Изменение механических свойств при отпуске сталей и выбор режима отпуска

Высокий отпуск

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).

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».

Закалка

Закалка стали – это процесс термообработки, суть которого заключается в нагреве стали до температуры выше критической с последующим быстрым охлаждением. В результате этой операции повышаются твердость и прочность стали, а пластичность снижается.

При нагреве и охлаждении сталей происходит перестройка атомной решетки. Критические значения температур у разных марок сталей неодинаковы: они зависят от содержания углерода и легирующих примесей, а также от скорости нагрева и охлаждения.

После закалки сталь становится хрупкой и твердой. Поверхностный слой изделий при нагреве в термических печах покрывается окалиной и обезуглероживается тем более, чем выше температура нагрева и время выдержки в печи. Если детали имеют малый припуск для дальнейшей обработки, то брак этот является неисправимым. Режимы закалки закалки стали зависят от ее состава и технических требований к изделию.

Охлаждать детали при закалке следует быстро, чтобы аустенит не успел превратиться в структуры промежуточные (сорбит или троостит). Необходимая скорость охлаждения обеспечивается посредством выбора охлаждающей среды. При этом чрезмерно быстрое охлаждение приводит к появлению трещин или короблению изделия. Чтобы этого избежать, в интервале температур от 300 до 200 градусов скорость охлаждения надо замедлять, применяя для этого комбинированные методы закалки. Большое значение для уменьшения коробления изделия имеет способ погружения детали в охлаждающую среду.

Закалка стали 45

В целом, отжиг стали или же ее нормализация являются подготовкой сплава к последующим процессам термообработки. Вторым по счету процессом обработки идет закалка стали 45

. С виду может показаться, что этот этап полностью дублирует отжиг и нормализацию:Закалка стали 45 также состоит из двух основных технологических операций: нагрева и охлаждения. Однако у него имеются свои довольно важные отличительные характеристики.

Если быть точнее, то этой важной отличительной чертой будет скорость охлаждения стали. В случае с закалкой стали 45 заготовка сперва нагревается до температуры, которая превышает критическую

После этого сталь будет сразу же охлаждена в специальной жидкости. В роли такой жидкости может выступать чистая вода, вода с растворами солей, вода с содержанием в составе 5%-й каустической соды, либо же различные минеральные масла (рис. 1)

Рисунок 1

Закалка стали 45

в воде производится при температуре жидкости от +20°С до +30°С. Если в качестве закалочной среды используют раствор каустической соды, то его температура будет составлять от +50°С до +60°С.Температура закалки стали 45 , при которой этот материал помещают в охлаждающую жидкость, составляет от + 820 °С до + 860°С. Визуально подобные температуры соответствует диапазону от светло-красного до темно-оранжевого цвета.

Н агрев стали до этих значений обычно выполняется в специальных печах. Но в некоторых случаях также применяется закалка стали 45

токами высокой частоты (ТВЧ). Между этими двумя методами существует разница в о времени выдержк и заготовки. Это обусловлено тем, что данные установки имеют раз лич ные режимы нагрева. При этом с помощью ТВЧ сталь 45 будет нагрета за более быстрый промежуток времени в сравнении с обычной печью.

Устройство для нагрева стали

Температура нагрева стали

От +820°С до +860°С

От +880°С до +920°С

Несмотря на то, что при использовании ТВЧ нагрев стали 45 нужно выполнять до чуть более высоких температур, как такового перегрева материала не происходит. Размер и структура у зерна остается прежним, так как для нагрева через ТВЧ требуется намного меньше времени. Кстати говоря, с помощью проведения закалки токами высокой частоты, твердость стали 45

возрастает по шкале Роквелла (HRC) возрастает приблизительно на 2-3 единицы.

При нагреве стали 45 до температуры, превышающей критическое значение на отметку в +30°С — +50°С, материал достигнет своего аустенитного состояния. Иначе говоря, атомная решетка железа (Fe) изменит объемно-центрированн ой вид на решетку гранецентрированной формы. У глерод (С), содержащийся в перлит е как кристалл ы соединения Fe 3 C (цементита) примет вид твердого раствора — атомы внедрятся в гранецентрированную решетку.

После помещения раскаленного материала в охлаждающую ванну для закалки, температура стали 45

очень быстро понижается до значения комнатной от +20°С до +25°С. Само собой, в связи с этим в структуре сразу происходит процесс обратной перестройки атомной решетки металла — из гранецентрированной она возвращается в исходную объемно-центрированную. Именно это и придает итоговому материалу высокую твердость и прочность.

Дело в том, что при комнатной температуре рабочей среды атомы будут иметь крайне малую степень подвижности. Поэтому при резком охлаждении они попросту не успевают выйти из состояния раствора и образовать цементит. Получается, что сам углерод силой удерживается в решетке железа, тем самым образовывая перенасыщенный твердый раствор. В решетке при этом создается избыточное внутреннее напряжение от атомов углерода.

