Виды термической обработки нержавеющей стали

Высокотемпературная обработка нержавеющей стали является необходимым и распространенным в металлургии процессом для улучшения качества материала, придания большей прочности сортового и листового проката, получения готовой продукции с четкими формами и размерами. С учетом температурного режима, близкого к критическому, и методики дальнейшего охлаждения, выделяют три вида термической обработки: отпуск, отжиг, закалка. Эти действия позволяют придать материалу особые свойства. 

Отжиг

Основная задача отжига нержавеющих сталей – это перекристаллизация структуры металла. Таким образом, получается однородный состав без напряжения с пониженным коэффициентом твердости, что в свою очередь ведет к пластичности стали. Данный процесс производится для облегчения обработки нержавеющей стали резанием, штамповкой и вытяжкой. Также отжиг необходим для снижения хрупкости и повышения вязкости. Все эти факторы значительно облегчают деформирующую обработку деталей и сокращают вероятность появления трещин и разрывов. 

Технология включает в себя три этапа:

1. Нагревание. Чтобы исключить рост зерна в структуре, материал нагревают в специальной электрической печи при температуре выше критической отметки – 1040 градуса. Некоторые сплавы подвергаются нагреву ниже этого значения, при этом ведется постоянное наблюдение за ростом зерна. 
2. Выдержка. Металл остается в печи, где поддерживается постоянная температура, достигнутая в процессе нагревания. Временной период зависит от того, какие характеристики металла должны получится на выходе. Если главной целью является достижение гомогенности (однородности) материала, то деталь будет находиться в печи более долгое время.  
3. Охлаждение. Это важный этап при производстве изделий из нержавеющей стали. Необходимо добиться медленного охлаждения – оно достигает до 24 часов. Время зависит от того, в какой среде охлаждается металл: вода, воздух, солевой раствор или масло. Например, при производстве листа из нержавеющей стали, поверхность материала охлаждается водой при помощи специальных распылителей и обдувается воздухом. Прокат получается пластичным и подходит для дальнейшей обработки. Напротив, охлаждение в масляной среде позволяет обогатить верхний слой углеродом, что придает изделию повышенную прочность. Такой прием применяется при изготовлении проката готового к использованию: профильная или круглая нержавеющая труба, уголок, тавр, швеллер и проч. Обработка кислотами и щелочами придает конечному продукту особые свойства по взаимодействию с окружающей средой – изделия из стали менее подвержены окислительному процессу в особых условиях. 

Выделяются различные технологии отжига:

• Гомогенизация. Данный вид обработки необходим для создания максимальной однородности в крупноразмерных заготовках, например, при изготовлении круга, шестигранника и нержавеющих заготовок для токарных работ. Процесс заключается в длительном нагреве до температуры на 200 градусов больше, чем температура кристаллизации, и медленном остывании. 
• Рекристаллизация. Применяется для восстановления первоначальных качеств материала после механической обработки (штамповки, гибки, волочении). По технологии фактически полностью повторяет гомогенизацию в более простой форме. 
• Изометрический метод. Применяется для модификации легированной стали. Его целью является устранение аустена. Для этого после нагрева материала до температуры на 20-30 градусов, превышающей температуру кристаллизации, состав подвергается резкому охлаждению до 630 градусов и затем – медленному остыванию в воздухе или в специальных средах. Такой метод исключает образование крупных кристаллических вкраплений в структуре и серьезно отличается в зависимости от марки. 
• Полный отжиг. Метод применяется для повышения однородности массивных отливок и изделий, подвергшихся штамповки и прессованию, например, квадраты или нержавеющие заготовки. Процесс заключается в нагреве до критических температур и медленном управляемом охлаждении. 
• Неполный отжиг. Нужен для придания схожих свойств материалу и сварочному шву. По сути метод похож на полный отжиг. 
• Отжиг для снятия напряжения. Необходим для устранения возникающих в процессе деформации или точечного снятия напряжения. Метод подразумевает нагрев на 150-200 градусов выше критической температуры, передержку на 600-700 градусах и очень медленное остывание. В зависимости от марки стали температуры могут отличаться в ту или иную сторону. 

Отпуск

После операции закалки большинство нержавеющих сталей по аналогии с обычным черным металлом требуют проведение дополнительной термической обработки. Её цель – снижение хрупкости путем создания равномерной мелкой структуры материала. При этом удаляется часть углерода из расплава. Процесс бывает трех типов и осуществляется следующим образом:

• Низкий отпуск стали. Подразумевает нагрев до 200 градусов и медленное остывание. В процессе устраняется внутреннее напряжение и повышается вязкость. Параллельно возможно создание условий для повышения прочности методом выдержки в соляных или масляных растворах. Этот материал применяется для создания измерительных инструментов. 
• Средний отпуск. Процесс заключается в нагреве до 400-450 градусов и медленном остывании на воздухе. В результате материал значительно повышает вязкость, что позволяет использовать его в узлах, подверженных многократным деформирующим воздействиям. 
• Высокий отпуск. Это нагрев материала до температур 600-700 градусов и медленное охлаждение. Метод резко повышает вязкость, при этом прочностные характеристики снижаются незначительно. Процесс является обязательной процедурой при изготовлении узлов повышенной влажности.

Закалка 

Этот прием используется для повышения прочности, износостойкости и коррозийной устойчивости. Металл нагревается до температур, при которых модифицируется кристаллическое строение, скоростью и средой охлаждения формируется необходимая структура. Как температурные режимы, так и скорости остывания сильно отличаются для разных составов нержавеющих сталей. Отклонения чреваты появлением повышенной хрупкости и возникновением излишних внутренних напряжений. 

Резкое управляемое охлаждение изделий проводится в разных средах. Каждый вариант имеет свои плюсы и минусы, позволяет достичь отличающихся друг от друга результатов:

• Водная среда. Этот метод является наиболее дешевым и за счет низкой температуры кипения позволяет резко охладить заготовку из нержавеющей стали. Главным недостатком метода является образование крупных кристаллических вкраплений, способных привести к появлению поверхностных микротрещин. Металл часто приобретает излишнюю хрупкость. Такой вариант не подходит для модификации тонкостенных изделий, например, листа, рулона, трубки капиллярной и прочих изделий из тонкого проката.
• Щелочная среда. Взаимодействует с материалом аналогично водной. Но поверхностный слой в процессе остывания приобретает дополнительные свойства, благодаря взаимодействию с компонентами раствора. Более равномерное и менее экстренное охлаждение позволяет применять метод для улучшения свойств таких изделий, как: лента, штрипс, тонкостенная трубка капиллярная. 
• Минеральные масла. Это один из самых древних способов закалки. Благодаря высокой температуре закипания, значительно снижается неконтролируемое укрупнение структуры материала. Поверхностный слой обогащается углеродом. Способ неудобен из-за высокой стоимости и пожароопасности. Применяется тогда, когда технологические требования не позволяют обойтись водой и щелочью. 
• Инертный газ. Метод применяется в тех случаях, когда необходимо сохранить изначальный химический состав обрабатываемой заготовки. Поэтому используется при обработке легированных сплавов с узко специфичными свойствами. 
• Криогенная закалка. Нагретую заготовку помещают в среду с жидким азотом. В процессе резкого охлаждения не успевают сформироваться кристаллические структуры. Материал становится максимально аморфным. Такой способ очень дорог, и полученные изделия имеют ограниченную сферу применения. Поэтому данный метод используется редко.

Термическую обработку нержавеющей стали часто совмещают с другими способами металлообработки. Как пример: обработка сверхвысокочастотными токами, цементация поверхностного слоя с внесением присадок. Термообработанные материалы приобретают особые свойства, не характерные для рядового проката, и увеличенный срок службы.