8.3. Отпуск и старение стали

Закалка всегда связана с резким охлаждением, в результате чего внутренние и наружные слои металла изделия охлаждаются с разной скоростью. Это приводит к возникновению термических напряжений. Кроме того, в поверхностных слоях мартенситные превращения начинаются раньше, а во внутренних – позже. Поскольку превращение аустенита в мартенсит сопровождается увеличением объема, то в результате неодновременности превращения возникают структурные напряжения.

Таким образом, в сталях в процессе закалки возникают остаточные напряжения термического и структурного происхождения. Кроме того, закаленные стали, особенно имеющие структуру мартенсита, имеют высокую хрупкость. Для снижения или полного устранения внутренних напряжений, уменьшения хрупкости и получения требуемой структуры и механических свойств закаленной стали, ее подвергают конечному процессу термической обработки – отпуску. В практике термообработки используют три вида отпуска – низкий, средний и высокий, а также операцию искусственного старения.

Низкий отпуск заключается в нагреве стали до температуры 150...200?С, выдержке в течение 1,0...1,5 ч в зависимости от размеров детали и последующего охлаждения. Твердость стали при этом практически не снижается, а прочность и вязкость повышаются. Этот вид отпуска применяют в основном для режущего и измерительного инструмента из углеродистых и низколегированных сталей, а также для деталей, прошедших поверхностную закалку и химико-термическую обработку.

Среднему отпуску подвергаются углеродистые и легированные стали, из которых изготавливают пружины, рессоры и некоторые виды штампового инструмента. Схема такого отпуска включает нагрев до 300…450?С, выдержку продолжительностью от 1…2 до 3…8 ч в зависимости от размеров деталей и охлаждение, выполняемое, как правило, на воздухе. В результате среднего отпуска мартенсит закаленной стали переходит в структуру троостита, наилучшим образом сочетающую сравнительно высокую твердость и прочность с хорошей упругостью и достаточной вязкостью.

Высокий отпуск назначают в основном для конструкционных среднеуглеродистых сталей, для которых его совмещение с закалкой дает наилучшее сочетание прочности и вязкости. Процесс отпуска включает нагрев до 500…650?С, выдержку в течение 1…8 ч в зависимости от размеров деталей и последующее охлаждение на воздухе. Высокий отпуск применяется главным образом для деталей, работающих при знакопеременных нагрузках (валы, оси и др). В результате происходит практически полное снятие внутренних напряжений и образование структуры, называемой сорбитом отпуска.

Закалка с последующим высоким отпуском называется улучшением. Улучшенные стали обладают высокими показателями пределов текучести, выносливости и ударной вязкости. Остаточные напряжения в течение 1,5…2 – часовой выдержки практически полностью снимаются, но при этом снижается твердость.

Старение относится к разновидности термической обработки, при которой в закаленной стали происходит распад пересыщенного твердого раствора. Эту операцию назначают обычно для стабилизации размеров измерительного инструмента. Старение подразделяют на естественное, протекающее без воздействия температуры, и искусственное – при воздействии температуры. Схема искусственного старения включает нагрев до 120…150?С и выдержку в течение 10…35 ч при этой температуре. Выдержка позволяет, не снижая твердости закаленной стали, стабилизировать состояние углерода в ее структуре за счет выделения его в виде дисперсных карбидов.

Акулич Н.В. Процессы производства черных и цветных металлов и их сплавов, Гомель 2008