8.1 Разновидности отпуска и старения

В практике термической обработки кроме рассмотренных выше видов старения и отпуска применяются еще следующие: отпуск под нагрузкой, отпуск после шлифования, стабилизационное старение. Отпуск под нагрузкой используется для деталей малой и весьма малой жесткости, которые практически всегда при закалке получают коробление и деформацию. Наиболее часто такой отпуск применяется для цилиндрических пружин, когда их отпускают с применением оправок. Закаленные без оправки пружины, что обеспечивает их сквозную прокаливаемость, одевают на трубчатую оправку, длина которой равна свободной высоте пружины. С учетом допуска на усадку пружины после обжатия на оправке зажимают клином и в таком состоянии проводят отпуск. После отпуска пружины приобретают требуемую геометрическую форму, выход годных изделий составляет 100%.

Аналогично устраняют коробление пластинчатых круглых дисков посевных и почвообрабатывающих машин, диски сцепления и т.п. детали. В этом случае правку совмещают с отпуском, который выполняют на электрческих прессах. Детали после закалки помещают между обогреваемыми плитами пресса и проводят отпуск под нагрузкой при заданной температуре.

Циркулярные пилы для резания дерева отпускают зажатыми в струбцинах. Аналогичные приспособления используются и при отпуске деталей точных приборов. Такой процесс, совмещающий отпуск и правку, называют терморихтовкой.

Отпуск после шлифования выполняется для деталей машин и точных приборов со значительной глубиной шлифовки. Шлифуемость явялется важнейшим технологическим свойством инструментальных сталей и материалов, используемых в точном приборостроении, так как во многом определяет качество готового изделия. Стоимость шлифования может достигать 50-60% от стоимости готовой детали, тогда как стоимость материала и термической обработки не превышает 10-20 %.

Тонкий поверхностный слой при шлифовании нагревается, и в отдельных участках, сильно разогретых, происходит распад мартенсита с образованием троостита и превращение остаточного аустенита (участки прижога).

Твердость таких участков снижается до 55-57 HRC, образуются мягкие пятна, что ведет к нестабильности свойств изделий. Кроме того, превращение аустенита в зоне шлифования создает на поверхности растягивающие напряжения, которые облегчают образование трещин. Для их предупреждения необходимо немедленно провести отпуск при температуре 120-150 °С с выдержкой 2-3 ч для нетеплостойких сталей и при 350-400 °С в течение 30-60 мин для большинства теплостойких сталей. Мерительный инструмент, работающий при комнатной температуре, проходит кратковременный отпуск при 100-120 °С, 1-2 ч.

Стабилизационное старение относится к стабилизирующей размеры изделий термической обработке, которую проходят стальные и чугунные детали с целью обеспечения постоянства их формы и размеров при длительной работе, хранении, транспортировке, а также при изготовлении. Этот вид старения занимает особое место при изготовлении в приборо- и станкостроении при изготовлении мерительного инструмента, когда кроме свойств изделий требуется стабильность формы и размеров изделий.

Основные изменения размеров вызывает нестабильность структуры материалов. Наименьшей стабильностью отличается сталь со структурой мартенсита и остаточного аустенита. Распад мартенсита происходит за счет обеднения его углеродом и сопровождается выделением карбидов, что ведет к уменьшению размеров деталей. Распад остаточного аустенита на ферритокарбидную смесь способствует увеличению размеров. При наличии в структуре деталей этих фаз необходимо проведение стабилизационной термической обработки. Так, если изделие работает при комнатной температуре, то для обеспечения постоянства размеров достаточно провести низкотемпературный отпуск при 140-150 °С в течение 2-4 ч. Если температуры эксплуатации изделий повышенные, то мартенситную структуру стабилизируют термической обработкой путем отпуска, температура которого на 50-100 °С превышает рабочую.

Обработка при 150°С стабилизирует структуру мартенсита, но не влияет на аустенит остаточный, так как его распад начинается при нагреве выше 200 °С. Однако, нагрев выше 200 °С снижает твердость и прочность закаленных деталей, и если это недопустимо, то для уменьшения количества остаточного аустенита проводят обработку холодом при температуре – 70 °С.

Обработка холодом выполняется сразу после закалки на мартенсит перед отпуском. Хорошие результаты обеспечивает сочетание обработки холодом с продолжительным низким отпуском (24-48ч), или при кратковременном отпуске (2-3 ч) эти операции повторять несколько раз, то есть провести термоциклирование от 2 до 6 раз. На практике такая термоциклическая обработка выполняется для измерительного инструмента и измерительных плиток, изготовленных из сталей 40Х13.

Эффективным способом обеспечения постоянства размеров является релаксационная обработка, заключающаяся в одновременном нагреве и деформации изделий. Такая обработка создает в деталях микропластическую деформацию, обеспечивает процессы отпуска и возврата, что создает в них сжимающие напряжения. Например, проведение релаксационной обработки на стали 50ХФА после закалки и отпуска, обеспечивающих требуемые свойства на деталях, позволило повысить предел упругости стали на 20-30%. При этом релаксационная обработка состояла в нагреве до 250-300 °С с одновременным нагружением детали до напряжения, равного условному пределу текучести (σ_0,05).

Дорекристаллизационный отжиг проводится при температурах, стабилизирующих дислокационную структуру, без ее существенного изменения, ведущего к разупрочнению, а именно, на стадии возврата или полигонизации. Такая обработка выполняется не только для холоднодеформированного металла, но и после механической обработки или наклепа поверхности.

Крупногабаритные чугунные детали корпусов станков, прессов с целью сохранения постоянной формы и размеров при изготовлении, транспортировке, а также и при длительной работе проходят следующие виды обработки:

1. Отжиг, уменьшающий напряжения, при температуре 450-700°С, выполняется на заготовках или после черновой механической обработки;

2. Отпуск стабилизирующий при 140-160°С проводится после или между операциями механической обработки при температуре на 20-30 °С ниже отпуска, обеспечивающего требуемые свойства изделий;

3. Обработка холодом проходит сразу после закалки в интервале от 30 до – 80°С перед окончательным отпуском, формирующим заданные свойства;

4. Литые базовые детали станков из серого чугуна отжигаются при низких температурах 540-580 °С, с выдержкой 2-6 ч с охлаждением в печи до ~200 °С и затем на воздухе.

Режимы и последовательность стабилизирующей обработки зависят от жесткости и точности деталей.

Контрольные вопросы

1. Известны различные виды отпуска после закалки сталей. Укажите вид отпуска, структуру и твердость стали, если температура отпуска равна 550 ºС.

2. Одной из разновидностей отпуска является отпуск под нагрузкой.

Укажите его цель, явление (эффект), лежащий в его основе, и температуру.

3. Для инструментов и деталей, подвергаемых шлифованию, проводится отпуск после такой обработки. Укажите какие структурные изменения происходят.

4. Назовите структурные изменения, происходящие при шлифовании сверл из быстрорежущей стали и при последующей термообработке. Деталь относится к категории изделий высокой точности. Предложите технологию стабилизирующей обработки.

5. Укажите цель стабилизирующей обработки, от чего зависят режимы и последовательность такой обработки.