Эта статья посвящена процессу отпуска стали, который существенно влияет на конечные свойства металлопроката. Мы разберем, зачем он нужен, какие виды отпуска существуют и какие факторы необходимо учитывать при его проведении.
По моему опыту, отпуск – это один из самых важных этапов термической обработки. Правильно подобранный режим отпуска может значительно улучшить характеристики стали, сделать ее более подходящей для конкретных условий эксплуатации.
Отпуск – это термическая обработка, следующая за закалкой стали. Закалка делает сталь твердой, но хрупкой. Отпуск позволяет снизить внутренние напряжения, повышает пластичность и вязкость, не сильно уменьшая при этом твердость.
В процессе отпуска происходят сложные структурные изменения:
- Мартенсит, который образуется при закалке, частично распадается. Углерод выделяется из кристаллической решетки и образует карбиды, такие как Fe₂C и Fe₃C. Этот процесс снижает хрупкость.
- Полигонизация – это процесс упорядочения структуры после деформаций, вызванных закалкой. Кристаллы разбиваются на субзерна.
- Рекристаллизация – это процесс образования новых, более совершенных кристаллов. Температурный режим отпуска подбирается так, чтобы одни кристаллы росли за счет других.
Основная цель отпуска – улучшить прочность, пластичность и вязкость стали. Это особенно важно для деталей, работающих под нагрузкой на изгиб и растяжение. Неравномерное охлаждение после закалки приводит к возникновению внутренних напряжений, которые могут вызвать дефекты, такие как коробление, трещины и снижение твердости.
Отпуску подвергают разные виды металлопродукции:
- Изделия из углеродистых сталей, чтобы снизить риск образования трещин после закалки.
- Легированные стали после стабилизирующих отжигов.
- Готовые изделия, например, инструменты.
Процесс отпуска обычно проводят в электрических печах с вентиляторами для равномерного нагрева или в солевых ваннах. Важно, чтобы нагрев был плавным, так как быстрый нагрев закаленных заготовок может привести к трещинам. После отпуска изделия охлаждают по определенному режиму, учитывающему марку стали и требуемые свойства.
Скорость охлаждения после отпуска – это важный параметр. Медленное охлаждение снижает остаточные напряжения, но некоторые легированные стали при этом становятся более хрупкими. В таких случаях применяют быстрое охлаждение.
Виды отпуска стали в зависимости от температуры
В зависимости от температуры нагрева различают низкий, средний и высокий отпуск. Каждый вид отпуска обеспечивает определенные свойства стали.
Низкий отпуск
Низкий отпуск проводят при температурах 150-250°C. Он позволяет частично разложить мартенсит и снять структурные напряжения, что увеличивает прочность и ударную вязкость. Твердость при этом практически не изменяется. Низкий отпуск применяют для:
- Режущего и измерительного инструмента из углеродистых и низколегированных сталей.
- Изделий после цианирования, цементации или нитроцементации.
Существует также особый вид низкотемпературной обработки – старение. Его используют для стабилизации формы, размеров и свойств деталей. Старение может быть искусственным (выдержка при 120-150°C в течение 1,5-3 дней) или естественным (выдержка в комнатных условиях в течение 3 и более месяцев). Старение характерно для низкоуглеродистых сталей, так как при этом образуются избыточные карбиды и нитриды, повышающие устойчивость к усталости и хладноломкости.
Средний отпуск
Средний отпуск проводят при температурах 300-500°C. При этом полигонизация и рекристаллизация происходят быстрее, а остаточные напряжения практически полностью исчезают. Средний отпуск повышает предел упругости, пластичность и износостойкость, хотя твердость и прочность могут несколько снизиться.
Средний отпуск используют для рессор, пружин, штампов и других деталей, которые должны выдерживать переменные динамические нагрузки.
Процесс среднего отпуска может осложняться явлением отпускной хрупкости, возникающей при определенных температурах. Существует два типа отпускной хрупкости:
- Хрупкость первого типа (необратимая) возникает в диапазоне 250-400°C в сталях, легированных марганцем, никелем и хромом. Она связана с неравномерным распределением карбидов.
- Хрупкость второго типа (обратимая) возникает при медленном охлаждении в диапазоне 500-550°C в сталях с высоким содержанием легирующих элементов. Она связана с образованием карбидов, фосфидов и нитридов на границах зерен. Чтобы избежать этого, используют быстрое охлаждение или добавляют небольшие количества молибдена или вольфрама.
Обработка в водяной ванне может создавать сжимающие напряжения на поверхности, повышая стойкость пружин к нагрузкам.
Высокий отпуск
Высокий отпуск проводят при температурах 500-650°C. В результате образуется структура отпускного сорбита, которая обеспечивает оптимальное сочетание предела текучести и прочности. Операция, включающая закалку и высокий отпуск, называется улучшением. Улучшению подвергают конструкционные стали, используемые в условиях ударных или статических нагрузок, например, при изготовлении валов, осей, втулок, шатунов и прессов. Во время высокого отпуска происходит полное снятие внутренних напряжений, полигонизация и увеличиваются пределы прочности на изгиб.
Важным параметром улучшаемых сталей является прокаливаемость. Если прокаливаемость невысокая, сплавы подходят только для деталей с небольшим сечением. Для достижения желаемых параметров необходимы легирующие элементы, такие как хром, молибден, ванадий, никель, кремний, марганец и вольфрам. Они способствуют более равномерному нагреву при закалке.
