Структура получаемая после закалки и среднего отпуска

По температуре нагрева различают низкий, средний и высокий отпуск.

Низкий отпуск на отпущенный мартенсит (120 — 250 °С) широко применяют после закалки инструментов, цементованных и цианированных изделий и после поверхностной закалки.

Цель низкого отпуска — уменьшение остаточных закалочных напряжений; температуру низкого отпуска выбирают такой, чтобы твердость и износостойкость не снизились или слабо снизились. Выдержка при температуре низкого отпуска обычно не превышает 1 — 3 ч; с дальнейшим увеличением выдержки остаточные натяжения очень слабо уменьшаются.

Разновидность низкого отпуска — стабилизирующий отпуск. В закаленной стали даже при комнатной температуре, а тем более в результате климатических колебаний температуры происходят медленные (в течение многих лет) процессы распада мартенсита, перехода остаточного аустенита в мартенсит и снятия напряжений.

Все эти явления ведут к постепенному изменению размеров изделия. Для таких изделий, как мерительный инструмент высокого класса точности и прецизионные подшипники, недопустимы изменения размеров даже на несколько микронов. Поэтому размеры таких изделий необходимо стабилизировать.

Вредное влияние остаточного аустенита устраняют, уменьшая его количество при обработке холодом (смотрите Нагрев и охлаждение при закалке сталей). Стабилизации мартенсита и напряженного состояния достигают низким (стабилизирующим) отпуском при 100 — 180 °C с выдержкой до 30, а иногда и до 150 ч.

Средний отпуск на троостит (350 — 450 °С)
— сравнительно редкая операция. Ее используют тогда, когда необходимо сочетание высокой прочности, упругости и вместе с тем достаточной вязкости. Среднему отпуску подвергают пружины и рессоры.

Высокий отпуск на сорбит (450 — 650 °С) широко применяют в машиностроении к изделиям из конструкционной стали, которые должны характеризоваться не только достаточной прочностью, но и хорошей сопротивляемостью ударным нагрузкам. Выдержку при высоком отпуске (обычно несколько часов) подбирают опытным путем для получения заданного комплекса свойств.

Квазиэвтектоидную сорбитную структуру можно получить нормализацией непосредственно из аустенита при охлаждении стали, причем твердость можно получить равной твердости стали после высокого отпуска. Однако при одинаковой твердости относительное сужение и ударная вязкость будут значительно выше у отпущенной стали.

Объясняется это тем, что твердость зависит главным образом от дисперсности феррито-цементитной смеси, а на относительное сужение и ударную вязкость сильно влияет форма цементита. В сорбите, полученном при распаде аустенита, цементит имеет форму длинных пластин, а в сорбите отпуска — форму коротких пластинок с округлыми краями или сфероидальную форму, обеспечивающую более высокую вязкость стали.

Двойная операция получения сорбита — закалка с высоким отпуском — называется улучшением. Эту операцию применяют к среднеуглеродистым сталям, содержащим от 0,35 до 0,6% С. Такие стали называют улучшаемыми в отличие от малоуглеродистых цементуемых. При закалке создаются большие остаточные напряжения, чем при нормализации.

Несмотря на это, для ответственных деталей машин, как правило, предпочитают улучшение, так как выигрыш в ударной вязкости весьма значителен. Кроме того, при высоком отпуске закалочные напряжения почти полностью снимаются.

Качество закалки сильно сказывается на свойствах стали после высокого отпуска. Деталь при улучшении должна прокаливаться насквозь. В противном случае после высокого отпуска внутренние слои при одинаковой твердости будут иметь меньшую ударную вязкость, чем внешние слои, так как первые будут содержать пластинчатый цементит, а вторые — точечный или зернистый. Если при охлаждении не было полностью подавлено выделение избыточного феррита во внутренних слоях, то понижается не только ударная вязкость, но и предел прочности, твердость и особенно усталостная прочность.

Например, заготовка из стали 45 диаметром 15 мм прокаливается в воде насквозь, и в центре ее после высокого отпуска получается структура зернистого сорбита, характеризующаяся следующими свойствами: σв = 80 кгс/мм 2 , σ0,2 = 65 кгс/мм 2 , δ = 16% и ан = 10 кгсм/см 2 . Центральные слои заготовки диаметром 100 мм охлаждаются со скоростью значительно меньше критической скорости закалки.

При этом в центральных слоях получается структура пластического сорбита с избыточным ферритом, которая характеризуется пониженными показателями прочности и пластичности по сравнению со структурой зернистого сорбита: σв = 70 кгс/мм 2 , σ0,2 = 45 кгс/мм 2 , δ = 13% и ан = 5 кгсм/см 2 .

