Отжиг и нормализация стали: виды, температуры, когда нужны

Что такое отжиг и нормализация стали

Отжиг — вид термической обработки металла, при котором изделие нагревают до определённой температуры, выдерживают и затем медленно охлаждают, чтобы получить более равновесную структуру. Так определяет процесс ГОСТ 33439-2015. Этот процесс снимает внутренние напряжения, снижает твёрдость, обеспечивает повышение пластичности и улучшение обрабатываемости резанием, а также готовит материал к последующей закалке. Отжиг является одной из самых распространённых операций термообработки металлических изделий в машиностроении и металлургическом производстве.

Нормализация по тому же стандарту — разновидность отжига: сталь нагревают выше верхней критической точки Ac3 (доэвтектоидную) или Acm (заэвтектоидную) и охлаждают на спокойном воздухе. Цель — получение мелкого зерна и равномерное распределение структурных составляющих металла. Охлаждение на воздухе происходит быстрее, чем в печи, поэтому после нормализации металл прочнее, чем после отжига.

ГОСТ 33439-2015 делит отжиг на два рода. Отжиг 1-го рода идёт без фазовых превращений: металл нагревают ниже критических точек или до высокой температуры без перестройки решётки, и меняются только напряжения, наклёп и химическая неоднородность. Отжиг 2-го рода связан с фазовыми превращениями: при нагреве выше критических точек сталь превращается в аустенит, а при медленном охлаждении он распадается на феррит и перлит. От этого превращения и зависит результат — размер зерна, структура и механические свойства изделия.

Критические точки и интервалы нагрева

Температуру отжига и нормализации назначают не «вообще для стали», а по критическим температурам конкретной марки — главный параметр режима. При нагреве за Ac1 перлит начинает превращаться в аустенит, за Ac3 в аустенит переходит и весь феррит доэвтектоидной стали, за Acm в аустените растворяется весь избыточный цементит заэвтектоидной стали. На равновесной диаграмме железо — углерод нижней критической точке соответствует линия 727 °C, верхней — линия, которая опускается от 912 °C у чистого железа до 727 °C у эвтектоидной стали с 0,8 % углерода. Реальные значения при нагреве лежат немного выше равновесных и зависят от состава материала.

По схеме видно, почему у сталей разного состава разные режимы и почему одна температура не подходит для другой марки. Доэвтектоидные конструкционные стали — 20, 45, 40Х — нагревают выше Ac3, и чем больше в стали углерода, тем ниже эта температура. Заэвтектоидные стали для инструмента и подшипников — У10, ХВГ, ШХ15 — выше Acm не нагревают: при охлаждении цементит выделился бы сеткой по границам зёрен, и сталь стала бы хрупкой. Их отжигают чуть выше Ac1, чтобы цементит стал зернистым.

Виды отжига стали по ГОСТ 33439-2015

Стандарт называет полтора десятка видов отжига. Их удобно разделить по тому, происходят ли в металле фазовые превращения, — от этого зависит выбор температуры и оборудования.

Отдельно стандарт выделяет виды отжига по условиям и цели. Светлый отжиг проводят в защитной среде или вакууме, чтобы поверхность не окислялась. Смягчающий — для снижения твёрдости. Субкритический (низкотемпературный) — любой отжиг ниже Ac1. Отжиг на твёрдый раствор применяют для аустенитных нержавеющих сталей: нагрев до высокой температуры и быстрое охлаждение. Дегидрирование — отжиг для удаления водорода из металла после гальванического покрытия, травления или сварки.

Температура отжига стали по маркам

В таблице — критические точки распространённых марок, температура полного отжига, рассчитанная по правилу ГОСТ 33439-2015, режим нормализации из ГОСТ 1050-2013 и твёрдость в отожжённом состоянии, которую гарантируют стандарты на металлопродукцию.

Как читать таблицу. Температура полного отжига — расчёт «Ac3 плюс 30…50 °C» по данным марочника; фактические точки зависят от состава плавки, поэтому термист сверяет режим с сертификатом на металл. Нормализация указана для марок ГОСТ 1050 — это режим, по которому завод нормализует образцы для проверки механических свойств. Прочерк в столбце HB означает, что стандарт после отжига её не нормирует: низкоуглеродистые стали 10, 20, 35 и без отжига достаточно мягкие. Для сталей инструментального класса стандарты дают только твёрдость в отожжённом состоянии, а температуру неполного или сфероидизирующего отжига технолог назначает чуть выше Ac1 по справочнику для марки. Режимы закалки этих же марок — в статье о температуре закалки стали.

Нормализация стали: режим и свойства

ГОСТ 1050-2013 задаёт для образцов углеродистых сталей нормализацию с охлаждением на воздухе: 920 °C для сталей 08 и 10, 900 °C для 15 и 20, 880 °C для 30 и 35, 860 °C для 45, 850 °C для 50 и 55, 840 °C для 60. Чем больше в стали углерода, тем ниже температура — так же, как опускается на диаграмме линия Ac3. Минимальная выдержка при нормализации — 30 минут, допустимое отклонение температуры — ±15 °C.

Механические свойства, которые сталь должна показать после такой нормализации, приведены в том же стандарте. Для сравнения рядом — твёрдость горячекатаной стали без термообработки и после отжига:

Нормализацию применяют в трёх случаях. Как окончательную обработку — для деталей и металлоконструкций из низко- и среднеуглеродистой стали, которым не нужна высокая прочность: мелкое зерно повышает ударную вязкость. Как подготовку к закалке — ГОСТ 1050 допускает нормализацию перед закалкой, а для деталей под закалку токами высокой частоты её проводят с согласия заказчика. Для исправления структуры после ковки, литья и горячей прокатки, когда зерно получилось крупным и неоднородным. Для цементуемых легированных сталей 18ХГТ, 25ХГТ, 30ХГТ ГОСТ 4543-2016 прямо записывает режим «нормализация 880–950 °C, затем закалка».

ГОСТ 33439-2015 выделяет и нормализацию с ускоренным охлаждением — с принудительным обдувом, быстрее, чем на спокойном воздухе. Её применяют, когда при обычной нормализации крупное сечение остывает слишком медленно и не набирает нужной прочности.

Чем нормализация отличается от отжига

Главное различие между процессами — скорость охлаждения. Остальное следует из неё: структура, свойства, время работы оборудования и область применения.

При медленном охлаждении с печью аустенит распадается при небольшом переохлаждении, и образуются крупные пластины перлита и феррит — структура мягкая и пластичная. На воздухе распад идёт при большем переохлаждении: перлит получается тоньше и дисперснее, зерно мельче, поэтому нормализованная сталь прочнее отожжённой. Для низкоуглеродистой стали эта разница невелика, и нормализацию выбирают как более быструю и дешёвую операцию с последующей механической обработкой. Для высокоуглеродистой стали и сталей с хромом, вольфрамом, марганцем разница большая: на воздухе такой материал может частично закалиться, и для обработки резанием его нужно именно отжигать.

Когда нужны отжиг и нормализация

Отжиг и нормализация обычно стоят в начале маршрута детали — их делают с заготовкой или после заготовительных операций, до окончательной механической обработки и закалки. Типичные случаи:

• Заготовка слишком твёрдая для обработки. Поковки, отливки и прокат из инструментальной, подшипниковой и легированной стали отжигают, чтобы сделать материал мягче: режущий инструмент меньше изнашивается, поверхность после резания чище. Для таких сталей выбирают сфероидизирующий отжиг.
• После ковки, штамповки и литья. Нормализация или отжиг измельчают крупное зерно, выравнивают структуру по сечению изделия и снимают внутренние напряжения.
• После сварки. Термообработка сварных конструкций снимает остаточные напряжения в швах и околошовной зоне, чтобы узел не повело при механической обработке и в работе.
• После холодной деформации. Рекристаллизационный отжиг возвращает пластичность металлу после волочения, прокатки и глубокой вытяжки — между переходами и перед следующей деформацией.
• Перед закалкой. Нормализация или отжиг создают однородную исходную структуру, и после закалки свойства получаются ровными, а коробление — меньше.
• После гальванического покрытия. Высокопрочные детали после цинкования прогревают для удаления водорода, иначе возможна водородная хрупкость, — это обезводороживание при цинковании.
• Для исправления перегрева. Если сталь перегрели при закалке или ковке и зерно выросло, её отжигают или нормализуют, а затем закаливают заново.

Технология отжига: нагрев, выдержка, охлаждение

Любой режим отжига и нормализации состоит из трёх этапов, и на каждом есть свои правила.

1. Нагрев. Деталь нагревают до заданной температуры — металл становится пластичнее, и начинаются превращения. Скорость нагрева ограничивают для крупных сечений, сложных отливок и сварных узлов: если поверхность прогреется намного быстрее сердцевины, в металле появятся новые внутренние напряжения.
2. Выдержка. Время при температуре нужно, чтобы деталь прогрелась по всему сечению и превращения прошли полностью. Его считают от сечения, массы садки и печи. Для образцов ГОСТ 1050 называет минимум 30 минут при нормализации.
3. Охлаждение. При отжиге деталь остывает медленно — обычно вместе с печью, иногда с регулируемой скоростью. Например, сфероидизирующий отжиг подшипниковой стали ШХ15 по марочнику — 800 °C с охлаждением в печи со скоростью 15 °C в час, после него твёрдость 179–207 HB по ГОСТ 801-2022. При нормализации деталь выгружают и охлаждают на спокойном воздухе, без последующего нагрева.

Отжиг и нормализацию проводят в камерных, шахтных и проходных печах; выбор оборудования зависит от размеров изделий, партии и требований к поверхности. В обычной воздушной атмосфере на поверхности при высоких температурах образуется окалина и идёт обезуглероживание — ГОСТ 33439-2015 прямо называет его дефектом вне химико-термической обработки. Поэтому для деталей с припуском в десятые доли миллиметра и для готовых поверхностей выбирают светлый отжиг — в защитной атмосфере или в вакуумной печи: поверхность остаётся чистой, и припуск на снятие окалины не нужен.

Результат проверяют после охлаждения. Твёрдость отожжённой стали измеряют по Бринеллю по ГОСТ 9012 и сравнивают с чертежом или стандартом на марку. При необходимости контролируют микроструктуру — величину зерна, однородность перлита, глубину обезуглероженного слоя.

Дефекты отжига и нормализации

• Окисление и обезуглероживание поверхности. Сталь долго находилась при высокой температуре в воздушной атмосфере. На поверхности окалина, под ней — слой с пониженным содержанием углерода, который не наберёт твёрдость при закалке. Защита — светлый отжиг или припуск на механическую обработку.
• Перегрев. Температура больше нормы или слишком долгая выдержка — зерно вырастает, падает ударная вязкость металла. Исправляют повторным отжигом или нормализацией при правильной температуре.
• Недогрев. Температура ниже Ac3 при полном отжиге — превращение проходит не полностью, в структуре остаётся исходный крупный феррит, и твёрдость по сечению неравномерна. Изделие отжигают повторно.
• Повышенная твёрдость после отжига. Охлаждение было слишком быстрым — для стали с хромом или марганцем это может быть уже не отжиг, а частичная закалка. Нужен повторный отжиг с медленным охлаждением.
• Цементитная сетка. Заэвтектоидную сталь нагрели выше Acm и медленно охладили — избыточный цементит выделился по границам зёрен, сталь стала хрупкой. Сетку устраняют нормализацией, а затем делают сфероидизирующий отжиг.
• Коробление и трещины. Неравномерный нагрев или охлаждение крупных и тонкостенных деталей, неправильная укладка в печь.

Отжиг деталей в технопарке ЗЭМ

Термический участок технопарка выполняет отжиг, закалку и отпуск стальных деталей по марке стали и требованиям чертежа. Режим технолог назначает по стандарту на марку, а результат процесса проверяет по твёрдости.

• Отжиг в вакуумной печи — без окалины и обезуглероживания: камера 600 × 400 × 400 мм, садка до 200 кг, нагрев до 1300 °C. Там же — магнитный отжиг деталей из магнитомягких материалов.
• Снятие напряжений со сварных узлов — после сварки и до механической обработки.
• Отжиг поковок и отливок перед механической обработкой — для сталей и чугунов, подробнее на странице о термообработке железоуглеродистых сплавов.
• Закалка и отпуск после отжига — на той же площадке. Об отпуске — в статье об отпуске стали.

В заявке укажите марку стали, вид обработки из чертежа или маршрута («отжечь», «снять напряжения», требуемую твёрдость, например «HB 179…207»), размеры, массу и количество деталей. Если марка неизвестна, её определяют по сертификату на металл или химическим анализом, — о группах сталей читайте в статье о марках стали.