Что такое низкотемпературный отпуск
Отпуск стали – почему материал укрепляется?
Отпуск стали (высокий, низкий, средний) применяют для того, чтобы получить более устойчивое структурное состояние сплава. Узнаем, что он собой представляет, как осуществляется, есть ли побочные эффекты и возможно ли сделать его самостоятельно в домашних условиях.
1 Что такое отпуск стали?
Это последний этап термической обработки, на котором сплав нагревают до температуры, не превышающей теплоту превращения, затем выдерживают нужное время и постепенно охлаждают с заданной скоростью. Потребность в этом возникает потому, что после термического воздействия, например, той же закалки, в материале очень часто появляются внутренние напряжения, которые негативно влияют на его свойства. Чтобы их устранить, следует осуществить вышеупомянутую операцию. Так сталь вновь возобновляет требуемые механические свойства.
Причем чем больше будет температура отпуска стали, тем он будет более эффективным, полнее снимутся осевые, тангенциальные и радиальные напряжения. В первые 15–30 минут выдержки процесс проходит наиболее интенсивно. Однако чтобы снизить значение напряжений до минимума, следует продлить время выдержки хотя бы до 1,5 часа (в индивидуальных случаях оно может достигать даже десятка часов), и тогда получится максимально возможный результат для данного температурного режима.
2 Низкотемпературный и средний отпуск – технологии процессов
В этом случае осуществляют нагрев до 250°С, благодаря которому снижаются внутренние напряжения. Вместо мартенсита закалки появляется отпущенный мартенсит, что способствует повышению прочностных характеристик, а также улучшению вязкости сплава, при этом такие превращения практически не отражаются на твердости материала. Твердость закаленной стали остается прежней (HRC 58–63), а значит, она будет иметь и достаточно высокую износостойкость.
Но учтите, что даже после того, как будет проведен низкотемпературный отпуск закаленной стали, под нагрузкой динамического характера она все же будет разрушаться.
Поэтому такому виду обработки актуально подвергать измерительные и режущие инструменты, сделанные из низколегированных и углеродистых сталей. Кроме того, детали, претерпевшие цементацию, поверхностную закалку, нитроцементацию и цианирование, также проходят низкотемпературный отпуск. В среднем данная операция длится от одного часа до 2,5, но если речь идет о деталях большого сечения, то время стоит увеличить.
Его температурный режим находится в пределах от 350 и до 500°С. В результате превращения при отпуске стали такого рода формируется троостомартенсит и сталь приобретает твердость HRC 40–50. Ее в основном применяют для штампов, рессор, а также пружин. У деталей значительно повышается предел упругости, выносливости и релаксационная стойкость.
Следует очень аккуратно подбирать температурный режим, так как, допустив ошибку, можно вызвать необратимую отпускную хрупкость. Охлаждение же лучше проводить в воде. В этой среде на поверхности материала появляются остаточные сжимающие напряжения, способствующие увеличению предела выносливости.
3 Высокотемпературный отпуск – чем характерна такая обработка?
Если температура превышает 500°С, то такой отпуск называется высокотемпературным либо просто высоким. Структура стали после данной обработки – сорбит отпуска. Причем из всех вышеописанных этот вид наиболее эффективный, так как получается идеальное соотношение вязкости и прочности сплава. При этом стоит учитывать, что закалка стали в сочетании с последующей высокотемпературной обработкой способствует повышению предела текучести, прочности, ударной вязкости, а также относительному сужению.
Благодаря таким результатам подобное сочетание принято называть улучшением. Целесообразно оно для конструкционных и среднеуглеродистых сталей, к которым предъявляются особые требования. А в частности, к их пределу прочности, текучести, выносливости и ударной вязкости. При этом имейте в виду, что твердость в этом случае несколько снизится, поэтому рассчитывать на улучшение износостойких характеристик не стоит. Однако у сплава несколько уменьшится чувствительность к концентраторам напряжений, порог хладноломкости, увеличится работа развития трещины, что способствует повышению конструктивной прочности материала.
Так как выдержки в заданном температурном режиме около двух часов достаточно, чтобы устранить практически все остаточные напряжения, то данная операция обычно не длится более шести часов. Однако есть и индивидуальные случаи, когда деталь обрабатывают и несколько десятков часов, дабы предотвратить появления внутренних трещин (флокенов).
4 Процесс отпуска стали – домашняя мастерская
Таким образом, видно, что средний, низкотемпературный, высокотемпературный отпуск является обязательным этапом термической обработки сплавов, благодаря которому такие свойства, как вязкость и пластичность, значительно улучшаются. А уж какой из этих видов выбрать, зависит от материала и назначения обрабатываемого элемента.
