Отпуск стали после закалки: виды, этапы и цвета

О чем речь? Отпуск стали после закалки – финишный этап металлообработки. Благодаря ему у изделия улучшаются технические характеристики. Отпуск осуществляется под воздействием высоких температур с дальнейшим охлаждением.

Что учесть? Отпуск бывает трех видов в зависимости от температуры. В ходе нагрева металл становится определенного цвета, который тоже имеет большое значение: подтверждает успешность операции или указывает на некачественную сталь.

Что такое отпуск стали после закалки

Отпуск стали — это обычно конечная термообработка после закалки. Она заключается в нагреве изделий или заготовок до определенной температуры и дальнейшем охлаждении.

Роль этой процедуры — устранение внутреннего напряжения, оказывающего отрицательное влияние на технические характеристики изделий из металла.

Стадии отпуска стали после закалки:

• нагревание сплава до температуры, при которой начинают происходить фазовые превращения;
• выдержка при необходимой температуре;
• охлаждение с заданной скоростью.

На скорость охлаждения влияет состав сплава и то, какой результат планируется получить:

• быстрое охлаждение после нагрева до 550 – 650 °С приводит к увеличению предела выносливости стали, благодаря тому что в приповерхностном слое сохраняются остаточные напряжения сжатия;
• медленное охлаждение металлических изделий сложной конфигурации после отпуска позволяет предотвратить коробление;
• полуфабрикаты из легированных сталей отличаются отпускной хрупкостью, поэтому их после отпуска при температуре 550 – 650 °С охлаждают в ускоренном режиме.

Различают три вида отпуска стали (в зависимости от режима нагрева).

Виды отпуска стали после закалки

Низкий отпуск

Это отпуск стали после закалки при температуре 150 – 250 °С. Такой режим приводит к исчезновению структурных напряжений и частичному распаду мартенсита. В итоге прочность и ударная вязкость возрастают, а твердость остается неизменной.

Материал после такого отпуска является неустойчивым к сильному динамическому воздействию, кроме изделий, у которых сохраняется мягкая сердцевина (при частичном закаливании).

Сфера использования:

• Измерительный и режущий инструмент из стали углеродистых и низколегированных марок.
• Изделия, подвергшиеся специальной обработке: цементации, цианированию, нитроцементации.

Также путем низкотемпературной обработки проводится старение изделий для сохранения их формы, свойств и объема. Оно бывает:

• Искусственным (при температуре 120 – 150 °С) — изделия помещаются в ванну и находятся там 1,5-3 суток.
• Естественным (происходит в комнатной атмосфере) — достижение требуемых показателей происходит за три и более месяца.

Старение присуще низкоуглеродистым маркам, благодаря выделению избыточных нитридов и карбидов повышается устойчивость к холодовому охрупчиванию и усталости.

Средний отпуск

Это отпуск стали после закалки в режиме 300 – 500 °С. При этом полигонизация и рекристаллизация происходят более быстро, чем при низкотемпературном воздействии, а остаточные напряжения практически полностью исчезают.

В результате обработки возрастают упругость, устойчивость к усталости, пластичность, а твердость и прочность становятся ниже.

Такой режим отпуска применяется для штампов, рессор, пружин, изделий, устойчивых к периодическим динамическим нагрузкам.

Сложности в использовании данной технологии получения материалов связаны с преодолением критических точек, в которых появляется отпускная хрупкость. Это:

• 250 – 400 °С (I род, необратимый) — характерен для сплавов, легированных хромом, магнием и никелем. В результате неоднородного выделения карбидов материал становится непригодным к применению.
• 500 – 550 °С (II род, обратимый) — низкая скорость охлаждения сплавов с большим процентом лигатур приводит к тому, что карбиды, нитриды и фосфиды выпадают к границам зерен. Эти включения провоцируют ухудшение характеристик прочности. Вопрос решается путем быстрого охлаждения и введения малых количеств молибдена или вольфрама.

Благодаря термической обработке в ванне с водой на поверхности возникают сжимающие усилия, что повышает сопротивляемость пружин к нагрузкам.

Высокий отпуск

Кроме низкого и среднего отпуска стали после закалки существует высокий отпуск. Нагреваясь до 500 – 650 °С, металл приобретает структуру отпускного сорбита — это самое оптимальное сочетание характеристик прочности и предела текучести.

В результате обработки происходят полигонизация и полная углеродная диффузия, возрастает предел выносливости и восприимчивости к концентраторам напряжений.

Ключевое качество улучшаемых сталей — это прокаливаемость. Из сплавов с низкой способностью можно производить только изделия с малым сечением. Требуемых характеристик без легирования получить нельзя.

Для равномерного прогревания в сплавы вводятся компоненты, которые при температуре закалки не связываются в интерметаллические или карбидные соединения: ванадий, хром, кремний, вольфрам, молибден, никель, марганец.

