Зачем нужен отпуск закаленной стали

Назначение проведения высокого отпуска металла

Основная цель обработки металла методом высокого отпуска — придание ему максимальной вязкости в условиях сохранения достаточных упругости и предела прочности металла. В процессе проведения высокого отпуска сталь приобретает наивыгоднейшее сочетание механических свойств с вязкостью и пластичностью. Также, при условии медленного охлаждения, практически полностью устраняются внутренние напряжения металла, возникающие после закалки. Используется для снятия напряжений после правки.

Термообработку в виде высокого отпуска применяют к деталям из среднеуглеродистых и конструкционных сталей — к ним предъявляются повышенные требования относительно пределов ударной вязкости, выносливости и текучести. Повышается конструктивная прочность стали, происходит понижение верхнего и нижнего порогов хладноломкости, сводится к минимуму возможность развития трещин.

Методика улучшения стали, как правило, применяется для деталей различных станков и машин.

Видео

Особенности и виды отпуска стали как способа термообработки металла

Комплекс этих мероприятий приводит к выделению лишОтпуском 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.

Низкий отпуск

Низкой отпуск производится в температурном диапазоне 120÷300 ºC. Выбор конкретного температурного режима зависит от марки металла и требуемого результата. Чаще всего таким способом снижают внутренние напряжения и несколько повышают вязкость инструментальных сталей, которым требуется повышенная твердость и стойкость к износу. При 120÷150 ºC изменения твердости не происходит, а только снижаются остаточные напряжения. Для ее уменьшения изделие необходимо нагреть как минимум до 200 ºC и выдерживать в этих условиях не менее одного часа. В интервале от 200 ºC до 300 ºC начинается формирование мартенсита отпуска и происходит уменьшение твердости с одновременным увеличением вязкости стали.

В некоторых случаях в этом температурном диапазоне наблюдается значительное снижение вязкости, которое называют отпускной хрупкостью. Последствия этого явления устраняются дополнительной термообработкой. Кроме инструментальных, низкий отпуск с нагреванием до 250 ºC применяется и для конструкционных сталей, поверхность которых была подвергнута термохимической обработке.

Обработка инструментальных сплавов

Высокий, средний и низкий отпуск стали годятся только для температурной обработки сплавов, содержащих менее 0,7% углерода. Для сплавов с более высоким содержанием углерода (их называют инструментальными) используются другие способы. Рассмотрим основные технологии:

  • Не рекомендуется делать отпуск быстрорежущих инструментальных сплавов, поскольку они содержат молибден, кобальт, вольфрам, ванадий. Эти элементы устойчивы к нагреву, поэтому они не меняют своих физико-химических свойств при отпускном нагреве. Вместо отпуска рекомендуется делать многоступенчатую закалку: для этого материал поэтапно нагревается до 800, 1050 и 1200 градусов — после этого выполняется резкое охлаждение сплава в масляной среде.
  • Обработку обычных инструментальных сплавов рекомендуется выполнять в два этапа. Сначала происходит закалка материала в расплавах солей при температуре 450-500 градусов. После этого выполняется второй этап — двойной отпуск при температуре 550-600 градусов (не более 1 часа). Обратите внимание, что при нагреве инструментальных сплавов возможность возникновения отпускной способности второго рода исключается.

Общее описание процесса

Основные этапы проведения отпуска стали:

  • нагрев сплава до температур начала фазовых превращений;
  • выдержка при требуемой температуре;
  • охлаждение с установленной скоростью.

В результате этого вида т/о получают требуемые технические характеристики изделий, сводят к минимуму внутренние напряжения. Чем выше температура термообработки и чем ниже скорость остывания, тем эффективнее устраняются остаточные напряжения.

Скорость охлаждения зависит от химического состава сплава и запланированного результата:

  • интенсивное охлаждение после отпуска при +550…+650°Cповышает предел выносливости стали за счет сохранения в приповерхностном слое остаточных напряжений сжатия;
  • металлоизделия сложной конфигурации после высокотемпературного отпуска охлаждают медленно, что позволяет избежать коробления;
  • полуфабрикаты из легированных сталей, для которых характерна отпускная хрупкость, после отпуска при +550…+650°C охлаждают только в ускоренном темпе.

В зависимости от температуры нагрева выделяют три вида отпуска стали – высокий, средний и низкий.

