Для какой цели выполняют отпуск сталей

Обновлено: 26.04.2024

Отпуск представляет собой процесс термообработки закаленной стали, предусматривающий ее нагрев. При этом температура должна быть меньше ее значения в критической точке Ac1. Проведение данной операции преследует цель получения требуемой совокупности механических качеств и формирования у металла равновесной структуры. В ходе процедуры отпуска завершаются фазовые трансформации в мартенсите, а микроструктура обретает очень устойчивое состояние.

Что это такое

Термическая технология отпуска используется для деталей, подвергшихся закалке. Необходимость в ее проведении обусловлена возникновением в металле изготовления внутренних напряжений в ходе его закаливания. По этой причине он обретает хрупкость и становится неспособным выдерживать серьезные внешние нагрузки.

Устранение этих последствий осуществляется выполнением таких действий:

разогрев изделий в печах. Температура (обозначение Т) может принимать значения из широкого диапазона: + 100 °C≤Т≤ +650 °C;

выдерживание на протяжении требуемого временного интервала – от пятнадцати минут до нескольких часов;

медленное постепенное охлаждение.

В результате такой последовательности мероприятий выделится излишний углерод (элемент С), структура сплава перестроится и станет более упорядоченной, а кристаллическое строение избавится от дефектов. Прошедшие обработку материалы обретут пластичность. Кроме того, снизится их хрупкость, а прочность сохранится на достаточном уровне.

Разновидности

Самой главой характеристикой процедуры отпуска является температура, при которой она выполняется. По этому показателю данная термообработка подразделяется на три вида. Рассмотрим их несколько подробнее.

Низкий отпуск

Термическая обработка данного вида предусматривает разогрев детали до температуры, изменяющейся в пределах + 100 °C≤Т≤ +250 °C. Продолжительность техпроцесса обычно вписывается во временной интервал от одного до трех часов. Точное значение данного параметра определяется габаритами заготовки и ее типом. В ходе низкого отпуска наблюдается явление диффузии микрочастиц углеродсодержащих компонентов, не сопровождающееся рекристаллизацией, а также полигонизацией молекулярной решетки. Благодаря этому улучшается ряд свойств материала:

степень химической инертности;

повышается уровень пластичности;

возрастают прочностные характеристики.

Низкий отпуск причисляется к категории универсальных технологий. Однако в большинстве случаев он используется для изделий, в качестве сырья для изготовления которых применялись стали высокоуглеродистые и содержащие легирующие добавки (например, режущие инструменты в виде ножей, кухонная посуда и т.д.).

Основное требование к низкому отпуску формулируется следующим образом: нужно исключить возможность разогрева металла выше отметки +250 °C. Иначе он попадет в пределы действия островка хрупкости I рода, из-за чего деталь может необратимо прийти в негодность.

Средний отпуск

Этот метод термообработки выполняется путем разогрева металла и его выдержки с поддержанием температуры в диапазоне + 300 °C≤Т≤ +450 °C обычно на протяжении не менее 2-х и не более 4-х часов. Охлаждение происходит на открытом пространстве в условиях естественной окружающей среды. При этом такие вышеупомянутые процессы, как

перестройка металла, сопровождающаяся упорядочиванием его дислокационной структуры – полигонизация;

формирование и увеличение в размерах одних зерен кристалла за счет иных – рекристаллизация

не проявляются в ходе активной диффузии частиц элемента углерод (С).

Главная цель термообработки рассматриваемого вида – придание деталям требуемых показателей упругости, релаксационной устойчивости, вязкости не в ущерб высоким прочностным свойствам. Сплавам, полученным способом среднего отпуска, характерна трооститная структура и им присуща твердость, устанавливаемая по методике Роквелла, на уровне от 45НRС до 50НRС.

Данный метод термообработки актуален, преимущественно, для элементов конструкций и метизов, при производстве которых использовались стали рессорно-пружинного типа. (например, 65C2BA. 70C3A). В число таких изделий входят: гнутые стальные полосы, соединенные воедино скобами – рессоры; ковочные одно- и многоручьевые штампы; упругие элементы в виде спирали – пружины; пилы, предназначенные для работы с деревом и т.д. К ним выдвигается такое основное требование: устойчивость к воздействию переменных динамических нагрузок.

Высокий отпуск

Термообработка этого типа предусматривает разогрев деталей до температуры, принимающей значения из диапазона + 500 °C≤Т≤ +680 °C. Продолжительность высокого отпуска составляет приблизительно часа 2-3. На обработку очень сложных изделий может уйти до 6 часов.

внутреннее напряжение, имеющее место в металле, снижается на 95 процентов;

повышается показатель ударной вязкости;

возрастает уровень пластичности материала.

