Зачем при термообработке после закалки проводят отпуск

Опубликовано: 17.09.2024

Закалка. Это процесс термической обработки, при которой сталь нагревают до оптимальной температуры, выдерживают при этой температуре и затем быстро охлаждают с целью получения неравновесной структуры. В результате закалки повышается прочность и твердость и понижается пластичность конструкционных и инструментальных сталей и сплавов. Качество закалки зависит от температуры и скорости нагрева, времени выдержки и охлаждения. Основными параметрами закалки являются температура нагрева и скорость охлаждения.
Температуру нагрева для закалки определяют по положению критических точек Ac₁ и Ас₃. Доэвтектоидные углеродистые стали при закалке нагревают на 30-50°С выше верхней критической точки Ас₃, а заэвтектоидные - на 30-50°С выше точки Ас₁ (рис. 41).

Рис. 41. Интервалы температур нагрева стали при закалке

Скорость нагрева и время выдержки зависят от химического состава стали, размеров, массы и конфигурации закаливаемых деталей, типа нагревательных печей и нагревательной среды. Чем больше размеры и сложнее конфигурация закаливаемых деталей, тем медленнее происходит нагрев. Детали из высокоуглеродистых и легированных сталей, имеющих пониженную теплопроводность, нагревают медленно и с более длительной выдержкой при нагреве по сравнению с деталями из низкоуглеродистых сталей. Это делается для того, чтобы уменьшить деформацию деталей при нагреве.
Скорость нагрева и продолжительность выдержки определяют экспериментально или по технологическим картам, в которых указывают температуру, время нагрева для каждого вида деталей или инструмента. Ориентировочно время нагрева в электрических печах принимают 1,5-2 мин на 1 мм сечения изделия.
Оборудованием для нагрева стали служат нагревательные термические печи и печи-ванны, которые подразделяют на электрические и топливные, обогреваемые за счет сгорания топлива (газа, мазута, угля и др.).
Средой, в которой нагревают сталь, являются в печах - газовая среда (воздух, продукты сгорания топлива), нейтральный газ; в печах-ваннах - минеральные масла, расплавленные соли и металлы.
При нагреве в электрических печах в среде атмосферного воздуха, а также в печах с газовой средой сталь, взаимодействуя со средой, окисляется и на ее поверхности образуется окалина. Кроме того, происходит обезуглероживание - частичное выгорание углерода в поверхностных слоях стали, что снижает прочностные свойства материала после закалки. Наиболее благоприятен нагрев в печах с нейтральной или защитной атмосферой, обеспечивающей предохранение деталей от окисления.
Нагрев стали до требуемой температуры и выдерживание при этой температуре необходимо проводить как можно быстрее. Чем меньше сталь будет находиться в условиях высоких температур, тем выше ее свойства после закалки. Однако время нагрева должно быть достаточным, чтобы сталь равномерно прогревалась по всему объему и получила аустенитную структуру. Поэтому наиболее эффективным по скорости нагрева и предупреждению окисления стали является нагрев в печах-ваннах, наполненных расплавленным металлом (свинец) или расплавленными солями: NaOH, ВаСl₂ или 50% КСl+50% NaC0₃. Нагрев в печах-ваннах с использованием расплавленного металла или солей происходит в 4-5 раз быстрее, чем в печах с газовой средой.
В качестве закалочных сред используют воду, водные растворы солей, щелочей, масло и расплавленные соли, имеющие различную охлаждающую способность. Если принять охлаждающую способность воды при 20°С за единицу, то охлаждающая способность масла будет равна 0,17-0,44, расплавленного свинца (при 335°С) - 0,05, воздуха - 0,03. При нагреве воды с 20 до 99°С охлаждающая способность ее изменяется от 1 до 0,07. В зоне перлитных превращений (650°С) вода охлаждает в 5-6 раз быстрее, чем масло. Воду применяют в основном для охлаждения углеродистых сталей. В масле охлаждают легированные стали.
Закалочные среды (вода, масло) действуют следующим образом. На первом этапе, в момент погружения изделия в закалочную среду, вокруг изделия образуется пленка перегретого пара (паровая рубашка). Через слой паровой рубашки охлаждение изделия происходит относительно медленно. Это этап пленочного кипения. Затем паровая рубашка разрывается и охлаждающая жидкость начинает кипеть на поверхности изделия. Это этап пузырчатого кипения. На этом втором этапе охлаждение изделия происходит быстро. Когда температура поверхности изделия станет ниже температуры кипения жидкости, жидкость не кипит и охлаждение изделия замедлится. Это третий этап - этап конвективного теплообмена. Чем шире интервал этапа пузырчатого кипения, тем интенсивнее охлаждает сталь закалочная жидкость.
Закалка в одной среде – наиболее простой и распространенный способ (рис. 42, кривая а). Деталь или инструмент, нагретые до температуры закалки, погружают в закалочную жидкость (вода, масло и т. д.), в которой она находится до полного охлаждения.
Этот способ используют при ручной и механизированной закалке, когда детали автоматически поступают из печи после нагрева в закалочную жидкость, в воду или масло. Недостатком этого способа закалки является то. что деталь охлаждается по сечению неравномерно и в ней возникают большие термические напряжения.

