Как влияет температура отпуска на свойства сталей

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ОТПУСКА НА МИКРОСТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ЗАКАЛЁННОЙ СТАЛИ

Отпуском называют вид термической обработки, заключающийся в нагреве закалённой стали до температуры, лежащей ниже нижней критической точки АС1, выдержке 1,5. 2,0 часа и охлаждении (медленном или быстром). Цель отпуска – окончательно сформировать структуру и свойства стали и снять закалочные напряжения.

В процессе многолетней эксплуатационно-производственной практики сложились три основные группы изделий, требующие для их успешной эксплуатации «своих» специфических комплексов вязкостно-прочностных свойств.

Первая группа: режущие измерительные инструменты и штампы для холодной штамповки. От их материала требуются высокая твердость и небольшой запас вязкости. Вторую группу составляют пружины и рессоры, от материала которых требуется сочетание высокого предела упругости с удовлетворительной вязкостью. Третья группа включает большинство деталей машин, испытывающих статические и особенно динамические или циклические нагрузки. При длительной эксплуатации изделий от их материала требуется сочетание удовлетворительных прочностных свойств с максимальными показателями вязкости.

Закаленная сталь имеет в основном мартенситную структуру, высокую твердость и хрупкость. При отпуске мартенсит распадается, что приводит к снижению твёрдости и повышению вязкости стали. Превращение мартенсита при нагреве зависит от температуры. При нагреве до температуры ниже 300°С мартенсит превращается в мартенсит отпущенный, при более высоких температурах из мартенсита выделяется цементит (карбид железа Fe3С), а сам мартенсит становится обычным ферритом. Полученную структуру (дисперсную смесь феррита и цементита) называют трооститом отпуска. Эта структура имеет самое высокое значение предела упругости (уупр) при более низкой твёрдости, чем у мартенсита отпущенного. При дальнейшем нагреве выделившиеся частички цементита укрупняются и приобретают сферическую форму. Твёрдость при этом еще снижается, а вязкость возрастает.

Полученную дисперсную смесь феррита и цементита зернистого строения называют сорбитом отпуска.

Применяют три способа отпуска закаленной стали: низкий при температуре 150-250° С; средний – при 350- 450° С и высокий при температуре 450-650° С.

Как влияет температура отпуска на свойства сталей

– низкий отпуск при температуре 150. 200 °С Он применяется в том случае, когда нужно сохранить твёрдость, полученную при закалке. Это инструмент из высокоуглеродистых сталей; детали, работающие на трение, сделанные на низкоуглеродистой стали, но предварительно (перед закалкой и отпуском) прошедшие цементацию (насыщение поверхности углеродом); детали из низкоуглеродистых легированных сталей. В этом случае при закалке получается низкоуглеродистый мартенсит невысокой твердости (менее 35 HRC), поэтому после низкого отпуска твёрдость и прочность стали выше, чем у отожжённой или нормализованной, а вязкость достаточная для конструкционных сталей (так как мало в ней углерода);

– средний отпуск при температуре 350…400 °С Его используют в том случае, когда нужно получить максимальное значение предела упругости. В основном это пружинные и рессорные стали (твердость 40. 45 HRC, предел упругости не менее 800 МПа), а также некоторые виды штампового инструмента;

– высокий отпуск при температуре 500…600 °С на структуру сорбит отпуска, обладающую хорошим сочетанием прочности и вязкости. Применяют для среднеуглеродистых конструкционных сталей.

Как влияет температура отпуска на свойства сталей

Влияние отпуска на прочность и пластичность стали

Термическая обработка, заключающаяся в закалке с высоким отпуском на структуру сорбит отпуска, называется улучшением стали. В этом случае твердость и вязкость выше, чем у отожженной или нормализованной стали (таблица 1).

