Для чего делают отпуск стали

Отпуск стали – почему материал укрепляется?

Отпуск стали (высокий, низкий, средний) применяют для того, чтобы получить более устойчивое структурное состояние сплава. Узнаем, что он собой представляет, как осуществляется, есть ли побочные эффекты и возможно ли сделать его самостоятельно в домашних условиях.

1 Что такое отпуск стали?

Это последний этап термической обработки, на котором сплав нагревают до температуры, не превышающей теплоту превращения, затем выдерживают нужное время и постепенно охлаждают с заданной скоростью. Потребность в этом возникает потому, что после термического воздействия, например, той же закалки, в материале очень часто появляются внутренние напряжения, которые негативно влияют на его свойства. Чтобы их устранить, следует осуществить вышеупомянутую операцию. Так сталь вновь возобновляет требуемые механические свойства.

Причем чем больше будет температура отпуска стали, тем он будет более эффективным, полнее снимутся осевые, тангенциальные и радиальные напряжения. В первые 15–30 минут выдержки процесс проходит наиболее интенсивно. Однако чтобы снизить значение напряжений до минимума, следует продлить время выдержки хотя бы до 1,5 часа (в индивидуальных случаях оно может достигать даже десятка часов), и тогда получится максимально возможный результат для данного температурного режима.

Но не стоит недооценивать и скорость, с которой осуществляется охлаждение – чем она меньше, тем меньше будут остаточные напряжения. А сочетание быстрой скорости охлаждения с высокой температурой (более 600°С) будет не то, чтобы малоэффективно, но и, напротив, способствуют возникновению новых тепловых напряжений. Также огромное значение играет и температурный режим, в зависимости от которого принято различать следующие виды отпуска стали: низкий, средний и высокий. Рассмотрим более подробно каждый из них.

2 Низкотемпературный и средний отпуск – технологии процессов

В этом случае осуществляют нагрев до 250°С, благодаря которому снижаются внутренние напряжения. Вместо мартенсита закалки появляется отпущенный мартенсит, что способствует повышению прочностных характеристик, а также улучшению вязкости сплава, при этом такие превращения практически не отражаются на твердости материала. Твердость закаленной стали остается прежней (HRC 58–63), а значит, она будет иметь и достаточно высокую износостойкость.

Но учтите, что даже после того, как будет проведен низкотемпературный отпуск закаленной стали, под нагрузкой динамического характера она все же будет разрушаться.

Поэтому такому виду обработки актуально подвергать измерительные и режущие инструменты, сделанные из низколегированных и углеродистых сталей. Кроме того, детали, претерпевшие цементацию, поверхностную закалку, нитроцементацию и цианирование, также проходят низкотемпературный отпуск. В среднем данная операция длится от одного часа до 2,5, но если речь идет о деталях большого сечения, то время стоит увеличить.

Его температурный режим находится в пределах от 350 и до 500°С. В результате превращения при отпуске стали такого рода формируется троостомартенсит и сталь приобретает твердость HRC 40–50. Ее в основном применяют для штампов, рессор, а также пружин. У деталей значительно повышается предел упругости, выносливости и релаксационная стойкость.

Следует очень аккуратно подбирать температурный режим, так как, допустив ошибку, можно вызвать необратимую отпускную хрупкость. Охлаждение же лучше проводить в воде. В этой среде на поверхности материала появляются остаточные сжимающие напряжения, способствующие увеличению предела выносливости.

3 Высокотемпературный отпуск – чем характерна такая обработка?

Если температура превышает 500°С, то такой отпуск называется высокотемпературным либо просто высоким. Структура стали после данной обработки – сорбит отпуска. Причем из всех вышеописанных этот вид наиболее эффективный, так как получается идеальное соотношение вязкости и прочности сплава. При этом стоит учитывать, что закалка стали в сочетании с последующей высокотемпературной обработкой способствует повышению предела текучести, прочности, ударной вязкости, а также относительному сужению.

Благодаря таким результатам подобное сочетание принято называть улучшением. Целесообразно оно для конструкционных и среднеуглеродистых сталей, к которым предъявляются особые требования. А в частности, к их пределу прочности, текучести, выносливости и ударной вязкости. При этом имейте в виду, что твердость в этом случае несколько снизится, поэтому рассчитывать на улучшение износостойких характеристик не стоит. Однако у сплава несколько уменьшится чувствительность к концентраторам напряжений, порог хладноломкости, увеличится работа развития трещины, что способствует повышению конструктивной прочности материала.

