Целью отпуска металла является

Что такое отпуск стали

Отпуском принято называть заключительную стадию термической обработки стали с целью устранения внутреннего напряжения, нарушения кристаллической структуры металла (сопровождается неравномерным распределением углерода, легирующих веществ). Также эта технология позволяет снизить избыточную твердость и хрупкость, благодаря чему изделие становится более устойчивым к нагрузкам (в том числе термическим), коррозии, прочным и достаточно пластичным.

Процесс отпуска заключается в постепенном нагреве металла до 727 °C с последующим его медленным остужением на заданной скорости. Температура разогрева влияет на фазовое состояние и структуру металла. Для отпуска стали зачастую используют температуры, превышающие отметки закалки в несколько раз. Чем выше температура, тем менее хрупким и более гибким становится изделие.

На качество получаемого металла в рамках отпуска сталей влияет также:

• Длительность нагрева — в среднем он занимает около 3 часов, при этом основные процессы завершаются к 40 минуте. Далее сталь продолжают накалять, чтобы атомы углерода, железа, легирующих добавок распределились как можно равномернее по всей толщине заготовки.
• Скорость остывания — наиболее качественным изделие становится при максимально медленном остывании. Достичь этого удается за счет использования масляных, селитровых или щелочных сред, в которые помещают раскаленный металл.

В случае с заготовками отпуск сталей проводят обычно сразу после закалки, штамповки, глубокой вытяжки. Данный метод термической обработки подходит для сталей:

• легированных;
• углеродистых (с различным содержанием углерода);
• конструкционных;
• специальных;
• инструментальных;
• любого качества.

Виды отпуска стали

С учетом температуры нагрева отпуск сталей может быть низким, средним и высоким. Каждый вид отпуска обладает характерными свойствами и используется для обработки конкретных изделий.

Высокий отпуск

Такой способ предусматривает нагрев до 500-680°С — температурные показатели, максимально приближенные к критической точке плавления. Данный вид обработки придает стали пластичности, повышает ее:

• относительное удлинение;
• сужение;
• ударную вязкость.

В рамках высокого отпуска стали приобретается структура сорбита. Она полигонизуется, рекристаллизируется, избавляясь от внутреннего напряжения, вызванного закалкой. Длительность высокого отпуска составляет 2-3 часа, если конструкция сложная — это время увеличивается до 6 часов.

При высокотемпературном отпуске отмечается снижение прочности материала. По этой причине методику не применяют для обработки деталей, которые во время эксплуатации будут подвергаться сверхвысоким нагрузкам. Также при отпуске некоторых легированных сталей можно столкнуться с так называемой обратимой высокотемпературной хрупкостью.

Высокий отпуск получил популярность при обработке большинства деталей машин, изготавливаемых из углеродистых, легированных сталей (называются улучшаемыми):

• валы;
• оси;
• шатуны;
• шпиндели;
• зубчатые колеса, испытывающие повышенные нагрузки при невысоких скоростях и др.

Что такое отпуск среднетемпературный

Данный способ термообработки сталей осуществляется в температурном диапазоне 350–500 °С. Его основная особенность заключается в активной диффузии углерода, при этом полигонизация и рекристаллизация сплава отсутствует. Материал становится более упругим, с повышенной релаксационной стойкостью. Процедура среднего отпуска стали осуществляется в течение 2-4 часов с применением маслянистой или щелочной среды (может использоваться вода). Выбирать температуру среднего отпуска следует так, чтобы избежать необратимой отпускной хрупкости.

С помощью среднего отпуска проводят обработку:

Низкий отпуск

Стальную заготовку или готовое изделие нагревают до 100-250°С. Процедура длится от 1 до 3 часов (зависит от типа детали и ее размеров). Низкий отпуск сталей сопровождается частичной диффузией частиц углеродистых составляющих, при этом полигонизация и рекристаллизация атомарной решетки не происходит. Мартенсит закалки заменяется отпущенным мартенситом, что способствует достижению:

• прочности;
• пластичности;
• твердости;
• химической инертности.

При этом закаленная сталь сохраняет прежнюю твердость, что в целом обеспечит получение достаточно износостойкого изделия. Однако важно учитывать тот факт, что нагрузки динамического характера будут оказывать разрушающее воздействие на сталь низкого отпуска.

Эта технология характеризуется универсальностью, но преимущественно ее применяют для работы с низколегированными и высокоуглеродистыми сталями. К примеру, низкому отпуску подвергаются:

• ножи и прочие режущие детали;
• посуда;
• детали подшипников качения;
• цементованные, нитроцементованные элементы;
• детали, которые обрабатывают посредством закалки ТВЧ.

Часто применяют низкий отпуск в отношении сталей, прошедших термообработку высокочастотными токами.

В случае проведения низкого и среднего отпуска важно избегать попадания в температурный промежуток 250-300С, который называется островком хрупкости первого рода (возникает необратимая порча металла).

