Скидка на подшипники из наличия!
Уже доступен
Отжиг стали — процесс термической обработки, включающий нагрев до определённой температуры, выдержку и последующее медленное охлаждение (как правило, вместе с печью). Целями отжига являются: снижение твёрдости и повышение пластичности для улучшения обрабатываемости резанием, получение равновесной или близкой к ней структуры, устранение химической и структурной неоднородности, снятие внутренних напряжений после литья, ковки, сварки или холодной деформации.
По классификации, принятой в металловедении, различают отжиг I рода (без фазовой перекристаллизации) и отжиг II рода (с полной или частичной фазовой перекристаллизацией). К отжигу I рода относят: рекристаллизационный отжиг, отжиг для снятия напряжений (низкий отжиг) и диффузионный (гомогенизирующий) отжиг. К отжигу II рода — полный отжиг, неполный отжиг, изотермический отжиг и нормализацию.
Температуры отжига определяются положением критических точек конкретной марки стали — температур фазовых превращений в системе Fe-C. Основные критические точки:
A1 (линия PSK на диаграмме Fe-C) — температура эвтектоидного превращения. Для углеродистых сталей составляет 727 °C. Легирующие элементы смещают A1: хром, вольфрам, молибден, кремний повышают её, а марганец и никель понижают.
A3 (линия GS) — температура завершения превращения феррита в аустенит при нагреве доэвтектоидных сталей. Зависит от содержания углерода: от 911 °C (чистое железо) до 727 °C (0,77 % C).
Acm (линия SE) — температура полного растворения вторичного цементита в аустените для заэвтектоидных сталей. Повышается с ростом содержания углерода.
Полный отжиг применяется к доэвтектоидным сталям и предусматривает нагрев на 30-50 °C выше точки Ac3, выдержку для полной аустенитизации и последующее медленное охлаждение в печи. Результат — равновесная ферритно-перлитная структура с минимальной твёрдостью и максимальной пластичностью.
Неполный отжиг предусматривает нагрев до температуры между Ac1 и Ac3 (для доэвтектоидных сталей) или на 30-50 °C выше Ac1, но ниже Accm (для заэвтектоидных). При неполном отжиге происходит перекристаллизация только перлитной составляющей, а ферритная (в доэвтектоидных) или цементитная (в заэвтектоидных) — сохраняется без изменений.
Сфероидизирующий отжиг — разновидность неполного отжига, при которой пластинчатый перлит (и/или цементитная сетка) превращается в зернистый (сфероидизированный) перлит. Применяется для заэвтектоидных и инструментальных сталей с целью снижения твёрдости и улучшения обрабатываемости резанием, а также для подготовки к закалке (мелкие сфероидальные карбиды обеспечивают более равномерное растворение при нагреве под закалку).
Изотермический отжиг — разновидность отжига, при которой после нагрева выше Ac3 (или Ac1) и выдержки заготовку ускоренно охлаждают до температуры изотермической выдержки (ниже Ar1, как правило, 640-700 °C для конструкционных и 700-750 °C для инструментальных сталей), выдерживают до полного распада аустенита, а затем охлаждают на воздухе.
Преимущества: существенное сокращение длительности процесса (в 2-4 раза), более однородная структура, особенно для легированных сталей с высокой устойчивостью переохлаждённого аустенита.
Рекристаллизационный отжиг (отжиг I рода) применяется для снятия наклёпа (упрочнения) после холодной пластической деформации — прокатки, штамповки, волочения. Температура нагрева составляет 100-200 °C выше температуры начала рекристаллизации, которая для углеродистых сталей ориентировочно определяется как Tрекр ≈ 0,4 × Tпл (в градусах Кельвина).
Для аустенитных нержавеющих сталей (типа 12Х18Н10Т, AISI 304/316) рекристаллизационный отжиг выполняется при 1000-1100 °C с охлаждением в воде для предотвращения выпадения карбидов хрома по границам зёрен и связанной с этим межкристаллитной коррозии.
Низкий отжиг (отжиг I рода) выполняется при температурах ниже Ac1 (обычно 550-680 °C) и предназначен для снятия остаточных напряжений после литья, сварки, механической обработки. Фазовых превращений при этом не происходит.
При температуре 600 °C за 2-3 часа выдержки достигается снижение остаточных напряжений на 70-75 %. Увеличение выдержки до 4-5 часов позволяет снять до 80-85 % напряжений.
Диффузионный отжиг предназначен для устранения дендритной (внутрикристаллитной) ликвации в литых заготовках и слитках. Проводится при температурах 1050-1250 °C с длительной выдержкой (8-20 часов и более), после чего следует медленное охлаждение.
Ниже приведена сводная таблица рекомендуемых режимов отжига для наиболее распространённых марок конструкционных, инструментальных и специальных сталей.
Время выдержки при температуре отжига складывается из времени прогрева сечения заготовки и времени, необходимого для завершения структурных превращений (диффузионных процессов).
Загрузка печи. Детали укладываются в печь с зазорами для обеспечения равномерного нагрева. Плотная загрузка увеличивает время прогрева и может привести к неоднородности структуры.
Скорость нагрева. Для углеродистых сталей ограничений по скорости нагрева, как правило, нет. Для легированных инструментальных и быстрорежущих рекомендуется ступенчатый нагрев: подогрев при 400-500 °C, затем нагрев до температуры отжига. Это предотвращает термические напряжения в крупных заготовках.
Защита от обезуглероживания и окисления. При отжиге в обычных камерных печах поверхность стали окисляется и обезуглероживается. Для ответственных деталей применяют защитные (эндотермические, экзотермические) или инертные (аргон, азот) атмосферы, вакуумный отжиг или засыпку деталей чугунной стружкой.
