Отпуск и старение

Отпуском - процесс термической обработки, при ко­тором закаленная сталь нагревается ниже критической точки А_с1, выдерживается при этой температуре и затем охлаждается. В про­цессе отпуска уменьшаются или устраняются внутренние напря­жения, повышаются вязкость и пластичность стали, снижается ее твердость, улучшается структура.

При отпуске в стали происходят определенные структурные превращения. Первое превращение совершается при температурах 80-200 °С. Из раствора выделяется углерод, при этом исчезает иска­жение кристаллической решетки. Образующийся в процессе отпуска мартенсит, имеющий кубическую решетку, называют отпущенным. Второе превращение происходит при температурах 200-300 °С. Остаточный аустенит переходит в отпущенный мартенсит, кото­рый является менее напряженной структурой, чем мартенсит за­калки. И, наконец, третье превращение происходит при температу­рах 300-400 °С. В этот период завершается процесс выделения углерода из раствора, образуется цементит Fe₃C, одновременно уменьшаются внутренние напряжения в стали. При 400 °С сталь состоит из ферритно-цементитной смеси (троостит отпуска). При даль­нейшем повышении температуры начинается коагуляция — части­цы феррита и цементита разрастаются и приобретают округлую форму. Отпущенная при 350-500 °С сталь имеет структуру троостита, при 500-600 °С — структуру сорбита и при 600-700 °С — структуру перлита.

В зависимости от температуры нагрева различают три вида от­пуска — низкотемпературный, среднетемпературный и высоко­температурный.

Низкотемпературный (низкий) отпуск проводят с нагревом до 150-300 °С. Этот отпуск снижает внутренние напряжения в стали при сохранении высокой твердости (58-63 HRC_э). Его при­меняют преимущественно для инструмента из углеродистых и низколегированных сталей, а также для деталей, подвергаемых поверх­ностной закалке, цементации и нитроцементации, к которым предъяв­ляются высокие требования по твердости и износостойкости.

Среднетемпературный (средний) отпуск осуществляют при тем­пературах 350-500 °С. Целью этого отпуска является получение структуры троостита. Твердость закаленной стали при этом снижа­ется до 40-50 HRC_э, предел упругости достигает максимального значения. Среднему отпуску подвергают рессоры и пружины.

Высокотемпературный (высокий) отпуск проводят при темпе­ратурах 550-680 °С. Сталь при этом приобретает структуру сор­бита (сорбит отпуска). Твердость закаленной стали снижается до 250-350 НВ, прочность уменьшается в 1, 5-2 раза, пластичность и вязкость увеличиваются в несколько раз, внутренние напряже­ния полностью снимаются. Закалка с высоким отпуском называ­ется улучшением. Улучшенная сталь по сравнению с отожженной или нормализованной имеет более высокие показатели прочности, пластичности и вязкости. 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 др.), испытывающие большие нагрузки.

При отпуске некоторых легированных сталей в определенном интервале температур наблюдается резкое снижение ударной вяз­кости, возникает отпускная хрупкость. Чтобы избежать развития отпускной хрупкости, изделия, изготовленные из хромоникелевых и марганцовистых сталей, после высокого отпуска быстро охлаж­дают в масле или воде. С этой же целью сталь легируют молибде­ном или вольфрамом (не более 0, 6 %).

Температура отпуска и время выдержки зависят от марки стали, требований, предъявляемых к свойствам изделий из этой стали, и их массы. Отпуск закаленных изделий, особенно инструмента, рекомен­дуется проводить непосредственно после закалки в целях предотвра­щения образования трещин из-за возникших внутренних напряже­ний. При заниженных температурах отпуска или сокращении време­ни выдержки в стали сохраняется повышенная хрупкость, для устра­нения которой производят повторный отпуск. Повышенная температура отпуска приводит к снижению твердости и прочности. Эти недостатки устраняют отжигом изделий и повторной их закалкой с последующим отпуском. Температуру отпуска мож­но определить по цветам побежалости.

Рисунок 8.12 – Зависимость механических свойств стали 40 от температуры отпуска

На рисунке 8.12 показана зависимость механических свойств ста­ли 40 от температуры отпуска.

Старение — изменение свойств стали с течением времени без заметного изменения микроструктуры. В результате старения прочность и твердость повышаются, а пластичность и вязкость снижаются. Старение приводит к изменению размеров и коробле­нию изделий. Если старение производят при комнатной темпера­туре, его называют естественным, если при повышенной температуре, — искусственным. Старению подвергают станины станков, плун­жеры, калибры, скобы и другие изделия, размеры и геометрическая форма которых не должны изменяться в процессе их эксплуатации.

Известны два вида старения — термическое и деформацион­ное (механическое). Термическое старение происходит 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 этого старения длится 15 суток и более при комнатной температуре и всего несколько минут при температурах 200-350 °С.

Искусственное старение закаленных и отпущенных при низ­кой температуре изделий производят после предварительной меха­нической обработки при 100-180 °С с выдержкой в течение 18-35 ч и медленным охлаждением. Естественное старение осуществ­ляется на открытом воздухе под навесом, где на изделия воздей­ствуют температурные изменения, влажность и давление воздуха. Оно длится от 3 месяцев до 2 лет. Естественному старению под­вергают станины прецизионных станков, корпусные детали весь­ма ответственного назначения, рамы роялей и пианино. Его ре­зультатом является снижение внутреннего напряжения, стабили­зация размеров и геометрической формы изделий.