Структура получаемая после закалки и среднего отпуска

Превращения при отпуске стали. Термомеханическая обработка.

Сталь после закалки находится в метастабильном состоянии. Исходной структурой закаленной стали является сильно пересыщенный углеродом раствор α-железа – мартенсит и некоторое количество остаточного аустенита. Закаленная сталь обладает высокой твердостью и прочностью, но является ,как правило, хрупкой.

Отпуск состоит в нагреве закаленной стали до температуры ниже точки А_с1 с целью перехода стали в более устойчивое состояние и получения при достаточно высокой прочности удовлетворительного уровня пластичности и вязкости.

Характер структурных изменений, происходящих при отпуске сталей, зависит, во-первых, от состава стали, во-вторых, — от конкретной температуры и продолжительности отпуска. Рассмотрим процессы, происходящие при отпуске углеродистых сталей.

Распад мартенсита с выделением карбидов – главный процесс при отпуске сталей. Распад мартенсита в зависимости от температуры и продолжительности отпуска проходит через стадии предвыделения, выделения промежуточных метастабильных карбидов (типа Fe₃C), выделения цементита и его коагуляции.

Кроме того, структурные изменения при отпуске стали дополняются распадом остаточного аустенита.

Первая стадия отпуска углеродистой закаленной стали проходит при нагреве до 200 ºC (первое превращение при отпуске). Из мартенсита выделяются мельчайшие частицы карбидной фазы (типа Fe_2.4C – ε-карбид). Одновременно тетрагональность решетки уменьшается. Образуется структура отпущенного мартенсита.

При нагреве до температур 200-300 ºC происходит распад остаточного аустенита (второе превращение при отпуске). Остаточный аустенит превращается в смесь пересыщенного α — твердого раствора и еще не обособившихся частиц карбидов, т.е. образуется отпущенный мартенсит.

Когда температура отпуска достигает 300-400 ºC, углерод полностью выделяется из α — твердого раствора с образованием Fe₃C (третье превращение при отпуске). При нагреве до 400 ºC сталь состоит из относительно мелких включений феррита и цементита, образующих структуру троостита.

При нагреве до 600 ºC происходит коагуляция карбидов и полная перекристаллизация мартенсита. В результате сталь приобретает структуру сорбита.

Ферритно-цементитные смеси, получаемые при распаде аустенита (сорбит, троостит), отличаются от ферритно-цементитных смесей, образующихся при распаде мартенсита. В первом случае сорбит и троостит имеют пластинчатую форму цементита, а во втором – зернистую форму. Разная форма цементита обусловливает различия в уровнях механических свойств. Зернистые структуры после отпуска стали обеспечивают у нее более высокие механические свойства, в первую очередь, характеризующиеся большой пластичностью и вязкостью при близкой твердости и прочности. Поскольку сталь после отпуска приобретает структуру сорбита и троостита, по внешним признакам схожую с такой же структурой, получаемой при распаде аустенита, но имеющей принципиальные различия внутреннего строения, принято сорбит и троостит, получаемые в процессе отпуска, называть сорбитом отпуска и трооститом отпуска.

Отпуск стали оказывает существенное влияние на ее механические и служебные свойства. При низких температурах отпуска (до 250 ºC) уменьшается склонность стали к хрупкому разрушению. Пластичность и вязкость стали при низкотемпературном отпуске несколько возрастает из-за уменьшения внутренних напряжений и изменений структуры стали.

С повышением температуры отпуска до 500-600 ºC в структуре стали происходят существенные изменения, сопровождающиеся заметным снижением твердости, временного сопротивления и предела текучести и повышением относительного удлинения, ударной вязкости и трещиностойкости.

Отпуск является заключительной операцией термической обработки, состоящей из нагрева

стали ниже его критической точки А_с1 с последующим охлаждением, при котором формируется окончательная структура стали. Отпуск проводится после операции закалки. Изменения в структуре при нагреве закаленной стали приводят к изменению ее свойств.

Различают низкий, средний и высокий отпуск.

Низкий отпуск проводят при 150-200 ºC. Целью низкого отпуска является снижение внутренних напряжений и некоторое уменьшение хрупкости мартенсита при сохранениивысокой твердости и износостойкости деталей. Структура стали после низкого отпуска представляет собой мартенсит отпуска. Основная область применения низкого отпуска – режущий и мерительный инструмент, а также машиностроительные детали, которые должны обладать высокой твердостью и износостойкостью.

Средний отпуск проводят при температуре 350-450 ºC. Цель среднего отпуска состоит в некотором снижении твердости при значительном увеличении предела упругости. Структура стали представляет собой троостит отпуска, обеспечивающий высокие пределы прочности, упругости и выносливости, а также улучшение сопротивляемости действию ударных нагрузок.

Высокий отпуск проводят при 550-650 ºC. Цель высокого отпуска – достижение оптимального сочетания прочностных и вязких свойств. Структура стали представляет собой однородный сорбит отпуска с зернистым цементитом. Область применения высокого отпуска – конструкционные стали, детали из которых подвергаются воздействию высоких напряжений и ударным нагрузкам.

Термическая обработка, состоящая из закалки с высоким отпуском, улучшающая общий комплекс механических свойств, является основным видом термической обработки конструкционных сталей. Она называется улучшением.

Температуру отпуска обычно выбирают в зависимости от заданной твердости. В этом случае изделие закаливают на максимальную твердость, а затем отпуском твердость снижают до заданной.

Вязкость сталей, особенно легированных, зависит от режима отпуска: температуры, времени выдержки и скорости охлаждения после отпуска (рис.2). При определенных температурах и медленном охлаждении в сталях появляется отпускная хрупкость.

Принято различать отпускную хрупкость 1 и 11 рода.

Отпускная хрупкость 1 рода (необратимая) наблюдается при отпуске как легированных,

так и углеродистых сталей при температуре около 300 ºC ( в интервале температур 250-400 ºC).

