5.4.4. Отпуск закаленной стали

Целью отпуска является повышение вязкости и пластичности, уменьшение твердости, снижение внутренних напряжений закаленной стали. Отпуск является окончательной операцией термической обработки и заключается в нагреве до температуры ниже критической точки Ас₁, выдержке при этой температуре с последующим охлаждением (обычно на воздухе). Отпуск может быть низким, средним и высоким.

При низком отпуске (температура нагрева 150…250 С) из мартенсита закалки выделяется углерод и образует очень мелкие пластинки метастабильного карбида железа, называемого -карбидом, имеющего гексагональную решетку и химический состав, близкий к Fe₂C. Решетки мартенсита и пластинки -карбида имеют общие слои атомов по границам фаз, т. е. имеет место когерентность (соответствие) решеток. Образовавшийся в результате такого превращения мартенсит называется мартенситом отпуска и представляет собой смесь пересыщенного твердого раствора углерода в -железе и карбида, еще не отделившегося от решетки мартенсита.

Низкому отпуску подвергается в основном режущий и мерительный инструменты, а также машиностроительные изделия, которые должны иметь высокие твердость и износостойкость, но не подвергаемые существенным ударным и знакопеременным нагрузкам.

Средний отпуск проводится при температуре 350…450 С. Основное назначение – некоторое снижение твердости при значительном увеличении предела упругости. Такие свойства достигаются за счет полного распада мартенсита на феррито-цементитную смесь и одновременным превращением -карбидов в цементит Fe₃C. В результате образуется структура троостит отпуска – высокодисперсная феррито-цементитная смесь, в которой цементит имеет зернистое строение.

При высоком отпуске закаленная сталь нагревается до температуры 500…650 С. При этой температуре никаких новых превращений не происходит, но интенсивно протекают процессы сфероидации (скругления) и коагуляции (укрупнения) частиц цементита. В результате феррито-цементитная смесь становится более укрупненной, менее дисперсной, с зернистой формой частиц цементита. Структура, образованная в результате высокого отпуска, называется сорбитом отпуска и применяется для конструкционных сталей, детали из которых подвергаются воздействиям высоких напряжений и ударных нагрузок. Закалка с последующим высоким отпуском является основным видом термической обработки конструкционных сталей и называется улучшением.

При дальнейшем повышении температуры нагрева (650…700 С) образуется зернистый перлит, который является наиболее равновесной структурой. При одинаковых значениях временного сопротивления сталь, имеющая зернистую структуру, обладает большей пластичностью по сравнению со сталью, имеющей пластинчатую структуру.

5.5. Особенности закалки легированных сталей

В разделе 3.2.3. показано влияние легирующих элементов на структуру и свойства сталей. Не менее существенное влияние они оказывают и на фазовые превращения при нагреве и охлаждении.

Почти все легирующие элементы изменяют температуры полиморфных превращений железа и оказывают влияние на растворимость углерода в аустените. Некоторые легирующие элементы способны взаимодействовать с углеродом, азотом, а также между собой, образуя интерметаллиды.

При введении в сталь небольшого количества карбидообразующих элементов (десятые доли процента или 1…2 % для слабых карбидообразователей) образования карбидов этих элементов, как правило, не происходит. В этом случае атомы легирующих элементов частично замещают атомы железа в решетке цементита. Образуется легированный цементит, который по свойствам не отличается от обычного цементита. Марганец не образует карбидов при любом его содержании.

Сильные карбидообразователи (Мо, W, V, Nb, Ti) создают с углеродом фазы внедрения. При этом чаще всего карбиды имеют формулу МеС или Ме₂С. Такие фазы отличаются очень высокой тугоплавкостью, практически не растворяются в аустените. К примеру, для растворения таких карбидов, как TiC, NbC, WC сталь необходимо нагревать до температуры ~1300 С.

Промежуточное положение по карбидообразующей способности занимает хром. В низко- и среднелегированных сталях он образует карбид Cr₇C₃, а в высоколегированных – Cr₂₃C₆. Карбиды хрома могут растворять железо и легирующие элементы стали в большом количестве. Поэтому часто в общем виде формулы этих карбидов записываются как Ме₇C₃ и Ме₂₃C₆.

При введении хрома с молибденом и вольфрамом фазы внедрения (МоС, WC) не образуются, а вместо них возникают сложные карбиды, содержащие хром, молибден, вольфрам и железо с формулой Ме₆С, которые растворимы в аустените. Однако, для их растворения требуются еще более высокие температуры и более длительные выдержки, чем для растворения карбидов хрома.

Итак, в зависимости от наличия в легированных сталях тех или иных легирующих элементов и их количества, могут быть следующие типы карбидов: хорошо растворимые в аустените – Ме₃С; труднорастворимые – Ме₇С₃, Ме₂₃C₆, Ме₆С и почти нерастворимые – МеС.

В связи с отмеченным, закалка и отпуск легированных сталей имеют ряд особенностей. Температура нагрева под закалку обычно выше, чем у углеродистых сталей. Диффузионные процессы протекают медленнее, что требует более длительной выдержки как нагретой до аустенитного состояния стали, так и при температуре отпуска, которая также выше температуры отпуска углеродистой стали.

Из-за пониженной теплопроводности легированных сталей они нагреваются и охлаждаются более медленно. Закалка обычно производится в масле.

Все легирующие элементы затрудняют процесс распада мартенсита при нагреве. Поэтому структура отпущенного легированного мартенсита может сохраняться при температурах 400…600 С. При одинаковой температуре отпуска прочность и пластичность легированных сталей выше, чем углеродистых.

Контрольные вопросы

1. Что называется термической обработкой сталей?

2. Какие существуют основные виды термической обработки сталей?

3. Какие превращения происходят в стали при ее нагреве?

4. Что представляет собой перлитное превращение аустенита при его охлаждении?

5. Что называется диаграммой изотермического распада аустенита? Какое ее практическое значение?

6. Что называется мартенситом? Каковы условия его образования и свойства?

7. Что такое отжиг стали, его виды и технология?

8. Приведите назначение, виды и технологию закалки. Назовите способы закалки. Какова структура закаленной эвтектоидной стали.

9. Приведите назначение и виды отпуска закаленной углеродистой стали, технологию отпуска.

10. Приведите назначение и технологию нормализации.

11. В чем влияние легирующих элементов на фазовые превращения сталей? Каковы особенности закалки легированных сталей?