О производстве литья

Отпуск стали назначение и виды 

Отпуск стали чаще всего является заключительной термообработкой после закалки, которая представляет собой процесс нагрева полуфабрикатов и изделий до определенной температуры с последующим охлаждением. Его основное назначение — устранение внутренних напряжений, негативно влияющих на технические параметры металлических изделий

   Отпуск стали  это  нагрев стали до  температуры ниже А_с1, выдержка при заданной температуре и последующее охлаждение с заданной скоростью (обычно на воздухе).  Отпуск является  конечной операцией  термической обработки,  проводится после закалки для уменьшения внутренних  напряжений  и получения более равновесной  структуры.

Напряжения в закаленных изделиях  снимаются тем полнее, чем  выше температура отпуска.

Отпуск стали, преимущества

• Повышенная пластичность и гибкость.
• Уменьшенная хрупкость.
• Коррекция избыточной твердости до требуемых значений.
• Повышенная прочность стали в результате улучшения кристаллической структуры.
• Минимизация внутреннего напряжения, остающегося после предыдущей термообработки, что позволяет избежать водородного охрупчивания.
• Повышенная износостойкость как в поверхностных слоях, так и в сердцевине заготовок.
• Повышение степени обрабатываемости и формуемости, облегчающее последующую обработку.
• Повышенная вязкость.
• Более высокая скорость обработки (по сравнению с отжигом).

Отпуск стали, когда нужно применять

Отпуск обычно завершается закалкой, при которой металл нагревается до температуры, превышающей верхнюю критическую, а затем быстро охлаждается.

После такой процедуры сталь приобретает твердость и хрупкость (часто как стекло). Как правило, первое свойство является желательным, а от второго металла необходимо избавиться.

Чтобы уменьшить хрупкость, они прибегают к повторному менее интенсивному нагреву металла, а затем охлаждению (уже медленнее, чем при закалке), добиваясь оптимального соотношения твердости и пластичности.

Наибольший эффект достигается при закалке, если ее проводить сразу после закалки. В результате металл в значительной степени избавляется от хрупкости, приобретенной при предыдущей термообработке.

Важно иметь в виду, что любые нарушения режима термообработки, включая отпуск, могут привести к повреждению, деформации или короблению обрабатываемых деталей.

Часто к закалке прибегают, если закалка была побочным эффектом других операций, например, сварки, гибки, сверления, формовки, штамповки или прокатки.

Скорость охлаждения  при отпуске также влияет  на величину  остаточных напряжений.  С уменьшением скорости  охлаждения величина  остаточных  напряжений  понижается. Быстрое охлаждение  в воде с температуры 600ᴼ С  и более  создает  новые  тепловые напряжения. Охлаждение при отпуске  на воздухе способствует возникновению напряжений  сжатия в 7 раз  меньше, а охлаждение в масле в 2,5  раза меньше, чем при  охлаждении в воде. Поэтому сложные детали обычно при отпуске охлаждают  на воздухе. С  повышением  температуры отпуска твердость и прочность  снижается, а показатели пластичности и ударная  вязкость  увеличиваются (рис.1).

Различают три вида отпуска. Низкотемпературный отпуск  (низкий) осуществляется в интервале температур 80-200 ᴼ С. При этом  отпуске уменьшается  степень  тетрагональности кристаллической решетки  мартенсита  вследствие  выделения из нее углерода в виде ɛ — карбида.  Кристаллическая решетка ɛ — карбида когерентно связана с решеткой мартенсита, т.е. отдельные  кристаллографические  плоскости  у них  являются общими. В связи с когерентной связью твердость стали  при этом  не снижается, а внутренние  напряжения уменьшаются.

В результате низкотемпературного  отпуска  мартенсит закалки превращается в мартенсит отпуска, имеющего  повышенную ударную вязкость и  пластичность. При этом сталь сохраняет высокую  твердость. Поэтому низкотемпературному отпуску подвергают  режущий и мерительный инструмент из  углеродистых и  низколегированных сталей, а также детали после  поверхностной закалки, цементации и т.д. Обычно  продолжительность отпуска составляет 1-2,5 ч. Мерительный  инструмент с целью  стабилизации размеров подвергают  отпуску с более  длительными выдержками.

