Отжиг стали: виды, технология, возможные дефекты

Нагрев, выдержка при заданной температуре (выше критической) и охлаждение — один из основных способов термообработки стали. Цель — изменение структуры сплава для улучшения твердости, прочности, пластичности и вязкости. Различают полный, неполный и гомогенизирующий отжиг.

Понятие отжига металла и его суть

Отжиг — вид термообработки металлов, при котором материал сначала нагревают до заданной температуры, затем выдерживают в этом состоянии некоторое время, а после медленно охлаждают, что приводит к улучшению технологических свойств.

В процессе отжига происходят важные изменения в структуре металла. При нагреве сталь частично восстанавливается после пластической деформации, что называется возвратом. На стадии рекристаллизации в металле вместо старых, деформированных возникают новые, бездефектные зёрна. Гомогенизация равномерно распределяет компоненты сплава, устраняет напряжения, возникающие при обработке и негативно влияющие на прочность изделия.

Задачи отжига:

• Снижение прочности и твёрдости металла для облегчения резки, сверления и шлифовки.
• Увеличение способности металла к пластической деформации без риска разрушения.
• Формирование однородной структуры.
• Снятие напряжений для снижения риска деформации и появления трещин в изделиях.

Отжиг применяют для обработки различных марок стали, чугуна и других сплавов. Он используется при производстве заготовок, инструментов, деталей машин и других изделий.

Особенности отжига цветных металлов и сплавов

Термообработка изменяет и улучшает механические, физические и технологические характеристики металлов и сплавов. Цветные металлы, в отличие от стали, обладают особыми свойствами, которые необходимо учитывать при выборе параметров отжига. Процедура снимает возникшие локальные напряжения после механической обработки сварки или литья, что предохраняет от появления деформаций и трещин.

Отжиг повышает пластичность, позволяя изгибать и ковать металл без риска разрушения, что важно при обработке давлением без прогрева. У некоторых сплавов повышается коррозионная стойкость за счёт формирования более плотной и однородной структуры. Отжиг упрощает последующие технологические операции — резку, сверление и шлифовку. В ряде случаев он создает структуру с мелкими зернами, повышая прочность и вязкость материала.

Особенности отжига цветных сплавов и металлов:

• Для каждого материала этого рода существует своя температура отжига, зависящая от химического состава и структуры.
• Недостаточная выдержка может не позволить достичь желаемого эффекта, а чрезмерная — вызвать перегрев и ухудшение свойств.
• Темп охлаждения после отжига существенно влияет на характеристики материала. Медленное остывание способствует формированию крупнозернистой структуры, а быстрое — мелкозернистой.
• В зависимости от типа металла и требуемых характеристик отжиг может проходить в различных атмосферах — нейтральной, восстановительной или окислительной.

Существует несколько видов отжига цветных металлов. Рекристаллизационный проводят для сплавов и чистых металлов после холодной деформации для восстановления пластичности при формировании новых зерен. Гомогенизационный применяется для сплавов с неоднородным составом, при этом происходит выравнивание концентрации компонентов по объему материала. Для снятия внутренних напряжений отжиг выполняется при низких температурах и предназначен для изделий, после пайки, сварки и механической обработки.

Для алюминия и его сплавов отжиг используют для устранения напряжений, увеличения пластичности и подготовки к дальнейшей обработке. Медь и её сплавы подвергают отжигу для улучшения электропроводности, теплопроводности и пластичности. В случае титана и его сплавов, отжиг необходим для повышения способности к обрабатываемости.

Классификация видов отжига

Существует несколько видов термообработки отжигом, каждый из которых предназначен для решения определённых задач. Основные классификации:

По температуре и скорости остывания:

• Полный отжиг — нагрев на 30-50°C выше точки рекристаллизации, с замедленным охлаждением в печи. Используется для смягчения стали, повышения уровня пластичности и улучшения обрабатываемости.
• Неполный — нагрев ниже точки полной рекристаллизации. Применяют после механических способов обработки для устранения возникших напряжений.
• Изотермический — нагрев до аустенитной области, выдержка при постоянной температуре, во время которой происходит преобразование аустенита в перлитную структуру с заданными свойствами.
• Диффузионный — проводится при высоких температурах для гомогенизации сплава и выравнивания однородности химического состава.
• По цели обработки:
• Рекристаллизационный — возвращает металлам пластичность после обработки в холодном состоянии.
• Для снятия напряжений, возникающих после электродной и газовой сварки, токарной и фрезерной обработки и других технологических действий.
• Нормализация — сочетает нагрев и охлаждение на воздухе, чтобы добиться однородности структуры и улучшить физические свойства.

