Что такое темперирование и как оно работает?

Отпуск — это процесс термической обработки, обеспечивающий эксплуатационные характеристики различных стальных деталей. Отпуск применяется к деталям автомобильных двигателей и конструктивным элементам крупногабаритной строительной техники. Например, автомобильные трансмиссии обеспечивают точную передачу мощности, гарантируя бесперебойную работу коробки передач после закалки и отпуска. В данной статье рассматриваются основы отпуска.

Обзор of Отпуск

Отпуск — это процесс термической обработки , включающий нагрев закаленной заготовки до определенной температуры ниже точки А1, выдержку в течение определенного времени, а затем охлаждение до комнатной температуры. Отпуск позволяет заготовке приобрести необходимые эксплуатационные свойства.

Сталь редко используется сразу после закалки, поскольку образующаяся микроструктура состоит из мартенсита и остаточного аустенита, что сопровождается значительными внутренними напряжениями. Несмотря на высокую прочность и твёрдость мартенсита, он обладает низкой пластичностью и высокой хрупкостью, что делает деталь склонной к деформации и растрескиванию под действием внутренних напряжений. Кроме того, закалённая структура нестабильна и может медленно разрушаться при комнатной температуре, вызывая изменение объёма и деформацию заготовки. Поэтому закалённые детали перед вводом в эксплуатацию необходимо отпускать.

Функция закалки

Цели закалки:

Снижение внутреннего напряжения

Закалённые металлические материалы содержат значительные внутренние напряжения, которые могут привести к деформации детали или даже к растрескиванию. Отпуск является эффективным способом снятия и компенсации этих внутренних напряжений.

Например, в случае крупногабаритных закаленных штампов и пресс-форм, если внутренние напряжения не снять своевременно после закалки, пресс-форма может подвергнуться серьёзной деформации в процессе эксплуатации, что снизит точность и качество продукции. Отпуск обеспечивает более равномерное распределение напряжений внутри пресс-формы, тем самым гарантируя её структурную стабильность.

Регулировка твердости

Хотя закалённые металлические материалы обладают высокой твёрдостью, они часто чрезмерно хрупкие, что делает их непригодными для многих практических применений. Отпуск позволяет точно регулировать твёрдость в соответствующем диапазоне в зависимости от требований конкретного применения.

Для механических деталей, подверженных ударным нагрузкам, таких как головки молотов или ковши экскаваторов, отпуск может умеренно снизить твёрдость и одновременно повысить прочность. Благодаря повышенной прочности деталь лучше выдерживает ударные нагрузки во время эксплуатации, предотвращая образование трещин.

Стабилизация микроструктуры

Микроструктура закаленных металлических материалов находится в метастабильном состоянии. Отпуск позволяет ей перейти в более стабильную форму.

Например, в стали структура закаленного мартенсита при отпуске распадается, образуя более стабильные структуры, такие как отпущенный мартенсит, отпущенный троостит или отпущенный сорбит. Эти структуры обладают превосходными комплексными механическими свойствами, обеспечивающими долговременную стабильность эксплуатационных характеристик материала при длительной эксплуатации. Например, при производстве коленчатых валов автомобильных двигателей стабильная структура, достигаемая в результате отпуска, гарантирует длительную и стабильную работу коленчатого вала в условиях высоких температур, скоростей и нагрузок, предотвращая ухудшение его характеристик или выход из строя из-за микроструктурной нестабильности.

Улучшение прочности

Прочность металлического материала — это мера его сопротивления разрушению при ударе или интенсивной пластической деформации. Отпуск значительно повышает прочность металлических материалов.

Для тонкостенных деталей или компонентов со сложной геометрией недостаточная прочность после закалки может легко привести к поломке во время эксплуатации. Отпуск повышает прочность таких деталей, позволяя им лучше адаптироваться к различным сложным условиям эксплуатации. Например, в ответственных компонентах аэрокосмической отрасли требуется чрезвычайно высокая прочность для обеспечения безопасности полетов, что делает процесс отпуска незаменимым этапом в их производстве.

Виды закалки

По температуре отпуска его можно разделить на 3 типа:

Низкотемпературный отпуск (ниже 250°C)

Низкотемпературный отпуск формирует микроструктуру отпущенного мартенсита. Целью этого является снижение закалочных напряжений и хрупкости. Полученный отпущенный мартенсит обладает высокой твёрдостью (обычно 58–64 HRC), высокой прочностью и превосходной износостойкостью. Поэтому низкотемпературный отпуск особенно подходит для деталей, требующих высокой твёрдости и износостойкости, таких как режущие инструменты, измерительные приборы, подшипники качения, цементированные детали и поверхности, закалённые индукционным методом.

Среднетемпературный отпуск (250°C – 500°C)

Средний отпуск формирует микроструктуру отпущенного троостита. Это обеспечивает стали высокий предел упругости, относительно высокую прочность и твёрдость (обычно 35–50 HRC), а также хорошую пластичность и вязкость. Средний отпуск применяется в основном для различных эластичных деталей и штампов для горячей обработки.

Высокотемпературный отпуск (500°C – 650°C)

Высокотемпературный отпуск формирует микроструктуру сорбита, характеризующуюся отпущенным состоянием. Комбинированный процесс термической обработки, включающий закалку и высокотемпературный отпуск, называется закалкой с отпуском, или «кондиционированием». После кондиционирования сталь обладает превосходными механическими свойствами (обычно твёрдостью 220–230 HBS). Высокотемпературный отпуск применяется в основном к ответственным деталям машин из среднеуглеродистой или низколегированной конструкционной стали, таким как коленчатые валы, шатуны, болты, автомобильные оси, шпиндели станков и зубчатые передачи.

Хрупкость характера

Как правило, при отпуске закаленной стали её прочность и твёрдость снижаются, а пластичность и вязкость увеличиваются с повышением температуры отпуска. Однако при отпуске в определённых температурных диапазонах ударная вязкость стали может значительно снизиться. Это явление охрупчивания, при котором закалённая сталь отпускается в определённых температурных диапазонах или медленно охлаждается в этих диапазонах от температуры отпуска, называется отпускной хрупкостью. Отпускная хрупкость подразделяется на тип 1 и тип 2.

Тип 1. Отпускная хрупкость

Этот тип представляет собой необратимую хрупкость при отпуске. Хрупкость возникает, когда закаленная сталь отпускается при температуре около 300°C, и известна как хрупкость типа 1, или необратимая хрупкость при отпуске. Почти все стали проявляют этот тип хрупкости. Она объясняется осаждением прерывистых, тонкостенных карбидов вдоль границ мартенситных пластин или пластин во время отпуска, что существенно снижает прочность границ зерен на излом. Следовательно, заготовки обычно не отпускаются в диапазоне температур от 250°C до 350°C.

Тип 2. Отпускная хрупкость

Этот тип относится к обратимой отпускной хрупкости. Хрупкость поражает легированные стали, содержащие такие элементы, как Cr, Mn и Ni. Она возникает при отпуске этих сталей в диапазоне температур охрупчивания 400–550 °C или при медленном охлаждении в этом диапазоне после отпуска при более высокой температуре. Этот тип называется обратимой отпускной хрупкостью, поскольку её можно устранить повторным отпуском выше температуры охрупчивания и быстрым охлаждением. Если сталь впоследствии повторно отпустить в диапазоне охрупчивания или медленно охладить в этом диапазоне, хрупкость появляется снова.

Причиной обычно является сегрегация примесных элементов, таких как Sb, Sn и P, на границах бывших аустенитных зерен. Легирующие элементы, такие как Ni и Cr, способствуют этой сегрегации примесей и также сегрегируют на границах зерен, тем самым повышая склонность к отпускной хрупкости.

К методам профилактики относятся:

• Минимизация содержания примесных элементов в стали.
• Добавление таких элементов, как молибден (Mo), которые могут препятствовать сегрегации по границам зерен.
• Для деталей малого и среднего размера этот тип отпускной хрупкости можно подавить быстрым охлаждением после отпуска.