предотвращения деформаций;
• восстановление качественных характеристик сплава после ошибок, допущенных в процессе закалки.

При проведении отжига стали горячая заготовка подвергается охлаждению без применения специальных сред, а необходимая температурная степень увеличивается в зависимости от состава металла и ожидаемого эффекта.

Что такое отжиг металла и суть метода

Отжиг металла представляет собой технологический процесс термообработки, основной задачей которого является изменение микроструктуры металла для достижения специфических физических свойств, таких как пластичность, твердость и устойчивость к внутренним напряжениям. Вначале металлическая заготовка нагревается до температуры, которая превышает ее рекристаллизационную точку. Эта температура – это уровень, при котором начинается процесс формирования новой зернистой структуры, замещающей деформированную, образовавшуюся в результате предыдущей обработки. Обычно для низкоуглеродистых сталей температура рекристаллизации составляет от 400 °C до 700 °C, а для высокоуглеродистых и легированных сталей она может достигать 900 °C и выше. На этапе, когда заготовка выдерживается на максимальной температуре в течение определённого времени, обеспечивается равномерное проникновение тепла в материал и полное завершение процессов рекристаллизации. Длительность этого этапа зависит от размеров и состава заготовки, а также от свойств конечного продукта. В среднем, время выдержки составляет около 1 часа на каждые 25 мм толщины материала. Контролируемое охлаждение, в большинстве случаев медленное, является важным элементом процесса отжига, что влияет на итоговые характеристики металла. Оно должно происходить в условиях, исключающих резкие температурные колебания, что позволяет избежать возникновения внутренних напряжений и трещин. Скорость охлаждения может варьироваться от очень медленной (около 20 °C в час) до более быстрой, однако всегда остается контролируемой, чтобы гарантировать однородность структуры. Цели отжига заключаются в улучшении технологических свойств металла, таких как обрабатываемость, свариваемость и формируемость, а также в повышении усталостной прочности и снижении твердости. В результате отжига достигается равномерная микроструктура с уменьшённым размером зерен, что способствует улучшению пластических свойств и снижению вероятности возникновения дефектов при последующей обработке металла.

1. Улучшение обрабатываемости. Этот процесс снижает твердость металла, что облегчает его механическую обработку. Это критически важно для производства деталей сложной геометрии, где требуется высокая точность и качество поверхности. Снижение твердости помогает уменьшить износ режущего инструмента и снизить энергозатраты на обработку.
2. Повышение пластичности и вязкости. Процедура обрабатывает металлы так, что их пластичность увеличивается, что необходимо в процессе гибки, штамповки и других видах деформационной обработки. Улучшение вязкости материала также снижает риск образования трещин и разрушений при механических нагрузках.
3. Устранение внутренних напряжений. Внутренние напряжения, возникшие из-за предыдущих процессов обработки (например, сварки или литья), могут привести к деформации или разрушению изделия. Процесс отжига помогает избавляться от таких напряжений, обеспечивая стабильные размеры и форму деталей.
4. Улучшение структуры металла. Данный процесс способствует формированию более однородной и мелкозернистой структуры, что положительно сказывается на прочности и усталостной живучести материалов.
5. Восстановление свойств после закалки. Этот процесс может быть использован для снижения чрезмерной твердости и хрупкости металла после закалки, возвращая его в более упругое и пластичное состояние.

1. Авиационная и космическая промышленность. Отжиг используется для обработки компонентов самолетов и космических аппаратов, где требуется высокая проверенная надежность и устойчивость к экстремальным нагрузкам.
2. Автомобилестроение. В данной отрасли он применяется для производства деталей двигателей, трансмиссий, кузовных элементов, где высока важность прочности и устойчивости к усталости.
3. Производство бытовой техники и электроники. Отжиг включает в себя обработку металлических элементов в бытовых устройствах, а также в производстве компонентов электротехники, где необходимы точность и стабильность электрических характеристик.
4. Машиностроение и тяжелое машиностроение. Этот процесс важен для улучшения свойств стали, используемой в оборудовании, которое подвергается высоким динамическим и статическим нагрузкам.
5. Ювелирное дело и производство музыкальных инструментов. В этих областях отжиг используется для обработки цветных металлов и сплавов, где требуется высокая точность и особая пластичность.