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.

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 , 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.

Что такое отпуск стали

Отпуском металла называют один из видов термической обработки, при которой сохраняется его фазовое состояние, но при этом корректируется ряд закалочных характеристик. В первую очередь при отпуске резко уменьшается напряжение внутренней структуры, которое возникает в результате деформаций кристаллической решетки при закалке.

Кроме того, снижается жесткость и хрупкость, что является следствием насыщения игольчатых элементов мартенсита ферритом и образования перлитовых зерен (см. рис. ниже). Такая структура сохраняет свойства закаленного металла, но вместе с тем становится более пластичной и вязкой.

У легированных сталей все эти процессы протекают с некоторыми отличиями, которые связаны с тем, что легирующие элементы в определенных условиях становятся центрами кристаллизации и таким образом изменяют физико-химические характеристики металла.

В целом соблюдается правило: чем выше температура,

В целом соблюдается правило: чем выше температура, тем ниже хрупкость и твердость и выше гибкость и вязкость. В зависимости от используемых температурных диапазонов выделяют три основных вида отпуска стали: низкий, средний и высокий, пределами нагревания которых являются, соответственно, 300 ºC, 450 ºC и 650 ºC. Первый вид характеризуется самой высокой твердостью, а последний — самой большой ударной вязкостью.

Температуры нагрева при отпуске сталей напрямую зависят от их химического состава, т. к. легирующие добавки оказывают значительное влияние на процесс формирования структурных элементов. Обычно это связано с замедлением распада мартенсита, что требует повышения температурных режимов.

Кроме того, при отпуске высоколегированных сталей могут присутствовать такие явления, как увеличение жесткости, связанное с образованием троостита, и возникновение отпускной хрупкости.

Особенности работы с инструментальными сплавами

Для высокого, среднего и низкого отпуска подходит только сталь, содержащая максимум 0,7% углерода. Металлы с большим содержанием этого вещества, также называемые инструментальными сплавами, обрабатываются другими способами.

Поскольку такой материал используют для производства износоустойчивых инструментов, важно обеспечить его правильную термообработку. Прежде чем наступит этап отпуска стали, проводят закалку — процесс нагрева материала до температуры изменения кристаллической решетки (около 500С) с использованием расплавов солей. Это приводит к увеличению растворимости легирующих материалов, что выражается приобретением кристаллической решетки (связано с избытком легирующего элемента) игольчатой формы.

Применение закалки и отпуска стали используют для обычных инструментальных сплавов. Чтобы каление оказалось максимально эффективным, важно обеспечить высокую скорость охлаждения стали, для чего используют:

  • воду;
  • соляные растворы на основе воды;
  • техническое масло;
  • инертные газы.

К примеру, охлаждение заготовок с температуры 600°С на воздухе происходит в 6 раз медленнее, чем в воде. Растворенные в воде соли способствуют повышению закаливающих свойств металла, но такой способ имеет главный недостаток — в местах образования мартенсита возникают трещины. Для металлов, использующихся при изготовлении медицинских инструментов, используют охлаждение в разряженном воздухе, благодаря чему на поверхности изделий не образуется оксидная пленка.

Быстрорежущие инструментальные сплавы не рекомендуется обрабатывать отпуском, поскольку они содержат дополнительные легирующие присадки в виде:

  • вольфрама;
  • молибдена;
  • ванадия;
  • кобальта.

Такие элементы обладают термоустойчивостью, а, значит, неспособны менять физико-химические свойства при рабочих температурах отпуска стали. По этой причине основной способ термообработки заключается в многоступенчатой закалке. Она представляет собой поэтапное нагревание металла до 800, 1050 и 1200°С. После этого сплав резко охлаждают в масляной среде. Между первым и вторым нагревом необходимо соблюдать выдержку от 5 до 20 минут. Она позволяет карбидам раствориться в допустимых пределах.

Выбор стали для закалки

Для начала условно разделим все стали на высокоуглеродистые и легированные. Все стали – это сплавы железа с углеродом и различными легирующими элементами; от того, преобладает ли в ней один углерод или в значительном количестве присутствуют и легирующие элементы, и будет зависеть название стали. Нельзя сказать, что та или иная группа хуже или лучше поддается закалке; у них изначально очень разные характеристики и разные задачи, поэтому мы просто расскажем о закаливании тех и других сталей.

Закалка углеродистых сталей

С этой сталью, как и с изделиями из нее, накоплен огромный опыт работы. Сама по себе она требует меньших температур закалки, чем легированная различными элементами – у нее и без этого довольно высокие показатели твердости и прочности, которые так ценятся на рынке.

  • Низкоуглеродистые стали закаливают при температурах от 727 до 950 °С.
  • Средне- и высокоуглеродистые стали закаливают при температурах от 680 до 850 °С.

Нужно помнить, что стали с совсем низким содержанием углерода закалке вообще не поддаются.

Если мы желаем изготавливать и закалять в домашних условиях клинок из углеродистых сталей, нам подойдут следующие марки.

Российские:

  • У7 – У10;
  • 65 Г.

Американские:

  • О1;
  • 1095.

Эти марки при правильной термообработке характеризуются большой прочностью и твердостью, хотя и низкой устойчивостью к коррозии.

Закалка легированных сталей

Помимо железа и углерода в таких сталях содержится значительное количество различных легирующих элементов, которые придают сплаву особые свойства, нужные в той или иной сфере.

  • Хром превращает сталь в коррозионностойкую, если его содержание превышает 12–16 %.
  • Молибден и никель повышают прочность стали и ее способность выдерживать высокие нагрузки.
  • Ванадий улучшает износостойкость сплава и придает клинкам из него способность держать необычайно острую заточку.

Ввиду наличия в сплаве этих элементов сталь обладает худшей теплопроводностью, чем чистая углеродистая, поэтому: 1) для нагрева и охлаждения ей понадобится больше времени – если ускорять процесс искусственно, то по сплаву могут пойти трещины; 2) для закалки ей нужна большая температура – от 850 до 1 100 °С.

К сожалению, правильная термообработка сложнолегированных сталей достаточно трудна, так как для придания клинку высоких рабочих свойств нужны и точная температура, и специальное оборудование для глубокого охлаждения. Поэтому закалить их качественно «на глазок» не получится.

К наиболее распространенным маркам относятся следующие:

  • 420;
  • 440А;
  • D2;
  • ATS34;
  • CPM S320V.

О последнем образце можно сказать, что он исключительно износостоек.

Виды

Температура отпуска стали считается самым главным параметром при проведении этого технологического процесса. Существует три вида термической обработки отпуском. Особенности проведения технологического процесса зависят от типа термообработки.

Низкий

Термообработка подразумевает под собой охлаждение закаленной стали до температур ниже критической. Скорость охлаждения при этом зависит от марки материала. Металл разогревается до температуры в 250 градусов по Цельсию. Низкий отпуск используется для обработки деталей, прошедших цементацию или нитроцементацию. Мастера могут проводить данный вид термообработки при проведении токов высокой частоты через заготовку.

Средний

Процесс среднего отпуска проходит в температурном режиме от 350 до 400 градусов по Цельсию. При проведении этого метода, уменьшается размер зёрен в структуре материала. Снижается внутреннее напряжение. Если не «отпустить» заготовку, механические нагрузки быстро выведут её из строя. Это необходимая процедура при обработке упругих деталей.

Высокий

Высокий отпуск представляет собой технологию нагрева закалённых сталей до высоких температур. Температурный диапазон, при котором протекает этот процесс — 450–550 градусов по Цельсию. Заготовки из углеродистых сталей могут разогреваться до больших температур. При этом изменяется структура материала. Может меняться форма заготовки и размер зёрен.

В процессе разогревания, увеличиваются частицы цементита. Благодаря этому зёрна приобретают форму сфер. Применяется эта технология для конструкционных металлов. Такая обработка считается обязательной при изготовлении износоустойчивых деталей.

Высокий отпуск стали
Высокий отпуск стали

Явление отпускной хрупкости

Отпускная хрупкость — процесс изменение ударной вязкости материала. Он становится более хрупким, неустойчивым к физическим нагрузкам. При этом другие характеристики не меняются. Появляться такие изменения могут при температурном диапазоне 250–550 градусов.

Чтобы повысить показатель прочности, нужно провести дополнительную термическую обработку. Однако на втором этапе нагревания и остужения необходимо быстро отсудить заготовку. Для этого её погружают в воду или масло.

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.

Теги

Adblock
detector