Скорость охлаждения с температуры отпуска не сказывается на механических свойствах углеродистых сталей, и если не опасны термические напряжения, то можно проводить ускоренное охлаждение.

Иногда закалку и отпуск совмещают в одной операции, которую называют закалкой с самоотпуском. Изделие кратковременно погружают в воду или обрызгивают водой. Поверхностный слой закаливается на мартенсит и затем отпускается за счет тепла внутренних слоев изделия.

Таким способом проводят сорбитизацию поверхностного слоя головки рельса, который должен сопротивляться смятию и истиранию и вместе с тем иметь достаточную ударную вязкость и высокий предел выносливости, что обеспечивается структурой сорбита отпуска.

«Теория термической обработки металлов»,
И.И.Новиков

Структура получаемая после закалки и среднего отпуска

Легирующие элементы, затрудняющие распад мартенсита и коагуляцию карбидов (смотрите Структурные изменения при отпуске сталей), смещают температурную границу начала интенсивного разупрочнения при отпуске с 200 — 300 до 450 — 550 °С. Повышение красностойкости закаленной стали, т. е. способности ее сопротивляться смягчению при нагревании, — одна из основных целей легирования в производстве инструмента. Для конструкционных легированных…

Структура получаемая после закалки и среднего отпуска

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…

Структура получаемая после закалки и среднего отпуска

Характер зависимости механических свойств мартенситно-стареющих сталей от температуры отпуска такой же, как у всех дисперсионно-твердеющих сплавов: рост прочностных свойств, достижение максимума упрочнения и затем разупрочнение. По аналогии со старением можно выделить стадии упрочняющего и разупрочняющего отпуска. Упрочнение вызвано образованием сегрегаций на дислокациях и, главное, частично когерентных выделений промежуточных фаз типа Ni3Ti и Ni3Mo. Разупрочнение связано,…

Читать также:  Клей пластик к металлу

Структура получаемая после закалки и среднего отпуска

Диффузионная подвижность атомов легирующих элементов, растворенных в α-железе по способу замещения, на много порядков ниже, чем диффузионная подвижность атомов углерода, который растворен в железе по способу внедрения. При температурах отпуска ниже примерно 450 °С в матрице не происходит диффузионного перераспределения легирующих элементов: из α-раствора выделяются карбиды железа, в которых концентрация легирующих элементов такая же, как…

Структура получаемая после закалки и среднего отпуска

Мартенситностареющие стали — это безуглеродистые сплавы на базе системы Fe — Ni, легированные дополнительно кобальтом, молибденом, титаном и другими элементами. Типичный пример — сплав железа с 17 — 19% Ni, 7 — 9% Со, 4,5 — 5% Мо и 0,6 — 0,9% Ti (Н18К9М5Т). Сплавы этого типа после воздушной закалки на мартенсит подвергают отпуску при…

Операция отпуска проводится после закалки стали. Само название этой операции говорит о том, что сталь как бы отпускается из напряженного, закаленного состояния. В результате снижается хрупкость, повышается вязкость и сопротивление ударной нагрузке.

Посмотрим, какие же изменения происходят в закаленной стали при отпуске. Как мы уже видели, структура закаленной стали представляет собой пересыщенный твердый раствор углерода в железе, что вызывает сильные внутренние напряжения. Вследствие этого атомная решетка искажается, превращаясь из кубической в тетрагональную, а сталь приобретает хрупкость и легко разрушается при ударных нагрузках. Если же устранить внутренние напряжения, то, не снижая прочности и твердости стали, можно уменьшить хрупкость и тем самым существенно улучшить ее эксплуатационные свойства, что и достигается операцией отпуска с нагревом до температуры 150—200°С. Это так называемый Что же происходит при низком отпуске? Под действием повышенной температуры атомы углерода приобретают более высокую подвижность и благодаря этому выходят из твердого раствора. Они образуют с атомами железа химическое соединение — карбид Fe 2 C При этом внутренние напряжения в атомной решетке железа уменьшаются, и в результате снижается хрупкость закаленной стали. Образующиеся карбиды имеют настолько малые размеры, что их невозможно обнаружить с помощью микроскопа, поэтому видимых изменений в микроструктуре после низкого отпуска не наблюдается. Зато свойства стали существенно улучшаются.

Низкий отпуск применяют в тех случаях, когда после закалки необходимо сохранить высокую твердость и износостойкость стали. Для завершения всех процессов, происходящих при низком отпуске, достаточно дать выдержку при температуре 200°С в течение 1 ч. Хотя при этом не весь углерод выходит из раствора, однако продолжение выдержки не дает существенных изменений. Твердость стали после низкого отпуска зависит от содержания в ней углерода. В высокоуглеродистых сталях, содержащих более 0,7% С, она бывает обычно в пределах HRC 59—63.

