Отпуск стали: виды и характеристика, особенности технологии и отпускная хрупкость, термообработка сплавов

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.

Закалка

Это термическая обработка стали, благодаря которой происходит повышение ее прочности, износостойкости, твердости, предела упругости, а также снижение пластичных свойств. Технология закалки состоит из нагрева до определенной температуры (примерно 850-900 ºС), выдержки и резкого охлаждения, благодаря которому эти свойства и достигаются. Закалка является самым распространенным способом улучшения физико-механических свойств сплава. Виды термической обработки стали: с полиморфным превращением и без такового.

Закалку с полиморфным превращением используют для сталей, в составе которых присутствует элемент, способный к полиморфным преобразованиям.

Сплав нагревается до температуры изменения кристаллической решетки полиморфного элемента. В результате нагревания увеличивается растворимость легирующего компонента. При понижении температуры тип решетки изменяется в обратную сторону, но поскольку оно происходит с большой скоростью, в сплаве остается избыточная концентрация элемента с измененной решеткой. Так возникает неравновесная структура, являющаяся термодинамически неустойчивой. Игольчатая микроструктура стали, после термической обработки образовавшаяся в сплаве, называется мартенситом. Для снятия остаточных напряжений металл далее подвергают отпуску.

Закалка без полиморфных превращений применяется в случаях, когда один из компонентов сплава ограниченно растворяется в другом. При нагревании сплава выше линии солидус произойдет растворение компонента. А при быстром охлаждении вторичная фаза не успеет вернуться в исходное состояние, т.к. для возникновения границы раздела фаз, образования исходной решетки и процесса диффузии недостаточно времени. В итоге возникает метастабильный твердый раствор с избыточным содержанием компонента. Процесс приводит к увеличению пластичности металла. Термодинамическая устойчивость достигается в процессе самопроизвольного либо термического старения.

Поскольку режимы термической обработки стали закалкой имеют такой важный решающий параметр, как скорость охлаждения, следует упомянуть среды, в которых процесс происходит (воздух, вода, инертные газы, масло, водные растворы солей).

Скорость охлаждения стали водой в 6 раз выше при температуре 600 ºС и в 28 раз при 200 ºС (в сравнении с техническим маслом). Ее применяют для охлаждения углеродистых сплавов с высокой критической скоростью закалки. Недостатком воды является достаточно большая скорость охлаждения в областях возникновения мартенсита (200-300 ºС), что может привести к образованию трещин. Соли добавляют в воду для увеличения ее закаливающей способности. Таким образом происходит, например, термическая обработка стали 45.

Сплавы с незначительной критической скоростью закалки, которыми являются легированные, охлаждают с помощью масла. Его использование ограничивается легкой воспламеняемостью и способностью пригорать к поверхности деталей. Ответственные детали из углеродистой стали охлаждают в двух средах: воде и масле.

Мартенситные стали, на которых не должно быть оксидной пленки, например, используемые для медицинского оборудования, охлаждают в разряженной атмосфере или на воздухе.

Для того чтобы превратить остаточный аустенит, придающий стали хрупкость, в мартенсит, применяют дополнительное охлаждение.

С этой целью детали помещают в холодильник с температурой -40 – -100ºС либо покрывают смесью углекислоты с ацетоном. Специальная дополнительная обработка низкими температурами способствует повышению твердости режущих инструментов, материалом которых является легированная сталь, стабилизации размерных параметров высокоточных деталей, увеличению магнитных качеств металла.

Для некоторых деталей, например, валов, кулачков, осей, шестерен, пальцев для муфт, работающих на истирание, используют поверхностную закалку. В этом случае образуется износостойкое покрытие детали, сердцевина которой – вязкая, с повышенной усталостной прочностью. Для того чтобы произвести такую закалку, используют токи высокой частоты, образуемые трансформатором от специального генератора. Они нагревают поверхность детали, охватываемую индуктором. Затем деталь охлаждается на воздухе. Толщина поверхностного слоя, подвергнутого закалке, может варьироваться от 1 до 10 мм.

Виды отпуска стали

Высокий

Средний

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

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.

Отпуск углеродистой и среднелегированных сталей

После закалки изделия подвергаются отпуску при различных температурах. Отпуск бывает низко-, средне- и высокотемпературным.

Температура низкотемпературного отпуска (150 — 250° С) выбирается в зависимости от химического состава так, чтобы получить требуемые механические свойства.