Полный отжиг предусматривает нагрев на 30-50 °C выше верхней критической точки Ac3, обеспечивая полную аустенитизацию. Применяется для доэвтектоидных сталей. Неполный отжиг ведётся при температурах между Ac1 и Ac3 (или чуть выше Ac1 для заэвтектоидных). При неполном отжиге перекристаллизуется только перлит, а избыточная фаза (феррит или цементит) сохраняется. Неполный отжиг чаще применяется к заэвтектоидным и инструментальным сталям для получения структуры зернистого перлита.
Полный отжиг заэвтектоидных сталей (нагрев выше Accm) приводит к полному растворению карбидов в аустените. При последующем медленном охлаждении цементит выделяется в виде сплошной сетки по границам зёрен аустенита, что резко снижает ударную вязкость и делает сталь хрупкой. Поэтому для заэвтектоидных сталей применяют неполный отжиг с нагревом ниже Accm, при котором часть карбидов остаётся нерастворённой и препятствует образованию сетки.
Скорость охлаждения зависит от типа стали: для углеродистых конструкционных — 100-150 °C/ч, для легированных конструкционных — 40-60 °C/ч, для углеродистых инструментальных — 30-50 °C/ч, для легированных инструментальных и быстрорежущих — 20-40 °C/ч. Легированные стали требуют более медленного охлаждения из-за повышенной устойчивости переохлаждённого аустенита: при ускоренном охлаждении возможно образование бейнитных или мартенситных структур вместо перлитных.
Изотермический отжиг — процесс, при котором после нагрева до температуры аустенитизации заготовку относительно быстро охлаждают до температуры изотермической выдержки (обычно 640-750 °C) и выдерживают до полного распада аустенита в перлит. Затем охлаждение ведётся на воздухе. Преимущества: сокращение длительности в 2-4 раза, более однородная структура. Особенно эффективен для легированных сталей (40Х, 30ХГСА, 12Х2Н4А) и быстрорежущих (Р6М5, Р18), где обычное медленное охлаждение в печи занимает очень много времени.
Время выдержки рассчитывается по формуле t = K × D, где K — коэффициент (1,0-1,5 мин/мм для углеродистых, 1,5-2,0 для легированных, 2,0-2,5 для инструментальных сталей), D — максимальное сечение заготовки в мм. Минимальное время выдержки — 30 минут. Для крупных садок (партий) время увеличивается дополнительно на 25-30 % для обеспечения полного прогрева всей загрузки.
Основное различие — в условиях охлаждения. При отжиге охлаждение медленное, вместе с печью (100-150 °C/ч для углеродистых, 40-60 °C/ч для легированных). При нормализации охлаждение ведётся на спокойном воздухе, что обеспечивает более высокую скорость охлаждения и формирование более дисперсной (мелкозернистой) структуры. Нормализация даёт более высокую прочность и твёрдость, чем отжиг, при несколько меньшей пластичности. Для низко- и среднеуглеродистых сталей нормализация часто заменяет отжиг как более производительный процесс.
Для подшипниковой стали ШХ15 применяют неполный (сфероидизирующий) отжиг при температуре 780-800 °C с медленным охлаждением (20-40 °C/ч) до 500-600 °C. Цель — получение структуры мелкозернистого (сфероидизированного) перлита с равномерно распределёнными мелкими карбидами. Твёрдость после отжига — 179-207 HB. Эта структура обеспечивает наилучшую обрабатываемость резанием и оптимальные условия для последующей закалки.
Охлаждение на воздухе — это нормализация, а не отжиг. Собственно нагрев при отжиге может выполняться в обычной камерной печи на воздухе, но это приводит к окислению и обезуглероживанию поверхности. Для ответственных деталей (инструмент, подшипники, пружины) рекомендуется отжиг в защитной атмосфере (эндогаз, азот, аргон) или в вакууме. Для менее ответственных деталей допускается отжиг в обычных печах с последующим снятием окалины и обезуглероженного слоя механической обработкой.
1. ГОСТ 1050-2013. Металлопродукция из нелегированных конструкционных качественных и специальных сталей. Общие технические условия.
2. ГОСТ 4543-2016. Металлопродукция из конструкционной легированной стали. Технические условия.
3. ГОСТ 1435-99. Прутки, полосы и мотки из инструментальной нелегированной стали. Общие технические условия.
4. ГОСТ 5950-2000. Прутки, полосы и мотки из инструментальной легированной стали. Общие технические условия.
5. ГОСТ 19265-73. Прутки и полосы из быстрорежущей стали. Технические условия.
6. ГОСТ 9.304-87. Покрытия газотермические. Общие требования и методы контроля.
7. EN ISO 4885:2018. Ferrous materials. Heat treatments. Vocabulary.
8. Гуляев А.П. Металловедение. Учебник для вузов. М.: Металлургия.
9. Новиков И.И. Теория термической обработки металлов. М.: Металлургия.
10. Башнин Ю.А., Ушаков Б.К., Секей А.Г. Технология термической обработки стали. М.: Металлургия.
11. Попова Л.Е., Попов А.А. Диаграммы превращения аустенита в сталях и бета-растворе в сплавах титана. М.: Металлургия.
12. Геллер Ю.А. Инструментальные стали. 5-е изд. М.: Металлургия.
13. Krauss G. Steels: Processing, Structure, and Performance. 2nd ed. ASM International.
14. Totten G.E. (ed.) Steel Heat Treatment Handbook. 2nd ed. CRC Press.
15. ASM Handbook, Vol. 4A. Steel Heat Treating Fundamentals and Processes. ASM International.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.