Закалка углеродистых сталей

Закалка – это процесс термической обработки, заключающийся в на- греве до температуры выше критической и последующем быстром охлаж- дении, при котором образуется неравновесная структура. Существует за- калка без полиморфного превращения и закалка с полиморфным превра- щением.

Закалка с полиморфным превращением – это термическая обработка металлов и сплавов, при которой происходит мартенситное превращение высокотемпературной фазы. Эта закалка применима к тем металлам и сплавам, в которых при охлаждении перестраивается кристаллическая ре- шетка.

Если взять эвтектоидную сталь (0,8% углерода) с перлитной мягкой структурой и нагреть ее выше точки А₁, то перлит превратится в аустенит. При этом в аустените будет растворено все количество углерода, которое имеется в стали, т. е. 0,8%. Быстрое охлаждение в воде (600 °С/сек) пре- пятствует диффузии углерода из аустенита. Кристаллическая решетка ау- стенита изменится при охлаждении, т. е. гранецентрированная кубическая решетка аустенита перестраивается в объемноцентрированную, но весь имеющийся в стали углерод останется в новой решетке, и это придаст ста- ли высокую твердость и износостойкость.

Температура закалки для большинства сталей определяется положе- нием критических точек А₁ и А₃. Для углеродистых сталей температуру закалки можно определить по диаграмме «Железо – цементит». Закалка от температур, лежащих в пределах между А₁ и А₃ (неполная закалка), сохра- няет в структуре доэвтектоидных сталей наряду с мартенситом часть фер- рита, который снижает твердость в закаленном состоянии и ухудшает ме- ханические свойства после отпуска. Поэтому данные стали обычно нагре- вают до температур на 30–50 °С выше А₃ (полная закалка). Для заэвтекто- идных же сталей закалка от температур выше А₁, но ниже А_ст дает в структуре избыточный цементит, что повышает твердость и износоустой- чивость стали. Нагрев выше температуры А₃, наоборот, ведет к снижению твердости из-за растворения избыточного цементита и увеличения оста- точного аустенита, росту зерна аустенита, увеличению возможности воз- никновения больших закалочных напряжений и обезуглероживанию по- верхностного слоя.

Таким образом, оптимальной закалкой для доэвтектоидных сталей яв- ляется закалка от температуры на 30–50 °С выше А₃, а для заэвтектоидных

– на 30–50 °С выше А₁.

Скорость охлаждения также влияет на результат закалки. Оптимальной охлаждающей является та среда, которая быстро охлаждает деталь в интер- вале температур минимальной устойчивости переохлажденного аустенита и замедленно в интервале температур мартенситного превращения для обес- печения равномерности этого превращения во всех зонах детали и сниже- ния опасности образования трещин. Наиболее распространенными закалоч- ными средами являются вода, водные растворы солей, щелочей, масло, рас- плавленные соли. При закалке в этих средах различают три периода:

· пленочное охлаждение, когда на поверхности стали образуется «па- ровая рубашка», которая равномерно и сплошь окружает изделие, пар от- нимает тепло не интенсивно, и скорость охлаждения в этот период сравни- тельно невелика;

· пузырьковое кипение, наступающее при полном разрушении паровой пленки. В этот период происходит быстрый отвод тепла, так как на обра- зование пузырьков пара расходуется большое количество тепла, и темпе- ратура металла быстро снижается;

· конвективный теплообмен, который отвечает температурам ниже температуры кипения охлаждающей жидкости. Теплоотвод в этот период происходит с наименьшей скоростью, которая определяется физическими свойствами жидкости (теплоемкостью, вязкостью и теплопроводностью), разностью температур и скоростью циркуляции.

Закалочная жидкость охлаждает тем интенсивнее, чем шире интервал стадии пузырчатого кипения, т. е. чем выше температура перехода от пер- вой стадии охлаждения ко второй и чем ниже температура перехода от второй стадии к третьей.

В практике термической обработки сталей нашли широкое примене- ние различные способы охлаждения в зависимости от размеров деталей, их химического состава и требуемой структуры (рис. 8.1).

Непрерывная закалка (1) – наиболее простой способ закалки. Деталь после нагрева помещают в закалочную среду и оставляют в ней до полного охлаждения. Способ применяют при закалке несложных изделий из угле- родистых и легированных сталей. Закалочной средой для углеродистых сталей диаметром более 5 мм служит вода, менее 5 мм и легированных – масло.

Закалка в двух средах (2) осуществляется в разных температурных ин- тервалах с разной скоростью охлаждения. Вначале деталь охлаждают в ин- тервале температур 750–400 °С в воде, затем переносят в другую охлаж- дающую среду – масло. Замедленное охлаждение в масле, где происходит мартенситное превращение, приводит к уменьшению возникающих при закалке внутренних напряжений и опасности появления трещин. Применя- ется этот способ при закалке инструмента из высокоуглеродистой стали.

Рис. 8.1. Способы охлаждения при закалке сталей: 1 – непрерывная закалка; 2 – закалка в двух средах; 3 – ступенчатая закалка; 4 – изотермическая закалка; 5 – обработка холодом

При ступенчатой закалке (3) изделие охлаждают в закалочной среде, имеющей температуру более высокую, чем мартенситная точка данной стали. Охлаждение и выдержка в этой среде обеспечивает равномерное распределение температуры закалочной ванны по всему сечению детали. Затем следует окончательное, обычно медленное охлаждение, во время ко- торого и происходит превращение аустенита в мартенсит. Этот способ да- ет закалку с минимальными внутренними напряжениями, однако его при- менение целесообразно для изделий небольшого размера из углеродистых и низколегированных сталей, закаливающихся в воде.

Изотермическая закалка (4) позволяет получать наиболее хорошее сочетание прочностных и пластических свойств. При изотермической за- калке нагретую деталь переносят в ванну с расплавленными солями, имеющую температуру на 50–100 °С выше мартенситной точки М_H, вы- держивают при этой температуре до завершения превращения аустенита в бейнит и затем охлаждают на воздухе. Во всех предыдущих случаях при закалке происходит образование мартенситной структуры.

При изотермической закалке в детали возникают минимальные на- пряжения, исключается образование трещин и уменьшается деформация.

Обработка холодом (5) применяется для легированных сталей, у ко- торых температура окончания мартенситного превращения М_К значитель- но ниже 0 °С. Если закаливать эти стали обычным способом, то, наряду с мартенситом, в структуре оказывается значительное количество остаточ- ного аустенита. Остаточный аустенит понижает твердость закаленной ста- ли и может вызвать нестабильность размеров готовых деталей, т. к. в про- цессе их работы может происходить превращение остаточного аустенита в мартенсит.

Для стабилизации размеров закаленных изделий и повышения их твердости проводится охлаждение до температуры М_К, в процессе которо-

го аустенит превращается в мартенсит. Температура М_К легированных сталей находится в широких пределах от – 40 до –196 °С.

Обработке холодом подвергают быстрорежущие стали, цементован- ные детали, измерительные инструменты, подшипники и другие особо точные изделия.

Закалка без полиморфного превращения – это термическая обработка, фиксирующая при более низкой температуре состояние сплава, свойствен- ное ему при более высокой температуре. Такая термическая обработка применима к сплавам, у которых одна фаза полностью или частично рас- творяется в другой.

I

t, ° C                         Ж

Ж + α

b

t₂

α

t₁   

α+β _II

α+β

A a    b '                 % B

Рис. 8.2. Диаграмма состояния сплава с переменной растворимостью компонента В в А

Например, в сплаве I (рис. 8.2) при нагреве до температуры t₂ β-фаза растворяется в α-фазе. При обратном медленном охлаждении β-фаза выде- ляется из α-фазы, в которой концентрация компонента В уменьшается в соответствии с линией предельной растворимости аb. Т. к. составы α- и β- фаз различны, то выделение β-фазы связано с диффузионным перераспре- делением компонентов. При достаточном быстром охлаждении диффузи- онное перераспределение, необходимое для зарождения и роста кристал- лов β-фазы, не успевает пройти и эта фаза не выделяется. После такой об- работки (закалки) сплав состоит из одного пересыщенного α-твердого рас- твора.

Закалка без полиморфного превращения широко применяется к алю- миниевым, магниевым, никелевым, медным и другим сплавам.

Закаливаемость – способность стали повышать твердость в результате закалки.

Необходимым условием закаливаемости стали является переохлажде- ние ее до температуры ниже точки М_Н. Минимальная скорость охлаждения аустенита, при которой отсутствует диффузия углерода и происходит пре- вращение в мартенсит, называется критической скоростью охлаждения. Эту скорость можно определить на С–образной диаграмме (рис. 8.3).

Рис.8.3. Определение скорости охлаждения при закалке

При закалке скорость охлаждения должна быть больше критической (V₁). Для обычных углеродистых сталей значение критической скорости охлаждения составляет около 150 °С/сек, поэтому на практике необходимо охлаждать сталь при закалке очень быстро, чтобы предупредить распад ау- стенита на феррито-цементитную смесь.

V_охл, °/сек

V_к V ' к

D, мм

феррит +

цементит

мартенсит

Рис. 8.4. Распределение структуры по глубине цилиндрического образца

Скорость охлаждения на поверхности изделия может быть больше критической, а в центре меньше. В этом случае аустенит в поверхностных слоях превратится в мартенсит, а в центре изделия испытывает перлитное превращение, т. е. деталь не прокалится насквозь. Прокаливаемость – од- на из важнейших характеристик стали.

Прокаливаемостью называют способность стали получать закаленный слой на ту или иную глубину с мартенситной или троосто-мартенситной структурой.

Для характеристики прокаливаемости стали часто используют в каче- стве параметра критический диаметр. Критический диаметр – это макси-

мальный диаметр цилиндрического образца, который прокаливается на- сквозь в данной охлаждающей среде.

Критический диаметр увеличивается и, соответственно, повышается прокаливаемость стали при увеличении охлаждающей способности зака- лочной среды и при введении в сталь легирующих элементов. Например, углеродистая сталь имеет критический диаметр 8–10 мм. Это значит, что при закалке более крупных изделий из данной стали сердцевина не будет закаленной (рис. 8.4).