8.2.2. Отпуск

Отпуск является обязательной операцией, проводимой сразу же после закалки. Целями отпуска являются снятие внутренних (остаточных) напряжений, стабилизация структуры и размеров детали, получение требуемых механических свойств - повышение пластических характеристикδиψ при некотором снижении твёрдости HRCипрочностиσ_В.

Отпуск – диффузионный процесс, происходящий при нагреве заготовок всегда ниже температуры критических превращений А₁.

По температурному режиму различают отпуск низкий,среднийивысокий. Температура режима отпуска выбирается в соответствии с температурно-силовыми условиями эксплуатации деталей. Например, высокую работоспособность и долговечность, сопротивляемость износу силовых деталей передаточных механизмов (зубчатые колёса, валы), контактных пар (вал, вращающийся в подшипнике скольжения), работающих при значительных величинах нагрузок и небольших температурах, можно обеспечитьнизкимотпуском. Работоспособность штампового инструмента, работающего при значительных нагрузках и высоких температурах, можно обеспечитьвысокимотпуском.

Низкий отпускпроводится в интервале температур 150-250^оС. При этом уже начиная с температуры 80^оСначинается превращениемартенсита закалки(М_зак) вмартенсит отпуска(М_отп), часть углерода (но не весь) выделяется из мартенситной решётки. Уменьшается степень тетрагональности кристаллической решётки, повышается её стабильность, снижаются остаточные напряжения и хрупкость стали, снижается твёрдость на 1,5-2 единицыHRC. Этот режим отпуска рекомендуется для высокопрочных инструментальных и легированных сталей.

Средний отпускпроводится при температурах от 300 до 500^оС. При этом происходит дальнейшее выделение углерода из структуры мартенсита, дальнейшее снижение σ_ост, повышение вязкости металла при некотором снижении твёрдости (на 3-5 единицHRC). Структура М_закпревращается втроститотпуска(Т_отп). Этот режим отпуска рекомендуется для пружин, рессор, инструмента и других изделий, для которых в процессе эксплуатации необходимо иметь значительные прочность и упругость при достаточной вязкости металла.

Высокий отпускпроводится при температурах 500-600^оСи преследует цель дальнейшего (полного!) снятия остаточных (σ_ост) напряжений и стабилизации структуры. М_закраспадается с образованиемсорбитаотпуска(С_отп), чем обеспечивается оптимальное сочетание прочности и пластичности стали. В С_отп цементит приобретаетзернистуюформу в отличие от сорбита, полученного при нормализации (спластинчатой формой цементита). Благодаря этому происходят существенная стабилизация структуры и снижение твёрдости (на 5-8 единицHRC), существенно повышается вязкость металла, что приводит к повышению показателейKCU (KCV). Этот режим отпуска рекомендуется для деталей, изготовленных из среднеуглеродистых конструкционных и легированных сталей 35, 40, 45, 40Х, 40ХН и др. (шатуны двигателей внутреннего сгорания, инструмент для ковки и штамповки и др.). В практике машиностроения высокий отпуск обычно называютулучшением.

Структуры, образующиеся при отпуске закалённой стали по разным режимам, представлены на рис. 8.8.

а б в

Рис. 8.8. Изменение структуры мартенсита при отпуске (электронная микроскопия,

реплики, х10000):

а – мартенсит отпуска (низкий отпуск); б – тростит отпуска (средний отпуск);

в – сорбит отпуска (высокий отпуск)

У некоторых конструкционных сталей наблюдается снижение ударной вязкости (KCU) по завершении процесса термической обработки. Это явление называетсяотпускной хрупкостьюI и II рода.

Отпускная хрупкость I рода наблюдается при проведении отпуска закалённых заготовок из углеродистых и легированных сталей при температурах около 300^оС. Она зависит от скорости охлаждения и связана с неравномерностью превращений отпущенного мартенсита. Причины её появления таковы. Процесс превращений вблизи границ зёрен протекает быстрее в сравнении с объёмами внутри зёрен, поэтому вблизи границ создаётся концентрация напряжений, границы становятся хрупкими. Отпускная хрупкость I рода "необратима", т.е. при повторных нагревах тех же заготовок она в них не наблюдается.

Отпускная хрупкость II рода наблюдается у легированных сталей при медленном охлаждении после отпуска в области температур 450-650^оС. Существует несколько объяснений природы этого явления. Рассмотрим одно из них.

При высоком отпуске по границам зёрен происходит образование и выделение дисперсных включений карбидов, приграничная зона обедняется легирующими элементами. При последующем медленном охлаждении происходит восходящая диффузия фосфора из внутренних объёмов зёрен к границам. Приграничные зоны зёрен обогащаются фосфором, прочность границ снижается, а ударная вязкость падает. Возникновению и проявлению этого явления способствуют хром, марганец и фосфор (при содержании >0,001%). Снижению склонности к отпускной хрупкости II рода способствуют молибден и вольфрам (при содержании до 0,5%) и быстрое охлаждение после отпуска.

Отпускная хрупкость II рода "обратима", т.е. при повторном нагреве и медленном охлаждении тех же сталей в опасном интервале температур этот дефект может повториться. По этой причине стали, склонные к отпускной хрупкости II рода, нельзя использовать для изготовления деталей, работающих в нагретом до 650^оС состоянии без последующего быстрого охлаждения (например штампы для горячей штамповки).