Виды отжига стали

Отжигом называют термообработку стали с целью придания ей равновесной структуры. В металлообработке применяются несколько разновидностей отжига, основанных на нагреве материала, но конкретный метод, как и выбор температурного режима, зависит от марки стали. Процедура может применяться в качестве подготовительной или заключительной операции при закалке, сварке, резке или штамповке изделий.

Что такое отжиг металла и суть метода

При механической или термической обработке стали её внутренняя структура приобретает неравновесность ввиду сочетания в ней различных фазовых составляющих. Соответственно, меняется химический состав и кристаллическая структура металла, что также приводит к изменению физических свойств: твёрдости, прочности, пластичности и внутренней напряжённости. Проще говоря, такое изделие не стабильно и зачастую обладает характеристиками, не соответствующими требованиям к эксплуатации. Путём обработки возвращается его микроструктура в исходное состояние, снимаются внутренние напряжения, материал делается более пластичным и мягким.

Эта технология является одним из методов термообработки и в упрощённом виде выполняется по следующей схеме:

1. Заготовка нагревается до температуры, превышающей точку аустенита.
2. Деталь определённое время выдерживается при заданном тепловом режиме.
3. На заключительном этапе выполняется медленное остывание стали до комнатной температуры.

Результатом отжига становится упорядочение кристаллической структуры стали. Происходит изменение формы и размеров структурных зёрен, ликвидируется неоднородность химического состава сплава, устраняются внутренние механические напряжения, обеспечивая физическую стабильность детали.

Эта технология термообработки позволяет:

• привести свойства металла в соответствие с требованиями дальнейшей металлообработки;
• улучшить характеристики заготовки перед её механической обработкой;
• предотвратить деформацию и ликвидировать внутренние напряжения изделий, полученных литьём или свариванием;
• восстановить исходное качество металла после неудачной закалки.

Первостепенно термообработка путём отжига направлена на устранение дефектов, возникающих в заготовке в процессе её листья, ковки или протяжки. Также этот метод металлообработки применим для подготовки материала к дальнейшей закалке или механической обработке на станках. Конкретный режим термообработки (значение температуры нагрева, длительность выдержки и скорость охлаждения) подбираются исходя из поставленной технологическим процессом задачи.

Сферы применения и преимущества технологии

Операция направлена на улучшение технологических качеств заготовки или готового изделия. Использование этой технологии в металлообработке даёт целый ряд преимуществ:

• Позволяет снизить твёрдость заготовки. За счёт этого сокращается время и трудозатраты, необходимые для механической обработки изделия. Параллельно сокращается количество необходимых для финальной подготовки детали операций, значительно расширяется перечень используемых при металлообработке инструментов.
• Улучшает микроструктуру металла. Высокотемпературное воздействие, длящееся на протяжении определённого времени, улучшает структуру материала на микроуровне, придаёт однородность, что положительно отражается на подверженности детали дальнейшей механической обработке.
• Снимает внутренние напряжения. В результате устраняется неоднородность кристаллической структуры стали, благодаря чему её физические свойства становятся предсказуемыми.
• За счёт правильного подбора температуры, времени выдержки и остывания обеспечивается достижение необходимых физических характеристик металла в соответствии с техническими требованиями.

Ключевым фактором является не только время и температура, но и правильный выбор метода. Он зависит от типа сплава, назначения изделия и требуемых характеристик.