Рис. 42. Схема различных способов закалки:
а - закалка в одной среде, б - закалка в двух средах, в - ступенчатая закалка, г - изотермическая закалка

При закалке в двух средах, или прерывистой закалке (рис. 42, кривая б), деталь, нагретую до заданной температуры, сначала погружают в быстро охлаждающую среду - воду, а затем переносят деталь в медленно охлаждающую среду - масло. Такую закалку применяют для обработки инструмента, изготовленного из высокоуглеродистой стали. При этом способе закалки трудно определить точное время пребывания детали в каждой из сред.
Ступенчатая закалка (рис. 42, кривая в) заключается в том, что нагретые детали сначала охлаждают до температуры несколько выше мартенситной точки М_н в горячем масле или расплавленной соли, а затем после короткой изотермической выдержки, необходимой для выравнивания температуры по всему сечению изделия, охлаждают на воздухе. Длительность изотермической выдержки по времени должна быть меньше времени устойчивости аустенита при этой температуре. На второй стадии охлаждения сталь закаливается. При таком виде закалки уменьшаются термические напряжения, коробление и предотвращается образование трещин.
Изотермическая закалка (рис. 42, кривая г) выполняется так же, как и ступенчатая, но выдержка в закалочной среде более продолжительная. При такой выдержке происходит изотермический распад аустенита с образованием бейнита. В качестве закалочной среды используют расплавленные соли или щелочи (20% NaOH и 80% КОН) с добавками 5-10% воды для увеличения скорости охлаждения. Изотермической закалке подвергают детали и инструмент из легированных сталей марок 6ХС, 9ХС, ХВГ и др.
Закалку с подстуживанием применяют для уменьшения разницы в температурах металла и закалочной среды, если деталь нагрета до температуры, значительно превышающей температуру закалки данной стали. Нагретую деталь перед погружением в закалочную среду выдерживают (подстуживают) на спокойном воздухе. Этот способ закалки обеспечивает уменьшение внутренних напряжений и предотвращает коробление деталей, особенно деталей, подвергнутых цементации
Закалка с самоотпуском состоит в том, что нагретую деталь . рабочей частью погружают в закалочную среду и выдерживают в ней не до полного охлаждения. За счет тепла нерабочей части детали, которая не погружалась в закалочную жидкость, рабочая часть детали или инструмента нагревается. Температуру отпуска при этом способе закалки определяют по цветам побежалости, возникающим на поверхности детали при температурах 220-300°С.
Закалку с самоотпуском применяют для обработки зубил, кернеров, бородков и других ударных инструментов, у которых твердость должна плавно понижаться от рабочей части к нерабочей.
Закалка с обработкой холодом заключается в продолжении охлаждения закаленной стали до температур ниже комнатной, но в интервале начала (М_н) и окончания (М_к) мартенситного превращения (см. рис. 38), для дополнительного более полного превращения остаточного аустенита в мартенсит и повышения твердости. Высокоуглеродистые и легированные стали после закалки при комнатной температуре содержат до 12% остаточного аустенита, а быстрорежущие - более.35%. В результате обработки холодом повышается твердость и стабилизируются размеры деталей. Наиболее распространенной охлаждающей средой служит смесь ацетона и твердой углекислоты (-78°С).
Закаливаемость - это способность стали приобретать максимально высокую твердость после закалки. Закаливаемость зависит главным образом от содержания углерода в стали: чем больше углерода, тем выше твердость. Это объясняется тем, что с повышением содержания углерода увеличивается число атомов углерода, удерживаемых в атомной решетке железа при закалке, т. е. увеличивается степень пересыщения твердого раствора углерода в железе.
