Рубрика: Термическая обработка
Закаленная сталь обладает высокой твердостью, но в таком состоянии она хрупкая, напряженная и нестабильная по размерам. Деталь, которую оставили после закалки без дальнейшей обработки, может треснуть при первом ударе, а иногда и просто на складе. Отпуск — это нагрев закаленной стали ниже критических точек с выдержкой и последующим охлаждением. Он снимает внутренние напряжения, повышает вязкость и позволяет точно настроить твердость под условия работы детали. Ниже — подробно о том, как устроен отпуск, какие его виды применяют и как выбрать режим.
После закалки структура стали состоит из мартенсита и некоторого количества остаточного аустенита. Мартенсит — пересыщенный углеродом твердый раствор с сильно искаженной решеткой. Именно это искажение дает твердость, но оно же приводит к высоким микронапряжениям. К ним добавляются макронапряжения, вызванные неравномерным охлаждением поверхности и сердцевины и увеличением объема при мартенситном превращении.
Последствия отказа от отпуска:
Поэтому отпуск рассматривают не как отдельную необязательную услугу, а как обязательную вторую половину закалки. Чем раньше он проведен, тем ниже риск трещин: для большинства сталей рекомендуют начинать отпуск не позднее нескольких часов после закалки.
При нагреве закаленной стали протекает несколько последовательных процессов, и от температуры зависит, какие из них успеют пройти.
Из мартенсита начинают выделяться мельчайшие карбиды, решетка частично разгружается. Твердость снижается незначительно — на 1–3 единицы HRC, — зато заметно уменьшаются напряжения. Такой мартенсит называют отпущенным.
Распадается остаточный аустенит, превращаясь в структуру, близкую к отпущенному мартенситу. Размеры детали стабилизируются. В этом же интервале у многих сталей проявляется необратимая отпускная хрупкость первого рода, поэтому для ответственных деталей отпуск при 250–350 °C назначают с осторожностью.
Мартенсит превращается в троостит отпуска — смесь феррита и очень дисперсных карбидов. Твердость снижается до 40–50 HRC, а предел упругости достигает максимума. Это область среднего отпуска для пружин и упругих элементов.
Карбиды укрупняются, формируется сорбит отпуска. Прочность снижается, а пластичность и ударная вязкость существенно растут. Сочетание закалки и такого отпуска называют улучшением — это базовый режим для валов, осей, шатунов, крепежа и других нагруженных деталей из конструкционных сталей.
На практике выделяют три основных вида отпуска по температуре. Выбор определяется не маркой стали как таковой, а тем, что требуется от детали: максимальная твердость и износостойкость, упругость или сочетание прочности и вязкости.
| Вид отпуска | Температура, °C | Структура | Типичная твердость | Применение |
|---|---|---|---|---|
| Низкий | 150–250 | Отпущенный мартенсит | 58–64 HRC | Режущий и мерительный инструмент, подшипники, цементованные детали, штампы холодного деформирования |
| Средний | 350–500 | Троостит отпуска | 40–50 HRC | Пружины, рессоры, мембраны, упругие шайбы, ударный инструмент |
| Высокий | 500–680 | Сорбит отпуска | 22–35 HRC | Валы, оси, шестерни под последующее упрочнение, крепеж, корпусные нагруженные детали |
Основная цель — снять напряжения при минимальной потере твердости. После низкого отпуска инструмент из У10А, 9ХС или ХВГ сохраняет 59–63 HRC, а напряжения снижаются настолько, что исчезает риск самопроизвольного растрескивания. Цементованные и нитроцементованные детали также обязательно проходят низкий отпуск.
Обеспечивает высокий предел упругости и выносливости. Для пружинных сталей 65Г, 60С2А, 50ХФА это основной режим. Твердость получается такой, чтобы пружина работала в упругой области и не давала остаточной деформации, но при этом не была хрупкой.
Дает лучшее сочетание прочности и вязкости. Улучшенная сталь 40Х после закалки и отпуска при 550–600 °C имеет твердость порядка 28–32 HRC, легко обрабатывается резанием и надежно работает при переменных и ударных нагрузках. Высокий отпуск часто выполняют как предварительную обработку перед поверхностной закалкой ТВЧ или азотированием.
