Закалка

Закалка производится для получения у стальных деталей приборов, механизмов и машин необходимых высоких показателей прочности, твердости, износостойкости, пластичности и вязкости, а у стального инструмента – заданных высоких значений твердости, износостойкости, прочности.

Указанные свойства формируются при нагреве изделий из доэвтектоидных сталей до температуры на 30…50^оС выше точки Ас₃, из заэвтектоидных сталей – до температуры на 30…50^оС выше точки Ас₁, из высоколегированных сталей – до температуры на 100…150^оС выше точки Ас₃ или Ас₁ (рис. 30). Такой нагрев необходим для получения однофазной аустенитной структуры доэвтектоидных сталей или двухфазной цементито-аустенитной структуры заэвтектоидных сталей либо для распада карбидов и легирования аустенита структуры легированных сталей.

Рис. 30. Температуры нагрева для закалки углеродистых доэвтектоидных
и заэвтектоидных сталей

Тонкостенные изделия и детали сложной формы рекомендуется вначале прогревать до температуры 400…600^оС, а затем нагревать до заданной температуры закалки, что позволяет уменьшить термическую деформацию изделий. При достижении заданной температуры необходима изотермическая выдержка для прогрева всего объема изделия и протекания фазовых превращений.

Охлаждение аустенита при закалке должно происходить с такой скоростью, чтобы в результате распада аустенита образовались структуры с заданными высокими показателями свойств. Процессы распада аустенита зависят от степени его переохлаждения по отношению к температуре Ar₁ равновесного распада. Сущность процессов наиболее полно проявляется в изотермических условиях для доэвтектоидной стали, содержащей 0,8% С и характеризуется С - диаграммой (рис.31).

Рис. 31. Диаграмма изотермического распада переохлажденного аустенита эвтектоидной стали: 1 – начало распада аустенита, 2 – окончание распада аустенита;
I – перлитное превращение, II – промежуточное превращение, III – мартенситное превращение

По результатам экспериментального исследования изотермического распада аустенита получены кривая 1, отражающая влияние степени переохлаждения на время начала диффузионного распада аустенита с образованием феррито-цементитной смеси, и кривая 2, характеризующая время окончания диффузионного распада. Слева от С -образных кривых на диаграмме показана область устойчивого существования переохлажденного, не распавшегося аустенита, между кривыми находится зона, соответствующая протеканию процессов распада, справа от кривых расположена область получившихся продуктов распада.

При температурах ниже 250^оС диффузионный распад аустенита становится невозможным и начинается бездиффузионное мартенситное превращение аустенита, которое развивается и может прекратиться только при дальнейшем охлаждении до температуры – 50^оС.

Степень переохлаждения аустенита зависит от созданной скорости его охлаждения и определяет три основных вида изотермических превращений аустенита с образованием соответствующих продуктов: превращения перлитное, промежуточное, мартенситное.

П е р л и т н о е превращение аустенита происходит при малых скоростях охлаждения (рис.31, зона I). Оно заключается в совместном процессе полиморфной перестройки кристаллической решетки Fe_γ в решетку Fe_α и диффузионного перераспределения углерода, в результате чего образуются пластинчатые частицы феррита и цементита перлитной структуры. Если охлаждение происходит очень медленно, то переохлаждение аустенита оказывается невелико, и распад начинается при температуре около 700^оС. При этом диффузионные процессы проходят до конца и возникает крупнозернистая, грубопластинчатая равновесная структура – перлит. С увеличением скорости охлаждения аустенит может переохладиться до температуры порядка 600^оС, когда диффузия немного не успевает завершиться, и возникает мелкопластинчатая неравновесная структура с повышенной твердостью – сорбит. В случае охлаждения с увеличенной скоростью и переохлаждения аустенита до температур около 550^оС диффузия намного не доходит до конца, за счет чего образуется тонкопластинчатая твердая структура – троостит.

П р о м е ж у т о ч н о е (бейнитное) превращение протекает в условиях переохлаждения аустенита до температуры ниже 550^оС, но выше 250^оС (рис.31, зона II). При таких температурах диффузия атомов железа оказывается невозможной, а диффузия атомов углерода затруднена. Это вызывает бездиффузионную перестройку решетки Fe_γ в решетку Fe_α, что называется мартенситным механизмом. В этих условиях образуется сильно измельченная смесь частиц пересыщенного углеродом Fe_α и частиц цементита – бейнит с высоким уровнем твердости и прочности. При переохлаждении до температуры около 500^оС возникает верхний бейнит с перистым строением, высокой твердостью и пониженной пластичностью. В области температур около 300^оС образуется нижний бейнит с игольчатой структурой, сочетающий высокую твердость и пластичность.

М а р т е н с и т н о е превращение начинается при очень большой скорости охлаждения, когда аустенит получает высокую степень переохлаждения до температуры 250^оС, что соответствует линии М_н диаграммы (рис.31, зона III). Это превращение может развиваться только при непрерывном дальнейшем охлаждении и заканчивается при температуре – 50^оС линии М_к диаграммы. Даже незначительная изотермическая остановка при охлаждении в интервале температур от М_н до М_к вызывает прекращение мартенситного превращения, что является одним из основных отличий мартенситного превращения от перлитного. Поэтому температурная область от линии М_н до М_к на диаграмме изотермического превращения аустенита является условным изображением пределов протекания мартенситного превращения. При температуре М_к мартенситное превращение прекращается так что в структуре присутствует остаточный аустенит, доля которого возрастает с повышением содержания углерода и легирующих элементов в стали.

Сущность мартенситного превращения состоит в бездиффузионной перестройке решетки Fe_γ в решетку Fe_α, поскольку при температурах ниже 250^оС диффузия атомов железа и углерода парализуется. Поэтому весь углерод, содержащийся в виде нормального твердого раствора в Fe_γ, образует пересыщенный твердый раствор в Fe_α, так как при нормальной температуре предельная растворимость углерода в Fe_α не превышает 0,002%. Такое сильное пересыщение искажает кристаллическую решетку Fe_α, и она из кубической становится тетрагональной (рис.32). При этом параметр с решетки превышает параметр а в соответствии с выражением:

С,

где С– концентрация углерода в аустените, масс. %.

Рис. 32. Кристаллическая ячейка мартенсита

Свойства мартенсита отличаются высокой твердостью и прочностью, которые возрастают с увеличением в нем содержания углерода. Так, при концентрации углерода в стали 0,6…0,8% твердость мартенсита составляет 65 HRC, прочность σ_в достигает 2700 МПа при повышенной склонности к хрупкому разрушению. Это упрочнение связано с образованием полей напряжений в пересыщенном твердом растворе, повышением плотности дислокаций, возникновением атмосфер Коттрелла вокруг них, множества границ и субграниц, что представляет барьеры для движения дислокаций.

Характерной особенностью мартенсита является его наибольший удельный объем по сравнению с аустенитом и другими фазово-структурными составляющими стали. При концентрации углерода 1,4% удельный объем аустенита составляет 0,12528 см³/г, а мартенсита 0,13061 см³/г. Это является одной из основных причин появления при закалке больших внутренних напряжений, способных вызвать деформацию изделий вплоть до образования трещин.

В условиях непрерывного охлаждения аустенита со скоростью V₁, V₂, V₃ процессы перлитного превращения завершаются при более низких температурах в сравнении с изотермическим распадом, а бейнитное превращение не происходит (рис.33). Охлаждение со скоростью V₄ обеспечивает переохлаждение части аустенита до температуры М_н и его превращение в мартенсит. В результате структура стали включает троостит, мартенсит и остаточный аустенит.

Рис. 33. Диаграмма распада переохлажденного аустенита при непрерывном охлаждении

Очень быстрое непрерывное охлаждение со скоростью V₅ позволяет переохладить весь аустенит до температуры М_н, не допуская его диффузионного перлитного распада. Дальнейшее охлаждение обеспечивает протекание мартенситного превращения, которое не идет до конца и останавливается при температуре М_к, вследствие чего в структуре образуются мартенсит и остаточный аустенит. Наименьшая скорость охлаждения V_кр, при которой весь аустенит переохлаждается до температуры М_н и участвует в мартенситном превращении, является критической скоростью закалки. Величина критической скорости зависит от устойчивости аустенита, определяемой его химическим составом.

Устойчивость аустенита повышается в углеродистой стали с ростом содержания углерода, в легированных сталях – с ростом содержания карбидообразующих элементов. Графически это отражается на диаграмме изотермического превращения как сдвиг вправо С -образных кривых. Благодаря этому критическая скорость закалки снижается так, что, например, с увеличением концентрации углерода в стали от 0,3% до 1,3% критическая скорость уменьшается от 800^о/с до 200^о/с.

Необходимая скорость закалки обеспечивается применением следующих закалочных сред, расположенных в порядке возрастания интенсивности охлаждения: минеральное масло, вода, водный раствор щелочи, водный раствор соли.

К л а с с и ф и к а ц и я способов закалки предусматривает их разделение на несколько основных видов в зависимости от назначения и режима закалки: полная, неполная, прерывистая, ступенчатая, изотермическая, поверхностная, обработка холодом.

