Закалка, отжиг, отпуск

Часто приходится сталкиваться с необходимостью повысить прочность и твердость металла или готового изделия, иногда же, наоборот, желательно сделать металл более мягким, легче поддающимся обработке. И в том, и в другом случае нужный эффект достигается термической обработкой, заключающейся в нагреве материала до определенной температуры с последующим быстрым (или медленным) охлаждением. Таким образом, путем изменения режима термической обработки удается получать различные физико-механические свойства металлов. К основным операциям термической обработки относят отжиг, нормализацию, закалку и отпуск (рис.).

Режимы термической обработки: ПЗ и ПО - полные закалка и отжиг; НЗ и НО - неполные закалка и отжиг; ВО, СО и НО - высокий, средний и низкий отступ соответственно

Как известно, термической обработке с целью изменения структуры и свойств подвергают многие металлы и их сплавы. Например, чтобы восстановить пластичность сплава на основе меди, подвергнутого холодной деформации, сплав подвергают отжигу. Правда, другой вид термической обработки - закалка для многих медных сплавов невозможен. Но здесь мы не будем говорить о термообработке цветных металлов, а рассмотрим (очень коротко!) технологию термической обработки стали (ее основных видов). Сразу поясним, что сплавы на основе железа (то есть стали), содержащие от 0,02 до 0,8% углерода, называют доэвтектоидными, сталь с 0,8% - эвтектоидной, а сплавы, где присутствует от 0,8 до 2,14%С - заэвтектоидными. Еще в тексте упомянуты температуры АС1 и АС3, значения которых для конкретной марки стали можно найти в любом соответствующем справочнике.

Отжиг заключается в нагреве стали (доэвтектоидной - выше температуры АС3, а заэвтектоидной - выше температуры АС1) с последующим медленным охлаждением вместе с печью. Если нагреть доэвтектоидную сталь выше АС1, но ниже АС3, то полной перекристаллизации металла не произойдет. Такую термическую обработку называют неполным отжигом, который применяют для улучшения обрабатываемости резанием доэвтектоидных сталей (см. таблицу 1). Подобный отжиг конструкционных легированных сталей проводят при 750...770°С с последующим охлаждением со скоростью 30...60°С/ч, причем чем выше легированность стали, тем медленнее ее охлаждение. Отжиг снижает твердость и повышает вязкость стали, улучшает ее обрабатываемость и стабилизирует физические свойства.

Таблица 1. Режимы отжига

Нормализация отличается от отжига повышенной скоростью охлаждения, которое проводят не в печи, а на воздухе (спокойном или движущемся). Нормализацию осуществляют для размельчения зерна металла и повышения прочности последнего. Эффект, получаемый от нормализации, зависит от состава стали. Для низкоуглеродистых сталей нормализацию применяют вместо отжига. Нормализация с целью размельчения зерен обеспечивает большую производительность при последующей обработке металла резанием, а также позволяет получить более чистую поверхность обрабатываемых деталей. Нормализацию с последующим высоким отпуском (при температуре 600...650°С) часто используют для исправления структуры легированных сталей, применяя ее вместо полного отжига, так как производительность этих двух операций (нормализации и отпуска) выше, чем одного отжига.

Закалка заключается в нагреве стали на 30...50°С выше температур АС3 (для доэвтектоидных сталей) или АС1 (для заэвтектоидных сталей), некоторой выдержке металла при соответствующей температуре для завершения фазовых превращений и последующем его охлаждении со скоростью выше критической. При нагреве стали выше температуры АС3 закалку называют полной, при нагреве выше АС1 (на 30...50°С) - неполной. Неполную закалку (НЗ) для доэвтектоидных сталей, как правило, не применяют, а используют ее главным образом при термической обработке инструментальных сталей (см. таблицу 2). Охлаждение углеродистых сталей проводят чаще всего в воде, а легированных - в масле или в других средах. Закалка не является окончательной операцией термической обработки. Дело в том, что в результате закалки сталь приобретает хрупкость и в ней возрастают внутренние напряжения. Чтобы избавиться от того и другого, сталь после закалки обязательно отпускают. Инструментальную сталь, в основном, подвергают подобной термообработке (закалке и отпуску) для повышения твердости, износостойкости и прочности, а конструкционную - как для увеличения прочности и твердости, так и для придания ей достаточной высокой пластичности и вязкости.

Таблица 2. Режимы закалки

Охлаждение при закалке не должно вызывать закалочных дефектов: трещин, деформаций, коробления и возникновения высоких растягивающих остаточных напряжений в поверхностных слоях. Чаще всего для закалки используют кипящие жидкости: воду, водные растворы солей и щелочей, масла. Вода как охлаждающая среда имеет существенные недостатки: с одной стороны, высокая скорость охлаждения воды нередко приводит к образованию закалочных дефектов; с другой стороны, с повышением температуры ее закалочная способность резко ухудшается. Наиболее высокой и равномерной охлаждающей способностью отличаются холодные 8...12%-ные водные растворы соли или едкого натра, которые хорошо зарекомендовали себя на практике.

Легированные стали закаливают в минеральном масле. Преимуществом масла является небольшая скорость охлаждения, что снижает возможность возникновения закалочных дефектов. К недостаткам масла следует отнести повышенную его способность воспламеняться (температура вспышки 165...300°С), а также довольно высокую стоимость. Температуру масла поддерживают в пределах 60...90°С (вязкость масла в этом случае оказывается минимальной).

Отпуск стали заключается в нагреве закаленной стали до температуры ниже АС1, выдержке при заданной температуре и последующем охлаждении с определенной скоростью. Отпуск является окончательной операцией термической обработки, в результате которой сталь приобретает оптимальные механические свойства (см. таблицу 3). Кроме того, отпуск полностью или частично устраняет внутренние напряжения, возникающие при закалке. Эти напряжения снимаются тем полнее, чем выше температура отпуска.

Таблица 3. Режимы отпуска

Скорость охлаждения после отпуска в значительной степени влияет на значение остаточных напряжений в металле. Чем медленнее протекает охлаждение, тем меньше становятся остаточные напряжения. По этой причине изделия сложной формы во избежание их коробления после отпуска при высоких температурах следует охлаждать медленно, а изделия из легированных сталей, склонных к отпускной хрупкости, после отпуска при 500...650°С во всех случаях следует охлаждать быстро. Различают три вида отпуска: низкий, средний и высокий.

Низкий (низкотемпературный) отпуск проводят с нагревом до 250°С. При этом снижаются внутренние напряжения в металле, повышается его прочность и немного улучшается вязкость, причем все это осуществляется без заметного снижения твердости стали. Закаленная сталь, содержащая 0,5...1,3% углерода, после низкого отпуска сохраняет твердость в пределах HRC 58...63, а следовательно, характеризуется высокой износоустойчивостью. Однако такое изделие (если оно не имеет вязкой сердцевины) не выдерживает значительных динамических нагрузок. Низкотемпературному отпуску подвергают режущий и измерительный инструмент из углеродистых и низколегированных сталей, а также детали, претерпевшие поверхностную закалку, цементацию. Продолжительность отпуска обычно 1...2,5 ч.

Средний (среднетемпературный) отпуск ведут при температуре 350...500°С. Применяют этот отпуск, главным образом, при термообработке сталей для пружин и рессор. В результате подобного отпуска обеспечиваются высокие пределы упругости и выносливости металла. Твердость стали HRC 39...44.

Высокий (высокотемпературный) отпуск осуществляют при температуре 500...600°С. Высокий отпуск обеспечивает у стали наилучшее соотношение прочности и вязкости.

Термическую обработку, состоящую из закалки и высокого отпуска, называют улучшением. Обычно улучшению подвергают среднеуглеродистые конструкционные стали, к которым предъявляются высокие требования по пределам текучести и выносливости, а также по ударной вязкости. Улучшение значительно повышает конструктивную прочность стали, уменьшая чувствительность к концентраторам напряжений, развитию трещин, снижает температуру верхнего и нижнего порога хладколомкости. Отпуск при температуре 550...600°С почти полностью снимает остаточные напряжения, возникающие при закалке.

Уже многие годы при термообработке стальных изделий я пользуюсь приведенными таблицами, составленными в студенческие годы при написании курсового проекта. Думаю, что они могут быть полезными и другим мастеровым людям.

В заключение немного о маркировке и классификации сталей по назначению. Единой мировой системы маркировки сталей не существует. В России марки углеродистой стали обыкновенного качества обозначаются буквами Ст и номером (Ст0, Ст1, Ст2 и т.д.). В данном случае цифры обозначают порядковый номер стали. В зависимости от особенностей производства эти стали получают тот или иной индекс. Например, СтГпс - полуспокойная сталь с повышенным содержанием Mn. Качественные углеродистые стали маркируют двузначными числами, показывающими среднее содержание в них С в сотых долях процента: 05, 08, 45 и т.д. Инструментальные углеродистые стали обозначают буквой У с цифрами (У7, У8, У10 и т.д.), где цифры - содержание углерода в десятых долях процента. Обозначение легированных сталей включает в себя буквы, указывающие, какие компоненты входят в состав стали, и цифры, характеризующие их содержание. Заметим, что первые цифры марки обозначают среднее содержание в стали С, причем у конструкционных сталей это содержание дано в сотых долях процента, а у инструментальных и нержавеющих - в десятых долях процента. Так, сталь марки 3X13 содержит 0,3%С и 13%Cr. При этом, если содержание легирующего элемента не превышает 1,5%, то цифра за соответствующей буквой не ставится. О применении тех или иных сталей можно судить по таблице 4.

Таблица 4. Классификация сталей по назначению и рекомендуемые режимы окончательной термической обработки