Отжиг стали — это один из видов термической обработки металла, который применяется в качестве подготовительной или заключительной операции при закалке, сварке, обработке резанием или давлением. В основе технологического процесса лежит нагрев стали до очень высокой температуры. То есть, металл, нагревается до нужной температуры в зависимости от цели и метода, выдерживается в таком состоянии на какое-то время, а затем постепенно охлаждается. В промышленности и на производстве очень часто происходит отжиг металла стали марок: сталь 20, сталь 45, сталь 40Х, сталь 65Г. На этой стадии металл приобретает необходимые технические свойства для последующей обработки.

 

Отжиг стали и металла

 

Отжиг стали проводится с целью улучшения технологических качеств металла. Ключевым фактором становится температура отжига стали, которую необходимо выдерживать определенное время. При отжиге металла достигаются следующие цели:

• Снижение твердости стали. Качественные показатели после обработки позволяют существенно уменьшить трудовые затраты, сократить время операций, используя более широкий перечень режущих инструментов.
• Улучшение микроструктуры стали. Под действием высокой температуры в определенный временной промежуток происходят существенные изменения на молекулярном уровне. Полученная однородная структура стали после отжига оптимальна для последующих механических и физических операций.
• Снятие внутренних напряжений стали. В процессе первичной обработки на металлургических предприятиях в металле возникает дисбаланс кристаллической структуры. Правильно подобрав виды отжига стали, достигают необходимых характеристик металла для конкретного случая.

В зависимости от цели и предназначения отжиг стали может иметь следующие разновидности:

• отжиг первого вида
• отжиг второго вида
• полный отжиг стали
• неполный отжиг металла
• рекристаллизационный отжиг
• диффузионный отжиг (гомогенизация)
• изотермический отжиг
• сфероидизирующий отжиг
• нормализация

Отжиг первого вида. Фаза перекристаллизации отсутствует. Такой отжиг стали применяется для приведения металла в равновесное структурное состояние: снимается наклёп, понижается твердость. Возрастает пластичная и ударная вязкость, снимается внутреннее напряжение металла. Применяется после литья, горячей и холодной обработки давлением, а также различных видов обработок резанием.

Отжиг второго вида. Фаза перекристаллизации присутствует. Сталь нагревают до температуры выше критических точек. Затем идет выдержка и медленное охлаждение. Устранить дефекты внутренней структуры стали можно путем фазовых превращений ее составляющих, для чего металл сначала необходимо нагреть до температуры перехода в аустенит 727 ºC. На этом принципе основан ряд термических технологий, которые называют отжигами второго рода. 

Полный отжиг металла — сталь нагревают на 30 ºC — 50 °C выше верхней критической точки Ac3. При этом структура стали превращается в аустенит – структурную составляющую углеродистых и легированных сталей и чугунов, возникающую при термической обработке сплавов в соответствии с диаграммой состояния железо-углерод. Далее идет медленное охлаждение до 500 ºC — 600 °C, это необходимо для образования феррита и перлита. Углеродистые стали охлаждаются со скоростью 50 ºC/ч — 100 °С/ч. Цель полного отжига: получение мелкого зерна, однородной структуры, устранение внутреннего напряжения, снижение твердости и улучшение улучшения качества обработки с использованием режущего инструмента, а также для устранения внутренней напряженности.

 

диаграмма превращения в сталях при нагреве

 

 

Неполный отжиг металла — сталь нагревают до температур между верхней и нижней критической точками. Далее медленно охлаждают. Неполный метод отжига применяется для получения структуры зернистого перлита, снижают твердость и улучшают обрабатываемость резанием.

Рекристаллизационный отжиг стали. Полный рекристаллизационный отжиг металла, обычно называемый просто рекристаллизационным — одна из наиболее широко применяемых операций термообработки. Такой отжиг применяют после холодной прокатки стальных листов или после волочения, калибровки прутков стали, а также после холодной штамповки деталей из листовой стали с целью устранения наклепа, вызванного пластической деформацией. Рекристаллизационный отжиг осуществляется путем нагрева до температуры ниже Ас1, выдержки и последующего замедленного охлаждения.

