Для каких целей производят отпуск сталей

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.

Читайте также:  Удельная теплоемкость расплавленной стали

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

3 вида отпуска стали для улучшения её качеств

Характерным примером финальной обработки металла является отпуск стали. Он представляет собой нагрев детали на определенное время с медленным остыванием. Это помогает устранить внутренние дефекты сплава, которые негативно влияют на устойчивость, прочность, пластичность. Но какие дефекты помогает устранить этот способ термической обработки? Можно ли выполнить отпуск стали в домашних условиях? Правда ли, что в случае неправильного нагрева можно ухудшить физические свойства металла?

Описание процесса

Отпуск стали (ОС) — это разновидность термической обработки, при которой происходит постепенный нагрев металла с последующим его остыванием. В большинстве случаев отпускную процедуру выполняют на заключительном этапе сразу же после закалки. ОС может выполняться как до, так и после формирования детали из стального полуфабриката. Позволяет устранить внутренние напряжения внутри металла, которые негативно влияют на его физическую структуру, свойства.

Читайте также:  Стали сильно болеть суставы

Внутренние напряжения на химическом уровне — это нарушения кристаллической структуры металла. Из-за них происходит неравномерное распределение углерода, легирующих добавок по металлическому сплаву. Отпуск позволяет перераспределить эти элементы более равномерно. Это улучшает физико-химические свойства материала (пластичность, прочность, сохранение формы, химическая инертность). Нагрев осуществляется с помощью специальных печей в защитной среде (масляные, селитровые или щелочные ванны). Способ охлаждения деталей после нагрева — воздушный (обычно) или жидкостной (редко).

Качество отпуска стали зависит от следующих физических параметров термической процедуры:

  • Температура нагрева. ОС может выполняться при температурах от 100 до 700 градусов, а чем выше будет температура нагрева, тем выше лучше будет качество обработки. Объясняется эта зависимость тем, что при более высоких температурах происходит более глубокое изменение структуры кристаллической решетки. В основном за счет процессов полигонизации, рекристаллизации.
  • Длительность нагрева. Длительность ОС обычно составляет от 1 до 3 часов, хотя существуют и более длительные форматы. Все основные процессы в материале проходят в первые 20-40 минут. Дополнительная выдержка нужна для равномерного распределения атомов углерода, железа, легирующих добавок по всей толщине материала.
  • Скорость остывания. Здесь правило предельно простое — чем медленнее будет проходить остывание, тем выше будет качество материала. Чтобы замедлить остывание, металлурги используют различные уловки, хитрости. Главная хитрость — это помещение материала в масляную, селитровую или щелочную среду, которая замедляет остывание материала. Теоретически остывание можно выполнять и без применения жидкостных сред, однако скорость остывания будет высокой, что негативно скажется на качестве ОС.

Виды отпуска стали

Главный технический параметр ОС — это температура нагрева. Различают 3 типа ОС — высокий, средний и низкий. Конечно, высокотемпературный отпуск является оптимальным средством обработки, поскольку чем выше температура нагрева, тем более активно будет происходить рекристаллизация металла. Однако низко- и среднетемпературные способы обработки также имеют практическую пользу, которую не стоит недооценивать. Ниже мы рассмотрим каждый тип ОС по отдельности.

Высокий

Высокий отпуск стали — это вариант отпускной обработки при температуре от 500 до 700 градусов. Данный способ является самым эффективным, поскольку при таком нагреве происходит полигонизация и рекристаллизация материала, что позволяет устранить все напряжения внутри металла. Обычно длится от 2 до 3 часов. В случае обработки сложных конструкций рекомендованное время может увеличиваться до 6 часов.

Главный недостаток высокотемпературного отпуска — это небольшое снижение прочности материала. Поэтому методика не годится для обработки деталей, которые во время эксплуатации будут испытывать сверхвысокую нагрузку. Высокотемпературная методика распространяется на все виды стали, однако обратите внимание, что в случае некоторых легированных сплавов во время обработки может возникнуть так называемая обратимая высокотемпературная хрупкость.