Таблица 1 – Сравнительные свойства для стали 45

Как влияет температура отпуска на свойства сталей

Отпуск стали – вид термической обработки, применяемый для изделий, прошедших закалку с полиморфным превращением. Что значит «отпущенная сталь»? Это сталь, нагретая ниже температур, при которых происходит изменение типа кристаллической решетки. Далее металл выдерживается в нагретом виде определенное время, затем следует медленное охлаждение, как правило, на воздухе. Назначение отпуска – ослабление или ликвидация внутренних напряжений, увеличение пластичности и вязкости, некоторое уменьшение твердости, полученной при закалке, снижение хрупкости. От правильного выполнения термообработки во многом зависит качество закаленной детали. В зависимости от целевого назначения, выбирают оптимальный режим процесса.

Виды отпуска

Для этого вида термообработки характерны: невысокий нагрев детали до 150-250°C, выдержка при этих температурах и охлаждение на воздухе. При низком отпуске происходят следующие процессы:

  • образуется структура «мартенсит отпуска» (продукт распада мартенсита, образующегося при температуре ниже аустенитно-ферритного превращения);
  • частично устраняются внутренние напряжения;
  • повышается вязкость без заметного снижения твердости.

Этот отпуск чаще всего проводится для инструментальных сталей.

Отпуск при невысоких температурах называют «старением». Виды «старения»:

  • Искусственное. Детали нагревают до 120-150°C и выдерживают при этих температурах в течение 18-35 часов. Процесс проходит в ваннах с автоматическим регулированием температуры.
  • Естественное. Осуществляется при комнатной температуре, инструмент и изделия выдерживают в таких условиях в течение трех месяцев и более.

«Старение» закаленных деталей и инструмента служит для стабилизации размеров при сохранении достаточно высокой твердости.

Температуры среднего отпуска лежат в интервале 300-500°C. При этом происходит достаточно существенное снижение твердости и повышение вязкости. Такая термообработка применяется для инструмента, который должен иметь значительную вязкость, прочность и упругость, а также для пружин и рессор.

Выполняется при температурах 500-650°C, приводит к образованию структуры, обеспечивающей изделию оптимальное сочетание прочности и пластичности. Применяется для деталей, изготавливаемых из конструкционных сталей 35,45, 40Х и предназначенных для эксплуатации при ударных нагрузках.

Определение! Операция закалки с последующим высоким отпуском называется «улучшением».

Как правильно отпустить закаленную сталь?

Эту операцию необходимо производить сразу после закалки, поскольку деталь может покрыться трещинами из-за присутствия высоких остаточных напряжений. При нарушении режима отпуска – недостаточном нагреве или малой выдержке – происходит «недоотпуск», при котором деталь сохраняет хрупкость. Для устранения этого недостатка применяют повторный отпуск.

Читать также:  Печи для ионно плазменного азотирования

Ориентировочная твердость стали (по Роквеллу) после термообработки в различных режимах, включающих закалку и отпуск

Состояние закаленных деталей отличаются очень сильной неравновесностью структуры. Это обусловлено повышенной концентрацией углерода в твердом растворе, высокой плотностью дефектов кристаллического строения, а также внутренними напряжениями, строениями и термическими. Из-за этого закаленная сталь хотя и обладают высокой прочностью и твердостью, одновременно с этим имеет практически нулевой запас вязкости. Ударные нагрузки могут вызвать быстрое разрушение деталей. Кроме того, переход неравновесной структуры закаленной стали в более стабильную может происходить с течением времени самопроизвольно под воздействием окружающей температуры или внешних нагрузок. Этот переход сопротивляется изменением объёма и поэтому такая ситуация недопустима для высокоточных деталей или для измерительного инструмента. Поэтому всегда закаливание детали подвергается дополнительной термообработке – отпуску.

Отпуск является заключительной операцией термической обработки стали, его цель — получение заданного комплекса ее механических свойств, а также полное или частичное устранение закалочных напряжений. В практике термообработки используют три вида отпуска: низкий, средний и высокий, а также операцию искусственного старения. Общая схема всех этих видов включает нагрев изделий, выдержку их при заданной температуре и охлаждение. В результате отпуска в зависимости от температуры нагрева неустойчивая структура мартенсита закалки в результате диффузионного перераспределения углерода превращается в более устойчивые структуры – мартенсит отпуска, троостит, сорбит и перлит. Именно в процессе отпуска стальные изделия приобретают свойства, определяющие их поведение в эксплуатации. Температура отпуска обусловливается требованиями механических свойств детали.