Диффузионный отжиг. Диффузионным отжигом (гомогенизация) называют длительную выдержку сплавов при вы­соких температурах, в результате кото­рой уменьшается ликвационная неодно­родность твердого раствора. Гомогенизация — отжиг, направленный на уменьшение химической неоднородности (микроликвации) металлов, образующейся в результате рекристаллизации. При высо­кой температуре протекают диффу­зионные процессы, не успевшие завершиться при первичной кристаллиза­ции. Суть диффузионного отжига заключается в нагревании стали до температур, превосходящих критические точки. Затем следует продолжительная выдержка, необходимая для выравнивания неровностей структуры изделия. При гомогенизирующем отжиге сталь разогревают до температур, близких к плавлению до 1200 ºC, а затем медленно остужают в печи в течение десятков часов. В результате большой длительности процесса металл становится крупнозернистым. Это недостаток исправляют последующей термообработкой, отжигая деталь на мелкое зерно. 

Изотермический отжиг. Суть изотермического отжига заключается в нагреве материала выше верхней критической точки (Ас3 для доэвтектоидной и Ас1 — для заэвтектоидной сталей), последующей выдержке и охлаждении до температуры ниже нижней критической точки. Выдерживается материал до превращения аустенита в перлит — продукт эвтектоидного распада аустенита при медленном охлаждении железоуглеродистых сплавов. Данный метод применяется для легированных сталей с более стабильным A: высокоуглеродистая сталь wc> 0.6 %, легированная инструментальная сталь, высоколегированная сталь > 10 % легирующих элементов.

Все основные дефекты при отжиге стали связаны с нарушением температурных режимов и воздействием на металл активных газовых сред. При слишком высокой температуре нагрева сначала происходит чрезмерное укрупнение зерен, а при значениях, близких к температуре плавления, начинается проникновение кислорода внутрь металла и окисление границ его структурных элементов. Первый дефект, называемый перегревом, можно исправить повторной термообработкой, а второй называется пережогом приводит к необратимым изменениям. Самым активным газом, вызывающим изменение химического состава поверхности стали, является кислород.

 

Типовые режимы термической обработки стали (таблица)

 

