Полный и неполный отжиг стали: режимы и структура

Отжиг стали - это вид термической обработки, при котором деталь нагревают, выдерживают при заданной температуре и медленно охлаждают, как правило, вместе с печью. Главная цель: привести структуру в равновесное или близкое к равновесному состояние, снять внутренние напряжения, устранить дефекты, появившиеся после литья, ковки или сварки, и подготовить деталь к последующей обработке. Ключевое различие между полным и неполным отжигом - в зоне диаграммы «железо-углерод», куда попадает сталь при нагреве. Калькулятор ниже сразу показывает, как выглядит режим конкретной стали на диаграмме Fe-C и сколько времени займёт охлаждение.

Место на диаграмме железо-углерод

Понять разницу между видами отжига проще всего через диаграмму «железо-углерод», которую строят для сплавов с содержанием углерода от 0 до 6,67 %. В ней есть несколько критических линий:

• $Ac_1 = 727\,{°C}$ - нижняя критическая линия (эвтектоидное превращение): ниже неё сталь состоит из феррита и цементита, выше начинается образование аустенита.
• $Ac_3$ - верхняя критическая линия для доэвтектоидных сталей (углерода меньше 0,8 %): выше неё сталь полностью аустенитная. Рассчитывается по формуле $Ac_3 = 910 - 203\sqrt{C}$, где $C$ - содержание углерода в процентах.
• $Ac_m$ - линия для заэвтектоидных сталей (углерода больше 0,8 %): выше неё цементит полностью растворён в аустените.

Рассчитать для своей задачи

Именно эти линии делят режимы отжига. При полном отжиге деталь нагревают выше $Ac_3$ - вся структура превращается в однородный аустенит. При неполном - только до уровня между $Ac_1$ и $Ac_3$, где феррит и аустенит сосуществуют.

Полный отжиг: нагрев выше Ac3

Полный отжиг применяют к доэвтектоидным сталям. Температуру нагрева назначают выше критической точки $Ac_3$ на 30-50 °C:

$T_{\text{полн}} = Ac_3 + \Delta T, \qquad \Delta T = 30\text{...}50\ {°C}.$

Запас $\Delta T$ обязателен: он гарантирует полный перевод феррита в аустенит даже в центре сечения, с учётом реального прогрева и неоднородности состава. Перегрев сверх 50 °C нежелателен - он растит зерно аустенита, и после охлаждения структура становится крупнозернистой и хрупкой.

После выдержки при температуре нагрева деталь охлаждают в печи со скоростью около 30 °C/ч. Медленное охлаждение позволяет аустениту распасться в равновесный крупнопластинчатый перлит при температуре, близкой к $Ac_1$. Структура, которую получают: смесь феррита и перлита (у доэвтектоидных), причём перлит пластинчатый и относительно крупный - это и есть признак полного отжига.

Рассчитать для своей задачи

Твёрдость после полного отжига минимальная для данной стали. Именно поэтому полный отжиг применяют перед механической обработкой, когда важно максимально снизить сопротивление резанию, а также для устранения видманштеттовой структуры - игольчатого феррита, возникшего после ковки или литья при ненадлежащем охлаждении.

Неполный отжиг: нагрев между Ac1 и Ac3

При неполном отжиге деталь нагревают в двухфазную область - выше $Ac_1$, но ниже $Ac_3$:

$T_{\text{непол}} = Ac_1 + \Delta T_1, \qquad \Delta T_1 = 20\text{...}40\ {°C}.$

При такой температуре часть феррита сохраняется, а перлит превращается в аустенит. При последующем медленном охлаждении аустенит вновь распадается, но за счёт умеренного перегрева и нескольких циклов образуется сфероидизированный (зернистый) перлит вместо пластинчатого.

Неполный отжиг применяют прежде всего для двух задач:

1. Сфероидизирующий отжиг инструментальных и заэвтектоидных сталей. Зернистый перлит мягче пластинчатого при той же твёрдости и значительно лучше обрабатывается резанием. Кроме того, деталь из стали с зернистым цементитом лучше воспринимает последующую закалку - нет риска трещин по сетке цементита.
2. Смягчающий отжиг холодно-деформированных доэвтектоидных сталей. Когда прокат или штамп из среднеуглеродистой стали получил наклёп при холодной обработке давлением, неполный отжиг снимает его без лишних затрат энергии: деталь не нужно нагревать до полной аустенитизации.

