Технология отпуска стали

Отпуск стали (ОС) представляет собой заключительный этап термической обработки металла, который применяют для улучшения его физико-химических свойств.

Чаще всего его выполняют после закалки стального полуфабриката (заготовки) или готового изделия. Причем можно обрабатывать этим способом все изделие или его отдельные части.

Для чего необходим ОС

В ходе воздействия определенных температурных режимов нагревания и охлаждения происходит перестройка кристаллической структуры сплава. Она приводит к устранению внутреннего напряжения, возникшего в процессе его термообработки на химическом уровне. Отпуску можно подвергать все конструкционные и легированные стали, хотя сам процесс, его временные и температурные диапазоны имеют некоторые отличия, о которых будет сказано ниже.

Термообработка позволяет изменять физико-химические свойства металла, доводя их до нужных параметров по следующим важным характеристикам:

• прочность;
• хрупкость;
• пластичность;
• ударная вязкость и некоторые другие.

Однако, достичь этого возможно только при правильном выборе режимов термического воздействия. Иначе велика вероятность получить неисправимый брак, ухудшив молекулярную структуру и физические свойства сталей настолько, что они будут пригодны только для переплавки.

Что происходит с металлом в процессе ОС

Процесс закалки вызывает накопление внутри стальной заготовки или готового изделия внутреннего напряжения. Оно появляется вследствие деформации кристаллической решетки сталей, сопровождающейся неравномерным распределением атомов углерода и элементов, используемых в качестве легирующих добавок.

Процесс отпуска с нагревом и последующим охлаждением позволяет перераспределить все эти атомы более равномерно по всей массе металла:

• повышение температуры запускает процессы полигонизации, рекристаллизации, которые приводят к глубоким изменениям кристаллической решетки металлической заготовки;
• регулирование длительности нагрева (в среднем 20–40 мин.) и дополнительной выдержки (около 1–3 час.) влияет на равномерность распределения атомов в структуре сталей;
• управление скоростью остывания позволяет закрепить результат и улучшить качество металла до нужных параметров.

Происходит корректировка ряда закалочных параметров:

• структура приобретает большую вязкость и пластичность, сохраняя все свойства закаленной стали;
• снижается жесткость и хрупкость материала.

Руководствуясь структурными составляющими и свойствами, которые требуется получить в результате термообработки, выполняют отпуск на:

• мартенсит;
• перлит;
• троостит.

Описание и особенности технологического процесса ОС

Традиционная технология отпуска стали заключается в выполнении двух основных процессов:

• нагревание металла (заготовки, полуфабриката, изделия) и выдержка в определенном температурном режиме в специальной печи;
• медленное охлаждение с применением воздушного или жидкого способа (на открытом воздухе, в масле, селитре, щелочной среде).

Нагрев конструкционной стали производят при температурах, близких к закалочным или ниже. Легированные сплавы требуют более высоких температурных диапазонов, поскольку присутствующие в них добавки имеют свойство замедлять образование требуемой внутренней структуры.

Температурные диапазоны

Отпуск стали проводят в трех температурных диапазонах. Режимы нагрева зависят от:

• марки стали, химического состава сплава (конструкционные требуют более низких температур, легированные – повышенных);
• требуемых параметров (с повышением температуры отпуска снижаются характеристики твердости с одновременным повышением ударной вязкости металла).

Низкий ОС

Предполагает нагрев сталей в пределах от 120 до 300 °C.

В процессе термообработки в указанном диапазоне:

• происходит снижение внутреннего напряжения;
• повышается показатель вязкости;
• сохраняется высокая твердость и износостойкость.

Такой обработке подвергают преимущественно инструментальные конструкционные стали (высокоуглеродистые низколегированные) в случаях, если их поверхность до этого прошла термохимическую обработку. В результате получают изделия с показателем твердости 60-63 HRC. При повышении температуры до 120–150 °C в структуре сплава начинают происходить изменения, снижающие остаточные напряжения. Доведение жара в печи до 200–300-градусного уровня запускает формирование мартенсита отпуска – структуры сплава, приводящей к снижению твердости и увеличению пластичности, вязкости.

Такой тепловой режим поддерживают на протяжении 1–3 часов. Этого времени достаточно для диффузии углеродного компонента в сталях. При этом изменения в атомной решетке не сопровождаются рекристаллизацией и полигонизацией.

Этот техпроцесс применяется при изготовлении измерительного, хирургического, режущего, рубящего инструмента, молотков, штампов, сверл и других изделий.

Средний ОС

Процесс предусматривает нагревание и выдержку сплава при 300 – 450 °C в течение 2 – 4 часов. Охлаждение происходит на спокойном воздухе естественным путем.

Процесс не предполагает проявлений рекристаллизации и полигонизации, сопровождающих активную диффузию атомов углерода.

Основная задача обработки заключается в придании изделиям заданных параметров по вязкости, релаксационной стойкости, упругости при сохранении высокой прочности. В результате получают сплавы с трооститной структурой с показателем твердости 45-50 HRC.

Такая термообработка применяется преимущественно для изделий, выполненных из рессорных пружинных сплавов. Это – пилы по дереву, пружины, штампы ковочные, рессоры и другие подобные изделия, подвергающиеся в ходе эксплуатации переменным динамическим нагрузкам.

Высокий ОС

Процесс термической обработки сталей предполагает разогревание изделия до 450 – 600 °C. Он длится в среднем 2 – 3 часа. Особо сложные конструкции могут потребовать 6-часового цикла.

Результатом отпуска является повышение пластичности, ударной вязкости в сочетании с некоторой потерей прочности. Удается снизить внутреннее напряжение в толще металла на 95 %.

Сплав приобретает структурные свойства сорбита отпуска. Если выполнить нагревание до более высокой температуры (около 690 °C), то в структуре металла станет преобладать зернистый перлит.

Таким образом обрабатываются кузнечные молоты, прессы, оси, валы, шатуны и другие детали, которые эксплуатируются в условиях повышенных ударных нагрузок.

Особенности отпуска легированных сталей

За счет добавления в состав железо-углеродного сплава отдельных легирующих элементов (хрома, ванадия, вольфрама и других) происходит существенное изменение его физико-химических свойств. При определенных параметрах нагревания и охлаждения именно легирующие составляющие превращаются в центры кристаллизации. Это требует особого подхода к условиям термообработки.

Все основные свойства легированного стального сплава – структура, фазовое состояние, физические характеристики – имеют прямую зависимость от температуры нагрева. Проблема заключается в том, что наличие легирующих добавок приводит к снижению скорости распада мартенсита. Чтобы не допустить этого, необходимо обеспечить повышение температуры в нагревательной печи.

Островки хрупкости при отпуске стали

Использование технологии ОС требует тщательного контроля температурного режима в течение всего процесса. Одной из причин является возникновение явления, называемого «отпускной хрупкостью».

При определенных температурных диапазонах, которые получили название «островков хрупкости», в структуре некоторых марок конструкционных и легированных сплавов происходят изменения (обратимые и необратимые), ухудшающие их свойства. В таких случаях:

• происходит неравномерная диффузия углерода;
• нарушается кристаллическая структура сплава;
• наблюдается критическое увеличение хрупкости металла.

В зависимости от температурного диапазона и последствий проявления структурных нарушений, различают отпускную хрупкость:

1. Необратимая (I рода). Обычно наблюдается в температурном диапазоне между 250 и 400 °C. Ей подвержены практически все углеродистые конструкционные сплавы. При наступлении указанного состояния металл становится непригодным к эксплуатации и, как правило, идет на переплавку. Хрупкости I рода можно избежать, если использовать при термообработке температурные диапазоны, находящиеся за пределами «островка отпускной хрупкости».
2. Обратимая (II рода). Наблюдается обычно при нагревании в температурном диапазоне от 500 до 550 °C. Основной причиной появления дефекта является слишком медленное остывание заготовки (полуфабриката, детали, изделия). В отличие от хрупкости I рода, допускается возможность исправления такого брака путем выполнения дополнительной термообработки:

• повторный нагрев сплава до 500 °C и выше;
• ускоренное охлаждение изделия в масляной среде.

Проблему можно также устранить путем внесения молибдена в количестве от 0,3 до 0,4 % массы сплава или вольфрама в количестве порядка 1 %. После этого можно выполнять отпуск стали обычным способом.

Другим вариантом ухода от указанной проблемы является использование температурных диапазонов, находящихся за пределами «островка отпускной хрупкости» II рода.

Отпуск стали в домашних условиях

Поскольку технология отпуска стали требует постоянного контроля температурных показателей на каждом этапе производственного процесса, ее преимущественно применяют в условиях предприятий и участков, имеющих специальное металлургическое оборудование. Однако, это не значит, что отдельные самые простые операции ОС нельзя выполнить с применением подсобных средств.

Обычно в домашних условиях возникает необходимость снять внутреннее напряжение в металле, из которого изготовлены различные бытовые инструменты (режущие, рубящие) и некоторые другие изделия. Для выполнения такого отпуска не обязательно даже знать марку сплава.

В качестве источников тепла для нагрева изделия можно использовать:

• духовой шкаф или кухонную плиту;
• газовую горелку;
• горн самодельного изготовления.

Обычно с их помощью выполняют:

• нагрев детали до 200 °C;
• выдержку при этой температуре на протяжении 1 часа или более;
• охлаждение на открытом воздухе.

Поддерживать/регулировать температурный режим нагрева можно несколькими способами:

• с помощью встроенного терморегулятора бытовой печи;
• с применением мультиметра с термопарой;
• по таблицам из учебных пособий по металлообработке, содержащим температурные диапазоны закалки и отпуска различных стальных сплавов;
• с применением цветовых таблиц побежалости, проявляющейся на нагретом металле.

Последний способ требует определенного опыта, поскольку цвет горячей заготовки может искажаться в зависимости от внешнего освещения, а также зависит от субъективного цветового восприятия конкретного человека.