Отпуск стали
Сообщение об ошибке
СОДЕРЖАНИЕ
Отпуск стали
Наиболее интенсивно напряжения снижаются в результате выдержки при 550 °С в течение 15–30 мин. После выдержки в течение 1,5 ч напряжения снижаются до минимальной величины, которая может быть достигнута отпуском при данной температуре.
Скорость охлаждения после отпуска также оказывает большое влияние на величину остаточных напряжений. Чем медленнее охлаждение, тем меньше остаточные напряжения. Быстрое охлаждение от 600 °С создает новые тепловые напряжения. По этой причине изделия сложной формы во избежание их коробления после отпуска при высоких температурах следует охлаждать медленно, а изделия из легированных сталей, склонных к обратимой отпускной хрупкости, после отпуска при 500–650 °С во всех случаях следует охлаждать быстро.
Основное влияние на свойства стали оказывает температура отпуска. Различают три вида отпуска.
Низкотемпературный отпуск стали
Низкотемпературный (низкий) отпуск проводят с нагревом до 150–200 °С, реже до 240–250 °С. При этом снижаются внутренние напряжения, мартенсит закалки переводится в отпущенный мартенсит, повышается прочность и немного улучшается вязкость без заметного снижения твердости. Закаленная сталь (0,5–1,3% С) после низкого отпуска сохраняет твердость в пределах HRC 58–63, а следовательно, высокую износостойкость. Однако такое изделие (если оно не имеет вязкой сердцевины) не выдерживает значительных динамических нагрузок.
Низкотемпературному отпуску подвергают поэтому режущий и измерительный инструмент из углеродистых и низколегированных сталей, а также детали, претерпевшие поверхностную закалку, цементацию, цианирование или нитроцементацию. Продолжительность отпуска обычно 1–2,5 ч, а для изделий больших сечений и измерительных инструментов назначают более длительный отпуск.
Среднетемпературный отпуск стали
Среднетемпературный (средний) отпуск выполняют при 350–500 °С и применяют главным образом для пружин и рессор, а также для штампов. Такой отпуск обеспечивает высокие предел упругости, предел выносливости и релаксационную стойкость. Структура стали (0,45–0,8 % С) после среднего отпуска – троостит отпуска или троостомартенсит с твердостью HRC 40–50. Температуру отпуска надо выбирать таким образом, чтобы не вызвать необратимой отпускной хрупкости.
Охлаждение после отпуска при 400–450 °С следует проводить в воде, что способствует образованию на поверхности сжимающих остаточных напряжений, которые увеличивают предел выносливости пружин.
Высокотемпературный отпуск стали
Высокотемпературный (высокий) отпуск проводят при 500–680 °С. Структура стали после высокого отпуска – сорбит отпуска. Высокий отпуск создает наилучшее соотношение прочности и вязкости стали.
Закалка с высоким отпуском по сравнению с нормализованным или отожженным состоянием одновременно повышает пределы прочности и текучести, относительное сужение, и особенно ударную вязкость (таблица 1). Термическую обработку, состоящую из закалки и высокого отпуска, называют улучшением.
Улучшению подвергают среднеуглеродистые (0,3–0,5 % С) конструкционные стали, к которым предъявляются высокие требования к пределу текучести, пределу выносливости и ударной вязкости. Однако износостойкость улучшенной стали вследствие ее пониженной твердости не является высокой.
| Термическая обработка | σ в | σ т | δ | ψ | ан, кгс·м/см 2 |
|---|---|---|---|---|---|
| кгс/мм 2 | % | ||||
| Отжиг при 880 °С | 55 | 35 | 20 | 59 | 9 |
| Закалка с 880 °С (охлаждение в воде) и отпуск при 300 °С | 130 | 110 | 12 | 35 | 3 |
| Закалка с 880 °С (охлаждение в воде) и отпуск при 600 °С | 62 | 43 | 22 | 55 | 14 |
| * Заготовка диаметром 12 мм. | |||||
Улучшение значительно повышает конструктивную прочность стали, уменьшая чувствительность, к концентраторам напряжений, увеличивая работу пластической деформации при движении трещины (работу развития трещины) и снижая температуру верхнего и нижнего порога хладноломкости.
Отпуск при 550–600 °С в течение 1–2 ч почти полностью снимает остаточные напряжения, возникшие при закалке. Чаше длительность высокого отпуска составляет 1–6 ч – в зависимости от габаритных размеров изделия.