Углеродистые стали с содержанием углерода менее 0,3% (сталь 20, СтЗ) не способны принимать закалку, так как не происходит образования мартенситной структуры. Образование мартенситной структуры связано с перестройкой атомной решетки железа из гранецентрированной в объемно-центрированную. Температура, при которой происходит такая перестройка, зависит от содержания углерода (см. рис. 38). Чем больше содержание углерода, тем ниже температура образования мартенситной структуры.
При выборе охлаждающей среды для того или иного способа закалки необходимо учитывать закаливаемость и прокаливаемость данной стали.
Прокаливаемость - это глубина проникновения закаленной зоны, т. е. способность стали закаливаться на определенную глубину. За глубину закаленной зоны принимают расстояние от поверхности до слоя, где в структуре будет примерно одинаковое количество мартенсита и троостита. Прокаливаемость зависит от химического состава стали, размеров деталей и условий охлаждения. С увеличением содержания углерода до 0,8% прокаливаемость стали увеличивается. При дальнейшем увеличении углерода прокаливаемость несколько снижается. Увеличению прокаливаемости также способствует укрупнение зерен аустенита при нагреве под закалку. Нерастворимые частицы, неоднородность аустенита и другие факторы, которые уменьшают устойчивость переохлажденного аустенита, уменьшают прокаливаемость. Все легирующие элементы, за исключением кобальта, увеличивают прокаливаемость. При комплексном легировании полезное влияние отдельных элементов на прокаливаемость взаимно усиливается.
При закалке скорость охлаждения по сечению изделия распределяется неравномерно. У поверхности она максимальная, в центре - минимальная, т. е. скорость охлаждения уменьшается по некоторому закону от поверхности изделия к его центру. Характеристикой прокаливаемости является критический диаметр, т. е. диаметр максимального сечения, которое прокаливается полностью в данной охлаждающей среде.
Отпуск - процесс термической обработки, состоящий в нагреве закаленной стали до температуры ниже критической точки Ас₁), выдержке при этой температуре и последующем охлаждении (обычно на воздухе). Цель отпуска - получение более устойчивого структурного состояния, устранение или уменьшение напряжений, повышение вязкости и пластичности, а также понижение твердости и уменьшение хрупкости закаленной стали (рис. 43). Правильное выполнение отпуска в значительной степени определяет качество закаленной детали. Температура отпуска варьируется в широких пределах - от 150 до 700°С в зависимости от его цели. Различают низкий, средний и высокий отпуск.
Низкий отпуск характеризуется нагревом в интервале 150-250°С, выдержкой при этой температуре и последующим охлаждением на воздухе. Он выполняется с целью получения структуры мартенсита отпуска и для частичного снятия внутренних напряжений в закаленной стали с целью повышения вязкости без заметного снижения твердости. Низкий отпуск применяют для инструментальных сталей, после цементации и т. д.
Средний отпуск производится при температурах 300-500°С для получения структуры троостита отпуска. Твердость сталей заметно понижается, вязкость увеличивается. Этот отпуск применяют для пружин, рессор, а также инструмента, который должен иметь значительную прочность и упругость при достаточной вязкости.

Рис. 43. Влияние температуры отпуска на механичесуие свойства стали 40

Металлоизделия, используемые в любых отраслях хозяйства должны отвечать требованиям устойчивости к износу. Для этого используется воздействие высокими температурами, в результате чего усиливаются нужные эксплуатационные свойства. Этот процесс называется термической обработкой.