Так как выдержки в заданном температурном режиме около двух часов достаточно, чтобы устранить практически все остаточные напряжения, то данная операция обычно не длится более шести часов. Однако есть и индивидуальные случаи, когда деталь обрабатывают и несколько десятков часов, дабы предотвратить появления внутренних трещин (флокенов).

4 Процесс отпуска стали – домашняя мастерская

Как было сказано выше – на процесс отпуска стали, вернее на его эффективность, влияет скорость охлаждения, а, следовательно, и среда, в которой оно происходит. Итак, если охлаждение после отпуска будет происходить на воздухе, то в результате напряжений на поверхности сплава будет в семь раз меньше. А если сравнивать масляную среду с водой, то в первом случае напряжений останется в 2,5 раза меньше, нежели во втором. Именно по этим причинам всем элементам, имеющим сложные формы, рекомендуется давать остывать с меньшей скоростью, дабы избежать коробления. Исключением являются только лишь легированные стали, склонные к обратимой отпускной хрупкости, их-то следует после нагрева до 500–650°С охладить достаточно быстро.

Безусловно, на производстве проведение такой операции не вызывает никаких сложностей. А получится ли самостоятельно усовершенствовать материал, который часто находится под напряжением – возможен ли отпуск стали в домашних условиях? Ведь некоторые умельцы не против смастерить что-либо своими руками. Так, например, делая тот же нож, его необходимо подвергнуть термической обработке, дабы лезвие обладало нужными свойствами. А просто закаленный предмет разрушится при первом же ударе об кость. Итак, конечно же, произвести высокотемпературный отпуск дома будет довольно сложно, но нагреть предмет до 300°С вполне возможно. Для этого можно опустить его в расплавленный свинец, так как он имеет именно такую температуру плавления. Кроме того, можно воспользоваться и обыкновенной газовой либо электрической духовкой. А затем просто дать изделию постепенно остыть на воздухе.

Таким образом, видно, что средний, низкотемпературный, высокотемпературный отпуск является обязательным этапом термической обработки сплавов, благодаря которому такие свойства, как вязкость и пластичность, значительно улучшаются. А уж какой из этих видов выбрать, зависит от материала и назначения обрабатываемого элемента.

Технология закалки и отпуска стали

Термическая обработка сталей – одна из самых важных операций в машиностроении, от правильного проведения которой зависит качество выпускаемой продукции. Закалка и отпуск сталей являются одними из разнообразных видов термообработки металлов.

Тепловое воздействие на металл меняет его свойства и структуру. Это позволяет повысить механические свойства материала, долговечность и надежность изделий, а также уменьшить размеры и массу механизмов и машин. Кроме того, благодаря термообработке, для изготовления различных деталей можно применять более дешевые сплавы.

Термообработка стали заключается в тепловом воздействии на металл по определенным режимам ля изменения его структуры и свойств.

К операциям термообработки относятся:

• отжиг;
• нормализация;
• старение;
• закалка стали и отпуск стали (и пр.).

Термообработка стали: закалка отпуск – зависит от следующих факторов:

• температуры нагрева;
• времени (скорости) нагрева;
• продолжительности выдержки при заданной температуре;
• скорости охлаждения.

Закалка

Закалка стали – это процесс термообработки, суть которого заключается в нагреве стали до температуры выше критической с последующим быстрым охлаждением. В результате этой операции повышаются твердость и прочность стали, а пластичность снижается.

При нагреве и охлаждении сталей происходит перестройка атомной решетки. Критические значения температур у разных марок сталей неодинаковы: они зависят от содержания углерода и легирующих примесей, а также от скорости нагрева и охлаждения.

После закалки сталь становится хрупкой и твердой. Поверхностный слой изделий при нагреве в термических печах покрывается окалиной и обезуглероживается тем более, чем выше температура нагрева и время выдержки в печи. Если детали имеют малый припуск для дальнейшей обработки, то брак этот является неисправимым. Режимы закалки закалки стали зависят от ее состава и технических требований к изделию.

Охлаждать детали при закалке следует быстро, чтобы аустенит не успел превратиться в структуры промежуточные (сорбит или троостит). Необходимая скорость охлаждения обеспечивается посредством выбора охлаждающей среды. При этом чрезмерно быстрое охлаждение приводит к появлению трещин или короблению изделия. Чтобы этого избежать, в интервале температур от 300 до 200 градусов скорость охлаждения надо замедлять, применяя для этого комбинированные методы закалки. Большое значение для уменьшения коробления изделия имеет способ погружения детали в охлаждающую среду.