Чаще всего низкотемпературный отпуск  осуществляют в расплаве, содержащем 50% KNO₃ + 50% NaNO₂ или в масляных ваннах, что обеспечивает быстрый и равномерный нагрев, а также точное регулирование температуры.

Среднетемпературный отпуск  (средний)  проводят при температурах 350-500ᴼ С.  При температуре свыше 300 ᴼ С ɛ — карбид превращается в цементит,  который  отделяется от решетки  твердого расплава.  Образование цементита и его коагуляция (укрупнение)  сопровождаются снижением твердости  и повышением  вязкости и пластичности.

При среднетемпературном отпуске образуется дисперсная ферритно-цементитная смесь, имеющая  зернистое строение цементита. Эта структура  называется  трооститом отпуска.  Твердость троостита НВ 400-500. Диаметр частиц цементита в троостите  составляет 0,3 · 10^-5 мм.

Среднетемпературному отпуску подвергают рессоры, пружины, штампы и т.п. Среднетемпературный отпуск можно проводить в расплавах солей и воздушных  электрических печах.

Высокотемпературный отпуск (высокий) осуществляется  при температурах 500-650ᴼ С. При этом  происходит полное снятие внутренних напряжений и коагуляция частиц цементита. В результате  отпуска понижается твердость закаленной стали, но  значительно увеличиваются пластичность и ударная вязкость (см. рис. 1).

   При высокотемпературном отпуске  образуется  структура, которая называется сорбитом отпуска.  Сорбит отпуска состоит из  ферритной основы,  пронизанной частичками цементита. Твердость сорбита НВ300. Диаметр частиц цементита  в сорбите составляет 1 · 10^-5 мм.

Высокотемпературному отпуску подвергают  детали, которые испытывают  в работе высокие  напряжения и ударные нагрузки. Высокий отпуск можно проводить в  расплаве солей и воздушных  электрических печах.

После закалки с высоким отпуском сталь  имеет более  высокие показатели прочности (G_в,  G_т), пластичности (ψ%, δ%) и ударную вязкость (а_н),  чем после отжига.

Термическая обработка, состоящая из  закалки и высокотемпературного отпуска, называется  улучшением.

При температуре 250-350ᴼ С происходит  превращение остаточного аустенита в мартенсит  отпуска. Этот процесс сопровождается увеличением объема, так как  объем аустенита меньше, чем объем мартенсита. Кроме  того, при этом  происходит также  неравномерный распад  «старого» мартенсита.  По границам зерен диффузия  протекает быстрее, чем по телу зерна, а следовательно, по границам зерен интенсивнее выделяется цементит. Все это вместе способствует охрупчиванию стали. Это  явление называется отпускной хрупкостью  ׀ рода. Отпускная хрупкость  ׀ рода наблюдается  как в углеродистых, так и в легированных сталях.

Виды хрупкости после отпуска

Повышение температуры отпуска в большинстве случаев улучшает характеристики металлических изделий, способствует эффективному снятию остаточных напряжений. Но бывают ситуации, которые приводят к ухудшению характеристик сплава. Металлурги разработали несколько эффективных технологий для устранения проблемы хрупкости при отпуске, которая может быть вызвана низкой или высокой температурой.

Хрупкость первого рода – низкая температура

Такого рода хрупкость возникает, когда материал длительное время подвергается воздействию температур +250… +350°C. Скорость охлаждения не влияет на вероятность его возникновения. Эта проблема относится ко всем маркам стали. Причиной появления хрупкости первого рода является активное, но неравномерное распределение углерода по поверхности кристаллической решетки. Следствием этого процесса является искажение кристаллической структуры сплава и, как следствие, значительное повышение хрупкости.

Отпускная хрупкость первого рода является необратимым процессом, и это резко снижает эксплуатационные характеристики сплава, который становится пригодным только для переплавки. Технологией борьбы с этой проблемой является применение низкотемпературной или среднетемпературной закалки. Нагрев до промежуточных температур не допускается. Склонность к хрупкости при низкотемпературном отпуске снижается при высокотемпературном ТМО.

Высвобождающая хрупкость II рода – высокая температура

Проблема хрупкости при высокотемпературном отпуске возникает при совпадении трех факторов. Этот:

• нагрев сплава до температуры, превышающей +500°C;
• наличие высокого процентного содержания Cr, Mn, Ni в стали;
• медленное охлаждение.

Следствием сочетания этих параметров является неравномерное распределение атомов углерода, хрома, марганца, никеля, что нарушает кристаллическую решетку стали. Хрупкость при высокотемпературном отпуске возрастает, когда изделия выдерживаются в опасном температурном диапазоне в течение 8-10 часов. Эта проблема может быть решена только при травлении шлифов поверхностно-активными реагентами, которые выявляют границы аустенитных зерен, вдоль которых происходит хрупкое разрушение.

Есть два наиболее эффективных способа решить эту проблему. Первый способ: после появления признаков хрупкости при отпускании снова нагрейте металл до заданной температуры в масляной среде и быстро охладите. Второй способ заключается в легировании сплава вольфрамом (примерно в количестве 1%) или молибденом – 0,3–0,4%.

Инструментальные сплавы и их обработка

Технологии высокого, среднего и низкого отпуска применимы только для обработки заготовок из стальных сплавов, содержание углерода в которых не превышает 0,7%. Так называемые инструментальные стали, содержащие углерод в высоких концентрациях, обычно обрабатываются другими методами:

• Сплавы из быстрорежущей инструментальной стали с добавлением молибдена, кобальта, вольфрама и ванадия, жаропрочных элементов, которые сохраняют свои физико-химические характеристики при нагреве металла для отпуска, отпуску не подлежат. Специалисты рекомендуют подвергать изделия из таких сортов стали многоступенчатой закалке. Во время обработки происходит постепенное повышение температуры до +800, +1050 и +1200 °C с последующим резким охлаждением деталей в масле.
• Обычные инструментальные сплавы подвергаются двухступенчатой термообработке. На первом этапе заготовку закаливают в расплаве соли при температуре от +450 до +500°C. Далее изделия подвергают двойному отпуску при температуре от +550 до +600°C (не более 60 минут). Следует иметь в виду, что нагрев инструментальных марок стали не приводит к выделению хрупкости второго рода.

Отпуск стали в домашних условиях, можно ли сделать

Термическая обработка лезвий ножей, металлической посуды, автомобильных деталей и других широко используемых предметов домашнего обихода часто выполняется в домашней мастерской. Важно понимать, что бытовая металлургия имеет некоторые ограничения. Давайте подробнее рассмотрим трудности, которые могут возникнуть при изготовлении стали своими руками:

• Бытовые печи, как правило, не позволяют нагревать заготовки до высокой температуры, а это значит, что в домашней мастерской вам следует ограничиться низкотемпературным или среднетемпературным отпуском стали.
• Вещества, необходимые для термообработки в качестве защитной среды (масла, щелочи и т.д.), обладают температурными характеристиками. Например, селитра, которую часто используют во время отпуска, взрывоопасна.
• Если при закалке стали не используются специальные среды, это может привести к критическому и необратимому снижению качества металла. Дело в быстром охлаждении стали, которое может увеличить ее хрупкость, привести к короблению, деформации и ржавлению.
• Низкотемпературная хрупкость первого рода, которая возникает при температурах от +250 до +300 °C, также становится серьезной проблемой при производстве стали в домашних условиях. Несоблюдение правильного температурного режима часто приводит к растрескиванию и даже разрушению изделий.

Итак, выпуском стали принято называть процесс, включающий нагрев заготовок до заданной температуры и их последующее медленное (или постепенное) охлаждение с использованием защитных сред. В результате такой обработки повышается прочность металла, нормализуется пластичность и улучшаются физико-химические характеристики. Наилучшим вариантом является высокий отпуск, который, в дополнение к диффузии атомов углерода, приводит к полигонизации и перекристаллизации материала.

Используемая литература:

«Термическая обработка металлов» В.М. Зуев.

Прочитали статью, понравилось? Пишите свое мнение в комментариях, делитесь ссылкой на статью с друзьями.