Низкотемпературный (низкий) отпуск проводят с нагревом до 150…200 0 С. При низком отпуске несколько снижаются внутренние напряжения. Твердость остается высокой (58…62 HRC). Структура стали после низкого отпуска состоит из мартенсита отпуска, основу которого составляет пересыщенный твердый раствор углерода в α-Fe. В мартенсите отпуска уменьшается число охрупчивающихся его трехцентровых ковалентных Fe-C-Fe-связей, частично устраняется искажение решетки и остаточные внутренние напряжения. При этом плотность дислокаций снижается незначительно, оставаясь на уровне 10 11 -10 12 см -2 .

Таким образом при низком отпуске отпущенный мартенсит обладает более благоприятным комплексом механических свойств (высоким уровнем твердости и небольшим запасом вязкости и пластичности).

Этот вид отпуска применяется в основном для режущих и измерительных инструментов, для изделий, подвергаемых поверхностной закалке, цементации, нитроцементации. Низкий отпуск рекомендуется для деталей из малоуглеродистых легированных сталей, так как малоуглеродистый мартенсит отпуска имеет высокий комплекс механических свойств.

Среднетемпературный (средний) отпуск производится при температуре 350 – 470 С и применяют главным образом для пружин и рессор, а также для штампов. При таком нагреве завершается распад мартенсита на ферритно-цементитную смесь – троостит отпуска, который вследствие недостаточной интенсивности диффузионных процессов представлен в виде мельчайших зерен, обуславливающий его высокую вязкость в сравнении с пластинчатым трооститом закалки.

В троостите отпуска почти устраняется ковалентные Fe-C-Fe-связи и искажения ОЦК решетки α-Fe, уменьшается плотность дислокаций до 10 9 -10 10 см -2 , и снижается уровень остаточных напряжений. Фазовая и дислокационная решетка троостита отпуска обеспечивает благоприятный комплекс механических свойств для пружин, рессор и им подобных изделий. Структура троостита отпуска обеспечивает высокий предел упругости, твердость 40…50 HRC. Охлаждение после отпуска при 400…450 С рекомендуется проводить в воде, что приводит к образованию в поверхностном слое остаточных напряжений сжатия, которые увеличивают предел выносливости детали.

Сталь с 0,4 %С была с начала подвергнута закалке при 860 С в воде, а затем отпущена при 350 С. в результате отпуска мартенсит, получившийся при полной закалке, превратился в троостит отпуска, структура которого состоит из дисперсных частиц феррита и цементита (рисунок 1), причем эти частицы на столько мелки, что даже при самых больших увеличениях микроскопа почти не различимы. Сохранившиеся в троостите отпуска ориентировка по мартенситу в виде игольчатого строения отличает его от троостита закалки.

Как влияет температура отпуска на свойства сталей

Рисунок 1 Сталь с 0,4 % С после закалки с 860 С в воде, и отпуска при 350 С. Троостит отпуска. Травление 4 % раствором HNO3 в спирте. 450.

Высокотемпературный (высокий) отпуск проводят при 500-650 0 С. После отпуска структура состоит из сорбита отпуска (с зернистым строением Fe3C), имеющего высокий комплекс механических свойств (максимальная вязкость) плотности дислокаций (10 8 -10 9 см -2 ) и удовлетворительные показатели прочности. Такой комплекс свойств является благоприятным для деталей, подвергающихся динамическим и циклическим нагрузкам.

Закалка с высоким отпуском называется улучшением. Во избежание возникновения термических напряжений рекомендуется последующее медленное охлаждение, за исключением сталей, подверженных обратимой отпускной хрупкости, которые от температуры высокого отпуска охлаждают в воде или в масле.

Сталь с 0,4 %С была с начала подвергнута закалке при 860 С в воде, а затем отпущена при 550 С. в результате отпуска мартенсит, получившийся при полной закалке, превратился в сорбит отпуска, структура которого показана на рисунке 2. Сорбит отпуска трудно отличить от мартенсита, так как он сохраняет мартенситную ориентировку. Однако у сорбита отпуска при больших увеличениях (500) видны зерна выделившегося цементита, чего нет у мартенсита.

Читать также:  Как проверить терморезистор мультиметром

Как влияет температура отпуска на свойства сталей

Рисунок 2 Сталь с 0,4 % С после закалки с 860 С в воде, и отпуска при 550 С. Сорбит отпуска. Травление 4 % раствором HNO3 в спирте. 450.

После отпуска у деталей может быть повышенная или пониженная твердость. Повышенная твердость результат постоянной температуры отпуска и недостаточной выдержки. Этот дефект устраняется вторичным отпуском. Пониженная твердость результат отпуска при высокой температуре устраняется отжигом повторной закалкой и отпуском.

Продолжительность отпуска зависит от конкретных изделий. Обычно в течение 1,5 часов напряжения снижаются до минимальной величины, соответствующей данной температуре отпуска. Некоторым изделиям (измерительный инструмент) делают более продолжительный отпуск.

Отпускная хрупкость. Отпускной хрупкостью называют уменьшение вязкости стали после отпуска в определенном интервале температур. Отпускная хрупкость разделяется на 2 вида:

1. Наблюдается после отпуска в температурном интервале 250-350º С – это отпускная хрупкость I рода или необратимая хрупкость.

2. Наблюдается в интервале температур 500-600º С. Это отпускная хрупкость II рода или обратимая.

Хрупкость I рода характерна для простых углеродистых сталей, содержащих от 0,3-0,6 %С. Она проявляется при отпуске в температурном диапазоне 250-350 ºС. Причина её появления – выделение карбидов по границам зёрен. Это вызывает хрупкость границ и соответственно хрупкость всей детали. Увеличение температуры отпуска вызывает распад мартенсита по всему объему детали и соответственно выравнивание структуры, что вызывает повышение вязкости. Таким образом, если сталь, находящуюся в состоянии отпускной хрупкости I рода, нагреть до более высокой температуры, то её вязкость восстановится и повторный нагрев после охлаждения в температурном интервале 250-350 ºС отпускной хрупкости больше не вызовет. Поэтому такая отпускная хрупкость называется необратимой.

Хрупкость II рода характерна для среднеуглеродистой стали, содержащей легирующие элементы: Si; Мn; Сr. Причем проявляется эта отпускная хрупкость только при медленном охлаждении с температурой высокого отпуска. Если детали охлаждать быстро на воздухе или в воде, то хрупкость II рода не проявляется. Если сталь имеет уже отпускную хрупкость II рода, то для её устранения необходимо снова нагреть деталь до температуры отпуска и быстро охладить. Вязкость восстанавливается, но если снова нагреть и медленно охлаждать хрупкость снова появится. Поэтому такая хрупкость называется обратимой.

Повышает склонность сталей к отпускной хрупкости II рода наличие примесей, особенно фосфора. Поэтому чтобы сделать сталь нечувствительной к отпускной хрупкости II рода необходимо, во-первых, снижать количество вредных примесей, особенно фосфора, а во-вторых, добавлять в сталь молибден или вольфрам.

Отпускная хрупкость I рода часто совпадает по температуре со средним отпуском, поэтому пружины и рессоры характеризуются минимальным запасом вязкости.

ПОВЕРХНОСТНАЯ ЗАКАЛКА С НАГРЕВОМ ТОКАМИ

Все детали, подвергаемые упрочняющей обработке, можно разделить на две группы. К первой группе относятся детали, работающие главным образом на износ. В этом случае упрочняющая обработка должна обеспечить лишь необходимые свойства поверхностного слоя (твердость, износостойкость и т.п.). Ко второй группе относятся детали, испытывающие при работе значительные нагрузки: растягивающие (сжимающие), изгибающие, крутящие, контактные.

Такие детали в свою очередь можно разделить на два класса. К первому классу относятся детали, в процессе эксплуатации нагружаемые на растяжение и сжатие. В них напряжения от рабочих нагрузок распределяются по сечению более, или менее равномерно. Поэтому для таких деталей применяют сквозное упрочнение.

