По температуре нагрева различают низкий, средний и высокий отпуск.
Низкий отпуск на отпущенный мартенсит (120 — 250 °С) широко применяют после закалки инструментов, цементованных и цианированных изделий и после поверхностной закалки.
Цель низкого отпуска — уменьшение остаточных закалочных напряжений; температуру низкого отпуска выбирают такой, чтобы твердость и износостойкость не снизились или слабо снизились. Выдержка при температуре низкого отпуска обычно не превышает 1 — 3 ч; с дальнейшим увеличением выдержки остаточные натяжения очень слабо уменьшаются.
Разновидность низкого отпуска — стабилизирующий отпуск. В закаленной стали даже при комнатной температуре, а тем более в результате климатических колебаний температуры происходят медленные (в течение многих лет) процессы распада мартенсита, перехода остаточного аустенита в мартенсит и снятия напряжений.
Все эти явления ведут к постепенному изменению размеров изделия. Для таких изделий, как мерительный инструмент высокого класса точности и прецизионные подшипники, недопустимы изменения размеров даже на несколько микронов. Поэтому размеры таких изделий необходимо стабилизировать.
Вредное влияние остаточного аустенита устраняют, уменьшая его количество при обработке холодом (смотрите Нагрев и охлаждение при закалке сталей). Стабилизации мартенсита и напряженного состояния достигают низким (стабилизирующим) отпуском при 100 — 180 °C с выдержкой до 30, а иногда и до 150 ч.
Средний отпуск на троостит (350 — 450 °С) — сравнительно редкая операция. Ее используют тогда, когда необходимо сочетание высокой прочности, упругости и вместе с тем достаточной вязкости. Среднему отпуску подвергают пружины и рессоры.
Высокий отпуск на сорбит (450 — 650 °С) широко применяют в машиностроении к изделиям из конструкционной стали, которые должны характеризоваться не только достаточной прочностью, но и хорошей сопротивляемостью ударным нагрузкам. Выдержку при высоком отпуске (обычно несколько часов) подбирают опытным путем для получения заданного комплекса свойств.
Квазиэвтектоидную сорбитную структуру можно получить нормализацией непосредственно из аустенита при охлаждении стали, причем твердость можно получить равной твердости стали после высокого отпуска. Однако при одинаковой твердости относительное сужение и ударная вязкость будут значительно выше у отпущенной стали.
Объясняется это тем, что твердость зависит главным образом от дисперсности феррито-цементитной смеси, а на относительное сужение и ударную вязкость сильно влияет форма цементита. В сорбите, полученном при распаде аустенита, цементит имеет форму длинных пластин, а в сорбите отпуска — форму коротких пластинок с округлыми краями или сфероидальную форму, обеспечивающую более высокую вязкость стали.
Двойная операция получения сорбита — закалка с высоким отпуском — называется улучшением. Эту операцию применяют к среднеуглеродистым сталям, содержащим от 0,35 до 0,6% С. Такие стали называют улучшаемыми в отличие от малоуглеродистых цементуемых. При закалке создаются большие остаточные напряжения, чем при нормализации.
Несмотря на это, для ответственных деталей машин, как правило, предпочитают улучшение, так как выигрыш в ударной вязкости весьма значителен. Кроме того, при высоком отпуске закалочные напряжения почти полностью снимаются.
Качество закалки сильно сказывается на свойствах стали после высокого отпуска. Деталь при улучшении должна прокаливаться насквозь. В противном случае после высокого отпуска внутренние слои при одинаковой твердости будут иметь меньшую ударную вязкость, чем внешние слои, так как первые будут содержать пластинчатый цементит, а вторые — точечный или зернистый. Если при охлаждении не было полностью подавлено выделение избыточного феррита во внутренних слоях, то понижается не только ударная вязкость, но и предел прочности, твердость и особенно усталостная прочность.
Например, заготовка из стали 45 диаметром 15 мм прокаливается в воде насквозь, и в центре ее после высокого отпуска получается структура зернистого сорбита, характеризующаяся следующими свойствами: σв = 80 кгс/мм2, σ0,2 = 65 кгс/мм2, δ = 16% и ан = 10 кгсм/см2. Центральные слои заготовки диаметром 100 мм охлаждаются со скоростью значительно меньше критической скорости закалки.
При этом в центральных слоях получается структура пластического сорбита с избыточным ферритом, которая характеризуется пониженными показателями прочности и пластичности по сравнению со структурой зернистого сорбита: σв = 70 кгс/мм2, σ0,2 = 45 кгс/мм2, δ = 13% и ан = 5 кгсм/см2.
Скорость охлаждения с температуры отпуска не сказывается на механических свойствах углеродистых сталей, и если не опасны термические напряжения, то можно проводить ускоренное охлаждение.
Иногда закалку и отпуск совмещают в одной операции, которую называют закалкой с самоотпуском. Изделие кратковременно погружают в воду или обрызгивают водой. Поверхностный слой закаливается на мартенсит и затем отпускается за счет тепла внутренних слоев изделия.
Таким способом проводят сорбитизацию поверхностного слоя головки рельса, который должен сопротивляться смятию и истиранию и вместе с тем иметь достаточную ударную вязкость и высокий предел выносливости, что обеспечивается структурой сорбита отпуска.
«Теория термической обработки металлов»,
И.И.Новиков