3 вида отпуска стали для улучшения её качеств
Характерным примером финальной обработки металла является отпуск стали. Он представляет собой нагрев детали на определенное время с медленным остыванием. Это помогает устранить внутренние дефекты сплава, которые негативно влияют на устойчивость, прочность, пластичность. Но какие дефекты помогает устранить этот способ термической обработки? Можно ли выполнить отпуск стали в домашних условиях? Правда ли, что в случае неправильного нагрева можно ухудшить физические свойства металла?
Описание процесса
Отпуск стали (ОС) — это разновидность термической обработки, при которой происходит постепенный нагрев металла с последующим его остыванием. В большинстве случаев отпускную процедуру выполняют на заключительном этапе сразу же после закалки. ОС может выполняться как до, так и после формирования детали из стального полуфабриката. Позволяет устранить внутренние напряжения внутри металла, которые негативно влияют на его физическую структуру, свойства.
Внутренние напряжения на химическом уровне — это нарушения кристаллической структуры металла. Из-за них происходит неравномерное распределение углерода, легирующих добавок по металлическому сплаву. Отпуск позволяет перераспределить эти элементы более равномерно. Это улучшает физико-химические свойства материала (пластичность, прочность, сохранение формы, химическая инертность). Нагрев осуществляется с помощью специальных печей в защитной среде (масляные, селитровые или щелочные ванны). Способ охлаждения деталей после нагрева — воздушный (обычно) или жидкостной (редко).
Виды отпуска стали
Главный технический параметр ОС — это температура нагрева. Различают 3 типа ОС — высокий, средний и низкий. Конечно, высокотемпературный отпуск является оптимальным средством обработки, поскольку чем выше температура нагрева, тем более активно будет происходить рекристаллизация металла. Однако низко- и среднетемпературные способы обработки также имеют практическую пользу, которую не стоит недооценивать. Ниже мы рассмотрим каждый тип ОС по отдельности.
Высокий
Высокий отпуск стали — это вариант отпускной обработки при температуре от 500 до 700 градусов. Данный способ является самым эффективным, поскольку при таком нагреве происходит полигонизация и рекристаллизация материала, что позволяет устранить все напряжения внутри металла. Обычно длится от 2 до 3 часов. В случае обработки сложных конструкций рекомендованное время может увеличиваться до 6 часов.
Главный недостаток высокотемпературного отпуска — это небольшое снижение прочности материала. Поэтому методика не годится для обработки деталей, которые во время эксплуатации будут испытывать сверхвысокую нагрузку. Высокотемпературная методика распространяется на все виды стали, однако обратите внимание, что в случае некоторых легированных сплавов во время обработки может возникнуть так называемая обратимая высокотемпературная хрупкость.
Средний
Низкий
Низкий отпуск стали — методика обработки стального сплава или изделия, при которой нагрев осуществляется до температуры от 100 до 250 градусов. Срок обработки обычно составляет 1-3 часа в зависимости от типа детали, ее габаритов. Во время низкотемпературной обработки происходит диффузия частиц углеродистых компонентов без полигонизации и рекристаллизации атомной решетки. Это позволяет повысить некоторые физические характеристики материала — прочность, пластичность, твердость, химическую инертность.
Низкий отпуск — универсальная технология, однако по факту ее применяют в основном для отпуска изделий из низколегированных и высокоуглеродистых сталей (ножи, посуда, простые детали). Также нужно избегать нагрева материала выше температуры 250 градусов (в противном случае он попадет в островок хрупкости первого рода, что чревато необратимой порчей металла).
Сводная таблица
| Тип отпуска | Время | Температура отпуска стали | Краткие особенности |
| Низкий | 1-3 часа | От 100 до 250 градусов | Происходит только частичная диффузия углерода. Следует избегать перегрева материала выше отметки 250 градусов. |
| Средний | 2-4 часа | От 350 до 500 градусов | Происходит полная диффузия углерода без полигонизации, рекристаллизации. На практике используется редко из-за ряда ограничений. |
| Высокий | 2-3 часа | От 500 до 700 градусов | Происходит полная диффузия углерода, полигонизация, рекристаллизация. Немного снижает прочность материала, поэтому не применяется для сверхпрочных деталей. |
Обработка инструментальных сплавов
Что такое отпускная хрупкость
Отпускная температура влияет на качество обработки — чем выше будет температура, тем выше будет качество обработки. Однако ученые-металлурги установили, что это правило имеет 2 исключения, когда повышение температуры приводит не к улучшению, а к ухудшению качества материала. Эти два исключения на практике часто называют островками отпускной хрупкости. К счастью, было придумано несколько эффективных, безопасных способов обойти эти островки, поэтому проблема отпускной способности не является значимой в современной металлургии. Рассмотрим каждый из островков по отдельности + узнаем о том, как их обойти.