Низкотемпературный отпуск

В большинстве случаев считают, что низкотемпературный отпуск предназначен лишь для снижения внутренних напряжений первого рода, и совершенно не учитывают существенное повышение прочности. Однако, снижение напряжений первого рода при низкотемпературном отпуске приводит к существенному повышению сопротивления отрыву. Повышаются прочность, пластичность и вязкость закаленной стали. Для этого отпуск при температуре 150 — 250° С должен быть не менее 2 — 5 ч.

Среднетемпературный отпуск

Среднетемпературный отпуск производится при температуре 300 — 450° С. В углеродистой стали происходит практически полное выделение углерода из решетки Fe, и структура представляет собой дисперсную смесь кристаллов феррита и цементита (троостит). В легированных сталях процесс распада затягивается до более высоких температур. Время отпуска выбирается в соответствии с требованиями по механическим свойствам. При этих температурах производится отпуск рессор и пружин. Основными легирующими элементами, используемыми для легирования рессорных и пружинных сталей, являются марганец, кремний (стали 60Г, 60С). Иногда применяется хром и ванадий (сталь 50ХФА). Для изготовления мелких пружин применяется холодноволоченая проволока ОВС (содержание углерода 0,9%), подвергаемая после навивки отпуску при температуре 350° С для стабилизации размеров. Тонкие и плоские пружины изготавливают из закаленной стали У9. Среднетемпературный отпуск обеспечивает наиболее высокий предел упругости, усталости при умеренной пластичности и вязкости. Отпуск пружин и рессор производится обычно на специальных оправках или приспособлениях.

Высокотемпературный отпуск

Высокотемпературный отпуск производится при температуре 500 — 650°С. Структура стали состоит из рекристаллизованиых зерен феррита и карбидов (сорбит). Цель его — получение определенного сочетания прочностных свойств.

Термическая обработка, состоящая из закалки и высокотемпературного отпуска, называется улучшением. В качестве улучшаемых используют среднеуглеродистые стали с содержанием различного количества легирующих элементов: хрома, никеля, марганца, кремния, молибдена и вольфрама (стали 40, 45, 40Х, 45Х, 40ХНМ). Часто в качестве улучшаемых используют стали с меньшим содержанием углерода (18Х2Н4ВА) и нержавеющие.

Температура и время

Температуру и время отпуска выбирают исходя из требуемых для деталей механических свойств, используя диаграммы зависимости механических свойств от температуры отпуска. Однако эти диаграммы построены для определенного химического состава. Фактически, вследствие колебания химического состава стали в пределах марки, возникает колебание механических свойств Большое значение для получения заданных механических свойств имеет длительность выдержки при отпуске. Ее выбирают так, чтобы обеспечить полный прогрев изделия и дополнительную выдержку для получения заданных свойств. Чем выше температура, тем меньше должна 6ыть выдержка для получения одинаковых свойств. Для получения более высокой пластичности и вязкости при одинаковой прочности выгодно применять более высокую температуру отпуска. Но это требует от термиста высокой квалификации. Практически для верхнего и нижнего пределов по химическому составу применяемых марок сталей необходимо построить соответствующие графики и по ним устанавливать режим отпуска.

Повышение производительности

При массовом производстве для получения стабильных механических свойств стремятся сужать пределы по химическому составу (селективные марки). Это создает определенные затруднения металлургическим заводам при выплавке стали, поэтому на одном предприятии для различных деталей желательно применять близкие по химическому составу стали.

Многие улучшаемые стали склонны к отпускной хрупкости второго рода (чувствительность к скорости охлаждения). Чтобы вязкость не снижалась, после выдержки при температуре отпуска производится ускоренное охлаждение. Некоторые стали (40ХНМА, 18ХН4ВА), содержащие молибден и вольфрам, практически не склонны к отпускной хрупкости, поэтому могут охлаждаться после отпуска с низкой скоростью.

Особенности термообработки цветных сплавов

Большинство сплавов можно подвергать двум видам термообработки – закалке и старению. Последняя разновидность представляет собой отпуск, проводимый при температурах 120…2000С, с охлаждением при комнатной температуре (естественное старение) или с подачей воздушной струи (искусственное старение).

Однако существует большой разброс между многими комбинациями металлов и цветных сплавов по скорости деформационного упрочнения, что затрудняет систематизацию процессов термообработки цветных сплавов.