Виды отжига

Существует несколько методов, которые принято разделять на два подвида: первого и второго рода. При отжиге 1 рода не выполняется фазовая рекристаллизация металла, но при этом он приобретает все необходимые качества, а также устраняются последствия его механической обработки. Отжиг 1 рода включает следующие способы воздействия:

• Гомогенизационный (диффузионный). Гомогенизация применяется к легированным маркам стали и позволяет снизить внутрикристаллитную неоднородность. Осуществляется путём нагрева металла до высоких (до 1200 градусов) температур с выдержкой в течение 12–20 часов, быстрым охлаждением до 800–820 градусов и последующим естественным охлаждением на воздухе. В результате термообработки сталь приобретает крупнозернистую структуру, измельчаемую в дальнейшем механическим способом или другими видами термического воздействия.
• Рекристаллизационный. Этот способ применяется для обработки полуфабрикатных изделий из стали после процесса 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 — 0,5–1,5 часа.
• Для снятия внутренних напряжений. Подобным способом обрабатываются изделия, полученные путём литья, сварки, пластической деформации. Для снятия сварочных напряжений производится термообработка при температурах 650–700 градусов.

Главное назначение отжига 1 рода — снижение прочности и повышение эластичности, что облегчает дальнейшую обработку заготовки, обеспечивает увеличение надёжности и долговечности изделия.

Отжиг 2 рода сопровождается фазовой перекристаллизацией стали и включает следующие способы:

• Полный отжиг. При этом способе заготовка нагревается на 30–50 градусов выше критической температуры, выдерживается, затем медленно охлаждается. В результате сталь приобретает однофазную структуру с более мелким зерном, получает повышенную вязкость и пластичность. С целью защиты металла от окисления и обезуглероживания операция проводится 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. Такому способу обработки обычно подлежат изделия из сортового проката, фасонных отливок и поковок на основе среднеуглеродистых сталей.
• Неполный отжиг. Этот метод заключается в нагреве стали до 750–770 градусов с охлаждением до 600 градусов в течение 2–2,5 часов и последующим остыванием на открытом воздухе. Метод применяется к доэвтектоидным сплавам с содержанием углерода более 0,8%, легированным и углеродистым сталям, обеспечивает улучшение обработки металла путём резки.
• Нормализация. Технически это промежуточный процесс между отжигом и закалкой, делающий металл менее хрупким, но более твёрдым. Способ нормализационного термического воздействия широко применяется в машиностроении и нередко выполняется с помощью прокатного нагрева. Сортовой горячекатаный прокат обычно отжигается токами высокой частоты.
• Изотермический отжиг. Процедура имеет немало общего с полным отжигом, но отличается ускоренным охлаждением заготовки до температуры ниже необходимой для поддержания рекристаллизации. В этом и заключается преимущество метода — он позволяет сократить время термической обработки стали. Такой вид термообработки применим к поковкам и сортовому прокату небольших размеров, изготовленному из легированных сталей, используется для подготовки проволоки к холодному волочению.

При отжиге 2 рода стальных заготовок обеспечивается получение равновесной структуры, которая заменяет изначальную полностью или частично.

Особенности отжига цветных металлов и сплавов

Отжиг является одним из наиболее распространённых способов термической обработки цветных металлов и их сплавов и применяется гораздо чаще, чем отпуск и закалка (к некоторым видам сплавов они вообще неприменимы). Также в отношении цветных металлов не применяется химико-термическая обработка ввиду отсутствия практического значения.

В цветной металлургии и металлообработке наибольшее значение отдаётся отжигу первого рода по ряду причин:

• у большой группы цветных сплавов отжиг 2 рода выливается в неконтролируемое изменение свойств, что делает этот вид термообработки нецелесообразным;
• в однофазных латунях, бронзах и электротехнических никелевых сплавах отсутствует фазовые превращения в твёрдом состоянии, что делает метод 2 рода принципиально неприменимым.

Наибольшее распространение в отношении цветных металлов получили следующие разновидности термообработки отжигом:

• Диффузионный (гомогенизация). Он позволяет выровнять химическую микронеоднородность зёрен и выполняется путём нагрева заготовки до 450–520 градусов с выдержкой 4–40 часов и охлаждением в печи или открытым способом.
• Рекристаллизационный. Здесь его применение даже шире, чем в отношении сталей. Обработка осуществляется при температурном режиме 300–500 градусов с выдержкой 0,5-2 часа и медленном охлаждении.

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