Скорость охлаждения при неполном отжиге чуть выше, чем при полном, - порядка 50 °C/ч, - но всё равно с печью.

Время выдержки и охлаждения

Время выдержки при температуре нагрева рассчитывают из условия прогрева по всему сечению. Простое правило:

$\tau \approx 1{,}5 \cdot h,$

где $\tau$ - время в минутах, $h$ - максимальная толщина или диаметр детали в миллиметрах. Для вала диаметром 40 мм это 60 минут. Нижний порог - 15-20 минут независимо от толщины (для выравнивания состава аустенита).

Продолжительность охлаждения до температуры 550 °C, ниже которой интенсивность превращений падает и деталь можно ставить на воздух, определяется скоростью охлаждения:

$t_{\text{охл}} = \frac{T_{\text{отжига}} - 550\ {°C}}{v_{\text{охл}}},$

где $v_{\text{охл}}$ - 30 °C/ч для полного отжига и 50 °C/ч для неполного. При полном отжиге стали с температурой нагрева 800 °C суммарное время охлаждения составит около 8 часов - это важно учитывать при планировании производственного цикла.

Сравнение полного и неполного отжига

Полный отжиг даёт более мягкую и однородную структуру, но требует более длительного охлаждения. Неполный экономичнее по нагреву и особенно подходит для заэвтектоидных сталей, у которых нагрев выше $Ac_m$ был бы избыточным. Выбор между ними определяется маркой стали, исходной структурой и целью обработки.

Частые ошибки

• Нагрев до постоянной температуры без учёта углерода. Критическая точка $Ac_3$ зависит от состава: для стали 20 она около 845 °C, для стали 45 - около 775 °C. Одна температура для всех марок недопустима.
• Охлаждение на воздухе вместо печи. Воздух даёт скорость охлаждения в 5-10 раз выше, чем печь - вместо равновесного перлита образуется сорбит или троостит с повышенной твёрдостью. Это нормализация, а не отжиг.
• Применение полного отжига к заэвтектоидным сталям. Нагрев выше $Ac_m$ растворяет цементит, который при медленном охлаждении снова выделяется хрупкой сеткой по границам зёрен. Для заэвтектоидных правильный выбор - неполный (сфероидизирующий) отжиг.
• Недостаточное время выдержки. Если деталь не прогрелась по всему сечению, центральные слои не успеют аустенитизироваться и после охлаждения останутся неоднородными.
• Путаница с нормализацией. Нормализация - охлаждение на воздухе; отжиг - в печи. Нормализованная сталь имеет более мелкий и твёрдый перлит, чем отожжённая. Подробнее о нормализации.

FAQ

Чем полный отжиг стали отличается от неполного? Главное отличие - в температуре нагрева. При полном нагрев выше $Ac_3$ переводит всю сталь в аустенитную область; структура полностью перекристаллизуется и после охлаждения получается равновесный пластинчатый перлит. При неполном нагрев лишь до уровня $Ac_1$...$Ac_3$ - феррит сохраняется, а перлит превращается в аустенит, который при охлаждении даёт зернистый цементит.

Какую структуру получают после неполного отжига заэвтектоидной стали? Зернистый (глобулярный) перлит - цементит в виде шариков внутри ферритной матрицы. Это самая мягкая структура для заэвтектоидных сталей, хорошо поддающаяся механической обработке и обеспечивающая равномерную закалку без риска образования трещин по цементитной сетке.

Почему охлаждение при отжиге обязательно с печью? Медленное охлаждение (~30-50 °C/ч) позволяет аустениту распадаться при температуре, близкой к равновесной. Чем выше температура распада, тем крупнее и мягче получается перлит и тем ниже твёрдость. При быстром охлаждении аустенит распадается ниже, перлит получается мелким (сорбит), твёрдость растёт - это уже нормализация.

Коротко

Полный отжиг стали - нагрев в однофазную аустенитную область ($Ac_3 + 30$...50 °C), выдержка и медленное охлаждение с печью (~30 °C/ч); применяют к доэвтектоидным сталям для получения крупного пластинчатого перлита с минимальной твёрдостью. Неполный отжиг - нагрев в двухфазную область ($Ac_1 + 20$...40 °C) с охлаждением ~50 °C/ч; цель - сфероидизация цементита в инструментальных и заэвтектоидных сталях или снятие наклёпа без полной перекристаллизации. Выбор между ними определяется маркой стали и задачей термической обработки.