Ко второму классу относятся детали, работающие на изгиб или кручение, либо при высоких контактных нагрузках. В них напряжения от прилагаемых рабочих нагрузок максимальны на поверхности и близки к нулю в центре поперечного сечения. Следовательно, для таких деталей сквозное упрочнение на высокую прочность не является обязательным. Для них, обычно, применяют поверхностное упрочнение (цементацию, азотирование, поверхностную закалку, пластическую деформацию и др.).

Одним из наиболее распространенных методов поверхностного упрочнения является поверхностная закалка. Существует большое разнообразие методов поверхностной закалки. При этом методы нагрева поверхностного слоя могут быть различными:

1) погружением в расплавленные металлы или соли – разогрев поверхности ведется за счет кратковременного погружения детали в горячую среду. После нагрева детали охлаждают в воде или масле. Толщина закаленного слоя определяются временем выдержки в горячей среде. Недостаток – невозможность получения тонкого закаленного слоя;

2) пламенем ацетелено-кислородной или газовой горелки;

3) с нагревом поверхности лазером. При этом способе закалки разогрев поверхности осуществляется за счет воздействия на неё высокоэнергетического пучка излучения. Интенсивность энергии настолько велика, что поверхность в течение нескольких долей секунд может быть нагрета до расплавления. Охлаждение поверхности после нагрева происходит за счет теплоотвода в глубь детали. Дополнительное охлаждение водой не требуется. Перемещая луч лазера по поверхности можно закаливать как отдельные участки детали, так и всю её поверхность. Этим способом можно закаливать внутренние поверхности детали, не закаливая её наружную поверхность. Глубина закаленного слоя регулируется временем, освещая её лазером. При таком способе закалки она может меняться от нескольких микрон до десятков и сотен микрон;

4) электротоком, индуктируемым в поверхностных слоях детали (так называемая закалка с нагревом токами высокой частоты – ТВЧ).

Нагрев осуществляется ацетиленокислородным, газокислородным или керосинокислородным пламенем с температурой 3000…3200 o С.

Структура поверхностного слоя после закалки состоит из мартенсита, мартенсита и феррита. Толщина закаленного слоя 2…4 мм, твердость 50…56 HRC.

Метод применяется для закалки крупных изделий, имеющих сложную поверхность (косозубые шестерни, червяки), для закалки стальных и чугунных прокатных валков. Используется в массовом и индивидуальном производстве, а также при ремонтных работах.

Читать также:  Принцип работы перфоратора бош

При нагреве крупных изделий горелки и охлаждающие устройства перемещаются вдоль изделия, или – наоборот.

сложность регулирования глубины закаленного слоя и температуры нагрева (возможность перегрева).

В настоящее время применяется преимущественно закалка с нагревом токами высокой частоты – ТВЧ. Преимущества высокочастотного нагрева:

а) высокая производительность;

б) более высокие механические свойства, чем после обычной закалки;

в) отсутствие выгорания углерода и других элементов;

г) отсутствие заметного окисления и образования окалины;

д) минимальное коробление;

е) глубина закаленного слоя может довольно точно регулироваться.

Физические основы и особенности индукционного нагрева.

П Как влияет температура отпуска на свойства сталей

Рисунок 1. Схема индукционного нагрева

ри индукционном нагреве металлическое тело помещается в зону концентрированного магнитного поля проводника или катушки с переменным электрическим током (рисунок 1). При прохождении переменного тока по виткам катушки (индуктора) внутри нее создается магнитное поле, изменяющееся по величине и направлению аналогично току. Переменное магнитное поле, пересекая при своих изменениях объемы металла, находящиеся в зоне действия поля индуктора, в соответствие с законом электромагнитной индукции возбуждает в их поверхностных слоях электродвижущую силу. Объект нагрева является электропроводником, поэтому индуктированная ЭДС, вызывает в нем переменный ток той же частоты, что и ток индуктора.

Тепловое действие индуктированного электрического тока вызывает нагрев части детали, находящейся в зоне действия переменного магнитного поля индуктора. Количество тепла можно подсчитать по формуле

где I – сила тока, А;

R – сопротивление проводника металла, Ом;

τ – время прохождения тока, с.

