Все об отпуске сталей

Изготовление изделий из стали – дело весьма хлопотное. Мало того что эту самую сталь надо получить, так ей еще требуется придать необходимые, заданные областью применения конкретного изделия свойства.

Все этапы этого процесса требуют к себе пристального высокопрофессионального внимания и соответствующего высокотехнологичного оборудования. Нарушение процесса может вызвать порчу всей полученной партии металла, направляемой на переплавку. В данном материале рассмотрим один из этапов термической обработки стали – отпуск.

Отпуском называют один из этапов термической обработки стали, главное назначение которого – удаление возникающих в заготовке в результате плавки и закалки напряжений, вызванных неоднородностью состава и структуры. Как правило, отпуск проводят для изделий из предварительно закаленной стали. Отпуск сталей выполняют путем нагрева заготовки до определенной температуры в специальной печи, с последующим медленным ее охлаждением в той же печи, или в нагретой жидкости. Цель этого вида термической обработки – формирование более однородной по структуре массы, физические свойства которой становятся более постоянными и предсказуемыми.

Нагрев и охлаждение происходят с заданной интенсивностью, иногда процесс может быть растянут на несколько часов в зависимости от марки стали, формы и размера заготовки. Для предотвращения быстрого охлаждения поверхности применяется погружение изделий в различные жидкости: кипящая вода, масло, растворы солей, раствор селитры и другое. Отпуск отличается от закалки стали воздействием на заготовку меньшими температурами в течение более длительного времени.

При отпуске температура нагрева выбирается в зависимости от марки стали и назначения изделия. По степени и длительности нагрева и охлаждения выделяют: низкотемпературный (низкий), средентемпературный (средний) и высокотемпературный (высокий) режимы отпуска. Технология заключается в медленном нагреве стальной заготовки в специальной печи. Расчет выдержки при той или иной температуре различается по маркам стали. Время выдержки также играет важную роль, так как превращения, происходящие с расплавом, должны коснуться всего объема заготовки. Во время отпуска образуется структура, отличная от изначально сформировавшегося в процессе отлива неоднородного мартенсита. Удаляются излишки углерода, и формируется более совершенная кристаллическая решетка, что позволяет увеличить вязкость стали и снять неизбежные при кристаллизации первичного расплава напряжения.

Так, отпуск стали марки 45, идущей на производство валов и шестерен, для которых важны устойчивость к разнообразным механическим нагрузкам и существенным перепадам температуры, заключается в ее постепенном охлаждении и последующем нагреве сразу после процедуры закалки.

Технология отпуска сталей известна с глубокой древности. В разных культурно-исторических регионах кузнецы-оружейники пришли к ней независимо, это вызвало появление различных подходов к обработке металла и производству прежде всего холодного оружия. Так, в средневековой Европе качественный меч был упругим и после удара возвращал свою форму. Закалке и отпуску подвергалось все изделие, представлявшее кусок металла с однородными свойствами. Закалка и отпуск японской катаны предполагала послойную термическую обработку. Закалке подвергалось лишь лезвие клинка, которое было значительно тверже лезвия европейских мечей, однако внутренняя часть клинка оставалась мягкой. Клинок, погнутый во время удара, можно было исправить рукой, вернув ему необходимую форму. Более сильная деформация традиционного японского меча могла вызвать появление зазубрин на его закаленном лезвии, либо стать причиной обламывания клинка. Особо преуспели в закалке и отпуске стали ближневосточные кузнецы, научившиеся получать тонкие клинки повышенной упругости.

Рассмотрим подробнее особенности современных промышленных видов отпуска стали.

• Низкий. Низкий, или низкотемпературный, отпуск производят при температуре не выше 250 градусов. Время процедуры 1-2,5 часа. При столь медленном нагреве и охлаждении из сплава выделяются карбиды, что делает металл более однородным и пластичным. Изделие, прошедшее такую термическую обработку, более устойчиво сохраняет свою форму, что весьма важно для точного измерительного и режущего инструмента, не подвергающегося динамическим нагрузкам.
• Средний. Средний, он же среднетемпературный, отпуск производят при температурах от 350 до 500 градусов. Полученные образцы обычно имеют высокую упругость и стремятся к возвращению формы, избавившись от внутренних напряжений. Средний отпуск позволяет вывести из расплава практически весь избыток углерода. Охлаждают детали после отпуска в кипящей воде. Операция совершенно необходима при производстве пружин, рессор, молотков и иного ударного инструмента.
• Высокий. Высокотемпературный отпуск производится при нагревании заготовки более 500 градусов. Выдерживать заготовку при такой температуре могут от 1 до 6 часов. При этом из сплава не просто удаляется углерод, в нем происходят структурные преобразования. Вместе с закалкой такое термическое воздействие принято называть улучшением стали. Полученная таким образом улучшенная сталь имеет оптимальное сочетание ряда свойств прежде всего вязкости, пластичности и прочности. При этом несколько снижается твердость.

Основная задача отпуска стали – повышение ее вязкости при снижении хрупкости. Отпуск стали требует строгого следования технологии, иначе заготовка может быть безнадежно испорчена и отправлена на переплавку. Существует ряд режимов, при которых отпуск может стать причиной увеличения хрупкости стали, появляется совершенно нежелательная отпускная хрупкость. При определенных условиях отпускная хрупкость может стать необратимой (отпускная хрупкость первого рода). Так, нагрев заготовки до 250-300 градусов вызывает неравномерное выделение из нее углерода, это приводит к большому перепаду в его содержании в отдельных кристаллических структурах стали. Таким образом, заготовка может не соответствовать предъявляемым требованиям по прочности и вязкости. Замедление нагрева и охлаждения совершенно не снижает нежелательный эффект. После долгих экспериментов с заготовками металлурги нашли самый простой выход, во время отпуска сталь до такой температуры стараются не нагревать.

Отпускная хрупкость второго рода считается обратимой. Проявляется она не у всех сталей, а лишь у легированных никелем, хромом или марганцем. Температурные рамки возникновения этого дефекта так же ограничены. Она проявляется во время отпуска при температуре около 500 градусов. Главным условием возникновения обратимой хрупкости является замедление охлаждения, при котором диффузия карбидов, сульфидов и нитритов в заготовке происходит неравномерно, что приводит к неравномерности формирующихся в стали структур. В итоге заготовка может иметь непредсказуемые свойства, что приведет к разрушению при возникновении механических нагрузок. Появление признаков обратимой хрупкости вынуждает вновь подвергать заготовку отпуску с последующим быстрым охлаждением в масле. Проблема несколько снимается добавлением в расплав вольфрама или молибдена (по 1% или 0,3% соответственно).