Термическая обработка — один из наиболее эффективных методов улучшения свойств стали. Путем контролируемого нагревания и охлаждения можно добиться оптимальной комбинации твердости, прочности и вязкости. Основные виды термической обработки — отжиг, нормализация, закалка и отпуск, каждый из которых влияет на структуру и свойства стали по-своему.
Отжиг применяется для снижения внутренних напряжений и повышения пластичности, а также для подготовки металла к дальнейшей обработке. Для этого сталь нагревают выше критической точки Аc3, выдерживают определенное время и затем медленно охлаждают.
Нормализация направлена на получение однородной структуры и улучшение механических свойств. Процесс заключается в нагреве стали выше критической точки Аc3 на 30-50°C с последующим охлаждением на воздухе.
Закалка используется для повышения твердости и прочности материала. Сталь нагревают выше критической точки Аc3, выдерживают и затем быстро охлаждают в воде, масле или другой среде.
Отпуск проводится для снятия внутренних напряжений, уменьшения хрупкости и регулирования твердости стали. Для этого закаленную сталь нагревают до температуры ниже точки Аc1, выдерживают и затем охлаждают.
Понятие отпуска стали
Отпуск стали — это один из ключевых видов термической обработки, который используется для изменения свойств стали после процесса закалки. Отпуск преследует несколько целей. Во-первых, он помогает устранить или минимизировать внутренние напряжения, которые возникают после закалки, вызывающей значительное изменение в структуре стали, что может привести к деформации или даже разрушению изделия. Во-вторых, при отпуске повышается вязкость стали.
Закаленная сталь обладает высокой твердостью, но из-за этого вязкость может быть недостаточной, что снижает ударопрочность. Отпуск позволяет сделать сталь более пластичной и устойчивой к ударам. Изменяя температуру и продолжительность процесса с помощью отпуска можно регулировать твердость стали, что дает возможность получать нужные свойства. Отпущенная сталь становится легче в обработке, резка и сверление выполняются проще.
Существует три основных вида отпуска. Низкий проводится при температуре от 150 до 250 °C и направлен на уменьшение внутренних напряжений, а также повышение коррозионной стойкости. Средний отпуск выполняется при температуре от 350 до 450 °C и позволяет улучшить вязкость и ударную прочность стали. Высокий отпуск проводится при температуре от 500 до 650 °C и используется для получения высокой прочности и вязкости одновременно.
Процессы, происходящие при отпуске:
-
При нагреве закаленной стали происходит распад мартенсита, формируются более мягкие структуры: троостит и сорбит.
-
Рекристаллизация на высоких температурах отпуска, что приводит к образованию новых, более мелких зерен.
При отпуске стали ее свойства изменяются следующим образом ― с повышением температуры твердость уменьшается, вязкость, напротив, увеличивается. Прочность при низких и средних температурах несколько снижается, однако при высоком отпуске может даже возрастать.
Когда и зачем применяется отпуск стали?
Отпуск проводят для снятия внутренних напряжений, возникающих после закалки, в процессе которой внутри стали часто образуются значительные напряжения, которые могут привести к деформациям, трещинам и снижению прочности изделия. Отпуск помогает уменьшить эти напряжения, делая сталь более устойчивой. Также этот процесс позволяет повысить пластичность и вязкость материала, так как закаленная сталь становится слишком твердой и хрупкой. Благодаря отпуску ее твердость снижается, а устойчивость к ударам увеличивается.
Кроме того, отпуск стабилизирует структуру стали, предотвращая изменения ее свойств в процессе эксплуатации. Выбор температуры отпуска позволяет задать необходимые механические свойства, добиваясь оптимального сочетания прочности, пластичности и вязкости в зависимости от требований к изделию.
Процесс отпуска стали применяют после закалки практически для всех стальных изделий, кроме тех, где требуется сохранить максимальную твердость, как в случае режущего инструмента. В первую очередь, отпуск необходим деталям, работающим в условиях динамических нагрузок — пружинам, рессорам, зубчатым колесам, которые подвергаются циклическим воздействиям. Это повышает их устойчивость к усталости и долговечность. Режущий инструмент подвергают отпуску, чтобы снизить хрупкость и повысить износостойкость. В конструкционных сталях отпуск улучшает механические свойства деталей машин и механизмов, повышая надежность в эксплуатации.
Классификация видов отпуска
В металлургии и металлообработке применяют различные виды отпуска, позволяющие добиться характеристик изделий и деталей, максимально приближенных к идеальным для конкретного способа применения. Важно при этом учитывать марку стали и последующие условия эксплуатации.
Высокий отпуск
Это вид термической обработки стали, при котором изделие нагревается до температуры свыше 550°C, а затем медленно охлаждается. Такой режим отпуска позволяет достичь максимально возможной пластичности и вязкости материала. Это означает, что сталь становится более устойчивой к деформации и разрыву под воздействием ударных нагрузок.
Благодаря этим свойствам, высокий отпуск широко применяется для деталей, которые работают в экстремальных условиях, например, для элементов конструкций, подверженных вибрации или ударам. При высоком отпуске прочность стали значительно снижается, поэтому его применение оправдано только в тех случаях, когда пластичность и вязкость являются приоритетными характеристиками.
Средний отпуск
Это один из наиболее распространенных методов термической обработки стали, при котором изделие нагревается до 350–550°C. Такой температурный режим позволяет получить оптимальное сочетание прочности и пластичности материала. В результате среднего отпуска сталь становится менее хрупкой, чем после закалки, но при этом сохраняет достаточную твердость для выполнения своих функций.
Благодаря этому средний отпуск широко используется для изготовления пружин, рессор и других деталей, которые должны выдерживать большие нагрузки без деформации и разрушения. При выборе конкретной температуры среднего отпуска учитываются марка стали, размеры изделия и требуемые механические свойства.
Низкий отпуск
Это первый этап термической обработки стали после закалки, проводимый при температуре от 150 до 250 оС. Основная цель — частично снять внутренние напряжения, возникающие в металле при закалке. Низкий отпуск способствует стабилизации размеров детали, предотвращая их дальнейшее искажение во время эксплуатации. При этом твердость стали практически не уменьшается, что особенно для инструментальных сталей и деталей, подвергшихся поверхностной закалке. Температура низкого отпуска выбирается в зависимости от марки стали и требований к конечному изделию.
Основные этапы процесса отпуска
Технология отпуска стали разработана подробно для каждой марки сплава. Общая схема отпуска практически не отличается. Разбить ее можно на отдельные этапы, применимые ко всем маркам сплавов, пригодных для этого способа термообработки.
Нагрев до нужной температуры
Первый этап — нагрев до необходимой температуры. На этом этапе металл доводят до состояния, при котором начинаются требуемые изменения его структуры. Температура нагрева зависит от состава сплава. Каждый тип стали имеет свою температуру, при которой начинаются фазовые превращения. Во-вторых, от цели обработки — если требуется получить высокую твердость или, наоборот, повысить пластичность, температура будет различаться. Для нагрева используются различные методы. Печи обеспечивают равномерный прогрев крупных деталей, индукционный нагрев подходит для быстрого и точного воздействия на небольшие элементы, а пламенные горелки применяют для локального нагрева.
Выдержка при температуре
На этапе выдержки при заданной температуре обеспечивается полное протекание фазовых превращений и формирование однородной структуры металла. Длительность выдержки зависит от толщины детали, температуры и требуемых механических свойств. Чем больше толщина, тем дольше потребуется выдержка. В этот период происходит распад мартенсита — жесткая структура преобразуется в более мягкие фазы, феррит и цементит. Также начинается сфероидизация карбидов — частицы цементита принимают округлую форму, что способствует повышению пластичности стали. В завершение происходит стабилизация структуры, что делает металл более однородным и устойчивым.
Контролируемое охлаждение
Контролируемое охлаждение необходимо для закрепления структурных изменений, которые произошли в процессе выдержки при высокой температуре. В зависимости от требований к металлу, применяются разные методы охлаждения:
-
воздушное охлаждение — это самый простой и экономичный способ, который часто используется для менее критичных процессов;
-
масляное охлаждение позволяет ускорить процесс остывания, что необходимо в случаях, когда требуется добиться определенных свойств стали, например, для увеличения прочности или улучшения износостойкости;
-
водяное охлаждение применяется реже, так как оно может привести к чрезмерному напряжению в металле, что в свою очередь может вызвать образование трещин.
Выбор метода охлаждения не менее важен, чем температуры нагревания и времени выдержки, чтобы минимизировать риски отклонения характеристик сплава от требуемых.
Цветовые признаки отпуска
Так называемые цвета побежалости – это радужные разводы, появляющиеся на поверхности стали при нагреве. Они возникают из-за образования тонких оксидных пленок различной толщины, которые преломляют свет под разными углами. Каждый цвет соответствует определенной температуре нагрева, позволяя оценить, до какой степени была проведена термическая обработка.
Как использовать цвета побежалости для определения температуры отпуска?
-
Существуют специальные таблицы, сопоставляющие цвета побежалости с соответствующими температурами. Но точность такого определения невысокая — на цвет могут влиять состав стали, скорость нагрева, окружающая атмосфера.
-
Опытный специалист может приблизительно определить температуру отпуска по цвету побежалости, сравнивая его с известными образцами или используя собственный опыт.
-
Для более точного определения температуры применяются специальные приборы – пирометры.
Основные цвета побежалости и соответствующие температуры (приблизительно):
-
соломенно-желтый — 220-240 °C;
-
бурый — 240-260 °C;
-
темно-пурпурный — 260-280 °C;
-
синий — 280-300 °C;
-
темно-синий — 300-320 °C;
-
фиолетовый — 320-340 °C;
-
серебристый — 340-360 °C;
-
белый — 400 °C и выше.
Цветовая шкала нелинейна, то есть разница в температуре между соседними цветами может быть различной. Легирующие элементы могут изменять цвета побежалости и их соответствие температуре. Быстрый нагрев может привести к образованию более ярких и однородных цветов, медленный – к более тусклым и неоднородным. Наличие окислителей или восстановителей в атмосфере также может влиять на скорость образования оксидных пленок и, соответственно, на цвета побежалости.
Преимущества отпуска и его влияние на свойства стали
Процесс отпуска помогает снять внутренние напряжения, которые возникают после закалки и могут привести к деформации или разрушению изделия. Отпуск эффективно снижает их, увеличивая долговечность материала. Кроме того, отпуск снижает твердость стали, при этом увеличивая ее пластичность и вязкость. Это делает сталь менее подверженной хрупкому разрушению при ударных нагрузках.
Отпущенная сталь становится более поддающейся механической обработке, что упрощает резку или сверление, улучшает обрабатываемость материала. Отпуск способствует стабилизации структуры стали, что позволяет получать изделия с более предсказуемыми свойствами.
После отпуска твердость стали снижается по сравнению с состоянием после закалки, причем степень этого изменения зависит от температуры и продолжительности отпуска. Прочность стали также может уменьшиться, но при правильном выборе режима отпуска можно достичь оптимального сочетания прочности и пластичности. В то же время ударная вязкость стали значительно повышается, особенно при низких температурах. В результате отпуска происходит частичный или полный распад мартенсита, что приводит к изменению микроструктуры стали.
Особенности обработки инструментальных сплавов
Термическая обработка инструментальных сплавов — комплекс операций, направленных на изменение структуры и свойств материала с целью придания ему необходимых для работы инструментальных характеристик — высокой твердости, износостойкости, прочности и вязкости. Нагрев и охлаждение сплава изменяют его микроструктуру, что, влияет на физические и механические свойства материала. Закалка позволяет достичь высокой твердости поверхности инструмента, что повышает износостойкость. После закалки отпуск снижает внутренние напряжения и повышает вязкость, предотвращая хрупкое разрушение инструмента. Термическая обработка позволяет снять внутренние напряжения, которые образуются после механической обработки и могут привести к деформациям или разрушению во время работы.
Основными видами термической обработки являются закалка, при которой сплав нагревается до критической температуры и быстро охлаждается, что вызывает образование мартенсита и повышает твердость. Отпуск, заключающийся в нагреве закаленного инструмента до более низкой температуры и медленном охлаждении, что снижает внутренние напряжения, повышает вязкость и уменьшает хрупкость. Отжиг, при котором материал нагревается выше критической температуры и медленно охлаждается, улучшает его обрабатываемость, снижает внутренние напряжения, способствует гомогенизации структуры.
Отпуск инструментальной и обычной стали, несмотря на сходство, имеет несколько различий, обусловленных требованиями к инструментам и конструкционным материалам.
Основная цель отпуска инструментальной стали заключается в достижении баланса между твердостью и вязкостью. Твердость нужна для повышения износостойкости инструмента, а вязкость — чтобы предотвратить его разрушение при нагрузках. В случае с обычной сталью, отпуски чаще всего направлены на уменьшение внутренних напряжений, улучшение пластичности и вязкости, а также на получение нужных механических характеристик — предела прочности или упругости.
Что касается температурных режимов, то инструментальные стали подвергаются отпуску при более низких температурах (150-200°C), чтобы сохранить свою твердость. Обычные же стали могут быть подвергнуты как низкотемпературному, так и среднетемпературному отпуску, в зависимости от того, какие именно свойства требуются. Также различается и время выдержки — для инструментальных сталей оно короче, чтобы не потерять слишком много твердости.
Типы отпускной хрупкости стали
Отпускная хрупкость стали зависит от нескольких факторов. Химический состав играет важную роль, поскольку легирующие элементы могут как усиливать, так и ослаблять склонность материала к хрупкости. Температура и продолжительность отпуска должны быть оптимальными для каждого типа стали, так как это влияет на ее свойства. Также на хрупкость влияет скорость охлаждения — медленное охлаждение после отпуска может способствовать ее развитию. Важным фактором является наличие внутренних напряжений в стали, которые ускоряют процессы, приводящие к хрупкости.
Низкотемпературная хрупкость (I рода) возникает при отпусках стали в диапазоне температур 250-400°C. Механизмы этого явления до конца не исследованы, однако предполагается, что оно связано с выделением фаз, обогащенных примесями, на границах зерен, что ослабляет межзеренную связь.
Особенности:
- необратимая — устранить ее после появления практически невозможно;
- наиболее выражена в легированных сталях;
- приводит к значительному снижению ударной вязкости.
Может привести к внезапным разрушениям деталей в процессе эксплуатации, особенно при ударных нагрузках и низких температурах.
Высокотемпературная хрупкость (II рода) проявляется при отпусках стали при температурах выше 500°C, связана с диффузионными процессами, которые изменяют состав зерен и их границ.
Особенности:
- обратимая — может быть устранена повторным отпуском при более низких температурах;
- зависит от химического состава стали, особенно от содержания легирующих элементов (хром, марганец, никель);
- проявляется при медленном охлаждении после отпуска.
- cнижает долговечность деталей, работающих при высоких температурах.
Реально ли провести процесс отпуска стали в домашних условиях?
Проводить процесс отпуска стали в домашних условиях крайне не рекомендуется и практически невозможно по нескольким причинам. Для отпуска требуется достичь очень высоких температур, которые невозможно создать с помощью обычных бытовых приборов. Работа с раскаленным металлом сопряжена с опасностью, так как требует специального оборудования и навыков для предотвращения ожогов, и других травм.
Кроме того, процесс требует точного соблюдения температурных режимов и времени выдержки, что сложно обеспечить в домашних условиях. Также для отпуска необходимы специальные печи и оборудование, которые отсутствуют в быту. При нагреве стали могут выделяться вредные вещества, представляющие угрозу для здоровья. Отпуск стали — это сложный технологический процесс, который должен проводиться в специально оборудованных условиях.
Значение и возможности применения отпуска стали
Отпуск стали — это процесс термической обработки, при котором сталь нагревается до заданной температуры, а затем охлаждается. Основная цель отпуска — устранение внутренних напряжений, возникших в результате закалки, и улучшение механических свойств материала. В зависимости от температуры отпуска и скорости охлаждения можно изменить пластичность, вязкость, уменьшить хрупкость и скорректировать твердость стали, характерные для определенной марки. Процесс широко используется при производстве пружин, рессор, инструментов, деталей машин и других стальных изделий, где необходимо сочетание высокой прочности и хорошей вязкости, выходящей за пределы возможностей стандартных сплавов.