Отжиг стали: повышение пластичности, вязкости и технологичности

При холодной деформации структура стали сильно искажается из-за роста дилокационной плотности, что повышает прочность и твердость, но снижает пластичность (рабочая закачка). Для продолжения деформации без риска разрыва и восстановления свойств необходим отжиг.

Металлургические основы отжига

Процесс проходит три стадии:

1. Восстановление: переупорядочивание дилокаций в более энерговыгодные конфигурации без изменения формы/ориентации зерен. Значительно снижаются остаточные напряжения, прочность и пластичность почти не меняются. Применяется для снятия напряжений (профилактика коррозионного растрескивания).
2. Рекристаллизация: зарождение и рост новых дефектосвободных зерен на матрице закаченного металла. Сила — остаточная запасенная энергия. Механические свойства возвращаются к исходным (до закачки). На диаграмме закалки-витков — резкий скачок свойств в узком температурном интервале.
3. Рост зерен: поглощение мелких зерен крупными. Нежелателен (худшает сочетание прочность/пластичность), возникает при перегреве или слишком долгом выдерживании.

Критические температуры и диаграмма Fe-C

Ключевые температуры (Ac₁, Ac₃, Acm при нагреве; Ar₃, Ar₁, Arcm при охлаждении) определяют границы аустенитного превращения. При бесконечно медленных скоростях сходятся к равновесным Ae₁, Ae₃, Aecm на диаграмме Fe-C. Легирующие элементы сдвигают их: Cr поднимает Ae₁, Mn — понижает. Приближенные формулы для гипоэвтектoidных сталей: Ac₁ (°C) = 723 – 20,7%Mn – 16,9%Ni + 29,1%Si – 16,9%Cr (±11,5 °C) Ac₃ (°C) = 910 – 203%C – 15,2%Ni + 44,7%Si + 104%V + 31,5%Mo (±16,7 °C)

Типы отжига по температурным циклам

• Подкритический (ниже Ac₁): без образования аустенита. Эффективен для закаченных/холоднодеформированных сталей. Скорость размягчения растет при приближении к Ac₁. Скорость охлаждения не влияет на структуру.
• Межкритический (Ac₁ – Ac₃/Acm): частичная аустенитизация. Гомогенность аустенита зависит от времени/температуры. Охлаждение чуть ниже Ac₁ дает крупнозернистую перлит/сфероидит (макс. мягкость), но требует длительного выдерживания. Изотермическое превращение эффективнее непрерывного. Применяется для получения дуальных/триплефзовых структур (мартенсит в ферритной матрице).
• Полный (надкритический, выше Ac₃ для гипо-, выше Ac₁ для гиперэвтектoidных): полная аустенитизация. Обычно 50 °C выше критической. Длительное выдерживание гиперэвтектoidных сталей дает «мертво-мягкое» состояние за счет агломерации карбидов.

Специализированные виды отжига

Сфероидизация

Цель — глобулярные карбиды в ферритной матрице для улучшения холодной штамповки и резания (высокоуглеродистые/инструментальные стали). Методы: длительное выдерживание чуть ниже Ae₁, циклическое нагревание/охлаждение через Ac₁/Ar₁, медленное охлаждение от температуры полного растворения карбидов. Скорость выше на закаченных структурах. Низкоуглеродистые стали сфероидизируют редко (становятся «липкими» при резании), обычно для сильной деформации (трубы). Твердость после сфероидизации 163–212 HB в зависимости от C и легирования.

Процессный (межоперационный) отжиг

Подкритический (обычно 10–20 °C ниже Ae₁) для восстановления пластичности между этапами холодной деформации (проволока, штамповка, выдавливание). Охлаждение — в воздухе. Применяется для мягкой проволоки, предотвращения трещин на срезах, обеспечения физических свойств.

Отжиг для резания

Оптимальные структуры (таблица):

• C 0,06–0,2% — как после прокатки (экономичнее).
• C 0,2–0,3% — нормализованные (до 75 мм) или как после прокатки.
• C 0,3–0,4% — отожженные, крупная перлит, минимум феррита.
• C 0,4–0,6% — крупноламеллярная перлит до крупного сфероидита.
• C 0,6–1,0% — 100% сфероидизированные карбиды (крупные до мелких).

Полусфероидизированные структуры (компромисс для разных операций) получаются при более низких температурах аустенитизации или высоких скоростях охлаждения. Среднеуглеродистые стали труднее сфероидизировать; часто оптимальна крупная перлит в феррите (циклический/ламеллярный отжиг: нагрев выше Ac₃, выдержка ниже Ar₁).

Практические правила и контроль

7 руководящих правил (австенитизация близко к Ac₁, превращение близко к Ar₁, быстрое нагревание/охлаждение, предварительное нагревание для сфероидизации, длительное выдерживание для инструментальных сталей). Критически важна равномерность температуры в партии (термопары на заготовках, а не в печи).