Отпуск стали: виды и характеристика, особенности технологии и отпускная хрупкость, термообработка сплавов

Характерным примером финальной обработки металла является отпуск стали. Он представляет собой нагрев детали на определенное время с медленным остыванием. Это помогает устранить внутренние дефекты сплава, которые негативно влияют на устойчивость, прочность, пластичность. Но какие дефекты помогает устранить этот способ термической обработки? Можно ли выполнить отпуск стали в домашних условиях? Правда ли, что в случае неправильного нагрева можно ухудшить физические свойства металла?

Описание процесса

Отпуск стали (ОС) — это разновидность термической обработки, при которой происходит постепенный нагрев металла с последующим его остыванием. В большинстве случаев отпускную процедуру выполняют на заключительном этапе сразу же после закалки. ОС может выполняться как до, так и после формирования детали из стального полуфабриката. Позволяет устранить внутренние напряжения внутри металла, которые негативно влияют на его физическую структуру, свойства.
Внутренние напряжения на химическом уровне — это нарушения кристаллической структуры металла. Из-за них происходит неравномерное распределение углерода, легирующих добавок по металлическому сплаву. Отпуск позволяет перераспределить эти элементы более равномерно. Это улучшает физико-химические свойства материала (пластичность, прочность, сохранение формы, химическая инертность). Нагрев осуществляется с помощью специальных печей в защитной среде (масляные, селитровые или щелочные ванны). Способ охлаждения деталей после нагрева — воздушный (обычно) или жидкостной (редко).

Качество отпуска стали зависит от следующих физических параметров термической процедуры:

• Температура нагрева. ОС может выполняться при температурах от 100 до 700 градусов, а чем выше будет температура нагрева, тем выше лучше будет качество обработки. Объясняется эта зависимость тем, что при более высоких температурах происходит более глубокое изменение структуры кристаллической решетки. В основном за счет процессов полигонизации, рекристаллизации.
• Длительность нагрева. Длительность ОС обычно составляет от 1 до 3 часов, хотя существуют и более длительные форматы. Все основные процессы в материале проходят в первые 20-40 минут. Дополнительная выдержка нужна для равномерного распределения атомов углерода, железа, легирующих добавок по всей толщине материала.
• Скорость остывания. Здесь правило предельно простое — чем медленнее будет проходить остывание, тем выше будет качество материала. Чтобы замедлить остывание, металлурги используют различные уловки, хитрости. Главная хитрость — это помещение материала в масляную, селитровую или щелочную среду, которая замедляет остывание материала. Теоретически остывание можно выполнять и без применения жидкостных сред, однако скорость остывания будет высокой, что негативно скажется на качестве ОС.

Охлаждающие жидкости

Основной охлаждающей жидкостью для стали является вода. Если в воду добавить небольшое количество солей или мыла, то скорость охлаждения изменится. Поэтому ни в коем случае нельзя использовать закалочный бак для посторонних целей (например, для мытья рук). Для достижения одинаковой твердости на закаленной поверхности необходимо поддерживать температуру охлаждающей жидкости 20 – 30 градусов. Не следует часто менять воду в баке. Совершенно недопустимо охлаждать изделие в проточной воде.

Недостатком водяной закалки является образование трещин и коробления. Поэтому таким методом закаливают изделия только несложной формы или цементированные.

• При закалке изделий сложной конфигурации из конструкционной стали применяется пятидесятипроцентный раствор соды каустической (холодный или подогретый до 50 – 60 градусов). Детали, нагретые в соляной ванне и закаленные в этом растворе, получаются светлыми. Нельзя допускать, чтобы температура раствора превышала 60 градусов.

Режимы
Пары, образующиеся при закалке в растворе каустика, вредны для человека, поэтому закалочную ванну обязательно оборудуют вытяжной вентиляцией.

• Закалку легированной стали производят в минеральных маслах. Кстати, тонкие изделия из углеродистой стали также проводят в масле. Главное преимущество масляных ванн заключается в том, что скорость охлаждения не зависит от температуры масла: при температуре 20 градусов и 150 градусов изделие будет охлаждаться с одинаковой скоростью.

Следует остерегаться попадания воды в масляную ванну, так как это может привести к растрескиванию изделия. Что интересно: в масле, разогретом до температуры выше 100 градусов, попадание воды не приводит к появлению трещин в металле.

Недостатком масляной ванны является:

1. выделение вредных газов при закалке;
2. образование налета на изделии;
3. склонность масла к воспламеняемости;
4. постепенное ухудшение закаливающей способности.

• Стали с устойчивым аустенитом (например, Х12М) можно охлаждать воздухом, который подают компрессором или вентилятором. При этом важно не допускать попадания в воздухопровод воды: это может привести к образованию трещин на изделии.
• Ступенчатая закалка выполняется в горячем масле, расплавленных щелочах, солях легкоплавких.
• Прерывистая закалка сталей в двух охлаждающих средах применяется для обработки сложных деталей, изготовленных из углеродистых сталей. Сначала их охлаждают в воде до температуры 250 – 200 градусов, а затем в масле. Изделие выдерживается в воде не более 1 – 2 секунд на каждые 5 – 6 мм толщины. Если время выдержки в воде увеличить, то на изделии неизбежно появятся трещины. Перенос детали из воды в масло следует выполнять очень быстро.

