Отпуск стали после закалки: виды, температура и твёрдость

Что такое отпуск стали и зачем он нужен

Отпуск — завершающая операция термической обработки закалённой стали: нагрев до температуры ниже критической точки Ac₁, выдержка и охлаждение. После закалки в стали образуется мартенсит — пересыщенный углеродом твёрдый раствор с высокими внутренними напряжениями. Такая сталь максимально твёрдая, но хрупкая: деталь может треснуть от удара, при шлифовании или просто при вылёживании.

При отпуске из мартенсита выделяется углерод в виде мелких карбидов, напряжения снимаются, вязкость растёт, а твёрдость снижается — тем сильнее, чем выше температура. Поэтому отпуск — это не исправление закалки, а способ точно получить свойства из чертежа: для резца нужна твёрдость, для пружины — упругость, для вала — прочность вместе с вязкостью. Режим закалки для каждой марки — в статье о температуре закалки стали, здесь — всё, что происходит после неё. Отжиг и нормализация тоже нагревают сталь, но готовят заготовку к обработке и закалке, — о них в статье об отжиге и нормализации стали.

Виды отпуска стали: низкий, средний, высокий

Виды отпуска различают по температуре нагрева. От неё зависят структура, твёрдость и область применения детали.

Интервал 250–350 °C обычно обходят: здесь у большинства сталей проявляется отпускная хрупкость первого рода, о ней — ниже.

Структура стали после отпуска

Превращения при отпуске идут ступенями. До 200 °C из мартенсита выделяются мельчайшие карбиды, решётка становится менее искажённой — это мартенсит отпуска. Около 200–300 °C распадается остаточный аустенит, который не превратился при закалке. Выше 350–400 °C мартенсит превращается в смесь феррита и мелких частиц цементита — троостит отпуска. При 500–650 °C частицы цементита укрупняются, и образуется сорбит отпуска — структура с лучшим сочетанием прочности и вязкости.

Легирующие элементы — хром, молибден, вольфрам, ванадий — замедляют эти превращения. Поэтому легированную сталь для той же твёрдости отпускают при более высокой температуре, а в высоколегированных сталях около 500–560 °C выделяются собственные карбиды легирующих элементов, и твёрдость снова растёт.

Твёрдость стали после отпуска по ГОСТ 5950

Как падает твёрдость с ростом температуры отпуска, показывают кривые в приложении В ГОСТ 5950-2000 — для инструментальных легированных сталей. В таблице — значения с этих кривых, округлённые до целого: по графику твёрдость читается с точностью около 1 HRC. Прочерк — стандарт не строит кривую при этой температуре.

Из кривых видны два правила. Первое: для твёрдости 60 HRC и выше инструментальную сталь отпускают низко, при 150–200 °C. Второе: штамповые стали для горячей штамповки — 4Х5МФС, 4Х5МФ1С, 5Х2МНФ — отпускают при 500–600 °C, и благодаря вторичной твёрдости они сохраняют 45–55 HRC при нагреве в работе. Для быстрорежущих сталей стандарт задаёт многократный отпуск: Р6М5 — при 550 °C 2–3 раза по 1 часу, твёрдость не менее 64 HRCэ (ГОСТ 19265-73).

Режимы отпуска конструкционных и пружинных сталей

Для конструкционных и пружинных сталей стандарты дают не кривые твёрдости, а режим закалки и отпуска и гарантированные свойства после него. По ним видно, какой отпуск назначают каждой группе:

Валы и оси из сталей 45 и 40Х получают высокий отпуск — улучшение, пружины из 65Г и 60С2А — средний, цементуемые 18ХГТ и подшипниковая ШХ15 — низкий. Около 60 марок с режимами и фильтром — в таблице температур закалки и отпуска.

Технология отпуска: этапы процесса

Отпуск — последний этап термообработки изделия: после него у металла остаются те механические характеристики, с которыми деталь пойдёт в работу. Технология процесса включает четыре этапа.

1. Загрузка. Детали укладывают в печь так, чтобы горячий воздух или газ омывал их равномерно, — иначе твёрдость по садке будет разной.
2. Нагрев. Скорость нагрева ограничивают у крупных заготовок и деталей сложной формы, чтобы перепад температуры между поверхностью и сердцевиной не создал новых внутренних напряжений.
3. Выдержка при заданной температуре, пока превращения не пройдут по всему сечению.
4. Охлаждение на воздухе, а для сталей, склонных к отпускной хрупкости, — в воде или масле.

Оборудование для отпуска — печи с принудительной циркуляцией атмосферы: при низких температурах тепло передаётся в основном потоком воздуха или газа, а не излучением. Для деталей без окалины применяют печи с защитной атмосферой или вакуумом. После отпуска твёрдость проверяют на каждой партии — это главный показатель, что материал получил нужные свойства под рабочую нагрузку.

Время отпуска и охлаждение после него

Отпуск начинают сразу после закалки, пока напряжения не успели дать трещину: деталь, оставленная закалённой на несколько часов, может треснуть сама. Время выдержки отсчитывают с момента, когда деталь прогрелась по всему сечению. Стандарты для образцов дают порядок величин: ШХ15 — 1 час при 150–160 °C, Р6М5 — 1 час на каждый из 2–3 отпусков. Для деталей термист добавляет время прогрева — оно зависит от сечения, массы садки и печи.

После отпуска сталь обычно охлаждают на воздухе. Исключение — легированные стали, склонные к отпускной хрупкости второго рода: после высокого отпуска их охлаждают в воде или масле. Так ГОСТ 4543-2016 и задаёт режим для 40Х: отпуск 500 °C с охлаждением в воде или масле.

Отпускная хрупкость стали

Цвета побежалости при отпуске

При нагреве на чистой поверхности стали появляется тонкая плёнка окислов, и её цвет меняется с температурой: от светло-соломенного около 220 °C через коричневый и фиолетовый к синему около 300 °C. По цвету инструментальщики раньше определяли температуру низкого отпуска резцов и зубил. Этот способ годится только для низкого отпуска и для зачищенной поверхности. На производстве температуру задаёт печь с регулятором, а результат контролируют твердомером по шкале Роквелла или Бринелля.

Закалка и отпуск деталей в технопарке ЗЭМ

Термический участок технопарка выполняет закалку и отпуск стальных деталей по марке стали и твёрдости из чертежа. Печь отпуска греет до 650 °C — это весь диапазон от низкого отпуска до высокого. Закалка — в вакуумной печи до 1300 °C (садка до 200 кг) или на линии модульного типа с закалочной ванной в защитной атмосфере (садка до 150 кг): поверхность без окалины, меньше припуск под шлифование.

• Режим по стандарту и чертежу. Температуру отпуска термист берёт из стандарта на марку и корректирует под твёрдость в чертеже.
• Отпуск сразу после закалки — на той же площадке, без перевозки закалённых деталей.
• Шлифование рядом. Закалённые и отпущенные детали доводят в механообрабатывающем цехе технопарка.

В заявке укажите марку стали, твёрдость из чертежа (например, «28…32 HRC» или «улучшить: 240…280 HB»), размеры и количество деталей.