Отпуск закаленной стали. Структура и свойства закаленной стали после отпуска

 

Отпуск закаленных углеродистых сталей

Образующийся при закалке стали мартенсит, представляет собой неустойчивую структуру, характеризующуюся высокой твёрдостью, хрупкостью и высоким уровнем внутренних напряжений. По этой причине закалённую сталь обязательно подвергать отпуску.
Отпуском называют термическую операцию, заключающуюся в нагреве закалённой стали до температур, не превышающих точку Аc1 (т.е. не выше линии PSK), выдержке и последующем охлаждении чаще всего на воздухе. Отпуск является окончательной операцией термической обработки, в результате которой сталь получает требуемые механические свойства. Кроме того, отпуск частично или полностью устраняет внутренние напряжения, возникшие при закалке.
Окончательные свойства стали в большей степени зависят от температуры отпуска. Различают три вида отпуска стали в зависимости от температуры нагрева.
Низкий (низкотемпературный отпуск) проводят при температурах не выше 250...300°С. При таких температурах происходит частичное обезуглероживание мартенсита и выделение из него некоторого количества избыточного углерода в виде частиц е - карбида железа. Образующаяся структура, состоящая из частичного обезуглероженного мартенсита и е-карбидов, называется отпущенным мартенситом. Выход некоторого количества углерода из решетки мартенсита способствует уменьшению её искажения и снижению внутренних напряжений. При таком отпуске несколько повышается прочность и вязкость без заметного снижения твёрдости. В целом изменение свойств при низком отпуске незначительно. Так закалённая сталь с содержанием углерода 0,5... 1,3 % после низкого отпуска сохраняет твёрдость в пределах 58...63 HRC, а следовательно, обладает высокой износостойкостью. Однако такая сталь не выдерживает значительных динамических нагрузок.
Низкому отпуску подвергают режущий и мерительный инструмент из углеродистых и низколегированных сталей, работающий без значительного разогрева рабочей части, а такие детали, прошедшие поверхностную закалку или цементацию. Цель такого отпуска - некоторое снижение внутренних напряжений.

Средний (средне-температурный) отпуск выполняют при температурах 350...500°С и применяют преимущественно для рессор, пружин, некоторых видов штампов. При таких температурах происходит дальнейшее обезуглероживание мартенсита, приводящее к его превращению в обычный а-раствор,т.е. в феррит. Одновременно происходит карбидное превращение по схеме; Fe2C ® Fе3С,
В результате образуется феррито-цементитная смесь, называемая троститом отпуска. Наблюдается снижение твёрдости до величины 40...50 HRC, а также снижение внутренних напряжений.
Такой отпуск обеспечивает высокий предел упругости и предел выносливости, что позволяет применять его для различных упругих элементов.
Высокий(высокотемпературный) отпуск проводят при 500...600°С. Структурные изменения при таких температурах заключаются в укрупнении (коагуляции) частиц цементита. В результате этого образуется феррито-цементитная смесь, называемая сорбитом отпуска. Также, как и
тростит отпуска, эта структура характеризуется зернистым строением в отличии от пластинчатых структур тростита и сорбита закалки. Твёрдость стали после высокого отпуска снижается до 25,,,35 HRC, Однако уровень прочности при этом ещё достаточно высок, В то же время обеспечивается повышенная пластичность и особенно ударная вязкость, практически полностью снимаются внутренние напряжения,, возникшие при закалке.
Таким образом, высокий отпуск на сорбит обеспечивает наилучший комплекс механических свойств, позволяющий применять его для деталей, работающих в условиях динамических нагрузок. Такой же отпуск рекомендуется для деталей машин из легированных сталей, работающих при повышенных температурах.

Термическую обработку, состоящую из закалки на мартенсит и последующего высокого отпуска на сорбит, называют термическим улучшением. Вообще термическому улучшению подвергают детали из среднеуглеродистых (0,3...0,5%С) конструкционных сталей, к которым предъявляют высокие требования по пределу текучести, пределу выносливости и ударной вязкости. Однако износостойкость улучшенной стали вследствие её" пониженной твёрдости невысока.

Скорость охлаждения после отпуска оказывает большое влияние на величину остаточных напряжений. Чем медленнее охлаждение, тем меньше остаточные напряжения. Так охлаждение на воздухе даёт напряжения в 7 раз меньше, а охлаждение в масле в 2,5 раза меньше по сравнению с охлаждением в воде. По этой причине изделия сложной формы во избежание их деформации после отпуска следует охлаждать медленно (на воздухе), а детали из некоторых легированных сталей, склонных к отпускной хрупкости, рекомендуется охлаждать в масле (иногда даже в воде).

Легирующие элементы, входящие в состав легированных сталей, особенно такие, как Мо5 W, Cr, Ti, V и Si, сильно тормозят диффузионные процессы, происходящие при отпуске закалённой стали. Поэтому после отпуска при одинаковой температуре легированная сталь сохраняет более высокую твёрдость и прочность. Это делает легированные стали более теплостойкими, способными работать при повышенных температурах.

Поверхностная закалка ТВЧ.

Многие ответственные детали работают на истирание и одновременно подвергаются действию ударных нагрузок. Такие детали должны иметь высокую поверхностную твердость, хорошую износостойкость и в то же время не быть хрупкими, т. е. не разрушаться под действием ударов.

Высокая твердость поверхности деталей при сохранении вязкой и прочной сердцевины достигается методом поверхностной закалки.

Из современных методов поверхностной закалки наибольшее распространение в машиностроении находят следующие: закалка при нагреве токами высокой частоты (ТВЧ); пламенная закалка и закалка в электролите.

Выбор того или иного метода поверхностной закалки обусловливается технологической и экономической целесообразностью.

Закалка при нагреве токами высокой частоты. Такой метод является одним из самых высокопроизводительных методов поверхностного упрочнения металлов. Открытие этого метода и разработка его технологических основ принадлежит талантливому русскому ученому B. П. Вологдину.

Высокочастотный нагрев основан на следующем явлении. При прохождении переменного электрического тока высокой частоты по медному индуктору вокруг последнего образуется магнитное поле, которое проникает в стальную деталь, находящуюся в индукторе, и индуктирует в ней вихревые токи Фуко. Эти токи и вызывают нагрев металла.

Особенностью нагрева ТВЧ является то, что индуктируемые в стали вихревые токи распределяются по сечению детали не равномерно, а оттесняются к поверхности. Неравномерное распределение вихревых токов приводит к неравномерному ее нагреву: поверхностные слои очень быстро нагреваются до высоких температур, а сердцевина или совсем не нагревается или нагревается незначительно благодаря теплопроводности стали. Толщина слоя, по которому проходит ток, называется глубиной проникновения и обозначается буквой δ.

Толщина слоя в основном зависит от частоты переменного тока, удельного сопротивления металла и магнитной проницаемости. Эту зависимость определяют по формуле

δ = 5,03-10⁴ корень из (ρ/μν) мм,

где ρ - удельное электрическое сопротивление, ом мм²/м;

μ, - магнитная проницаемость, гс/э;

v - частота, гц.

Из формулы видно, что с увеличением частоты глубина проникновения индукционных токов уменьшается. Ток высокой частоты для индукционного нагрева деталей получают от генераторов.

При выборе частоты тока, кроме нагреваемого слоя, необходимо учитывать форму и размеры детали с тем, чтобы получить высокое качество поверхностной закалки и экономно использовать электрическую энергию высокочастотных установок.

Большое значение для качественного нагрева деталей имеют медные индукторы.

Наиболее распространены индукторы, имеющие с внутренней стороны систему мелких отверстий, через которые подается охлаждающая вода. Такой индуктор является одновременно нагревательным и охлаждающим устройством. Как только помещенная в индуктор деталь нагреется до заданной температуры, ток автоматически отключится и из отверстий индуктора поступит вода и спреером (водяным душем) охладит поверхность детали.

Детали можно также нагревать в индукторах, не имеющих душирующих устройств. В таких индукторах детали после нагрева сбрасываются в закалочный бак.

Закалка ТВЧ в основном производится одновременным и непрерывно-последовательным способами. При одновременном способе закаливаемая деталь вращается внутри неподвижного индуктора, ширина которого равна закаливаемому участку. Когда заданное время нагрева истекает, реле времени отключает ток от генератора, а другое реле, сблокированное с первым, включает подачу воды, которая небольшими, но сильными струями вырывается из отверстий индуктора и охлаждает деталь.

При непрерывно-последовательном способе деталь неподвижна, а вдоль нее перемещается индуктор. В этом случае проипоследовательный нагреве закаливаемого участка детали, после чего участок попадает под струю воды душирующего устройства, расположенного на некотором расстоянии от индуктора.

Плоские детали закаливают в петлевых и зигзагообразных индукторах, а зубчатые колеса с мелким модулем - в кольцевых индукторах одновременным способом. Макроструктура закаленного слоя мелкомодульного зубчатого колеса автомобиля, изготовленного из стали марки ППЗ-55 (сталь пониженной прокаливаемости). Микроструктура закаленного слоя представляет собой мелкоигольчатый мартенсит.

Твердость поверхностного слоя деталей, закаленных при нагреве ТВЧ, получается на 3-4 единицы HRC выше, чем твердость при обычной объемной закалке.

Для повышения прочности сердцевины детали перед закалкой ТВЧподвергают улучшению или нормализации.

Применение нагрева ТВЧ для поверхностной закалки машинных деталей и инструмента позволяет резко сократить продолжительность технологического процесса термической обработки. Кроме того, этот метод дает возможность изготовлять для закалки деталей механизированные и автоматизированные агрегаты, которые устанавливаются в общем потоке механообрабатывающих цехов. В результате этого отпадает необходимость транспортирования деталей в специальные термические цехи и обеспечивается ритмичная работа поточных линий и сборочных конвейеров