Средний

Основная особенность среднего отпуска — активная диффузия углерода без полигонизации и рекристаллизации сплава. В случае среднетемпературной обработки улучшается упругость материала, повышается его релаксационная стойкость. Температура отпуска стали в данном случае находится в пределах от 350 до 500 градусов. Средний срок проведения обработки — 2-4 часа. Оптимальная среда — маслянистая или щелочная. Средняя обработка хорошо подходит для прочных деталей сложной формы — рессоры, пружины, ударные конструкции. Однако на практике данная технология используется редко в связи с рядом ограничений:

  • В температурной диапазоне от 250 до 300 градусов находится так называемый островок хрупкости первого рода, которого следует избегать. Одновременно с этим при температуре выше 500 градусов находится другой островок хрупкости второго рода (его тоже рекомендуется избегать). Об особенностях этих островков мы расскажем ниже. А небольшое отклонение температуры в большую или меньшую сторону во время отпуска может привести к фатальным последствиям.
  • Методика не имеет преимуществ в сравнении с альтернативными технологиями (низкой и высокой). Одновременно с этим слабые печи для обработки обычно не могут нагревать рабочую среду до таких температур, а более сильные печи могут нагреваться до более высоких температур, что неудобно с практической точки зрения.

Низкий

Низкий отпуск стали — методика обработки стального сплава или изделия, при которой нагрев осуществляется до температуры от 100 до 250 градусов. Срок обработки обычно составляет 1-3 часа в зависимости от типа детали, ее габаритов. Во время низкотемпературной обработки происходит диффузия частиц углеродистых компонентов без полигонизации и рекристаллизации атомной решетки. Это позволяет повысить некоторые физические характеристики материала — прочность, пластичность, твердость, химическую инертность.

Низкий отпуск — универсальная технология, однако по факту ее применяют в основном для отпуска изделий из низколегированных и высокоуглеродистых сталей (ножи, посуда, простые детали). Также нужно избегать нагрева материала выше температуры 250 градусов (в противном случае он попадет в островок хрупкости первого рода, что чревато необратимой порчей металла).

Сводная таблица

Тип отпуска Время Температура отпуска стали Краткие особенности
Низкий 1-3 часа От 100 до 250 градусов Происходит только частичная диффузия углерода. Следует избегать перегрева материала выше отметки 250 градусов.
Средний 2-4 часа От 350 до 500 градусов Происходит полная диффузия углерода без полигонизации, рекристаллизации. На практике используется редко из-за ряда ограничений.
Высокий 2-3 часа От 500 до 700 градусов Происходит полная диффузия углерода, полигонизация, рекристаллизация. Немного снижает прочность материала, поэтому не применяется для сверхпрочных деталей.

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.
Читайте также:  0н9 сталь конструкционная криогенная

Что такое отпускная хрупкость

Отпускная температура влияет на качество обработки — чем выше будет температура, тем выше будет качество обработки. Однако ученые-металлурги установили, что это правило имеет 2 исключения, когда повышение температуры приводит не к улучшению, а к ухудшению качества материала. Эти два исключения на практике часто называют островками отпускной хрупкости. К счастью, было придумано несколько эффективных, безопасных способов обойти эти островки, поэтому проблема отпускной способности не является значимой в современной металлургии. Рассмотрим каждый из островков по отдельности + узнаем о том, как их обойти.

Необратимая низкотемпературная хрупкость

Другое название — хрупкость первого рода. Возникает при длительной обработке материала при температуре от 250 до 300 градусов, а распространяется данная хрупкость на все типы стальных сплавов. Объяснение феномена: при нагреве в данном температурном диапазоне углерод начинает активно распределяться по поверхности кристаллической решетки. Однако распределение углерода происходит крайне неравномерно — это приводит к нарушению кристаллической структуры металла, что приводит к серьезному повышению хрупкости. Как ясно из названия, данная хрупкость является необратимой (то есть островки сохраняют стабильность в течение неограниченного времени, а испорченный материал годится только на переплавку). Методика борьбы с данной хрупкостью тривиальна — нужно использовать либо низкую, либо среднюю термическую обработку — но не «промежуточную» между ними.