Термообработка представляет собой комплекс операций нагрева, охлаждения и выдержки металлических твердых сплавов для получения необходимых свойств благодаря изменению структуры и внутреннего строения. Термическая обработка применяется в качестве промежуточной операции для того, чтобы улучшить обрабатываемость резанием, давлением, либо в качестве окончательной операции технологического процесса, которая обеспечивает требуемый уровень свойств детали.

Различные методы закаливания применялись с давних пор: мастера погружали нагретую металлическую полоску в вино, в масло, в воду. Для охлаждения кузнецы порой применяли и достаточно интересные способы, например садились на коня и мчались, охлаждая изделие в воздухе.

По способу совершения термическая обработка бывает следующих видов:

-Термическая (нормализация, закалка, отпуск, отжиг, старение, криогенная обработка).

-Термо-механическая. Включает обработку высокими температурами в сочетании с механическим воздействием на сплав.

-Химико-термическая. Подразумевает термическую обработку металла с последующим обогащением поверхности изделия химическими элементами (углеродом, азотом, хромом и др.).

Основные вид ы термической обработки:

1. Закалка. Представляет собой вид термической обработки разных материалов (металлы, стекло), состоящий в нагреве их выше критической температуры с быстрым последующим охлаждением. Выполняется для получения неравновесных структур с повышенной скоростью охлаждения. Закалка может быть как с полиморфным превращением, так и без полиморфного превращения.

2. Отпуск – это технологический процесс, суть которого заключается в термической обработке закалённого на мартенсит металла либо сплава, основными процессами при котором являются распад мартенсита, рекристаллизация и полигонизация. Проводится с целью снятия внутренних напряжений, для придания материалу необходимых эксплуатационных и механических свойств.

3. Нормализация. В данном случае изделие нагревается до аустенитного состояния и потом охлажда е т ся на спокойном воздухе. В результате нормализации снижаются внутренние напряжения, выполняется перекристаллизация стали. В сравнении с отжигом, нормализация – процесс более короткий и более производительны й .

4. Отжиг. Представляет собой операцию термической обработки, заключающуюся в нагреве стали, выдержке при данной температуре и последующем медленном охлаждении вместе с печью. В результате отжига образуется устойчивая структура, свободная от остаточных напряжений. Отжиг является одной из важнейших массовых операций термической обработки стали.

1) Снижение твердости и повышение пластичности для облегчения обработки металлов резанием;

2) Уменьшение внутреннего напряжения, возникающего после обработки давлением (ковка, штамповка), механической обработки и т. д.;

3) Снятие хрупкости и повышение сопротивляемости ударной вязкости;

4) Устранение структурной неоднородности состава материала, возникающей при затвердевании отливки в результате ликвации.

Для цветных сплавов (алюминиевые, медные, титановые) также широко применяется термическая обработка. Цветные сплавы подвергают как разупрочняющей, так и упрочняющей термической обработке, в зависимости от необходимых свойств и области применения.

Термическая обработка металлов и сплавов является основным технологическим процессом в чёрной и цветной металлургии. На данный момент в распоряжении технических специалистов множество методов термообработки, позволяющих добиться нужных свойств каждого вида обрабатываемых сплавов. Для каждого металла свойственна своя критическая температура, а это значит, что термообработка должна производиться с учётом структурных и физико-химических особенностей вещества. В конечном итоге это позволит не только достичь нужных результатов, но и в значительной степени рационализировать производственные процессы.

Тепловое воздействие на металл меняет его свойства и структуру. Это позволяет повысить механические свойства материала, долговечность и надежность изделий, а также уменьшить размеры и массу механизмов и машин. Кроме того, благодаря термообработке, для изготовления различных деталей можно применять более дешевые сплавы.

Как закалялась сталь

Термообработка стали заключается в тепловом воздействии на металл по определенным режимам ля изменения его структуры и свойств.

К операциям термообработки относятся:

отжиг;
нормализация;
старение;
закалка стали и отпуск стали (и пр.).

температуры нагрева;
времени (скорости) нагрева;
продолжительности выдержки при заданной температуре;
скорости охлаждения.

Закалка

При нагреве и охлаждении сталей происходит перестройка атомной решетки. Критические значения температур у разных марок сталей неодинаковы: они зависят от содержания углерода и легирующих примесей, а также от скорости нагрева и охлаждения.