Таким образом, основным отличием индукционного нагрева от нагрева в печах является выделение теплоты непосредственно в зонах детали, подвергаемых воздействию переменного магнитного поля и электрического тока.

Это обусловливает высокую скорость нагрева и возможность осуществлять местный зональный нагрев. В теории индукционного нагрева доказывается, что ток индуктора Iu и мощность, выделяемая в нагреваемой детали Рд связаны соотношением

Как влияет температура отпуска на свойства сталей,

где К – коэффициент, зависящий от размеров индуктора и нагреваемой детали;

 – удельное сопротивление, Омсм;

μ – магнитная проницаемость, Гс/э;

f -частота тока, Гц.

Повышение частоты тока позволяет концентрировать в небольшом объеме нагреваемой детали значительную мощность (до 3. 5 кВт/см 3 ) и тем самым выполнять индукционный нагрев с большой скоростью – до 300. 500 °С/с.

Как влияет температура отпуска на свойства сталей

Рисунок 2 Схема технологического

процесса закалки ТВЧ

После нагрева в течение 3…5 с индуктора 2 деталь 1 быстро перемещается в специальное охлаждающее устройство – спрейер 3, через отверстия которого на нагретую поверхность разбрызгивается закалочная жидкость (рисунок 2).

Поверхностный эффект. При переменном токе плотность тока в сечении проводника не одинакова. Ток протекает преимущественно по поверхностным слоям проводника, и при достаточно высоких частотах плотность тока в сердцевине ничтожно мала. Для упрощения количественного учета поверхностного эффекта вводят понятие об эквивалентной глубине проникновения тока. Считают, что ток протекает по поверхности проводника только в слое, равном глубине проникновения, и имеет на этой глубине равномерную плотность, а в более глубоких слоях изделия ток отсутствует.

Глубину проникновения тока (в см) подсчитывают по формуле

Как влияет температура отпуска на свойства сталей

Нагрев током и нагрев теплопроводностью. В слое нагреваемого металла, равном глубине проникновения тока выделяется примерно 87% всей тепловой энергии, возбуждаемой в объекте нагрева, а остальные 13% возбуждаются в более глубоких слоях. В связи с этим без большой погрешности можно считать, что слой стали, равный по величине горячей глубине проникновения, нагревается непосредственно током, циркулирующим в нём, а более глубокие слои нагреваются в результате передачи теплоты от наружного активного токонесущего слоя.

Выбор частоты тока при индукционном нагреве. Ток высокой частоты для индукционного нагрева металла получают от специального машинного генератора (частота от 500 до 5000 и даже 15000Гц) или от лампового генератора (частота до I0000000 Гц). При выборе частоты тока необходимо обеспечить соблюдение, условий:

а) выбранная частота тока должна быть не меньше некоторого её значения f1, ниже которого при данных размерах детали и индуктора возможен нагрев лишь до температуры, соответствующей потере сталью магнитных свойств (740. 770°С). (Рис. 3).

б) желательно, чтобы выбранная частота тока была не меньше некоторого её значения f2. При таких частотах КПД индуктора имеет достаточно высокое значение (0,7. 0,8).

Высокая скорость высокочастотного нагрева (сотни градусов в секунду) обусловливает смещение фазовых превращений в область более высоких температур. Следовательно, температура высокочастотной закалки должна быть выше температуры закалки при обычном печном нагреве и тем выше, чем выше скорость нагрева, грубее выделения избыточного феррита в доэвтектоидных сталях. Например, сталь 40 при печном нагреве закаливается с температур 840–860 °С, при индукционном нагреве со скоростью 250 °С/с — с температур 880–920 °С, а при скорости нагрева 400 °С/с — с температур 930–980 °C.

При правильных режимах нагрева после охлаждения получается структура мелкоигольчатого мартенсита. Твердость повышается на 2…4 HRC по сравнению с обычной закалкой, возрастает износостойкость и предел выносливости.

Перед закалкой ТВЧ изделие подвергают нормализации, а после закалки низкому отпуску при температуре 150…200 o С (самоотпуск).

Наиболее целесообразно использовать этот метод для изделий из сталей с содержанием углерода более 0,4 %.

Оцените статью
Добавить комментарий

Adblock detector