6.2. Отжиг стали

Отжиг – нагрев стали выше температуры фазового превращения с последующим медленным охлаждением (вместе с печью).

Отжиг используется для снижения прочности и исправления структуры стали. Режим термической обработки назначают в соответствии с диаграммами состояния и изотермического распада аустенита. Скорость нагрева тем выше, чем меньше степень легированности стали, однороднее структура, проще конфигурация детали. Оптимальная скорость нагрева – 1 мин на 1 мм сечения детали, время выдержки – 20 % от времени нагрева. Среда нагрева в печи оказывает на сталь различное действие: окисляющее (О₂, СО₂, Н₂О); восстанавливающее (СО, СН₄); обезуглероживающее (О₂, Н₂); науглероживающее (СО, СН₄); нейтральное (азот, инертные газы).

Наиболее распространен обыкновенный (полный и неполный) отжиг. Сталь нагревается до температуры на 30–50 °С выше линии GSK на рис. 6.1, выдерживается до полного завершения структурно-фазовых превращений и очень медленно (20–100 °С/ч) охлаждается в печи.

Полный отжиг для доэвтектоидных сталей (температуры нагрева на 30–50 °С выше линии GS) проводится с целью исправления их структуры. При нагреве до однофазного аустенитного состояния образуется мелкозернистый аустенит, после охлаждения сталь сохраняет мелкозернистую структуру.

Неполный отжиг проводится для заэвтектоидных сталей (температуры на 30–50 °С выше линии SK). При нагреве до двухфазного состояния в структуре сохраняются отдельные пластинки цементита вторичного, которые при отжиге приобретают сферическую форму (сфероидизация цементита). При последующем медленном охлаждении они не образуют сплошной цементитной сетки вокруг зерен перлита, полученная структура называется зернистым перлитом.

Диффузионный отжиг (гомогенизация) применяется для устранения внутрикристаллической ликвации и выравнивания химического состава сплава. При нагреве растворяются избыточные карбиды. В основе всех процессов лежит диффузия. Температура нагрева зависит от температуры плавления: Т_н = 0,8·Т_пл (1000–1100 °С). Длительность от 8 до 20 часов. Для устранения крупного зерна после гомогенизации производится обыкновенный отжиг, или нормализация. Отжигу подвергают отливки, поковки, прокат из средне- и высокоуглеродистых легированных сталей с целью улучшения обрабатываемости резанием.

Циклический (маятниковый) отжиг применяют, если после неполного отжига цементит остается пластинчатым, а также остается сплошная сетка цементита вторичного. После нагрева на 30–50 °С выше линии SK следует охлаждение до 680 °С, затем снова нагрев до 750–760 °С и снова медленное охлаждение. В результате отжига сплошная сетка цементита разрушается, цементит приобретает сферическую форму.

Рекристаллизационный отжиг применяется для снятия наклепа после холодной пластической деформации. Температура нагрева выбирается на 150–250 °С выше температуры рекристаллизации. Продолжительность зависит от габаритов изделия. Рекристаллизационный отжиг углеродистой стали проводят при температурах 600–700 °С.

Отжиг для снятия напряжений, возникающих в неравномерно охлаждающихся отливках и поковках, в сварных соединениях, в деталях после обработки резанием. Температура нагрева (160–700 °С) выбирается в зависимости от вида предыдущей обработки и находится в широком диапазоне. Продолжительность зависит от габаритов изделия.

Нормализация – разновидность отжига, при котором сталь нагревают до аустенитного состояния, на 30–50 °С выше линии GSE с последующим охлаждением на воздухе. Твердость и прочность после нормализации несколько выше, чем после отжига. Для низкоуглеродистых сталей нормализацию применяют вместо отжига. Для среднеуглеродистых сталей нормализацию или нормализацию с высоким отпуском применяют вместо закалки с высоким отпуском (улучшения). При такой термообработке изделие меньше подвергается короблению, исключаются закалочные трещины.