Нагрев металла

Все способы закалки стали состоят из:

• нагрева стали;
• последующей выдержки для достижения сквозного прогрева изделия и завершения структурных превращений;
• охлаждения с определенной скоростью.

Изделия из углеродистой стали нагревают в камерных печах. Предварительный подогрев в этом случае не требуется, так как эти марки сталей не подвергаются растрескиванию или короблению.

Сложные изделия (например, инструмент, имеющий выступающие тонкие грани или резкие переходы) предварительно подогревают:

• в соляных ваннах путем двух-или трехкратного погружения на 2 – 4 секунды;
• в отдельных печах до температуры 400 – 500 градусов по Цельсию.

Нагрев всех частей изделия должен протекать равномерно. Если это невозможно обеспечить за один прием (крупные поковки), то делаются две выдержки для сквозного прогрева.

Если в печь помещается только одна деталь, то время нагрева сокращается. Так, например, одна дисковая фреза толщиной 24 мм нагревается в течение 13 минут, а десять таких изделий – в течение 18 минут.

Защита изделия от окалины и обезуглероживания

Для изделий, поверхности которых после термообработки не шлифуются, выгорание углерода и образование окалины недопустимо. Защищают поверхности от подобного брака применением защитных газов, подаваемых в полость электропечи. Разумеется, такой прием возможен только в специальных герметизированных печах. Источником подаваемого в зону нагрева газа служат генераторы защитного газа. Они могут работать на метане, аммиаке и других углеводородных газах.

Если защитная атмосфера отсутствует, то изделия перед нагревом упаковывают в тару и засыпают отработанным карбюризатором, чугунной стружкой (термисту следует знать, что древесный уголь не защищает инструментальные стали от обезуглероживания). Чтобы в тару не попадал воздух, ее обмазывают глиной.

Соляные ванны при нагреве не дают металлу окисляться, но от обезуглероживания не защищают. Поэтому на производстве их раскисляют не менее двух раз в смену бурой, кровяной солью или борной кислотой. Соляные ванны, работающие на температурах 760 – 1000 градусов Цельсия, весьма эффективно раскисляются древесным углем. Для этого стакан, имеющий множество отверстий по всей поверхности, наполняют просушенным углем древесным, закрывают крышкой (чтобы уголь не всплыл) и после подогрева опускают на дно соляной ванны. Сначала появляется значительное количество языков пламени, затем оно уменьшается. Если в течение смены таким способом трижды раскислять ванну, то нагреваемые изделия будут полностью защищены от обезуглероживания.

Степень раскисления соляных ванн проверяется очень просто: обычное лезвие, нагретое в ванне в течение 5 – 7 минут в качественно раскисленной ванне и закаленное в воде, будет ломаться, а не гнуться.

Охлаждающие жидкости

Основной охлаждающей жидкостью для стали является вода. Если в воду добавить небольшое количество солей или мыла, то скорость охлаждения изменится. Поэтому ни в коем случае нельзя использовать закалочный бак для посторонних целей (например, для мытья рук). Для достижения одинаковой твердости на закаленной поверхности необходимо поддерживать температуру охлаждающей жидкости 20 – 30 градусов. Не следует часто менять воду в баке. Совершенно недопустимо охлаждать изделие в проточной воде.

Недостатком водяной закалки является образование трещин и коробления. Поэтому таким методом закаливают изделия только несложной формы или цементированные.

• При закалке изделий сложной конфигурации из конструкционной стали применяется пятидесятипроцентный раствор соды каустической (холодный или подогретый до 50 – 60 градусов). Детали, нагретые в соляной ванне и закаленные в этом растворе, получаются светлыми. Нельзя допускать, чтобы температура раствора превышала 60 градусов.

Режимы

Пары, образующиеся при закалке в растворе каустика, вредны для человека, поэтому закалочную ванну обязательно оборудуют вытяжной вентиляцией.

Следует остерегаться попадания воды в масляную ванну, так как это может привести к растрескиванию изделия. Что интересно: в масле, разогретом до температуры выше 100 градусов, попадание воды не приводит к появлению трещин в металле.

Недостатком масляной ванны является:

1. выделение вредных газов при закалке;
2. образование налета на изделии;
3. склонность масла к воспламеняемости;
4. постепенное ухудшение закаливающей способности.

• Стали с устойчивым аустенитом (например, Х12М) можно охлаждать воздухом, который подают компрессором или вентилятором. При этом важно не допускать попадания в воздухопровод воды: это может привести к образованию трещин на изделии.
• Ступенчатая закалка выполняется в горячем масле, расплавленных щелочах, солях легкоплавких.
• Прерывистая закалка сталей в двух охлаждающих средах применяется для обработки сложных деталей, изготовленных из углеродистых сталей. Сначала их охлаждают в воде до температуры 250 – 200 градусов, а затем в масле. Изделие выдерживается в воде не более 1 – 2 секунд на каждые 5 – 6 мм толщины. Если время выдержки в воде увеличить, то на изделии неизбежно появятся трещины. Перенос детали из воды в масло следует выполнять очень быстро.

Вам нужно быстро и качественно нарезать металл? Воспользуйтесь плазменной резкой! Как правильно ее выполнять, читайте в этой статье.

Если вас интересует, как сделать токарную обработку металлических изделий, читайте статью по https://elsvarkin.ru/obrabotka-metalla/tokarnaya-obrabotka-metalla-obshhie-svedeniya/ ссылке.

Процесс отпуска

Отпуску подвергаются все закаленные детали. Это делается для снятия внутренних напряжений. В результате отпуска несколько снижается твердость и повышается пластичность стали.

В зависимости от требуемой температуры отпуск производится :

• в масляных ваннах;
• в селитровых ваннах;
• в печах с принудительной воздушной циркуляцией;
• в ваннах с расплавленной щелочью.

Температура отпуска зависит от марки стали и требуемой твердости изделия, например, инструмент, для которого необходима твердость HRC 59 – 60, следует отпускать при температуре 150 – 200 градусов. В этом случае внутренние напряжения уменьшаются, а твердость снижается незначительно.

Быстрорежущая сталь отпускается при температуре 540 – 580 градусов. Такой отпуск называют вторичным отвердением, так как в результате твердость изделия повышается.

Изделия можно отпускать на цвет побежалости, нагревая их на электроплитах, в печах, даже в горячем песке. Окисная пленка, которая появляется в результате нагрева, приобретает различные цвета побежалости, зависящие от температуры. Прежде чем приступать к отпуску на один из цветов побежалости, надо очистить поверхность изделия от окалины, нагара масла и т. д.

Обычно после отпуска металл охлаждают на воздухе. Но хромоникелевые стали следует охлаждать в воде или масле, так как медленное охлаждение этих марок приводит к отпускной хрупкости.

Особенности и виды отпуска стали как способа термообработки металла

Отпуском металла называется технологический процесс термообработки закалённого стального сплава. Он даёт возможность завершить фазовые превращения в микроструктуре (мартенсите), которая приобретает наиболее устойчивое состояние. Дело в том, что в процессе закалки в металле возникают внутренние напряжения — осевые, радиальные, тангенциальные. Чтобы устранить их негативные последствия такие как хрупкость и низкая пластичность, изделия нагревают в печах при различных температурах (от 250 °C до 650 °C), выдерживают заданное время (от 15 минут до 1,5 часа), а потом медленно охлаждают.

Комплекс этих мероприятий приводит к выделению лишнего углерода, перестройке и упорядочиванию структуры металла, устранению дефектов его кристаллического строения. Обработанные материалы приобретают заданный комплекс механических свойств, среди которых основные — увеличение пластичности и снижение хрупкости при сохранении достаточного уровня прочности.

Виды отпуска стали

1. Низкий.
2. Средний.
3. Высокий.

Понятие низкого отпуска.

Для снижения внутренних напряжений низкий отпуск стали обычно проводят нагреванием до 250 °C в течение от 1 до 2,5 часа. Из металла в процессе диффузии выделяется часть излишков углерода, из них образуются карбидные частицы в виде пластин и стержней. Неравновесная структура мартенсита закалки превращается в равновесный отпущенный мартенсит. Этим достигается стабилизация размеров изделий, повышаются вязкость и прочность, а показатели твёрдости практически не изменяются.

Низкотемпературному отпуску подвергают железоуглеродистые и низколегированные стали для производства режущего и измерительного инструмента, который не испытывает динамических нагрузок. В основном его выполняют для сталей, закалённых токами высокой частоты, а также для сплавов, поверхность которых ранее насыщалась углеродом и азотом.

Особенности среднего отпуска.

Он проводится при температурах от 350 °C до 500 °C и обеспечивает высокую упругость и релаксационную стойкость. Из стали выделяется весь избыточный углерод, а карбид переходит в цементит. Мартенсит уже полностью разложился, а перестройка структуры металла (полигонизация) и её совершенствование (рекристаллизация) ещё не начались. Новая комбинация называется троостомартенсит и характеризуется ускорением процессов диффузии. Кристаллическая решётка сплава при этом превращается в кубическую, а внутренние напряжения ещё больше уменьшаются.