Обратимая высокотемпературная хрупкость

Другое название — хрупкость второго рода. Возникает только при комбинации сразу трех факторов одновременно. Первый фактор — металл нагревается выше температуры 500 градусов (то есть данная хрупкость характерна для высокой отпускной обработки). Второй фактор — сталь является легированным сплавом с высоким содержанием хрома, марганца или никеля. Третий фактор — очень низкая скорость остывания. Объяснение феномена: при комбинации трех факторов также происходит неравномерное распределение атомов углерода, хрома, марганца и никеля, что приводит к нарушению кристаллической решетки сплава. Существует много способов борьбы с данной хрупкостью — рассмотрим два из них:

  • Способ №1: после образования хрупкости происходит повторный нагрев материала до заданной температуры — только нагрев осуществляется в масляной среде, а охлаждение металла после отпуска осуществляется очень быстро.
  • Способ №2: во время отпускной обработки в сплав дополнительно вносится вольфрам (около 1% от общей массы) либо молибден (0,3-0,4%) — после этого выполняется высокий отпуск по стандартной технологии.

Можно ли выполнить отпуск стали в домашних условиях?

Чаще все термообработка распространяется на различные простые детали, домашнюю утварь — ножи, вилки, металлические чашки, детали автомобилей и так далее. Однако домашняя металлургия обладает множеством ограничений, о которых простой человек может не знать. Рассмотрим основные проблемы, с которым может столкнуться человек во время отпуска стали в домашних условиях:

  • Большинство домашних печей не могут выполнить нагрев до высоких температур. Поэтому в домашних условиях можно сделать только низкий или средний отпуск. Теоретически можно попытаться переоборудовать или «усилить» свою печь, чтобы повысить температуру нагрева, однако сделать это человеку без опыта будет сложно.
  • Для проведения термической обработки необходимо использовать защитную среду (масло, щелочи, селитра). Но каждое вещество имеет свои температурные особенности. Простой пример: соединения на основе селитры могут взрываться при нагреве до высоких температур, что может быть опасно для жизни, здоровья домашнего металлурга.
  • Выполнение отпуска без применения защитной среды может быть фатально для самого металла. Дело в том, что без использования защитной среды металл будет остывать быстро, что может повлиять на качестве стали (повышение хрупкости, образования изгибов, пластическая деформация, появление ржавчины).
  • Также не стоит забывать о низкотемпературной хрупкости первого рода (от 250 до 300 градусов). В случае неправильного температурного режима из-за нее может серьезно пострадать качество металла вплоть до полного разрушения сплава.

Заключение

Подведем итоги. Отпуск стали — это технологическая процедура, которая заключается в нагреве металла до определенной температуры с последующим остыванием в защитной среде. Эта обработка позволяет улучшить качество металла — повышение прочности, нормализация пластичности, улучшение физико-химических свойств материала. В зависимости от температуры различают несколько типов отпуска — высокий, средний, низкий. Высокотемпературная обработка — оптимальна, поскольку она позволяет выполнить не только диффузию углерода, но и рекристаллизацию, полигонизации материала.

Низкотемпературная технология подходит для обработки простых деталей, низкокачественных сплавов. Инструментальные стальные сплавы (с большим содержанием углерода) не подходят для стандартного отпуска — вместо него рекомендуется делать многоступенчатую закалку. Во время обработки нужно избегать островков отпускной хрупкости, которые могут серьезно ухудшить свойства стали.

Используемая литература и источники:

  • Техминимум отжигальщика на томильных и отжигательных печах / М.М. Эфрос. — М.: Главная редакция литературы по черной металлургии
  • Основы технологии автоматизированных машиностроительных производств: моногр. / А.В. Скворцов, А.Г. Схиртладзе. — М.: Высшая школа, 2010
  • Статья на Википедии

Источник