Полная закалка представляет нагрев до температуры на 30…50^оС выше точки Ас₃ для получения в стали однофазной аустенитной структуры, которая при последующем охлаждении со скоростью больше критической превращается в мартенсит. Применяется полная закалка для изделий из доэвтектоидной стали, чтобы обеспечить превращение избыточного феррита ее структуры в аустенит. При недогреве стали ее охлаждение приводит к образованию феррито-мартенситной структуры с пониженной прочностью и улучшенной пластичностью.

Неполная закалка заключается в нагреве на 30…50^оС выше точки Ас₁ деталей из заэвтектоидной стали для создания двухфазной цементито-аустенитной структуры. Последующее охлаждение формирует цементито-мартенситную структуру с более высокой твердостью, чем при полной закалке за счет присутствия округлых частиц очень твердого избыточного цементита.

Прерывистая закалка (в двух средах) характеризуется соответствующим нагревом и быстрым охлаждением изделий в воде до температуры на 50…100^оС выше температуры М_н с последующим замедленным охлаждением в области мартенситного превращения путем переноса изделий в масло. Такое охлаждение снижает закалочные напряжения и опасность коробления, поэтому прерывистая закалка применяется для изделий сложной формы из углеродистых сталей.

Ступенчатая закалка предусматривает такой же нагрев и такую же первую ступень охлаждения, как и в процессе прерывистой закалки. Вторая ступень охлаждения в области температур мартенситного превращения протекает после извлечения изделий на воздух. При таком замедленном охлаждении в закалочной структуре углеродистых сталей сохраняется большая доля остаточного аустенита, снижаются напряжения и опасность коробления. Поэтому ступенчатую закалку применяют для небольших изделий сложной формы из высокоуглеродистых и высоколегированных сталей, имеющих невысокую критическую скорость закалки. Это позволяет увеличить долю мартенсита в закалочной структуре и получить необходимую прочность изделий.

Изотермическая закалка используется с таким же нагревом, как ступенчатая, а в конце первой ступени охлаждения производится изотермическая выдержка изделий для протекания промежуточного превращения аустенита с образованием структуры нижнего бейнита. Такая структура сочетает высокую твердость и достаточную пластичность, что необходимо для придания наилучших качеств изделиям из высокоуглеродистых и легированных сталей.

Поверхностная закалка заключается в нагреве поверхностного слоя изделий и последующем охлаждении в масле, воде или водных растворах. При этом закалочная мартенситная структура с высокой твердостью и прочностью формируется только в поверхностном слое изделий, а сердцевина остается незакаленной, сохраняя исходную пластичность и вязкость.

Нагрев поверхности изделий чаще всего производят индукционным методом, размещая изделия внутри индуктора, изготовленного в виде одного или нескольких витков медной, водоохлаждаемой трубки, присоединенной к генератору переменного тока высокой частоты. Протекающий по индуктору ток создает переменное высокочастотное магнитное поле, силовые линии которого пересекают изделие. Благодаря явлению индукции в нем возникают вихревые токи, плотность которых вследствие поверхностного эффекта становится наибольшей в поверхностном слое. Согласно закону Джоуля-Ленца здесь выделяется тепло так, что толщина слоя Х в мм, нагреваемого вихревыми токами, соответствует выражению:

,

где ρ – удельное электрическое сопротивление нагреваемого металла,

μ – магнитная проницаемость металла,

f – частота тока.

Из данного выражения следует, что для стальных изделий получение закаленного слоя толщиной 1 мм требует применения тока частотой 60 кГц, для толщины 2 мм необходима частота 15 кГц, для толщина 4 мм – 4 кГц. Применение большой удельной мощности вихревых токов обеспечивает высокую скорость нагрева (до 500^о/с), поэтому тепло не успевает распространиться вглубь, и толщина нагреваемого слоя определяет глубину закалки.

Температура нагрева при индукционной закалке является более высокой, чем для условий обычной закалки с нагревом в печи. Это связано с тем, что при высокой скорости индукционного нагрева аустенитное превращение завершается в области более высоких температур. Так, если при печном нагреве под закалку стали 40 со скоростью 3^о/с требуется температура 850^оС, то при индукционном нагреве необходима температура 1000^оС.

Охлаждение при индукционной закалке производится погружением изделий в масло либо обрызгиванием водой или водными растворами с помощью душевого устройства – спрейера.

Применяется поверхностная индукционная закалка в массовом производстве деталей машин и приборов типа валиков, осей, штоков, пальцев, на которые действуют статические и динамические нагрузки, создающие повышенные напряжения в поверхностном слое. Скоростной нагрев и охлаждение при индукционной закалке обусловливают сильное измельчение мартенситной структуры, ее повышенную твердость и прочность в сравнении с обычной закалкой.