Охлаждение металла осуществляют в воде, что тоже увеличивает предел выносливости. Среднетемпературный отпуск необходим при производстве упругих деталей: рессор, ударного инструмента и пружин.

Технология высокого отпуска.

При температурах свыше 500 °C в углеродистых сплавах происходят структурные преобразования, которые уже не относятся к фазовым превращениям. Претерпевают изменения конфигурация и габариты частиц кристаллов, их зёрна укрупняются, а форма стремится к равноосной. Комплексная термообработка, включающая закалку и высокий отпуск стали, в материаловедении называется улучшением, а кристаллическая структура металла после этого — сорбитом отпуска. Она считается наиболее эффективной, так как достигается идеальное сочетание вязкости, пластичности и прочности сплава. Однако несколько снижается твёрдость, поэтому не приходится надеяться на улучшение износостойкости.

Продолжительность высокого отпуска варьируется в пределах от 1 до 6 часов и зависит от размеров зубчатых передач, опор, коленчатых валов, втулок, болтов и винтов, изготовленных из конструкционных и среднеуглеродистых сталей. Эти изделия в процессе эксплуатации воспринимают ударные нагрузки и работают на сжатие, растяжение и изгиб, а к их прочности, выносливости, текучести и ударной вязкости предъявляются особые требования.

Явление отпускной хрупкости

Изучая сущность процесса, можно было бы сделать вывод, что при любом увеличении температуры отпуска станет повышаться и ударная вязкость. Но при обработке стальных сплавов в определённых температурных интервалах возникает внезапное падение ударной вязкости без изменения прочих механических характеристик. Это явление обозначается термином «отпускная хрупкость» и объясняется следующим образом:

1. Отпускная хрупкость Ι рода — необратимый процесс. При температурах от 250 °C до 300 °C карбиды из мартенсита начинают выделяться неравномерно, что приводит к резкому различию прочности на поверхности зёрен кристаллов и внутри их. Этому подвержены все виды стальных сплавов вне зависимости от состава и скорости охлаждения по окончании отпуска. Это явление невозможно устранить и для его предотвращения стараются просто не выполнять обработку при данных температурах.
2. Отпускная хрупкость ΙΙ рода — обратимый процесс. Возникает при замедлении охлаждения некоторых легированных хромом, марганцем и никелем сталей, которые отпускались при температурах выше 500 °C. Причиной опять является выделение и диффузное перераспределение карбидов, а также фосфидов и нитридов. Чтобы подавить развитие обратимой хрупкости, применяют повторный отпуск с масляным охлаждением, при этом скорость последнего должна быть как можно более высокой. Добавки в легированную сталь до 1% вольфрама или до 0,3% молибдена тоже помогают решить эту проблему. Интересно, что если во время эксплуатации детали будут снова подвергаться нагреву до температуры выше 500 °C, отпускная хрупкость возникнет повторно, почему она и получила название обратимой.

Термообработка инструментальных сплавов

Практически для всех металлов справедливо утверждение: с повышением температуры отпуска снижается прочность и увеличивается пластичность. Исключение составляют только быстрорежущие стали, применяющиеся в производстве инструментов. Для обеспечения лучших характеристик теплостойкости и износостойкости их легируют карбидообразующими элементами: молибденом, кобальтом, вольфрамом и ванадием. А для закалки используют нагрев до температур свыше 1200 °C, что позволяет наиболее полно растворить образовавшиеся карбиды.

Теплопроводности самого железа и легирующих его элементов значительно различаются, поэтому для предотвращения деформации и растрескивания при нагреве следует выполнять температурные паузы. Это происходит при достижении 800 °C и 1050 °C, а для больших предметов первый интервал назначают при температуре 600 °C. Длительность остановки лежит в пределах от 5 до 20 минут, что позволяет обеспечить наилучшие условия для растворения карбидов. Охлаждение чаще всего проводят в масле.

Существенно уменьшить деформацию позволяет ступенчатая термообработка стали в расплавах солей, где закалка выполняется при температуре около 500 °C. Для увеличения твёрдости изделий далее следует двукратный отпуск при 570 °C. Длительность процесса составляет 1 час, а на его режим влияют химические свойства легирующих элементов и температура, определяющая скорость выделения карбидов.

Отпуск сталей

Отпуск – это процесс термической обработки, заключающийся в нагреве закаленной стали до температур ниже точки Ас1, c целью получения равновесной структуры и заданного комплекса механических свойств.

Содержание

После закалки сталь имеет структуру на основе мартенсита с тетрагональной искаженной кристаллической решеткой и остаточного аустенита, количество которого зависит от химического состава стали. При нагреве закаленной стали в ее структуре происходят фазовые превращения, которые можно показать в виде схемы.

