Закалка

2.3.2.1 Общие положения

Существует три принципиально различающихся между собой вида закалки:

- закалка с полиморфным превращением;

- закалка без полиморфного превращения;

- закалка с оплавлением поверхности.

Закалка с полиморфным превращением (закалка стали на мартенсит) на протяжении веков является основным способом упрочнения стали, а в настоящее время применяется и для закалки сплавов цветных металлов.

Закалка без полиморфного превращения была открыта на рубеже 20-го века, и её промышленное использование началось одновременно с применением алюминиевых сплавов. Закалка без полиморфного превращения применима для сплавов, имеющих переменную в зависимости от температуры растворимость компонентов. В результате закалки образуется пересыщенный твердый раствор, но кристаллическая решетка остается неизменной.

Закалка с оплавлением поверхности появилась в 70-х годах прошлого века, когда в промышленности начали использовать лазерный нагрев.

Закалка стали – это термическая обработка, которая включает нагрев до температуры выше фазовых превращений, выдержку при этой температуре и быстрое охлаждение со скоростью, превышающей критическую (рис. 13).Закалкаявляется упрочняющей термической обработкой. Повышение твердости и прочности обеспечивается за счет получения структуры мартенсита. Закалка не является окончательной операцией, и после нее обязательно производится отпуск.

Результаты закалки во многом зависят от правильного выбора температуры нагрева для закалки. Доэвтектоидные стали для закалки следует нагревать до температуры на 30-50°С выше Ас₃. В этом случае сталь с исходной структурой перлит + феррит нагревается до аустенитного состояния и при охлаждении со скоростью больше критической получается мартенсит. Такая закалка называется полной.

Неполная закалка осуществляется от температур, которые соответствуют межкритическому интервалу от А_С1 до А_С3, и используется только для листовой низколегированной стали для получения структуры феррита с небольшими участками мартенсита до 20%. Такая структура обеспечивает достаточно высокие механические свойства и, одновременно, способность к штамповке. Во всех других случаях неполная закалка доэвтектоидных сталей не используется, поскольку механические свойства получаются более низкими по сравнению с закалкой от температур выше А_С3.

Заэвтектоидные стали нагревают для закалки на 15…20°С выше А_С1. При этих температурах в стали наряду с аустенитом имеется цементит. Поэтому после закалки в структуре заэвтектоидных сталей присутствуют мартенсит с небольшим количеством остаточного аустенита и нерастворенные частицы цементита, имеющие высокую твердость. Интервал закалочных температур не должен превышать 15…20^оС, так как чрезмерное повышение температуры закалки вызывает интенсивный рост зерна, что приводит к снижению прочности и сопротивления хрупкому разрушению.

Закалка заэвтектоидных сталей, по сути, является неполной. Если заэвтектоидную сталь нагревать для закалки выше А_сm,то ее структура будет состоять из крупноигольчатого мартенсита с повышенным содержанием остаточного аустенита, присутствие которого в структуре стали снижает ее твердость.

Продолжительность нагрева и выдержки при закалочной температуре должна обеспечить прогревание изделий по сечению и завершение фазовых превращений, но исключить рост зерна и обезуглероживание поверхностных слоев детали. В большинстве случаев является приемлемым выбор продолжительности нагрева из расчета 1,5 мин на 1мм сечения для углеродистых сталей и 2 мин на 1мм сечения для легированных сталей. Продолжительность выдержки составляет одну треть от продолжительности нагрева.

При определении технологических параметров процесса закалки необходимо учитывать закаливаемость и прокаливаемость стали.

Закаливаемость – это способность стали повышатьв процессе закалки свою твердость. Закаливаемость зависит главным образом от содержания углерода в стали, повышается при увеличении его содержания и считается достаточной при 0,4%С и выше, когда твердость закаленной стали приближается к 60HRC (рис. 14).

Прокаливаемость характеризует глубину закаленного слоя при данных условиях закалки. За глубину закаленного слоя условно принимают расстояние от поверхности до полумартенситной зоны (50% мартенсита и 50% троостита). Диаметр заготовки, в центре которой после закалки в данной охлаждающей среде образуется полумартенситная структура, называется критическим диаметром (Д_кр). Прокаливаемость возрастает по мере повышения стойкости переохлажденного аустенита и, соответственно, снижения критической скорости закалки.

1 – твердость мартенсита; 2 –заэвтектоидная сталь после закалки от температуры А_С1 + 20^оС; 3 -твердость заэвтектоидной стали после закалки от температуры А_СМ + (20…30^оС)

Рисунок 14 - Влияние температуры закалки на твердость за эвтектоидной стали

2.3.2.2 Способы закалки

Охлаждение при закалке должно обеспечить получение структуры мартенсита в пределах заданного сечения детали при отсутствии образования трещин и деформаций.

Идеальным охлаждением считается такое, при котором обеспечивается высокая скорость охлаждения при температурах наименьшей устойчивости переохлажденного аустенита для предупреждения его диффузионного превращения и медленное охлаждение в интервале мартенситного превращения с целью уменьшения закалочных напряжений (рис. 15).

1 – закалка в воде; 2 – ступенчатая закалка;3 – идеальное

охлаждение; 4 – закалка в масле;5 – изотермическая закалка;

V_крит.- критическая скорость закалки

Рисунок 15 – Кривые охлаждения, соответствующие различным видам закалки

Напряжения при закалке стали возникают в результате неравномерного охлаждения поверхности и центральных зон детали, а также из-за увеличения объема при мартенситном превращении и неодновременности протекания его по сечению детали. В первом случае напряжения классифицируются как тепловые, а во втором – как структурные.

В начале охлаждения поверхностные слои вследствие уменьшения объема сжимаются, чему противодействуют еще неохлажденные внутренние слои. Это вызывает образование в поверхностных слоях напряжений растяжения, а во внутренних – напряжений сжатия. По мере дальнейшего охлаждения напряжения начнут уменьшаться, и в некоторый момент произойдет смена знака напряжений на поверхности и в центре. После окончательного охлаждения на поверхности образуются остаточные напряжения сжатия, а в сердцевине – напряжения растяжения. Появление остаточных напряжений является результатом того, что напряжения вызывают не только упругую, но и неодновременную и неодинаковую пластическую деформацию слоев по сечению детали.

Структурные напряжения образуются по обратной схеме. В начале охлаждения в результате мартенситного превращения поверхностные слои расширяются, чему противодействуют внутренние слои, еще не испытавшие структурных преобразований. Это приводит к образованию на поверхности сжимающих напряжений, а в центре – растягивающих. По мере дальнейшего охлаждения знак напряжений на поверхности и в центральных зонах изменяется, и после окончательного остывания на поверхности будут остаточные напряжения растяжения, а в сердцевине – напряжения сжатия.

При закалке одновременно возникают как тепловые, так и структурные напряжения и в зависимости от их соотношения могут образовываться различные эпюры суммарных напряжений. Наиболее опасными являются растягивающие напряжения на поверхности, которые способствуют образованию трещин и снижают сопротивление усталостному разрушению стали.

Растягивающие напряжения возникают, в основном, за счет появления структурных напряжений, величина которых тем больше, чем выше температура закалки и интенсивнее охлаждение в интервале мартенситного превращения М_н…М_к,. Для уменьшения структурных напряжений необходимо снижать скорость охлаждения ниже температуры начала мартенситного превращения.

В качестве закалочных сред для углеродистых сталей, имеющих высокую критическую скорость закалки, применяются вода и различные водные растворы, а для легированных сталей, имеющих небольшую критическую скорость охлаждения, - масло, водовоздушные смеси и т. п.

Вода, как закалочная среда, имеет большую скорость охлаждения в перлитном интервале, но при этом и высокую скорость охлаждения при температурах образования мартенсита, что может приводить к образованию трещин и деформации закаливаемых изделий (рис.15). Кроме этого, охлаждающая способность воды резко снижается при повышении её температуры.

При закалке в масле охлаждение в мартенситном интервале осуществляется с невысокой скоростью, но в интервале перлитного превращения интенсивность охлаждения часто оказывается недостаточной для его подавления (рис. 15).

Таким образом, в настоящее время нет закалочной среды, которая бы обеспечивала идеальное охлаждение, и поэтому разработаны различные способы закалки, использование которых позволяет снизить уровень возникающих напряжений при обеспечении необходимого структурообразования.

Наиболее распространенным способом закалки является закалка в одном охладителе, при котором деталь погружают в закалочную среду, где она остается до полного охлаждения. С целью уменьшения внутренних напряжений детали перед погружением в закалочную жидкость некоторое время охлаждают на воздухе. Такой способ называется закалкой с подстуживанием. При этом необходимо, чтобы температура детали не опускалась ниже Аr₃ для доэвтектоидных сталей и ниже Аr₁ – для заэвтектоидных.

При закалке в двух средах деталь сначала охлаждают в воде до температуры несколько выше М_н, а затем для окончательного охлаждения переносят в среду с меньшей охлаждающей способностью, при этом уменьшаются внутренние напряжения, связанные с превращением аустенита в мартенсит.

При ступенчатой закалке деталь после нагрева охлаждается в закалочной среде, имеющей температуру несколько выше точки М_н, и выдерживается в ней до выравнивания температуры по всему сечению, но при этом не должно произойти превращение аустенита в бейнит. После этого следует окончательное охлаждение на воздухе, во время которого происходит превращение аустенита в мартенсит. Проведение ступенчатой закалки позволяет уменьшить деформации, коробление и опасность возникновения трещин.

Изотермическая закалка выполняется так же, как и ступенчатая, но выдержка при температуре несколько выше М_н увеличивается для завершения превращений аустенита в бейнит. Данный способ закалки применяется для легированных сталей и последующий отпуск не производится. В качестве охлаждающих сред при ступенчатой и изотермической закалках применяют расплавленные соли (55% KNO и 45%NaNO₃) илищелочи (20%NaOH и 80%KOH).

Закалка с самоотпуском применяется в основном для ударного инструмента (зубила, кузнечный инструмент и т. д.), когда для обеспечения высокой стойкости инструмента требуется, чтобы твердость постепенно и равномерно снижалась от рабочей к хвостовой части. Такое распределение твердости возможно, если при закалке нагретую деталь рабочей частью погружают в воду и вынимают после кратковременной выдержки. За счет тепла хвостовой части детали её рабочая часть нагревается и отпускается. Температуру нагрева определяют по цветам побежалости, появление которых объясняется возникновением на шлифованной поверхности тонких слоев окислов. Цвет слоя зависит от его толщины, которая определяется температурой. При температуре 220^оС поверхность приобретает светло-желтый цвет, при 230^оС - желтый, при 240^оС - темно-желтый, при 250^оС - оранжевый, при 260^оС - коричневый, при 270^оС - красный, при 280^оС - фиолетовый, при 300^оС - синий, при 320^оС - серый. Этот давно известный способ сейчас становится все более востребованным, что объясняется стремлением к энергосберегающим технологиям и открывающимися возможностями предварительного моделирования закалочного процесса и его выполнения в автоматическом режиме.

2.3.2.3 Обработка холодом

Если температура конца мартенситного превращения ниже 0^оС, то после закалки в структуре стали содержится остаточный аустенит. Наличие остаточного аустенита снижает твердость стали, а его последующий распад приводит к изменению форм и размеров. Чем ниже температура конца мартенситного превращения, тем больше остаточного аустенита в структуре закаленной стали.

С целью уменьшения количества остаточного аустенита сталь после закалки охлаждают до отрицательных температур. Такой технологический процесс называется обработкой холодом, в результате чего возобновляется мартенситное превращение. Температурный режим обработки холодом определяется температурой конца мартенситного превращения. Поскольку превращение происходит только при охлаждении в области мартенситного превращения. Более глубокое охлаждение нецелесообразно, поскольку не вызовет дополнительного превращения.

После закалки стали выдержка при комнатной температуре приводит к стабилизации аустенита и при последующей обработке холодом не весь остаточный аустенит будет превращаться в мартенсит. Поэтому обработку холодом рекомендуется проводить немедленно после закалки.

Обработка холодом целесообразна для углеродистых сталей с содержанием углерода свыше 0,6% и применяется для стабилизации размеров калибров, колец шарикоподшипников и других особо точных изделий, для получения максимальной твердости инструмента и цементованных деталей, а также для повышения магнитных характеристик стальных магнитов.

Отпуск

Отпуском называется термическая операция, включающая нагрев до температуры ниже А_С1, выдержку при заданной температуре и последующее охлаждение с заданной скоростью и обеспечивающая более равновесное состояние металла.

При отпуске происходит уменьшение внутренних напряжений и тем более значительное, чем выше температура отпуска. Повышение скорости охлаждения с температуры отпуска приводит к увеличению остаточных напряжений. Например, при охлаждении в воде после отпуска (применяется для устранения отпускной хрупкости) уровень возникающих напряжений может быть на порядок выше по сравнению с охлаждением той же детали на воздухе.

С повышением температуры отпуска твердость и прочность понижаются, а пластичность и ударная вязкость повышаются.

Зависимость твердости от температуры отпуска качественно имеет такой вид. С повышением температуры отпуска она снижается в результате увеличения карбидных частиц и обеднения углеродом a-твердого раствора. В высокоуглеродистых сталях при отпуске до 100°С имеет место повышение твердости на 1-2HRC в результате превращения тетрагонального мартенсита в отпущенный, а при отпуске при 200-250°С возможно некоторое повышение твердости в результате превращения остаточного аустенита в более твердый отпущенный мартенсит.

Нагрев до 300^оС приводит к повышению пределов прочности и упругости, а при дальнейшем повышении температуры отпуска происходит их снижение.

Пластические свойства увеличиваются с повышением температуры отпуска и наибольшая пластичность соответствуют отпуску при 600...650^оС. Отпуск при более высоких температурах уже не повышает пластичность.

Ударная вязкость у закаленной углеродистой стали сохраняется низкой вплоть до температуры отпуска» 400^оС, после чего начинается её интенсивное повышение до достижения максимума при 600^оС.

Различают три вида отпуска: низкотемпературный, среднетемпературный и высокотемпературный.

Низкотемпературный отпуск осуществляется в интервале температур 80…200^оС. В результате его проведения мартенсит закалки превращается в мартенсит отпуска, имеющий повышенную ударную вязкость и пластичность по сравнению с мартенситом закалки при практически той же твердости. Поэтому низкотемпературному отпуску подвергают режущий и измерительный инструменты из углеродистых и низколегированных сталей, а также детали после поверхностной закалки и цементации.

Среднетемпературный отпуск проводят при температурах 350…500^оС, в результате чего образуется дисперсная феррито-цементитная смесь с зернистой формой цементитных частиц, называемая трооститом отпуска. Троостит обладает повышенными значениями предела текучести и твердостью до 450…500 НВ. Среднетемпературному отпуску подвергаются рессоры и пружины.

Высокотемпературный отпуск производится при температурах 500…650^оС. Образующаяся структура, представляющая собой ферритную основу с коагулированными и сфероидизированными частицами цементита, называется сорбитом отпуска. Сорбит отпуска обладает высоким комплексом прочностных и пластических свойств, ударной вязкости и низкой переходной температурой хладноломкости.

Термическая обработка, состоящая из закалки и высокотемпературного отпуска, называется улучшением.

При проведении отпуска возможно проявление отпускной хрупкости, проявляющееся в снижении ударной вязкости. Различают два рода отпускной хрупкости (рис. 16).

1 – быстрое охлаждение; 2 – медленное охлаждение

Рисунок 16 – Изменение ударной вязкости стали в зависимости от температуры отпуска и последующей скорости

охлаждения

Отпускная хрупкость первого рода проявляется при отпуске около 300^оС у всех сталей, независимо от их состава и скорости охлаждения после отпуска.

Отпускная хрупкость второго рода обнаруживается после отпуска выше 500^оС и проявляется только при медленном охлаждении с температуры отпуска. Склонность к отпускной хрупкости второго рода проявляется у сталей, легированных марганцем, хромом, никелем при наличии в ней более 0,001% фосфора.

Для сталей, склонных к отпускной хрупкости второго рода, следует предусматривать быстрое охлаждение после отпуска или применять стали, легированные молибденом, замедляющим её развитие. Но более эффективным является применение чистых сталей по фосфору, а также по примесям внедрения (кислороду, азоту, водороду) и цветным металлам.