Необратимая низкотемпературная хрупкость
Другое название — хрупкость первого рода. Возникает при длительной обработке материала при температуре от 250 до 300 градусов, а распространяется данная хрупкость на все типы стальных сплавов. Объяснение феномена: при нагреве в данном температурном диапазоне углерод начинает активно распределяться по поверхности кристаллической решетки. Однако распределение углерода происходит крайне неравномерно — это приводит к нарушению кристаллической структуры металла, что приводит к серьезному повышению хрупкости. Как ясно из названия, данная хрупкость является необратимой (то есть островки сохраняют стабильность в течение неограниченного времени, а испорченный материал годится только на переплавку). Методика борьбы с данной хрупкостью тривиальна — нужно использовать либо низкую, либо среднюю термическую обработку — но не «промежуточную» между ними.
Обратимая высокотемпературная хрупкость
Можно ли выполнить отпуск стали в домашних условиях?
Заключение
Подведем итоги. Отпуск стали — это технологическая процедура, которая заключается в нагреве металла до определенной температуры с последующим остыванием в защитной среде. Эта обработка позволяет улучшить качество металла — повышение прочности, нормализация пластичности, улучшение физико-химических свойств материала. В зависимости от температуры различают несколько типов отпуска — высокий, средний, низкий. Высокотемпературная обработка — оптимальна, поскольку она позволяет выполнить не только диффузию углерода, но и рекристаллизацию, полигонизации материала.
Низкотемпературная технология подходит для обработки простых деталей, низкокачественных сплавов. Инструментальные стальные сплавы (с большим содержанием углерода) не подходят для стандартного отпуска — вместо него рекомендуется делать многоступенчатую закалку. Во время обработки нужно избегать островков отпускной хрупкости, которые могут серьезно ухудшить свойства стали.
Отпуск стали: виды и характеристика, особенности технологии и отпускная хрупкость, термообработка сплавов
Термическая обработка стали позволяет придать изделиям, деталям и заготовкам требуемые качества и характеристики. В зависимости от того, на каком этапе в технологическом процессе изготовления проводилась термическая обработка, у заготовок повышается обрабатываемость, с деталей снимаются остаточные напряжения, а у деталей повышаются эксплуатационные качества.
Технология термической обработки стали – это совокупность процессов: нагревания, выдерживания и охлаждения с целью изменения внутренней структуры металла или сплава. При этом химический состав не изменяется.
Так, молекулярная решетка углеродистой стали при температуре не более 910°С представляет из себя куб объемно-центрированный. При нагревании свыше 910°С до 1400°С решетка принимает форму гране-центрированного куба. Дальнейший нагрев превращает куб в объемно-центрированный.
Термическая обработка стали
Сущность термической обработки сталей – это изменение размера зерна внутренней структуры стали.
Строгое соблюдение температурного режима, времени и скорости на всех этапах, которые напрямую зависят от количества углерода, легирующих элементов и примесей, снижающих качество материала.
Во время нагрева происходят структурные изменения, которые при охлаждении протекают в обратной последовательности. На рисунке видно, какие превращения происходят во время термической обработки.
Изменение структуры металла при термообработке
Назначение термической обработки
Внутренняя структура двухфазной смеси напрямую влияет на эксплуатационные качества и легкость обработки.
Образование структур в зависимости от интенсивности охлаждения
Основное назначение термической обработки — это придание сталям:
Термическая обработка применяется к следующим типам сталей:
Классификация и виды термообработки
Основополагающими параметрами, влияющими на качество термообработки являются:
Изменяя данные режимы можно получить несколько видов термообработки.
Виды термической обработки стали:
Температура нагрева стали при термообработке
Отпуск
Отпуск в машиностроении используется для уменьшения силы внутренних напряжений, которые появляются во время закалки. Высокая твердость делает изделия хрупкими, поэтому отпуском добиваются увеличения ударной вязкости и снижения жесткости и хрупкости стали.
Для низкого отпуска характерна внутренняя структура мартенсита, которая, не снижая твердости повышает вязкость. Данной термообработке подвергаются измерительный и режущий инструмент. Режимы обработки:
Для среднего отпуска преобразование мартенсита в тростит. Твердость снижается до 400 НВ. Вязкость возрастает. Данному отпуску подвергаются детали, работающие со значительными упругими нагрузками. Режимы обработки:
3. Высокий отпуск
При высоком отпуске кристаллизуется сорбит, который ликвидирует напряжения в кристаллической решетке. Изготавливаются ответственные детали, обладающие прочностью, пластичностью, вязкостью.