Схема фазовых превращений при отпуске сталей

Низкий отпуск сталей

Низкий отпуск стали делают при температуре до 250°С. При этом процессе из мартенсита выделяется часть избыточного углерода с образованием мельчайших карбидных частиц (ε-карбидов). ε-карбиды выделяются в виде пластин или стержней и они когерентно связаны с решеткой мартенсита. Распад остаточного аустенита при низком отпуске происходит по механизму бейнитного превращения: образуется гетерогенная смесь кристаллов низкоуглеродистого мартенсита и дисперсных карбидов. Продуктом низкого отпуска является мартенсит отпуска, который отличается от мартенсита закалки меньшей концентрацией углерода и наличием в нем карбидов (ε-карбидов), которые когерентно связаны с решеткой мартенсита.

При температуре около 250°С начинается превращение карбида в цементит; при этом когерентность решеток α-твердого раствора мартенсита и карбидов нарушается.

Низкому отпуску подвергают инструментальные железоуглеродистые материалы (режущий и мерительный инструмент), а также стали, которые подвергались цементации, нитроцементации. Часто низкий отпуск делают для сталей после термообработки токами высокой частоты.

Средний отпуск

Средний отпуск проводится при температурах 350–400 °С. При этом из мартенсита выделяется весь избыточный углерод с образованием цементитных частиц. Тетрагональность (степень тетрагональности) решетки железа уменьшается, она становится кубической. В результате вместо мартенсита остается феррит. Такая феррито-цементитная смесь называется трооститом отпуска, а процесс, приводящий к таким изменениям, среднетемпературным отпуском. При среднем отпуске снижается плотность дислокаций и уменьшаются внутренние напряжения в стали.

Средний отпуск применяется при термообработке упругих деталей: рессор, пружин и др.

Высокий отпуск

Во время высокого отпуск (450-550°С и выше) в углеродистых сталях происходят изменения структуры, не связанные с фазовыми превращениями: изменяются форма, размер карбидов и структура феррита. С повышением температуры происходит коагуляция – укрупнение частиц цементита. Форма кристаллов постепенно становится сферической – этот процесс называется сфероидизацией.

Коагуляция и сфероидизация карбидов начинают происходить более интенсивно с температуры 400°С. Зерна феррита становятся крупными, и их форма приближается к равноосной. Феррито-карбидная смесь, которая образуется после отпуска при температуре 400–600 °С, называется сорбитом отпуска. При температуре, близкой к точке А1, образуется достаточно грубая феррито-цементитная смесь – перлит.

Высокий отпуск с температур 450-550°С применяется для большинства конструкционных сталей. Его широко используют при термообработке различных втулок, опор, крепежных изделий, работающих на растяжение-сжатие и других изделий, которые испытывают статические нагрузки.

Явление отпускной хрупкости

При отпуске некоторых сталей возможно протекание процессов, которые снижают ударную вязкость стали не меняя остальные механические свойства. Такое явление называется отпускной хрупкостью и наблюдается в температурных интервалах отпуска при 250–400ºС и 500–550ºС. Первый вид хрупкости называется отпускной хрупкостью Ι рода и является необратимым, поэтому стоит избегать отпуска сталей при этих температурах. Данный вид присущ практически всем сталям, легированным хромом, магнием, никелем и их сочетанием, и обусловлен неоднородным выделением карбидов из мартенсита. Второй вид отпускной хрупкости – отпускная хрупкость ΙΙ-го рода является обратимым. Отпускная хрупкость ΙΙ-го рода проявляется при медленном охлаждении легированной стали при температуре 500–550°С. Данная хрупкость может быть устранена повторным отпуском с большой скоростью охлаждения (в воде или масле). В этом случае устраняется причина этой хрупкости – выделение карбидов, нитридов, фосфидов по границам бывших аустенитных зерен. Устранение отпускной хрупкости легированных сталей возможно введением в них малых добавок молибдена (0,2–0,3 %) или вольфрама (0,5–0,7 %).

Графически эти виды хрупкости выглядят, как показано на рисунке.

Проявление отпускной хрупкости в сталях при отпуске

Практически все стали подчиняются закону: повышение температуры отпуска — снижение прочностных характеристик и повышение пластических, как показано на рисунке ниже.

Влияние температуры отпуска на механические свойства стали

Такая закономерность не касается быстрорежущих инструментальных легированных карбидообразующими элементами сталей.