Виды

Существует несколько видов отжига, которые классифицируются в зависимости от целей обработки и типа металла. Основные из них:

• Полный отжиг включает нагревание металла до температуры, превышающей критическую на 30-50 °C (для углеродистых сталей это 700-850 °C), после чего происходит медленное охлаждение, обычно в печи. Этот метод приводит к формированию новой, однородной и мелкозернистой микроструктуры, что позволяет снизить твердость и повысить пластичность материала.
• Изотермический отжиг включает нагревание до температур, превышающих критическую, а затем быстрое охлаждение до температуры ниже критической и выдержку при этой температуре в течение времени, необходимого для завершения фазовых превращений. Данный подход позволяет получать структуры, такие как сорбит или бейнит, которые наделены улучшенными механическими свойствами.
• Сфероидизирующий отжиг применяется для сталей с высоким содержанием углерода и легированных сталей с целью улучшить обрабатываемость. Метод основан на длительном удерживании металла при температуре чуть ниже критической, что приводит к образованию сфероидальных (шарообразных) карбидов. Это значительно облегчает последующую механическую обработку за счет снижения твердости.
• Отжиг для снятия напряжений производится при относительном низком уровне температур (от 150 до 650 °C для сталей), что позволяет устранить внутренние напряжения, возникшие в результате сварки или механической обработки, без значительных изменений в микроструктуре металла.
• Гомогенизационный отжиг применяется для выравнивания химического состава и устранения локализованных концентраций элементов в сплаве. Процесс включает нагрев до высоких температур (до 1200 °C и выше) с последующим медленным охлаждением, что способствует диффузии элементов и улучшению однородности материала.
• Рекристаллизационный отжиг используется для снятия эффектов холодной деформации (например, после процесса прокатки, волочения или штамповки). Металл нагревается до температуры рекристаллизации, что приводит к формированию новой зернистой структуры без внутренних напряжений.

На этапе восстановления стальная заготовка нагревается в печи до температуры рекристаллизации.

Как правило, отжиг стали для крупных заготовок выполняется в промышленных печах. Однако более доступным вариантом для небольших или любительских работ может стать использование газовой горелки для нагрева заготовок.

На данном этапе структура зерна будет измельчена, что минимизирует дислокации (неровности), тем самым устраняя внутренние напряжения.

Микроструктура стали проходит два механизма на данном этапе: аннигиляцию и перестройку.

В процессе аннигиляции дислокации в структуре зерна объединяются, что ведет к их сокращению.

При нагреве кинетическая энергия стальной заготовки возрастает, что увеличивает вероятность взаимодействия и слияния дислокаций.

Восстановление также включает перестройку дислокаций, так как напряжения взаимодействуют друг с другом и гасят, уменьшая внутреннюю энергию металла.

Чем выше температура рекристаллизации, тем больше выделяется тепла, что способствует эффективному взаимодействию между дислокациями и повышает результаты стадии восстановления.

Стадия рекристаллизации

Вторая стадия процесса – рекристаллизация, что подразумевает нагрев стали до температуры отжига, которая должна быть примерно на 37,8 °C (310,9 K) выше температуры рекристаллизации.

Температура рекристаллизации для различных сортов стали может варьироваться от 400 °C (673,12 K) до 900 °C (1073,15 K).

Например, для полного отжига стали AISI типов 1018, 1020 и 1025 средняя температура отжига составляет 877,5 °C (1150,65 K), в то время как для стали типа 1030 температура отжига около 865 °C (1138,15 K).

Стали AISI типов 1060, 1070, 1080 и 1090 имеют среднюю температуру отжига приблизительно 817,5 °C (1090,65 K), а для 1040 и 1050 — около 830 °C (1103,15 K).

Стадия рекристаллизации также меняет структуру зерна, уменьшая любые деформации в стали, тем самым снижая её твердость и увеличивая пластичность.

Температура рекристаллизации зависит от размера зерна: чем крупнее зерно, тем ниже температура рекристаллизации.

Более низкая температура рекристаллизации уменьшает необходимость в тепле для перехода к стадии роста зерна, что сокращает общее время цикла. Thus, the recrystallization stage is closely related to grain formation during the restoration phase.

После достижения температуры отжига, о чем свидетельствует оранжево-красный цвет на поверхности заготовки, она поддерживается на этом уровне в течение определённого времени.

Общий принцип заключается в поддерживании температуры на уровне примерно 1 часа на каждые 1 дюйм (25,4 мм) толщины стальной заготовки.

Например, если толщина заготовки составляет 2 дюйма (50,8 мм), температура отжига должна поддерживаться как минимум 2 часа.

Виды отжига

Существует несколько методов термообработки, которые делятся на два подвида: первый и второй род. При отжиге первого рода фазовая рекристаллизация металла не происходит, однако достигаются все необходимые качества, а также устраняются последствия механической обработки. Методы отжига первого рода включают следующие:

• Гомогенизационный (диффузионный). Гомогенизация применяется к легированным маркам стали и уменьшает внутрикристаллитную неоднородность. Процесс осуществляется путем нагрева металла до высоких температур (до 1200 градусов) с выдержкой в течение 12–20 часов, затем быстрого охлаждения до 800–820 градусов и последующего естественного остывания. В результате термообработки сталь получает крупнозернистую структуру, которую можно измельчить механическим способом или другими видами термического воздействия.
• Рекристаллизационный. Данный метод используется для обработки полуфабрикатов из стали после процессов холодного деформирования или между такими процессами. В зависимости от содержания углерода в сплаве, температура нагрева составляет 680–700 градусов (0,08–0,2% углерода) или 680–750 градусов (для высокоуглеродистых легированных сталей), а время выдержки – от 0,5 до 1,5 часа.
• Для снятия внутренних напряжений. Этот способ обработки касается изделий, полученных методом литья, сварки, резки. Для удаления сварочных напряжений процесс термообработки выполняется при температурах 650–700 градусов.