Нагревание до температуры – от 450°С, но не выше 650°С.
Отжиг
Применение отжига позволяет получить однородную внутреннюю структуру без напряжений кристаллической решетки. Процесс проводят в следующей последовательности:
1. Гомогенизация
Гомогенизация, по-иному отжиг диффузионный, восстанавливает неоднородную ликвацию отливок. Режимы обработки:
Рекристаллизация, по-иному низкий отжиг, используется после обработки пластическим деформированием, которое вызывает упрочнение за счет изменения формы зерна (наклеп). Режимы обработки:
3. Изотермический отжиг
Изотермическому отжигу подвергаются легированные стали, для того чтобы произошел распад аустенита. Режимы термообработки:
4. Отжиг для устранения напряжений
Снятие внутренних и остаточных напряжений отжигом используется после сварочных работ, литья, механической обработки. С наложением рабочих нагрузок детали подвергаются разрушению. Режимы обработки:
5. Отжиг полный
Отжиг полный позволяет получить внутреннюю структуру с мелким зерном, в составе которой феррит с перлитом. Полный отжиг используют для литых, кованных и штампованных заготовок, которые будут в дальнейшем обрабатываться резанием и подвергаться закалке.
Полный отжиг стали
6. Неполный отжиг
При неполном отжиге пластинчатый или грубый перлит преобразуется в ферритно-цементитную зернистую структуру, что необходимо для швов, полученных электродуговой сваркой, а также инструментальные стали и стальные детали, подвергшиеся таким методам обработки, температура которых не провоцирует рост зерна внутренней структуры.
Закалка
Закалку сталей применяют для:
Суть закалки – это максимально быстрое охлаждение прогретой насквозь детали в различных средах. Каление производится с полиморфными изменениями и без них. Полиморфные изменения возможны только в тех сталях, в которых присутствуют элементы способные к преобразованию.
Такой сплав подвергается нагреву до той температуры, при которой кристаллическая решетка полиморфного элемента терпит изменения, за счет чего увеличивается растворяемость легирующих материалов. При снижении температуры решетка изменяет структуру из-за избытка легирующего элемента и принимает игольчатую структуру.
Невозможность полиморфных изменений при калении обусловлено ограниченной растворимостью одного компонента в другом при быстрой скорости охлаждения. Для диффузии мало времени. В итоге получается раствор с избытком нерастворенного компонента (метастабильтный).
Для увеличения скорости охлаждения стали используются такие среды как:
Сравнивая скоростной режим охлаждения стальных изделий на воздухе, то охлаждение в воде с 600°С происходит в шесть раз быстрее, а с 200°С в масле в 28 раз.
Растворенные соли повышают закаливающую способность. Недостатком использования воды считается появление трещин в местах образования мартенсита.
Техническое масло используется для закалки легирующих сплавов, но оно пригорает к поверхности.
Металлы, использующиеся при изготовлении изделий медицинской направленности не должны иметь пленки из оксидов, поэтому охлаждение происходит в среде разряженного воздуха.
Если деталям не требуется объемная термообработка, проводится каление только поверхностного слоя на установках ТВЧ (токами высокой частоты). При этом глубина термообработки составляет от 1 мм до 10 мм, а охлаждение происходит на воздухе. В итоге поверхностный слой становится износоустойчивым, а середина вязкая.
Процесс закалки предполагает прогревание и выдержку стальных изделий при температуре, достигающей порядка 900°С. При такой температуре стали с содержанием углерода до 0,7% имеют структуру мартенсита, который при последующей термообработке перейдет в требуемую структуру с появлением нужных качеств.
Нормализация
Нормализация формирует структуру с мелким зерном. Для низкоуглеродистых сталей — это структура феррит-перлит, для легированных – сорбитоподобная. Получаемая твердость не превышает 300 НВ. Нормализации подвергаются горячекатаные стали. При этом у них увеличивается:
Процесс нормализации стали
Преимущества термообработки
Термообработка стали – это технологический процесс, который стал обязательным этапом получения комплектов деталей из стали и сплавов с заданными качествами. Этого позволяет добиться большое разнообразие режимов и способов термического воздействия. Термообработку используют не только применительно к сталям, но и к цветным металлам и сплавам на их основе.
Стали без термообработки используются лишь для возведения металлоконструкций и изготовления неответственных деталей, срок службы которых невелик. К ним не предъявляются дополнительные требования. Повседневная же эксплуатация наоборот диктует ужесточение требований, именно поэтому применение термообработки предпочтительно.
