Отпуск. Виды отпуска.

1. Процесс закалки стали заключается в ее нагреве до определенной температуры (на 30...50° выше линии GSK по диаграмме Fe – Fe₃C), выдержке и по­следующем быстром охлаждении в воде, масле, рас­плавленных солях или других средах.

В результате закалки углеродистых и большинства специальных конструкционных сталей их твердость и механические свойства значительно возрастают. Неко­торые сорта высоколегированных сталей (например, коррозионно-стойких) после закалки приобретают более высокую пластичность и меньшую твердость.

Изменение свойств стали при закалке связано с об­разованием неравновесных структур (мартенсит, троостит, сорбит). Закалка основана на фазовых превра­щениях при нагреве и охлаждении. Применение различ­ных охлаждающих сред позволяет изменять скорость охлаждения и получать нужную структуру.

Скорость охлаждения, при которой в структуре ста­ли фиксируется образование чистого мартенсита, назы­вают критической скоростью закалки – это важнейшая характеристика стали, определяющая забор закалочных сред и глубину прокаливаемости. Критическая скорость зависит от температуры нагрева стали перед закалкой, ее состава, размеров зерен и других факторов.

2. Температура нагрева стали для закалки зависит от содержания в ней углерода и определяется положением критических точек по диаграмме железоуглеродистых сплавов.

При закалке доэвтектоидные стали, имеющие в рав­новесном состоянии структуру феррит + перлит, нагре­вают до температуры выше точки Ас₃ (выше линии GS) для получения аустенита. После выдерж­ки при данной температуре сталь охлаждают с крити­ческой скоростью для получения структуры мартенсита.

Непременным условием при выборе правильной тем­пературы нагрева доэвтектоидных сталей при закалке является образование однородного твердого раствора – аустенита, так как при последующем быстром охлаж­дении совершается почти полное превращение аустенита в мартенсит. Поэтому доэвтектоидные стали надо на­гревать примерно на 30...50° выше критической точки Ас₃ (линия GS). При этом условии обеспечивается пол­ный переход исходной структуры (перлита и феррита) доэвтектоидной стали в аустенит. Оптимальные темпе­ратуры нагрева данных сталей:

t_зак = Ас₃ + 30...50°.

Закалка доэвтектоидной стали с нагревом до темпе­ратуры, лежащей в интервале Ас₁ ... Ас_m (между линия­ми PS и GS), называют неполной закалкой. При такой закалке не достигается требуемая твердость стали из-за имеющихся в структуре мартенсита ферритных участков.

Заэвтектоидные стали, имеющие структуру пер­лит + цементит, следует нагревать под закалку выше Aс_l (линия SK) на 30...50°. При указанной температуре перлит перейдет в аустенит, в то время как цементит почти полностью сохранится, и при быстром охлажде­нии стали ее структура будет состоять из мартенсита и избыточного цементита. Присутствие в закаленной ста­ли включений цементита не снижает ее твердости и спо­собствует повышению износостойкости. Важно только, чтобы избыточный цементит в структуре закаленной стали находился не в виде зернистого (сфероидизированного) цементита, что достигается предварительной термической обработкой до закалки.

3. Наиболее распространенные закалочные среды – во­да, различные масла, водные растворы солей, иногда расплавленные металлы и соли. Для специальных ста­лей, у которых критическая скорость закалки очень мала, в качестве закаливающей среды используют воздух.

Желательно, чтобы закалочная среда быстро охлаж­дала в интервале температур малой устойчивости аустенита (600...550°С), медленно – в интервале мартенситного превращения (300...200°С), чтобы уменьшить де­формации и напряжения.

Вода создает весьма энергичное охлаждение в двух температурных интервалах, и это является ее недостат­ком, так как быстрое охлаждение в мартенситном ин­тервале способствует значительной деформации и обра­зованию закалочных трещин.

Масла имеют скорость охлаждения в интервале мартенситного превращения в 10 раз меньшую, чем вода, что уменьшает возможность возникновения дефектов при закалке.

Выбор закаливающей среды в практике термообра­ботки зависит от химического состава стали, конфигу­рации изделий и необходимости получения тех или иных структур и механических свойств.

При закалке стали глубина проникновения мартенситной или троосто-мартенситной структуры бывает не­одинаковой. Под прокаливаемостью стали следует по­нимать степень проникновения закалки во внутренние слои изделия, то есть толщину слоя высокой твердости, имеющего структуру мартенсита. Прокаливаемость – одна из важных характеристик стали, которая обуслав­ливает ее механические свойства после закалки. Про­каливаемость зависит от многих факторов: размера зерна, состава стали, скорости охлаждения, темпера­туры нагрева и других. Прокаливаемость стали опреде­ляют по виду излома, по распределению твердости от края к сердцевине после закалки, торцевым методом и др.

4. В зависимости от состава стали, конфигурации изде­лия и технических требований, предъявляемых к изде­лию, в практике термической обработки применяют ряд способов закалки.

Закалка в одном охладителе – самая распространен­ная для углеродистых и легированных сталей. Нагретое до температуры закалки изделие погружают в охлаж­дающую среду до полного охлаждения. Изделия из угле­родистых сталей охлаждают в большинстве случаев в воде, а из легированных сталей – в масле. Этот способ прост, но может вызвать значительные внутренние на­пряжения.

Прерывистая закалка (закалка в двух средах) при­меняется для предупреждения появления внутренних напряжений в изделии. Этот способ используют преиму­щественно при закалке крупных изделий из конструк­ционной углеродистой и низколегированной стали. На­детое до нужной температуры изделие сначала резко охлаждают в воде до 300...200°С, затем переносят в масло или на воздух, где оно медленно охлаждается в мартенситном интервале. Недостаток прерывистой за­калки связан с трудностью регулирования времени вы­держки.

Ступенчатая закалка характеризуется тем, что на­гретое изделие охлаждают, погружая в соляную ванну, температура которой превышает температуру начала мартенситного превращения данной стали. Затем изде­лие выдерживают в ванне для выравнивания темпера­тура по всему его объему и охлаждают на воздухе до нормальной температуры, что снижает внутренние на­пряжения. Ступенчатую закалку целесообразно приме­нять для тонких стальных изделий из углеродистой стали.

Закалка с самоотпуском (закалка по цветам побежалости) заключается в том, что изделие охлаждают от температуры закалки в охлаждающей среде только в течение времени, которое необходимо для его прока­ливания на определенную глубину. Дальнейшее охлаж­дение идет на воздухе. При этом осуществляется отпуск за счет теплоотдачи из внутренних слоев изделия. Дан­ный способ применяют для закалки ударного инстру­мента (зубила, кузнечный инструмент и др.).

Поверхностная закалка применяется для увеличения износостойкости различных деталей, воспринимающих ударную нагрузку (зубчатые колеса, валы и др.). Тех­нология поверхностной закалки включает нагрев по­верхностного слоя изделия до температуры закалки и охлаждение для получения мартенситной структуры в поверхностном слое при сохранении вязкой сердцевины.

Различают следующие виды нагрева при поверхност­ной закалке: нагрев пламенем газовой горелки, контакт­ный электронагрев, нагрев токами высокой частоты и нагрев в электролите. Наибольшее распространение в промышленности получил способ поверхностной закалки токами высокой частоты (ТВЧ), а при ремонте – за­калка с нагревом пламенем газовой горелки.

5. Отпуск – это нагрев закаленной стали до температуры ниже критической Ас₁ , выдержка при этой температуре и последующее охлаждение (обычно на воздухе).

Цель отпуска – повышение вязкости закаленной стали при сохранении достаточно высокого предела прочности, уменьшение внутренних напряжений после закалки и получение более устойчивых (стабильных) структур. Отпуску подвергают закаленные стали со структурой тетрагонального мартенсита и остаточного аустенита. Обе структуры неустойчивы и склонны при нагреве превращаться в более устойчивое состояние с изменением объема. При температуре 100...200°С тетрагональный мартенсит образует структуру кубического мартенсита (мартенсит отпуска). При температуре 200...300°С остаточный аустенит превращается в мар­тенсит отпуска. Нагрев стали выше 350°С ведет к рас­паду мартенсита в феррито – цементитную смесь.

В зависимости от температуры нагрева закаленной стали различают следующие виды отпуска: низкий, средний, высокий.

Низкий отпуск – нагрев закаленной стали до 250°С для снижения внутренних напряжений при сохранении высокой твердости. Такой отпуск применяют главным образом для инструментов и изделий, которые должны обладать высокой твердостью и износостойкостью, в том числе для цементованных изделий.

Средний отпуск – нагрев закаленной стали в интер­вале температур 350...450°С, который приводит к пони­жению твердости и повышению вязкости стали по срав­нению с низким отпуском. Кроме того, происходит об­разование более устойчивой микроструктуры троостита и троостосорбита. Средний отпуск применяют для пру­жин, штампов, рессор, ударного инструмента и др.

Высокий отпуск – нагрев закаленной стали в интер­вале температур 450...650°С, который способствует по­лучению наибольшей вязкости при сохранении доста­точно высокой прочности. В результате данного отпуска твердость закаленной стали сильно снижается и обра­зуется структура сорбит. На практике широко приме­няют закалку деталей машин на мартенсит с последую­щим высоким отпуском на сорбит. Этот процесс назы­вают улучшением. Сорбит отпуска с зернистой формой цементита имеет более высокие показатели прочности и вязкости, чем сорбит закалки с пластинчатой формой цементита.

Обработка холодом– отпуск при температуре ниже нуля. Заключается в обработке закаленных изделий холодом при температурах порядка –80°С и ниже. Об­работка холодом основана на том, что остаточный аустенит, находящийся в структуре закаленной стали при низких температурах (порядка –80°С и ниже), распадается в результате возникновения внутренних на­пряжений. Данный метод повышает твердость режущего инструмента, стабилизирует размеры измерительных ин­струментов и др. В промышленности применяют спе­циальные установки, в которых охладителями служат жидкий кислород (–183 °С), жидкий азот (–195 °С), смесь из твердой углекислоты (сухой лед) с денатури­рованным спиртом (–78,5 °С).