Отжиг первого и второго рода

Если вам нужно снять внутренние напряжения в металле без изменения структуры, выбирайте отжиг первого рода. Этот метод нагревает материал до температуры ниже критической точки, затем медленно охлаждает. Например, для низкоуглеродистой стали достаточно 600–650°C с последующим охлаждением в печи. Такой подход сохраняет зеренную структуру, но устраняет деформации после обработки.

Отжиг второго рода меняет фазовый состав, переводя металл в более стабильное состояние. Здесь температура превышает критическую точку: для стали это 720–900°C. После выдержки материал охлаждают медленно, чтобы образовались новые зерна с меньшей твердостью, но повышенной пластичностью. Такой отжиг подходит для подготовки к дальнейшей обработке, например, перед волочением или штамповкой.

Разница в скорости охлаждения – ключевой момент. Первый род требует равномерного снижения температуры (не более 50°C в час), второй допускает более быстрое охлаждение на воздухе после завершения фазовых превращений. Ошибка в выборе режима приведет к недостаточной мягкости или неожиданной хрупкости.

Для точного результата контролируйте атмосферу в печи. Окислительная среда вызовет образование окалины, а нейтральная или восстановительная защитит поверхность. Например, при отжиге меди используйте азот или аргон, чтобы избежать пористости.

Физические основы отжига первого и второго рода

Отжиг первого рода связан с релаксацией напряжений в кристаллической решётке без изменения фазового состава. Процесс проходит при температурах ниже критической точки, обычно в диапазоне 0,3–0,5 от температуры плавления. Основная цель – снижение плотности дислокаций и устранение внутренних напряжений. Например, для стали 20ХН3А оптимальная температура отжига составляет 650–700°C с выдержкой 1–2 часа.

Отжиг второго рода сопровождается фазовыми превращениями, такими как перлитное или аустенитное преобразование. Температурный режим здесь выше – на 30–50°C превышает точку AC₃ для доэвтектоидных сталей. Время выдержки зависит от толщины изделия: 1 час на каждые 25 мм сечения. После нагрева обязателен медленный охлаждение со скоростью 20–30°C/час для образования равновесных структур.

Ключевое различие – механизм воздействия на материал. Первый род не меняет фазовый состав, а второй приводит к перекристаллизации. Для алюминиевых сплавов серии Д16 используют только отжиг первого рода (350°C, 2 часа), тогда как инструментальные стали У8 подвергают отжигу второго рода (760°C, 3 часа) с последующим охлаждением в печи.

Выбор метода зависит от требуемых свойств. Если нужно сохранить твёрдость, но снять напряжения – применяют первый тип. Для улучшения обрабатываемости резанием или подготовки к закалке – второй. Медные сплавы, такие как латунь Л63, обрабатывают при 550–600°C (первый род), а титановый сплав ВТ6 – при 850°C с переходом β→α (второй род).

Ключевые технологические параметры процессов

Температурные режимы

• Отжиг первого рода: температура ниже критической точки (A₁), обычно 550–700°C для углеродистых сталей.
• Отжиг второго рода: нагрев выше A₃ (для доэвтектоидных сталей) или A₁ (для заэвтектоидных), с последующим медленным охлаждением.

Скорость охлаждения

Отжиг первого рода:

• Охлаждение со скоростью 20–50°C/час в печи до 500°C, далее на воздухе.

Отжиг второго рода:

• Медленное охлаждение (10–30°C/час) для полной перекристаллизации.

Влияние на структуру

• Первый род: снятие напряжений без изменения фазового состава.
• Второй род: формирование равновесной структуры (перлит, феррит).

Для контроля параметров используйте пирометры с погрешностью ≤1% и регистраторы температурных кривых. При отжиге второго рода критичен контроль времени выдержки: 1–2 часа на 25 мм сечения.

Влияние на структуру и свойства металлов

Отжиг первого рода изменяет структуру металла без фазовых превращений, снимая внутренние напряжения и уменьшая плотность дислокаций. Температура нагрева обычно ниже критической точки Ас₁. Например, для низкоуглеродистой стали достаточно 550–650°C. Это повышает пластичность на 15–20%, но почти не влияет на твердость.

Как отжиг второго рода меняет кристаллическую решетку

Отжиг второго рода включает перекристаллизацию: металл нагревают выше температуры фазового перехода (Ас₃ для доэвтектоидных сталей), затем медленно охлаждают. В результате формируется равновесная структура – крупные зерна феррита и перлита. Твердость снижается на 20–30 HB, что облегчает механическую обработку.

Практические рекомендации по выбору режима

Для восстановления пластичности после холодной деформации применяйте отжиг первого рода при 600°C в течение 1–2 часов. Если нужно устранить крупнозернистую структуру от литья, используйте полный отжиг второго рода: нагрев до 850–900°C для стали с 0,3% углерода, выдержка 1 час на каждые 25 мм сечения, охлаждение со скоростью 50–100°C/час.

Скорость охлаждения определяет конечные свойства. При ускоренном охлаждении (30°C/мин) в низкоуглеродистых сталях появляется мелкозернистый феррит, увеличивающий предел текучести на 10–15%. Для инструментальных сталей медленное охлаждение (5°C/мин) предотвращает образование закалочных напряжений.

Типичные дефекты при неправильном проведении отжига

Неправильный нагрев приводит к неравномерной структуре металла. Если температура слишком низкая, зерна не успевают перекристаллизоваться, сохраняя внутренние напряжения. При перегреве зерна разрастаются, снижая прочность материала.

Слишком быстрое охлаждение вызывает закалочные трещины, особенно в высокоуглеродистых сталях. Для отжига первого рода выбирайте скорость охлаждения не более 50-100°C/час, для второго рода – согласно диаграмме ТТТ сплава.

Недостаточная выдержка при температуре отжига оставляет остаточный аустенит в инструментальных сталях. Контролируйте время: для деталей толщиной до 25 мм требуется минимум 1 час на каждые 25 мм сечения.

Окисление поверхности происходит при отсутствии защитной атмосферы. Используйте инертные газы или вакуумные печи при работе с титановыми сплавами и нержавеющими сталями.

Разнозернистость появляется при локальных перепадах температуры в печи. Проверяйте равномерность нагрева термопарами в разных зонах камеры перед загрузкой деталей.

Сравнение областей применения разных видов отжига

Отжиг первого рода применяют для снятия внутренних напряжений в металлах после холодной обработки. Его используют в машиностроении при производстве деталей, подвергаемых механической обработке, таких как валы или шестерни. Температура нагрева обычно не превышает 650°C, что позволяет сохранить исходную структуру материала.

Отжиг второго рода меняет структуру сплава, улучшая его механические свойства. Этот метод подходит для стальных заготовок перед дальнейшей термообработкой или ковкой. Например, доэвтектоидные стали нагревают до 30–50°C выше точки Ac₃, выдерживают и медленно охлаждают. Такой подход повышает пластичность и снижает твердость, облегчая последующую обработку.

Для высокоуглеродистых сталей выбирайте сфероидизирующий отжиг – разновидность отжига второго рода. Он превращает цементит в округлые частицы, улучшая обрабатываемость резанием. Это критично при изготовлении инструментов, таких как сверла или фрезы.

Изотермический отжиг сокращает время обработки по сравнению с полным отжигом. Его применяют для легированных сталей в авиастроении, где важно сочетание прочности и минимальных внутренних напряжений. Нагрев до 700–900°C с последующей выдержкой и охлаждением дает стабильный результат.

Рекристаллизационный отжиг (первого рода) востребован в производстве листового проката и проволоки. Температура 500–600°C восстанавливает зеренную структуру после холодной деформации, возвращая материалу пластичность без изменения химического состава.

Критерии выбора типа отжига для конкретных сплавов

Для низкоуглеродистых сталей (менее 0,25% C) применяйте отжиг первого рода – он снижает твердость на 20-30 HB без риска перегрева. Если требуется полная перекристаллизация, нагревайте до 720-750°C с последующим медленным охлаждением (не быстрее 50°C/час).

Высокоуглеродистые стали (более 0,6% C) и легированные сплавы требуют отжига второго рода. Нагрев до 30-50°C выше точки Ac₃ (обычно 780-850°C) устраняет карбидную неоднородность. Для инструментальных сталей критично выдержать время – минимум 1 час на 25 мм сечения.

Алюминиевые сплавы серии 2xxx и 7xxx обрабатывайте отжигом при 350-400°C с охлаждением 20°C/час. Это снижает остаточные напряжения после горячей обработки без потери прочности. Для сплавов 5xxx и 6xxx достаточно 250-300°C – более высокие температуры провоцируют рост зерна.

Медно-цинковые сплавы (латуни) чувствительны к скорости охлаждения. При содержании цинка менее 35% используйте отжиг при 500-600°C с воздушным охлаждением. Для высокоцинковых латуней (35-45% Zn) обязательна печная закалка – резкое охлаждение вызывает хрупкость.

Титановые сплавы ВТ1-0 и ВТ5-1 отжигайте при 650-750°C в вакууме или инертной среде. Выдержка 1-3 часа снимает 90% напряжений после механической обработки. Для жаропрочных сплавов ВТ8 и ВТ9 температуру повышайте до 800-850°C.