Существуют и другие виды отжига, например, для улучшения магнитных свойств, который используется для материалов в электротехнике, и отжиг для повышения коррозионной стойкости, применяемый для нержавеющих сталей и других устойчивых к коррозии сплавов. Выбор конкретного типа отжига зависит от особенностей материала, его исходного состояния, требуемых конечных характеристик и условий производства.

На выбор метода отжига влияют химический состав и начальная структура материала, степень деформации, а также необходимые свойства будущих деталей или готовых изделий. Важные параметры процесса — температура нагрева, время выдержки, скорость охлаждения и атмосфера внутри печи.

Отжиг сталей первого типа

Это термообработка для улучшения физических характеристик путем изменения внутренней структуры. Сталь нагревают до заданной температуры, выдерживают при ней и затем медленно охлаждают. После отжига увеличивается пластичность, снижается твердость, возрастает вязкость, устраняются дефекты, возникшие в ходе предыдущих этапов обработки.

Гомогенизация

Восстановление однородности химического состава сложных сплавов. Неоднородности могут возникать при литье, сварке или на других технологических этапах производства. В ходе гомогенизации металл нагревают и долго выдерживают при высокой температуре, что позволяет атомам различных элементов равномерно распределяться по объему материала. В результате гомогенизации повышается коррозионная стойкость сплава, улучшаются прочность и пластичность, повышается однородность структуры, что положительно сказывается на поведении материала при обработке.

Рекристаллизация

Это процесс образования новых, бездефектных зерен в металле, который подвергался холодной деформации. При холодной деформации в кристаллической решетке металла возникают дефекты – дислокации, что приводит к упрочнению материала, но одновременно снижает его пластичность. При нагреве температуры рекристаллизации происходит образование новых зерен, которые не содержат дислокаций. В результате восстанавливается пластичность металла, снижается твердость и внутренние напряжения. Рекристаллизационный отжиг применяется для улучшения обрабатываемости металлов и восстановления пластичности после предварительной деформации.

Снятие внутренних напряжений

Это процесс термообработки для уменьшения или полного устранения внутренних напряжений, возникающих в металле в результате сварки, литья, холодной деформация и других видов механической обработки. Внутренние напряжения могут приводить к деформации готового изделия, появлению трещин и снижению прочности. Для снятия напряжений металл нагревают до определенной температуры и медленно охлаждают. При этом происходит перераспределение атомов в кристаллической решетке, что приводит к снижению уровня напряжений, повышению устойчивости изделия к хрупкому разрушению, улучшению механических свойств и увеличению срока службы.

Полный отжиг доэвтектоидной стали

Это термообработка для получения однородной зернистой структуры и снижения твердости материала. Сталь нагревается до температуры, на 30-50°С превышающей точку Ас3, при которой происходит полное превращение феррита и перлита в аустенит. После выдержки при этой температуре сталь медленно охлаждается вместе с печью. В результате образуется ферритно-перлитная структура с равномерным распределением фаз, что способствует повышению пластичности, ударной вязкости и улучшению обрабатываемости стали. Полный отжиг применяется для снятия внутренних напряжений, возникших в результате предыдущей обработки, а также для подготовки стали к ковке, штамповке или резке.

Изотермический отжиг

Специальный вид термической обработки, отличающийся точным контролем температуры и времени выдержки. Процесс начинается с нагревания стали до аустенитного состояния, при котором все карбиды растворяются в аустените. Затем сталь выдерживается при этой температуре для гомогенизации. После этого следует быстрое охлаждение до температуры ниже точки А1, где начинается распад аустенита на феррит и цементит. Выдержка при этой температуре позволяет получить мелкозернистую структуру с равномерным распределением карбидов. Изотермический отжиг позволяет достичь улучшенных механических свойств по сравнению с полным отжигом и сократить время обработки, особенно для легированных сталей. Температура изотермической выдержки подбирается индивидуально для каждой марки в зависимости от химического состава и требуемых свойств готового изделия.

Неполный отжиг заэвтектоидных сталей

Термическая обработка для улучшения обрабатываемости сталей резанием. Во время отжига сталь нагревают до температуры, чуть превышающей точку А1, выдерживают при этой температуре и медленно охлаждают. Основная цель — сфероидизация цементита, то есть превращение пластинчатого цементита в более округлые частицы. Это снижает твердость стали и повышает пластичность, что облегчает дальнейшую механическую обработку. Неполный отжиг не приводит к перекристаллизации стали, как при полном, а вызывает частичный переход аустенита в феррит и цементит.

Нормализующий отжиг

Процесс термообработки, заключающийся в нагреве заготовки до температуры на 30-50°C выше верхней критической точки (Ас3 или Асм), выдержке на этой температуре и охлаждении на воздухе. Метод позволяет получить мелкозернистую структуру, улучшить прочность, пластичность и ударную вязкость, снять внутренние напряжения. Нормализация применяется для углеродистых и низколегированных сталей, поскольку способствует более однородной структуре по сравнению с отжигом и улучшает обрабатываемость стали резанием. Также этот процесс используется для подготовки стали к закалке.

Отжиг на зернистый перлит

Вид термической обработки, улучшающий пластичность сталей. Сплав нагревают до температуры, немного превышающей точку А1, выдерживают на этом уровне и медленно охлаждают. Основная цель — сфероидизация цементита, то есть превращение пластинчатой структуры цементита в более округлые частицы, что снижает твердость стали и повышает пластичность, упрощающую дальнейшую механическую обработку. Отжиг на зернистый перлит используется для инструментальных сталей, чтобы улучшить износостойкость при резке.

Области применения и достоинства метода

Отжиг стали используется в металлургии, машиностроении и других отраслях промышленности. Преимущества отжига заключаются в снижении твердости и повышении пластичности стали, что облегчает ее механическую обработку. Отжиг позволяет снять внутренние напряжения, возникшие при предыдущих технологических операциях, и улучшить однородность структуры металла. Области применения отжига весьма широки — от производства инструментов и деталей машин до изготовления конструкций, требующих повышенной прочности и надежности.

Дефекты и недостатки при отжиге и нормализации

При неправильном выполнении операций могут возникать различные дефекты, которые существенно снижают качество конечного изделия. Наиболее часто встречающиеся:

Окисление

Взаимодействие поверхности металла с кислородом при нагреве в окислительной среде. В результате — образование оксидной пленки, снижение коррозионной стойкости, ухудшение обрабатываемости.
Профилактика — применение защитных атмосфер (например, инертных газов), нанесение покрытий на поверхность заготовки перед нагревом.

Обезуглероживание

Углерод, содержащийся в поверхностных слоях стали, выгорает при нагреве в окислительной среде. Это вызывает снижение твердости и прочности, изменение свойств стали в поверхностном слое.
Профилактика — использование защитных газов, нанесение покрытий, контроль времени и температуры нагрева.

Перегрев

Нагрев стали выше оптимальной температуры вызывает рост зерна, снижение пластичности и ударной вязкости, образование крупнокристаллической структуры, что делает металл более хрупким.
Профилактика — точный контроль температуры, соблюдение режимов термической обработки.

Пережог

Существенное превышение температуры нагрева приводит к расплавлению зерен и образованию крупных пор. Вызывает необратимый дефект и брак изделия.
Профилактика — строгий контроль температурного режима, использование современных систем автоматического регулирования температуры.

Другие возможные дефекты — недостаточный нагрев, при котором сталь не прогревается должным образом, что мешает полной перекристаллизации и сохранению исходной структуры материала. Непостоянный нагрев может вызвать возникновение внутренних напряжений, что в свою очередь приведет к деформации изделия. Быстрое охлаждение может стать причиной появления трещин, образующихся из-за закалки.