После закалки сталь становится хрупкой и твердой. Поверхностный слой изделий при нагреве в термических печах покрывается окалиной и обезуглероживается тем более, чем выше температура нагрева и время выдержки в печи. Если детали имеют малый припуск для дальнейшей обработки, то брак этот является неисправимым. Режимы закалки закалки стали зависят от ее состава и технических требований к изделию.

Охлаждать детали при закалке следует быстро, чтобы аустенит не успел превратиться в структуры промежуточные (сорбит или троостит). Необходимая скорость охлаждения обеспечивается посредством выбора охлаждающей среды. При этом чрезмерно быстрое охлаждение приводит к появлению трещин или короблению изделия. Чтобы этого избежать, в интервале температур от 300 до 200 градусов скорость охлаждения надо замедлять, применяя для этого комбинированные методы закалки. Большое значение для уменьшения коробления изделия имеет способ погружения детали в охлаждающую среду.

Нагрев металла

Все способы закалки стали состоят из:

нагрева стали;
последующей выдержки для достижения сквозного прогрева изделия и завершения структурных превращений;
охлаждения с определенной скоростью.

Изделия из углеродистой стали нагревают в камерных печах. Предварительный подогрев в этом случае не требуется, так как эти марки сталей не подвергаются растрескиванию или короблению.

Сложные изделия (например, инструмент, имеющий выступающие тонкие грани или резкие переходы) предварительно подогревают:

в соляных ваннах путем двух-или трехкратного погружения на 2 – 4 секунды;
в отдельных печах до температуры 400 – 500 градусов по Цельсию.

Нагрев всех частей изделия должен протекать равномерно. Если это невозможно обеспечить за один прием (крупные поковки), то делаются две выдержки для сквозного прогрева.

Если в печь помещается только одна деталь, то время нагрева сокращается. Так, например, одна дисковая фреза толщиной 24 мм нагревается в течение 13 минут, а десять таких изделий – в течение 18 минут.

Защита изделия от окалины и обезуглероживания

Для изделий, поверхности которых после термообработки не шлифуются, выгорание углерода и образование окалины недопустимо. Защищают поверхности от подобного брака применением защитных газов, подаваемых в полость электропечи. Разумеется, такой прием возможен только в специальных герметизированных печах. Источником подаваемого в зону нагрева газа служат генераторы защитного газа. Они могут работать на метане, аммиаке и других углеводородных газах.

Если защитная атмосфера отсутствует, то изделия перед нагревом упаковывают в тару и засыпают отработанным карбюризатором, чугунной стружкой (термисту следует знать, что древесный уголь не защищает инструментальные стали от обезуглероживания). Чтобы в тару не попадал воздух, ее обмазывают глиной.

Соляные ванны при нагреве не дают металлу окисляться, но от обезуглероживания не защищают. Поэтому на производстве их раскисляют не менее двух раз в смену бурой, кровяной солью или борной кислотой. Соляные ванны, работающие на температурах 760 – 1000 градусов Цельсия, весьма эффективно раскисляются древесным углем. Для этого стакан, имеющий множество отверстий по всей поверхности, наполняют просушенным углем древесным, закрывают крышкой (чтобы уголь не всплыл) и после подогрева опускают на дно соляной ванны. Сначала появляется значительное количество языков пламени, затем оно уменьшается. Если в течение смены таким способом трижды раскислять ванну, то нагреваемые изделия будут полностью защищены от обезуглероживания.

Степень раскисления соляных ванн проверяется очень просто: обычное лезвие, нагретое в ванне в течение 5 – 7 минут в качественно раскисленной ванне и закаленное в воде, будет ломаться, а не гнуться.

Охлаждающие жидкости

Основной охлаждающей жидкостью для стали является вода. Если в воду добавить небольшое количество солей или мыла, то скорость охлаждения изменится. Поэтому ни в коем случае нельзя использовать закалочный бак для посторонних целей (например, для мытья рук). Для достижения одинаковой твердости на закаленной поверхности необходимо поддерживать температуру охлаждающей жидкости 20 – 30 градусов. Не следует часто менять воду в баке. Совершенно недопустимо охлаждать изделие в проточной воде.

Недостатком водяной закалки является образование трещин и коробления. Поэтому таким методом закаливают изделия только несложной формы или цементированные.

При закалке изделий сложной конфигурации из конструкционной стали применяется пятидесятипроцентный раствор соды каустической (холодный или подогретый до 50 – 60 градусов). Детали, нагретые в соляной ванне и закаленные в этом растворе, получаются светлыми. Нельзя допускать, чтобы температура раствора превышала 60 градусов.

Пары, образующиеся при закалке в растворе каустика, вредны для человека, поэтому закалочную ванну обязательно оборудуют вытяжной вентиляцией.

Закалку легированной стали производят в минеральных маслах. Кстати, тонкие изделия из углеродистой стали также проводят в масле. Главное преимущество масляных ванн заключается в том, что скорость охлаждения не зависит от температуры масла: при температуре 20 градусов и 150 градусов изделие будет охлаждаться с одинаковой скоростью.

Следует остерегаться попадания воды в масляную ванну, так как это может привести к растрескиванию изделия. Что интересно: в масле, разогретом до температуры выше 100 градусов, попадание воды не приводит к появлению трещин в металле.

Недостатком масляной ванны является:

выделение вредных газов при закалке;
образование налета на изделии;
склонность масла к воспламеняемости;
постепенное ухудшение закаливающей способности.

Стали с устойчивым аустенитом (например, Х12М) можно охлаждать воздухом, который подают компрессором или вентилятором. При этом важно не допускать попадания в воздухопровод воды: это может привести к образованию трещин на изделии.
Ступенчатая закалка выполняется в горячем масле, расплавленных щелочах, солях легкоплавких.
Прерывистая закалка сталей в двух охлаждающих средах применяется для обработки сложных деталей, изготовленных из углеродистых сталей. Сначала их охлаждают в воде до температуры 250 – 200 градусов, а затем в масле. Изделие выдерживается в воде не более 1 – 2 секунд на каждые 5 – 6 мм толщины. Если время выдержки в воде увеличить, то на изделии неизбежно появятся трещины. Перенос детали из воды в масло следует выполнять очень быстро.

Вам нужно быстро и качественно нарезать металл? Воспользуйтесь плазменной резкой! Как правильно ее выполнять, читайте в этой статье.

Если вас интересует, как сделать токарную обработку металлических изделий, читайте статью по https://elsvarkin.ru/obrabotka-metalla/tokarnaya-obrabotka-metalla-obshhie-svedeniya/ ссылке.

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.

Наиболее распространенным видом упрочняющей термической обработки углеродистых сталей, содержащих углерода более 0,3%, является закалка с последующим отпуском.

Закалка — процесс нагрева стали выше точки А_с. (полная закалка) или А_с (неполная) на 30—50 °С с последующим быстрым охлаждением. Цель закалки — получение высокой твердости и заданных физико-механических свойств. Способность стали принимать закалку возрастает с увеличением содержания в ней углерода. При содержании углерода менее 0,2% сталь практически не закаливается.

Под закаливаемостью понимают способность стали приобретать высокую твердость после закалки.

Прокаливаемость — способность стали закаливаться на определенную глубину. Прокаливаемость зависит от химического состава стали, размеров детали и условий охлаждения. Чем больше устойчивость переохлажденного аустенита, тем больше прокаливаемость. Характеристикой прокаливаемое™ является критический диаметр, т.е. максимальный диаметр цилиндрического прутка, который прокаливается полностью в охлаждающей среде. Так, для углеродистых сталей при закалке в воде критический диаметр составляет 10—20 мм. Легированные стали при закалке в масле в зависимости от степени легирования могут прокаливаться в сечении до 250—300 мм.

На рис. 5.4 приведена диаграмма интервалов температур для закалки железоуглеродистых сталей.

Рис. 5.4. Диаграмма интервалов закалочных температур

Доэвтектоидные стали подвергают полной закалке. После охлаждения закаленной детали в воде при комнатной температуре в структуре образуется мелкоигольчатый мартенсит и небольшое количество остаточного аустенита (1—2%). Нагрев стали при закалке значительно выше критической точки Д, (на 150—200 °С) приводит к ее перегреву. В результате получается крупноигольчатый мартенсит и сталь приобретает пониженную ударную вязкость. Нагрев доэв- тектоидной стали выше точки А , но ниже точки А приводит к неполной закалке. В структуре такой стали наряду с мартенситом присутствуют участки феррита. Эта сталь имеет пониженную твердость.

На рис. 5.5 приведено схематическое изображение структурных превращений для доэвтектоидных сталей, имеющих место при полной закалке <а) —нагрев до температуры выше точки Д и неполной закалке (б) — нагрев до температуры выше точки А .

Рис. 5.5. Структурные превращения в доэвтектоидной стали при закалке: а — полная закалка; б — неполная закалка

Рис. 5.6. Структурные превращения в заэвтектоидной стали при закалке: а — неполная закалка; б — полная закалка

На рис. 5.6 приведена схема структурных превращений, происходящих при закалке заэвтектоидной стали. Если заэвтектоидную сталь нагреть выше точки А. , то в структуре ее будет крупноиголь-

чатыи мартенсит с повышенным количеством остаточного аустенита (рис. 5.6, б), что приведет к снижению твердости стали. Поэтому все заэвтектоидные стали подвергают неполной закалке (рис. 5.6, а). Структура этих сталей состоит из мартенсита и цементита.

Скорость нагрева и время выдержки деталей зависят от размеров, массы деталей, их конфигурации, химического состава материала деталей, от типа печей и нагревательных сред.

При закалке в качестве охлаждающей среды чаще всего используют воду, иногда с добавками солей, щелочей. Для увеличения охлаждающей способности применяют также масла, расплавленные соли и металлы. Для закалки существенное значение имеет скорость охлаждения в интервале температур, где аустенит менее всего устойчив (650—550 °С). Этот интервал температур при закалке надо пройти быстро. Важное значение имеет скорость охлаждения и в интервале температур 300—200 °С, когда во многих сталях происходит образование мартенсита. В этом интервале температур требуется медленное охлаждение во избежание возникновения напряжений и закалочных трещин.

Существуют следующие способы закалки.

Закалка в одном охладителе заключается в том, что нагретую под закалку деталь погружают в закалочную среду (вода, масло и т.д.), в которой она находится до полного охлаждения. Применяют для несложных деталей из углеродистой и легированных сталей.

При закалке в двух средах (прерывистая закалка) деталь сначала погружают в быстроохлаждающую среду (воду), а затем быстро переносят в другую среду (масло, селитру или на воздух), где она охлаждается до комнатной температуры. Такую закалку применяют обычно для обработки инструмента из высоколегированной стали.

При ступенчатой закалке нагретая деталь охлаждается в среде при температуре 230—250 °С (например, в горячем масле, расплавленной соли и др.), а затем после небольшой выдержки охлаждается на воздухе.

Изотермическая закалка производится так же, как и ступенчатая, но выдержка в закалочной среде более продолжительная. При такой выдержке происходит изотермический распад аустенита с образованием бейнита (высокодисперсная смесь феррита и карбида железа).

Закалка с обработкой холодом заключается в охлаждении закаленной стали, содержащей остаточный аустенит, до температур ниже 0 °С. Обычно эта температура около —70 °С. Обработка холодом производится немедленно после закалки, после чего весь остаточный аустенит переходит в мартенсит. Применяется для высокоуглеродистых (углерода более 0,6%) и специальных сталей (инструментальных, шарикоподшипниковых и др.).

К основным дефектам закалки относятся: недогрев, перегрев, пережог, обезуглероживание, коробление, трещины и др.

Если нагрев стали был ниже критической точки, то говорят о закалке с недогревом. Этот дефект исправимый, для чего сталь подвергают отжигу, а затем проводят закалку в соответствии с технологическими рекомендациями.

Пережог стали возникает при значительном перегреве стали перед закалкой. При этом сталь становится очень хрупкой, что является неисправимым дефектом (браком).

Обезуглероживание и окисление поверхности происходят при нагреве в пламенных или электрических печах без контролируемой атмосферы. Чтобы избежать этих дефектов, надо нагрев выполнять в специальных печах с защитной (контролируемой) атмосферой, нейтральной по отношению к стали.