Виды отпуска стали

Каждый вид характеризуется назначением, условиями проведения, предписанным температурным режимом, которые прорабатываются в зависимости от последующих условий эксплуатации заготовки, необходимости придания ей определенных характеристик.

  1. Низкий. Температура нагрева — 150-300 ºC;
  2. Средний. С температурой нагрева — 300-450 ºC;
  3. Высокий. Температура — 450-650 ºC.

Низкий

Процедура проводится с учетом нагрева в печи до 150-250 ºC. Далее проводится продолжительная выдержка, учитывая значение температуры, завершающей стадией является охлаждение заготовки на открытом воздухе.

По завершении операции, металл сохраняет твердость, но в отдельных случаях, показатель увеличивается. Достигается результат благодаря распаду остаточного аустенита. Параллельно с сохранением твердости, локализуется хрупкость закалки. Данный вид операции используется при изготовлении различных изделий, режущего инструмента, при условии, что обеспечивается высокая твердость конструкции. Благодаря трансформации мартенсита, обеспечивается стабилизация габаритов заготовки. Это актуально при условии соблюдения параметров измерительного инструмента, в процессе изготовления которого используется инструментальная сталь. При изготовлении инструмента проводится именно данный вид операции.

Средний

Предусматривается соблюдение температуры 300-500 ºC. Твердость на последней стадии стремительно понижается, но увеличивается значение вязкости. Можно получить троостит отпуска, твердость металла повышается до значения 43 HRC. Применяется в процессе изготовления пружин, рессор, специального технологического инструмента, для которого характерна высокая прочность, упругость. При этом – твердость устанавливается на среднем уровне, это позволит осуществлять обработку заготовки, придание ей нужных характеристик.

Высокий

Выполняется с учетом температурного режима в 500-600 ºC. Главное назначение заключается в получении максимальной вязкости при оптимальном сочетании прочности, упругости структуры стали. На практике, это применяется в процессе изготовления деталей, выполненных из конструкционных марок. В процессе выполнения работы они подвергаются воздействию высокого напряжения. Это актуально при воздействии на структуру металла ударных нагрузок при отливке.

В ходе изготовления деталей, рассчитанных на использование различных типов механизмов, станков, принято использовать термообработку. Суть заключается в закалке заготовки с дальнейшим высоким отпуском. Выполняется он с учетом сохранения температуры, благодаря чему обеспечивается получение сорбита, отличной пластичности и прочности металла. Процесс обработки носит название «улучшение характеристик металла».

Режимы и время выдержки

Способы нагрева металла:

  1. в муфельной печи постоянного или переменного действия;
  2. в устройствах ТВЧ (токи высокой частоты).

В основе этих способов лежат разные технологии, приводящие к изменению значений твердости (HRC) заготовок.

Особенности нагрева в разных устройствах:

  • Скорость нагрева в электропечи 2-3 градуса в секунду до температуры 840 – 860 °С.
  • Нагрев в ТВЧ со скоростью 250 °С/сек до 880 – 920 °С, либо при 500 °С/сек – до 980 – 1020 °С.

Важно! Температурные режимы и время выдержки изменяют атомную решетку железа. Нагрев и выдержка способствуют растворению феррита в аустените, металл приобретает гранецентрированную структуру

От толщины заготовки зависит время выдержки в печи.

Улучшенная сталь — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Улучшенная сталь

Улучшенная сталь имеет твердость ( в зависимости от марки) НВ — — 250 — т — 300 и поддается обработке резанием. При закалке зубчатых колес до твердости НВ 350 они обычно настолько деформируются, что для получения необходимой точности профили зубьев приходится шлифовать.  

Улучшенная сталь в результате старения при 250 — 500 С в течение 3000 ч заметно снижает ударную вязкость, а порог хладноломкости ее резко повышается. При увеличении времени нагрева до 7000 ч продолжается снижение ударной вязкости и повышение порога хладноломкости.  

Улучшенная сталь по сопротивляемости снижению ударной вязкости при старении сохраняет преимущество перед горячекатаной сталью до температуры 350 С, а при более высоких температурах этот показатель снижается до уровня показателя горячекатаной стали или еще ниже.  

Улучшенная сталь 12ХМ сохраняет высокие значения предела прочности при растяжении при температурах до 500 С включительно.  

Улучшенная сталь имеет твердость ( в зависимости от марки) НВ250 — НВЗОО и поддается обработке резанием. При закалке зубчатых колес до твердости НВ350 они обычно настолько деформируются, что для получения необходимой точности профили зубьев приходится шлифовать.  

Улучшенная сталь независимо от содержания углерода выдерживает испытание на изгиб в холодном состоянии на 180 С.  

Легированные конструкционные улучшенные стали марок 40Х, 40ХН, ЗОНХЗА, ЗОХГСА и 40ХГТ подвергают термическому улучшению — закалке и высокому отпуску.  

Улучшенными сталями, обладающими более высокими магнитными свойствами в слабых и средних полях, являются горячекатаные стали марок Э45, Э46, Э47, Э48, применяющиеся для радиотрансформаторов, трансформаторов тока и др., где.  

Преимущество улучшенной стали перед отожженной сталью Х5М наиболее заметно при температурах ниже 550 С.  

Если для улучшенной стали 40Х удельная прочность равна 13 км, то для титанового сплава после термической обработки она увеличивается до 31 км, а для алюминия, армированного борным волокном, — до 43 км. Таким образом, повышение удельной прочности приводит к значительному сокращению материалоемкости изделий.  

Длительная прочность улучшенной стали выше, чем отб-жженной ( рис. 4.8), но при повышении температуры это различие в прочности улучшенной и отожженной стали уменьшается.  

Страницы:      1    2    3    4    5

www.ngpedia.ru

4 Процесс отпуска стали – домашняя мастерская

Как было сказано выше — на процесс отпуска стали, вернее на его эффективность, влияет скорость охлаждения, а, следовательно, и среда, в которой оно происходит. Итак, если охлаждение после отпуска будет происходить на воздухе, то в результате напряжений на поверхности сплава будет в семь раз меньше. А если сравнивать масляную среду с водой, то в первом случае напряжений останется в 2,5 раза меньше, нежели во втором. Именно по этим причинам всем элементам, имеющим сложные формы, рекомендуется давать остывать с меньшей скоростью, дабы избежать коробления. Исключением являются только лишь легированные стали, склонные к обратимой отпускной хрупкости, их-то следует после нагрева до 500–650°С охладить достаточно быстро.

Безусловно, на производстве проведение такой операции не вызывает никаких сложностей. А получится ли самостоятельно усовершенствовать материал, который часто находится под напряжением — возможен ли отпуск стали в домашних условиях? Ведь некоторые умельцы не против смастерить что-либо своими руками. Так, например, делая тот же нож, его необходимо подвергнуть термической обработке, дабы лезвие обладало нужными свойствами. А просто закаленный предмет разрушится при первом же ударе об кость. Итак, конечно же, произвести высокотемпературный отпуск дома будет довольно сложно, но нагреть предмет до 300°С вполне возможно. Для этого можно опустить его в расплавленный свинец, так как он имеет именно такую температуру плавления. Кроме того, можно воспользоваться и обыкновенной газовой либо электрической духовкой. А затем просто дать изделию постепенно остыть на воздухе.

Таким образом, видно, что средний, низкотемпературный, высокотемпературный отпуск является обязательным этапом термической обработки сплавов, благодаря которому такие свойства, как вязкость и пластичность, значительно улучшаются. А уж какой из этих видов выбрать, зависит от материала и назначения обрабатываемого элемента.

Отпускная хрупкость

Это явление называется отпускной хрупкостью и имеет место при термообработке как углеродистых, так и легированных сталей. Она проявляется в двух температурных диапазонах: 250÷400 ºC и 500÷550 ºC и, соответственно, носит название отпускной хрупкости I и II рода (см. рис. ниже).

Первая характерна для углеродистых сталей, и избавиться от нее можно, снова нагрев деталь немного выше 400 ºC. Повторно она, как правило, не проявляется, но при этом у металла наблюдается некоторое снижение твердости. Отпускная хрупкость II рода может возникать у легированных сталей, которые после нагрева до указанного интервала подвергаются медленному охлаждению.

Для нейтрализации этой проблемы обычно повышают скорость охлаждения, при этом повторный нагрев изделия может снова вызвать возникновение такой хрупкости. Еще один способ, позволяющий избавиться от этого явления, — введение в состав сталей небольших количеств молибдена или вольфрама.

Для отпуска крупногабаритных деталей он предпочтительнее, т. к. большая скорость охлаждения может вызвать их деформацию и возникновение чрезмерных внутренних напряжений.

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.

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

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.

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.

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.

Реечный и пластинчатый типы мартенсита

При содержании углерода от 0 до 0,6 % мартенсит называют реечным, а при содержании более 1 % – пластинчатым. При промежуточном содержании углерода от 0,6 до 1,0 % структура мартенсита представляет собой смесь этих двух типов мартенсита. Вид мартенсита в световом микроскопе слегка разочаровывает: реечный мартенсит выглядит нечетко и мутно, как это видно на рисунке 2 для стали с содержанием углерода 0,18 %.


Рисунок 2 – Оптическая микрофотография реечной структуры мартенсита в стали с 0,18 % углерода

В пластинчатом мартенсите иногда бывает возможным разглядеть отдельные пластины, но только тогда содержание углерода становиться больше 1 %. Это показано на рисунке 3 для мартенсита с 1,4 % углерода.


Рисунок 3 – Оптическая микрофотография пластинчатой структуры мартенсита для стали с 1,4 % углерода

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.

Читать также: Тестер для проверки емкости аккумуляторов

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

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Домашний дизайнер
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!:

Adblock
detector