При повышении температуры отпуска до 200—300°С происходят изменения в структуре: остаточный аустенит превращается в отпущенный мартенсит. В легированных сталях это превращение происходит при более высокой температуре. В некоторых высоколегированных сталях, например, в быстрорежущих, которые содержат до 35% остаточного аустенита, превращение его в мартенсит происходит при нагреве свыше 500°С.

При дальнейшем повышении температуры до 300— 400°С в углеродистой закаленной стали полностью завершается процесс выделения углерода из твердого раствора. Карбид Fe 2 C преобразуется в знакомый нам цементит Fe 3 C. Иными словами, в результате отпуска при 300—400°С происходит распад мартенсита и образуется структура, состоящая из феррита, в котором будут равномерно распределены мельчайшие кристаллики цементита. Такая структура называется Твердость троостита приблизительно HRC 45—50.

При повышении температуры отпуска до 450°С и более происходят существенные изменения как в структуре, так и в свойствах закаленной стали, обусловленные укрупнением цементитных частиц: мелкие частицы как бы сливаются с более крупными. Такой процесс называется . При температуре отпуска свыше 450°С частицы цементита становятся настолько крупными, что их без труда можно различить при наблюдении под микроскопом. Такую ферритно-цементитную структуру, полученную в результате закалки и отпуска при указанной температуре, называют Таким образом, сорбит отличается от троостита только тем, что частицы цементита в нем более крупные. Твердость сорбита приблизительно HRC 30—45.

Если теперь повысить температуру отпуска до 600— 650°С, то частицы цементита укрупнятся настолько, что структура по виду будет приближаться к обычному перлиту, который был до закалки. Тем не менее будут и отличия: перлит, полученный после закалки и отпуска, будет иметь более однородное мелкодисперсное строение. Это способствует улучшению свойств стали, и потому сочетание закалки с высоким отпуском носит название

Отпуск закаленной стали в интервале температур 300—450°С принято называть средним, а отпуск в интервале температур 500—600°С — высоким.

При среднем отпуске закаленной стали образуется трооститная структура, и сталь приобретает наиболее упругие свойства. Поэтому такой отпуск применяют при обработке рессорно-пружинных сталей.

При высоком отпуске образуется сорбитная структура. При этом значительно снижается твердость стали, но зато существенно повышается ее вязкость и сопротивление ударной нагрузке (ударная вязкость). Кроме того, как установлено исследованиями, высокий отпуск почти полностью (на 90—95%) устраняет внутренние напряжения, поэтому его применяют для многих ответственных деталей и инструментов, работающих в условиях динамической нагрузки: валов, шатунов, молотовых штампов и др.

Отпуск легированных сталей имеет существенные особенности. До температуры 150°С легирующие элементы не оказывают существенного влияния на процесс отпуска. Но при более высоких температурах такие элементы, как хром, молибден, вольфрам, ванадий, титан и кремний, тормозят распад мартенсита, а также образование и рост (коагуляцию) карбидных частиц. Объясняется это тем, что как для распада мартенсита, так и для роста карбидных частиц необходима диффузия (перемещение) атомов углерода, а легирующие элементы препятствуют этому. Поэтому в углеродистых сталях мартенсит сохраняется только до 300—350°С, в легированных сталях — до 450—500°С, а в высоколегированных он может сохраняться до еще более высоких температур. Это имеет важное практическое значение для деталей и инструментов, от которых требуется сохранение высокой твердости и износостойкости в условиях повышенной температуры.

Читать также:  Ударный пистолет для откручивания

Однако при отпуске легированных сталей наблюдается отрицательное явление, известное под названием Оно заключается в том, что в случае отпуска таких сталей при температурах 250— 400°С или 500—550°С происходит падение сопротивления стали ударной нагрузке, т. е. возникает хрупкость. В первом случае хрупкость вызывается тем, что в интервале температур 250—400°С при распаде мартенсита образуются карбиды, которые выделяются преимущественно по границам кристаллов мартенсита. Это приводит к возникновению больших внутренних напряжений, а следовательно, к хрупкости. Для устранения такой хрупкости нужно провести повторный нагрев выше 400°С, однако при этом уже получится пониженная твердость. Во втором случае при отпуске в интервале температур 500—550°С хрупкость наблюдается, если охлаждение после отпуска было замедленным. Ученые полагают, что такая хрупкость вызывается диффузией к границам зерен фосфора и некоторых других элементов. Одни из легирующих элементов, например хром в сочетании с никелем, марганцем или кремнием, усиливают такую диффузию, а значит повышают хрупкость. Другие, как, например, вольфрам или молибден, тормозят диффузию, а следовательно, подавляют отпускную хрупкость. При быстром охлаждении после отпуска диффузия не успевает произойти, и отпускная хрупкость не наблюдается.

Однако резкое охлаждение после высокого отпуска, особенно крупных деталей, может вызвать внутренние напряжения и потому не всегда допустимо. Именно в таких случаях в сталь вводят небольшое количество вольфрама или молибдена, и тогда отпускная хрупкость даже в условиях медленного охлаждения после отпуска не возникает.

Возможно, вам не раз приходилось слышать эти термины, когда речь шла о кованых ножах, да и вообще о сталях. Настало время разобраться, что же они означают.

Закалка, по своей сути – это нагрев готового изделия до определенной температуры с последующим охлаждением с определенной скоростью, а отпуск – это следующий за закалкой дополнительный нагрев до более низких температур с иных режимом охлаждения; каким именно, зависит от марки стали. Скорость регулируется т.н. «закалочной средой» – жидкостью, в которой клинок охлаждается с определенной скоростью: машинное масло, солевые растворы, поток воздуха с и т.п. Например, масло охлаждает со скоростью примерно в 6 раз меньшей, чем циркулирующая вода.

Чтобы перейти к конкретным цифрам, нужно понять, зачем вообще нужны эти два процесса.

Что улучшает правильная закалка стали

Если спросить среднестатистического человека, который не имеет отношения к ковке ножей, на вопрос «Что дает закалка?» он первым делом скажет о прочности. В целом, он будет прав, хотя из нескольких качеств, которые улучшает закалка, лидировать будет все-таки твердость. Но обо всем по порядку.

  • Твердость клинковых сталей, как правило, измеряется по шкале Роквелла (HRC); европейские ножи чуть не дотягивают до показателя в 60 HRC, азиатские чуть переваливают за эту отметку. Если мы будем царапать друг о друга два одинаковых сплава различной твердости, следы останутся на том, что мягче; таким образом, твердость дает нам понятие о том, как хорошо сплав сопротивляется механическим повреждениям.
  • Прочность обычно подразумевает стойкость стали к разрушению (на изгиб, на удар и т.д.) – для ножа это важно, когда мы, к примеру, проверяем его «на изгиб». Если сталь сыровата, то клинок после сгибания частично останется деформированным. Правда, если сталь перекалена, будет еще хуже – клинок сломается; поэтому при закалке важно соблюдать золотую середину.
  • Упругость. Это как раз то, о чем мы говорили чуть выше – способность возвращать исходную форму после снятия нагрузки. Если закалка сделана по всем правилам, с этим показателем все будет в порядке: при изгибе примерно на 10 градусов (а для тонких кухонных ножей и до 30) клинок вернет изначальную форму.
  • Износостойкость. Правильный режим закалки улучшает все показатели, которые входят в это понятие: способность сопротивляться механическому и абразивному износу, способность держать заточку и стойкость к ударным нагрузкам.

Главное в погоне за всеми этими качествами – достичь закалкой такого компромисса всех вышеуказанных свойств, чтобы нож и резал хорошо, и был прочен.

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.

Структура получаемая после закалки и среднего отпуска

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.
Читать также:  Видео урок сварки электродом

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.

Структура получаемая после закалки и среднего отпуска

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.

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:

О последнем образце можно сказать, что он исключительно износостоек.

Закалка ножевой стали в домашних условиях

Для простых углеродистых сталей даже в кустарных условиях можно сделать удовлетворительную закалку, главное – вооружиться правильными знаниями.

В качестве исходников можно использовать отслужившие инструменты, рессоры и напильники; следите, чтобы на них не было ржавчины. Заготовка из новенького переплавленного металла, конечно, лучше, так как детали, которые долго служили, имеют такое качество, как усталость, что снижает их прочность. Хотя для качественных материалов достаточно провести отжиг, который заключается в нагреве стали, выдержке при определенной температуре и последующем медленном охлаждении вместе с печью или в песке со скоростью два-три градуса в минуту. В результате отжига образуется устойчивая структура, свободная от остаточных напряжений.

И для отжига, и под нагрев детали под закалку можно использовать самодельный горн из ямы, обложенной кирпичами, из паяльной лампы и трубы. В идеале, конечно, пользоваться муфельной печью.

Проверить в домашних условиях, дошла ли закалка до нужной степени, просто: можно провести напильником по закаленному изделию – если закалка не прошла до конца, напильник просто прилипнет к ножу. Перекал проверятся в кустарных условиях сильным ударом заготовки по твердому предмету – камню или рельсу: перекаленный клинок разлетается при таком ударе на части.

Оставить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *