Для чего проводят отпуск стали

Автор: Волков Семён

Дата публикации: 24 Апреля 2024

Отпуск стали является финальным этапом термической обработки, который происходит сразу после превращения в мартенсит при закаливании. Такая обработка делает сталь более твердой, с увеличением этого показателя для инструментальных сортов в 3-4 раза, однако, снижая пластичность, увеличивает вероятность образования трещин.

Чтобы устранить эту проблему, полуфабрикаты подогревают до температуры, ниже необходимой для полного процесса рекристаллизации, затем удерживаются в течение определенного времени и охлаждаются в определенной среде (вода, масло, атмосферный воздух). В процессе такого подогрева происходят несколько процессов:

• Дезинтеграция мартенсита происходит через выделение углерода из кристаллической структуры, что приводит к образованию карбидов Fe₂C (твердый материал) и цементита Fe₃C (пластичное состояние). Этот процесс способствует снижению хрупкости и потенциальному увеличению прочностных свойств.
• Полигонизация - это обратный процесс, во время которого структура возвращается в порядок после деформаций, происходит разбиение кристаллов на субзерна с ясно определенными границами.
• Процесс рекристаллизации представляет собой непрерывный цикл разрушения и формирования новых атомов. Подбор оптимального температурного режима обеспечивает рост некоторых кристаллов за счет других, тем самым осуществляя регулирование и модификацию характеристик сплава.

Цель обработки стали отпуском заключается в увеличении прочности изделий, работающих под нагрузкой на изгиб и растяжение, а также в улучшении специфических свойств. Неровное охлаждение после закалки (что является особенно типичным для толстостенных заготовок) может привести к тепловым напряжениям. В случае значительных напряжений, возможны различные дефекты, включая коробление, бочкообразность, трещины и области с сниженной твердостью.

Последующая стадия термической обработки осуществляется в отношении следующих типов металлической продукции:

• Изделия из углеродистых сталей могут быть подвержены образованию трещин при закалке из-за высокого содержания углерода в них.
• При использовании легированной стали в прокате: после проведения множества стабилизационных отжигов в процессе изготовления изделий возможно дополнительное подогревание в электрической печи.
• Завершенная продукция: в основном это инструменты.

Технологический процесс проводят в электрической печи (оснащенной вентилятором для обеспечения равномерного нагрева) или солевом резервуаре, где температура повышается плавно. Однако, необходимо учесть, что быстрый нагрев прокаленных заготовок может вызвать появление трещин. После процедуры, изделия охлаждают, следуя определенной процедуре отпуска стали.

Также важно учитывать скорость охлаждения: медленное охлаждение приводит к снижению образования остаточных напряжений, однако некоторые легированные материалы становятся более хрупкими, поэтому они быстро охлаждаются.

Низкий отпуск

Процедура нагрева при низких температурах проводится в диапазоне 150-250⁰, что приводит к частичному разложению мартенсита и устранению структурных деформаций. Это способствует увеличению прочностных показателей и ударной вязкости, в то время как твердость остается практически неизменной. Несмотря на то, что некоторые изделия могут сохранить мягкую сердцевину (при частичном закаливании), отпущенные материалы не способны выдерживать значительные динамические нагрузки.

Сфера использования:

• Измерительный и режущий инструмент из углеродных и низколегированных сортов;
• Товары, подвергшиеся определенной процедуре: цианированию, цементации, нитроцементации.

Другой тип низкотемпературной ТМО, известный как старение, применяется для поддержания формы, объема и предопределенных свойств.

• Элементы понижают во внутрь ванны и оставляют на промежуток времени от 1,5 до 3 дней при искусственном режиме температуры, который колеблется в диапазоне 120-150⁰.
• На протяжении трех и более месяцев в обычной комнатной атмосфере протекает процесс приобретения необходимых характеристик.

Агинг является типичным для марок с низким содержанием углерода, благодаря образованию избыточных карбидов и нитридов (ферритная стадия), что увеличивает устойчивость к утомлению и холодному хрупкости.

Средний отпуск

Температуры в диапазоне от 300 до 500⁰ считаются средними. В отличие от обработки при низких температурах, полигонизация и рекристаллизация происходят быстрее, а остаточные напряжения практически полностью исчезают. Этот процесс повышает границу упругости, пластичность, устойчивость к износу, хотя твердость и прочность от этого могут уменьшиться.

Данный тип ТМО применяется в отношении рессор, пружин, штампов и деталей, которые обладают устойчивостью к изменяющимся динамическим нагрузкам.

Извините, но вы предоставили некорректные данные. Вы можете прислать текст для перефразирования?#187;21878″]

Процесс изготовления материалов с подобными свойствами усугубляется переходом через критические зоны, где происходит формирование отпускной хрупкости.

• Композиции, обогащенные магнием, никелем и хромом, обладают первым типом необратимого эффекта в диапазоне от 250 до 400⁰. Неравномерное распределение карбидов делает такие металлы неприемлемыми для применения.
• Недостаточно быстрая охлаждающая реакция при температуре 500-550⁰, второго типа (обратимая), для металлических соединений с высоким содержанием аддитивов ведет к формированию карбидов, фосфидов и нитридов на границах зернистых структур. Большинство таких включений привносит негативные изменения в прочностные свойства материала. Решение данной проблемы достигается путем быстрого снижения температуры, а также внедрения небольших доз молибдена или вольфрама.

Обработка в водяной ванне создает компрессионное напряжение на поверхности, усиливая тем самым стойкость пружин к различным нагрузкам.

Высокий отпуск

В процессе нагревания до 500-650⁰ материал получает структуру отпускного сорбита, что является оптимальным сочетанием предела текучести и прочностных свойств. Технологическая операция, которая включает в себя закаливание и высокотемпературный отпуск, известна как улучшение. Категория материалов, подлежащих улучшению, включает в себя конструкционные стали, используемые в ситуациях, когда материал подвергается ударному или статическому воздействию, в процессе изготовления валов, осей, втулок, шатунов и прессов. Во время этого процесса происходит полное распределение углерода, полигонизация, а также увеличиваются пределы прочности на изгиб и чувствительность к концентрации напряжений.

Прокаливаемость является ключевым атрибутом улучшаемых сталей, в то время как сплавы, обладающие слабой этой способностью, подходят главным образом для производства изделий с небольшим сечением. Без применения легирования нельзя достигнуть желаемых параметров. Элементы, которые при температуре закалки не участвуют в формировании карбидных или интерметаллических соединений, такие как хром, молибден, ванадий, никель, кремний, марганец, вольфрам, способствуют равномерному нагреву.

Сводная таблица

Отпускная хрупкость стали

Известно, что все стальные сплавы подвержены условиям, при которых металл теряет свою устойчивость к различным нагрузкам. Это происходит из-за низкой ударной вязкости. Бессменные трансформации (хрупкость I типа) происходят при температурах от 250 до 400 градусов. На границах зерен формируются карбидные пленки, которые сопутствуют распаду мартенсита. Дальнейший подогрев приводит к их разрушению, но если процесс нагрева остановить и повторить затем, структура останется неизменной.

Также критическому уменьшению ударной вязкости могут способствовать факторы второго типа, связанные с излишне замедленным охлаждением, которому подвергается отпускная хрупкость. Однако, стоит отметить, что характеристики стали можно восстановить, проведя процедуру отпуска повторно.

Современная промышленность активно совершенствует материалы с целью максимизации их параметров, однако хрупкое разрушение становится значительным препятствием на этом пути. Основные элементы для легирования, которые применяются с целью повышения прочностных характеристик (например, хром, никель, марганец, кремний и др.), усиливают чувствительность к критическим условиям. В то время как стали, легированные хромом и не содержащие дополнительных компонентов, такого свойства не обладают.

Правила отпуска стали

Процесс термообработки – это сложная технологическая операция, при проведении которой необходимо выполнять ряд стадий контроля. Вместо этого, количество домашних производств оригинальных ножей и других необычных предметов продолжает расти. Как же осуществляется закалка и отпуск стали на дому?

Необходимо совершить аналогичные действия, наблюдаемые на большом производственном объекте:

• Закаливание;
• Отпуск;
• Охлаждение.

Только режущие грани у инструментов для резки подвергаются обработке, в то время как остальная часть сохраняет свою закалку. Для некоторых сплавов используется исключительно многоэтапная закалка. Обычно специалисты действуют визуально, обходясь без применения опасных материалов и химических веществ. Во время процесса закалки поверхность изделия приобретает красный или вишневый оттенок, после чего его остужают естественным способом в солевом растворе или в масле.

Вторичное нагревание проводится после удаления окислов и других примесей. Режим тепловой обработки определяется на основании химического состава металла, подлежащего обработке. Используется муфельная печь, поскольку мастерство кузнеца накапливалось на протяжении многих десятилетий.