Причина отпускной хрупкости 1 рода – неравномерность распада мартенсита по границам зерен и внутри зерна при отпуске. Вблизи границ карбиды выделяются интенсивнее, там создается концентрация напряжений, что делает границы зерен более хрупкими. При повышении температуры отпуска или при увеличении продолжительности нагрева структура по сечению зерна выравнивается и отпускная хрупкость 1 рода устраняется. Повторный отпуск при температуре 250-400 ºC не приводит к отпускной хрупкости.

Отпускная хрупкость 11 рода (обратимая) наблюдается при медленном охлаждении после отпуска при температурах 450-550 ºC. Этот вид отпускной хрупкости обратим, так как при повторном нагреве, но быстром охлаждении при этой же температуре он исчезает. При медленном охлаждении по границам зерен успевают выделиться мелкие карбиды, фосфиды и нитриды, которые приводят к их охрупчиванию. При быстром охлаждении эти частицы не выделяются. Этот вид хрупкости характерен для легированных сталей с повышенным содержанием хрома и марганца. Введение в сталь даже небольших количеств молибдена (0,2-0,3% Mo) или вольфрама (0,6-1,0% W) резко снижает склонность к отпускной хрупкости 11 рода.

Мерами борьбы с отпускной хрупкостью 11 рода являются охлаждение после отпуска не на воздухе, а в масле, а для крупных деталей – даже в воде, а также дополнительное легирование стали молибденом и вольфрамом.

Вопросы к теме 9. Превращения при отпуске стали. Термомеханическая обработка.

1.Какую структуру и какие свойства имеет сталь после закалки?

2. В чем заключается отпуск стали? Какова его цель?

3. От каких факторов зависит характер структурных изменений при отпуске?

4. Какие процессы происходят при отпуске?

5. Охарактеризуйте первую стадию отпуска углеродистых сталей.

6. Охарактеризуйте вторую стадию отпуска углеродистых сталей.

7. Охарактеризуйте третью стадию отпуска углеродистых сталей.

8. Охарактеризуйте четвертую стадию отпуска углеродистых сталей.

9. В чем принципиальное развитие в строении феррито-цементитных смесей, получаемые при распаде аустенита (сорбит, троостит), отличаются от ферритно-цементитных смесей, образующихся при распаде мартенсита?

10. Как влияет форма цементита на механические свойства углеродистых сталей?

11. Какие различают виды отпуска?

12. Охарактеризуйте низкий отпуск.

13. Охарактеризуйте средний отпуск.

14. Охарактеризуйте высокий отпуск.

15. Как называют термическую обработку, состоящую из закалки с высоким отпуском?

16. Чем руководствуются при выборе температуры отпуска?

17. Что называют отпускной хрупкостью?

18. Охарактеризуйте отпускную хрупкость 1 рода.

19. Охарактеризуйте отпускную хрупкость 11 рода.

Дата добавления: 2015-05-05 ; просмотров: 9071 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Отпуск проводится после закалки

Назначение отпуска — снятие внутренних напряжений и получение заданных, требуемых свойств стали.

Свойства стали, получаемые после закалки и соответствующего отпуска зависят от структуры, образующейся после отпуска и, в свою очередь, от превращений, протекающих в процессе отпуска.

Непосредственно после закалки сталь имеет структуру, состоящую из тетрагонального мартенсита и остаточного аустенита. Такая структура является неравновесной. Переход к более устойчивому структурному состоянию закаленной стали сопровождается распадом тетрагонального мартенсита и превращением остаточного аустенита.

При нагревании закаленной стали до температур 80…100°С заметных изменений в структуре не наблюдается. Дальнейшее повышение температуры приводит к структурным превращениям, протекающим в определенных температурных интервалах.

В углеродистых сталях при отпуске наблюдается четыре превращения.

Первое ‑ превращение тетрагонального мартенсита протекает в интервале температур 80…200°С. Это превращение заключается в выделении углерода из мартенсита (за счет возрастания подвижности атомов при повышении температуры). Выделившийся углерод образует с железом ‑ карбид, химический состав которого близок к . При этом кристаллы ‑ карбида и мартенсита имеют общие кристаллографические плоскости (когерентную связь). При образовании ‑ карбида происходит неравномерное обеднение пересыщенного альфа ‑ твердого раствора углеродом.

Вблизи карбидов мартенсит обеднен углеродом, в то время как отдельные его участки сохраняют исходный состав. Выделившийся карбид имеет пластинчатую форму, причем толщина этих пластинок составляет всего несколько атомных слоев.

По мере выделения углерода решетка мартенсита становится менее искаженной, отношение параметров решетки с/а приближается к единице. Такой мартенсит называют, мартенситом отпуска (отпущенным мартенситом). Он обладает высокой твердостью и износостойкостью, но в сравнении с мартенситом закалки представляет собой более стабильную структуру.

Второе ‑ превращение остаточного аустенита. Оно протекает в интервале температур 200…300°С. Сохранение в структуре закаленной стали аустенита было связано с большими напряжениями сжатия, возникающими в результате превращения аустенита в мартенсит. При последующем отпуске напряжения снижаются, уменьшается объем мартенсита (в результате первого превращения) и аустенит получает возможность превращения в мартенсит с увеличением объема. Одновременно продолжается процесс распада тетрагонального мартенсита.

Третье ‑ окончательный распад мартенсита и карбидное превращение. Это превращение протекает в интервале температур 300…400°С. В этом интервале температур из мартенсита выделяется весь избыточный углерод, что приводит к образованию феррита, ‑ карбид перестраивается в стабильный карбид железа () ‑ цементит. При этом происходит обособление карбида, т.е. отделение от решетки альфа ‑ твердого раствора. Изменяются размеры и форма карбидных частиц, они укрупняются и приобретают зернистую форму. Полученная тонкодисперсная смесь феррита и цементита называется троститом отпуска. Эта структура менее твердая и прочная, по более пластичная, чем мартенсит отпуска, и имеет повышенную упругость.

Четвертое ‑ коагуляция (укрупнение) частиц цементита. Структура стали, полученная в результате отпуска при 500…700°С представляет собой дисперсную смесь феррита с цементитом и называется сорбитом отпуска. Такая структура удачно сочетает хорошую прочность, пластичность и вязкость.

Различие тростита и сорбита отпуска от структур того же наименования, но полученных при распаде аустенита, заключается в форме цементитных включений. После отпуска цементит имеет зернистую форму.