Марка стали	Твёрдость HRC	Температ. закалки, ºС	Температ. отпуска, ºС		Температ. зак. ТВЧ, ºС	Температ. цемент., ºС	Температ. отжига, ºС	Закал. среда		Прим.
1	2	3	4		5	6	7	8		9
Сталь 20	57…63	790…820	160…200			920…950		Вода
Сталь 35	30…34	830…840	490…510					Вода
	33…35		450…500
	42…48		180…200		860…880
Сталь 45	20…25	820…840	550…600					Вода
	20…28		550…580
	24…28		500…550
	30…34		490…520
	42…51		180…220							Сеч. до 40 мм
	49…57		200…220		840…880
	<= 22						780…820			С печью
Сталь 65Г	28…33	790…810	550…580					Масло		Сеч. до 60 мм
	43…49		340…380							Сеч. до 10 мм (пружины)
	55…61		160…220							Сеч. до 30 мм
Сталь 20Х	57…63	800…820	160…200			900…950		Масло
	59…63		180…220		850…870	900…950		Водный раствор		0.2…0.7 % поли-акриланида
	«—						840…860
Сталь 40Х	24…28	840…860	500…550					Масло
	30…34		490…520
	47…51		180…200							Сеч. до 30 мм
	47…57				860…900			Водный раствор		0.2…0.7 % поли-акриланида
	48…54									Азотирование
	<= 22						840…860
Сталь 50Х	25…32	830…850	550…620					Масло		Сеч. до 100 мм
	49…55		180…200							Сеч. до 45 мм
	53…59		180…200		880…900			Водный раствор		0.2…0.7 % поли-акриланида
	< 20						860…880
Сталь 12ХН3А	57…63	780…800	180…200			900…920		Масло
	50…63		180…200		850…870			Водный раствор		0.2…0.7 % поли-акриланида
	<= 22						840…870			С печью до 550…650
Сталь 38Х2МЮА	23…29	930…950	650…670					Масло		Сеч. до 100 мм
	<= 22		650…670							Нормализация 930…970
	HV > 670									Азотирование
Сталь 7ХГ2ВМ	<= 25						770…790			С печью до 550
	28…30	860…875	560…580					Воздух		Сеч. до 200 мм
	58…61		210…230							Сеч. до 120 мм
Сталь 60С2А	<= 22						840…860			С печью
	44…51	850…870	420…480					Масло		Сеч. до 20 мм
Сталь 35ХГС	<= 22						880…900			С печью до 500…650
	50…53	870…890	180…200					Масло
Сталь 50ХФА	25…33	850…880	580…600					Масло
	51…56	850…870	180…200							Сеч. до 30 мм
	53…59		180…220		880…940			Водный раствор		0.2…0.7 % поли-акриланида
Сталь ШХ15	<= 18						790…810			С печью до 600
	59…63	840…850	160…180					Масло		Сеч. до 20 мм
	51…57		300…400
	42…51		400…500
Сталь У7, У7А	НВ <= 187						740…760		С печью до 600
	44…51	800…830		300…400				Вода  до 250, масло	Сеч. до 18 мм
	55…61			200…300
	61…64			160…200
	61…64			160…200				Масло	Сеч. до 5 мм
Сталь  У8, У8А	НВ <= 187						740…760		С печью до 600
	37…46	790…820		400…500				Вода      до 250, масло	Сеч. до 60 мм
	61…65			160…200
	61…65			160…200				Масло	Сеч. до 8 мм
	61…65			160…180	880…900			Водный раствор	0.2…0.7 % поли-акриланида
Сталь У10, У10А	НВ <= 197						750…770
	40…48	770…800		400…500				Вода  до 250, масло	Сеч. до 60 мм
	50…63			160…200
	61…65			160…200				Масло	Сеч. до 8 мм
	59…65			160…180	880…900			Водный раствор	0.2…0.7 % поли-акриланида
Сталь  9ХС	<= 24						790…810		С печью до 600
	45…55	860…880		450…500				Масло	Сеч. до 30 мм
	40…48			500…600
	59…63			180…240					Сеч. до 40 мм
Сталь  ХВГ	<= 25						780…800		С печью до 650
	59…63	820…850		180…220				Масло	Сеч. до 60 мм
	36…47			500…600
	55…57			280…340					Сеч. до 70 мм
Сталь Х12М	61…63	1000…1030		190…210				Масло	Сеч. до 140 мм
	57…58			320…350
Сталь Р6М5	18…23						800…830		С печью до 600
	64…66	1210…1230		560…570 3-х кратн.				Масло, воздух	В масле до 300…450 град., воздух до 20
	26…29			780…800					Выдержка 2-3 часа, воздух
Сталь  Р18	18…26						860…880		С печью до 600
	62…65	1260…1280		560…570 3-х кратн.				Масло, воздух	В масле до 150…200 град., воздух до 20
Пружин. сталь  Кл. II				250…320					После холодной навивки пружин 30-ть минут
Сталь 5ХНМ, 5ХНВ	>= 57	840…860		460…520				Масло	Сеч. до 100 мм
	42…46								Сеч. 100..200 мм
	39…43								Сеч. 200..300 мм
	37…42								Сеч. 300..500 мм
	НV >= 450								Азотирование. Сеч. св. 70 мм
Сталь 30ХГСА	19…27	890…910		660…680				Масло
	27…34			580…600
	34…39			500…540
	«—						770…790		С печью до 650
Сталь 12Х18Н9Т	<= 18	1100…1150						Вода
Сталь 40ХН2МА, 40ХН2ВА	30…36	840…860		600…650				Масло
	34…39			550…600
Сталь ЭИ961Ш	27…33	1000…1010		660…690				Масло	13Х11Н2В2НФ
	34…39			560…590					При t>6 мм вода
Сталь 20Х13	27…35	1050		550…600				Воздух
	43.5…50.5			200
Сталь 40Х13	49.5…56	1000…1050		200…300				Масло