Отпуск стали

Автор: Волков Семён

Дата публикации: 05.05.2024

Процесс отпуска стали включает в себя нагрев металла до конкретной температуры, а затем последующее его охлаждение. Это делается с целью устранения внутренних напряжений, которые могут негативно сказаться на технических характеристиках металлических изделий.

Завершающим этапом термообработки после закалки часто является отпуск стали. Этот процесс заключается в нагреве полуфабрикатов и готовых изделий до определенной температуры, с последующим их охлаждением. Основная его цель - устранение внутренних напряжений, которые негативно сказываются на технических характеристиках металлических товаров.

Главные стадии организации отдыха включают в себя:

  • Подогрев сплава до температуры, при которой начинаются фазовые изменения;
  • удержание при необходимой температуре;
  • замедление с фиксированной температурой.

После такого вида технической обработки достигаются необходимые технические параметры изделий, внутренние напряжения сокращаются до минимума. Эффективность удаления остаточных напряжений увеличивается с ростом температуры термической обработки и снижением скорости охлаждения.

Запланированный результат и химический состав сплава влияют на темп охлаждения.

  • После отпуска при температуре +550…+650°C интенсивное охлаждение способствует увеличению прочности стали благодаря сохранению в поверхностном слое компрессионных остаточных напряжений.
  • Сложные в форме изделия из металла после процесса отпуска при высоких температурах охлаждаются в спокойном темпе, чтобы предотвратить их искривление.
  • Полуфабрикаты, изготовленные из легированной стали, обладающие свойством отпускного крушения, после отпускного термообработки при температуре от +550 до +650 градусов Цельсия, должны охлаждаться только с повышенной скоростью.

Отпуск стали может быть трех видов, и выбор зависит от температуры нагрева – это могут быть высокий, средний или низкий отпуск.

Данный тип термической обработки предусматривает подогрев изделий и полуизделий до +250°C. Исход процедуры: снижение закалочного напряжения и повышение пластичности при сохранении прочности.

Закаленные стали со средним и высоким уровнем углерода (0,6-1,3%) после неглубокого отпуска обладают твердостью 58-63 HRC и превосходной износостойкостью. Однако, изделия из таких сплавов без присутствия гибкой сердцевины могут быть уязвимы для динамического напряжения.

Обычно, низкое отпускание используется для обработки режущего и измерительного оборудования, произведенного из углеродных и слаболегированных типов стали, а также металлической продукции после проведения цементации, нитроцементации или цианирования.

Темпера́тура в среднем составляет +350...+500°C в отпускном процессе. Он в основном используется для обработки пружин, рессор, штампов, обеспечивая высокие показатели выносливости и упругости, а также отличную стойкость к релаксации. В результате получаются такие структуры, как троостит или тростомартенсит, обладающие твердостью в пределах 45-50 HRC.

Процесс охлаждения в воде после термической обработки при температурах от +400 до +450°C часто используется в отношении пружин. Целью такого подхода является создание на поверхности остаточных напряжений сжатия, которые способствуют улучшению прочностных свойств металлического материала.

Высокотемпературный отпуск проходит в диапазоне +500...+650°C, в результате которого формируется структура стали - сорбит отпуска. Главное замысел этого типа термической обработки - обеспечить идеальное балансирование между устойчивостью и пластичностью. Общая методика термообработки, включающая в себя закалку и высокотемпературный отпуск, получила название улучшения. Этот процесс обладает преимуществами по сравнению с разнообразными методами отжига и нормализации, обеспечивая увеличение временной устойчивости, границы текучести, ударной пластичности и относительного сужения.

Повышенные требования к ударной вязкости и пределу выносливости предъявляются к среднеуглеродистым сталям с содержанием углерода от 0,3 до 0,5%. Для выполнения этих требований применяются процессы закалки и отпуска закаленной стали. Эти процедуры позволяют увеличить прочность материала, снизить его чувствительность к концентраторам напряжений, снизить температуру хладоломкости и уменьшить склонность к образованию трещин.

Время продолжительного отдыха составляет от 1 до 6 часов. Точная продолжительность определяется в зависимости от размеров металлического изделия.

В большинстве случаев, увеличение температуры обработки способствует улучшению свойств металлического изделия и эффективному снятию остаточных напряжений. Однако, возможны ситуации, которые могут привести к ухудшению свойств сплава. Специалисты в области металлургии разработали несколько эффективных методов для решения проблемы хрупкости при отпуске, которая может быть как низкотемпературной, так и высокотемпературной.

Низкотемпературная хрупкость первого рода

Такой вид хрупкости появляется при продолжительном воздействии на материал температуры от +250 до +350 градусов Цельсия. Скорость охлаждения не влияет на вероятность его возникновения. Этот вопрос относится ко всем видам сталей. Причиной возникновения хрупкости первого типа является интенсивное, но неравномерное распределение углерода на поверхности кристаллической решетки. В результате этого процесса происходит деформация кристаллической структуры сплава, что приводит к значительному увеличению хрупкости.

Невосстановимые изменения, приводящие к отпускной хрупкости первого рода, негативно влияют на работоспособность сплава, делающего его приемлемым лишь для последующего переплава. Методика решения данной задачи включает применение отпусков при низкой или средней температуре. Подогрев до промежуточных уровней температуры не допустим. Предрасположенность к хрупкости при низкотемпературном отпуске может быть уменьшена благодаря высокотемпературной термомеханической обработке (ТМО).

Высокотемпературная уязвимость II типа – это слабость материала при воздействии повышенных температур.

Возникновение проблемы связанной с высокотемпературной отпускной хрупкостью, обусловлено наличием трех составляющих факторов.

  • Повышение температуры сплава выше +500°C.
  • Сталь характеризуется большим содержанием Cr, Mn, Ni.
  • постепенное понижение температуры.

Комбинация таких факторов ведет к неравномерности в распределении атомов углерода, хрома, марганца и никеля, что нарушает кристаллическую структуру стали. Трещиностойкость при высоких температурах ухудшается при дополнительном нагреве изделий в течение 8-10 часов в критическом температурном диапазоне. Для выявления этой проблемы необходимо проводить травление поверхностей абразивами для обнаружения границ аустенитных зерен, по которым происходит хрупкое разрушение.

Есть два наиболее действенных способа устранения данной проблемы. Во-первых: после обнаружения признаков отпускной хрупкости следует снова нагреть изделие из металла до нужной температуры в маслянистой среде и быстро его охладить. Второй подход включает в себя добавление вольфрама к сплаву (примерно 1% от общего количества) или молибдена – 0,3-0,4%.