В чертеже обычно указывают диапазон твердости, а не температуру отпуска. Технолог подбирает температуру по отпускным диаграммам конкретной стали, учитывая твердость после закалки, сечение и требования к вязкости. Ориентировочные значения для распространенных марок:
| Марка | Требуемая твердость, HRC | Ориентировочная температура отпуска, °C |
|---|---|---|
| 45 | 40–45 | 380–420 |
| 45 | 28–32 | 540–580 |
| 40Х | 45–50 | 300–350 |
| 40Х | 30–35 | 520–560 |
| 65Г | 44–48 | 400–440 |
| У8А | 56–60 | 200–250 |
| 9ХС | 60–62 | 160–200 |
| Х12МФ | 58–61 | 180–220 |
Значения ориентировочные: фактическая твердость зависит от плавки, исходной структуры и полноты закалки. Для серийных деталей режим уточняют на пробных образцах или первой партии, после чего фиксируют в технологической карте.
Процессы отпуска зависят не только от температуры, но и от времени. Для низкого отпуска инструмента выдержка обычно составляет 1–2 часа, для высокого отпуска конструкционных деталей — от 1 до 3 часов в зависимости от сечения и садки. Слишком короткий отпуск не снимает напряжения полностью, особенно в сердцевине массивных деталей. Принцип простой: деталь должна прогреться по всему сечению, после чего начинается отсчет выдержки.
После низкого и среднего отпуска детали, как правило, охлаждают на воздухе. После высокого отпуска легированных сталей, склонных к обратимой отпускной хрупкости второго рода (хромистые, хромомарганцевые, хромоникелевые марки), охлаждение ведут ускоренно — в масле или воде, — чтобы не допустить снижения ударной вязкости. Альтернатива — использование сталей с молибденом или вольфрамом, которые менее склонны к этому виду хрупкости.
У многих сталей ударная вязкость меняется с ростом температуры отпуска не монотонно. Существуют два опасных интервала.
Знание этих особенностей объясняет, почему в чертеже на вал из 40ХН иногда указывают не только твердость, но и требования к ударной вязкости, а в технологии прописывают охлаждение после отпуска в масле.
Быстрорежущие стали Р6М5, Р18 и высокохромистые штамповые стали после высокотемпературной закалки содержат значительное количество остаточного аустенита — до 20–30 %. При однократном отпуске он превращается не полностью, а образовавшийся при охлаждении свежий мартенсит сам нуждается в отпуске. Поэтому применяют двух- или трехкратный отпуск.
Нагрев до 550–570 °C, выдержка около часа. Из аустенита выделяются карбиды, он становится менее устойчивым и при охлаждении частично превращается в мартенсит.
Повторный нагрев отпускает свежий мартенсит и продолжает превращение остаточного аустенита. Твердость растет за счет вторичного твердения.
Завершает превращение и снимает напряжения. После него быстрорежущая сталь стабильно имеет 63–65 HRC и требуемую красностойкость.
Между отпусками деталь охлаждают до комнатной температуры: превращение аустенита идет именно при охлаждении. Для прецизионного инструмента иногда добавляют обработку холодом перед отпуском, что сокращает число циклов.
Термин «отпуск» используют и для низкотемпературной обработки деталей, которые не закаливались. Сварные конструкции, детали после интенсивной механической обработки, правки или холодной деформации нагревают до 550–650 °C и медленно охлаждают. Это снимает остаточные напряжения, уменьшает последующее коробление и снижает риск растрескивания. Для точных деталей такую операцию полезно включать между черновой и чистовой механической обработкой — тогда окончательные размеры остаются стабильными.
Основной показатель — твердость. Ее измеряют на зачищенной площадке в зоне, оговоренной чертежом. Для серий выполняют выборочный контроль, для ответственных деталей — сплошной. Дополнительно, если это требуется документацией, проверяют:
Результаты фиксируют в протоколе, который передается заказчику вместе с партией. Термообработку и последующую доводку деталей выполняет наша служба термической обработки.
Отпуск — обязательный этап после закалки, без которого деталь остается хрупкой, напряженной и нестабильной по размерам. Низкий отпуск сохраняет твердость инструмента и износостойких деталей, средний обеспечивает упругость пружин, высокий в сочетании с закалкой дает улучшенную структуру с оптимальным балансом прочности и вязкости. Температуру отпуска подбирают по требуемой твердости и марке стали, учитывая интервалы отпускной хрупкости, а для быстрорежущих и высоколегированных сталей применяют многократный отпуск. Правильно назначенный и своевременно выполненный отпуск — это гарантия того, что деталь отработает свой ресурс без внезапных разрушений.
Если вам нужна закалка с отпуском на заданную твердость, улучшение заготовок или снятие напряжений перед чистовой обработкой, отправьте чертеж и требования — подберем режим и выполним полный цикл.