Закалка стали сопровождается увеличением ее объема, что приводит к значительным внутренним напряжениям, которые являются причиной образования трещин и коробления. Трещины являются неисправимым дефектом, а коробления можно устранить последующей рихтовкой или правкой. По указанным выше причинам закаленные изделия и инструмент подвергают отпуску.

Отпуском называют нагрев стали до температуры ниже точки А_с, с выдержкой при данной температуре и последующим охлаждением с заданной скоростью (обычно охлаждают на воздухе). Цель отпуска — уменьшение закалочных напряжений, снижение твердости и получение необходимых механических свойств. Основное превращение при отпуске — распад мартенсита, т.е. выделение углерода из перенасыщенного твердого раствора в виде мельчайших кристалликов карбида железа.

Распад мартенсита завершается при температуре около 400 °С, образовавшуюся ферритоцементитную высокодисперсную механическую смесь называют трооститом отпуска. При более высокой температуре нагрева происходит коагуляция кристаллов карбида железа, дисперсность ферритоцементной смеси снижается, и при температуре 500—650 °С образуется сорбит отпуска. Помимо описанных превращений в интервале температур 200—300 °С происходит распад остаточного аустенита с образованием отпущенного мартенсита.

В зависимости от температуры нагрева различают три вида отпуска.

Низкий отпуск производится при 120— 150 °С (отпуск на отпущенный мартенсит). Его применяют после закалки инструментов, цементованных и цианированных изделий, а также после поверхностной закалки. При низком отпуске уменьшаются остаточные закалочные напряжения, твердость практически не снижается.

Средний отпуск (отпуск на троостит) происходит при нагреве до температур 350—450 °С. При этом снижается твердость. Средний отпуск рекомендуется для пружин и рессор.

Высокий отпуск (отпуск на сорбит) выполняют при температуре 500—650 °С. Применяют в машиностроении для изделий из конструкционной стали с целью обеспечения достаточной прочности, вязкости и пластичности. Сочетание закалки с высоким отпуском на сорбит называется улучшением. Эту операцию применяют для среднеуглеродистых сталей (0,35—0,6% С).

После закалки (при охлаждении в воде) углеродистой стали (0,4% С) и отпуска при 300 °С о_в = 1300 МПа, 5 = 12%, [/ = 35%, а при отпуске 600 °С а_в = 620 МПа, 5 = 22%, |/ = 45%.

Для повышения твердости, предела выносливости и износостойкости детали машин подвергают поверхностному упрочнению. Обычно для этих целей применяют поверхностную закалку — газопламенную закалку, закалку с индукционным нагревом токами высокой частоты и другие виды поверхностного упрочнения. При таком виде обработки сердцевина изделия остается вязкой и воспринимает ударные нагрузки.

Нагрев поверхности детали производится до температуры выше точки Л_С> с последующим быстрым охлаждением.

Газопламенная закалка заключается в нагреве поверхности стальных изделий ацетиленокислородным пламенем, температура которого составляет 2400—3150 °С; при этом поверхность изделия быстро нагревается до температуры закалки, а сердцевина не успевает нагреться. Быстрое охлаждение обеспечивает закалку поверхностного слоя. Толщина закаленного слоя 2—4 мм, твердость достигает HRC 50—56. Газопламенную обработку применяют в мелкосерийном и единичном производстве.

Индукционный нагрев токами высокой частоты (ТВЧ) — наиболее распространенный производительный и прогрессивный метод поверхностного упрочнения. Преимуществом его является возможность автоматизации процесса, отсутствие выгорания углерода и других элементов, а также окисления поверхности изделия. Сущность способа состоит в том, что под действием электродвижущей силы (ЭДС) в металле возникают электрические вихревые токи (токи Фуко), которые нагревают металл до нужной температуры.

Твердость поверхностного слоя при нагреве ТВЧ несколько выше, чем твердость, получаемая при обычной закалке. Закалку с использованием ТВЧ применяют для сталей с содержанием углерода более 0,4%, чтобы получить заданную твердость.

Сейчас применяется также поверхностная обработка с использованием нагрева лазером.

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.

Читайте также: