Для чего проводят отпуск стали

15.09.2021

Рейтинг: 4.5 Голосов: 2

Время прочтения: 9 мин

Рейтинг: 4.6

Время прочтения: 9 мин

Полезное

Отпуск стали - заключительный этап термообработки, проводится сразу после закаливания в мартенсит. Закаленная сталь приобретает повышенные показатели твердости, например у инструментальных марок она увеличивается в 3-4 раза, но из-за снижения пластичности возрастает склонность к трещинообразованию.

Для устранения этого недостатка полуфабрикаты нагревают до температуры, недостаточной для полной рекристаллизации, выдерживают необходимое время и охлаждают в специальной среде (вода, масло, открытый воздух). Во время такого нагрева осуществляется несколько процессов:

Распад мартенсита: из кристаллической решетки выделяется углерод, который формирует карбиды Fe₂C (твердое вещество) и цементит Fe₃C (пластичная фаза), таким образом снижается хрупкость, а прочностные характеристики могут повышаться.
Полигонизация: возвратный процесс, при котором происходит упорядочение структуры после деформаций, фрагментация кристаллов в субзерна с четкими границами.
Рекристаллизация: распад и образование новых атомов продолжается постоянно, точно выбранный терморежим способствует росту одних кристаллов за счет других, корректируя и изменяя качества сплава.

Назначение отпуска стали: достижение заданной прочности деталей, работающих на изгиб и растяжение, улучшение отдельных свойств. После закалки из-за неравномерного охлаждения (особенно у толстостенных полуфабрикатов) возникают термические напряжения. Если они достаточно велики, появляются дефекты: коробление, бочкообразность, трещины, включения с пониженной твердостью.

Дополнительный этап термообработки проводят для следующих категорий металлопродукции:

Полуфабрикатов из углеродистых сталей: из-за высокого содержания углерода при закалке растет склонность к трещинообразованию;
Прокат из легированных сталей: дополнительное нагревание в электропечи может проводиться после многократных стабилизирующих отжигов во время производства продукции;
Готовая продукция: преимущественно инструменты.

Процедуру проводят в электропечи (с вентилятором для равномерного прогревания) или соляной ванне с плавным повышением температуры. Быстрый нагрев закаленных полуфабрикатов может спровоцировать трещины. Затем изделия охлаждают согласно выбранной технологии отпуска стали.

Скорость охлаждения также имеет значение: чем оно медленнее, тем меньше формируется остаточных напряжений, но некоторые легированные составы, напротив, становятся более хрупкими, поэтому их охлаждают быстро.

Низкий отпуск

Низкотемпературный нагрев осуществляют в терморежиме 150-250⁰, при этом осуществляется частичный распад мартенсита и устранение структурных напряжений. В результате увеличивается прочность, ударная вязкость, твердость практически не изменяется. За исключением изделий, сохранивших мягкую сердцевину (частичное закаливание), отпущенный материал не выдерживает значительных динамических воздействий.

Область применения:

Режущий и измерительный инструмент из низколегированных и углеродистых марок;
Изделия, прошедшие специальную обработку: цианирование, цементацию, нитроцементацию.

Еще один вид низкотемпературной ТМО - старение, используется для сохранения формы, объема, заданных свойств.

Искусственное (в режиме 120-150⁰): детали погружают в ванну и выдерживают 1,5-3 суток.
Естественное (в комнатной атмосфере): в течение 3 месяцев и более до обретения требуемых показателей.

Старение характерно для низкоуглеродистых марок, за счет выделения избыточных карбидов и нитридов (фаза феррит) повышается сопротивляемость усталости и холодовому охрупчиванию.

Средний отпуск

Средними считают температуры 300-500⁰. В сравнении с низкотемпературной обработкой полигонизация и рекристаллизация производятся с большей скоростью, а остаточные напряжения устраняются почти полностью. Процедура повышает предел упругости, пластичность, стойкость к усталости, твердость и прочность - снижаются.

Этот вид ТМО используют для рессор, пружин, штампов, деталей, стойких к переменным динамическим нагрузкам.

[include_post id="21878"]

Технология получения материалов с такими качествами осложняется прохождением через критические точки, в которых возникает отпускная хрупкость:

250-400⁰ (I род - необратимый) - присущ составам, легированным магнием, никелем и хромом. Неоднородное выделение карбидов делает металл непригодным к использованию.
500-550⁰ (II род - обратимый) - недостаточная скорость охлаждения составов с высокой долей лигатур приводит к выпадению карбидов, фосфидов, нитридов к границам зерен. Большая часть этих включений приводит к понижению прочностных характеристик. Проблему решают с помощью быстрого снижения температур, введения малых концентраций молибдена или вольфрама.

Термообработка в ванне с водой формирует сжимающие усилия на поверхности, это повышает устойчивость пружин к нагрузкам.

Высокий отпуск

При нагреве до 500-650⁰ материал приобретает структуру отпускного сорбита - наилучшее из возможных сочетаний предела текучести и прочностных характеристик. ТМО, включающая закаливание и высокотемпературный отпуск называется улучшением. К улучшаемым относят конструкционные стали, подвергающиеся ударным и статическим воздействиям (для изготовления валов, осей, втулок, шатунов, прессов). В процессе происходит полная диффузия углерода, полигонизация, повышается предел выносливости и чувствительности к концентраторам напряжений.

Основным свойством улучшаемых сталей является прокаливаемость, сплавы с малой способностью пригодны только для изготовления продукции с небольшим сечением. Достаточных показателей невозможно достичь без легирования. Равномерному прогреванию способствуют элементы, которые при t⁰ закалки не оказываются связанными в карбидных или интерметаллических соединениях: хром, молибден, ванадий, никель, кремний, марганец, вольфрам.

Сводная таблица

Тип отпуска	Время	Температура отпуска стали	Краткие особенности
Низкий	1-3 часа	От 100 до 250 градусов	Происходит только частичная диффузия углерода. Следует избегать перегрева материала выше отметки 250 градусов.
Средний	2-4 часа	От 350 до 500 градусов	Происходит полная диффузия углерода без полигонизации, рекристаллизации. На практике используется редко из-за ряда ограничений.
Высокий	2-3 часа	От 500 до 700 градусов	Происходит полная диффузия углерода, полигонизация, рекристаллизация. Немного снижает прочность материала, поэтому не применяется для сверхпрочных деталей.

Отпускная хрупкость стали

Все известные стальные сплавы склонны к состояниям, когда металл теряет стойкость ко всем видам нагрузок. Явление обусловлено крайне низким показателем ударной вязкости. Необратимые изменения (хрупкость I рода) формируются при 250-400⁰. Распад мартенсита сопровождается образованием карбидных пленок на границах зерен. Эти образования распадаются при дальнейшем нагреве, однако при остановке и повторном проведении ТМО структура уже не изменяется.

Отпускная хрупкость II рода, причиной которой является слишком медленное охлаждение, тоже приводит к критическому снижению ударной вязкости, но свойства стали восстанавливаются после повторного отпуска.

Так как в современной промышленности материалы подвергают улучшению до увеличения параметров до предельных значений, хрупкие разрушения являются серьезной помехой на пути прогресса. Основные легирующие элементы, которые используются для увеличения прочности (хром, никель, марганец, кремний и др.) повышают чувствительность к критическим состояниям. Марки стали, легированные хромом и не имеющие других добавок, такой склонности не имеют.

Правила отпуска стали

Термическая обработка - сложная технологическая процедура, для выполнения которой применяется несколько степеней контроля. Тем не менее, число кустарных производств коллекционных ножей и других уникальных предметов - увеличивается. Как закаляют и отпускают сталь в домашних условиях?

Необходимо выполнить такую же последовательность, как на крупном производстве:

Закаливание;
Отпуск;
Охлаждение.

У режущих инструментов обработке подвергаются только режущие кромки, остальная часть остается закаленной, для некоторых сплавов применяют исключительно многоступенчатую закалку. Как правило, мастера работают на глаз и не используют опасных веществ и реагентов. При закаливающем нагреве изделие становится красным или вишневым, затем его охлаждают естественным путем в соляном растворе или масле.

После очищения от окислов и других загрязнений производят повторное нагревание. Терморежим зависит от химического состава обрабатываемого металла. Для процедуры используют муфельную печь, так как интуитивное знание кузнечного дела всегда достигалось десятилетиями.

_____________________________________________________________________________

Сергеев Н. Н. и др. Влияние температуры отпуска на стойкость арматурной стали 20ГС2 против водородного растрескивания //Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. – 2018. – Т. 8. – №. 2. – С. 54-67.

Гудремон Э. Специальные стали. – Рипол Классик, 2013.

Счастливцев В. М., Яковлева И. Л., Заваров А. С. Влияние отпуска на структуру и свойства патентированной стали //Физика металлов и металловедение. – 1980. – Т. 49. – №. 1. – С. 138-144.

[include_post id="5371"]