В термически необработанных сталях абразивный износ высок и пропорционален собственной твердости, которая зависит от состава химических элементов. Так, незакаленные матрицы штампов хорошо сочетаются при работе с калеными пуансонами.
Отпуск стали – почему материал укрепляется?
Отпуск стали (высокий, низкий, средний) применяют для того, чтобы получить более устойчивое структурное состояние сплава. Узнаем, что он собой представляет, как осуществляется, есть ли побочные эффекты и возможно ли сделать его самостоятельно в домашних условиях.
Это последний этап термической обработки, на котором сплав нагревают до температуры, не превышающей теплоту превращения, затем выдерживают нужное время и постепенно охлаждают с заданной скоростью.
Потребность в этом возникает потому, что после термического воздействия, например, той же закалки, в материале очень часто появляются внутренние напряжения, которые негативно влияют на его свойства. Чтобы их устранить, следует осуществить вышеупомянутую операцию.
Так сталь вновь возобновляет требуемые механические свойства.
Причем чем больше будет температура отпуска стали, тем он будет более эффективным, полнее снимутся осевые, тангенциальные и радиальные напряжения. В первые 15–30 минут выдержки процесс проходит наиболее интенсивно.
Однако чтобы снизить значение напряжений до минимума, следует продлить время выдержки хотя бы до 1,5 часа (в индивидуальных случаях оно может достигать даже десятка часов), и тогда получится максимально возможный результат для данного температурного режима.
Но не стоит недооценивать и скорость, с которой осуществляется охлаждение — чем она меньше, тем меньше будут остаточные напряжения.
А сочетание быстрой скорости охлаждения с высокой температурой (более 600°С) будет не то, чтобы малоэффективно, но и, напротив, способствуют возникновению новых тепловых напряжений.
Также огромное значение играет и температурный режим, в зависимости от которого принято различать следующие виды отпуска стали: низкий, средний и высокий. Рассмотрим более подробно каждый из них.
В этом случае осуществляют нагрев до 250°С, благодаря которому снижаются внутренние напряжения.
Вместо мартенсита закалки появляется отпущенный мартенсит, что способствует повышению прочностных характеристик, а также улучшению вязкости сплава, при этом такие превращения практически не отражаются на твердости материала. Твердость закаленной стали остается прежней (HRC 58–63), а значит, она будет иметь и достаточно высокую износостойкость.
Но учтите, что даже после того, как будет проведен низкотемпературный отпуск закаленной стали, под нагрузкой динамического характера она все же будет разрушаться.
Поэтому такому виду обработки актуально подвергать измерительные и режущие инструменты, сделанные из низколегированных и углеродистых сталей.
Кроме того, детали, претерпевшие цементацию, поверхностную закалку, нитроцементацию и цианирование, также проходят низкотемпературный отпуск.
В среднем данная операция длится от одного часа до 2,5, но если речь идет о деталях большого сечения, то время стоит увеличить.
Его температурный режим находится в пределах от 350 и до 500°С. В результате превращения при отпуске стали такого рода формируется троостомартенсит и сталь приобретает твердость HRC 40–50. Ее в основном применяют для штампов, рессор, а также пружин. У деталей значительно повышается предел упругости, выносливости и релаксационная стойкость.
Следует очень аккуратно подбирать температурный режим, так как, допустив ошибку, можно вызвать необратимую отпускную хрупкость. Охлаждение же лучше проводить в воде. В этой среде на поверхности материала появляются остаточные сжимающие напряжения, способствующие увеличению предела выносливости.
Если температура превышает 500°С, то такой отпуск называется высокотемпературным либо просто высоким. Структура стали после данной обработки – сорбит отпуска.
Причем из всех вышеописанных этот вид наиболее эффективный, так как получается идеальное соотношение вязкости и прочности сплава.
При этом стоит учитывать, что закалка стали в сочетании с последующей высокотемпературной обработкой способствует повышению предела текучести, прочности, ударной вязкости, а также относительному сужению.
Благодаря таким результатам подобное сочетание принято называть улучшением. Целесообразно оно для конструкционных и среднеуглеродистых сталей, к которым предъявляются особые требования. А в частности, к их пределу прочности, текучести, выносливости и ударной вязкости.
При этом имейте в виду, что твердость в этом случае несколько снизится, поэтому рассчитывать на улучшение износостойких характеристик не стоит.
Однако у сплава несколько уменьшится чувствительность к концентраторам напряжений, порог хладноломкости, увеличится работа развития трещины, что способствует повышению конструктивной прочности материала.