Сводная таблица режимов отпуска
Отпускная хрупкость: как избежать
Важно помнить, что сталь может потерять устойчивость к нагрузкам из-за отпускной хрупкости, проявляющейся в снижении ударной вязкости. Трансформации, приводящие к хрупкости I типа, происходят при температурах 250-400°C. На границах зерен образуются карбидные пленки. Дальнейший нагрев приводит к их разрушению, но если процесс остановить и повторить, то хрупкая структура останется.
Также медленное охлаждение способствует хрупкости второго типа, но в этом случае характеристики стали можно восстановить повторным отпуском.
Чтобы повысить прочностные характеристики, в сталь добавляют легирующие элементы, такие как хром, никель, марганец и кремний. Однако, они усиливают чувствительность к отпускной хрупкости. Стали, легированные только хромом, менее подвержены этому явлению.
Как провести отпуск стали в домашних условиях
Термообработка – это сложный процесс, требующий контроля на каждом этапе. Несмотря на это, многие изготавливают ножи и другие изделия в домашних условиях. Как же правильно провести закалку и отпуск в этом случае?
В целом, необходимо воспроизвести те же этапы, что и на производстве:
- Закалка.
- Отпуск.
- Контроль твердости полученного изделия.
Для отпуска небольших изделий можно использовать обычную духовую печь, обеспечивающую равномерный нагрев. Важно точно контролировать температуру и время выдержки, чтобы получить желаемые свойства стали.
Технологии термической обработки металла: закалка
В металлообработке закалка занимает особое место. Это процесс, позволяющий изменить свойства металла, сделав его более прочным и износостойким. Давайте разберемся, что это такое и как это работает.
Закалка – это комплекс термических операций, в результате которых металл нагревается до определенной температуры, выдерживается при ней, а затем быстро охлаждается. Ключевой момент – скорость охлаждения. Именно она определяет структуру, которая сформируется в металле, и, соответственно, его характеристики.
Этапы закалки металла
Процесс закалки включает несколько последовательных этапов:
- Нагрев до заданной температуры.
- Выдержка при этой температуре.
- Быстрое охлаждение.
Температура нагрева и время выдержки зависят от марки металла и требуемых свойств. Охлаждение может производиться в воде, масле, или на воздухе. Скорость охлаждения, как правило, подбирают в зависимости от состава металла и требуемых характеристик готового изделия.
Виды закалки
Существует несколько способов закалки, каждый из которых имеет свои особенности:
- Полная закалка.
- Неполная закалка.
- Поверхностная закалка.
- Ступенчатая закалка.
- Изотермическая закалка.
Выбор конкретного метода зависит от типа металла, его назначения и требуемых свойств.
Методы охлаждения при закалке
Способы охлаждения закаливаемого изделия:
- Вода;
- Масло;
- Воздух;
- Солевые растворы;
- Специальные среды.
Выбор охлаждающей среды определяется требуемой скоростью охлаждения и химическим составом металла. Интенсивное охлаждение, например в воде, приводит к образованию более твердой структуры, но может вызвать внутренние напряжения в металле. Менее интенсивное охлаждение, в масле или на воздухе, снижает риск возникновения трещин.
Личный опыт показывает, что правильный выбор охлаждающей среды – половина успеха. Нужно учитывать не только марку стали, но и геометрию детали. Сложные формы требуют более мягкого охлаждения.
Закалка инструментальной стали
При закалке инструментальной стали важно обеспечить высокую твердость режущей кромки. Для этого часто применяют поверхностную закалку, когда нагревается только режущая часть инструмента. Остальная часть сохраняет свою первоначальную структуру и вязкость.
Многоступенчатая закалка используется для сложных сплавов, где требуется достичь определенного сочетания свойств. Обычно, после закалки, производится отпуск для снятия внутренних напряжений и придания металлу большей пластичности.
Определить оптимальный температурный режим и время выдержки можно на основании химического состава металла и требуемых характеристик. Часто используют муфельные печи для равномерного и контролируемого нагрева.
Последующая обработка включает удаление окалины и других загрязнений с поверхности металла. Важно строго соблюдать технологический процесс, чтобы получить желаемый результат.
Не пренебрегайте очисткой поверхности перед закалкой. Даже небольшое загрязнение может повлиять на качество закалки.
Отпуск металла после закалки
После закалки металл становится очень твердым, но и хрупким. Для снижения хрупкости и снятия внутренних напряжений применяют отпуск. Отпуск – это нагрев закаленного металла до температуры ниже температуры закалки, с последующим охлаждением.
Цели отпуска
- Снижение хрупкости.
- Снятие внутренних напряжений.
- Повышение пластичности.
- Стабилизация размеров.
Температура отпуска определяет, какие свойства будут достигнуты. Низкотемпературный отпуск (150-250°C) позволяет сохранить высокую твердость, но при этом значительно снижает хрупкость. Высокотемпературный отпуск (500-650°C) приводит к снижению твердости, но значительно повышает пластичность и вязкость.
Охлаждение после отпуска
Охлаждение после отпуска обычно производится на воздухе. В некоторых случаях, для специальных сталей, может применяться охлаждение в масле или воде.
Выводы
Отпуск – это важный этап термической обработки стали, позволяющий улучшить ее свойства и адаптировать к конкретным условиям эксплуатации. Правильный выбор режима отпуска, с учетом марки стали и требований к изделию, является залогом получения качественного и долговечного металлопроката. Закалка — важный этап в производстве изделий из металла, позволяющий значительно улучшить их эксплуатационные характеристики.
Автор статьи — инженер-технолог Сергей Кузнецов.