5. Термообработка: виды, операция отпуск (подробно)

Основные виды термической обработки, изменяющие структуру и свойства стали и применяемые в зависимости от требований к полуфабрикатам и готовым изделиям, следующие: отжиг; нормализация; закалка; отпуск и старение.

Отжиг, цель которого – приблизить фазовое и напряженное состояние стали к равновесному, обычно разделяют на отжиг I и II рода.

Отжиг I рода включает в себя процессы гомогенизации, рекристаллизации и снятия остаточных напряжений. Характерная особенность этого вида отжига-то, что указанные процессы происходят независимо от того, имеются ли при этой обработке фазовые превращения или нет.

Отжиг II рода (фазовая перекристаллизация) бывает нескольких разновидностей: полный, неполный, изотермический и сфероидизирующий. При отжиге II рода конечное структурное состояние и свойства стали определяют происходящие в процессе их проведения фазовые превращения.

Разновидностями отжига II рода являются также такие процессы, как нормализация и одинарная термическая обработка.

Закалку применяют для упрочнения стали, что ведет к образованию неравновесных структур (аустенита, мартенсита, бейнита и т.д.). В зависимости от нагреваемого объема закалку обычно разделяют на объемную и поверхностную.

В зависимости от метода охлаждения, принятого при закалке, различают закалку непрерывную, прерывистую, ступенчатую, изотермическую и закалку с самоотпуском.

Отпуску подвергают закаленную сталь для перевода неравновесной структуры в более равновесную, обеспечивающую заданный комплекс свойств. В зависимости от температуры нагрева различают отпуск высокий, средний и низкий. К отпуску следует отнести и процесс старения. Под старением применительно к стали следует понимать нагревы незакаленной стали, находящейся в неравновесном состоянии, для получения более стабильного состояния. Старение может быть термическим и деформационным.

Отпуск – одна из важнейших технологических операций термической обработки стали.

Мартенсит и остаточный аустенит – метастабильные фазы – и при длительной выдержке даже при комнатной температуре претерпевают распад. Повышение температуры резко ускоряет распад этих фаз и приводит к образованию ферритно-карбидной структуры. Превращения, протекающие при отпуске, а также снятие остаточных напряжений существенно изменяют свойства стали. В зависимости от требуемых свойств назначают следующие виды отпуска.

Низкий отпуск. В интервале температур до 350°С происходит распад мартенсита с выделением из него карбидов. В результате распада мартенсита образуется отпущенный мартенсит, представляющий собой обедненный углеродом мартенсит и частицы карбидов цементитного типа. При отпуске многих легированных и конструкционных, а также высокоуглеродистых сталей, имеющих повышенное количество остаточного аустенита, при температуре 200–300°С происходит его распад. В результате этого превращения остаточного аустенита в бейнит образуются те же фазы, что и при отпуске мартенсита при той же температуре, но структурное состояние этих фаз не такое, как у фаз, получаемых при превращении мартенсита.

Распад мартенсита при низком отпуске (150–250°С) углеродистых и легированных сталей уменьшает их склонность к хрупкому разрушению.

Низкотемпературный отпуск проводят в электропечах с принудительной циркуляцией воздуха, в масляных ваннах и в расплавленных солях. Жидкие среды обеспечивают быстрый и равномерный нагрев и более точное регулирование температуры.

Средний отпуск (300–500°С). После такого отпуска структура стали состоит из тонкой смеси феррита и цементита, имеющих форму, приближающуюся к сфероидальной. Такую структуру называют троостит отпуска.

Средний отпуск (350–400°С) средне- и высокоуглеродистых сталей обеспечивает высокие предел упругости, предел выносливости и большую релаксационную стойкость. Поэтому этот вид отпуска используют после закалки пружин. Температуру отпуска пружин из углеродистой стали в зависимости от требуемого предела прочности, предела упругости и вязкости обычно принимают равной 350–400°С.

Более высокие температуры отпуска наряду с повышенными упругими свойствами обеспечивают лучшие пластичность и вязкость и меньшую склонность к хрупкому разрушению.

Длительность отпуска устанавливают исходя из требований к механическим и упругим свойствам.

Охлаждение после отпуска при 400–450°С иногда проводят в воде, что способствует образованию на поверхности полезных сжимающих остаточных напряжений. Это увеличивает ограниченную долговечность и предел выносливости пружин.

Высокий отпуск (500–680°С). Повышение температуры отпуска выше 500°С в углеродистых и многих легированных сталях не ведет к изменению фазового состава по сравнению с составом после среднего отпуска. Однако с повышением температуры изменяется структура; происходит процесс коагуляции и сфероидизации карбидов и изменение субструктуры α-фазы. После высокого отпуска возникает структура, называемая сорбитом отпуска.

Как следствие процесса коагуляции карбидной фазы твердость, сопротивление отрыву, предел прочности, текучести и упругости понижаются, а пластичность и вязкость повышаются.

Закалка с высоким отпуском – термическое улучшение, применяемое главным образом для конструкционных сталей, позволяет получить высокие механические свойства – сочетание хорошей прочности с пластичностью. Улучшение значительно повышает конструкционную прочность стали, уменьшая чувствительность к концентраторам напряжений, увеличивая работу для пластической деформации при движении трещины и снижая температуру верхнего и нижнего порога хладноломкости.

Отпуск при 550–600°С в течении 1–2 ч почти полностью снимает остаточные напряжения, возникшие при закалке.

Следует учитывать, что отпуск может вызвать новые напряжения, если нагрев и особенно охлаждение были быстрыми. Поэтому режимы нагрева и охлаждения при отпуске регламентируют.