Отжиг стали это

Что такое отжиг стали

Отжиг стали — это технологическая операция термообработки, включающая нагрев металла до температур, превышающих критические точки фазовых превращений, выдержку при заданной температуре и последующее медленное охлаждение. В процессе отжига происходят важные структурные изменения, которые влияют на механические и технологические свойства материала.

Основное назначение этого процесса заключается в достижении равновесного состояния металлической структуры. При отжиге осуществляются процессы возврата, рекристаллизации и гомогенизации, которые приводят к улучшению внутреннего строения стали. Это делает материал более податливым для последующей механической обработки и повышает его эксплуатационные характеристики.

Принцип работы и изменение структуры

Как происходит процесс

Технология отжига основывается на фазовых превращениях, происходящих в стали при нагреве и охлаждении. При достижении критических температур кристаллическая решетка металла перестраивается, что приводит к образованию новых структурных составляющих с другими свойствами.

При нагреве выше критической точки структура стали трансформируется в аустенит. Это высокотемпературная фаза с гранецентрированной кубической решеткой, обладающая высокой пластичностью. Последующее медленное охлаждение обеспечивает распад аустенита при небольшой степени переохлаждения, что приводит к образованию равновесной структуры из феррита и перлита.

Структурные преобразования

В процессе отжига происходит измельчение и выравнивание зерна, устранение внутрикристаллической неоднородности, снижение количества дислокаций в кристаллической структуре. Эти изменения обеспечивают улучшение механических свойств материала, включая повышение пластичности и вязкости при одновременном снижении твердости.

Виды отжига стали

Существует две основные категории отжига — первого и второго рода. Они различаются характером структурных изменений и температурными режимами проведения процесса.

Отжиг первого рода

При отжиге первого рода фазовая перекристаллизация не происходит. Нагрев осуществляется ниже критических температур фазовых превращений. К этой категории относятся следующие виды:

• Диффузионный отжиг (гомогенизация) проводится при температурах на 100-200 градусов выше критических точек с длительной выдержкой от 10 до 20 часов. Применяется для литых заготовок с целью выравнивания химической неоднородности и растворения избыточных фаз.
• Рекристаллизационный отжиг выполняется при температуре на 100-200 градусов выше температуры рекристаллизации. Используется для снятия наклепа после холодной деформации, восстановления пластичности и получения мелкозернистой структуры.
• Отжиг для снятия внутренних напряжений проводится при температурах 550-680 градусов. Применяется для сварных конструкций, отливок и деталей после механической обработки для устранения остаточных напряжений.

Отжиг второго рода

Отжиг второго рода характеризуется фазовой перекристаллизацией с нагревом выше критических точек. Основные разновидности включают:

• Полный отжиг предусматривает нагрев на 30-50 градусов выше верхней критической точки с последующим медленным охлаждением до 500-600 градусов. Обеспечивает получение однородной мелкозернистой структуры, снижение твердости и повышение пластичности.
• Изотермический отжиг отличается ускоренным охлаждением до температуры ниже нижней критической точки с последующей изотермической выдержкой до полного распада аустенита. Значительно сокращает общую продолжительность процесса по сравнению с полным отжигом.
• Неполный отжиг включает нагрев до температур между нижней и верхней критическими точками. Применяется для заэвтектоидных сталей для улучшения обрабатываемости резанием.

Температурные режимы и скорость охлаждения

Температура нагрева

Температурный режим отжига определяется химическим составом стали, типом процесса и требуемыми конечными свойствами. Для углеродистых сталей температура полного отжига назначается на 30-50 градусов выше верхней критической точки. С увеличением содержания углерода критическая температура снижается, поэтому высокоуглеродистые стали отжигают при более низких температурах, чем низкоуглеродистые. Типичный диапазон составляет 810-900 градусов в зависимости от марки стали.

