Отпуск стали после закалки: на что обратить внимание

Отпуском стали называют процесс, в ходе которого стальные заготовки прогреваются до заданной температуры, а затем охлаждаются, что позволяет снять внутренние напряжения, оказывающие негативное влияние на качество металла.

Общее описание процесса

Как правило, отпуск стали применяется в качестве термообработки прошедших закалку изделий или позволяет нагревать заготовки до заданных значений. В сочетании с охлаждением в определенном режиме эта процедура ликвидирует внутреннее напряжение, часто возникающее в металле при закалке и других видах термического воздействия.

Процесс включает несколько последовательных этапов:

• нагрев металла до температуры, при которой начинаются фазовые превращения;
• выдержка в течение заданного времени;
• охлаждение в требуемом режиме.

Такая термическая обработка позволяет придавать стальному сплаву необходимые характеристики, избавляя изделие от внутренних напряжений. Эффективность процесса зависит от режима – чем ниже температура и быстрее охлаждение, тем менее выраженным будет позитивное воздействие отпуска.

При выборе скорости охлаждения определяющую роль играет химический состав металла и требуемые характеристики готовых изделий:

• отпуск при температуре от +550 до +650 °C с последующим интенсивным охлаждением сохраняет остаточные напряжения сжатия в поверхностных слоях металла, благодаря чему повышается предел выносливости;
• отпуск деталей со сложной геометрией при высокой температуре с последующим медленным охлаждением позволяет избежать возникновения температурных деформаций;
• заготовки из легированных стальных сплавов, которые склонны к отпускной хрупкости, после отпуска при температуре от +550 до 650°C требуют ускоренного охлаждения.

Отпуск стали в зависимости от того, до какой температуры происходит нагрев, может быть высоким, средним или низким.

Преимущества отпуска

• Повышение пластичности и гибкости.
• Снижение хрупкости.
• Коррекция избыточной твердости до требуемых значений.
• Повышение прочности стали в результате улучшения кристаллической структуры.
• Сведение к минимуму внутреннего напряжения, остающегося после предыдущей термообработки, которое позволяет избежать водородного охрупчивания.
• Повышение износостойкости как в поверхностных слоях, так и в сердцевине заготовок.
• Увеличение степени обрабатываемости и формуемости, облегчающее последующую обработку.
• Повышение вязкости.
• Более высокая скорость обработки (по сравнению с отжигом).

Когда используется отпуск

Отпуском обычно завершают закалку при которой металл нагревается до температуры, превышающей верхнюю критическую, а затем быстро охлаждается.

После такой процедуры сталь приобретает твердость и хрупкость (зачастую как у стекла). Как правило, первое свойство является желаемым, а от второго металл необходимо избавлять.

Для уменьшения хрупкости и прибегают к повторному менее интенсивному нагреванию металла, а затем охлаждению (уже более медленному, чем во время закалки), добиваясь оптимального соотношения твердости и пластичности.

Наибольший эффект достигается в ходе отпуска, если он осуществляется непосредственно после закаливания. Металл в результате в значительной степени избавляется от хрупкости, приобретенной в ходе предыдущей термической обработки.

Часто к отпуску прибегают, если закалка явилась побочным эффектом других операций, например, сварки, гибки, сверления, формовки, штамповки или прокатки.

Виды отпуска стали

Наиболее важное значение в ходе отпуска стали имеет интенсивность нагрева. Как уже говорилось выше, в зависимости от температуры отпуск стали бывает высоким, средним или низким.

Наиболее активной рекристаллизации металла можно добиться при нагревании до высокой температуры, а значит, первый из перечисленных вариантов термической обработки – оптимальный. Практическая польза от средне- и низкотемпературных методов проявляется в отдельных случаях, которые мы более подробно обсудим ниже, рассматривая их отдельно.

Высокий

Высоким отпуском стали принято называть обработку при температуре от +500 до +700°C. Эффективность этого метода наиболее высока за счет полигонизации и рекристаллизации металла, позволяющих максимально освободить его от внутреннего напряжения. Процесс занимает от 2 до 3 часов, а если речь идет о сложных конструкциях, время обработки может достигать 6 часов.

Средний

Средний отпуск стали сопровождается активной диффузией и выделением избыточных атомов углерода. Полигонизация и рекристаллизация в ходе такого процесса отсутствуют. Среднетемпературная обработка позволяет добиться повышения упругости и релаксационной стойкости стали. Металл нагревается до температуры от +350 до +500°C. Длительность выдержки составляет от 2 до 4 часов. Охлаждение производится в масле или воде.

Метод применяется для обработки деталей из высокопрочных стальных сплавов, имеющих сложную геометрию – рессор, пружин, ударных конструкций. Однако практическое применение данной технологии ограничено из-за ряда особенностей:

• Температуру в диапазоне от +250 до +300°C специалисты связывают с так называемым островком хрупкости первого рода. А температура, на которую приходится островок хрупкости второго рода, равна +500°C. Соответственно, средний отпуск осложняется необходимостью соблюдения режима нагревания, позволяющего избегать значений, при которых, как уже давно выяснили специалисты, критически снижается качество металла. Даже небольшие отклонения температуры отпуска (как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения) влекут риск неисправимых последствий.
• Данный метод проигрывает альтернативным технологиям (высокому и низкому отпуску). Кроме того, использование слабых печей не обеспечивает нагревания рабочей среды до указанной температуры, а сильные разогреваются значительнее, что существенно осложняет и ограничивает практическое применение среднего отпуска для термической обработки заготовок из стальных сплавов.

Низкий

Низким отпуском стали принято считать метод обработки стальных заготовок и изделий при температуре от +100 до + 250°C с выдержкой от 1 до 3 часов (рекомендованное время выдержки зависит от размеров и конфигурации деталей). Низкотемпературная обработка вызывает активизацию диффузии микрочастиц углеродсодержащих компонентов, не сопровождающейся полигонизацией и рекристаллизацией молекулярной решетки. Такая термообработка приводит к улучшению физических характеристик стального сплава – прочности, пластичности, твердости и химической инертности.

В ходе обработки важно следить, чтобы металл не нагрелся до температуры, превышающей +250°C, иначе можно достичь островка хрупкости первого рода и столкнуться с критическим снижением качества обрабатываемого материала.

Обработка инструментальных сплавов

Технологии высокого, среднего и низкого отпуска применимы только для обработки заготовок из стальных сплавов, углеродистость которых не превышает 0,7%. Так называемые инструментальные стали, содержащие углерод в больших концентрациях, обычно обрабатываются с применением других методов:

• Отпуску не подлежат быстрорежущие инструментальные стальные сплавы с добавлением молибдена, кобальта, вольфрама и ванадия, устойчивых к нагреванию элементов, которые сохраняют свои физико-химические характеристики, когда металл нагревают для отпуска. Изделия из таких видов стали специалисты рекомендуют подвергать многоступенчатой закалке. В ходе обработки происходит поэтапное повышение температуры до +800, +1050 и +1200 °C с последующим резким охлаждением деталей в масле.
• Обычные инструментальные сплавы проходят двухэтапную термообработку. На первом этапе заготовка закаливается в солевом расплаве при температуре от +450 до +500°C. Далее изделия подвергают двойному отпуску при температуре от +550 до +600°C (не дольше 60 минут). Стоит иметь в виду, что нагрев инструментальных типов стали не приводит к отпускной хрупкости второго рода.

Виды отпускной хрупкости

Как правило, чем выше температура отпуска стали, тем более эффективно термическая обработка избавляет металл от внутреннего напряжения. Однако в ряде случаев нагревание способно ухудшать характеристики стальных сплавов. Различают высоко- и низкотемпературную отпускную хрупкость. Благодаря разработкам ученых в современной металлургии применяются действенные технологии, которые позволяют устранить эту проблему.

Хрупкость I рода – низкотемпературная

Такая хрупкость, свойственная всем маркам стальных сплавов, является следствием длительного нагревания стали при температуре от +250 до +350°C и не зависит от скорости охлаждения. Данное явление возникает по причине активной, но неравномерной диффузии атомов углерода в молекулярной решетке металла. В результате кристаллическая решетка стали искажается, что приводит к значительному увеличению хрупкости.

Процесс возникновения отпускной хрупкости первого рода необратим и приводит к резкому снижению эксплуатационных характеристик металла. Исправить положение в этом случае возможно исключительно переплавкой изделий. Бороться с данной проблемой позволяют специально разработанные технологии – средне- или низкотемпературный отпуск стали.

Отпускная хрупкость II рода – высокотемпературная

Высокотемпературная отпускная хрупкость – следствие совпадения трех условий:

• нагревания металла до температуры выше +500°C;
• наличия в составе сплава добавок хрома, марганца и никеля в высоких процентных долях;
• медленного охлаждения.

При сочетании этих трех факторов кристаллическая решетка металла искажается, так как углерод, хром, марганец и никель распределяются в ней неравномерно. К усилению отпускной хрупкости второго рода приводит выдержка заготовок в течение времени от 8 до 10 часов в опасном диапазоне температуры. Выявляется эта проблема исключительно травлением шлифов с помощью поверхностно-активных реагентов, выявляющих границы зерен аустенита, вдоль которых растрескивается материал.

Эффективно решить эту проблему можно, используя один из двух способов, разработанных технологами. Суть первого заключается в повторном нагревании изделий в масле при первых признаках хрупкости второго рода с последующим быстрым охлаждением. Также можно избавиться от этого неприятного явления, вводя в состав сплава легирующие добавки: вольфрам (около 1%) или молибден (от 0,3 до 0,4%).

Процесс отпуска

Отпуск стали, как и другие виды термообработки, осуществляется в три этапа:

• нагревание;
• выдержка;
• охлаждение.

Нагревание

Заготовки должны прогреваться строго до заданной температуры за определенный период времени. При слишком быстром нагревании сталь может растрескиваться. Выбор температуры зависит от марки стали и изменений, которым должны подвергнуться характеристики металла заготовок. К примеру, отпуск инструментальных типов стали требует значительно более низкой температуры, чем необходимо рессорным.

Отдельные марки стальных сплавов подвергают закалке в емкостях с соляным раствором или на воздухе. От выбора атмосферы, помимо прочего, зависит качество поверхности готовых изделий.

Выдержка

Когда сталь нагревается до заданных значений, ее необходимо выдержать при этой температуре в течение определенного времени. Продолжительность нагрева зависит от физико-химических свойств металла, размеров и конфигурации изделий и необходимых характеристик.

Температура отпуска и время выдержки влияют на механические характеристики металла – их повышение приводит к увеличению пластичности и ударной вязкости стали. Однако слишком сильный нагрев может стать причиной снижения предела прочности при растяжении.

На твердости стали сказывается присутствие различных фазовых состояний металла – мартенсита, сохранившегося аустенита и графитовых конкреций. Чем дольше заготовки выдерживаются при заданной температуре, тем меньше становится мартенситной фазы и больше – сохранившегося аустенита, что делает металл менее твердым.

Охлаждение

Характеристики стали после отпуска в значительной степени определяются правильным охлаждением. Этот этап не менее важен, чем остальные. При охлаждении важно соблюдать рекомендованный режим.

При выборе скорости и способа охлаждения металла необходимо учитывать химико-физические свойства сплава, размеры, конфигурацию деталей, требуемые эксплуатационные характеристики и т. д.

Цвет отпуска

Пленка из оксидов, которая покрывает металл при нагревании, окрашивает его поверхность в различные оттенки – так называемые цвета побежалости (отпуска), позволяющие судить о температуре нагрева заготовок.

Цветовая гамма включает в себя различные цвета: от светло-желтого до темно-синего. Приведенная ниже шкала может использоваться для ориентировочной оценки температуры отпуска:

Следует понимать, что цвет металла не всегда точно соответствует температуре нагрева. На оттенок могут влиять наличие и количество легирующих добавок, химический состав атмосферы, механическая обработка поверхности и время выдержки. Так, из-за меньшей подверженности коррозионностойких сплавов окислению, определенные цвета побежалости будут соответствовать более высокой температуре, чем у других типов стали.

Следовательно, эта таблица не может быть использована в качестве инструмента, позволяющего точно определить температуру отпуска. На цвета побежалости можно ориентироваться только для приблизительной оценки.

Можно ли выполнить отпуск стали в домашних условиях

Термическую обработку клинков ножей, металлической посуды, автомобильных деталей и прочих часто используемых предметов обихода нередко выполняют в условиях домашней мастерской. Важно понимать, что бытовая металлургия имеет некоторые ограничения. Разберем более подробно трудности, которые могут возникнуть при отпуске стали своими руками:

• Бытовые печи, как правило, не позволяют нагревать заготовки до высокой температуры, а значит, в условиях домашней мастерской следует ограничиться низко- или среднетемпературным отпуском стали.
• Необходимые для термообработки в качестве защитной среды вещества (масла, щелочи и т. д.) обладают температурными особенностями. Например, селитра, которая часто применяется при отпуске, взрывоопасна.
• Если не использовать при отпуске стали специальные среды, это может привести к критическому и необратимому снижению качества металла. Дело в быстром охлаждении стали, которое может повысить ее хрупкость, привести к короблению, деформациям и ржавлению.
• Серьезной проблемой при домашнем отпуске стали становится также низкотемпературная хрупкость первого рода, которая возникает при температуре от +250 до +300°C. Несоблюдение правильного температурного режима часто становится причиной растрескивания и даже разрушения изделий.

Итак, отпуском стали принято называть процесс, включающий нагревание заготовок до заданной температуры и их последующее медленное (или поэтапное) охлаждение с использованием защитных сред. В результате такой обработки повышается прочность металла, нормализуется пластичность и улучшаются физико-химические характеристики. Оптимальным вариантом является высокий отпуск, который, помимо диффузии атомов углерода, приводит к полигонизации и рекристаллизации материала.

Почему следует обращаться именно к нам

Мы с уважением относимся ко всем клиентам и одинаково скрупулезно выполняем задания любого объема.

Наши производственные мощности позволяют обрабатывать различные материалы:

• цветные металлы;
• чугун;
• нержавеющую сталь.

При выполнении заказа наши специалисты применяют все известные способы механической обработки металла. Современное оборудование последнего поколения дает возможность добиваться максимального соответствия изначальным чертежам.

Для того чтобы приблизить заготовку к предъявленному заказчиком эскизу, наши специалисты используют универсальное оборудование, предназначенное для ювелирной заточки инструмента для особо сложных операций. В наших производственных цехах металл становится пластичным материалом, из которого можно выполнить любую заготовку.

Преимуществом обращения к нашим специалистам является соблюдение ими ГОСТа и всех технологических нормативов. На каждом этапе работы ведется жесткий контроль качества, поэтому мы гарантируем клиентам добросовестно выполненный продукт.

Благодаря опыту наших мастеров на выходе получается образцовое изделие, отвечающее самым взыскательным требованиям. При этом мы отталкиваемся от мощной материальной базы и ориентируемся на инновационные технологические наработки.

Мы работаем с заказчиками со всех регионов России. Если вы хотите сделать заказ на металлообработку, наши менеджеры готовы выслушать все условия. В случае необходимости клиенту предоставляется бесплатная профильная консультация.