Сварка автомобиля своими руками — нелегкая задача, но выполнимая. Вам нужно быстро и качественно нарезать металл? Воспользуйтесь плазменной резкой! Как правильно ее выполнять, читайте в этой статье.

Если вас интересует, как сделать токарную обработку металлических изделий, читайте статью по https://elsvarkin.ru/obrabotka-metalla/tokarnaya-obrabotka-metalla-obshhie-svedeniya/ ссылке.

Виды отпуска стали

Главный технический параметр ОС — это температура нагрева. Различают 3 типа ОС — высокий, средний и низкий. Конечно, высокотемпературный отпуск является оптимальным средством обработки, поскольку чем выше температура нагрева, тем более активно будет происходить рекристаллизация металла. Однако низко- и среднетемпературные способы обработки также имеют практическую пользу, которую не стоит недооценивать. Ниже мы рассмотрим каждый тип ОС по отдельности.

Высокий отпуск стали — это вариант отпускной обработки при температуре от 500 до 700 градусов. Данный способ является самым эффективным, поскольку при таком нагреве происходит полигонизация и рекристаллизация материала, что позволяет устранить все напряжения внутри металла. Обычно длится от 2 до 3 часов. В случае обработки сложных конструкций рекомендованное время может увеличиваться до 6 часов.

В ходе высокого отжига происходит процесс рекристаллизации (приводящей вещество в состояние большей термодинамической устойчивости) в сочетании со сфероидизацией цементита. Частицы цементита приобретают округлую форму размером от 0,5 до 2 мкм., приобретается структура сорбита отпуска с зернистой формой. Сорбит отпуска наделяет сталь повышенной ударной вязкостью. Легированные стали приобретают структуру зернистого перлита. Обеспечивается структурная стабильность, снимается внутреннее напряжение.

Технологические процессы на нашем заводе проводятся в современном компьютеризированном оборудовании под управлением квалифицированного персонала. Это помогает добиться самых высоких показателей в области химико-термической обработки металлов. У нас практикуется индивидуальный подход к каждому клиенту и каждому заказу.

Главный недостаток высокотемпературного отпуска — это небольшое снижение прочности материала. Поэтому методика не годится для обработки деталей, которые во время эксплуатации будут испытывать сверхвысокую нагрузку. Высокотемпературная методика распространяется на все виды стали, однако обратите внимание, что в случае некоторых легированных сплавов во время обработки может возникнуть так называемая обратимая высокотемпературная хрупкость.

Основная особенность среднего отпуска — активная диффузия углерода без полигонизации и рекристаллизации сплава. В случае среднетемпературной обработки улучшается упругость материала, повышается его релаксационная стойкость. Температура отпуска стали в данном случае находится в пределах от 350 до 500 градусов. Средний срок проведения обработки — 2-4 часа. Оптимальная среда — маслянистая или щелочная. Средняя обработка хорошо подходит для прочных деталей сложной формы — рессоры, пружины, ударные конструкции. Однако на практике данная технология используется редко в связи с рядом ограничений:

• В температурной диапазоне от 250 до 300 градусов находится так называемый островок хрупкости первого рода, которого следует избегать. Одновременно с этим при температуре выше 500 градусов находится другой островок хрупкости второго рода (его тоже рекомендуется избегать). Об особенностях этих островков мы расскажем ниже. А небольшое отклонение температуры в большую или меньшую сторону во время отпуска может привести к фатальным последствиям.
• Методика не имеет преимуществ в сравнении с альтернативными технологиями (низкой и высокой). Одновременно с этим слабые печи для обработки обычно не могут нагревать рабочую среду до таких температур, а более сильные печи могут нагреваться до более высоких температур, что неудобно с практической точки зрения.

Низкий отпуск стали — методика обработки стального сплава или изделия, при которой нагрев осуществляется до температуры от 100 до 250 градусов. Срок обработки обычно составляет 1-3 часа в зависимости от типа детали, ее габаритов. Во время низкотемпературной обработки происходит диффузия частиц углеродистых компонентов без полигонизации и рекристаллизации атомной решетки. Это позволяет повысить некоторые физические характеристики материала — прочность, пластичность, твердость, химическую инертность.

Низкий отпуск — универсальная технология, однако по факту ее применяют в основном для отпуска изделий из низколегированных и высокоуглеродистых сталей (ножи, посуда, простые детали). Также нужно избегать нагрева материала выше температуры 250 градусов (в противном случае он попадет в островок хрупкости первого рода, что чревато необратимой порчей металла).

Таблица температур закалки и отпуска сталей

Высокий отпуск

Высокий отпуск проводится в температурном диапазоне, приближенном к критической точке: от 450 ºC до 650 ºC. После такой термообработки сталь становится пластичной, у нее повышается относительное удлинение и сужение, а также ударная вязкость.
Это связано с тем, что металл приобретает структуру сорбита отпуска и у него на 95 % снижаются внутренние напряжения. Таким способом отпускают изделия, работающие в условиях ударных нагрузок: валы, оси, шатуны, детали прессов и кузнечных молотов.

Если же сталь отпускать при 690 ºC, то в ее структуре будет превалировать зернистый перлит, а сама она будет иметь максимальную пластичность и минимальную прочность. У некоторых ванадиевых, хромовых и вольфрамовых сталей при отпускании с нагреванием до 560 ºC может происходить образование троостита, что ведет к повышению твердости (т. н. вторичная твердость).

Отпускная хрупкость

Отпускная хрупкость присуща многим сталям. Сталь в состоянии отпускной хрупкости характеризуется низкой ударной вязкостью. На других механических свойствах при комнатной температуре состояние отпускной хрупкости практически не сказывается.

На рисунке схематично показано влияние температуры отпуска на ударную вязкость легированной стали, в сильной степени склонной к отпускной хрупкости. Во многих легированных сталях наблюдаются два температурных интервала отпускной хрупкости. При отпуске в интервале 250 — 400 °С возникает необратимая, а в интервале 450 — 650 °С — обратимая отпускная хрупкость.

Влияние температуры отпуска на ударную вязкость стали

Влияние температуры отпуска на ударную вязкость стали с высокой склонностью к отпускной хрупкости (схема):

1 — быстрое охлаждение в воде или масле; 2 — медленное охлаждение на воздухе или с печью.

Ударная вязкость закаленной стали после отпуска в интервале 250 — 400 °С меньше, чем после отпуска при температурах ниже 250 °С. Если хрупкую сталь, отпущенную при 250 — 400 °С, нагреть выше 400 °С и перевести в вязкое состояние, то повторный отпуск в интервале 250 — 400 °С не возвращает сталь в хрупкое состояние. Скорость охлаждения с температур отпуска в интервале 250 — 400 °С не влияет на ударную вязкость.

Сталь в состоянии необратимой отпускной хрупкости имеет блестящий межкристаллитный излом по границам бывших аустенитных зерен. Эта хрупкость свойственна в той или иной мере всем сталям, в том числе и углеродистым. Поэтому средний отпуск стали, как правило, не используют, хотя он и обеспечивает высокий предел текучести.

Причиной необратимой отпускной хрупкости считают карбидообразование при распаде мартенсита, в частности выделение карбида в виде пленки по границам зерен. Эта пленка при более высоких температурах отпуска исчезает, а при повторном нагреве до 250 — 400 °С не восстанавливается. Кремний в малолегированных сталях, задерживая распад мартенсита, устраняет необратимую отпускную хрупкость.

Ударная вязкость многих сортов легированной стали после высокого отпуска при 450 — 650 °С зависит от скорости охлаждения с температуры отпуска. При быстром охлаждении с температуры высокого отпуска (в воде или масле) повышение температуры отпуска в интервале 450 — 650 °С приводит к нормальному росту ударной вязкости (какой наблюдается у углеродистой стали при любой скорости охлаждения).

После медленного охлаждения с температуры отпуска в интервале 450 — 650 °С (с печью или на воздухе) ударная вязкость многих сортов легированной стали оказывается более низкой, чем после быстрого охлаждения. Сталь в состоянии обратимой хрупкости имеет межкристаллитный излом по границам исходных аустенитных зерен.

Отпускную хрупкость, возникшую из-за медленного охлаждения при высоком отпуске, можно устранить повторным высоким отпуском, но с быстрым охлаждением. Ударную вязкость можно вновь снизить, проведя новый высокий отпуск с медленным охлаждением. Вследствие чередования повышения и понижения ударной вязкости при повторных нагревах с разной скоростью охлаждения отпускная хрупкость, возникающая после отпуска в интервале 450 — 650 °С, называется обратимой.

Режимы среднего (среднетемпературного) отпуска стали

Температуры среднетемпературного отпускного процесса – +350…+500°C. Этот вид т/о, применяемый в основном для пружин, рессор, штампов, обеспечивает значительные пределы выносливости и упругости, хорошую релаксационную стойкость. Получаемые структуры: троостит или тростомартенсит, твердость – 45-50 HRC.

Охлаждение в воде после нагрева до температур +400…+450°C применяется для пружин с целью появления на поверхности остаточных напряжений сжатия, повышающих прочностные характеристики металла.

Процесс отпуска

Отпуску подвергаются все закаленные детали. Это делается для снятия внутренних напряжений. В результате отпуска несколько снижается твердость и повышается пластичность стали.

В зависимости от требуемой температуры отпуск производится :

• в масляных ваннах;
• в селитровых ваннах;
• в печах с принудительной воздушной циркуляцией;
• в ваннах с расплавленной щелочью.

Температура отпуска зависит от марки стали и требуемой твердости изделия, например, инструмент, для которого необходима твердость HRC 59 – 60, следует отпускать при температуре 150 – 200 градусов. В этом случае внутренние напряжения уменьшаются, а твердость снижается незначительно.

