Для чего нужен отпуск металла

Обновлено: 18.05.2024

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.

Стальные изделия отпускают путем их нагрева до заданного значения с последующим медленным охлаждением на открытом воздухе или в специальной среде. От температуры разогрева напрямую зависит фазовое состояние и структура металла, образующиеся после отпускания, а следовательно, и его физические характеристики.

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

Низкой отпуск производится в температурном диапазоне 120÷300 ºC. Выбор конкретного температурного режима зависит от марки металла и требуемого результата. Чаще всего таким способом снижают внутренние напряжения и несколько повышают вязкость инструментальных сталей, которым требуется повышенная твердость и стойкость к износу.

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

Высокий отпуск проводится в температурном диапазоне, приближенном к критической точке: от 450 ºC до 650 ºC. После такой термообработки сталь становится пластичной, у нее повышается относительное удлинение и сужение, а также ударная вязкость.

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

Практически для всех сталей действует стандартная зависимость: чем выше температура нагрева при отпуске, тем больше пластичность и вязкость отпущенного изделия. Однако у некоторых марок при повышении температуры наблюдается снижение этих физических характеристик и увеличение жесткости и хрупкости.

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

Для того чтобы отпустить сталь в домашних условиях с целью снятия внутреннего напряжения, ее марку знать необязательно — достаточно нагрева до температуры не выше 200 ºC и выдержки в этих условиях не менее часа. Если же планируется отпустить стальное изделие для снижения твердости и повышения вязкости, то для определения температурных режимов отпуска знание марки стали необходимо.

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.

Отпуск стали

Отпуск стали – это процесс нагрева стали до определенной температуры и последующее охлаждение изделия. Процесс осуществляется для ликвидация внутренних напряжений, отрицательно влияющих на технические параметры металлоизделий.

Отпуск стали –это чаще всего финальная термическая обработка после закалки, представляющая собой процесс нагрева полуфабрикатов и изделий до определенной температуры с последующим охлаждением. Ее основное назначение – ликвидация внутренних напряжений, отрицательно влияющих на технические параметры металлоизделий.

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.

Особенности низкого отпуска стали

Этот вид термообработки подразумевает нагрев заготовок и полуфабрикатов до +250°C. Результаты процесса: уменьшение закалочных напряжений, улучшение вязкости без падения твердости.

Чаще всего низкий отпуск применяется для режущего и мерительного инструмента, изготовленного из углеродистых и низколегированных марок, металлопродукции после цементации, нитроцементации, цианирования.

Режимы среднего (среднетемпературного) отпуска стали

Температуры среднетемпературного отпускного процесса – +350…+500°C. Этот вид т/о, применяемый в основном для пружин, рессор, штампов, обеспечивает значительные пределы выносливости и упругости, хорошую релаксационную стойкость. Получаемые структуры: троостит или тростомартенсит, твердость – 45-50 HRC.

Охлаждение в воде после нагрева до температур +400…+450°C применяется для пружин с целью появления на поверхности остаточных напряжений сжатия, повышающих прочностные характеристики металла.

Высокотемпературный отпуск стали – режимы, цели

Температуры высокого отпуска – +500…+650°C, получаемая структура стали – сорбит отпуска. Задача, решаемая этим видом т/о, – получение оптимального соотношения между прочностью и вязкостью. Комплексная термообработка, включающая закалку и высокий отпуск, называется улучшением. Ее преимущество по сравнению с различными видами отжига и нормализацией – повышение временного сопротивления, предела текучести, ударной вязкости, относительного сужения.

Закалка и отпуск закаленной стали применяются для среднеуглеродистых сталей с содержанием C 0,3-0,5%, к которым предъявляются повышенные требования к ударной вязкости и пределу выносливости. С их помощью повышают прочность материала, снижают чувствительность к концентраторам напряжений, температуру порога хладоломкости, склонность к трещинообразованию.

Длительность высокого отпуска – 1-6 часов. Конкретное время зависит от габаритов металлоизделия.

Виды отпускной хрупкости

Повышение температуры отпуска в большинстве случаев улучшает характеристики металлоизделия, способствует эффективному снятию остаточных напряжений. Но есть ситуации, приводящие к ухудшению характеристик сплава. Ученые-металлурги разработали несколько действенных технологий устранения проблемы отпускной хрупкости, которая может быть низко- или высокотемпературной.

Хрупкость I рода – низкотемпературная

Эта разновидность хрупкости возникает при длительной выдержке материала при температурах +250…+350°C. Скорость охлаждения на вероятность ее появления не влияет. Распространяется эта проблема на все марки сталей. Причина возникновения хрупкости I рода – активное, но неравномерное распространение углерода по поверхности кристаллической решетки. Следствие этого процесса – искажение кристаллической структуры сплава, а, следовательно, существенное увеличению хрупкости.

Отпускная хрупкость I рода является необратимым процессом, и она резко снижает эксплуатационные характеристики сплава, который становится пригодным только для переплавки. Технология борьбы с этой проблемой – выполнение низко- либо среднетемпературного отпуска. Нагрев до промежуточных температур – не допускается. Склонность к низкотемпературной отпускной хрупкости снижает высокотемпературная ТМО.

Отпускная хрупкость II рода – высокотемпературная

Проблема высокотемпературной отпускной хрупкости возникает при совпадении трех факторов. Это:

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

Существует два наиболее эффективных варианта решения этой проблемы. Первый способ: после появления признаков отпускной хрупкости нагреть металлоизделие еще раз до заданной температуры в масляной среде и быстро охладить. Второй метод –легирование сплава вольфрамом (примерно в количестве 1%) или молибденом – 0,3-0,4%.

Термическая обработка стали

Термическая обработка стали – процесс температурного воздействия на материал. Решение о выборе способа термической обработки применяется на основании анализа стоящей задачи, а также особенностей марки стали.

Термическая обработка стали – это процесс температурного воздействия на материал. Он позволяет поменять размеры зерен внутри металла, то есть изменить его характеристики, улучшить.

При обработке применяется сразу несколько методов. Металл нагревают, выдерживают при определенной температуре и равномерно охлаждают. Делать это можно на разных этапах, как с заготовками, так и с уже готовыми изделиями.

Метод используется для достижения следующих целей:

значительное увеличение прочности и износостойкости;
защита материала от последующего воздействия высоких температур;
снижение риска появления коррозии;
устранение внутреннего напряжения в заготовках;
подготовка материала к последующей обработке, увеличение его пластичности.

Решение о выборе способа термической обработки применяется на основании анализа стоящей задачи, а также особенностей марки стали. Можно использовать материалы любого качества.

Сталь должна соответствовать трем основным требованиям:

относиться к категории инструментальных, конструкционных или специальных;
быть по составу легированной или углеродистой;
содержать не более 0,25% углерода для низкоуглеродистых сплавов и менее 0,7 % для высокоуглеродистых.

Рассмотрим, какие способы применяются в работе, их особенности и другие параметры, влияющие на результат и уровень качества.

Отпуск

Часто применяется в машиностроении, а также при изготовлении деталей разного назначения из стальных заготовок. Обычно используется с закалкой, потому что помогает снизить внутреннее напряжение материала. Это делает сырье значительно прочнее, снимает хрупкость, которая может появиться при воздействии повышенных температур.

Еще одна цель применения – увеличение показателей ударной вязкости. Материал становится менее жестким, а значит, при сильном внешнем механическом воздействии его будет сложно повредить.

Технология отпуска разделена на три типа:

Низкий. Технология используется для создания мартенситной структуры металла. Главная цель – значительно увеличить вязкость сырья и при этом сохранить его твердость.

Максимальная температура нагрева – до 250 °С. Обычно она составляет не более 150 °С. При таком нагреве сталь нужно будет держать около полутора часов. Охлаждение проводится внутри масла или воздуха, что помогает также упрочнить заготовку или готовое изделие.

Чаще всего низкий отпуск применяется при создании измерительного инструмента или разных типов режущих изделий.

Средний. Отличие заключается в повышении максимальной температуры до 500 °С. Обычно детали обрабатываются при нагреве до 340 °С. Применяется воздушное охлаждение.

Главная задача среднего отпуска – перевести мартенсит в троостит. Это обеспечивает рост вязкости на фоне понижения твердости. Технология пригодится, если планируется производить детали, работающие под сильными нагрузками.