Но все это происходит на фоне снижения прочностных характеристик сплава. Его структура становится сорбитоподобной. То есть обработанный металл в этом случае представляет собою смесь цементита с ферритом, обладающими зернистым строением. При нагревании до температуры, колеблющейся в районе +680 °C, структура сплава будет отличаться преобладанием зернистого перлита.

Термообработка высоким отпуском используется для изделий, подвергающихся во время работы воздействию повышенных импульсных нагрузок. Это, например, подвижные детали, соединяющие поршень с шатунной шейкой коленчатого вала силового агрегата – шатуны; кузнечные молоты всех видов, начиная с паровоздушных, включая гидравлические и заканчивая пневматическими; прессы.

Отпуск сталей легированных. Особенности

Производятся стали данного типа путем введения в железо-углеродный сплав некоторых легирующих добавок, включающих такие элементы, как вольфрам (W), ванадий (V) и хром (Сr). За счет этого совокупность его физико-химических характеристик претерпевает значительные изменения. Именно легирующие компоненты при определенных температурных режимах процессов разогрева и охлаждения становятся центрами кристаллизации. Поэтому выбор условий термообработки требует особо тщательного подхода.

Все главные свойства сталей с легирующими добавками – физико-химические характеристики, фазовые, в том числе равновесные состояния, строение – являются параметрами производными от температуры разогрева. Данный фактор обусловливает возникновение определенной проблемы. Формулируется она так: мартенсит по причине наличия вышеуказанных примесей распадается медленнее, в сравнении с процессом отпуска, когда они отсутствуют. Решается эта проблема путем установки повышенной температуры в печи, в которой проводится термообработка легированного сплава.

Островки хрупкости

Рассматриваемая термообработка требует тщательного соблюдения требований, касающихся температурного режима на протяжении всего цикла. Причина – возможность появления т.н. отпускной хрупкости.

Происходит это явление, когда температура обрабатываемой детали начинает принимать значения из определенных диапазонов числовых значений. Именно эти диапазоны получили название «островки хрупкости». Сопровождается данное явление структурными изменениями (могут быть как обратимыми, так необратимыми) в конструкционных сплавах и сталях с легирующими добавками, вызывающими ухудшение их характеристик. Проявляется это в:

неравномерном протекании процесса диффузии частиц углеродсодержащих компонентов;

нарушении кристаллического строения металла;

возрастании хрупкости сплава до критического уровня.

Отпускную хрупкость принято подразделять на два рода. Принадлежность этой характеристики к одному из них определяет температурный диапазон, а также факторы, связанные с произошедшими в структуре материала нарушениями.

Хрупкость первого рода

Наблюдается такая хрупкость чаще всего, когда температура детали находится в пределах + 250°C≤Т≤ +400 °C. Проявляется она, практически у всех углеродистых конструкционных сплавов и является необратимой. В случае перехода металла в это состояние он теряет пригодность к эксплуатации и обычно отправляется на переплавку. Не допустить появление хрупкости I-го рода можно. Для этого нужно нагревать деталь так, чтобы ее температура была вне пределов диапазона, в котором находится «островок отпускной хрупкости».

Хрупкость второго рода (обратимая)

Появляется хрупкость второго рода, как правило, при разогреве изделия до температуры в диапазоне + 500°C≤Т≤ +550 °C. Причина ее возникновения кроется в излишне медленном остывании обработанной детали. Но хрупкость II-го рода поддается исправлению. Для этого проводится дополнительная термообработка, включающая следующие этапы:

изделие повторно подвергается разогреву до отметки не ниже 500°C;

деталь помещается в среду, изменяющую свое агрегатное состояние – масляную, где ей обеспечивается ускоренное охлаждение.

Имеется еще один вариант решения проблемы: в сплав вносятся такие элементы, как вольфрам либо молибден. Количество первого должно составлять где-то 1% от общего веса сплава, а второго – не меньше 0,3% и не больше 0,4%.

Ну а самый надежный способ ухода от необходимости решать эту проблему – нагревать изделие так, чтобы его температура не принимала значение в диапазоне «островка отпускной хрупкости второго рода».

Особенности термообработки инструментальных сталей

Все вышеперечисленные методы отпуска сплавов подходят для термообработки стальной продукции с содержанием элемента углерод, не превышающим 0,7%. Для инструментальной стали (в ней углерод присутствует в большем количестве) применяются иные технологии. Коротко рассмотрим лишь основные.

Сплавы быстрорежущие инструментальные

Подвергать такие сплавы отпуску не рекомендуется по причине наличия в их составе ванадия, кобальта (Со), молибдена, вольфрама. При нагреве физико-химические характеристики этих элементов изменений не претерпевают, поскольку они весьма устойчивы к воздействию повышенных температур. Заменить отпуск можно многоступенчатой закалкой, предусматривающей разогрев:

первичный – до температуры Т=800°C;

вторичный – до Т=1050°C;

финишный – до температуры Т=1200°C;

с последующим ускоренным охлаждением в масляной рабочей среде.

Сплавы инструментальные обычные

Термообработка сплавов данного типа – процесс двухэтапный:

закалка в соляных расплавах. Проводится при температуре + 450°C≤Т≤ +500 °C;

двойной отпуск длительностью, не превышающей один час, при температуре +550°C≤Т≤ +600 °C.

Следует учесть один важный момент, касающийся отпускной способности II-го рода: при разогреве инструментальных сталей она исключается.

Отпуск стали в бытовых условиях

Домашние мастера подвергают термообработке чаще всего детали транспортных средств, а также кухонную утварь – металлические кружки, вилки и ножи. Но у бытовой металлургии имеется немало ограничений. И рядовой обыватель может их просто не знать. Назовем лишь некоторые проблемы, заняться решением которых ему, скорей всего придется.

В обычных домашних печах разогреть сплав до требуемой высокой температуры просто невозможно. Поэтому в быту доступны два вида отпуска – только низкотемпературный либо средний. Хотя теоретически можно сделать попытку, направленную на переоборудование или, так сказать, «усиление» печи с целью повышения температуры разогрева, человек, не имеющий в этом деле опыта, с решением такой задачи не справится.

Проведение термообработки предполагает работу в защитной среде в виде селитры – аммонийной, калийной и т.д., щелочных соединений или масел. Однако каждому веществу присущи индивидуальные температурные отличия. За примерами далеко ходить не надо. Так, составы, в основе которых находится селитра, в ходе разогрева до высоких (критичных) температур могут взорваться. Это негативно отразится на здоровье домашнего мастера.

Отпуск без задействования защитной среды отрицательно скажется на качественных характеристиках самого металла. Причина – без нее материал будет остывать ускоренными темпами. Это приведет к появлению оксидов, пластической (т.е. необратимой) деформации, продуцированию изгибов, возрастанию степени хрупкости.

Также принимать во внимание следует температурную хрупкость I-го рода (+250°C≤Т≤ +400 °C). Неправильный температурный режим серьезно повлияет на качество металла, вплоть до его необратимого разрушения.

Заключение

В металлургии применяется технологический процесс, получивший название двойной отпуск. Цель его проведения – увеличение степени вязкости обрабатываемой детали без снижения показателя твердости. Он включает два отпуска, которые так и называются: «первый» и «второй». Отличаются эти два процесса не только последовательностью выполнения, но и температурой разогрева обрабатываемого изделия. Во втором отпуске углеродистых сплавов она ниже по сравнению с первым на 20-40 градусов, а при термообработке сталей инструментальных – на 50 градусов.

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:

Все об отпуске сталей

Изготовление изделий из стали – дело весьма хлопотное. Мало того что эту самую сталь надо получить, так ей еще требуется придать необходимые, заданные областью применения конкретного изделия свойства.

Все этапы этого процесса требуют к себе пристального высокопрофессионального внимания и соответствующего высокотехнологичного оборудования. Нарушение процесса может вызвать порчу всей полученной партии металла, направляемой на переплавку. В данном материале рассмотрим один из этапов термической обработки стали – отпуск.

Что это такое?

Отпуском называют один из этапов термической обработки стали, главное назначение которого – удаление возникающих в заготовке в результате плавки и закалки напряжений, вызванных неоднородностью состава и структуры. Как правило, отпуск проводят для изделий из предварительно закаленной стали. Отпуск сталей выполняют путем нагрева заготовки до определенной температуры в специальной печи, с последующим медленным ее охлаждением в той же печи, или в нагретой жидкости. Цель этого вида термической обработки – формирование более однородной по структуре массы, физические свойства которой становятся более постоянными и предсказуемыми.

Нагрев и охлаждение происходят с заданной интенсивностью, иногда процесс может быть растянут на несколько часов в зависимости от марки стали, формы и размера заготовки. Для предотвращения быстрого охлаждения поверхности применяется погружение изделий в различные жидкости: кипящая вода, масло, растворы солей, раствор селитры и другое. Отпуск отличается от закалки стали воздействием на заготовку меньшими температурами в течение более длительного времени.

Это позволяет в отличие от закалки, имеющей строго ограниченную локализацию, осуществить воздействие на весь объем заготовки, целиком придав всему изделию требуемые параметры прочности, вязкости и хрупкости.

