8.2. Закалка стали

Закалка является одним из основных видов упрочняющей термической обработки. Она производится для повышения твердости, износостойкости и упругости сталей. После закалки наряду с высокой твердостью стали приобретают одновременно и наибольшую хрупкость. Главным отличием закалки от других операций термической обработки является высокая скорость охлаждения, достигаемая применением различных закалочных сред.

Температуру, до которой нагревают углеродистую и низколегированную сталь под закалку, выбирают в соответствии с диаграммой железо-углерод. Зона закалочных температур для сталей на диаграмме приведена на рис.26. Температура нагрева под закалку доэвтектоидных сталей на 30…50?С выше линии GS. При этом сталь переходит в состояние аустенита.

В зависимости от скорости охлаждения сталь после закалки может иметь структуру мартенсита, сорбита и троостита, существенно влияющую на свойства стали. При резком, сильном охлаждении диффузионный распад аустенита становится невозможным. В процессе охлаждения атомы железа из решетки Fe? перестраиваются в решетку Fe?. Как известно, (раздел 5), аустенит представляет собой твердый раствор внедрения углерода в Fe?. В зависимости от марки стали, аустенит может растворять до 2% углерода. Максимальная растворимость углерода в Fe? при нормальных условиях не превышает 0,002%. При резком охлаждении нагретой стали углерод не успевает выделится из кристаллической решетки железа и образовать частички цементита. В результате образуется пересыщенный твердый раствор углерода в Fe?, называемый мартенситом.

Температура нагрева под закалку заэвтектоидных сталей на 30…50?С выше линии PSK (рис.26). Нагрев этих сталей выше линии SE приводит к укрупнению зерен аустенита и росту закалочных напряжений, что отрицательно сказывается на свойствах закаленных сталей (увеличивается хрупкость).

Скорость охлаждения, которая обеспечивает при закалке получение мартенситной структуры, называется критической скоростью закалки. Охлаждение со скоростью меньше критической приводит к образованию сорбитной, трооститной и перлитной структуры. Для образования мартенсита скорость охлаждения должна превышать критическую, т.е. примерно свыше 1500С/с, что не позволяет углероду выделиться из решетки аустенита.

Структура перлита, получаемая при медленном охлаждении стали, является равновесной. Структуры сорбита, троостита и мартенсита являются неравновесными. Причем из-за значительного количества углерода кристаллическая решетка в мартенсите искажается и становится тетрагональной (вместо гранецентрированной кубической у аустенита).

Мартенсит имеет характерное игольчатое строение, что хорошо видно под микроскопом (рис.27). Он отличается высокой твердостью, прочностью и хрупкостью. Поэтому чем больше аустенита превращается в мартенсит, тем сталь после закалки будет более твердой. В связи с этим температура нагрева стали под закалку должна быть такой, чтобы сталь полностью перешла в аустенитное состояние.

Большинство конструкционных сталей под закалку нагревают до температур 800...880?С (рис.26). Температура нагрева под закалку инструментальных заэвтектоидных сталей составляет 760...780?С.

Длительность нагрева определяется многими факторами. Основными из них являются температура закалки, теплопроводность стали, способ нагрева, тип печи, форма и размеры детали. Наибольшая скорость нагрева достигается при индукционном нагреве, а наименьшая – в пламенных печах. Для конкретных условий закалки при выборе длительности нагрева обычно пользуются опытными данными. Ориентировочно для углеродистых сталей, например, при нагреве в электрических печах время нагрева до 790...850?С принимают равным 1...2 мин на каждый миллиметр толщины детали. После достижения заданной температуры изделие выдерживается в печи в течение некоторого времени для полного прогрева по сечению и завершения структурных превращений. Обычно время выдержки принимают равным 15...25% от длительности нагрева.

Следует иметь в виду, что необходимые структурные превращения в стали начинаются при температуре около 700?С. С повышением температуры нагрева и увеличением длительности выдержки наблюдается интенсивное увеличение зернистости стали, которая затем фиксируется быстрым охлаждением. Поэтому, желая иметь в структуре стали больше аустенита чтобы затем весь его перевести в мартенсит и получить более твердую сталь, мы вынуждены как можно дольше держать сталь при температуре структурных превращений. Это создает благоприятные условия для роста зерна и способствует тем самым увеличению хрупкости закаленной стали.

Большинство легирующих элементов, особенно титан, цирконий и ванадий, тормозят рост зерна аустенита. Марганец и фосфор увеличивают склонность зерна аустенита к росту.

Скорость охлаждения при закалке, определяющая строение и свойства термообработанной стали, зависит от охлаждающей среды, формы изделия, теплопроводности стали, а также от технологической схемы охлаждения. Наилучшей охлаждающей средой может считаться та, которая обеспечивает высокую скорость охлаждения в интервале температур 550...650?С, т.е. в интервале минимальной устойчивости аустенита. Минимальная скорость охлаждения должна быть при температурах 200...300?С, когда возникает наибольшая опасность появления трещин вследствие образования мартенсита.

Наиболее распространенными закалочными средами являются вода, водные растворы солей или щелочей (например, 10% раствор NaCl или 10...15% раствор NaOH), минеральные масла, расплавленные металлы, соли и др.

Для закалки сравнительно простых по конфигурации деталей из углеродистых и низколегированных сталей чаще всего используют наиболее простой способ охлаждения в одной закалочной среде. При этом применение сред с небольшой скоростью охлаждения, например, машинного масла, позволяет существенно снизить опасность образования трещин или коробления деталей при закалке. Однако высокая твердость в этом случае может быть получена лишь у легированных сталей. Недостаток этого способа закалки заключается в том, что вследствие неравномерного охлаждения по сечению в детали возникают большие термические напряжения.

Для углеродистых сталей снизить закалочные напряжения и одновременно получить высокую твердость можно, применяя различные технологические приемы. Эти приемы должны обеспечить оптимальные условия охлаждения деталей при закалке. В частности, для деталей более сложной формы используют так называемую прерывистую закалку (закалку в двух средах). В этом случае нагретую деталь вначале опускают в воду, а затем для окончательного охлаждения перебрасывают в масло. Это позволяет снизить скорость охлаждения в области мартенситного превращения и тем самым уменьшить структурные напряжения. Этот способ обычно используют при закалке инструментальн ых углеродистых сталей. Однако точное время переноса делали из воды в масло определить трудно.

Ступенчатая закалка по сравнению с предыдущими способами является более совершенной. В этом случае детали охлаждают в расплавленных солях, подогретом масле или других средах, нагретых до температур 300...350?С, т.е. несколько выше мартенситной температурной точки для данной стали. После выдержки в этой среде до выравнивания температуры по всему сечению деталь извлекают из охлаждающей среды и охлаждают на воздухе. Этот способ лишен недостатков прерывистой закалки и позволяет достигнуть минимальных напряжений при закалке, избежать появления горячих трещин и чрезмерных деформаций. Чаще всего ступенчатую закалку применяют при термической обработке инструмента диаметром (толщиной) 8...10 мм.

Аналогичным образом производится и изотермическая закалка, однако в этом случае выдержка при температуре выше мартенситной точки назначается с таким расчетом, чтобы произошел полный распад аустенита. Образующаяся при этом структура (игольчатый троостит) обусловливает несколько пониженную твердость закаленной стали, однако полностью устраняются структурные напряжения и значительно уменьшаются термические напряжения. Изотермическая закалка как и ступенчатая возможна лишь для небольших изделий, сечение которых быстро прогревается до температуры горячей ванны.

Выбирая охлаждающие среды, следует учитывать закаливаемость и прокаливаемость данной стали.

Закаливаемость – это способность стали принимать закалку, т.е. приобретать после закалки детали высокую твердость. Закаливаемость определяется содержанием углерода в стали. Низкоуглеродистые стали (до 0,3% углерода) практически не закаливаются, так как при закалке их механические свойства не изменяются.

Одной из важнейших характеристик, позволяющих оценивать способность стали подвергаться закалке, является ее прокаливаемость. Под прокаливаемостью понимают глубину проникновения закаленной зоны. В связи с тем, что действительная скорость охлаждения не одинакова по сечению детали и убывает от периферии к центру, то сердцевина детали может не получить мартенситной структуры и твердость ее окажется пониженной.

Существенное влияние на прокаливаемость стали оказывает ее химический состав, температура и длительность нагрева. Легирующие элементы (кроме кобальта) увеличивают прокаливаемость. Диаметр максимального сечения, прокаливающегося в данном охладителе насквозь, называется критическим диаметром. Например, критический диаметр стали 45 при закалке в воде не превышает 12,5 мм. Повышение содержания марганца в этой стали до 1,7% увеличивает критический диаметр вдвое.

Нагрев сталей под закалку проводят в печах различной конструкции с электрическим или пламенным обогревом. Для предотвращения обезуглероживания и окисления металла требуется контролировать атмосферу печи, в которой ведется нагрев и выдержка изделий. Нагрев можно вести также в расплавах стекла и солей.

В закаленных сталях всегда присутствует остаточный аустенит, который снижает твердость, прочность и износостойкость изделий. Для снижения количества остаточного аустенита закаленные изделия обрабатывают холодом. Снижение температуры до – 80?С для большинства сплавов вызывает превращение остаточного аустенита в мартенсит и приводит к повышению твердости. Обработке холодом подвергают детали шарикоподшипников, точных механизмов, измерительный инструмент, штампы и др. Обработка холодом не уменьшает внутренних напряжений, поэтому после такой обработки обязательно проводят отпуск.

Акулич Н.В. Процессы производства черных и цветных металлов и их сплавов, Гомель 2008