Быстрорежущая сталь отпускается при температуре 540 – 580 градусов. Такой отпуск называют вторичным отвердением, так как в результате твердость изделия повышается.

Изделия можно отпускать на цвет побежалости, нагревая их на электроплитах, в печах, даже в горячем песке. Окисная пленка, которая появляется в результате нагрева, приобретает различные цвета побежалости, зависящие от температуры. Прежде чем приступать к отпуску на один из цветов побежалости, надо очистить поверхность изделия от окалины, нагара масла и т. д.

Обычно после отпуска металл охлаждают на воздухе. Но хромоникелевые стали следует охлаждать в воде или масле, так как медленное охлаждение этих марок приводит к отпускной хрупкости.

Что такое отпуск стали

Отпуском металла называют один из видов термической обработки, при которой сохраняется его фазовое состояние, но при этом корректируется ряд закалочных характеристик. В первую очередь при отпуске резко уменьшается напряжение внутренней структуры, которое возникает в результате деформаций кристаллической решетки при закалке.

Кроме того, снижается жесткость и хрупкость, что является следствием насыщения игольчатых элементов мартенсита ферритом и образования перлитовых зерен (см. рис. ниже). Такая структура сохраняет свойства закаленного металла, но вместе с тем становится более пластичной и вязкой.

У легированных сталей все эти процессы протекают с некоторыми отличиями, которые связаны с тем, что легирующие элементы в определенных условиях становятся центрами кристаллизации и таким образом изменяют физико-химические характеристики металла.

Стальные изделия отпускают путем их нагрева до заданного значения с последующим медленным охлаждением на открытом воздухе или в специальной среде. От температуры разогрева напрямую зависит фазовое состояние и структура металла, образующиеся после отпускания, а следовательно, и его физические характеристики.

В целом соблюдается правило: чем выше температура, тем ниже хрупкость и твердость и выше гибкость и вязкость. В зависимости от используемых температурных диапазонов выделяют три основных вида отпуска стали: низкий, средний и высокий, пределами нагревания которых являются, соответственно, 300 ºC, 450 ºC и 650 ºC. Первый вид характеризуется самой высокой твердостью, а последний — самой большой ударной вязкостью.

Температуры нагрева при отпуске сталей напрямую зависят от их химического состава, т. к. легирующие добавки оказывают значительное влияние на процесс формирования структурных элементов. Обычно это связано с замедлением распада мартенсита, что требует повышения температурных режимов.

Кроме того, при отпуске высоколегированных сталей могут присутствовать такие явления, как увеличение жесткости, связанное с образованием троостита, и возникновение отпускной хрупкости.

Отпуск быстрорежущих инструментальных сталей

Основными легирующими элементами быстрорежущих сталей (Р18, Р6М5 и др.) являются вольфрам, молибден, кобальт и ванадий — элементы, обеспечивающие теплостойкость и износостойкость при эксплуатации. Быстрорежущие стали относятся к карбидному (ледебуритному) классу. Под закалку эти стали нагревают до температуры выше 1200°С (Р18 до температуры 1270°С, Р6М5 — до 1220°С). Высокие температуры закалки необходимы для более полного растворения вторичных карбидов и получения аустенита высоколегированного хромом, молибденом, вольфрамом, ванадием. Это обеспечивает получение после закалки теплостойкого мартенсита. Даже при очень высоком нагреве растворяется только часть карбидов. Для этих сталей характерно сохранение мелкого зерна при высоких температурах нагрева.

Железо и легирующие элементы «быстрорезов» имеют сильно отличающиеся свойства теплопроводности, поэтому при нагреве, для избежания трещин, следует делать температурные остановки. Обычно при 800 и 1050°С. При нагреве крупного инструмента первую выдержку делают при 600°С. Время выдержки составляет 5-20 мин. Выдержка при температуре закалки должна обеспечить растворение карбидов в пределе их возможной растворимости. Охлаждение инструмента чаще всего делают в масле. Для уменьшения деформации применяют ступенчатую закалку в расплавах солей с температурой 400-500°С. Структура «быстрорезов» после закалки состоит из высоколегированного мартенсита, содержащего 0,3-0,4%С, нерастворенных избыточных карбидов и остаточного аустенита. Чем выше температура закалки, тем ниже положение точек Мн, Мк и тем больше остаточного аустенита. В стали Р18 присутствует примерно 25-30% остаточного аустенита, в стали Р6М5 — 28-34%. Для уменьшения аустенита можно сделать обработку холодом, но как правило этого не требуется.

После закалки следует отпуск при 550 — 570°С, вызывающий превращение остаточного аустенита в мартенсит и дисперсионное твердение за счет частичного распада мартенсита и выделения дисперсных карбидов легирующих элементов. Это сопровождается увеличением твердости (вторичная твердость). В процессе выдержки при отпуске из остаточного аустенита выделяются карбиды, что уменьшает его легированность, и поэтому при последующем охлаждении он претерпевает мартенситное превращение (Мн~150°С). В процессе однократного отпуска только часть остаточного аустенита превращается в мартенсит. Чтобы весь аустенит перешел в мартенсит применяют двух и трехкратный отпуск. Время выдержки обычно составляет 60 минут. При назначении режима нужно учитывать химические свойства элементов и периодичность выделения карбидов в зависимости от температуры. Например максимальная твердость стали Р6М5 получается за счет 3-х стадийного отпуска. Первый отпуск при температуре 350°С, последующие два при температуре 560-570°С. При температуре 350°С выделяются частицы цементита, равномерно распределенные в стали. Это способствует однородному выделению и распределению спецкарбидов М6С при температуре 560-570°С.