Основная задача отжига первого рода состоит в снижении прочности и повышении эластичности, что облегчает дальнейшую обработку заготовки и обеспечивает ее надежность и долговечность.

Отжиг второго рода предполагает наличие фазовой перекристаллизации и включает следующие методы:

• Полный отжиг. Это метод, при котором заготовка нагревается на 30–50 градусов выше критической температуры, выдерживается, а затем медленно охлаждается. В результате сталь получает однофазную структуру с более мелким зерном, что обеспечивает высокие показатели вязкости и пластичности. Для защиты от окисления и обезуглероживания процесс выполняется в защитной среде. Скорость охлаждения зависит от химического состава сплава и составляет 100–150 градусов в час для углеродистых сталей или 40–60 градусов в час для легированных металлов. Этот способ обычно используется для изделий из сортового проката, фасонных отливок и поковок на основе среднеуглеродистых сталей.
• Неполный отжиг. Этот метод заключается в нагреве стали до 750–770 градусов с последующим охлаждением до 600 градусов в течение 2–2,5 часов и естественным остыванием на воздухе. Он применяется к доэвтектоидным сплавам с содержанием углерода больше 0,8%, а также легированным и углеродистым сталям и обеспечивает улучшение обработки резанием.
• Нормализация. Этот процесс является промежуточным этапом между отжигом и закалкой, который делает металл менее хрупким, но при этом более твердым. Нормализационный отжиг широко используется в машиностроении и часто осуществляется с помощью прокатного нагрева. Сортовой горячекатаный прокат часто проходит через отжиг токами высокой частоты.
• Изотермический отжиг. Эта процедура схожа с полным отжигом, но выделяется в отдельный вид благодаря измененной технологии выдержки. После нагрева металла до нужной температуры осуществляют быстрое охлаждение до температуры нижней критической точки (600-650 °C), затем выдержка при этих температурах, после чего следуют дальнейшее охлаждение. Такое ускоренное охлаждение позволяет сократить время термообработки и достичь формирования равномерной структуры без потери качественных характеристик. Изотермической обработке подвергаются детали и заготовки небольших размеров из легированных сталей.

Особенности отжига цветных металлов и сплавов

Отжиг является одним из самых распространенных методов термической обработки цветных металлов и их сплавов, применяемым гораздо чаще, чем отпуск и закалка (для некоторых сплавов эти процессы вообще неприменимы). Кроме того, для цветных металлов отсутствует применение химико-термической обработки ввиду её непрактичности.

В цветной металлургии и металлообработке особенное внимание уделяется отжигу первого рода по нескольким причинам:

• для большой группы цветных сплавов отжиг второго рода приводит к неконтролируемым изменениям свойств, что делает такую термообработку нецелесообразной;
• в однофазных латунях, бронзах и никелевых сплавах отсутствуют фазовые трансформации в твердом состоянии, что делает метод второго рода принципиально неприменимым.

Наиболее распространены следующие виды термообработки с использованием отжига в отношении цветных металлов:

• Диффузионный (гомогенизационный) отжиг. Он позволяет выровнять химическую неоднородность зёрен и осуществляется путем нагрева заготовки до 450–520 °C с выдерживанием от 4 до 40 часов и охлаждением в печи или открытым способом.
• Рекристаллизационный отжиг. Его использование в отношении цветных металлов даже шире, чем в отношении сталей. Процесс ведется при температурном диапазоне 300–500 °C с выдержкой от 0,5 до 2 часов и медленным охлаждением.

Отжиг цветных металлов и их сплавов применяется в металлообработке с целью полного снятия упрочнения, возникшего в результате закалки и старения материала.

Отжиг стали первого рода – где используют, разновидности, температура нагрева

Отжиг первого рода применяется как к готовым изделиям, так и к полуфабрикатам, которые прошли механическую обработку. Побочным эффектом механической обработки является ухудшение однородности структуры металла, повышение твердости и образование внутренних напряжений. Основной задачей отжига является нивелирование негативных последствий и восстановление состояния металла, соответствующего заданным эксплуатационным характеристикам.

Диффузионный (гомогенизационный) отжиг

Данная технология в первую очередь применяется к слиткам легированных сталей. Процесс заключается в нагреве металла до температуры, превышающей критические точки конкретной марки (может достигать 1200 °C), с последующей выдержкой в этой температуре от 15 до 20 часов. Затем происходит резкое охлаждение до температуры 800-820 °C и оставление металла для естественного остывания.

В результате компл

ексного процесса получения равновесной структуры металла достигается однородность свойств по всему объему слитка. Эта термообработка позволяет устранить нежелательные явления, такие как:

• снижение пластичности;
• уменьшение вязкости;
• образование трещин;
• брой листов (как слоистый, так и хрупкий).

Кроме того, в рамках категории диффузионного отжига могут проводится технологии, нацеленные на качественное улучшение внутренней структуры конкретной марки металла (высокотемпературный и защищенный режимами охлаждения).

Рекристаллизационный отжиг стали

Эта технология применяется к стальным заготовкам (полуфабрикатам), уже прошедшим операции холодной деформации (штамповка, волочение и прокат). В результате деформации металл теряет однородность и изменяет твердость, что может вызвать различия даже в пределах небольших участков поперечного сечения. Термический нагрев (от 680 до 740 °C, в зависимости от марки стали), удержание и последующее охлаждение до комнатной температуры позволяет вернуть металлу равновесное состояние по всей площади.

Для снятия напряжений

Процессы литья в формы, сварки и резки металла ведут к образованию зональных остаточных напряжений. Если эти напряжения не устранить, полуфабрикат или готовое изделие подвержено деформациям, изменению первоначальных размеров на протяженной временной шкале. Для принудительного снятия остаточных напряжений металл нагревают до температур от 570 до 700 °C (в зависимости от марки стали и технических характеристик продукции), выдерживают в расчетный период времени и затем охлаждают. Этот отжиг жизненно необходим для деталей, имеющих критически важные параметры по форме и размерам. В процессе их производства рекомендуется выполнять технологию после каждой механической обработки.

Отжиг второго рода – процессы с фазовой перекристаллизацией

Этот метод направлен на достижение свойств металла, способствующих его лучшей обрабатываемости в следующих операциях (резание, обработка давлением). Это достигается за счет полного или частичного изменения структуры металла, с образованием равновесных структур.

Технологические регламенты варьируются в зависимости от марок металла и условий результата, обеспечивающего свойства, оптимально соответствующие эксплуатационным параметрам для последующей обработки. Принято выделять несколько основных видов, в рамках которых могут варьироваться температурные режимы нагрева, временные Интервалы выдержки при заданной температуре, а также охлаждение (естественное, принудительное, комбинированное).

Полный отжиг

Технологии полного отжига применяются в основном для изделий из легированных и среднеуглеродистых сталей (поковки, фасонные отливки, сортовой прокат). Основные условия отжига включают обязательный нагрев металла до температуры, превышающей критические значения на 30-50 °C, выдержку и постепенное охлаждение. В результате образуется мелкозернистая, однородная структура, имеющая высокие значения упругости и пластичности. Оптимальный режим включает в себя использование защитной среды, которая предотвращает процессы окисления и обезуглероживания металла.

Неполный отжиг

При неполном отжиге нагрев осуществляется до температур в диапазоне 750-770 °C, с последующим медленным охлаждением в установленном временном интервале (2,0-2,5 часа) до температуры 600 °C и последующим охлаждением на открытом воздухе. Такой вид обработки легированных и углеродистых сталей, прошедших эту процедуру, обладает свойствами, которые улучшают качество механической обработки металлов резанием.

Нормализационный отжиг

С точки зрения технологии, нормализационный отжиг является промежуточным процессом между отжигом и закалкой. Эта технология одновременно позволяет повысить твердость до необходимых показателей и снизить хрупкость металла. В некоторых случаях она может служить альтернативой технологии закалки. Данные особенности нормализационного отжигов находят широкое применение в производстве деталей, задействованных в различных отраслях машиностроения.

Процесс стандартен: нагрев, выдержка, охлаждение согласно техническим условиям. Примечательной особенностью является возможность нагрева с использованием токов высокой частоты.

Изотермический отжиг

Изотермический в целом схож с технологией полного отжига, но выделяется как отдельный вид благодаря изменению процедуры выдержки. После нагрева металла до нужной температуры реализуется быстрое принудительное охлаждение до нижней критической точки (600-650 °C), после чего обрабатываемая деталь выдерживается при этой температуре, прежде чем будет отправлена на дальнейшее охлаждение. Ускоренное охлаждение позволяет значительно сократить время на процесс формирования однородной структуры металла, не влияя на его ключевые характеристики. Изотермическая обработка применяется к детализованным или небольшим заготовкам, изготавливаемым из легированных сталей.