Отпуск быстрорежущих инструментальных сталей

Основными легирующими элементами быстрорежущих сталей (Р18, Р6М5 и др.) являются вольфрам, молибден, кобальт и ванадий — элементы, обеспечивающие теплостойкость и износостойкость при эксплуатации. Быстрорежущие стали относятся к карбидному (ледебуритному) классу. Под закалку эти стали нагревают до температуры выше 1200°С (Р18 до температуры 1270°С, Р6М5 — до 1220°С). Высокие температуры закалки необходимы для более полного растворения вторичных карбидов и получения аустенита высоколегированного хромом, молибденом, вольфрамом, ванадием. Это обеспечивает получение после закалки теплостойкого мартенсита. Даже при очень высоком нагреве растворяется только часть карбидов. Для этих сталей характерно сохранение мелкого зерна при высоких температурах нагрева.

Железо и легирующие элементы “быстрорезов” имеют сильно отличающиеся свойства теплопроводности, поэтому при нагреве, для избежания трещин, следует делать температурные остановки. Обычно при 800 и 1050°С. При нагреве крупного инструмента первую выдержку делают при 600°С. Время выдержки составляет 5-20 мин. Выдержка при температуре закалки должна обеспечить растворение карбидов в пределе их возможной растворимости. Охлаждение инструмента чаще всего делают в масле. Для уменьшения деформации применяют ступенчатую закалку в расплавах солей с температурой 400-500°С. Структура “быстрорезов” после закалки состоит из высоколегированного мартенсита, содержащего 0,3-0,4%С, нерастворенных избыточных карбидов и остаточного аустенита. Чем выше температура закалки, тем ниже положение точек Мн, Мк и тем больше остаточного аустенита. В стали Р18 присутствует примерно 25-30% остаточного аустенита, в стали Р6М5 — 28-34%. Для уменьшения аустенита можно сделать обработку холодом, но как правило этого не требуется.

После закалки следует отпуск при 550 — 570°С, вызывающий превращение остаточного аустенита в мартенсит и дисперсионное твердение за счет частичного распада мартенсита и выделения дисперсных карбидов легирующих элементов. Это сопровождается увеличением твердости (вторичная твердость). В процессе выдержки при отпуске из остаточного аустенита выделяются карбиды, что уменьшает его легированность, и поэтому при последующем охлаждении он претерпевает мартенситное превращение (Мн

150°С). В процессе однократного отпуска только часть остаточного аустенита превращается в мартенсит. Чтобы весь аустенит перешел в мартенсит применяют двух и трехкратный отпуск. Время выдержки обычно составляет 60 минут.
При назначении режима нужно учитывать химические свойства элементов и периодичность выделения карбидов в зависимости от температуры. Например максимальная твердость стали Р6М5 получается за счет 3-х стадийного отпуска. Первый отпуск при температуре 350°С, последующие два при температуре 560-570°С. При температуре 350°С выделяются частицы цементита, равномерно распределенные в стали. Это способствует однородному выделению и распределению спецкарбидов М₆С при температуре 560-570°С.

Отпуск стали: виды и назначения

Отпуск – завершающая стадия термической обработки стали. Выполняется после закалки. От неё зависит качество и срок службы детали.

Задача заключается в том, чтобы нагреть стальную заготовку до температуры ниже уровня критической, после чего некоторый период времени значение выдерживается и медленно (либо быстро, в зависимости от специфики техпроцесса) выполнить отпуск до нужного показателя.

Выполняются следующие действия:

1. Уменьшается или полностью устраняется возможное напряжение в стальной заготовке.
2. Повышается показатель вязкости металла, до значения, требуемого условиями эксплуатации.
3. Снижается твердость заготовки, это важно для ее обработки.

Основными процессами во время операции являются: распад мартенсита, последующая полигонизация, рекристаллизация.

Изделие подвергается нагреву в печи от 150-250 и до 370-650 ºC, значение контролируется плавно, резкие смены показателей недопустимы.

Виды отпуска стали

Каждый вид характеризуется назначением, условиями проведения, предписанным температурным режимом, которые прорабатываются в зависимости от последующих условий эксплуатации заготовки, необходимости придания ей определенных характеристик.

1. Низкий. Температура нагрева – 150-300 ºC;
2. Средний. С температурой нагрева – 300-450 ºC;
3. Высокий. Температура – 450-650 ºC.

Низкий

Процедура проводится с учетом нагрева в печи до 150-250 ºC. Далее проводится продолжительная выдержка, учитывая значение температуры, завершающей стадией является охлаждение заготовки на открытом воздухе.

Когда осуществляется выдержка стальной заготовки, в установленном диапазоне температуры мартенсит принимает форму отпуска. Образовавшееся ранее напряжение в структуре будет снято, аустенит остаточного значения превратится в мартенсит аналогичной формы. Если этапы проведены правильно, достигается прочность детали, можно легко обрабатывать ее для получения требуемой формы и габаритов.

По завершении операции, металл сохраняет твердость, но в отдельных случаях, показатель увеличивается. Достигается результат благодаря распаду остаточного аустенита. Параллельно с сохранением твердости, локализуется хрупкость закалки. Данный вид операции используется при изготовлении различных изделий, режущего инструмента, при условии, что обеспечивается высокая твердость конструкции. Благодаря трансформации мартенсита, обеспечивается стабилизация габаритов заготовки. Это актуально при условии соблюдения параметров измерительного инструмента, в процессе изготовления которого используется инструментальная сталь. При изготовлении инструмента проводится именно данный вид операции.

Средний

Предусматривается соблюдение температуры 300-500 ºC. Твердость на последней стадии стремительно понижается, но увеличивается значение вязкости. Можно получить троостит отпуска, твердость металла повышается до значения 43 HRC. Применяется в процессе изготовления пружин, рессор, специального технологического инструмента, для которого характерна высокая прочность, упругость. При этом – твердость устанавливается на среднем уровне, это позволит осуществлять обработку заготовки, придание ей нужных характеристик.

Высокий

Выполняется с учетом температурного режима в 500-600 ºC. Главное назначение заключается в получении максимальной вязкости при оптимальном сочетании прочности, упругости структуры стали. На практике, это применяется в процессе изготовления деталей, выполненных из конструкционных марок. В процессе выполнения работы они подвергаются воздействию высокого напряжения. Это актуально при воздействии на структуру металла ударных нагрузок при отливке.

В ходе изготовления деталей, рассчитанных на использование различных типов механизмов, станков, принято использовать термообработку. Суть заключается в закалке заготовки с дальнейшим высоким отпуском. Выполняется он с учетом сохранения температуры, благодаря чему обеспечивается получение сорбита, отличной пластичности и прочности металла. Процесс обработки носит название «улучшение характеристик металла».

Может предусматриваться и нагрев в металле. Его выполняют исключительно в печах, используемых на производстве при проведении иных способов обработки заготовки. Потребуется обеспечить равномерную температуру на протяжении всего этапа, осуществляя параллельно с этим точный контроль состояния металла.

Отпускная хрупкость

Параллельно с увеличением значения температуры отпуска, возрастает ударная вязкость, охлаждение не воздействует на характеристики. Для отдельных марок стали, характерно понижение указанного показателя, дефект носит название «отпускная хрупкость».

Отмечается два вида явления, каждое из которых выделяется спецификой формирования, последующим результатом. Обратите внимание на особенности каждого из них, от этого зависит разработка технологического процесса создания заготовки.

Отпускная хрупкость 1 рода

Возникает, когда область температур проходит значение 300 ºC. Это не связано параметрами охлаждения заготовки, на заключительном этапе обработки. Подобное проявление вызвано разницей уровней превращения мартенсита в создаваемой заготовке. Измеренное значение хрупкости необратимо, даже при нагреве этого элемента повторно, оно не будет проявляться, следовательно, структура сохраняется в стабильном состоянии.

Отпускная хрупкость 2 рода

Явление проявляется в структуре легированных марок стали, когда осуществляется медленное их охлаждение. Устанавливается температура 450-650 ºC. Когда при отливке заготовки имеет место высокий отпуск, по границам металла отмечается выделение дисперсных включений карбидов. При рассмотрении, приграничная зона объединяется, благодаря наличию легирующих компонентов.

Когда осуществляется плавное охлаждение, формируется диффузия, она проявляется острее к границам зерна. Части структуры в приграничной области обогащаются фосфором. Это проявление позволит понизить уровень ударной вязкости, а также прочность. Отмечено как обратимый процесс, при вторичном нагреве, плавном охлаждении до нужного значения, если установлен опасный для показателей интервал, дефект имеет все шансы возникнуть заново. Стали, имеющие склонность к формированию в структуре хрупкости данного рода, не могут нагреваться до 650 ºC.

Принимается решение провести отпуск того или иного вида, в зависимости от характеристик заготовки, эксплуатационных показателей, а также потребностей производственного процесса. Важно соблюсти температуру, в дальнейшем осуществлять естественное охлаждение заготовки, что позволит добиться внушительного результата. В процессе нет ничего сложного, если заблаговременно проработать карту технологических операций.