Разновидности

Самой главой характеристикой процедуры отпуска является температура, при которой она выполняется. По этому показателю данная термообработка подразделяется на три вида. Рассмотрим их несколько подробнее.

Низкий отпуск

Термическая обработка данного вида предусматривает разогрев детали до температуры, изменяющейся в пределах + 100 °C≤Т≤ +250 °C. Продолжительность техпроцесса обычно вписывается во временной интервал от одного до трех часов. Точное значение данного параметра определяется габаритами заготовки и ее типом. В ходе низкого отпуска наблюдается явление диффузии микрочастиц углеродсодержащих компонентов, не сопровождающееся рекристаллизацией, а также полигонизацией молекулярной решетки. Благодаря этому улучшается ряд свойств материала:

• степень химической инертности;
• показатель твердости;
• повышается уровень пластичности;
• возрастают прочностные характеристики.

Низкий отпуск причисляется к категории универсальных технологий. Однако в большинстве случаев он используется для изделий, в качестве сырья для изготовления которых применялись стали высокоуглеродистые и содержащие легирующие добавки (например, режущие инструменты в виде ножей, кухонная посуда и т.д.).

Основное требование к низкому отпуску формулируется следующим образом: нужно исключить возможность разогрева металла выше отметки +250 °C. Иначе он попадет в пределы действия островка хрупкости I рода, из-за чего деталь может необратимо прийти в негодность.

Средний отпуск

Этот метод термообработки выполняется путем разогрева металла и его выдержки с поддержанием температуры в диапазоне + 300 °C≤Т≤ +450 °C обычно на протяжении не менее 2-х и не более 4-х часов. Охлаждение происходит на открытом пространстве в условиях естественной окружающей среды. При этом такие вышеупомянутые процессы, как

• перестройка металла, сопровождающаяся упорядочиванием его дислокационной структуры – полигонизация;
• формирование и увеличение в размерах одних зерен кристалла за счет иных – рекристаллизация

не проявляются в ходе активной диффузии частиц элемента углерод (С).

Главная цель термообработки рассматриваемого вида – придание деталям требуемых показателей упругости, релаксационной устойчивости, вязкости не в ущерб высоким прочностным свойствам. Сплавам, полученным способом среднего отпуска, характерна трооститная структура и им присуща твердость, устанавливаемая по методике Роквелла, на уровне от 45НRС до 50НRС.

Данный метод термообработки актуален, преимущественно, для элементов конструкций и метизов, при производстве которых использовались стали рессорно-пружинного типа. (например, 65C2BA. 70C3A). В число таких изделий входят: гнутые стальные полосы, соединенные воедино скобами – рессоры; ковочные одно- и многоручьевые штампы; упругие элементы в виде спирали – пружины; пилы, предназначенные для работы с деревом и т.д. К ним выдвигается такое основное требование: устойчивость к воздействию переменных динамических нагрузок.

Высокий отпуск

Термообработка этого типа предусматривает разогрев деталей до температуры, принимающей значения из диапазона + 500 °C≤Т≤ +680 °C. Продолжительность высокого отпуска составляет приблизительно часа 2-3. На обработку очень сложных изделий может уйти до 6 часов.

В результате:

• внутреннее напряжение, имеющее место в металле, снижается на 95 процентов;
• повышается показатель ударной вязкости;
• возрастает уровень пластичности материала.

Но все это происходит на фоне снижения прочностных характеристик сплава. Его структура становится сорбитоподобной. То есть обработанный металл в этом случае представляет собою смесь цементита с ферритом, обладающими зернистым строением. При нагревании до температуры, колеблющейся в районе +680 °C, структура сплава будет отличаться преобладанием зернистого перлита.

Термообработка высоким отпуском используется для изделий, подвергающихся во время работы воздействию повышенных импульсных нагрузок. Это, например, подвижные детали, соединяющие поршень с шатунной шейкой коленчатого вала силового агрегата – шатуны; кузнечные молоты всех видов, начиная с паровоздушных, включая гидравлические и заканчивая пневматическими; прессы.

Возможен ли отпуск стали в условиях домашней мастерской

Домашнее использование данной технологии становится возможным, когда необходимо снять внутреннее напряжение металла. В данном случае марка стали не играет роли — нагрев необходимо производить до 200°С (не выше), и выдерживать в таких условиях до 1 часа. Если нужно снизить твердость и повысить вязкость, тогда важно знать марку стали (чтобы определить температурные режимы отпуска). Информацию подобного рода можно отыскать в интернете или в учебниках по термообработке, где представлены таблицы с марками стали, изделиями и температурными режимами закалки и отпуска стали.

В качестве источника тепла для нагрева детали может послужить самодельный горн, кухонная плита или газовая горелка. При этом температуру нагрева определяют по цветовым таблицам побежалости — минусом этого древнего метода является субъективность восприятия цвета и его зависимость от внешних источников освещения. Новичкам рекомендуется пользоваться терморегуляторами плиты или мультимером с термопарой.

Обычно домашний отпуск стали применяют в отношении ножей, вилок, металлических чашек, автомобильных деталей и др. При этом можно столкнуться некоторыми достаточно распространенными проблемами:

• Большинство домашних печей не могут выполнить нагрев до высоких температур. Поэтому в домашних условиях можно сделать только низкий или средний отпуск. Теоретически можно попытаться переоборудовать или «усилить» свою печь, чтобы повысить температуру нагрева, однако сделать это человеку без опыта будет сложно.
• Для проведения термической обработки необходимо использовать защитную среду (масло, щелочи, селитра). Но каждое вещество имеет свои температурные особенности. Простой пример: соединения на основе селитры могут взрываться при нагреве до высоких температур, что может быть опасно для жизни, здоровья домашнего металлурга.
• Выполнение отпуска без применения защитной среды может быть фатально для самого металла. Дело в том, что без использования защитной среды металл будет остывать быстро, что может повлиять на качестве стали (повышение хрупкости, образования изгибов, пластическая деформация, появление ржавчины).
• Также не стоит забывать о низкотемпературной хрупкости первого рода (от 250 до 300 градусов). В случае неправильного температурного режима из-за нее может серьезно пострадать качество металла вплоть до полного разрушения сплава.

Высокотемпературный отпуск стали – режимы, цели

Температуры высокого отпуска – +500…+650°C, получаемая структура стали – сорбит отпуска. Задача, решаемая этим видом т/о, – получение оптимального соотношения между прочностью и вязкостью. Комплексная термообработка, включающая закалку и высокий отпуск, называется улучшением. Ее преимущество по сравнению с различными видами отжига и нормализацией – повышение временного сопротивления, предела текучести, ударной вязкости, относительного сужения.

Закалка и отпуск закаленной стали применяются для среднеуглеродистых сталей с содержанием C 0,3-0,5%, к которым предъявляются повышенные требования к ударной вязкости и пределу выносливости. С их помощью повышают прочность материала, снижают чувствительность к концентраторам напряжений, температуру порога хладоломкости, склонность к трещинообразованию.

Длительность высокого отпуска – 1-6 часов. Конкретное время зависит от габаритов металлоизделия.

Как отпустить сталь самостоятельно

Для того чтобы отпустить сталь в домашних условиях с целью снятия внутреннего напряжения, ее марку знать необязательно — достаточно нагрева до температуры не выше 200 ºC и выдержки в этих условиях не менее часа. Если же планируется отпустить стальное изделие для снижения твердости и повышения вязкости, то для определения температурных режимов отпуска знание марки стали необходимо. На самом деле это не такая сложная задача, как может показаться. В учебниках по термообработке и на интернет-сайтах достаточно таблиц с перечнями изделий и марками стали, из которых они изготавливаются, а часто даже и с температурными режимами их закалки и отпуска (см. таблицу выше).

Для нагрева своей детали можно использовать практически любой источник тепла: от духовки кухонной плиты до газовой горелки или самодельного горна. Важным моментом является температура разогрева. В принципе, ее можно определить по цветовым таблицам побежалости, появляющейся на горячем металле, которые также легко найти в интернете.

Это старинный проверенный метод, известный еще с древних времен, но он требует некоторого опыта, т. к. его главные недостатки — это субъективность восприятия цвета и его зависимость от внешнего освещения. Для новичка лучшим решением будет использование терморегулятора плиты или обычного мультиметра с термопарой.

Приходилось ли кому-нибудь использовать мультиметр с термопарой для замера температуры отпуска? Насколько точен этот прибор и как соответствуют его показания цвету побежалости? Если кто-нибудь имеет такой опыт, напишите, пожалуйста, ваше мнение в комментариях.

Низкий отпуск

Низкой отпуск производится в температурном диапазоне 120÷300 ºC. Выбор конкретного температурного режима зависит от марки металла и требуемого результата. Чаще всего таким способом снижают внутренние напряжения и несколько повышают вязкость инструментальных сталей, которым требуется повышенная твердость и стойкость к износу.
При 120÷150 ºC изменения твердости не происходит, а только снижаются остаточные напряжения. Для ее уменьшения изделие необходимо нагреть как минимум до 200 ºC и выдерживать в этих условиях не менее одного часа. В интервале от 200 ºC до 300 ºC начинается формирование мартенсита отпуска и происходит уменьшение твердости с одновременным увеличением вязкости стали.

В некоторых случаях в этом температурном диапазоне наблюдается значительное снижение вязкости, которое называют отпускной хрупкостью. Последствия этого явления устраняются дополнительной термообработкой. Кроме инструментальных, низкий отпуск с нагреванием до 250 ºC применяется и для конструкционных сталей, поверхность которых была подвергнута термохимической обработке.

Термообработка инструментальных сплавов

Практически для всех металлов справедливо утверждение: с повышением температуры отпуска снижается прочность и увеличивается пластичность. Исключение составляют только быстрорежущие стали, применяющиеся в производстве инструментов. Для обеспечения лучших характеристик теплостойкости и износостойкости их легируют карбидообразующими элементами: молибденом, кобальтом, вольфрамом и ванадием. А для закалки используют нагрев до температур свыше 1200 °C, что позволяет наиболее полно растворить образовавшиеся карбиды.

Теплопроводности самого железа и легирующих его элементов значительно различаются, поэтому для предотвращения деформации и растрескивания при нагреве следует выполнять температурные паузы. Это происходит при достижении 800 °C и 1050 °C, а для больших предметов первый интервал назначают при температуре 600 °C. Длительность остановки лежит в пределах от 5 до 20 минут, что позволяет обеспечить наилучшие условия для растворения карбидов. Охлаждение чаще всего проводят в масле.

Существенно уменьшить деформацию позволяет ступенчатая термообработка стали в расплавах солей, где закалка выполняется при температуре около 500 °C. Для увеличения твёрдости изделий далее следует двукратный отпуск при 570 °C. Длительность процесса составляет 1 час, а на его режим влияют химические свойства легирующих элементов и температура, определяющая скорость выделения карбидов.

Средний отпуск

Средний отпуск предназначен для термообработки стальных изделий, которые должны сочетать в себе повышенную прочность и упругость с заданными параметрами вязкости. Как правило, таким способом отпускают рессорные и пружинные стали, работающие в режиме переменных динамических нагрузок.

Температурный диапазон в этом случае составляет от 300 ºC до 450 ºC, а твердость снижается до 45÷50 HRC против 60÷63 при низкотемпературном отпуске. После такой термообработки сталь приобретает трооститную структуру. Выдержка при нагреве при среднем отпуске может составлять до нескольких часов, а охлаждение проводится естественным путем на спокойном воздухе.

Островки хрупкости

Рассматриваемая термообработка требует тщательного соблюдения требований, касающихся температурного режима на протяжении всего цикла. Причина – возможность появления т.н. отпускной хрупкости.

Происходит это явление, когда температура обрабатываемой детали начинает принимать значения из определенных диапазонов числовых значений. Именно эти диапазоны получили название «островки хрупкости». Сопровождается данное явление структурными изменениями (могут быть как обратимыми, так необратимыми) в конструкционных сплавах и сталях с легирующими добавками, вызывающими ухудшение их характеристик. Проявляется это в:

• неравномерном протекании процесса диффузии частиц углеродсодержащих компонентов;
• нарушении кристаллического строения металла;
• возрастании хрупкости сплава до критического уровня.

Отпускную хрупкость принято подразделять на два рода. Принадлежность этой характеристики к одному из них определяет температурный диапазон, а также факторы, связанные с произошедшими в структуре материала нарушениями.

Хрупкость первого рода

Наблюдается такая хрупкость чаще всего, когда температура детали находится в пределах + 250°C≤Т≤ +400 °C. Проявляется она, практически у всех углеродистых конструкционных сплавов и является необратимой. В случае перехода металла в это состояние он теряет пригодность к эксплуатации и обычно отправляется на переплавку. Не допустить появление хрупкости I-го рода можно. Для этого нужно нагревать деталь так, чтобы ее температура была вне пределов диапазона, в котором находится «островок отпускной хрупкости».

Хрупкость второго рода (обратимая)

Появляется хрупкость второго рода, как правило, при разогреве изделия до температуры в диапазоне + 500°C≤Т≤ +550 °C. Причина ее возникновения кроется в излишне медленном остывании обработанной детали. Но хрупкость II-го рода поддается исправлению. Для этого проводится дополнительная термообработка, включающая следующие этапы:

• изделие повторно подвергается разогреву до отметки не ниже 500°C;
• деталь помещается в среду, изменяющую свое агрегатное состояние – масляную, где ей обеспечивается ускоренное охлаждение.

Имеется еще один вариант решения проблемы: в сплав вносятся такие элементы, как вольфрам либо молибден. Количество первого должно составлять где-то 1% от общего веса сплава, а второго – не меньше 0,3% и не больше 0,4%.

Ну а самый надежный способ ухода от необходимости решать эту проблему – нагревать изделие так, чтобы его температура не принимала значение в диапазоне «островка отпускной хрупкости второго рода».

Как делают закалку и отпуск

После того, как заготовке клинка придали необходимую форму, ее закаляют. Конечно, все очень индивидуально для разных марок сталей, для конкретных изделий, но в среднем мастера называют температурой нагрева под закалку около 700–800 градусов Цельсия. Оптимальный цвет изделия в таком случае будет алым или вишневым. Если краснота уходит, уступая место оранжевым и желтым оттенкам, температура, скорее всего, перевалила за отметку 1 100 градусов – это для большинства сталей уже многовато. Белый цвет говорит о том, что температура достигла как минимум 1 300 градусов, и для закалки она не подходит – при ней произойдет перекал; в этом случае вернуть стали прочность будет невозможно.

Именно эти цвета и называются цветами каления. Мы встретимся с ними еще раз – когда будем рассматривать отпуск.

Цвета каления показывают нам температуру, которой достигла заготовка. Их не следует путать с цветами побежалости – оттенками окислов

Когда клинок закален, он приобретает высокую твердость, но теряет при этом в прочности. Теперь прочность необходимо вернуть: этой цели и служит отпуск. Отпуск, как мы помним, это повторное нагревание до более низких температур с последующим охлаждением; добавим к этому, что между повторными нагреваниями следует и полное остывание клинка – естественным путем или же путем охлаждения его в солевом растворе или масле. Температуру нагрева для отпуска выбираем следующим образом.

• Высокотемпературный отпуск, скорее всего, нам не нужен – он делается для деталей, которые подвергаются не столько деформациям, сколько ударным нагрузкам, а это явно не относится к ножам. Тем не менее, скажем о нем, что его температурные границы – это 500–680 градусов.
• Среднетемпературный отпуск – это прогрев до 350–500 градусов; это тоже много, подойдет разве что для метательных ножей.
• Низкотемпературный отпуск – то, что нужно. Прогрев здесь идет до 250 градусов. Конечно, нож не будет таким стойким к боковым ударным нагрузкам, но ведь это нам и не нужно: мы уже достигли необходимой твердости при закалке, а сейчас нас интересует прочность. При такой температуре она получится в самый раз.

Нужную температуру снова покажут цвета каления: оптимальным в данном случае (для ножа) будет светло-желтый цвет.

После каждого этапа, на котором появляются продукты окисла (цвета побежалости), изделие следует охлаждать в соленой воде или масле. В чистой воде заготовку не следует охлаждать ни после закаливания, ни во время отпуска – из-за слишком высокой скорости охлаждения изделие может дать трещины. Ни вода, ни масло полностью не соответствуют необходимым требованиям к закалке углеродной стали: быстрое охлаждение до 550 °С и более медленное с 300 °С до 200 °С. Поэтому воду используют в комбинации с маслом: сперва в воду, а потом в масло. Такой способ применяют на инструментальных сталях и именуют «в масло через воду». А вот легированные стали можно закалять только в масле.

Цвета побежалости на клинке коллекционного ножа «Зомби»– неудаленные после отпуска окислы

Выбор стали для закалки

Для начала условно разделим все стали на высокоуглеродистые и легированные. Все стали – это сплавы железа с углеродом и различными легирующими элементами; от того, преобладает ли в ней один углерод или в значительном количестве присутствуют и легирующие элементы, и будет зависеть название стали. Нельзя сказать, что та или иная группа хуже или лучше поддается закалке; у них изначально очень разные характеристики и разные задачи, поэтому мы просто расскажем о закаливании тех и других сталей.

Закалка углеродистых сталей

С этой сталью, как и с изделиями из нее, накоплен огромный опыт работы. Сама по себе она требует меньших температур закалки, чем легированная различными элементами – у нее и без этого довольно высокие показатели твердости и прочности, которые так ценятся на рынке.

• Низкоуглеродистые стали закаливают при температурах от 727 до 950 °С.
• Средне- и высокоуглеродистые стали закаливают при температурах от 680 до 850 °С.

Нужно помнить, что стали с совсем низким содержанием углерода закалке вообще не поддаются.

Если мы желаем изготавливать и закалять в домашних условиях клинок из углеродистых сталей, нам подойдут следующие марки.

Российские:

• У7 – У10;
• 65 Г.

Американские:

• О1;
• 1095.

Эти марки при правильной термообработке характеризуются большой прочностью и твердостью, хотя и низкой устойчивостью к коррозии.

Закалка легированных сталей

Помимо железа и углерода в таких сталях содержится значительное количество различных легирующих элементов, которые придают сплаву особые свойства, нужные в той или иной сфере.

• Хром превращает сталь в коррозионностойкую, если его содержание превышает 12–16 %.
• Молибден и никель повышают прочность стали и ее способность выдерживать высокие нагрузки.
• Ванадий улучшает износостойкость сплава и придает клинкам из него способность держать необычайно острую заточку.

Ввиду наличия в сплаве этих элементов сталь обладает худшей теплопроводностью, чем чистая углеродистая, поэтому: 1) для нагрева и охлаждения ей понадобится больше времени – если ускорять процесс искусственно, то по сплаву могут пойти трещины; 2) для закалки ей нужна большая температура – от 850 до 1 100 °С.

К сожалению, правильная термообработка сложнолегированных сталей достаточно трудна, так как для придания клинку высоких рабочих свойств нужны и точная температура, и специальное оборудование для глубокого охлаждения. Поэтому закалить их качественно «на глазок» не получится.

К наиболее распространенным маркам относятся следующие:

• 420;
• 440А;
• D2;
• ATS34;
• CPM S320V.

О последнем образце можно сказать, что он исключительно износостоек.