Что такое отпуск металла и зачем его проводят после закалки
кованая мебель служит десятилетиями, кухонный нож долго держит заточку, а автомобильная пружина выдерживает миллионы циклов нагружения. За этими свойствами стоит правильная термическая обработка, в которой важную роль играет отпуск. Без него закаленная сталь оставалась бы очень твердой, но хрупкой. Разберем суть этой операции, какие процессы происходят в стали при нагреве, какие виды отпуска существуют и как выбрать режим.
Что такое отпуск металла
Отпуск металла представляет собой вид термической обработки, при котором закаленное изделие нагревают до температуры ниже критической точки Ac1, выдерживают определенное время и затем охлаждают. Главная задача отпуска заключается в том, чтобы уменьшить хрупкость и снять внутренние напряжения, возникшие при закалке, сохранив при этом нужную прочность.
Отпуск стали всегда выполняют после закалки, и эти операции рассматривают как единую пару. Закалка дает высокую твердость за счет образования мартенсита, но одновременно в металле появляются остаточные напряжения и повышенная хрупкость. Отпуск позволяет найти баланс между твердостью с одной стороны и пластичностью и вязкостью с другой.
Зачем нужен отпуск
Закаленная сталь без отпуска склонна к растрескиванию и может разрушиться даже при незначительном ударе. Поэтому отпуск выполняют почти всегда. Основные цели:
- снять внутренние напряжения, которые возникли при быстром охлаждении;
- уменьшить хрупкость и повысить ударную вязкость;
- получить заданное сочетание твердости и вязкости;
- стабилизировать структуру и размеры детали.
Чем отпуск отличается от отжига
Отпуск нередко путают с отжигом, хотя это разные операции. При отжиге сталь обычно нагревают выше критических точек и затем медленно охлаждают, чтобы получить мягкую равновесную структуру и облегчить обработку резанием. Отпуск применяют только к закаленному металлу, а нагрев ведут ниже критической температуры. Если отжиг готовит заготовку к дальнейшим операциям, то отпуск завершает упрочнение и формирует окончательные рабочие свойства. Нормализация, в свою очередь, отличается охлаждением на спокойном воздухе после нагрева выше критических точек.
Что происходит в стали при отпуске
После закалки структура стали неустойчива. Мартенсит представляет собой пересыщенный твердый раствор углерода в железе, а кристаллическая решетка в нем искажена. При нагреве атомы углерода получают возможность перемещаться, и начинаются фазовые превращения, которые приближают структуру к равновесной. С повышением температуры эти процессы идут все глубже.
В металловедении выделяют несколько стадий превращений при отпуске:
- распад пересыщенного твердого раствора с выделением мелких карбидов, который начинается при относительно низких температурах;
- превращение остаточного аустенита;
- завершение распада и образование цементита, снятие искажений решетки;
- коагуляция и укрупнение карбидных частиц при нагреве до температуры выше 400 °C.
Распад мартенсита приводит к тому, что твердость постепенно снижается, а пластичность и вязкость растут. Именно поэтому температуры отпуска подбирают в зависимости от того, какие свойства материала требуются в готовом изделии.
Виды отпуска стали
С учетом температуры различают три основных вида отпуска: низкий, средний и высокий. Каждый из них формирует свою структуру и дает свои механические свойства.
| Вид отпуска | Температура | Структура | Применение |
|---|---|---|---|
| Низкий | 150–250 °C | Мартенсит отпуска | Режущий и измерительный инструмент, цементованные детали |
| Средний | 350–500 °C | Троостит отпуска | Пружины, рессоры, штампы |
| Высокий | 500–680 °C | Сорбит | Валы, шестерни, шатуны и другие ответственные детали |
Низкий отпуск
Низкий отпуск проводится при температуре 150–250 °C. При таком нагреве происходит частичный распад мартенсита, снимается часть закалочных напряжений, но твердость и износостойкость почти не снижаются. Поэтому его применяют для режущего инструмента, измерительного инструмента и деталей после цементации или поверхностной закалки, где нужно сохранить высокую твердость поверхности.
