Основные положения. Отпуск стали – это заключительная операция термической обработки от правильности проведения которой зависит качество детали

Отпуск стали – это заключительная операция термической обработки от правильности проведения которой зависит качество детали. При отпуске закаленная сталь нагревается ниже нижней критической точки А_С1, выдерживается при заданной температуре и охлаждается с определённой скоростью.

Цели отпуска:

- перевести структуру стали в более равновесное состояние;

- уменьшить закалочные напряжения;

- получить оптимальные технологические свойства стали;

- обеспечить механические свойства, необходимые в условиях эксплуатации конкретной детали.

Отпуск проводится сразу после закалки стали, чтобы избежать разрушения стали от закалочных напряжений.

Режим отпуска определяется скоростью и температурой нагрева; временем выдержки в печи (см. табл. 1); скоростью охлаждения.

Скорость нагрева стали до температуры отпуска зависит от химического состава стали, размеров и формы обрабатываемых деталей, массы веса садки, типа нагревательного оборудования и т.д. В практике термообработки скорость нагрева конструкционных сталей определяется возможностями нагревательного оборудования.

Температура нагрева оказывает основное влияние на свойства стали при отпуске. С повышением температуры отпуска твёрдость и прочность уменьшаются, а пластичность и вязкость увеличиваются. Различают низкотемпературный (низкий) отпуск, среднетемпературный (средний) и высокотемпературный (высокий) отпуск.

Таблица 1 - Время выдержки в печи при отпуске или низкотемпературном отжиге

Условная толщина детали, мм	Время выдержки, мин, при температуре
< 3000С	300-4000С	> 4000С
До 20

Низкий отпуск проводится при температуре 150…250ºС. При этих температурах подвижность атомов всех компонентов стали невысока, поэтому начинающийся процесс распада мартенсита закалки с выделением мельчайших частиц цементита протекает в незначительной степени и твёрдость стали остается высокой (снижается всего на 1…5 HRC). Образующаяся в результате низкого отпуска структура называется мартенситом отпуска. По сравнению с мартенситом закалки у мартенсита отпуска заметно снижаются закалочные напряжения и склонность стали к хрупкому разрушению; пластичность и вязкость немного выше. Так как низкий отпуск почти не снижает твёрдость стали, полученную при закалке, его применяют для изделий, которым в условиях эксплуатации необходима высокая твёрдость и износостойкость, например, режущий и мерительный инструмент; подшипники качения; цементованные, цианированные и поверхностно закаленные детали (зубья шестерен, шейки коленчатых валов, кулачки распредвалов и др.).

Фактически структурные изменения, происходящие при низком отпуске, малозаметны под микроскопом, они выявляются рентгеноструктурным анализом. Но мартенсит отпуска травится кислотами более интенсивно, чем мартенсит закалки, потому кристаллы мартенсита отпуска под микроскопом кажутся более темными.

Мартенсит закалки Мартенсит отпуска

На практике температуру низкого отпуска иногда определяют «на глаз» - по цветам побежалости, т.е. по цвету зачищенной поверхности стали. Образующаяся на этой поверхности оксидная плёнка изменяет свой цвет в зависимости от температуры нагрева стали. Каждому цвету побежалости соответствует определенная температура (см. плакат «Цвета побежалости – температура ºС»). Часто этим методом пользуются при самоотпуске деталей и инструмента после местной закалки, например, зубила, кувалды, молотка, лемеха.

Средний отпуск проводится при температуре 300…500ºС. Такой нагрев закаленной стали почти полностью снимает её внутренние напряжения и приводит к диффузионному распаду мартенсита закалки на мелкодисперсную феррито-цементную смесь, называемую трооститом отпуска. Троостит отпуска характеризуется следующими механическими свойствами:

- относительно высокой твёрдостью (40…52 HRC);

- высоким значением пределов упругости и выносливости при достаточной прочности;

- большой релаксационной стойкостью.

Средний отпуск применяется для деталей, которые в условиях эксплуатации должны иметь максимально упругие свойства при относительно высокой твердости, например, пружины, рессоры, торсионные валы, штамповый и ударный инструмент. Следует отметить, что частицы цементита в троостите отпуска всегда имеют зернистую форму, а в троостите, образующемся при охлаждении аустенита – пластинчатую. Именно этим и объясняется более высокий комплекс механических свойств троостита отпуска.

Так как троостит отпуска состоит из дисперсных частиц феррита и цементита, то под металлографическим микроскопом при обычных увеличениях он четко не выявляется, а наблюдается в виде сильно травящихся темных образований.

Высокий отпуск проводят при температуре 500…680ºС. При этом полностью снимаются внутренние напряжения стали и происходит не только распад мартенсита закалки на феррито-цементитную смесь, но и коагуляция (укрупнение) и сфероидизация (округление) цементитных частиц. Зерна феррита также укрупняются и становятся более равновесными. Такая структура называется сорбитом отпуска.

С укрупнением цементитных частиц заметно уменьшаются твердость (до 15…35 HRC в зависимости от химического состава стали и температуры нагрева) и прочность; пластичность и вязкость достигают максимальных значений. Поэтому высокому отпуску подвергают детали, работающие при ударных и переменных нагрузках: шатуны, силовые шпильки, балансиры, передние оси автомобилей, болты и др. Сорбит отпуска как феррито-цементитная смесь отчетливо выявляется под металлографическим микроскопом вследствие большей величины частиц феррита и цементита, чем в троостите.

Сорбит отпуска по сравнению с сорбитом, полученным при охлаждении аустенита, обеспечивает для среднеуглеродистой конструкционной стали наилучшее соотношение прочности, пластичности и вязкости. Это объясняется зернистой формой цементитных частиц в сорбите отпуска. В связи с этим термообработку на сорбит отпуска (закалку с последующим высоким отпуском) назвали улучшением.

Троостит отпуска Сорбит отпуска

Продолжительность отпуска зависит от температуры отпуска, химического состава стали, габаритов и массы веса садки, оборудования для нагрева и состовляет от нескольких минут до нескольких часов (см. табл. 1).

Скорость охлаждения температуры нагрева влияет на тепловые напряжения. Чем медленнее охлаждение, тем меньше тепловые напряжения и коробление, поэтому большинство сталей охлаждают после отпуска на воздухе.

Таким образом, выбор вида и режима отпуска для конкретной детали определяется её назначением и требованиями условий ее эксплуатации.