Термообработка. Закалка стали.
Цель закалки стали – улучшение свойств стали.
Процесс закалки необходим очень многим деталям, изделиям. Эта термобработка основана на перекристаллизации стали, нагретой до температуры выше критической; после достаточной выдержки - следует быстрое охлаждение. Таким путем предотвращают превращение аустенита до перлита.
Закаленная сталь имеет неравновесную структуру мартенсита, троостита или сорбита.
Чаще всего, при закалке, сталь резко охлаждают на мартенсит. Смягчают действие закалки процессом отпуска. Отпуск - нагрев стали до температуры ниже точки А1.(см. Физико-химические основы термобработки. Рисунок 1). При отпуске структура стали из мартенсита закалки переходит в мартенсит отпуска, троостит отпуска или сорбит отпуска.
Стали, подвергающиеся закалке, характеризуются закаливаемостью и прокаливаемостью.
Закаливаемость и прокаливаемость стали.
Закаливаемость - способность стали повышать твердость в результате закалки.
Прокаливаемость - способность стали образовывать закаленный слой со структурой мартенсита и высокой твердостью. Прокаливаемость образца характеризуется максимально получаемой твердостью по сечению изделия (образца). При неполной прокаливаемости ее конкретная величина определяет возможность получения при закалке материала с установленным значением твердости на определенной глубине. Полная прокаливаемость, то есть наличие мартенситной структуры по всему сечению изделия, называется сквозной.
Стали с малым содержанием углерода закалить на мартенсит очень трудно, так как начало и конец процесса образования мартенсита происходит в области высоких температур, соответствующих образованию других, более устойчивых структур (троостит, сорбит). Прокаливаемость обыкновенной углеродистой стали распространяется на 5...7 мм.
Микроструктура закаленной стали зависит от ее химического состава и условий закалки (температуры нагрева и режима охлаждения). Закалка стали с содержанием углерода до 0,025...0,03% задерживает выделение третичного цементита по границам зерен и не меняет структуру феррита. Такая закалка повышает пластичность и почти не изменяет прочностных характеристик.
Микроструктура стали с 0,08...0,15% С (с нагревом выше верхних критических точек и охлаждением в воде) представляет собой низкоуглеродистый мартенсит с выделениями феррита. Дальнейшее увеличение содержания углерода (0,15...0,25%) при тех же условиях закалки приводит к повышению твердости с 110...130 НВ до 140...180 НВ, а предел текучести возрастает на 30...50%. Наиболее значительное изменение свойств происходит при содержании углерода более 0,30...0,35%.
Микроструктура доэвтектоидных сталей представляет собой мартенсит, кристаллы которого имеют характерную форму пластин (игл). При содержании углерода более 0,5...0,6% в микроструктуре сталей наблюдается незначительное (2...3%) количество аустенита.
Микроструктура заэвтектоидных сталей состоит из мартенсита, зерен вторичного цементита (не растворившегося при нагреве) и остаточного аустенита. Кристаллы (иглы) мартенсита очень небольших размеров. Повышение температуры закалки вызывает растворение вторичного цементита и способствует росту зерна.
В тех случаях, когда требуются высокая твердость и повышенная износостойкость поверхности при сохранении вязкой и достаточно прочной сердцевины изделия, применяется поверхностная закалка, то есть закалка не на полную глубину. Поверхностной закалке подвергаются стали при содержании углерода более 0,3%. Выбор оптимальной толщины упрочняемого слоя определяется условиями работы детали и составляет от 1,5 до 15 мм (и выше). Площадь сечения закаленного слоя не должна превышать 20% площади всего сечения. В практике наиболее часто используют поверхностную закалку с индукционным нагревом током высокой частоты (ТВЧ).
Закалка. Температурные условия процесса.
Температура нагрева закалки стали равна температуре полного отжига: для доэвектоидной стали на 30-50 ° выше точки Ас 3, для заэвтектоидной – на 30-50 ° выше точки Аc1. (см. Физико-химические основы термобработки. Рисунок 1)
Если нагреть доэвтектоидную сталь до температуры между точками Аc1 и Аc3 (неполная закалка), то в структуре быстро охлажденной стали, наряду с закаленными участками, будет присутствовать нерастворенный феррит, резко снижающий твердость, прочность. Поэтому для доэвтектоидной стали обязательна полная закалка (нагрев выше точки Ас 3).
В заэвтектоидной стали избыточной фазой является цементит, который по твердости не уступает мертенситу и даже превосходит его; поэтому сталь достаточно нагреть на 30-50 ° выше точки Ас 1.
Нагревать изделия, особенно крупные, нужно постепенно, чтобы избежать местных напряжений, трещин, а время выдержки нагретого изделия должно быть достаточным, чтобы переход перлита в аустенит полностью завершился. Продолжительность выдержки обычно равна четверти общей продолжительности нагревания.
Закалка. Охлаждение деталей.
Процесс закалки заканчивается охлаждением деталей. Скорость охлаждения деталей должна быть такой, чтобы деталь получилась заданной структуры. Скорость V 2 (см. Физико-химические основы термобработки. Рисунок 2) , обеспечивающая мартенситную структуру (с остаточным аустенитом, не без троостита), называется критической скоростью закалки.
Так как С-образные кривые доэвтектоидной, заэвтектоидной сталей смещены влево по сравнению с кривыми эвтектоидной стали, критическая скорость закалки их выше, следовательно получение структуры мартенсита достигается труднее, а для некоторых марок структура мартенсита даже недостижима.
Легирующие компоненты стали облегчают закалку, так как при этом С-образные кривые смещаются вправо, следовательно критическая скорость понижается.
Если скорость охлаждения меньше критической, то в структуре закаленной стали, наряду с мартенситом, будет троостит, а если скорость уменьшается дальше, то получаются структуры троостита или сорбита без мартенсита.
Резкость закалки (получение мартенсита без троостита) зависит от природы температуры охлаждающей среды. Охлаждение струей воздуха или холодными металлическими плитами дает закалку на сорбит. Наиболее распространено охлаждение деталей погружением в воду, щелочные, кислые растворы, масло, расплавленный свинец и др. При этом получается резкая или умеренная закалка (на мартенсит или троостит).
Охлаждающая способность воды резко изменяется в зависимости от температуры воды; если эту способность при 18 ° принять за единицу, то при 74 ° охлаждающая способность будет иметь коэффициент 0,05.
К наиболее резким охладителям относится 10%-ный раствор NaOH в воде. Если температура 18 ° его коэффициент – 2,0. К умеренным охладителям относятся минеральные масла с коэффициентом 0,2-0,25.
Для закалки применяют различные приемы охлаждения в зависимости от марки стали, формы, размеров детали, технических требований к ним.
Простая закалка в одном охладителе (чаще всего в воде, в водных растворах) выполняется путем погружения детали до полного охлаждения. При охлаждении необходимо освобождать деталь от слоя пара хороший теплоизолятор. Такой способ закалки самый распространенный.
Для получения высокой твердости, наибольшей глубины закаленного слоя для углеродистой стали применяют охлаждение деталей при интенсивном обрызгивании.
Прерывистая закалка - процесс охлаждения в последовательно в двух средах: первая среда – охлаждающая жидкость (обычно вода); вторая – воздух или масло. Резкость такой закалки меньше, чем предыдущей.
Ступенчая закалка - процесс охлажденидеталь быстро погружают в соляной расплав и охлаждают до температуры несколько выше М Н (см. рис. 3), короткое время выдерживают, затем охлаждают на воздухе. Выдержка обеспечивает выравнивание температуры от поверхности к сердцевине детали, что уменьшает напряжения, возникающие при мартенситном превращении.
Способ погружения деталей в закалочную ванну должен быть таким, чтобы при закалке они как можно меньше коробились. Детали с большим отношением длины к диаметру или ширине (напильники, сверла и др.) следует погружать в охладитель вертикально.
Изотермическая закалка.
Изотермическая закалка (закалка в горячих средах) основана на изотермическом распадении аустенита; охлаждение ведется не до комнатной температуры, а до температуры несколько выше начала мартенситного превращения (200-300 ° , зависит от марки стали). Как охладитель используют соляные расплавы или нагретое до 200-250 ° масло. При температуре горячей ванны деталь выдерживается продолжительное время, пока пойдут инкубационный период и распадение аустенита. В результате получается структура игольчатого троостита, по твердости близкого к мартенситу, но более вязкого, прочного. Последующее охлаждение производится на воздухе.
Чтобы провести процесс изотермической закалки, вначале требуется быстрое охлаждение со скоростью не менее критической, чтобы избежать распадения аустенита в условиях, отвечающих перегибу С-образной кривой (см. Термобработка: Отжиг, нормализация. Рисунок 7). Следовательно, по этому методу можно закаливать только небольшие (примерно, диаметром до 8 мм) детали из углеродистой стали, так как запас энергии в более тяжелых деталях не позволит достаточно быстро их охладить. Это не относится, однако, к легированным сталям, большинство марок которых имеет значительно меньшие критические скорости закалки. Большим преимуществом изотермической закалки является возможность рихтовки (исправление искривлений) изделий во время инкубационного периода распадения аустенита (который длится несколько минут), когда сталь еще мягка и пластична. После изотермической закалки детали свободны от внутренних напряжений и не имеют трещин.
