После прокатки углеродистые инструментальные стали имеют структуру пластинчатого перлита различной степени дисперсности в зависимости от диаметра профиля, а, следовательно, и различную твердость. Пластинчатая форма перлита обусловлена тем, что прокатку проводят при температурах выше Ас3 и при последующем охлаждении всегда происходит образование пластинчатого перлита. Сталь с такой структурой имеет повышенную твердость и плохо обрабатывается резанием.
Снижение твердости и улучшение обрабатываемости резанием этих сталей достигается за счет получения структуры зернистого перлита. Зернистый перлит, кроме того, является оптимальной исходной структурой для последующей закалки, так как карбиды зернистой формы при нагреве медленнее переходят в твердый раствор, уменьшают склонность к росту зерна аустенита и обеспечивают оптимальное сочетание свойств прочности и вязкости за счет равномерного их распределения в мартенсите.
Для получения структуры зернистого перлита в углеродистых сталях температура нагрева при отжиге должна лишь ненамного превышать Асу. В этом случае в образующемся негомогенном аустените остаются частицы цементита, являющиеся центрами кристаллизации, и легче происходит образование новых центров.
Оптимальная температура отжига инструментальных углеродистых сталей для получения структуры зернистого перлита Ас1+(10—20 °С). Нагрев выше этого интервала приводит к получению более гомогенного аустенита, и при дальнейшем формировании структуры наряду с зернистым перлитом образуется и пластинчатый перлит.
При пониженных температурах отжига сохраняется большое количество нерастворенных частичек цементита, обуславливающих образование мелкодисперсной структуры. В случае же сочетания с повышенной скоростью охлаждения это приводит к образованию точечного перлита, имеющего повышенную твердость.
Скорость охлаждения при отжиге должна обеспечить полноту распада переохлажденного аустенита в верхнем температурном интервале 700—600 °С. Охлаждение со скоростью 20—50 °С/ч до 600 °С при отжиге углеродистых инструментальных сталей способствует завершению распада переохлажденного аустенита в верхней области перлитного превращения и коагуляции цементита.
Стали У7А, У8А, У9А имеют узкий температурный интервал отжига Ас1 + (10—15 °С), поскольку их состав близок к эвтектоидному. Отжиг этих сталей наиболее затруднителен, так как при отжиге большими садками практически невозможен равномерный нагрев всего объема в столь узком интервале.
Отжиг этих сталей проводят совместно при температуре нагрева 745 °С.
Для сокращения длительности отжига профили размером 40—60 мм вначале нагревают до 760 °С и выдерживают в течение 2 ч.
Стали У10А—У13А имеют больший температурный интервал отжига и, следовательно, отжиг на зернистый перлит осуществляется легче. На результаты отжига влияет исходная структура стали. Заэвтектоидные углеродистые стали после прокатки с окончанием при 900—950 °С и обычного охлаждения на воздухе имеют структуру пластинчатого перлита и сетки цементита по границам зерен. Цементитная сетка последующим отжигом не устраняется. Наличие сплошной грубой сетки недопустимо.
Наиболее эффективным методом снижения неоднородности в распределении цементита в инструментальных сталях является разрушение сетки прокаткой при 800—750 °С. Дальнейшее снижение температуры конца прокатки ограничено энергетическими возможностями прокатных станов, а также пластичностью металла.
С целью предотвращения образования цементитной сетки применяют ускоренное (водой или водо-воздушной смесью) охлаждение раската в интервале 950—700 °С по выходе из последней клети стана.
Заэвтектоидные инструментальные стали перед отжигом подвергают контролю на цементитную сетку, для чего на двух образцах от каждой плавки проверяют микроструктуру. В случае несоответствия структуры требованиям стандарта перед отжигом плавку подвергают нормализации — нагреву выше Аст (до 850 ’С) с выдержкой, обеспечивающей прогрев всей садки, а затем после выгрузки из печи — ускоренному охлаждению мощным потоком воздуха от вентиляторов. Следует учитывать, что нормализация стали приводит к дополнительному обезуглероживанию.
Заэвтектоидные углеродистые стали с учетом склонности их к обезуглероживанию подвергают отжигу при 770—780 °С. Для ускорения нагрева в первые два часа выдержки температуру поднимают до 790—860 °С. Отжиг инструментальных сталей не вызывает существенного обезуглероживания. Однако оно может оказаться значительным из-за нагрева заготовок до высоких температур под прокатку. Глубина обезуглероженного слоя лимитируется размерами профиля и группой отделки поверхности В случае несоответствия глубины обезуглероженного слоя допустимому пределу металл подвергают специальному отжигу в окислительной атмосфере, называемому на производстве «исправительным». При таком отжиге происходит интенсивное окисление поверхностного обезуглероженного слоя и превращение его в удаляемую впоследствии окалину.