При отпуске температура нагрева выбирается в зависимости от марки стали и назначения изделия. По степени и длительности нагрева и охлаждения выделяют: низкотемпературный (низкий), средентемпературный (средний) и высокотемпературный (высокий) режимы отпуска. Технология заключается в медленном нагреве стальной заготовки в специальной печи. Расчет выдержки при той или иной температуре различается по маркам стали. Время выдержки также играет важную роль, так как превращения, происходящие с расплавом, должны коснуться всего объема заготовки. Во время отпуска образуется структура, отличная от изначально сформировавшегося в процессе отлива неоднородного мартенсита. Удаляются излишки углерода, и формируется более совершенная кристаллическая решетка, что позволяет увеличить вязкость стали и снять неизбежные при кристаллизации первичного расплава напряжения.

Так, отпуск стали марки 45, идущей на производство валов и шестерен, для которых важны устойчивость к разнообразным механическим нагрузкам и существенным перепадам температуры, заключается в ее постепенном охлаждении и последующем нагреве сразу после процедуры закалки.

Если пренебречь отпуском, и дать детали просто остыть на воздухе, ее разорвет трещинами от возрастающих внутренних напряжений, так как температурное сжатие и расширение в разных слоях металла будут происходить с различной интенсивностью.

Рассмотрим подробнее особенности современных промышленных видов отпуска стали.

Низкий. Низкий, или низкотемпературный, отпуск производят при температуре не выше 250 градусов. Время процедуры 1-2,5 часа. При столь медленном нагреве и охлаждении из сплава выделяются карбиды, что делает металл более однородным и пластичным. Изделие, прошедшее такую термическую обработку, более устойчиво сохраняет свою форму, что весьма важно для точного измерительного и режущего инструмента, не подвергающегося динамическим нагрузкам.
Средний. Средний, он же среднетемпературный, отпуск производят при температурах от 350 до 500 градусов. Полученные образцы обычно имеют высокую упругость и стремятся к возвращению формы, избавившись от внутренних напряжений. Средний отпуск позволяет вывести из расплава практически весь избыток углерода. Охлаждают детали после отпуска в кипящей воде. Операция совершенно необходима при производстве пружин, рессор, молотков и иного ударного инструмента.
Высокий. Высокотемпературный отпуск производится при нагревании заготовки более 500 градусов. Выдерживать заготовку при такой температуре могут от 1 до 6 часов. При этом из сплава не просто удаляется углерод, в нем происходят структурные преобразования. Вместе с закалкой такое термическое воздействие принято называть улучшением стали. Полученная таким образом улучшенная сталь имеет оптимальное сочетание ряда свойств прежде всего вязкости, пластичности и прочности. При этом несколько снижается твердость.

Улучшение применяют при изготовлении шестерен, коленчатых валов, болтов и других изделий, подвергающихся в процессе эксплуатации значительным механическим воздействиям.

Что такое отпускная хрупкость?

Основная задача отпуска стали – повышение ее вязкости при снижении хрупкости. Отпуск стали требует строгого следования технологии, иначе заготовка может быть безнадежно испорчена и отправлена на переплавку. Существует ряд режимов, при которых отпуск может стать причиной увеличения хрупкости стали, появляется совершенно нежелательная отпускная хрупкость. При определенных условиях отпускная хрупкость может стать необратимой (отпускная хрупкость первого рода). Так, нагрев заготовки до 250-300 градусов вызывает неравномерное выделение из нее углерода, это приводит к большому перепаду в его содержании в отдельных кристаллических структурах стали. Таким образом, заготовка может не соответствовать предъявляемым требованиям по прочности и вязкости. Замедление нагрева и охлаждения совершенно не снижает нежелательный эффект. После долгих экспериментов с заготовками металлурги нашли самый простой выход, во время отпуска сталь до такой температуры стараются не нагревать.

Отпускная хрупкость второго рода считается обратимой. Проявляется она не у всех сталей, а лишь у легированных никелем, хромом или марганцем. Температурные рамки возникновения этого дефекта так же ограничены. Она проявляется во время отпуска при температуре около 500 градусов. Главным условием возникновения обратимой хрупкости является замедление охлаждения, при котором диффузия карбидов, сульфидов и нитритов в заготовке происходит неравномерно, что приводит к неравномерности формирующихся в стали структур. В итоге заготовка может иметь непредсказуемые свойства, что приведет к разрушению при возникновении механических нагрузок. Появление признаков обратимой хрупкости вынуждает вновь подвергать заготовку отпуску с последующим быстрым охлаждением в масле. Проблема несколько снимается добавлением в расплав вольфрама или молибдена (по 1% или 0,3% соответственно).

Обратимая хрупкость может возникать и в процессе эксплуатации детали, если ее температура достигает 500 градусов. В этом случае деталь, во избежание разрушения, должна быть заменена, так как свойства материала обретают существенные отличия от заданных согласно техническим требованиям параметров.

Читайте также: