Отпуск стали является важным этапом термической обработки металла, позволяющим добиться необходимого сочетания прочности и пластичности. Давайте разберемся, какие процессы происходят при отпуске и как правильно подобрать режим, чтобы получить сталь с оптимальными свойствами.
1. Сущность процесса отпуска стали
Отпуск стали - это термическая обработка закаленного металла, заключающаяся в нагреве до температуры 150-650 °C с последующим медленным охлаждением. Цель отпуска - снятие внутренних напряжений, повышение пластичности при сохранении достаточной твердости и прочности.
При отпуске стали происходят следующие процессы:
- Распад мартенсита
- Полигонизация
- Рекристаллизация
- Диффузия атомов углерода и легирующих элементов
Основные этапы отпуска стали:
- Нагрев заготовок до заданной температуры
- Выдержка при этой температуре в течение определенного времени
- Охлаждение со скоростью, зависящей от состава стали и требуемых свойств
2. Виды отпуска стали
По температуре нагрева различают три основных вида отпуска стали:
- Низкий отпуск (150-250°C)
- Средний отпуск (350-500°C)
- Высокий отпуск (500-650°C)
Низкий отпуск применяется главным образом для инструментальных сталей. Он позволяет снизить внутренние напряжения и повысить вязкость без существенной потери твердости.
Средний отпуск используется для пружин, рессор, штампов. При этом достигаются высокие характеристики по пределам упругости и выносливости.
Высокий отпуск применяется для среднеуглеродистых сталей и позволяет получить оптимальное сочетание прочности и вязкости. Температура нагрева 500-650°C, время выдержки 1-6 часов.
3. Отпускная хрупкость стали
При неправильном режиме отпуска в стали может возникнуть хрупкость двух видов:
- Низкотемпературная (250-350°C)
- Высокотемпературная (450-650°C)
Низкотемпературная хрупкость вызвана неравномерной диффузией углерода и приводит к необратимому снижению свойств стали. Избежать ее можно, применяя только низкий или средний отпуск.
Высокотемпературная хрупкость обусловлена неравномерным распределением легирующих элементов. Чтобы избавиться от нее, применяют повторный нагрев или легирование вольфрамом.
4. Технология отпуска стали
Перед отпуском заготовки тщательно очищают от окалины, ржавчины, жировых загрязнений. Это обеспечивает равномерный нагрев.
Нагрев производится в печах до температуры отпуска. Скорость нагрева зависит от размеров изделий. Нагревательная среда – воздух, вакуум, инертный газ.
По цветам побежалости можно ориентировочно определить температуру нагрева:
| Цвет побежалости | Температура, °C |
| Светло-желтый | 120 |
| Золотистый | 220 |
| Коричневый | 340 |
| Фиолетовый | 400 |
| Синий | 540 |
Продолжительность выдержки зависит от размеров деталей, химического состава стали, требуемых свойств. Обычно от 1 до 6 часов.
Скорость охлаждения подбирается в зависимости от состава стали. Используют охлаждение на воздухе, в масле, воде.
5. Отпуск стали в промышленности
В промышленности для отпуска стали используют электрические, газовые, индукционные печи. Температура контролируется приборами. Процесс часто автоматизирован.
Дефекты отпуска: коробление, растрескивание, остаточные напряжения. Их причины: нарушение температурного режима, неправильное охлаждение.
Контроль качества отпуска ведется по твердости, структуре металла, механическим свойствам.
6. Отпуск стали в домашних условиях
Отпуск стали дома имеет ряд ограничений:
- Трудно обеспечить равномерный нагрев
- Ограничен выбор температур
- Сложно точно контролировать время и скорость охлаждения
Для отпуска дома подходит электропечь, муфельная печь или газовая горелка. Охлаждать лучше на воздухе или в масле. Требуются защитные меры и строгое соблюдение режима.
Рекомендуется отпускать небольшие инструменты из углеродистой стали. Температура 200-300°C, время 1-2 часа. Желательно иметь опыт.
7. Рекомендации по выбору режима отпуска
При выборе режима отпуска необходимо учитывать:
- Химический состав стали
- Размеры и форму деталей
- Требуемые механические свойства
- Вид предшествующей термической обработки (закалка, нормализация)
Для углеродистых сталей рекомендуется:
- После закалки отпуск при 150-200°С, 1-2 часа
- После нормализации отпуск при 650-700°С, 1-2 часа
Для легированных сталей:
- После закалки отпуск при 500-650°С, 1-6 часов
- После нормализации отпуск при 650-700°С, 1-2 часа
Оптимальный режим подбирается опытным путем с учетом всех факторов. Необходим контроль свойств стали.
8. Примеры применения отпуска стали
Рассмотрим несколько примеров использования отпуска в промышленности:
- Автомобильные рессоры. Изготавливают из легированных хромом и кремнием сталей. После закалки проводят отпуск при 500°С, 2 часа. Это обеспечивает высокие упругие свойства.
- Пружины. Часто используют средний отпуск 350-450°С с последующим охлаждением в воде. Это создает сжимающие напряжения, повышающие прочность.
- Штампы. Подвергают закалке с нагревом до 850-1000°С с последующим отпуском при 500-550°С в течение 2 часов. Достигается высокая износостойкость.
9. Новые технологии отпуска стали
Разрабатываются новые способы отпуска для улучшения свойств стали:
- Лазерный отпуск - локальный нагрев лазером
- Виброотпуск - совмещение с вибрацией
- Электроотпуск - использование электрического тока
Эти методы обеспечивают более равномерный нагрев, позволяют точнее управлять процессом, расширяют возможности отпуска.
10. Влияние отпуска на свойства стали
Отпуск оказывает следующее влияние на свойства стали:
- Повышает пластичность и вязкость
- Снижает твердость и предел прочности
- Понижает остаточные напряжения
- Уменьшает склонность к хрупкому разрушению
Степень влияния зависит от температуры и длительности отпуска. Правильный подбор режима позволяет получить нужное сочетание характеристик.
11. Особенности отпуска высокоуглеродистых сталей
Высокоуглеродистые стали с содержанием углерода более 0,6% требуют особых режимов отпуска.
Из-за высокой твердости после закалки необходим отпуск при более низких температурах - 180-300°С. При более высоких температурах возможно резкое снижение твердости и прочности.
Отпуск проводят в течение непродолжительного времени - 30-90 минут. Это позволяет сохранить высокую твердость 58-63 HRC.
После отпуска рекомендуется дополнительная обработка холодом (охлаждение до -70°С) для снятия внутренних напряжений.
12. Контроль качества отпуска стали
Контроль качества отпуска включает:
- Измерение твердости
- Анализ микроструктуры
- Испытания на растяжение, ударную вязкость
- Оценку остаточных напряжений
- Выявление дефектов (трещины, коробление)
Контроль проводится выборочно на образцах. При несоответствии параметров требуется корректировка режима отпуска.
13. Влияние легирующих элементов на отпуск стали
Легирующие элементы оказывают влияние на температуру отпуска:
- Ni, Mn снижают температуру отпуска
- Cr, W, Mo, V повышают температуру
Необходимо учитывать их содержание при выборе режима. Например, для хромистых сталей требуется более высокая температура.
14. Отпуск стали в сравнении с другими видами обработки
По сравнению с нормализацией и высоким отпуском отпуск после закалки обеспечивает:
- Более высокий предел текучести и временное сопротивление
- Меньшую склонность к хрупкому разрушению
- Лучшее сопротивление усталости
По сравнению с низким отпуском после закалки, средний отпуск дает:
- Меньшую зависимость свойств от скорости охлаждения
- Лучшую релаксационную стойкость
Таким образом, отпуск позволяет гибко управлять свойствами стали.
