Термообработка стали: закалка, отпуск, отжиг, нормализация — полный справочник

Термическая обработка — управление свойствами стали (твёрдостью, прочностью, вязкостью, износостойкостью) посредством нагрева и охлаждения по заданному режиму. Без термообработки невозможно производство шестерён, валов, пружин, инструмента, подшипников и тысяч других деталей. Экспертный справочник: все основные виды термообработки с температурами, средами охлаждения и областями применения.

Зачем нужна термообработка

Механические свойства стали определяются её структурой — взаимным расположением атомов железа и углерода. При нагреве выше критических температур (723–910°C для углеродистых сталей) происходят фазовые превращения: ферритно-перлитная структура переходит в аустенит. При охлаждении — обратное превращение, но результат зависит от скорости охлаждения:

• Медленное охлаждение (с печью) → перлит + феррит. Мягкая, пластичная сталь. Это — отжиг.
• Среднее охлаждение (на воздухе) → сорбит или троостит. Умеренная твёрдость и прочность. Это — нормализация.
• Быстрое охлаждение (в воде/масле) → мартенсит. Максимальная твёрдость, но хрупкость. Это — закалка.
• Повторный нагрев закалённой стали → снятие хрупкости, сохранение прочности. Это — отпуск.

Закалка

Суть процесса

Нагрев стали выше критической температуры Ас3 (для доэвтектоидных — 30–50°C выше Ас3) или Ас1 (для заэвтектоидных — 30–50°C выше Ас1) с последующим быстрым охлаждением. Образуется мартенсит — пересыщенный твёрдый раствор углерода в α-железе.

Температуры закалки для основных марок

• Сталь 45 — 830–850°C, охлаждение в воде. Твёрдость после закалки: 50–55 HRC.
• Сталь 40Х — 830–860°C, масло. 48–52 HRC.
• Сталь У8 — 780–800°C, вода. 60–62 HRC. Для ручного инструмента (зубила, кернеры).
• Сталь ШХ15 — 830–850°C, масло. 61–65 HRC. Для подшипников (Минский подшипниковый завод).
• Сталь Р6М5 (HSS) — 1210–1230°C, ступенчато (масло → воздух). 63–65 HRC. Для режущего инструмента.
• Сталь 65Г — 800–830°C, масло. 58–62 HRC. Для пружин и рессор.
• Сталь 9ХС — 840–870°C, масло. 60–63 HRC. Для инструмента (развёртки, метчики, плашки).

Среды охлаждения

• Вода — максимальная скорость охлаждения. Для углеродистых сталей (45, У8, У10). Недостаток: высокий риск трещин и коробления.
• Масло (индустриальное И-20А) — скорость в 3–5 раз ниже воды. Для легированных сталей (40Х, ШХ15, 9ХС). Меньше деформация.
• Полимерные закалочные среды (Aqua-Quench) — регулируемая скорость охлаждения. Экологичнее масла. Для серийного производства.
• Воздух — для высоколегированных сталей (Р6М5, Р18). Закалка на воздухе = «самозакалка».
• Соляные ванны (изотермическая закалка) — охлаждение до 250–400°C в расплаве солей, выдержка, затем на воздух. Образуется бейнит — прочный и вязкий. Для ответственных деталей.

Отпуск

После закалки сталь твёрдая, но хрупкая. Отпуск — повторный нагрев ниже Ас1 (150–650°C) для снятия внутренних напряжений и повышения вязкости. Виды:

• Низкий отпуск (150–250°C) — минимальное снижение твёрдости (на 1–3 HRC). Для режущего инструмента, подшипников, шестерён. Структура: мартенсит отпуска.
• Средний отпуск (350–450°C) — твёрдость 40–48 HRC. Для пружин и рессор (65Г). Структура: троостит отпуска. Максимальный предел упругости.
• Высокий отпуск (500–650°C) — твёрдость 25–35 HRC. Для валов, шестерён, деталей, работающих при ударных нагрузках (40Х, 40ХН). Структура: сорбит отпуска. Оптимальное сочетание прочности и вязкости. Закалка + высокий отпуск = «улучшение» — самый массовый вид термообработки для конструкционных деталей.

Отжиг

Нагрев выше Ас3 (или между Ас1 и Ас3 — неполный отжиг) с медленным охлаждением в печи. Цели: снижение твёрдости для облегчения механообработки, снятие внутренних напряжений после сварки или ковки, получение однородной структуры.

• Полный отжиг — нагрев до Ас3 + 30–50°C, охлаждение с печью (скорость 50–100°C/ч). Для поковок и отливок из стали 20, 45, 40Х.
• Неполный отжиг (сфероидизация) — нагрев до Ас1 + 20–30°C. Для заэвтектоидных сталей (ШХ15, У8). Цементит приобретает сферическую форму — улучшается обрабатываемость резанием.
• Рекристаллизационный отжиг (650–700°C) — для снятия наклёпа после холодной деформации (прокатки, волочения). Проволока БМЗ проходит рекристаллизационный отжиг перед финишным волочением.
• Диффузионный отжиг (гомогенизация, 1100–1200°C) — для устранения ликвации (неоднородности состава) в слитках и крупных отливках. Длительный (10–20 часов).

Нормализация

Нагрев до Ас3 + 30–50°C (как при отжиге), но охлаждение на спокойном воздухе. Результат — более мелкозернистая и прочная структура, чем после отжига, но менее твёрдая, чем после закалки. Применение: для улучшения обрабатываемости низкоуглеродистых сталей (Ст3, 20), вместо отжига — быстрее и дешевле (не нужно медленное охлаждение в печи), для подготовки структуры перед закалкой (измельчение зерна).

Специальные виды термообработки

• Цементация — насыщение поверхности углеродом (0,8–1,1% C) при 900–950°C в углеродсодержащей среде (газ, паста, гранулы). Глубина 0,5–2,0 мм. После цементации — закалка + низкий отпуск. Результат: твёрдая поверхность (58–62 HRC) + вязкая сердцевина (25–30 HRC). Для шестерён, валов, пальцев. Стали: 20, 20Х, 18ХГТ.
• Азотирование — насыщение азотом при 500–600°C в аммиачной среде. Глубина 0,1–0,6 мм. Твёрдость до 1200 HV. Для деталей, работающих на износ: гильзы цилиндров, штоки, шпиндели. Стали: 38Х2МЮА, 40ХН2МА.
• Закалка ТВЧ (токами высокой частоты) — индукционный нагрев поверхности (генератор 2–400 кГц), быстрое охлаждение. Закаливается только поверхностный слой (1–5 мм) — сердцевина остаётся вязкой. Для шеек валов, зубьев шестерён, направляющих. Стали: 45, 40Х.
• Криогенная обработка (−70…−196°C) — охлаждение в жидком азоте после закалки. Превращение остаточного аустенита в мартенсит. Повышает твёрдость на 1–3 HRC и размерную стабильность. Для инструмента, подшипников, калибров.

Оборудование для термообработки

• Камерные печи — нагрев в воздушной атмосфере. Для отжига, нормализации, отпуска. Температура до 1300°C. ОЗТМ имеет газовую печь объёмом 182 м³.
• Шахтные печи — вертикальные, для длинных деталей (валы, штоки). С контролируемой атмосферой (азот, эндогаз).
• Соляные (расплавные) ванны — для изотермической закалки и нагрева под закалку. Равномерный нагрев, защита от окисления.
• Вакуумные печи — для ответственных деталей (инструмент, пресс-формы). Нагрев в вакууме — без окалины и обезуглероживания. Охлаждение инертным газом (N₂, Ar).
• Индукционные установки (ТВЧ) — для поверхностной закалки. Генераторы 50–400 кГц, мощность 50–500+ кВт.

Контроль качества термообработки

• Твёрдость: по Роквеллу (HRC — для закалённых сталей, HRB — для мягких), по Бринеллю (HB — для отожжённых), по Виккерсу (HV — для тонких слоёв и покрытий).
• Микроструктура: металлографический анализ шлифа — определение фазового состава (мартенсит, сорбит, перлит), размера зерна (по ГОСТ 5639 — балл 1–14), глубины закалённого слоя.
• Деформация: контроль биения, прямолинейности и размеров после термообработки. Допуск — зависит от детали (обычно компенсируется финишной шлифовкой).

Термообработка на белорусских предприятиях

• ОЗТМ (Осиповичи) — газовая печь 182 м³ для крупногабаритных деталей вагонов. Дробемётная очистка после ТО.
• БМЗ (Жлобин) — патентирование (термообработка проволоки для стального корда). Сорбитная структура при 3000+ МПа.
• МТЗ, МАЗ, БЕЛАЗ — цементация и закалка шестерён, валов, пальцев. Закалка ТВЧ шеек валов.
• Минский подшипниковый завод — закалка и отпуск подшипниковой стали ШХ15. Контроль твёрдости 61–65 HRC.

Дефекты термообработки

• Трещины — из-за высоких термических напряжений при закалке в воде. Особенно опасны на деталях сложной формы, с отверстиями и острыми углами. Профилактика: закалка в масле, ступенчатая закалка, правильный выбор стали.
• Коробление (деформация) — неравномерный нагрев/охлаждение. Компенсируется правкой или финишной обработкой (шлифовкой).
• Обезуглероживание — потеря углерода поверхностным слоем при нагреве в окислительной атмосфере. Снижает твёрдость поверхности. Профилактика: нагрев в защитной атмосфере или вакууме.
• Перегрев — рост зерна при слишком высокой температуре. Снижает ударную вязкость. Исправляется повторной нормализацией.
• Недокал — недостаточная твёрдость из-за заниженной температуры или недостаточной скорости охлаждения. Повторная закалка.