Так как выдержки в заданном температурном режиме около двух часов достаточно, чтобы устранить практически все остаточные напряжения, то данная операция обычно не длится более шести часов. Однако есть и индивидуальные случаи, когда деталь обрабатывают и несколько десятков часов, дабы предотвратить появления внутренних трещин (флокенов).
Как было сказано выше — на процесс отпуска стали, вернее на его эффективность, влияет скорость охлаждения, а, следовательно, и среда, в которой оно происходит. Итак, если охлаждение после отпуска будет происходить на воздухе, то в результате напряжений на поверхности сплава будет в семь раз меньше.
А если сравнивать масляную среду с водой, то в первом случае напряжений останется в 2,5 раза меньше, нежели во втором. Именно по этим причинам всем элементам, имеющим сложные формы, рекомендуется давать остывать с меньшей скоростью, дабы избежать коробления.
Исключением являются только лишь легированные стали, склонные к обратимой отпускной хрупкости, их-то следует после нагрева до 500–650°С охладить достаточно быстро.
Безусловно, на производстве проведение такой операции не вызывает никаких сложностей.
А получится ли самостоятельно усовершенствовать материал, который часто находится под напряжением — возможен ли отпуск стали в домашних условиях? Ведь некоторые умельцы не против смастерить что-либо своими руками.
Итак, конечно же, произвести высокотемпературный отпуск дома будет довольно сложно, но нагреть предмет до 300°С вполне возможно. Для этого можно опустить его в расплавленный свинец, так как он имеет именно такую температуру плавления. Кроме того, можно воспользоваться и обыкновенной газовой либо электрической духовкой. А затем просто дать изделию постепенно остыть на воздухе.
Таким образом, видно, что средний, низкотемпературный, высокотемпературный отпуск является обязательным этапом термической обработки сплавов, благодаря которому такие свойства, как вязкость и пластичность, значительно улучшаются. А уж какой из этих видов выбрать, зависит от материала и назначения обрабатываемого элемента.
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.
Какие технологии отпуска стали существуют
При закалке металлов образуется внутреннее напряжение. Если его не устранить, готовое изделие будет иметь высокий показатель хрупкости. Пластичность будет значительно ниже нормы. Для устранение этих проблем используется отпуск стали. Это один из нескольких процессов термической обработки металлов.
Что такое отпуск?
Отпуск металла — термический процесс, который применяется для всех закалённых деталей. Многие начинающие мастера не понимают, насколько для материала важна совокупность этапов термической обработки.
Термообработка металлов позволяет улучшить характеристики металлической детали. В ходе подобной обработки изменяется структура стали. Из-за этого ухудшаются или улучшаются отдельные свойства материала.
Такая термообработка позволяет снять внутреннее напряжение, образующееся после закалки стали. Если этого не сделать материал будет хрупким и не выдержит серьёзных нагрузок. Помимо снятия внутренних напряжений, этот процесс увеличивает твердость стали. Это важная особенность при изготовлении инструментов и деталей для промышленного оборудования.
Температурный режим выбирают в зависимости от того, какую марку материала будут обрабатывать. Исходя из этого металл можно охлаждать в разных растворах:
На производстве металлические детали охлаждают в печах. При этом на оборудование устанавливается система принудительной вентиляции.
ОТПУСК СТАЛИ ПРОСТОЙ СПОСОБ
Температура отпуска стали считается самым главным параметром при проведении этого технологического процесса. Существует три вида термической обработки отпуском. Особенности проведения технологического процесса зависят от типа термообработки.
Низкий
Термообработка подразумевает под собой охлаждение закаленной стали до температур ниже критической. Скорость охлаждения при этом зависит от марки материала.
Металл разогревается до температуры в 250 градусов по Цельсию. Низкий отпуск используется для обработки деталей, прошедших цементацию или нитроцементацию.
Мастера могут проводить данный вид термообработки при проведении токов высокой частоты через заготовку.
Средний
Процесс среднего отпуска проходит в температурном режиме от 350 до 400 градусов по Цельсию. При проведении этого метода, уменьшается размер зёрен в структуре материала. Снижается внутреннее напряжение. Если не «отпустить» заготовку, механические нагрузки быстро выведут её из строя. Это необходимая процедура при обработке упругих деталей.
Высокий
Высокий отпуск представляет собой технологию нагрева закалённых сталей до высоких температур. Температурный диапазон, при котором протекает этот процесс — 450–550 градусов по Цельсию. Заготовки из углеродистых сталей могут разогреваться до больших температур. При этом изменяется структура материала. Может меняться форма заготовки и размер зёрен.
В процессе разогревания, увеличиваются частицы цементита. Благодаря этому зёрна приобретают форму сфер. Применяется эта технология для конструкционных металлов. Такая обработка считается обязательной при изготовлении износоустойчивых деталей.
Явление отпускной хрупкости
Отпускная хрупкость — процесс изменение ударной вязкости материала. Он становится более хрупким, неустойчивым к физическим нагрузкам. При этом другие характеристики не меняются. Появляться такие изменения могут при температурном диапазоне 250–550 градусов.
Чтобы повысить показатель прочности, нужно провести дополнительную термическую обработку. Однако на втором этапе нагревания и остужения необходимо быстро отсудить заготовку. Для этого её погружают в воду или масло.
Термообработка инструментальных сплавов
Инструментальные сплавы или быстрорежущие металлы, использующиеся для изготовления износоустойчивых инструментов, обязательно подвергаются термообработке. При повышении температур у них не увеличивается показатель пластичности и не снижается прочность.
Чтобы улучшить характеристики инструментальных сплавов, в их состав добавляют легирующие присадки — вольфрам, молибден, ванадий или кобальт. Далее заготовки закаляются при температуре в 1200 градусов.
Отпуск считается одним из ключевых этапов термообработки. Он позволяет снять внутреннее напряжение, повысить прочность металла. Важно подобрать правильный температурный режим и скорость охлаждения заготовки. Для охлаждения применяются емкости с различными растворами.
35.Отпуск стали (технология термообработки)
Отпуск является
окончательной термической обработкой.
Целью отпуска
является повышение вязкости и пластичности,
снижение твердости и уменьшение
внутренних напряжений закаленных
сталей.
С повышением
температуры нагрева прочность обычно
снижается, а пластичность и вязкость
растут. Температуру отпуска выбирают,
исходя из требуемой прочности конкретной
детали.
Различают три вида
отпуска:
В
результате его проведения частично
снимаются закалочные напряжения.
Получают структуру – мартенсит
отпуска.
Проводят для
инструментальных сталей; после закалки
токами высокой частоты; после цементации.
2.
Средний отпуск с температурой нагрева
Тн
= 300…450oС.
Получают
структуру – троостит
отпуска,
сочетающую высокую твердость 40…45HRC c
хорошей упругостью и вязкостью.
Используется для
изделий типа пружин, рессор.
3.
Высокий отпуск с температурой нагрева
Тн
= 450…650oС..
Обычно
с повышением температуры отпуска ударная
вязкость увеличивается, а скорость
охлаждения не влияет на свойства. Но
для некоторых сталей наблюдается
снижение ударной вязкости. Этот дефект
называется отпускной
хрупкостью.
Отпускная
хрупкость I рода наблюдается
при отпуске в области температур около
300oС.
Она не зависит от скорости охлаждения.
Это явление связано
с неравномерностьюпревращения оппущенного
мартенсита. Процесс протекает быстрее
вблизи границ зерен по сравнению с
объемами внутри зерна. У границ наблюдается
концентрация напряжений, поэтому границы
хрупкие.
Отпускная хрупкость
I рода “необратима“, то есть при повторных
нагревах тех же деталей не наблюдается.
Отпускная
хрупкость II рода наблюдается
у легированных сталей при медленном
охлаждении после отпуска в области
450…650oС.
При высоком отпуске
по границам зерен происходит образование
и выделение дисперсных включений
карбидов. Приграничная зона обедняется
легирующими элементами. При последующем
медленном охлаждении происходит диффузия
фосфора к границам зерна.
Приграничные
зоны обогащаются фосфором, снижаются
прочность и ударная вязкость. Этому
деекту способствуют хром, марганец и
фосфор. Уменьшают склонность к отпускной
хрупкости II рода молибден и вольфрам,
а также быстрое охлаждение после отпуска.
Отпускная хрупкость
II рода “обратима“, то есть при повторных
нагревах и медленном охлаждении тех же
сталей в опасном интервале температур
дефект может повториться.
Стали,
склонные к отпускной хрупкости II рода,
нельзя использовать для работы с нагревом
до 650oС
без последующего быстрого охлаждения.
36. Прокаливаемость стали
Под
закаливаемостью
понимают максимальное значение твердости,
которую может приобрести данная сталь.
Под прокаливаемостью
подразумевают глубину проникновения
закаленной зоны. Несквозная прокаливаемость
связана с тем, что деталь быстрее
охлаждается с поверхности, чем с
сердцевины.
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:
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.
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.