Основные особенности:

Сплавы системы «медь-никель» эффективно поддаются механо-термической обработке, при которой структура становится мелкозернистой, но твёрдость повышается.
Все виды цветных сплавов поддаются отжигу, при этом тип нагрева не имеет значения, поскольку интенсивность окалинообразования невысока. Меньшее влияние на эффективность отжига оказывает время, чем температура.
Закалка цветных сплавов значительно менее эффективна. За исключением титана, широко используемые сплавы алюминия, меди и магния не являются аллотропными; таким образом, они не реагируют так же, как стали, при своём нагревании и охлаждении.
Многие сплавы типа бронз термообработке вообще не поддаются, поскольку для этих сплавов твердые растворы, образующиеся при повышенной температуре, остаются полностью стабильными при комнатной температуре или ниже.
Температурные и временные циклы термообработки охватывают широкий диапазон, который зависит не только от состава сплава, но и от того, находится ли сплав в деформируемом или литом состоянии.

Цветные металлы редко подвергаются предварительному нагреву, поскольку он приводит к увеличению размера зерна и ухудшает структуру сплава.

Виды отпуска стали

Низкий.
Средний.
Высокий.

Понятие низкого отпуска.

Для снижения внутренних напряжений низкий отпуск стали обычно проводят нагреванием до 250 °C в течение от 1 до 2,5 часа. Из металла в процессе диффузии выделяется часть излишков углерода, из них образуются карбидные частицы в виде пластин и стержней. Неравновесная структура мартенсита закалки превращается в равновесный отпущенный мартенсит. Этим достигается стабилизация размеров изделий, повышаются вязкость и прочность, а показатели твёрдости практически не изменяются.

Низкотемпературному отпуску подвергают железоуглеродистые и низколегированные стали для производства режущего и измерительного инструмента, который не испытывает динамических нагрузок. В основном его выполняют для сталей, закалённых токами высокой частоты, а также для сплавов, поверхность которых ранее насыщалась углеродом и азотом.

Особенности среднего отпуска.

Он проводится при температурах от 350 °C до 500 °C и обеспечивает высокую упругость и релаксационную стойкость. Из стали выделяется весь избыточный углерод, а карбид переходит в цементит. Мартенсит уже полностью разложился, а перестройка структуры металла (полигонизация) и её совершенствование (рекристаллизация) ещё не начались. Новая комбинация называется троостомартенсит и характеризуется ускорением процессов диффузии. Кристаллическая решётка сплава при этом превращается в кубическую, а внутренние напряжения ещё больше уменьшаются.

Охлаждение металла осуществляют в воде, что тоже увеличивает предел выносливости. Среднетемпературный отпуск необходим при производстве упругих деталей: рессор, ударного инструмента и пружин.

Технология высокого отпуска.

При температурах свыше 500 °C в углеродистых сплавах происходят структурные преобразования, которые уже не относятся к фазовым превращениям. Претерпевают изменения конфигурация и габариты частиц кристаллов, их зёрна укрупняются, а форма стремится к равноосной. Комплексная термообработка, включающая закалку и высокий отпуск стали, в материаловедении называется улучшением, а кристаллическая структура металла после этого — сорбитом отпуска. Она считается наиболее эффективной, так как достигается идеальное сочетание вязкости, пластичности и прочности сплава. Однако несколько снижается твёрдость, поэтому не приходится надеяться на улучшение износостойкости.

Продолжительность высокого отпуска варьируется в пределах от 1 до 6 часов и зависит от размеров зубчатых передач, опор, коленчатых валов, втулок, болтов и винтов, изготовленных из конструкционных и среднеуглеродистых сталей. Эти изделия в процессе эксплуатации воспринимают ударные нагрузки и работают на сжатие, растяжение и изгиб, а к их прочности, выносливости, текучести и ударной вязкости предъявляются особые требования.

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.

Диффузионный отжиг

Согласно отраслевым нормам, этот вид термообработки можно отнести к экстремальным. Металл нагревается до максимально возможной температуры, превышающей критические точки. Технология часто применяется для сплавов со сложными и легкоплавкими соединениями. При этом структура заэвтектоидной стали после отжига становится менее твердой и значительно пластичнее, что позволяет использовать широкий набор приемов для дальнейшей обработки. Метод требует полного контроля и соблюдения технологии, поскольку высоки риски перегрева и пережога, что может привести частично или полностью к утрате необходимых качеств и такой металл к дальнейшим операциям будет непригоден. Точная температура полного отжига доэвтектоидной стали и других марок металла есть в специальных справочниках.

Диффузионный отжиг стали

Правильно выполненная термообработка позволяет получить:

равновесный химический состав;
рост зерна;
растворение избыточных фаз;
образование, рост пор.

Последний пункт является побочным эффектом, относится к дефектам и при производстве стараются избегать возникновения этого явления. Технология отжига стали этим методом требует навыков и знаний, понимания разницы между отдельными видами и марками металла.

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.

Выбор температуры для закалки

Решение, при какой температуре производить закалку металла обусловлено химическим составом стали.

Закалка бывает двух видов:

полная;
неполная.

Руководствуясь диаграммой критических точек можно видеть, что доэвтектоидную сталь при процессе полного закаливания следует нагревать выше точки Ас3 на 30–50 градусов. В результате у стали будет структура однородного аустенита. Впоследствии под действием процесса охлаждения он превратится мартенсит.

Рисунок №1. Критические точки.

Неполное закаливание чаще применяется для инструментальной стали. Цель неполного закаливания — достигнуть температуры, при которой проходит процесс образования избыточных фаз. Нагревание стали происходит в температурном промежутке от Ас1 — Ас2. При этом в структуре мартенсита сохранится какое-то количество феррита, оставшегося после закаливания стали.

Для закаливания заэвтектоидной стали лучше придерживаться температуры на 20–30 градусов больше Ас1 — неполная закалка. Из-за этого при нагревании и охлаждении будет сохраняться цементит, что повышает твердость мартенсита. При закалке не следует нагревать заэвтектоидную сталь свыше положенной температуры. Это может сказаться на твердости.

Нормализация

Процесс нормализации необходим для того, чтобы изменить структуру и создать внутри металла мелкое зерно. Этот вариант подходит как для легированных, так и для низкоуглеродистых сталей.

Главное преимущество технологии позволяет довести твердость до 300 НВ. Вы сможете использовать полученные горячекатаным методом заготовки, а также нарастить прочность, защиту от излома и вязкость. Это позволяет упростить процесс последующей обработки.

В качестве среды охлаждения используется воздух. Максимальные температуры нагрева – не более 50°С сверх установленного для материала предела.

Виды отпуска стали

Каждый вид характеризуется назначением, условиями проведения, предписанным температурным режимом, которые прорабатываются в зависимости от последующих условий эксплуатации заготовки, необходимости придания ей определенных характеристик.

Низкий. Температура нагрева — 150-300 ºC;
Средний. С температурой нагрева — 300-450 ºC;
Высокий. Температура — 450-650 ºC.

Низкий

Процедура проводится с учетом нагрева в печи до 150-250 ºC. Далее проводится продолжительная выдержка, учитывая значение температуры, завершающей стадией является охлаждение заготовки на открытом воздухе.

По завершении операции, металл сохраняет твердость, но в отдельных случаях, показатель увеличивается. Достигается результат благодаря распаду остаточного аустенита. Параллельно с сохранением твердости, локализуется хрупкость закалки. Данный вид операции используется при изготовлении различных изделий, режущего инструмента, при условии, что обеспечивается высокая твердость конструкции. Благодаря трансформации мартенсита, обеспечивается стабилизация габаритов заготовки. Это актуально при условии соблюдения параметров измерительного инструмента, в процессе изготовления которого используется инструментальная сталь. При изготовлении инструмента проводится именно данный вид операции.

Средний

Предусматривается соблюдение температуры 300-500 ºC. Твердость на последней стадии стремительно понижается, но увеличивается значение вязкости. Можно получить троостит отпуска, твердость металла повышается до значения 43 HRC. Применяется в процессе изготовления пружин, рессор, специального технологического инструмента, для которого характерна высокая прочность, упругость. При этом – твердость устанавливается на среднем уровне, это позволит осуществлять обработку заготовки, придание ей нужных характеристик.

Высокий

Выполняется с учетом температурного режима в 500-600 ºC. Главное назначение заключается в получении максимальной вязкости при оптимальном сочетании прочности, упругости структуры стали. На практике, это применяется в процессе изготовления деталей, выполненных из конструкционных марок. В процессе выполнения работы они подвергаются воздействию высокого напряжения. Это актуально при воздействии на структуру металла ударных нагрузок при отливке.

В ходе изготовления деталей, рассчитанных на использование различных типов механизмов, станков, принято использовать термообработку. Суть заключается в закалке заготовки с дальнейшим высоким отпуском. Выполняется он с учетом сохранения температуры, благодаря чему обеспечивается получение сорбита, отличной пластичности и прочности металла. Процесс обработки носит название «улучшение характеристик металла».