Средний отпуск
Его выполняют при 350–500 °C. В результате образуется троостит отпуска, твердость снижается, но заметно растет предел упругости. Такой режим подходит для изделий, которые работают на упругую деформацию: пружин, рессор, некоторых видов штампов. После среднего отпуска сталь хорошо сопротивляется многократным нагрузкам, и у нее высокий предел выносливости.
Высокий отпуск
Его ведут при 500–680 °C. Образуется сорбит отпуска, который обеспечивает лучшее сочетание прочности, пластичности и вязкости. Закалку с последующим высоким отпуском называют улучшением. Такая обработка дает высокий уровень ударной вязкости. Этот режим используют для конструкционных сталей, из которых делают валы, оси, шестерни и другие детали, испытывающие ударные и знакопеременные нагрузки.
Отпускная хрупкость
При некоторых температурах сталь, вопреки ожиданиям, становится более хрупкой. Это явление называют отпускной хрупкостью. Появление отпускной хрупкости выявляют испытаниями на удар, так как она проявляется прежде всего в падении ударной вязкости. Различают два вида отпускной хрупкости.
Необратимая хрупкость
Хрупкость I рода, или необратимая, проявляется при отпуске примерно в интервале 250–400 °C. Она характерна почти для всех сталей и не устраняется повторным отпуском при той же температуре. Поэтому отпуск в этом интервале обычно не назначают.
Обратимая хрупкость
Хрупкость II рода, или обратимая, проявляется у некоторых легированных сталей при отпуске около 450–650 °C, если после него идет медленное охлаждение. Особенно к ней склонны стали, содержащие хром, марганец и никель. Отпускная хрупкость II рода связана с процессами на границах зерен и снижает ударную вязкость. Способы борьбы:
- быстрое охлаждение после высокого отпуска в воде или масле;
- введение в сталь молибдена или вольфрама, которые уменьшают склонность к этому виду хрупкости;
- повторный отпуск с быстрым охлаждением, если хрупкость уже появилась.
Знание этих интервалов позволяет технологу правильно назначить режим и избежать брака. Для легированной стали это особенно важно, поскольку легирующие элементы влияют и на положение этих интервалов, и на степень охрупчивания.
Режим отпуска
Режим отпуска определяется тремя параметрами: температурой нагрева, временем выдержки и скоростью охлаждения. Главную роль играет температура, но время выдержки тоже влияет на результат. Технологический процесс выглядит так:
- закаленное изделие загружают в печь или ванну;
- металл доводят до температуры, выбранной для нужного вида отпуска;
- после достижения заданной температуры деталь выдерживают, чтобы структура по всему сечению успела измениться;
- охлаждают на воздухе, в масле или воде с учетом марки и температуры.
Температура
Температуру, при которой проводят отпуск, выбирают по требуемым свойствам. Чем выше температура нагрева, тем сильнее падает твердость и тем больше растут пластичность и вязкость. При этом в зависимости от температуры меняется и структура: от мартенсита отпуска к трооститу и сорбиту. Отклонения от температурного режима даже на несколько десятков градусов заметно меняют результат, поэтому соблюдение температурного режима контролируют термопарами и приборами.
Время выдержки
Время выдержки при выбранной температуре нагрева зависит от размеров изделия и вида отпуска. Для небольших деталей при низком отпуске оно обычно составляет от одного до нескольких часов. Массивные изделия выдерживают дольше, потому что им нужно больше времени, чтобы прогреться до заданной температуры по всему объему. Слишком короткая выдержка не позволяет завершить процесс отпуска, и закалочные напряжения снимаются не полностью.
Охлаждение
Скорость охлаждения после отпуска для большинства углеродистых сталей не имеет решающего значения, и их охлаждают на воздухе. Для сталей, склонных к отпускной хрупкости II рода, после высокого отпуска нужно быстрое охлаждение в воде или масле. Таким образом, скорость охлаждения выбирают с учетом химического состава стали.
Влияние состава стали
Технология отпуска зависит от того, из какой марки стали изготовлено изделие. Углеродистые и легированные стали ведут себя по-разному. Легирующие добавки, такие как хром, молибден, вольфрам и ванадий, замедляют превращения при отпуске и смещают их к более высоким температурам. Поэтому такие стали сохраняют твердость при более высокой температуре отпуска, чем углеродистые.
Инструментальные стали, особенно быстрорежущие, содержат большое количество легирующих элементов. Для них применяют специальные режимы, иногда с многократным отпуском, чтобы добиться нужной твердости и теплостойкости. В общем случае режим назначают с учетом состава сплава и назначения детали, а легирующие добавки учитывают при выборе температуры и времени.
Изменение свойств
После отпуска механические свойства стали перестраиваются. С ростом температуры отпуска твердость и предел прочности снижаются, а относительное удлинение и ударная вязкость растут. Прочностные характеристики и пластичность при этом приходят к лучшему балансу. Основные тенденции:
- твердость постепенно уменьшается;
- пластичность и ударная вязкость увеличиваются;
- напряжения в металле снижаются;
- размеры детали стабилизируются.
Благодаря этому изделие лучше переносит воздействие динамических нагрузок и ударов. Для каждой детали режим подбирают индивидуально, опираясь на справочники и технические условия, а качество обработки проверяют измерением твердости и при необходимости испытаниями на удар. Правильно подобранный отпуск определяет эксплуатационные характеристики детали не меньше, чем закалка. Поэтому одной из главных задач термиста при отпуске является достижение нужного соотношения между прочностью и надежностью.
Цвета побежалости
В мастерских, где нет точных приборов, отпуск стали часто контролируют по цветам побежалости. При нагреве зачищенной поверхности закаленной стали на ней образуется тонкая оксидная пленка, цвет которой зависит от температуры. Примерное соответствие:
| Цвет | Примерная температура |
|---|---|
| Светло-соломенный | около 220 °C |
| Соломенный | около 240 °C |
| Коричневый | около 255 °C |
| Пурпурный | около 270 °C |
| Синий | около 290–300 °C |
| Серый | около 330 °C |
Кузнецы и мастера по ножам используют этот способ для режущего инструмента: соломенные оттенки соответствуют низкому отпуску с сохранением твердости, синие указывают на более высокую температуру и большую упругость. Метод приблизительный, поскольку цвет зависит и от времени нагрева, и от состава стали. На производстве отпуск стали выполняют в печах с контролем температуры.
Отпуск в мастерской
В кузнечной мастерской отпуск нередко выполняют без печи: закаленное изделие зачищают до блеска и осторожно нагревают на горне, в духовке или с помощью горелки, наблюдая за цветами побежалости. Такой способ может быть достаточным для ножей, зубил и мелкого инструмента, но точность у него невысокая. Для ответственных деталей лучше использовать печь с регулятором. Основной задачей отпуска является не столько снижение твердости, сколько снятие напряжений и снижение хрупкости. При снижении хрупкости изделие перестает ломаться от ударов и лучше переносит работу. Важно помнить, что отпуск входит в общую цепочку термической обработки и выполняется сразу после закалки, пока в металле не появились трещины. Именно так формируются свойства материала, которые мастер закладывает в изделие.
Итоги
Отпуск стали завершает закалку и делает изделие пригодным к работе. Правильно выполненный отпуск снимает внутренние напряжения, повышает вязкость и позволяет получить нужные свойства материала. Низкий отпуск сохраняет твердость инструмента, средний отпуск придает упругость, высокий отпуск обеспечивает прочность и ударостойкость ответственных деталей. При выборе режима важно учитывать интервалы отпускной хрупкости и особенности марки. Отпуск закаленной стали требует точности, но именно он определяет, как металл поведет себя в работе.
