Термическая обработка нержавеющих сталей — это управляемое растворение и распределение фаз (карбиды, интерметаллиды), контроль размеров зерна и снятие остаточных напряжений при обязательном учёте коррозионных рисков. В отличие от углеродистых сталей, ключевые цели здесь — восстановить пассивируемость и вязкость после деформации/сварки, исключить сенсибилизацию (выделение карбидов Cr у границ), предотвратить σ-фазу и «475 °C-хрупкость», а также задать нужные свойства у мартенситных и PH-марок. Ниже — системный обзор по основным классам (аустенитные, ферритные, мартенситные, дуплексные, PH), с рабочими окнами температур, типовыми картами и контролем качества.
Классификация и базовые принципы
| Класс | Структура | Обработка |
|---|---|---|
| Аустенитные | γ-Fe (FCC) | Растворный отжиг, стабилизация, снятие напряжений |
| Ферритные | α-Fe (BCC) | Отжиг/нормализующий, быстрый охлад, избегать 475 °C |
| Мартенситные | Мартенсит | Закалка + отпуск (иногда крио) |
| Дуплексные | α + γ | Растворный отжиг, быстрый охлад, контроль σ-фазы |
| PH-марки | Мартенсит + выделения | Растворение + старение (H900–H1150 и др.) |
Общие правила: короткая выдержка на высоких температурах, максимально быстрый охлад, контролируемая атмосфера (вакуум/водород/эндогаз) и обязательные операции очистки и пассивации после печей. Для сварных изделий — внимание к межкритическим выдержкам и выбору марки (L- и стабилизированные).
Аустенитные стали: растворный отжиг, стабилизация, снятие напряжений
Цели и риски
- Восстановить коррозионную стойкость после деформации/сварки: растворить карбиды Cr и нитриды, выровнять δ-феррит
- Избежать сенсибилизации (≈500–850 °C) и σ-фазы (≈600–1000 °C при длительной экспозиции)
- Снять напряжения без потери стойкости: низкотемпературные режимы для γ-сталей
Типовые режимы
| Операция | t, °C | Выдержка | Охлажд. | Заметки |
|---|---|---|---|---|
| Растворный отжиг | 1040–1120 | 2–10 мин/мм | Вода/воздух | Зависит от марки и толщины |
| Стабилизация 321/347 | 850–900 | 1–4 ч | Воздух | Фиксация TiC/NbC, против межкр. коррозии |
| Снятие напряжений | 290–400 | 1–3 ч | Воздух | Выше 450 °C — риск сенсибилизации |
| Яркий отжиг | 1050–1120 | Короткая | Газ/вода | Вакуум/Н2/H2, контроль точки росы |
После высокотемпературной печи — пиклинг и пассивация до восстановления пассивной плёнки. Для изделий сложной формы время выдержки минимизируют; для массивов применяют водяное охлаждение, чтобы пройти опасный интервал быстро.
Ферритные стали: отжиг, «475 °C-хрупкость», стабилизация структуры
- Отжиг для выравнивания: типично 760–830 °C с охлаждением на воздухе/с печью в зависимости от марки
- Избегать длительных выдержек в 250–500 °C (пик ≈475 °C) — хрупкость из-за спинодального распада α-фазы и выделений
- Полностью закалить ферритные стали невозможно; свойства настраивают отжигом и холодной деформацией
| Операция | t, °C | Выдержка | Охлажд. | Примеч. |
|---|---|---|---|---|
| Отжиг | 760–830 | 0,5–2 ч | Воздух | Рафинирование зерна |
| Нормализующий | 800–900 | Коротко | Воздух | Для стабилизации |
| Снятие напр. | 200–300 | 1–2 ч | Воздух | Уход от «475 °C» |
Мартенситные стали: закалка и отпуск
Мартенситные стали (тип 410/420 и аналоги) упрочняют закалкой с последующим отпуском. Важны растворение карбидов, контроль остаточного аустенита и выбор среды охлаждения в зависимости от сечения.
| Операция | t, °C | Выдержка | Охлажд. | Цель |
|---|---|---|---|---|
| Аустенитизация | 950–1050 | 10–30 мин | Масло/воздух | Растворение карбидов |
| Закалка | Из печи | — | Масло/полимер | Мартенсит |
| Отпуск | 200–650 | 1–3 ч | Воздух | Баланс прочность/вязкость |
| Крио (опц.) | −80…−196 | 0,5–2 ч | Воздух | Снижение γост |
Рекомендуется избегать длительных выдержек в диапазоне «отпускной хрупкости»; конкретные окна зависят от марки и задания по вязкости/коррозии. Для коррозионно-ответственных деталей часто применяют двойной отпуск.
Дуплексные стали: растворение и контроль интерметаллидов
Дуплексные стали (тип 1.4462/2205 и др.) требуют жёсткого контроля: недогрев — избыток феррита и падение вязкости, перегрев/длительная выдержка — σ-фаза/χ-фаза и выпадение нитридов, что снижает стойкость к питтингу и ударную вязкость.
| Операция | t, °C | Выдержка | Охлажд. | Замечания |
|---|---|---|---|---|
| Растворный отжиг | 1020–1120 | Минимум | Вода | Быстрый выход из 600–1000 °C |
| Горячая правка | 850–1150 | Коротко | Вода | Избегать σ-фазы |
| Снятие напр. | — | — | — | Как правило не применяют |
PH-стали: растворение и старение
Преципитационно-упрочняемые стали (например, 17-4PH) поставляются после растворного отжига с последующим старением при заданной температуре для набора прочности. Типовые условия старения маркируются как H900/H1025/H1150 и т. п.
| Этап | t, °C | Время | Охлажд. | Результат |
|---|---|---|---|---|
| Растворение | ~1040 | 0,5–1 ч | Воздух/вода | Аустенит → мартенсит при охлаждении |
| H900 | ≈480 | 1–4 ч | Воздух | Макс. прочность |
| H1025 | ≈550 | 1–4 ч | Воздух | Баланс прочность/вязкость |
| H1150 | ≈620 | 1–4 ч | Воздух | Макс. вязкость/стабильность |
Сварка и термообработка после сварки
- Аустенитные: как правило не требуют общего отпуска; при жёстких напряжениях допустим низкотемпературный режим 290–400 °C. Для 321/347 возможна стабилизация после интенсивной сварки.
- Дуплексные: при перегреве ЗТВ — восстановительный растворный отжиг 1020–1120 °C с водяным охлаждением. Контроль феррит-номера.
- Мартенситные: местный отпуск/высокий отпуск после сварки для снятия напряжений и коррекции твёрдости.
- Ферритные: минимизировать время в 600–900 °C; избегать выдержек в зоне «475 °C».
Атмосферы, обезуглероживание, очистка
- Растворный отжиг — вакуум, сухой водород или контролируемые смеси; цель — исключить окалину и обезуглероживание.
- После печи — обязательные очистка, травление и пассивация по утверждённым методикам; для тонких стенок — бережные режимы.
- Яркий отжиг требует крайне низкой точки росы; при сомнениях — выбирают вакуум с инертным охлаждением.
Контроль качества и испытания
| Показатель | Метод | Цель |
|---|---|---|
| Сенсибилизация | Практики A–F | ИГК-стойкость |
| Пассивация | Очистка/кислоты | Восстановить плёнку |
| Фазовый состав | Феррит-номер, ДРС | Дуплекс, сварка |
| Твёрдость | HB/HRC/HV | Проверка режимов |
| Микроструктура | Шлифы/ТЕМ | σ-фаза, карбиды |
Производственные карты (примеры)
Лист 304L после гибки
| Шаг | Параметр | Контроль |
|---|---|---|
| Растворный | 1050–1080 °C, 2–4 мин/мм, вода | Отсутствие окалины/сенсибилизации |
| Пиклинг | Смесь HNO3/HF | Чистая поверхность |
| Пассивация | Citric/Nitric по норме | Проверка по тесту |
Кольцо из 410
| Шаг | Параметр | Контроль |
|---|---|---|
| Аустенитизация | 980–1000 °C, 15–20 мин | Термопары в массиве |
| Закалка | Масло, интенсивность по d | Трещин нет |
| Отпуск | 200–300 °C, 2 ч | HRC по ТЗ |
Труба из 2205
| Шаг | Параметр | Контроль |
|---|---|---|
| Растворный | 1040–1080 °C, коротко, вода | Феррит 35–55 % |
| Финиш | Пиклинг/пассивация | Купер/питт-тест по ТЗ |
17-4PH, состояние H1025
| Шаг | Параметр | Контроль |
|---|---|---|
| Растворение | ~1040 °C, 30–60 мин | Отсутствие окалины |
| Охлаждение | До ≤25 °C | Полный мартенсит |
| Старение | ~550 °C, 4 ч | Rp0.2/KCU по ТЗ |
Частые ошибки и как их избежать
- Длительная выдержка в 600–900 °C для аустенитных/дуплексных → σ-фаза и сенсибилизация. Решение: быстрый проход, минимальная выдержка.
- Неполный охлад после раствора у γ-сталей → локальная сенсибилизация. Решение: вода/интенсивное воздух.
- Отсутствие пост-обработки поверхности → потеря стойкости. Решение: травление и пассивация по нормам.
- Закалка «как у углеродистых» для мартенситных → трещины/низкая коррозионка. Решение: масло/полимер, корректный отпуск.
- Снятие напряжений при 450–650 °C для γ-сталей → сенсибилизация. Решение: 290–400 °C либо полный растворный отжиг.
Заключение
Рецепт надёжной термообработки нержавеющих сталей сводится к трём принципам: короткий нагрев в «правильном» окне, максимально быстрый выход из опасных интервалов и обязательная пост-обработка поверхности. Для аустенитных — это растворный отжиг с быстрым охлаждением и, при необходимости, стабилизация. Для ферритных — чистый отжиг и уход от «475 °C-хрупкости». Для мартенситных — корректная закалка и отпуск, иногда крио. Для дуплексных — строгая дисциплина по σ-фазе. Для PH-марок — точное старение. Соблюдение этих правил обеспечивает прогнозируемые свойства и коррозионную стойкость в эксплуатации.