Отжиг стали: теория и процессы

Отжиг стали – это термическая обработка, при которой сталь нагревают:

  • выше верхней критической температуры Ас3 — полный отжиг;
  • между критическим температурами Ас1 и Ас3 – неполный отжиг;
  • ниже критических температур – низкий отжиг.

После нагрева следует медленное охлаждение, чаще всего с печью.

Нагрев выше температуры Ас3 обеспечивает полную перекристаллизацию стали, а медленное охлаждение обеспечивает распад аустенита на полностью феррито-перлитную структуру (рисунок 1).

struktura-otzhigaРисунок 1 — Среднеуглеродистая сталь 40 после полного отжига.
Феррито-перлитная структура.

Цели отжига стали

Основными целями отжига стали являются перекристаллизация стали и устранение внутренних напряжений. Отжиг, как и нормализация, является первоначальной операцией термической обработки. Цель отжига – устранить дефекты предыдущих металлургических операций (литья, прокатки, ковки) или подготовить сталь к последующим технологическим операциям, например, обработке резанием или закалке. Часто отжиг является заключительной термической операцией, когда свойства стали после отжига удовлетворяют требованиям к детали или изделию.

Полный отжиг стали

Полный отжиг – нагрев выше верхней критической температуры с последующим медленным охлаждением – решает обе эти задачи. При нагреве феррито-перлитная структура стали переходит в аустенитную, а затем при охлаждении аустенит превращается обратно в феррит и перлит – происходит полная перекристаллизация. Крупнозернистая феррито-перлитная структура, характерная для стали после литья или ковки, после полного отжига превращается в структуру из мелких зерен феррита и перлита.  Интервалы температуры полного отжига показаны на рисунке 2 для стали с различным содержанием углерода.

temperatura-otzhiga-stali
Область температуры для полного отжига стали.

Неполный отжиг стали

Неполный отжиг стали – нагрев между выше температуры Ас1, но ниже температуры Ас3 – проводят, когда структура стали не слишком крупнозернистая и нет видманштеттова структура феррита. Этот отжиг иногда называют межкритическим. В этом случае происходит только перекристаллизация только перлитной структуры, а феррит остается без изменений. Понятно, что неполный отжиг является более экономичным, чем полный.

Низкий отжиг стали

Низкий отжиг проводят ниже обеих критических точек. Поэтому этот отжиг еще называют подкритическим. При этом отжиге не образуется аустенита. Низкий отжиг стали проводят в тех случаях, когда исходная структура не требует исправления и нет необходимости в ее перекристалиизации. Цель низкого отжига – только снизить внутренние напряжения в детали за счет механизмов возврата, рекристаллизации, роста зерна и аггломерации карбидов. Если исходная структура стали бейнитная или мартенситная, то такую операцию называют не отжигом, а отпуском.

Низкий отпуск является одним из способов сфероидизации стали.

Диффузионный отжиг

Диффузионный отжиг является вариантом полного отжига. Его проводят для стальных слитков. Для литой стали характерны неоднородность химического состава, а также дендритная ликвация. Операцию диффузионнго отжига, которую называют также гомогенизацией, проводят при высокой температуре, обычно до 1000-1100 °С. Такой нагрев с выдержкой приводит к устранению или смягчению дендритной неоднородности. Однако в результате такого высокого нагрева возникает  крупнозернистая структура, которая требует дополнительной термической обработки, обычно – отжига. Если диффузионный отжиг применялся к слиткам, которые предназначены для обработки металлов давлением (прокатке, ковке), то в отжиге нет необходимости – зерно измельчится последующей пластической деформацией.

Охлаждение стали при ее отжиге

Скорость охлаждения при отжиге стали не должна быть более 50-100 °С в час, что может достигаться только при охлаждении с печью. Это обеспечивает превращение аустенита с минимальной степенью переохлаждения и гарантирует образование равновесной феррито-перлитной структуры.

Изотермический отжиг

Чтобы избежать трудностей контроля скорости охлаждения стали при отжиге, а также сократить длительность отжига, вместо классического отжига с медленным охлаждением на практике часто применяют так называемый изотермический отжиг. Он отличается от обычного полного отжига тем, что сталь от температуры отжига охлаждают быстро до температуры на 50-100 °С ниже критической точки Ас1 и выдерживают при ней столько, сколько требуется для полного превращения аустенита.

Источники:
1. Гуляев А. П. Металловедение, 1986.
2. The Heater’s Guide: Practices and Procedures for Irons and Steels, AMS International, 1995.