Различие в форме частиц цементита в феррито ‑ цементитной смеси приводит к различию в свойствах стали. При равной твердости структура с цементитом зернистой формы обладает более высокой пластичностью и вязкостью.

Изменение свойств стали при увеличении температуры отпуска рассмотрено на рис.10.4.

Рис.10.4. Зависимость свойств стали от температуры отпуска.

Различают три вида отпуска:

Низкий отпуск — температура нагрева 150 — 250°С, структура: мартенсит отпуска, свойства: высокая твердость, снятие внутренних напряжений, уменьшение хрупкости; назначение: инструментальные стали

Средний отпуск — температура нагрева: 300 — 500°С; структура: тростит отпуска; свойства: высокая твердость, высокая упругость и выносливость; назначение; для упругих элементов (пружины, рессоры).

Высокий отпуск — температура нагрева: 500 — 680°С; структура: сорбит отпуска; свойства: высокая твердость, пластичность, вязкость. Наилучшее сочетание этих свойств; назначение: конструкционные стали.

Закалка + Высокий отпуск = Улучшение

ЛЕКЦИЯ 11.

СПОСОБЫ ПОВЕРХНОСТНОГО УПРОЧНЕНИЯ

Поверхностное упрочнение используется для деталей и изделий, работающих в условиях воздействия ударных нагрузок, в условиях трения. Также поверхностное упрочнение может использоваться для деталей тонких сечений.

Упрочнение методом пластического деформирования

Эффективными способами упрочнения поверхностного слоя являются дробеструйная обработка, позволяющая обрабатывать стальные детали на глубину 0,7 мм, и обработка поверхности роликами на глубину до 15 мм. При этом происходит наклеп поверхности детали, позволяющий повысить ее усталостную прочность. Наклепу подвергаются готовые детали, прошедшие механическую и термическую обработку.

При дробеструйной обработке на поверхность деталей из специальных дробеметов с большой скоростью направляют поток стальной или чугунной дроби диаметром 0,5 — 1,5 мм. Удары дроби вызывают пластическую деформацию поверхностного слоя, вследствие чего он становится более твердым.

Дробеструйной обработке подвергают поверхность рессор и пружин, зубчатых колес, звеньев гусениц, гильз и поршней. В результате дробеструйной обработки предел выносливости рессор увеличивается в 1,5 раза и в несколько раз возрастает их долговечность.

Поверхностная закалка

Поверхностная закалка состоит в нагреве поверхностного слоя стали выше А_с3 с последующим охлаждением для получения высокой твердости и прочности в поверхностном слое детали в сочетании с вязкой сердцевиной.

Нагрев под закалку чаще всего производят токами высокой частоты (ТВЧ), а также пламенем газовых или кислородно-ацетиленовых горелок; лазерным излучением. При нагреве токами высокой частоты магнитный поток, создаваемый переменным током, проходящим по проводнику (индуктору), индуцирует вихревые токи в металле детали, помещенной внутри индуктора. Форма индуктора соответствует внешней форме изделия. После нагрева в индукторе деталь охлаждают с помощью специального охлаждающего устройства. Через имеющиеся в нем отверстия на поверхность детали разбрызгивается охлаждающая жидкость.

Структура закаленного слоя состоит из мартенсита, а переходной зоны — из мартенсита и феррита. Глубинные слои при этом не упрочняются.

Высокочастотной закалке подвергают шейки коленчатых валов, гильзы цилиндров, поршни, детали гусениц и т.д.

Лазерная закалка поверхности стальных деталей существенно увеличивает их износостойкость, предел выносливости при изгибе. Лазерная закалка — перспективный метод поверхностного упрочнения изделий сложной формы, работающих в условиях износа и усталостного нагружения, а также инструментальных сталей.

Химико-термическая обработка

Химико-термической обработкой (ХТО) называют процесс, сочетающий в себе поверхностное насыщение стали тем или иным элементом при высокой температуре и термическую обработку, в результате которых происходит изменение химического состава, микроструктуры и свойств поверхностных слоев деталей.

Химико-термическая обработка включает в себя следующие стадии:

1. Диссоциация — выделение насыщающего элемента в активном состоянии в результате разложения исходных веществ. Количественно оценивается степенью диссоциации. Зависит от свойств насыщающей среды.

2. Абсорбция — захват поверхностью металла свободных атомов насыщающего элемента. Зависит от свойств металла и технологии насыщения.

3. Диффузия — проникновение элементов внедрения в глубь металла. Характеризуется свойствами металла и элементов внедрения (в частности, коэффициентами диффузии).

Распределение элементов внедрения по сечению неравномерно. Поверхностный слой детали, отличающийся от исходного материала по химическому составу, называется диффузионным слоем. Материал детали под диффузионным слоем с неизменившимся химическим составом называется сердцевиной (рис.11.1).

Рис.11.1. Распределение элемента насыщения по сечению.

На рис.11.1 показана концентрация элементов внедрения при ХТО по сечению детали где:

С_п, % — концентрация элемента внедрения на поверхности;

С_р, % — средняя концентрация элемента внедрения;

С_исх, % — исходная концентрация (в сердцевине)

К основным видам ХТО относятся:

1. Цементация (насыщение углеродом)

2. Азотирование (насыщение азотом)

3. Нитроцементация (совместное насыщение азотом и углеродом)

4.Диффузионная металлизация (насыщение металлами — алюминием, хромом, кремнием и др.)

Отпуск стали: виды и назначения

Отпуск — завершающая стадия термической обработки стали. Выполняется после закалки. От неё зависит качество и срок службы детали.

Задача заключается в том, чтобы нагреть стальную заготовку до температуры ниже уровня критической, после чего некоторый период времени значение выдерживается и медленно (либо быстро, в зависимости от специфики техпроцесса) выполнить отпуск до нужного показателя.

Выполняются следующие действия:

1. Уменьшается или полностью устраняется возможное напряжение в стальной заготовке.
2. Повышается показатель вязкости металла, до значения, требуемого условиями эксплуатации.
3. Снижается твердость заготовки, это важно для ее обработки.