Легированные стали имеют повышенную устойчивость аустенита, что требует более медленного охлаждения при отжиге. Температура полного отжига легированных сталей часто близка или даже ниже температур для углеродистых сталей аналогичного содержания углерода. Для диффузионного отжига литых заготовок из легированных сталей применяют значительно более высокие температуры — от 1050 до 1150 градусов с выдержкой от 10 до 20 часов. Время выдержки при температуре полного отжига рассчитывается исходя из толщины изделия и составляет обычно 1-2 часа на каждые 25 миллиметров толщины.

Скорость охлаждения

Скорость охлаждения является критическим параметром, определяющим конечную структуру и свойства стали. Чем медленнее происходит охлаждение, тем ближе структура к равновесному состоянию и ниже твердость материала.

Для углеродистых сталей скорость охлаждения при полном отжиге составляет 100-150 градусов в час. Легированные стали охлаждают значительно медленнее — со скоростью 40-60 градусов в час из-за большей устойчивости переохлажденного аустенита. После распада аустенита в области температур 500-600 градусов охлаждение может быть ускорено и проводиться на воздухе.

Назначение и области применения

Отжиг стали применяется на различных этапах производства металлических изделий для решения конкретных технологических задач. Основные цели процесса включают:

• Снижение твердости и улучшение обрабатываемости резанием перед механической обработкой
• Устранение внутренних напряжений в сварных конструкциях, отливках и деталях после пластической деформации
• Подготовка структуры стали к последующей закалке и получению оптимальных свойств после термообработки
• Исправление структурных дефектов, возникших при предыдущих технологических операциях
• Снятие наклепа после холодной деформации для восстановления пластичности металла

Практическое применение

В машиностроении отжиг широко используется для обработки заготовок шестерен, валов, корпусных деталей перед финишной механической обработкой. В металлургической промышленности процесс применяется для подготовки проката к холодной прокатке и волочению проволоки.

Строительная отрасль использует отжиг для снятия сварочных напряжений в металлоконструкциях, что повышает их надежность и долговечность. Инструментальное производство применяет отжиг для подготовки инструментальных сталей к обработке резанием и последующей закалке.

Оборудование для отжига стали

Типы печей

Для проведения отжига используются различные типы термического оборудования, выбор которого зависит от размеров обрабатываемых изделий, объемов производства и требований к качеству процесса.

Камерные печи представляют собой наиболее распространенный тип оборудования. Они имеют муфельную конструкцию с рабочей температурой до 1200-1300 градусов. Камера выполняется из жаропрочной керамики с эффективной теплоизоляцией из волокнистых материалов. Современные модели оснащаются цифровыми контроллерами для программирования многоступенчатых профилей нагрева и охлаждения.

Колпаковые печи используются для отжига крупногабаритных изделий и обработки больших партий материала. Подвижный колпак позволяет быстро загружать и выгружать продукцию, обеспечивая высокую производительность процесса.

Шахтные печи применяются на крупных металлургических предприятиях для отжига проволоки, прутков и других длинномерных изделий. Цилиндрический корпус печи обеспечивает равномерный нагрев по всей высоте загрузки.

Специализированное оборудование

Для высококачественной обработки применяются вакуумные печи, обеспечивающие защиту поверхности металла от окисления и обезуглероживания. Такое оборудование особенно важно при отжиге ответственных деталей из легированных сталей.

Проходные туннельные печи используются для непрерывного отжига проката в условиях массового производства. Изделия перемещаются через печь на тележках или конвейерной системе, проходя через зоны нагрева, выдержки и охлаждения.

Преимущества и особенности процесса

Правильно проведенный отжиг обеспечивает комплекс преимуществ для последующей обработки и эксплуатации изделий. Процесс позволяет получить оптимальное сочетание механических свойств материала, необходимых для конкретного применения.

Для предотвращения окисления и обезуглероживания поверхности стали отжиг проводят в защитных атмосферах. Используются контролируемые среды на основе азота, водорода, эндотермического газа или в вакууме. Это особенно важно для деталей, требующих последующей закалки и сохранения поверхностного слоя с заданным составом.