Зачем нужен отпуск после закалки стали: раскрываем прочность, вязкость, долговечность

Закалка с последующим высокотемпературным отпуском (500–650 °C) называется закалкой с отпуском. Позволяет широко варьировать свойства стали: высокая прочность, пластичность, вязкость — хорошие комплексные механические характеристики.

После закалки с отпуском получают отпущенный сорбит. Образуется при отпуске мартенсита. Различим только под оптическим металлографческим микроскопом при увеличении 500–600×. Это ферритная матрица с карбидами (включая цементит) в виде шаровидных включений. Также — структура отпущенного мартенсита, смесь феррита и гранулярных карбидов. В этот момент феррит практически без пересыщения углеродом, карбиды стабильны. Это равновесная структура при комнатной температуре.

Стали для закалки с отпуском делятся на углеродистые и легированные. Для любого типа углерод строго контролируют. Слишком высокий углерод → высокая прочность, но недостаточная вязкость. Слишком низкий → вязкость растет, прочность падает. Для хороших комплексных свойств углерод держат 0,30–0,50%.

При закалке с отпуском требуют пропрокаливания всего сечения — структура тонкоигольчатого закаленного мартенсита. Высокотемпературный отпуск дает равномерный отпущенный сорбит. Малые заводы не могут делать металлографию каждой партии — обычно только испытание на твердость. Значит: твердость после закалки должна достигать закалочной твердости материала, после отпуска — соответствовать чертежу.

Закалка с отпуском стали 45

Сталь 45 — среднеуглеродистая конструкционная: хорошая холодная/горячая обрабатываемость, механические свойства, низкая цена, широкие источники — широко применяется. Главный недостаток — низкая закаляемость, большие сечения и ответственные детали.

Температура закалки 45 стали: Ac3 + (30–50) °C. На практике берут верхнюю границу. Высокая температура ускоряет нагрев, снижает окисление поверхности, повышает эффективность. Для аустенизации нужна достаточная выдержка. Если загрузка печи велика — увеличивают выдержку. Иначе — неравномерный нагрев → недостаточная твердость. Слишком долгая выдержка → крупнозернистость, сильная окислительно-декарбуризация → ухудшение качества закалки. Если загрузка превышает норму по ТУ — нагрев и выдержку удлиняют на 1/5.

Из-за низкой закаляемости используют 10% раствор соли с высокой скоростью охлаждения. После входа в воду закаляют, но не доводят до полного охлаждения. Если охладить в соленой воде до конца — трещины. Причина: при охлаждении до ~180 °C аустенит стремительно превращается в мартенсит — чрезмерные структурные напряжения. Поэтому при быстром охлаждении до этой температурной зоны переходят на медленное охлаждение. Температуру выхода из воды трудно контролировать — работают по опыту. Когда прекращается вибрация детали в воде — вынимают и охлаждают на воздухе (масло лучше). Деталь должна двигаться в воде (не статично), регулярно по геометрии. Статичная среда и деталь → неравномерная твердость, напряжения, большая деформация или трещины.

Твердость деталей из стали 45 после закалки должна быть HRC 56–59. Для больших сечений допускается ниже, но не ниже HRC 48. Иначе — неполная закалка, в структуре остается сорбит или даже феррит, сохраняется после отпуска — цель закалки с отпуском не достигнута.

Высокотемпературный отпуск стали 45 после закалки: обычно 560–600 °C, твердость HRC 22–34. Цель — комплексные свойства, поэтому диапазон широк. Если на чертеже есть требование по твердости — регулируют температуру отпуска под чертеж. Например, валы с высокими требованиями к прочности — выше твердость; шестерни/валы с пазами, требующие фрезеровки после отпуска — ниже твердость. Выдержка отпуска зависит от требований к твердости и размера детали. Твердость после отпуска определяется температурой, слабо зависит от времени, но нужно гарантировать пропрокаливание. Обычно выдержка >1 часа.