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:

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.

Что называют отпускной хрупкостью

В отношении практически всех металлических деталей действует правило зависимости пластичности и вязкости от температуры нагрева при отпуске стали — чем она выше, тем изделия пластичнее. Однако это правило не действует в случае с некоторыми марками сталей — при повышении температуры их физические характеристики снижаются, а жесткость и хрупкость — увеличиваются. Такое явление назвали отпускной хрупкостью. Оно характерно для углеродистых, легированных сталей и бывает двух видов, которые проявляются в следующих температурных диапазонах:

• 250-400°С — отпускная хрупкость I рода, которой могут подвергаться все типы сталей, избавиться от нее не удастся, даже раскалив повторно деталь, кроме того, металл теряет твердость, такую хрупкость называют еще необратимой, т.е. испорченный материал подлежит только повторной переплавке;
• 500-550°С — отпускная хрупкость II рода, возникает в легированных сталях в результате медленного охлаждения после нагрева до указанного интервала, является обратимой, ее возникновение провоцируют выделяющиеся карбиды, нитриды, фосфиды на границах бывших аустенитных зерен.

Нейтрализовать подобную проблему позволяет быстрое охлаждение, однако при повторном нагреве можно снова столкнуться с отпускной хрупкостью. Чтобы этого не произошло, для повторного нагрева стоит использовать масляную среду. Другим способом борьбы с хрупкостью II рода становится обогащение сталей небольшим количеством молибдена или вольфрама. Он больше подходит при отпуске крупногабаритных деталей, поскольку быстрое охлаждение чревато появлением деформаций и чрезмерных внутренних напряжений.

Возможен ли отпуск стали в условиях домашней мастерской

Домашнее использование данной технологии становится возможным, когда необходимо снять внутреннее напряжение металла. В данном случае марка стали не играет роли — нагрев необходимо производить до 200°С (не выше), и выдерживать в таких условиях до 1 часа. Если нужно снизить твердость и повысить вязкость, тогда важно знать марку стали (чтобы определить температурные режимы отпуска). Информацию подобного рода можно отыскать в интернете или в учебниках по термообработке, где представлены таблицы с марками стали, изделиями и температурными режимами закалки и отпуска стали.

В качестве источника тепла для нагрева детали может послужить самодельный горн, кухонная плита или газовая горелка. При этом температуру нагрева определяют по цветовым таблицам побежалости — минусом этого древнего метода является субъективность восприятия цвета и его зависимость от внешних источников освещения. Новичкам рекомендуется пользоваться терморегуляторами плиты или мультимером с термопарой.

Обычно домашний отпуск стали применяют в отношении ножей, вилок, металлических чашек, автомобильных деталей и др. При этом можно столкнуться некоторыми достаточно распространенными проблемами:

• сложность достижения высоких температур — большинство бытовых печей неспособны сильно раскалять металл, в результате остается доступен только низкий или средний отпуск стали;
• небезопасность — термическая обработка подразумевает применение масла, щелочей, с селитры, которые характеризуются своими температурными особенностями, к примеру, селитросодержащие смеси взрываются при сильном нагреве;
• риск ухудшения свойств металла при отсутствии защитной среды — без применения масла, щелочи нарушается скорость остывания стали, что может повысить ее хрупкость, сделать уязвимой перед коррозией, неустойчивой к деформациям;
• риск столкнуться с низкотемпературной хрупкостью I рода — применение неподходящего температурного режима грозит полным разрушением сплава.

В заключение

Отпуск стали входит в категорию востребованных технологических процедур, которые позволяют придать металлу недостающих физико-химических свойств, например, прочности, пластичности. Материал нагревают до определенной температуры, затем остужают в защитной среде.

В зависимости от того, какая именно температура используется, отпуск стали бывает высоким, средним, низким. Наиболее востребованным и эффективным считается высокотермический вид обработки, с помощью которого удается достичь полной диффузии углерода, рекристаллизации, полигонизации стали.

На втором месте по качеству и свойствам исходного изделия низкотермический вид обработки— он подходит для работы с низкокачественными сплавами. Менее востребована технология среднего отпуска стали, что связано с особенностями использования печей — слабые не рассчитаны на нагрев до 350°С, а более сильные разогреваются выше допустимого диапазона. Из-за этого средний отпуск стали характеризуется непрактичностью.

В отношении инструментальных стальных сплавов нельзя использовать стандартный отпуск. Его рекомендуется заменить многоступенчатой закалкой.

Источник

Что такое отпуск стали, виды и технология процесса

Суть отпуска стали и его виды: физика процесса, температурные диапазоны и особенности применения. Низкий, высокий и средний отпуск. Отпускная хрупкость, и как ее избежать. Самостоятельный отпуск стали в домашних условиях.

Отпуск стали является заключительной стадией термообработки и используется для снижения избыточной твердости, уменьшения хрупкости и устранения внутренних напряжений металла. Чаще всего его применяют к углеродистым сталям, подвергнутым закалке на мартенсит, т. е. нагретым немного выше 727 ºC и охлажденным с высокой скоростью в водной среде.

Обычно стальные изделия отпускают при температурах, которые в несколько раз ниже температуры закалки, сохраняя при этом мартенситовую структуру, обеспечивающую твердость металла. Такой термообработке в основном подвергают режущий инструмент и другие изделия из инструментальных сталей.

Однако, существуют виды отпуска с нагревом, близким к закалочному (на троостит и на перлит), после которых металл приобретает требуемую упругость и у него повышается ударная вязкость. Легирующие добавки замедляют процесс формирования необходимой структуры, поэтому детали из легированных сталей отпускаются при более высоких температурах.

Традиционная технология отпуска — это нагревание изделия до нормативного значения с охлаждением его на открытом воздухе, хотя некоторые виды стальных изделий отпускают в масляных или расплавных средах. Отпускать можно как все изделие, так и его часть. Например, у ножей подвергают отпуску только обушок и рукоятку, сохраняя при этом полную закалку лезвия.

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, 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.

Низкий отпуск

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.

Средний отпуск

Средний отпуск предназначен для термообработки стальных изделий, которые должны сочетать в себе повышенную прочность и упругость с заданными параметрами вязкости. Как правило, таким способом отпускают рессорные и пружинные стали, работающие в режиме переменных динамических нагрузок.

Температурный диапазон в этом случае составляет от 300 ºC до 450 ºC, а твердость снижается до 45÷50 HRC против 60÷63 при низкотемпературном отпуске. После такой термообработки сталь приобретает трооститную структуру. Выдержка при нагреве при среднем отпуске может составлять до нескольких часов, а охлаждение проводится естественным путем на спокойном воздухе.

Высокий отпуск

Это связано с тем, что металл приобретает структуру сорбита отпуска и у него на 95 % снижаются внутренние напряжения. Таким способом отпускают изделия, работающие в условиях ударных нагрузок: валы, оси, шатуны, детали прессов и кузнечных молотов.

Если же сталь отпускать при 690 ºC, то в ее структуре будет превалировать зернистый перлит, а сама она будет иметь максимальную пластичность и минимальную прочность. У некоторых ванадиевых, хромовых и вольфрамовых сталей при отпускании с нагреванием до 560 ºC может происходить образование троостита, что ведет к повышению твердости (т. н. вторичная твердость).

Отпускная хрупкость

Это явление называется отпускной хрупкостью и имеет место при термообработке как углеродистых, так и легированных сталей. Она проявляется в двух температурных диапазонах: 250÷400 ºC и 500÷550 ºC и, соответственно, носит название отпускной хрупкости I и II рода (см. рис. ниже).

Первая характерна для углеродистых сталей, и избавиться от нее можно, снова нагрев деталь немного выше 400 ºC. Повторно она, как правило, не проявляется, но при этом у металла наблюдается некоторое снижение твердости. Отпускная хрупкость II рода может возникать у легированных сталей, которые после нагрева до указанного интервала подвергаются медленному охлаждению.

Для нейтрализации этой проблемы обычно повышают скорость охлаждения, при этом повторный нагрев изделия может снова вызвать возникновение такой хрупкости. Еще один способ, позволяющий избавиться от этого явления, — введение в состав сталей небольших количеств молибдена или вольфрама.

Для отпуска крупногабаритных деталей он предпочтительнее, т. к. большая скорость охлаждения может вызвать их деформацию и возникновение чрезмерных внутренних напряжений.

Как отпустить сталь самостоятельно

На самом деле это не такая сложная задача, как может показаться. В учебниках по термообработке и на интернет-сайтах достаточно таблиц с перечнями изделий и марками стали, из которых они изготавливаются, а часто даже и с температурными режимами их закалки и отпуска (см. таблицу выше).

Для нагрева своей детали можно использовать практически любой источник тепла: от духовки кухонной плиты до газовой горелки или самодельного горна. Важным моментом является температура разогрева. В принципе, ее можно определить по цветовым таблицам побежалости, появляющейся на горячем металле, которые также легко найти в интернете.

Это старинный проверенный метод, известный еще с древних времен, но он требует некоторого опыта, т. к. его главные недостатки — это субъективность восприятия цвета и его зависимость от внешнего освещения. Для новичка лучшим решением будет использование терморегулятора плиты или обычного мультиметра с термопарой.

Приходилось ли кому-нибудь использовать мультиметр с термопарой для замера температуры отпуска? Насколько точен этот прибор и как соответствуют его показания цвету побежалости? Если кто-нибудь имеет такой опыт, напишите, пожалуйста, ваше мнение в комментариях.

Источник