Отпуск стали

Отпуск стали — это вид термической обработки, заключающийся в нагреве закалённой стали до определённой температуры (обычно ниже критической точки Ac₁), выдержке при этой температуре и последующем охлаждении. Основная цель отпуска — снижение внутренних напряжений, возникших в результате закалки, уменьшение твёрдости и хрупкости, а также повышение вязкости и пластичности стали. Отпуск является обязательной финишной операцией для большинства закалённых стальных изделий, позволяющей получить требуемый комплекс механических свойств.

История

Технология отпуска стали известна с древних времён. Кузнецы и оружейники эмпирически обнаружили, что перекалённое (слишком твёрдое и хрупкое) лезвие можно сделать более вязким, если его слегка нагреть, например, на горячем металле или в печи. В Средние века в Европе и на Руси этот процесс называли «отпусканием» или «отпуском» — в отличие от «закалки». Научное обоснование отпуска получило в XIX—XX веках с развитием металловедения. Дмитрий Чернов, основоположник научной металлографии, в своих работах 1860—1870-х годов впервые описал критические точки стали и указал на важность режимов нагрева при отпуске. В XX веке были разработаны точные температурные интервалы для различных марок сталей и типов изделий.

Физическая сущность процесса

При закалке стали аустенит превращается в мартенсит — пересыщенный твёрдый раствор углерода в α-железе с тетрагональной решёткой. Мартенсит обладает высокой твёрдостью, но чрезвычайно хрупок и содержит большие внутренние напряжения. При нагреве во время отпуска происходят следующие структурные превращения:

1. Распад мартенсита (до 200–250 °C) — из пересыщенного раствора выделяются мелкодисперсные карбиды (ε-карбид), решётка мартенсита становится кубической, образуется структура, называемая отпущенным мартенситом. Твёрдость несколько снижается, внутренние напряжения частично снимаются.
2. Превращение остаточного аустенита (200–300 °C) — если в стали после закалки остался аустенит, он распадается на феррито-карбидную смесь (бейнит или троостит отпуска).
3. Коагуляция карбидов (300–400 °C и выше) — мелкие карбиды укрупняются, образуется структура троостита отпуска (феррит + цементит). При дальнейшем повышении температуры (500–650 °C) формируется сорбит отпуска — более грубая феррито-цементитная смесь, обладающая наилучшим сочетанием прочности и вязкости.

Классификация видов отпуска

В зависимости от температуры нагрева различают три основных вида отпуска:

Низкий отпуск

• Температура: 150–250 °C.
• Структура: отпущенный мартенсит.
• Назначение: снятие внутренних напряжений при сохранении высокой твёрдости (HRC 58–63) и износостойкости. Применяется для режущего инструмента (свёрла, метчики, фрезы), измерительного инструмента, деталей, работающих в условиях абразивного износа, а также для холодноштамповочных штампов.

Средний отпуск

• Температура: 300–450 °C.
• Структура: троостит отпуска.
• Назначение: получение высокой упругости и предела выносливости при умеренной твёрдости (HRC 40–50). Используется для пружин, рессор, ударного инструмента (зубила, молотки), некоторых деталей машин, испытывающих знакопеременные нагрузки.

Высокий отпуск

• Температура: 500–650 °C.
• Структура: сорбит отпуска.
• Назначение: достижение наилучшего сочетания прочности, вязкости и пластичности (HRC 25–35). Применяется для ответственных деталей машин и механизмов: валов, осей, шестерён, шатунов, коленчатых валов, болтов, гаек и других элементов, работающих при динамических и ударных нагрузках. Высокий отпуск часто является финишной операцией после улучшения (закалка + высокий отпуск).

Технология проведения

Отпуск проводят в печах (камерных, шахтных, соляных ваннах), а также с использованием индукционного или газопламенного нагрева. Температуру контролируют с помощью термопар и автоматических регуляторов. Время выдержки зависит от массы и конфигурации детали: для тонкостенных изделий оно составляет десятки минут, для массивных — несколько часов. Охлаждение после отпуска обычно производится на воздухе, однако для легированных сталей, склонных к отпускной хрупкости, может применяться ускоренное охлаждение (в масле или воде).

Отпускная хрупкость

Различают два типа отпускной хрупкости:

• I рода (необратимая) — проявляется при отпуске в интервале 250–400 °C, связана с выделением карбидов по границам зёрен. Устраняется повторным отпуском при более высокой температуре.
• II рода (обратимая) — возникает при медленном охлаждении после отпуска в интервале 500–650 °C у некоторых легированных сталей (с хромом, марганцем, никелем). Предотвращается ускоренным охлаждением или легированием молибденом, вольфрамом, ванадием.

Отпуск в сравнении с другими видами термообработки

Отпуск следует отличать от отжига (нагрев выше Ac₃ или Ac₁ с медленным охлаждением) и нормализации (нагрев выше Ac₃ с охлаждением на воздухе). Отжиг и нормализация применяются для снижения твёрдости, улучшения обрабатываемости резанием, выравнивания структуры. Отпуск же всегда проводится после закалки и является заключительным этапом, формирующим конечные свойства. В некоторых случаях (например, для высоколегированных инструментальных сталей) применяют многократный отпуск.

Применение

Отпуск стали используется во всех отраслях машиностроения, металлообработки, строительства, приборостроения. Без отпуска не обходится изготовление:

• режущего и измерительного инструмента;
• штампов, пресс-форм, пуансонов;
• пружин, рессор, торсионов;
• деталей двигателей внутреннего сгорания (коленвалы, шатуны, поршневые пальцы);
• элементов трансмиссий (шестерни, валы, оси);
• крепежа (болты, шпильки, гайки) высоких классов прочности;
• деталей горнорудного и строительного оборудования (зубья ковшей, броня дробилок).

Интересные факты

• В старину кузнецы определяли температуру отпуска по цвету побежалости на поверхности стали: соломенный цвет (около 220 °C) — для инструмента, синий (около 300 °C) — для пружин, фиолетовый (около 280 °C) — для зубил.
• При отпуске нержавеющих сталей (например, мартенситного класса) может происходить вторичное твердение — повышение твёрдости за счёт выделения специальных карбидов (например, карбидов хрома, молибдена, ванадия) при температурах 500–550 °C.
• В современном производстве для контроля качества отпуска применяют методы неразрушающего контроля: измерение твёрдости, магнитные и ультразвуковые методы, а также металлографический анализ микроструктуры.

Источники

1. Гуляев А. П. Металловедение. — М.: Металлургия, 1986.
2. Новиков И. И. Теория термической обработки металлов. — М.: Металлургия, 1978.
3. Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П. Материаловедение. — М.: Машиностроение, 1990.
4. Чернов Д. К. Избранные труды по металловедению. — М.: Металлургия, 1950.
5. ГОСТ 5632-2014. Стали легированные и сплавы коррозионно-стойкие, жаростойкие и жаропрочные. Марки.