Основными процессами во время операции являются: распад мартенсита, последующая полигонизация, рекристаллизация.

Изделие подвергается нагреву в печи от 150-250 и до 370-650 ºC, значение контролируется плавно, резкие смены показателей недопустимы.

Виды отпуска стали

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

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

Низкий

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

Когда осуществляется выдержка стальной заготовки, в установленном диапазоне температуры мартенсит принимает форму отпуска. Образовавшееся ранее напряжение в структуре будет снято, аустенит остаточного значения превратится в мартенсит аналогичной формы. Если этапы проведены правильно, достигается прочность детали, можно легко обрабатывать ее для получения требуемой формы и габаритов.

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

Средний

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

Высокий

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

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

Может предусматриваться и нагрев в металле. Его выполняют исключительно в печах, используемых на производстве при проведении иных способов обработки заготовки. Потребуется обеспечить равномерную температуру на протяжении всего этапа, осуществляя параллельно с этим точный контроль состояния металла.

Отпускная хрупкость

Параллельно с увеличением значения температуры отпуска, возрастает ударная вязкость, охлаждение не воздействует на характеристики. Для отдельных марок стали, характерно понижение указанного показателя, дефект носит название «отпускная хрупкость».

Отмечается два вида явления, каждое из которых выделяется спецификой формирования, последующим результатом. Обратите внимание на особенности каждого из них, от этого зависит разработка технологического процесса создания заготовки.

Отпускная хрупкость 1 рода

Возникает, когда область температур проходит значение 300 ºC. Это не связано параметрами охлаждения заготовки, на заключительном этапе обработки. Подобное проявление вызвано разницей уровней превращения мартенсита в создаваемой заготовке. Измеренное значение хрупкости необратимо, даже при нагреве этого элемента повторно, оно не будет проявляться, следовательно, структура сохраняется в стабильном состоянии.

Отпускная хрупкость 2 рода

Явление проявляется в структуре легированных марок стали, когда осуществляется медленное их охлаждение. Устанавливается температура 450-650 ºC. Когда при отливке заготовки имеет место высокий отпуск, по границам металла отмечается выделение дисперсных включений карбидов. При рассмотрении, приграничная зона объединяется, благодаря наличию легирующих компонентов.

Когда осуществляется плавное охлаждение, формируется диффузия, она проявляется острее к границам зерна. Части структуры в приграничной области обогащаются фосфором. Это проявление позволит понизить уровень ударной вязкости, а также прочность. Отмечено как обратимый процесс, при вторичном нагреве, плавном охлаждении до нужного значения, если установлен опасный для показателей интервал, дефект имеет все шансы возникнуть заново. Стали, имеющие склонность к формированию в структуре хрупкости данного рода, не могут нагреваться до 650 ºC.

Принимается решение провести отпуск того или иного вида, в зависимости от характеристик заготовки, эксплуатационных показателей, а также потребностей производственного процесса. Важно соблюсти температуру, в дальнейшем осуществлять естественное охлаждение заготовки, что позволит добиться внушительного результата. В процессе нет ничего сложного, если заблаговременно проработать карту технологических операций.

Отпуск закаленной стали. Структура и свойства закаленной стали после отпуска

Отпуск закаленных углеродистых сталей

Образующийся при закалке стали мартенсит, представляет собой неустойчивую структуру, характеризующуюся высокой твёрдостью, хрупкостью и высоким уровнем внутренних напряжений. По этой причине закалённую сталь обязательно подвергать отпуску.
Отпуском называют термическую операцию, заключающуюся в нагреве закалённой стали до температур, не превышающих точку Аc1 (т.е. не выше линии PSK), выдержке и последующем охлаждении чаще всего на воздухе. Отпуск является окончательной операцией термической обработки, в результате которой сталь получает требуемые механические свойства. Кроме того, отпуск частично или полностью устраняет внутренние напряжения, возникшие при закалке.
Окончательные свойства стали в большей степени зависят от температуры отпуска. Различают три вида отпуска стали в зависимости от температуры нагрева.
Низкий (низкотемпературный отпуск) проводят при температурах не выше 250. 300°С. При таких температурах происходит частичное обезуглероживание мартенсита и выделение из него некоторого количества избыточного углерода в виде частиц е — карбида железа. Образующаяся структура, состоящая из частичного обезуглероженного мартенсита и е-карбидов, называется отпущенным мартенситом. Выход некоторого количества углерода из решетки мартенсита способствует уменьшению её искажения и снижению внутренних напряжений. При таком отпуске несколько повышается прочность и вязкость без заметного снижения твёрдости. В целом изменение свойств при низком отпуске незначительно. Так закалённая сталь с содержанием углерода 0,5. 1,3 % после низкого отпуска сохраняет твёрдость в пределах 58. 63 HRC, а следовательно, обладает высокой износостойкостью. Однако такая сталь не выдерживает значительных динамических нагрузок.
Низкому отпуску подвергают режущий и мерительный инструмент из углеродистых и низколегированных сталей, работающий без значительного разогрева рабочей части, а такие детали, прошедшие поверхностную закалку или цементацию. Цель такого отпуска — некоторое снижение внутренних напряжений.

Средний (средне-температурный) отпуск выполняют при температурах 350. 500°С и применяют преимущественно для рессор, пружин, некоторых видов штампов. При таких температурах происходит дальнейшее обезуглероживание мартенсита, приводящее к его превращению в обычный а-раствор,т.е. в феррит. Одновременно происходит карбидное превращение по схеме; Fe2C ® Fе3С,
В результате образуется феррито-цементитная смесь, называемая троститом отпуска. Наблюдается снижение твёрдости до величины 40. 50 HRC, а также снижение внутренних напряжений.
Такой отпуск обеспечивает высокий предел упругости и предел выносливости, что позволяет применять его для различных упругих элементов.
Высокий(высокотемпературный) отпуск проводят при 500. 600°С. Структурные изменения при таких температурах заключаются в укрупнении (коагуляции) частиц цементита. В результате этого образуется феррито-цементитная смесь, называемая сорбитом отпуска. Также, как и
тростит отпуска, эта структура характеризуется зернистым строением в отличии от пластинчатых структур тростита и сорбита закалки. Твёрдость стали после высокого отпуска снижается до 25. 35 HRC, Однако уровень прочности при этом ещё достаточно высок , В то же время обеспечивается повышенная пластичность и особенно ударная вязкость, практически полностью снимаются внутренние напряжения,, возникшие при закалке.
Таким образом, высокий отпуск на сорбит обеспечивает наилучший комплекс механических свойств, позволяющий применять его для деталей, работающих в условиях динамических нагрузок. Такой же отпуск рекомендуется для деталей машин из легированных сталей, работающих при повышенных температурах.

Термическую обработку, состоящую из закалки на мартенсит и последующего высокого отпуска на сорбит, называют термическим улучшением. Вообще термическому улучшению подвергают детали из среднеуглеродистых (0,3. 0,5%С) конструкционных сталей, к которым предъявляют высокие требования по пределу текучести, пределу выносливости и ударной вязкости. Однако износостойкость улучшенной стали вследствие её» пониженной твёрдости невысока.

Скорость охлаждения после отпуска оказывает большое влияние на величину остаточных напряжений. Чем медленнее охлаждение, тем меньше остаточные напряжения. Так охлаждение на воздухе даёт напряжения в 7 раз меньше, а охлаждение в масле в 2,5 раза меньше по сравнению с охлаждением в воде. По этой причине изделия сложной формы во избежание их деформации после отпуска следует охлаждать медленно (на воздухе), а детали из некоторых легированных сталей, склонных к отпускной хрупкости, рекомендуется охлаждать в масле (иногда даже в воде).

Легирующие элементы, входящие в состав легированных сталей, особенно такие, как Мо5 W, Cr, Ti, V и Si, сильно тормозят диффузионные процессы, происходящие при отпуске закалённой стали. Поэтому после отпуска при одинаковой температуре легированная сталь сохраняет более высокую твёрдость и прочность. Это делает легированные стали более теплостойкими, способными работать при повышенных температурах.

Поверхностная закалка ТВЧ.

Многие ответственные детали работают на истирание и одновременно подвергаются действию ударных нагрузок. Такие детали должны иметь высокую поверхностную твердость, хорошую износостойкость и в то же время не быть хрупкими, т. е. не разрушаться под действием ударов.

Высокая твердость поверхности деталей при сохранении вязкой и прочной сердцевины достигается методом поверхностной закалки.

Из современных методов поверхностной закалки наибольшее распространение в машиностроении находят следующие: закалка при нагреве токами высокой частоты (ТВЧ); пламенная закалка и закалка в электролите.

Выбор того или иного метода поверхностной закалки обусловливается технологической и экономической целесообразностью.

Закалка при нагреве токами высокой частоты. Такой метод является одним из самых высокопроизводительных методов поверхностного упрочнения металлов. Открытие этого метода и разработка его технологических основ принадлежит талантливому русскому ученому B. П. Вологдину.

Высокочастотный нагрев основан на следующем явлении. При прохождении переменного электрического тока высокой частоты по медному индуктору вокруг последнего образуется магнитное поле, которое проникает в стальную деталь, находящуюся в индукторе, и индуктирует в ней вихревые токи Фуко. Эти токи и вызывают нагрев металла.

Особенностью нагрева ТВЧ является то, что индуктируемые в стали вихревые токи распределяются по сечению детали не равномерно, а оттесняются к поверхности. Неравномерное распределение вихревых токов приводит к неравномерному ее нагреву: поверхностные слои очень быстро нагреваются до высоких температур, а сердцевина или совсем не нагревается или нагревается незначительно благодаря теплопроводности стали. Толщина слоя, по которому проходит ток, называется глубиной проникновения и обозначается буквой δ.

Толщина слоя в основном зависит от частоты переменного тока, удельного сопротивления металла и магнитной проницаемости. Эту зависимость определяют по формуле

δ = 5,03-10 4 корень из (ρ/μν) мм,

где ρ — удельное электрическое сопротивление, ом мм 2 /м;

μ, — магнитная проницаемость, гс/э;

v — частота, гц.

Из формулы видно, что с увеличением частоты глубина проникновения индукционных токов уменьшается. Ток высокой частоты для индукционного нагрева деталей получают от генераторов.

При выборе частоты тока, кроме нагреваемого слоя, необходимо учитывать форму и размеры детали с тем, чтобы получить высокое качество поверхностной закалки и экономно использовать электрическую энергию высокочастотных установок.

Большое значение для качественного нагрева деталей имеют медные индукторы.

Наиболее распространены индукторы, имеющие с внутренней стороны систему мелких отверстий, через которые подается охлаждающая вода. Такой индуктор является одновременно нагревательным и охлаждающим устройством. Как только помещенная в индуктор деталь нагреется до заданной температуры, ток автоматически отключится и из отверстий индуктора поступит вода и спреером (водяным душем) охладит поверхность детали.

Детали можно также нагревать в индукторах, не имеющих душирующих устройств. В таких индукторах детали после нагрева сбрасываются в закалочный бак.

Закалка ТВЧ в основном производится одновременным и непрерывно-последовательным способами. При одновременном способе закаливаемая деталь вращается внутри неподвижного индуктора, ширина которого равна закаливаемому участку. Когда заданное время нагрева истекает, реле времени отключает ток от генератора, а другое реле, сблокированное с первым, включает подачу воды, которая небольшими, но сильными струями вырывается из отверстий индуктора и охлаждает деталь.

При непрерывно-последовательном способе деталь неподвижна, а вдоль нее перемещается индуктор. В этом случае проипоследовательный нагреве закаливаемого участка детали, после чего участок попадает под струю воды душирующего устройства, расположенного на некотором расстоянии от индуктора.

Плоские детали закаливают в петлевых и зигзагообразных индукторах, а зубчатые колеса с мелким модулем — в кольцевых индукторах одновременным способом. Макроструктура закаленного слоя мелкомодульного зубчатого колеса автомобиля, изготовленного из стали марки ППЗ-55 (сталь пониженной прокаливаемости). Микроструктура закаленного слоя представляет собой мелкоигольчатый мартенсит.

Твердость поверхностного слоя деталей, закаленных при нагреве ТВЧ, получается на 3-4 единицы HRC выше, чем твердость при обычной объемной закалке.

Для повышения прочности сердцевины детали перед закалкой ТВЧподвергают улучшению или нормализации.

Применение нагрева ТВЧ для поверхностной закалки машинных деталей и инструмента позволяет резко сократить продолжительность технологического процесса термической обработки. Кроме того, этот метод дает возможность изготовлять для закалки деталей механизированные и автоматизированные агрегаты, которые устанавливаются в общем потоке механообрабатывающих цехов. В результате этого отпадает необходимость транспортирования деталей в специальные термические цехи и обеспечивается ритмичная работа поточных линий и сборочных конвейеров

Последнее изменение этой страницы: 2016-04-19; Нарушение авторского права страницы

Технология закалки и отпуска стали

Термическая обработка сталей – одна из самых важных операций в машиностроении, от правильного проведения которой зависит качество выпускаемой продукции. Закалка и отпуск сталей являются одними из разнообразных видов термообработки металлов.

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.

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.).

Термообработка стали: закалка отпуск – зависит от следующих факторов:

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

Закалка

Закалка стали – это процесс термообработки, суть которого заключается в нагреве стали до температуры выше критической с последующим быстрым охлаждением. В результате этой операции повышаются твердость и прочность стали, а пластичность снижается.

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.

Режимы

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

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:

1. выделение вредных газов при закалке;
2. образование налета на изделии;
3. склонность масла к воспламеняемости;
4. 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.

Структура получаемая после закалки и среднего отпуска

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).

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.

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.

Высокий отпуск выполняется при температурах 500-650°С. В процессе высокого отпуска мартенсит распадается с образованием структуры сорбита отпуска. Эта структура обеспечивает лучшее сочетание прочности и пластичности стали. В сорбите отпуска цементит приобретает зернистую форму в отличие от сорбита, полученного после нормализации, в котором цементит имеет пластинчатое строение. Благодаря этому существенно повышается ударная вязкость при одинаковой или даже более высокой твердости, по сравнению с нормализованной сталью. Применяется этот вид отпуска для деталей из конструкционных сталей, работающих при ударных нагрузках.
Закалку стали с последующим высоким отпуском называют улучшением. Конструкционные стали 35, 45, 40Х в результате улучшения получают более высокие механические свойства.
Отпуск закаленных деталей проводят непосредственно после закалки, так как возникшие в них внутренние напряжения могут вызвать образование трещин.
Недогрев, ведущий к недоотпуску, получается при заниженных температурах отпуска или недостаточном времени выдержки. Недоотпущенная сталь сохраняет хрупкость. Устраняют этот дефект повторным, дополнительным отпуском. Сущность старения заключается в изменении растворимости углерода и азота в α-Fe, оно может быть связано также с выделением из твердого раствора частиц нитрида.
Различают искусственное и естественное старение. Отпуск, выполняемый при невысоком нагреве, называют искусственным старением. Процесс искусственного старения состоит в том, что закаленные детали нагревают до 120-150°С и выдерживают при этой температуре в течение 18-35 ч. Искусственное старение осуществляют в масляных ваннах с автоматическим регулированием температуры. При старении закаленных деталей и инструмента стабилизируются размеры, а твердость и структура стали практически не изменяются.
Отпуск, если он происходит при комнатной температуре, называют естественным старением. При естественном старении детали и инструмент выдерживают при комнатной температуре три и более месяцев, так как процесс, вызывающий изменение размеров детали, протекает значительно медленнее, чем при искусственном старении.

Процедура отпуска стали

Отпуск стали – вид термической обработки, применяемый для изделий, прошедших закалку с полиморфным превращением. Что значит «отпущенная сталь»? Это сталь, нагретая ниже температур, при которых происходит изменение типа кристаллической решетки. Далее металл выдерживается в нагретом виде определенное время, затем следует медленное охлаждение, как правило, на воздухе. Назначение отпуска – ослабление или ликвидация внутренних напряжений, увеличение пластичности и вязкости, некоторое уменьшение твердости, полученной при закалке, снижение хрупкости. От правильного выполнения термообработки во многом зависит качество закаленной детали. В зависимости от целевого назначения, выбирают оптимальный режим процесса.

Виды отпуска

Для этого вида термообработки характерны: невысокий нагрев детали до 150-250°C, выдержка при этих температурах и охлаждение на воздухе. При низком отпуске происходят следующие процессы:

• образуется структура «мартенсит отпуска» (продукт распада мартенсита, образующегося при температуре ниже аустенитно-ферритного превращения);
• частично устраняются внутренние напряжения;
• повышается вязкость без заметного снижения твердости.

Этот отпуск чаще всего проводится для инструментальных сталей.

Отпуск при невысоких температурах называют «старением». Виды «старения»:

• Искусственное. Детали нагревают до 120-150°C и выдерживают при этих температурах в течение 18-35 часов. Процесс проходит в ваннах с автоматическим регулированием температуры.
• Естественное. Осуществляется при комнатной температуре, инструмент и изделия выдерживают в таких условиях в течение трех месяцев и более.

«Старение» закаленных деталей и инструмента служит для стабилизации размеров при сохранении достаточно высокой твердости.

Температуры среднего отпуска лежат в интервале 300-500°C. При этом происходит достаточно существенное снижение твердости и повышение вязкости. Такая термообработка применяется для инструмента, который должен иметь значительную вязкость, прочность и упругость, а также для пружин и рессор.

Выполняется при температурах 500-650°C, приводит к образованию структуры, обеспечивающей изделию оптимальное сочетание прочности и пластичности. Применяется для деталей, изготавливаемых из конструкционных сталей 35,45, 40Х и предназначенных для эксплуатации при ударных нагрузках.

Определение! Операция закалки с последующим высоким отпуском называется «улучшением».

Как правильно отпустить закаленную сталь?

Эту операцию необходимо производить сразу после закалки, поскольку деталь может покрыться трещинами из-за присутствия высоких остаточных напряжений. При нарушении режима отпуска – недостаточном нагреве или малой выдержке – происходит «недоотпуск», при котором деталь сохраняет хрупкость. Для устранения этого недостатка применяют повторный отпуск.

Ориентировочная твердость стали (по Роквеллу) после термообработки в различных режимах, включающих закалку и отпуск

Отпуск сталей

Отпуск — это процесс термической обработки, заключающийся в нагреве закаленной стали до температур ниже точки Ас1, c целью получения равновесной структуры и заданного комплекса механических свойств.

Содержание

После закалки сталь имеет структуру на основе мартенсита с тетрагональной искаженной кристаллической решеткой и остаточного аустенита, количество которого зависит от химического состава стали. При нагреве закаленной стали в ее структуре происходят фазовые превращения, которые можно показать в виде схемы.

Схема фазовых превращений при отпуске сталей

Низкий отпуск сталей

Низкий отпуск стали делают при температуре до 250°С. При этом процессе из мартенсита выделяется часть избыточного углерода с образованием мельчайших карбидных частиц (ε-карбидов). ε-карбиды выделяются в виде пластин или стержней и они когерентно связаны с решеткой мартенсита. Распад остаточного аустенита при низком отпуске происходит по механизму бейнитного превращения: образуется гетерогенная смесь кристаллов низкоуглеродистого мартенсита и дисперсных карбидов. Продуктом низкого отпуска является мартенсит отпуска, который отличается от мартенсита закалки меньшей концентрацией углерода и наличием в нем карбидов (ε-карбидов), которые когерентно связаны с решеткой мартенсита.

При температуре около 250°С начинается превращение карбида в цементит; при этом когерентность решеток α-твердого раствора мартенсита и карбидов нарушается.

Низкому отпуску подвергают инструментальные железоуглеродистые материалы (режущий и мерительный инструмент), а также стали, которые подвергались цементации, нитроцементации. Часто низкий отпуск делают для сталей после термообработки токами высокой частоты.

Средний отпуск

Средний отпуск проводится при температурах 350–400 °С. При этом из мартенсита выделяется весь избыточный углерод с образованием цементитных частиц. Тетрагональность (степень тетрагональности) решетки железа уменьшается, она становится кубической. В результате вместо мартенсита остается феррит. Такая феррито-цементитная смесь называется трооститом отпуска, а процесс, приводящий к таким изменениям, среднетемпературным отпуском. При среднем отпуске снижается плотность дислокаций и уменьшаются внутренние напряжения в стали.

Средний отпуск применяется при термообработке упругих деталей: рессор, пружин и др.

Высокий отпуск

Во время высокого отпуск (450-550°С и выше) в углеродистых сталях происходят изменения структуры, не связанные с фазовыми превращениями: изменяются форма, размер карбидов и структура феррита. С повышением температуры происходит коагуляция – укрупнение частиц цементита. Форма кристаллов постепенно становится сферической – этот процесс называется сфероидизацией.

Коагуляция и сфероидизация карбидов начинают происходить более интенсивно с температуры 400°С. Зерна феррита становятся крупными, и их форма приближается к равноосной. Феррито-карбидная смесь, которая образуется после отпуска при температуре 400–600 °С, называется сорбитом отпуска. При температуре, близкой к точке А1, образуется достаточно грубая феррито-цементитная смесь – перлит.

Высокий отпуск с температур 450-550°С применяется для большинства конструкционных сталей. Его широко используют при термообработке различных втулок, опор, крепежных изделий, работающих на растяжение-сжатие и других изделий, которые испытывают статические нагрузки.

Явление отпускной хрупкости

При отпуске некоторых сталей возможно протекание процессов, которые снижают ударную вязкость стали не меняя остальные механические свойства. Такое явление называется отпускной хрупкостью и наблюдается в температурных интервалах отпуска при 250–400ºС и 500–550ºС. Первый вид хрупкости называется отпускной хрупкостью Ι рода и является необратимым, поэтому стоит избегать отпуска сталей при этих температурах. Данный вид присущ практически всем сталям, легированным хромом, магнием, никелем и их сочетанием, и обусловлен неоднородным выделением карбидов из мартенсита. Второй вид отпускной хрупкости — отпускная хрупкость ΙΙ-го рода является обратимым. Отпускная хрупкость ΙΙ-го рода проявляется при медленном охлаждении легированной стали при температуре 500–550°С. Данная хрупкость может быть устранена повторным отпуском с большой скоростью охлаждения (в воде или масле). В этом случае устраняется причина этой хрупкости – выделение карбидов, нитридов, фосфидов по границам бывших аустенитных зерен. Устранение отпускной хрупкости легированных сталей возможно введением в них малых добавок молибдена (0,2–0,3 %) или вольфрама (0,5–0,7 %).

Графически эти виды хрупкости выглядят, как показано на рисунке.

Проявление отпускной хрупкости в сталях при отпуске

Практически все стали подчиняются закону: повышение температуры отпуска — снижение прочностных характеристик и повышение пластических, как показано на рисунке ниже.

Влияние температуры отпуска на механические свойства стали

Такая закономерность не касается быстрорежущих инструментальных легированных карбидообразующими элементами сталей.

Отпуск быстрорежущих инструментальных сталей

Основными легирующими элементами быстрорежущих сталей (Р18, Р6М5 и др.) являются вольфрам, молибден, кобальт и ванадий — элементы, обеспечивающие теплостойкость и износостойкость при эксплуатации. Быстрорежущие стали относятся к карбидному (ледебуритному) классу. Под закалку эти стали нагревают до температуры выше 1200°С (Р18 до температуры 1270°С, Р6М5 — до 1220°С). Высокие температуры закалки необходимы для более полного растворения вторичных карбидов и получения аустенита высоколегированного хромом, молибденом, вольфрамом, ванадием. Это обеспечивает получение после закалки теплостойкого мартенсита. Даже при очень высоком нагреве растворяется только часть карбидов. Для этих сталей характерно сохранение мелкого зерна при высоких температурах нагрева.

Железо и легирующие элементы «быстрорезов» имеют сильно отличающиеся свойства теплопроводности, поэтому при нагреве, для избежания трещин, следует делать температурные остановки. Обычно при 800 и 1050°С. При нагреве крупного инструмента первую выдержку делают при 600°С. Время выдержки составляет 5-20 мин. Выдержка при температуре закалки должна обеспечить растворение карбидов в пределе их возможной растворимости. Охлаждение инструмента чаще всего делают в масле. Для уменьшения деформации применяют ступенчатую закалку в расплавах солей с температурой 400-500°С. Структура «быстрорезов» после закалки состоит из высоколегированного мартенсита, содержащего 0,3-0,4%С, нерастворенных избыточных карбидов и остаточного аустенита. Чем выше температура закалки, тем ниже положение точек Мн, Мк и тем больше остаточного аустенита. В стали Р18 присутствует примерно 25-30% остаточного аустенита, в стали Р6М5 — 28-34%. Для уменьшения аустенита можно сделать обработку холодом, но как правило этого не требуется.

После закалки следует отпуск при 550 — 570°С, вызывающий превращение остаточного аустенита в мартенсит и дисперсионное твердение за счет частичного распада мартенсита и выделения дисперсных карбидов легирующих элементов. Это сопровождается увеличением твердости (вторичная твердость). В процессе выдержки при отпуске из остаточного аустенита выделяются карбиды, что уменьшает его легированность, и поэтому при последующем охлаждении он претерпевает мартенситное превращение (Мн

150°С). В процессе однократного отпуска только часть остаточного аустенита превращается в мартенсит. Чтобы весь аустенит перешел в мартенсит применяют двух и трехкратный отпуск. Время выдержки обычно составляет 60 минут.
При назначении режима нужно учитывать химические свойства элементов и периодичность выделения карбидов в зависимости от температуры. Например максимальная твердость стали Р6М5 получается за счет 3-х стадийного отпуска. Первый отпуск при температуре 350°С, последующие два при температуре 560-570°С. При температуре 350°С выделяются частицы цементита, равномерно распределенные в стали. Это способствует однородному выделению и распределению спецкарбидов М₆С при температуре 560-570°С.

Особенности и виды отпуска стали как способа термообработки металла

Отпуском металла называется технологический процесс термообработки закалённого стального сплава. Он даёт возможность завершить фазовые превращения в микроструктуре (мартенсите), которая приобретает наиболее устойчивое состояние. Дело в том, что в процессе закалки в металле возникают внутренние напряжения — осевые, радиальные, тангенциальные. Чтобы устранить их негативные последствия такие как хрупкость и низкая пластичность, изделия нагревают в печах при различных температурах (от 250 °C до 650 °C), выдерживают заданное время (от 15 минут до 1,5 часа), а потом медленно охлаждают.

• Виды отпуска стали
• Явление отпускной хрупкости
• Термообработка инструментальных сплавов

Комплекс этих мероприятий приводит к выделению лишнего углерода, перестройке и упорядочиванию структуры металла, устранению дефектов его кристаллического строения. Обработанные материалы приобретают заданный комплекс механических свойств, среди которых основные — увеличение пластичности и снижение хрупкости при сохранении достаточного уровня прочности.

Виды отпуска стали

1. Низкий.
2. Средний.
3. Высокий.

Понятие низкого отпуска.

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

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

Особенности среднего отпуска.

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

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

Технология высокого отпуска.

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

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

Явление отпускной хрупкости

Изучая сущность процесса, можно было бы сделать вывод, что при любом увеличении температуры отпуска станет повышаться и ударная вязкость. Но при обработке стальных сплавов в определённых температурных интервалах возникает внезапное падение ударной вязкости без изменения прочих механических характеристик. Это явление обозначается термином «отпускная хрупкость» и объясняется следующим образом:

1. Отпускная хрупкость Ι рода — необратимый процесс. При температурах от 250 °C до 300 °C карбиды из мартенсита начинают выделяться неравномерно, что приводит к резкому различию прочности на поверхности зёрен кристаллов и внутри их. Этому подвержены все виды стальных сплавов вне зависимости от состава и скорости охлаждения по окончании отпуска. Это явление невозможно устранить и для его предотвращения стараются просто не выполнять обработку при данных температурах.
2. Отпускная хрупкость ΙΙ рода — обратимый процесс. Возникает при замедлении охлаждения некоторых легированных хромом, марганцем и никелем сталей, которые отпускались при температурах выше 500 °C. Причиной опять является выделение и диффузное перераспределение карбидов, а также фосфидов и нитридов. Чтобы подавить развитие обратимой хрупкости, применяют повторный отпуск с масляным охлаждением, при этом скорость последнего должна быть как можно более высокой. Добавки в легированную сталь до 1% вольфрама или до 0,3% молибдена тоже помогают решить эту проблему. Интересно, что если во время эксплуатации детали будут снова подвергаться нагреву до температуры выше 500 °C, отпускная хрупкость возникнет повторно, почему она и получила название обратимой.

Термообработка инструментальных сплавов

Практически для всех металлов справедливо утверждение: с повышением температуры отпуска снижается прочность и увеличивается пластичность. Исключение составляют только быстрорежущие стали, применяющиеся в производстве инструментов. Для обеспечения лучших характеристик теплостойкости и износостойкости их легируют карбидообразующими элементами: молибденом, кобальтом, вольфрамом и ванадием. А для закалки используют нагрев до температур свыше 1200 °C, что позволяет наиболее полно растворить образовавшиеся карбиды.

Теплопроводности самого железа и легирующих его элементов значительно различаются, поэтому для предотвращения деформации и растрескивания при нагреве следует выполнять температурные паузы. Это происходит при достижении 800 °C и 1050 °C, а для больших предметов первый интервал назначают при температуре 600 °C. Длительность остановки лежит в пределах от 5 до 20 минут, что позволяет обеспечить наилучшие условия для растворения карбидов. Охлаждение чаще всего проводят в масле.

Существенно уменьшить деформацию позволяет ступенчатая термообработка стали в расплавах солей, где закалка выполняется при температуре около 500 °C. Для увеличения твёрдости изделий далее следует двукратный отпуск при 570 °C. Длительность процесса составляет 1 час, а на его режим влияют химические свойства легирующих элементов и температура, определяющая скорость выделения карбидов.