§ 3.4. Отпуск и старение стали
Отпуском называется процесс термической обработки, при котором закаленная сталь нагревается ниже критической точки Ac1, выдерживается при этой температуре и затем охлаждается. Отпуск уменьшает или устраняет внутренние напряжения, повышает вязкость и пластичность, снижает твердость и улучшает структуру металла.
При отпуске стали происходят следующие превращения.
Первое превращение мартенсита — в интервале температур 80 – 200 °С происходит выделение углерода из раствора, и образующийся мартенсит называется отпущенным мартенситом.
Второе превращение мартенсита – в интервале температур 200 –300 °С остаточный аустенит превращается в отпущенный мартенсит.
Третье превращение мартенсита – в интервале температур 300 – 400 °С завершается процесс выделения углерода из раствора, образуется цементит FезС. Эти процессы сопровождаются уменьшением внутренних напряжений. При температуре 400 °С сталь состоит из феррито-цементитной смеси. При дальнейшем повышении температуры происходит коагуляция (укрупнение) частиц феррита и цементита. В результате сталь, отпущенная при 350 – 500 °С, имеет структуру троостита, при 500 – 600 °С – сорбита, при 600 – 700 °С – перлита.
В зависимости от температуры нагрева различают три вида отпуска.
Низкотемпературный (низкий) отпуск проводят с нагревом до 150 – 200 °С. Этот отпуск снижает внутренние напряжения при сохранении высокой твердости (HRC 58 – 63). Этот вид отпуска применяется в основном для инструмента из углеродистых и низколегированных сталей и деталей, подвергаемых поверхностной закалке, цементации и нитроцементации, к которым предъявляются высокие требования по твердости и износостойкости.
Среднетемпературный, (средний) отпуск проводят при температуре 350 – 500 °С для получения структуры троостита.
Твердость закаленной стали снижается до HRC 40 – 50. Предел упругости достигает максимальной величины. Средний отпуск в основном применяется для рессор и пружин.
Высокотемпературный (высокий) отпуск проводят при 550 – 680 °С. Структура в этом случае – сорбит отпуска.
В результате твердость закаленной стали снижается до НВ 250 – 350, прочность снижается в 1,5 – 2 раза, пластичность и вязкость увеличиваются в несколько раз, внутренние напряжения снимаются полностью.
Закалка с высоким отпуском называется улучшением. Улучшенная сталь по сравнению с отожженной или нормализованной имеет более высокие прочность, пластичность и вязкость. Улучшению подвергают изделия из конструкционных сталей марок: 40, 45, 40Х, 40ХНМ, 40ХМФ и др. (полуоси, коленчатые валы, шатуны, поворотные кулаки, рычаги, балки передних осей грузовых автомобилей, а также болты, гайки, винты и другие детали), испытывающие большие нагрузки.
При отпуске некоторых легированных сталей при определенных температурах наблюдается резкое снижение ударной вязкости, возникает отпускная хрупкость (рис. 3.8.).
0 150 300 450 600
Температура отпуска °С
Рис.3.8. Кривая изменения ударной вязкости хромоникелевой стали в зависимости от температуры отпуска. I – отпускная хрупкость первого рода, II – отпускная хрупкость второго рода
Чтобы избежать развития отпускной хрупкости, детали, изготовленные из хромоникелевых и марганцовистых сталей, после высокого отпуска необходимо охлаждать быстро в масле или воде. Для устранения склонности стали к отпускной хрупкости сталь легируют молибденом или вольфрамом (не более 0,6%).
Температура отпуска и время выдержки зависят от марки стали, требования к свойствам изделий и массы отпускаемых деталей. Отпуск закаленных деталей и особенно инструмента рекомендуется проводить непосредственно после закалки с целью предотвращения образования трещин из-за возникших внутренних напряжений.
При заниженных температурах отпуска или времени выдержки в стали сохраняется повышенная хрупкость, для устранения которой производится повторный отпуск.
При повышенной температуре отпуска чрезмерно понижаются твердость и прочность. Этот брак устраняется отжигом деталей и повторной закалкой с последующим отпуском. Температура отпуска часто определяется по цветам побежалости (см. табл. 1).
Старение – изменение свойств стали c течением времени без заметного изменения микроструктуры. В результате старения прочность и твердость повышаются, а пластичность и вязкость понижаются. Старение приводит к изменению размеров и короблению деталей и инструмента. Если старение протекает при комнатной температуре, то такое старение называется естественным, если при повышенной температуре, то такое старение называется искусственным.
Известны два вида старения стали – термическое и деформационное (механическое).
Термическое старение протекает в результате изменения растворимости углерода в α-железе в зависимости от температуры.
Деформационное старение протекает в сплаве, подвергнутом пластической деформации при температуре ниже температуры рекристаллизации. Процесс проходит в течение 15 суток и более при комнатной температуре и, в течение нескольких минут при 200 – 350 °С.
Искусственное старение закаленных и отпущенных при низкой температуре деталей и инструмента производится после предварительной механической обработки при температуре 100 – 180 °С с выдержкой в. течение 18 – 35 ч и медленном охлаждении. В результате снижаются внутренние напряжения и стабилизируются размеры.
Старению подвергают детали и инструменты, которые не должны менять форму и размеры в процессе эксплуатации, – станины станков, плунжеры, калибры, скобы и другие измерительные инструменты и детали точного машиностроения.