Сводная таблица отпуска стали после закалки

Режимы отпуска стали 45 после закалки приведены в таблице:

Цвета отпуска стали после закалки

Изделия из металла при нагревании окисляются, в результате чего на их поверхности появляются разные цвета, которые говорят о температуре отпуска.

Оттенки могут изменяться от светло-желтого до синего разной интенсивности. Полный перечень цветов, образующихся при разной температуре, приведен в таблице:

Но не всегда эти цвета могут точно сказать о температуре отпуска. Итоговый оттенок зависит и от других параметров (обработки поверхности, легирующих компонентов, времени отпуска, атмосферы). Например, стали, устойчивые к коррозии, меньше окисляются, поэтому определенный цвет отпуска у них возникает при более сильном нагреве, чем у их аналогов, более подверженных коррозии.

Поэтому данную таблицу не стоит использовать для точного определения температуры отпуска стали после закалки. Эти цвета являются просто индикатором, позволяющим оценить температуру поверхности изделия в процессе отпуска.

Отпускная хрупкость стали

Все известные сплавы из стали могут приходить к состоянию, в котором устойчивость металла ко всем видам нагрузок теряется. Это связано с очень низкими параметрами ударной вязкости. Необратимые процессы (хрупкость I рода) начинаются при температуре 250 – 400 °С. При распаде мартенсита на границах зерен образуются карбидные пленки. При дальнейшем нагреве они разрушаются, но при остановке и возобновлении термомеханической обработки изменения структуры уже не происходит.

Отпускная хрупкость II рода, которая возникает из-за низкой скорости охлаждения, также вызывает критическое падение ударной вязкости, но после повторного отпуска происходит восстановление свойств металла.

Поскольку в современном производстве материалы улучшают до достижения предельных значений параметров, хрупкие разрушения очень сильно препятствуют прогрессу и развитию. Марганец, хром, кремний, никель и другие легирующие элементы, которые вводятся в сплав для повышения прочности, увеличивают чувствительность к критическим состояниям. Сталь, легированная хромом и не содержащая иных добавок, такого свойства лишена.

Отпуск стали после закалки в домашних условиях

Термообработка является сложным технологическим процессом, который требует многоуровневого контроля. Однако количество кустарных производств ножей для коллекций и других уникальных изделий постоянно растет.

Закалку и отпуск стали в домашних условиях выполняют в том же порядке, что и в промышленности:

• закаливание;
• отпуск;
• охлаждение.

У режущих инструментов обработку проходят только режущие поверхности, а остальные элементы остаются закаленными. Некоторые сплавы изготавливаются только с использованием многоэтапной закалки. Обычно мастера проводят работы на глаз и не применяют опасные реагенты и соединения. При закалке под воздействием температуры изделие краснеет или приобретает вишневую окраску, после чего его охлаждают в масле или соляном растворе.

После устранения окислов и различных загрязнений изделие снова нагревают. Режим нагрева определяется химическим составом сплава. Процедуру проводят в муфельной печи, поскольку кузнецы обладают интуитивными знаниями, которые формировались десятилетиями.

Часто задаваемые вопросы об отпуске стали после закалки

Как правильно провести отпуск закаленной стали?

Процедуру нужно выполнять непосредственно после закалки, так как на детали могут появиться трещины из-за больших остаточных напряжений. Если режим отпуска нарушить (плохо нагреть или недостаточное время выдержать), произойдет «недоотпуск» и изделие останется хрупким. Чтобы такой недостаток устранить, проводят повторный отпуск.

Какие преимущества имеет отпуск стали после закалки и для чего он нужен?

Преимущества:

• Увеличение гибкости и пластичности.
• Уменьшение хрупкости.
• Регулировка повышенной твердости до необходимых параметров.
• Увеличение прочности металла за счет улучшения кристаллической структуры.
• Минимизация внутреннего напряжения, которое сохраняется после предшествующей термической обработки, что позволяет предотвратить водородное охрупчивание.
• Повышение устойчивости к износу как внутри заготовок, так и в их верхних слоях.
• Повышение степени формуемости и обрабатываемости, чтобы в дальнейшем было легче проводить обработку.
• Увеличение вязкости.
• Увеличение скорости обработки по сравнению с отжигом.

Для какой стали можно проводить отпуск?

Различные виды отпуска можно использовать только для работы с изделиями из сплавов, в которых углеродистость составляет не более 0,7 %, например, после закалки проводят отпуск стали 40х. Инструментальные стали, в которых углерода содержится больше указанного значения, обычно обрабатывают другими способами.

Применение изделий, подвергшихся отпуску, в строительстве и промышленности со временем будет только расти, поскольку технологии все время развиваются и человечество учится изготавливать все более сложные конструкции.