Высокий. Одно из наиболее успешных средств, позволяющих снизить высокий уровень внутренней напряженности. Изделие прогревается до высоких температур, что помогает создать и нарастить вязкость и пластичность без потери прочности. Хотя методика сложна в использовании для ответственных деталей, она оптимальна. Диапазон нагрева – 450-650°С.

Отжиг

Метод применяется для стабилизации внутренней структуры материала и увеличения ее однородности. Это также помогает сильно уменьшить уровень напряжения. Технологический процесс предполагает нагрев до высоких температур, выдержку и длительное, медленное охлаждение.

В промышленности используется несколько основных подходов:

Гомогенизация. Ее также называют диффузионным отжигом. Это процесс термообработки стали в диапазоне температур от 1000 до 1150 °С. В таком состоянии сырье держится на протяжении 8 часов. Для некоторых марок стали время увеличивается до 15. Температура остывания контролируется. Из печи заготовку можно вытаскивать только при достижении 800°С. Далее температура естественно снижается на воздухе.
Рекристаллизация. Это низкий отжиг, необходимый после проведения деформации. Главная задача – сделать материал значительно прочнее путем изменения формы зерна во внутренней структуре. Температурный диапазон составляет 100-200 °С. По сравнению с гомогенизацией, длительность выдерживания сильно уменьшилась – до двух часов. Медленное остывание проходит внутри печи.
Изометрическое воздействие. Подходит только для легированных сталей. При создаваемом состоянии аустенит постепенно распадается. Температура зависит от природного максимума для конкретной марки металла. Предел должен быть превышен на 20-30°С. Остывание проходит в два этапа – быстрый и медленный.
Избавление от внутреннего и остаточного напряжения. Методика подойдет после того, как деталь проходит механическую обработку, сваривается или обрабатывается с использованием литья. Максимальная температура нагрева составляет 727°С. У этого процесса самый длительный период выдерживания среди всех разновидностей отжига –20 часов. Заготовка будет остывать очень медленно.
Полный. Если вам нужно достичь мелкозернистой структуры материала с преобладанием перлита и феррита. Методика подойдет для разных типов заготовок – от штампованных и литых до кованных. Метод нагревания здесь такой же, как у изометрического отжига – прогрев выполняется до предельной точки и еще на 30-50°С выше него. Охлаждение проводится до 500°С. Секрет качественного выполнения операции в том, чтобы контролировать скорость остывания. Она указывается из расчета на 60 минут. Для углеродистой стали остывание должно быть менее 150°С, а для легированной – 50°С.
Неполный. Основной задачей проведения неполного отжига является перевод перлита в ферритно-цементитную структуру. Технология подойдет для деталей, которые были созданы методом электродуговой сварки. При этом температура составляет 700°С, а длительность выдержки – 20 часов. После медленного охлаждения можно использовать заготовку – ее прочность и защита от повреждения значительно увеличатся.

Закалка

Закалка и отпуск стали являются одними из наиболее распространенных режимов термической обработки.

Такой вариант воздействия нужен, чтобы нарастить важные показатели материала – от твердости и максимальной упругости до защиты от износа и твердости. При помощи закалки удается уменьшить предел на сжатие и пластичность.

Такой формат обработки является одним из наиболее старых. Он основывается на быстром охлаждении прогретого до высоких температур металла. Предел нагрева отличается в зависимости от типа сплава. Нужно учитывать, при какой температуре начинает изменяться внутренняя кристаллическая решетка.

В зависимости от марки стали меняется несколько основных параметров:

Среда охлаждения. Самый простой способ – окунание в воду. Дополнительные полезные свойства позволяют получить применение технического масла, газов инертного типа и растворов с высоким уровнем содержания соли.
Скорость охлаждения. Меняется в зависимости от изначальной степени прогрева. Температура воды, соляного раствора или газа также может отличаться.
Нагрев. Выбирается в зависимости от пределов, нужных для изменения внутренней структуры. Для многих видов сырья этот показатель составляет около 900°С.

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.

Криогенная термообработка

Основы термической обработки стали криогенного типа заключаются в значительном охлаждении ранее закаленных заготовок. Главная цель использования – прекращение мартенситного преобразования.

Как и в случае с другими перечисленными средствами, заготовку потребуется постепенно прогреть до стандартной температуры.

Химико-термическая обработка

В ходе обработки происходит преобразование внешнего слоя материала. Это позволяет повысить твердость, защитить сырье от коррозии и дополнительно нарастить износостойкость.

В процессе могут использоваться следующие методы:

Цементация. Также называется науглероживанием. Поверхность насыщается углеродом. Сначала проводится термическая обработка, участки, которые не планируется обрабатывать, обмазываются защитными составами. Процедура проводится в диапазоне 900-950°С.
Азотирование. В отличие от цементации вместо углерода применяется азот. Для этого создается нагретая аммиачная среда. Температурный диапазон составляет 500-520°С.
Цианирование. Применяется как углерод, так и азот в разных соотношениях в зависимости от температуры. Процесс возможен как в газовой, так и в жидкой среде.
Хромирование. Один из видов металлизации. Назван так по основному веществу, которым насыщается материал (хром). Улучшает прочность, коррозийную стойкость, внешний вид детали.

Технология выбирается с ориентиром на особенности и характеристики конкретного типа сплава.

Закалка стали

Закалка стали – термическая обработка, включающая в себя нагрев, выдержку и охлаждение. Процесс направлен на улучшение механических характеристик стали, металлов и сплавов.

Закалка – вид термической обработки, состоящий из основных операций – нагрева до определенной температуры, выдержки, быстрого охлаждения. Он применяется в сочетании с другой разновидностью термообработки – отпуском. Эта технология позволяет улучшить механические характеристики недорогих марок стали, цветных металлов и сплавов, за счет чего снижается себестоимость получаемых изделий и конструкций.

Общие сведения о технологии закалки стали

Основные цели, решаемые комплексом закалка + отпуск:

повышение твердости;
повышение прочностных характеристик;
снижение пластичности до допустимой величины;
возможность использования пустотелых изделий вместо полнотелых, что позволяет снизить массу металлоизделия и металлоемкость производственного процесса.

Основные этапы закалки:

нагрев до температур, при которых осуществляется изменение структурного состояния металла;
выдержка, установленная в технологической карте;
охлаждение со скоростью, обеспечивающей формирование заданной кристаллической структуры.

После закалки проводят отпуск, который заключается в нагреве металла до температур, лежащих ниже линии фазовых превращений, с дальнейшим медленным понижением температуры. На результат термообработки влияют:

температура нагрева;
скорость роста температуры;
период выдержки при закалочных температурах;
охлаждающая среда и скорость снижения температуры.

Ключевым параметром является температура нагрева, от которой зависит перестройка и формирование новой структурной решетки. По глубине действия закалку разделяют на объемную и поверхностную. В машиностроении обычно используется объемная закалка, после которой твердость поверхности и сердцевины отличается незначительно. Поверхностная термообработка востребована для деталей, для которых важна высокая твердость поверхности и вязкая сердцевина.

Какие стали подвергают закалке

Не все марки сталей могут подвергаться закалке. Марки с содержанием углерода ниже 0,4% практически не изменяют твердость при закалочных температурах, поэтому этот способ для них не применяется. Закалочную технологию чаще всего применяют для инструментальных сталей.

Таблица правильных режимов закалки и отпуска для некоторых типов инструментальных сталей

Марка стали	Температура закалки стали	Среда охлаждения после закалочного нагрева	Температура отпуска	Среда охлаждения после отпуска
У7	800°C	вода	170°C	вода, масло
У7А	800°C	вода	170°C	вода, масло
У8, У8А	800°C	вода	170°C	вода, масло
У10, У10А	790°C	вода	180°C	вода, масло
У11, У12	780°C	вода	180°C	вода, масло
Р9	1250°C	масло	580°C	воздух в печи
Р18	1250°C	масло	580°C	воздух в печи
ШХ6	810°C	масло	200°C	воздух
ШХ15	845°C	масло	400°C	воздух
9ХС	860°C	масло	170°C	воздух

Виды закалки – с полиморфным превращением и без него

Закалка сталей протекает с полиморфным превращением, цветных металлов и сплавов – без них.

Закалка сталей с полиморфным превращением

В углеродистых сталях при повышении температур выше определенного уровня происходит ряд фазовых превращений, вызывающих изменения кристаллической решетки. При критических температурах, значение которых зависит от процентного содержания углерода, происходит распад карбида железа и образование раствора углерода в железе, называемого аустенитом. При медленном остывании аустенит постепенно распадается, и кристаллическая решетка приобретает исходное состояние. Если углеродистые стали охлаждать с высокой скоростью, то в зависимости от режима закалки в них образуются различные фазовые состояния, самый прочный из них – мартенсит.

Для получения мартенситной структуры доэвтектоидные стали(до 0,8% C) нагревают до температур, лежащих выше точки Ас3 на 30-50°C, для заэвтектоидных – на 30-50° выше Ас₁.По такой технологии закаливают металлорежущий инструмент и упрочняют изделия, которые в процессе эксплуатации подвергаются трению: шестерни, валы, обоймы, втулки. При нагреве до более низких температур в структуре доэвтектоидных сталей наряду с мартенситом сохраняется более мягкий феррит, снижающий твердость металла и ухудшающий его механические характеристики после отпуска. Такая закалка стали называется неполной и в большинстве случаев является браком. Но она может использоваться в некоторых случаях во избежание появления трещин.

Закалка без полиморфного превращения

Закалка без полиморфного превращения протекает в цветных металлах и сплавах, имеющих ограниченную растворимость вторичных фаз при обычных температурах, в которых при высоких температурах не происходят полиморфные превращения. При повышении температур выше линии солидус (это линия, ниже которой находится только твердая фаза) вторичные фазы полностью растворяются. При быстром охлаждении вторичные фазы не выделяются, поскольку для этого необходимо определенное время. После такой термообработки цветной сплав является термодинамически неустойчивым, поэтому со временем он начинает распадаться с постепенным выделением вторичной фазы. Такой процесс распада, происходящий в естественных условиях, называется естественным старением, а при нагреве – искусственным старением. В результате старения получают равновесную структуру. Характеристики материала зависят от выбранного режима процесса.

Закалка цветных металлов и сплавов, в отличие от углеродистых сталей, часто не приводит к повышению прочности. Сплавы на основе меди, например, после такой ТО часто становятся более пластичными. Для таких материалов обычно используют отпуск, благодаря которому снимаются напряжения после литья, прокатки, штамповки, ковки или прессования.

Способы закалки стали

Способ закалки выбирают в зависимости от химического состава стали и запланированных свойств.

Закаливание с охлаждением в одной среде

Скорость охлаждения стали после закалки зависит от среды, в которой оно проводится. Самую высокую скорость обеспечивает охлаждение в воде. Такой способ используется для среднеуглеродистых низколегированных сталей и некоторых марок коррозионностойких сталей. При содержании углерода более 0,5% C и высоком легировании воду в качестве охлаждающей среды не применяют, поскольку такие сплавы покрываются трещинами или полностью разрушаются.

Прерывистая закалка в двух охлаждающих средах

Ступенчатую закалку применяют для деталей, изготовленных из сложнолегированных сталей. Крупногабаритные детали после нагрева на несколько минут окунают в воду, а затем охлаждают в масле до +320…300°C, после чего оставляют на воздухе. При охлаждении в масле до комнатных температур твердость изделия значительно снижается.

Изотермическая ТО

Закалка высокоуглеродистых марок – сложный процесс, состоящий из нормализации с последующим нагревом до температуры закалки. Нагретые детали опускают в ванну с селитрой, нагретой до температур +320…+350°C, выдерживают.

Светлая ТО

Такая термообработка применяется для высоколегированных сталей и заключается в их нагреве в среде инертных газов или в вакууме, что обеспечивает светлую поверхность металла. Светлая закалка используется в серийном производстве типовых изделий.

Термообработка с самоотпуском

При высокой скорости охлаждения внутри детали остается тепло, которое при постепенном выходе снимает напряжения внутренней структуры. Этот процесс можно доверить только специалистам, которые могут точно рассчитать время нахождения изделия в охлаждающей среде.

Струйная

Охлаждение осуществляют интенсивной струей воды. Такой процесс применяется при необходимости закаливания отдельных частей изделий.

Оборудование для проведения закалки

Оборудование разделяется на две основные группы – установки для нагрева и ванны для охлаждения. На современных предприятиях для получения закалочных температур используются:

муфельные термические печи;
оборудование для индукционного нагрева;
установки для нагрева в расплавах;
аппараты лазерного нагрева;
газоплазменные устройства.

Первые три типа установок востребованы для осуществления объемной закалки, три последние – для поверхностного процесса.

Закалочное оборудование – это стальные емкости, графитовые тигли, печи, в которых содержатся расплавленные металлы или соли. Закалочные ванны для жидких сред оборудованы системами обогрева и охлаждения. В их конструкции могут быть предусмотрены специальные мешалки для перемешивания жидких сред и устранения паровой рубашки.

Охлаждающие среды

Условия охлаждения стали после закалки выбирают в зависимости от химического состава обрабатываемого металла и требуемых характеристик конечного продукта. Это могут быть:

вода;
воздушная или струя или струя инертного газа;
минмасло;
водополимерные смеси;
расплавленные соли – бария, натрия, калия;
металлические расплавы – свинцовые или оловянные.

Технология закалочного процесса

Нагрев и выдержка

Температура нагрева стали при закалке зависит от ее химического состава. В общем случае наблюдается закономерность – чем меньше процентное содержание углерода, тем выше должна быть температура нагрева. Понижение температуры нагрева приводит к тому, что нужная структура не успевает сформироваться. Последствия перегрева:

обезуглероживание;
окисление поверхности;
увеличение внутреннего напряжения;
изменение структурных составляющих.

Изделия сложных форм предварительно подогревают. Для этого их два-три раза опускают на несколько минут в соляные ванны или держат короткое время в печах, нагретых до температур +400…500°C. Период выдержки определяется габаритами изделия и их количеством в печи. Все части изделия должны прогреваться равномерно.

Таблица температур закалки различных марок стали

Марка	Температура, °C	Марка	Температура, °C
15Г	800	50Г2	805
65Г	815	40ХГ	870
15Х, 20Х	800	3Х13	1050
30Х, 35Х	850	35ХГС	870
40Х, 45Х	840	30ХГСА	900
50Х	830

Температуру нагрева измеряют с помощью пирометров – контактных и бесконтактных, инфракрасных приборов.

Охлаждение

Для охлаждения используется вода – чистая или с растворенными в ней солями, щелочные растворы. Для легированных сталей используется обдув или охлаждение в минмаслах. В изотермических и ступенчатых процессах для охлаждения используются расплавы солей, щелочей и металлов. Такие среды могут чередоваться между собой.

Отпуск

В зависимости от необходимой температуры отпуск осуществляется в масляных, щелочных или селитровых ваннах, печах с принудительной циркуляцией воздушных потоков, горячем песке.

Низкий отпуск, проводимый при +150…+200°C,служит для устранения внутренних напряжений, некоторого повышения пластичности и вязкости без существенного ухудшения твердости. Низкий отпуск востребован для измерительного и металлообрабатывающего инструмента, других деталей, которые должны сочетать твердость и устойчивость к износу.

Для быстрорежущих сталей отпуск осуществляют при температурах +550…580°C. Такую процедуру называют вторичным отвердением, поскольку она приводит к дополнительному росту твердости.

Возможные дефекты после закалки

Нагрев, выдержку, охлаждение и отпуск стали осуществляют в соответствии с технологическими картами, разработанными специалистами. Нарушение разработанного и утвержденного техпроцесса и/или неоднородность структуры заготовки могут стать причиной появления различных дефектов. Среди них:

Закалка и отпуск стали. Цвета каления и побежалости

Возможно, вам не раз приходилось слышать эти термины, когда речь шла о кованых ножах, да и вообще о сталях. Настало время разобраться, что же они означают.

Закалка, по своей сути – это нагрев готового изделия до определенной температуры с последующим охлаждением с определенной скоростью, а отпуск – это следующий за закалкой дополнительный нагрев до более низких температур с иных режимом охлаждения; каким именно, зависит от марки стали. Скорость регулируется т.н. «закалочной средой» – жидкостью, в которой клинок охлаждается с определенной скоростью: машинное масло, солевые растворы, поток воздуха с и т.п. Например, масло охлаждает со скоростью примерно в 6 раз меньшей, чем циркулирующая вода.

Чтобы перейти к конкретным цифрам, нужно понять, зачем вообще нужны эти два процесса.

Что улучшает правильная закалка стали

Если спросить среднестатистического человека, который не имеет отношения к ковке ножей, на вопрос «Что дает закалка?» он первым делом скажет о прочности. В целом, он будет прав, хотя из нескольких качеств, которые улучшает закалка, лидировать будет все-таки твердость. Но обо всем по порядку.

Твердость клинковых сталей, как правило, измеряется по шкале Роквелла (HRC); европейские ножи чуть не дотягивают до показателя в 60 HRC, азиатские чуть переваливают за эту отметку. Если мы будем царапать друг о друга два одинаковых сплава различной твердости, следы останутся на том, что мягче; таким образом, твердость дает нам понятие о том, как хорошо сплав сопротивляется механическим повреждениям.
Прочность обычно подразумевает стойкость стали к разрушению (на изгиб, на удар и т.д.) – для ножа это важно, когда мы, к примеру, проверяем его «на изгиб». Если сталь сыровата, то клинок после сгибания частично останется деформированным. Правда, если сталь перекалена, будет еще хуже – клинок сломается; поэтому при закалке важно соблюдать золотую середину.
Упругость. Это как раз то, о чем мы говорили чуть выше – способность возвращать исходную форму после снятия нагрузки. Если закалка сделана по всем правилам, с этим показателем все будет в порядке: при изгибе примерно на 10 градусов (а для тонких кухонных ножей и до 30) клинок вернет изначальную форму.
Износостойкость. Правильный режим закалки улучшает все показатели, которые входят в это понятие: способность сопротивляться механическому и абразивному износу, способность держать заточку и стойкость к ударным нагрузкам.

Главное в погоне за всеми этими качествами – достичь закалкой такого компромисса всех вышеуказанных свойств, чтобы нож и резал хорошо, и был прочен.

Как делают закалку и отпуск

После того, как заготовке клинка придали необходимую форму, ее закаляют. Конечно, все очень индивидуально для разных марок сталей, для конкретных изделий, но в среднем мастера называют температурой нагрева под закалку около 700–800 градусов Цельсия. Оптимальный цвет изделия в таком случае будет алым или вишневым. Если краснота уходит, уступая место оранжевым и желтым оттенкам, температура, скорее всего, перевалила за отметку 1 100 градусов – это для большинства сталей уже многовато. Белый цвет говорит о том, что температура достигла как минимум 1 300 градусов, и для закалки она не подходит – при ней произойдет перекал; в этом случае вернуть стали прочность будет невозможно.

Именно эти цвета и называются цветами каления. Мы встретимся с ними еще раз – когда будем рассматривать отпуск.

Цвета каления показывают нам температуру, которой достигла заготовка. Их не следует путать с цветами побежалости – оттенками окислов

Когда клинок закален, он приобретает высокую твердость, но теряет при этом в прочности. Теперь прочность необходимо вернуть: этой цели и служит отпуск. Отпуск, как мы помним, это повторное нагревание до более низких температур с последующим охлаждением; добавим к этому, что между повторными нагреваниями следует и полное остывание клинка – естественным путем или же путем охлаждения его в солевом растворе или масле. Температуру нагрева для отпуска выбираем следующим образом.

Высокотемпературный отпуск, скорее всего, нам не нужен – он делается для деталей, которые подвергаются не столько деформациям, сколько ударным нагрузкам, а это явно не относится к ножам. Тем не менее, скажем о нем, что его температурные границы – это 500–680 градусов.
Среднетемпературный отпуск – это прогрев до 350–500 градусов; это тоже много, подойдет разве что для метательных ножей.
Низкотемпературный отпуск – то, что нужно. Прогрев здесь идет до 250 градусов. Конечно, нож не будет таким стойким к боковым ударным нагрузкам, но ведь это нам и не нужно: мы уже достигли необходимой твердости при закалке, а сейчас нас интересует прочность. При такой температуре она получится в самый раз.

Нужную температуру снова покажут цвета каления: оптимальным в данном случае (для ножа) будет светло-желтый цвет.

После каждого этапа, на котором появляются продукты окисла (цвета побежалости), изделие следует охлаждать в соленой воде или масле. В чистой воде заготовку не следует охлаждать ни после закаливания, ни во время отпуска – из-за слишком высокой скорости охлаждения изделие может дать трещины. Ни вода, ни масло полностью не соответствуют необходимым требованиям к закалке углеродной стали: быстрое охлаждение до 550 °С и более медленное с 300 °С до 200 °С. Поэтому воду используют в комбинации с маслом: сперва в воду, а потом в масло. Такой способ применяют на инструментальных сталях и именуют «в масло через воду». А вот легированные стали можно закалять только в масле.

Цвета побежалости на клинке коллекционного ножа «Зомби»– неудаленные после отпуска окислы

Выбор стали для закалки

Для начала условно разделим все стали на высокоуглеродистые и легированные. Все стали – это сплавы железа с углеродом и различными легирующими элементами; от того, преобладает ли в ней один углерод или в значительном количестве присутствуют и легирующие элементы, и будет зависеть название стали. Нельзя сказать, что та или иная группа хуже или лучше поддается закалке; у них изначально очень разные характеристики и разные задачи, поэтому мы просто расскажем о закаливании тех и других сталей.

Закалка углеродистых сталей

С этой сталью, как и с изделиями из нее, накоплен огромный опыт работы. Сама по себе она требует меньших температур закалки, чем легированная различными элементами – у нее и без этого довольно высокие показатели твердости и прочности, которые так ценятся на рынке.

Низкоуглеродистые стали закаливают при температурах от 727 до 950 °С.
Средне- и высокоуглеродистые стали закаливают при температурах от 680 до 850 °С.

Нужно помнить, что стали с совсем низким содержанием углерода закалке вообще не поддаются.

Если мы желаем изготавливать и закалять в домашних условиях клинок из углеродистых сталей, нам подойдут следующие марки.

Эти марки при правильной термообработке характеризуются большой прочностью и твердостью, хотя и низкой устойчивостью к коррозии.

Закалка легированных сталей

Помимо железа и углерода в таких сталях содержится значительное количество различных легирующих элементов, которые придают сплаву особые свойства, нужные в той или иной сфере.

Хром превращает сталь в коррозионностойкую, если его содержание превышает 12–16 %.
Молибден и никель повышают прочность стали и ее способность выдерживать высокие нагрузки.
Ванадий улучшает износостойкость сплава и придает клинкам из него способность держать необычайно острую заточку.

Ввиду наличия в сплаве этих элементов сталь обладает худшей теплопроводностью, чем чистая углеродистая, поэтому: 1) для нагрева и охлаждения ей понадобится больше времени – если ускорять процесс искусственно, то по сплаву могут пойти трещины; 2) для закалки ей нужна большая температура – от 850 до 1 100 °С.

К сожалению, правильная термообработка сложнолегированных сталей достаточно трудна, так как для придания клинку высоких рабочих свойств нужны и точная температура, и специальное оборудование для глубокого охлаждения. Поэтому закалить их качественно «на глазок» не получится.

К наиболее распространенным маркам относятся следующие:

О последнем образце можно сказать, что он исключительно износостоек.

Закалка ножевой стали в домашних условиях

Для простых углеродистых сталей даже в кустарных условиях можно сделать удовлетворительную закалку, главное – вооружиться правильными знаниями.

В качестве исходников можно использовать отслужившие инструменты, рессоры и напильники; следите, чтобы на них не было ржавчины. Заготовка из новенького переплавленного металла, конечно, лучше, так как детали, которые долго служили, имеют такое качество, как усталость, что снижает их прочность. Хотя для качественных материалов достаточно провести отжиг, который заключается в нагреве стали, выдержке при определенной температуре и последующем медленном охлаждении вместе с печью или в песке со скоростью два-три градуса в минуту. В результате отжига образуется устойчивая структура, свободная от остаточных напряжений.

И для отжига, и под нагрев детали под закалку можно использовать самодельный горн из ямы, обложенной кирпичами, из паяльной лампы и трубы. В идеале, конечно, пользоваться муфельной печью.

Проверить в домашних условиях, дошла ли закалка до нужной степени, просто: можно провести напильником по закаленному изделию – если закалка не прошла до конца, напильник просто прилипнет к ножу. Перекал проверятся в кустарных условиях сильным ударом заготовки по твердому предмету – камню или рельсу: перекаленный клинок разлетается при таком ударе на части.

Читайте также: