Краткие теоретические сведения

Закалкой называется операция термической обработки, связанная с нагревом стали выше температуры фазовых превращений, выдержкой при этой температуре и последующим охлаждением со скоростью выше критической V_кp (в каком-либо охладителе).

Закалка – основной способ упрочняющей термической обработки конструкционных и инструментальных сталей.

Цель закалки – образование мартенситной структуры (или бейнитной) обеспечивающей высокую твердость и прочность стали.

Основными технологическими свойствами при закалке стали являются закаливаемость и прокаливаемость. Закаливаемость – свойство стали приобретать высокую твердость в результате закалки. Прокаливаемость – свойство стали воспринимать закалку на определенную глубину от поверхности.

Выбор температуры нагрева под закалкеу углеродистых сталей производится по диаграмме состояния железоуглеродистых сплавов (рис. 4.1).

Доэвтектоидные стали нагревают до температуры на 30 – 50°С выше критической точки А₃, т. е. выше линии GS диаграммы. При таком нагреве исходная ферритно-перлитная структура перекристаллизуется в аустенит. Охлаждение со скоростью выше критической приводит к мартенситному превращению (А ® М). Такая закалка называется полной, так как при нагреве происходит полная перекристаллизация структуры стали в однофазное состояние.

Эвтектоидные и заэвтектоидные стали подвергают неполной закалке, т. е. нагревают до температуры на 30 – 50°С выше критической точки A₁ (линия PSK диаграммы). Эта температура постоянная, и интервал значений температуры для закалки будет 760 – 780°С. При этой температуре не происходит полной перекристаллизации стали в аустенит (П + Ц _II→ А + Ц _II).

Скорость охлаждения стали после нагрева и выдержки оказывает решающее влияние на результат закалки. Режим охлаждения должен быть таким, чтобы не возникали большие напряжения, приводящие к короблению изделия и образованию закалочных трещин. Эти напряжения складываются из термических и структурных.

При закалке углеродистых и некоторых низколегированных сталей в качестве охлаждающей среды применяют воду и водные растворы. Холодная вода – самый дешевый и интенсивный охладитель. К недостаткам этой охлаждающей среды относится образование «паровой рубашки». Перепад температуры между поверхностью и центром изделия при закалке в воде может привести к возникновения высоких термических напряжений, вызывающих коробление и образование трещин. Кроме того, с повышением температуры воды резко снижается ее охлаждающая способность. Увеличение охлаждающей способности воды достигается при использовании струйного или душевого (спрейерного) охлаждения. Для крупногабаритных изделий (рельсы, трубы и т. п.) применяется водовоздушная охлаждающая среда – смесь воды с воздухом, подаваемая в камеру под давлением через форсунки (водяной туман).

Низкая пластичность и значительные внутренние напряжения при закалке стали на мартенсит не позволяют использовать ее без проведения отпуска.

Отпуск – операция термической обработки, связанная с нагревом закаленной стали ниже значений температуры фазовых превращений, выдержкой при этой температуре и последующим охлаждением на воздухе.

Цель отпуска – снижение внутренних напряжений, возникших при закалке стали, и получение более равновесной структуры с заданными свойствами (твердостью, прочностью, ударной вязкостью и пластичностью).

Отпуск необходимо проводить непосредственно после закалки, так как закалочные напряжения через некоторое время могут вызвать появление трещин. Кроме того, остаточный аустенит стабилизируется, его устойчивость к отпуску повышается.

При нагреве вследствие диффузных процессов в структуре закаленной стали происходят фазовые превращения. Они зависят от температуры отпуска и определяют его назначение.

Первое превращение при отпуске. Происходит в интервале температуры 80 – 200°С. Атомы углерода, диффундируя из решетки мартенсита, способствуют образованию тончайших пластинок эпсилон-карбида, когерентно связанных с альфа-твердым раствором. Степень тетрагональности решетки мартенсита уменьшается. Снижаются внутренние напряжения. Такая гетерогенная (неоднородная) структура называется отпущенным мартенситом, или мартенситом отпуска.

Второе превращение при отпуске. Дальнейший нагрев температуры до 200 – 300°С вызывает превращение остаточного аустенита в отпущенный мартенсит. Уменьшается тетрагональность решетки мартенсита, диффузия углерода продолжается и частицы эпсилон-карбида увеличиваются. Они начинают обособляться, превращаясь в цементит.

Третье превращение происходит при температуре 300 – 400°С. Вследствие выделения углерода мартенсит становится ферритом, а эпсилон-карбид – цементитом. Снимаются внутренние напряжения. В результате диффузионного распада мартенсита в этом интервале температуры образуется высокодисперсная эвтектоидная смесь феррита и цементита, называемая трооститом отпуска.

Повышение температуры отпуска до 500 – 650°С способствует коагуляции (укрупнению) и сфероидизации (округлению) карбидных частиц. Троостит отпуска превращается в сорбит отпуска – мелкую (дисперсную) смесь феррита и зернистого цементита.

При температуре отпуска 400°С и выше при распаде мартенсита образуется смесь феррита и цементита (перлит) разной дисперсности, поэтому эти структуры имеют те же названия, что и образующиеся из аустенита. Но перлит, образовавшийся при отпуске имеет цементит не пластинчатой, а зернистой формы, что способствует повышению пластичности (ударной вязкости) троостита отпуска и сорбита отпуска.

Температура отпуска – самый существенный фактор, который влияет на свойства стали. Твердость и прочность с повышением температуры отпуска снижаются, а пластичность и вязкость повышаются.

В легированных сталях все процессы отпуска происходят, как правило, в области более высокой температуры, так как легирующие элементы замедляют диффузионные процессы. Так, распад мартенсита завершается при температуре 450 – 500°С, а коагуляция специальных карбидов – при 600 – 680°С. При некоторых условиях отпуска закаленных легированных сталей происходит их «охрупчивание» – потеря пластичности (отпускная хрупкость).

Отпускная хрупкость первого рода появляется при температуре порядка 300°С у всех сталей независимо от их состава и скорости охлаждения при отпуске. Отпускная хрупкость второго рода проявляется после отпуска выше 500°С в результате медленного охлаждения. Не все стали склонны к хрупкости второго рода, но хром, особенно в сочетании с никелем или марганцем, делает сталь особо чувствительной к условиям охлаждения при отпуске. Для предупреждения «охрупчивания» стали необходимо при проведении отпуска избегать интервала температуры отпускной хрупкости первого рода (300 – 350°С). Стали, склонные к отпускной хрупкости второго рода, после отпуска следует охлаждать быстро (в воде или масле).

4.1.1 Основные способы закалки стали

Закалка в одном охладителе. Изделия из печи по конвейеру (транспортеру) поступают в закалочный бак с охлаждающей средой, где и находятся до полного охлаждения (рис. 4.2, кривая 1).

Рис. 4.2. Способы охлаждения при закалке сталей: 1 – закалка в одном охладителе; 2 –прерывистая закалка в двух охладителях; 3 – ступенчатая закалка; 4 – изотермическая закалка; 5 – обработка холодом

Этот способ применяется для изделий простых форм, изготовленных из углеродистых (охлаждение в воде) и легированных (охлаждение в масле) сталей, и является простым и наиболее распространенным способом как в единичном, так и в массовом производстве. Недостатком его является то, что в результате большой разницы значений температуры нагретого металла и охлаждающей среды в закаленной стали наряду со структурными возникают большие термические напряжения, вызывающие коробление детали, появление трещин и других дефектов.

Прерывистая закалка в двух охладителях. Изделие сначала охлаждают быстро до 400 – 300°С в воде, а затем для окончательного охлаждения переносят в масло – «через воду – в масло». В интервале температуры мартенситного превращения сталь охлаждается более медленно, что способствует уменьшению закалочных напряжений (рис. 4.2, кривая 2).

Ступенчатая закалка. Нагретое изделие охлаждается погружением в ванну с температурой закалочной среды (расплавленные соли, селитры, щелочи) немного выше температуры начала мартенситного превращения (на 20 – 30°С выше точки М_н) для данной стали. После выдержки, необходимой для выравнивания температуры по сечению, изделие охлаждают на воздухе. Продолжительность выдержки определяется по С-образной диаграмме и строго контролируется, чтобы не произошло промежуточного превращения аустенита. Изотермическая выдержка для выравнивания температуры по сечению способствует снижению термических напряжений, а охлаждение на воздухе – структурных. Основное достоинство ступенчатой закалки – получение мартенситной структуры при минимальных закалочных напряжениях (рис. 4.2, кривая 3).

Изотермическая закалка. В отличие от ступенчатой изотермическая закалка обеспечивает не мартенситную, а бейнитную структуру. Ее целесообразно применять для деталей из легированных сталей, склонных к короблению и образованию трещин. Так же, как и при ступенчатой закалке, охлаждение проводится в соляных ваннах с температурой на 20 – 30°С выше точки мартенситного превращения М_н. Детали выдерживают в ванне в течение времени, необходимого для полного распада аустенита. При этом происходит превращение аустенита с образованием бейнита (игольчатого троостита). После изотермической выдержки детали охлаждают на воздухе, твердость стали – 45 – 55 HRC. Повышаются конструктивная прочность (на 25 – 30 %) и ударная вязкость (рис. 4.2, кривая 4).

Нагрев сталей в жидких средах или в печи с защитной атмосферой, не вызывающих окисления, и охлаждение в расплавах щелочей позволяют получить без очистки или травления чистую поверхность изделий светло-серого цвета. Такую закалку называют светлой.

Обработка холодом. Применяется для легированных сталей, у которых температура окончания мартенситного превращения М_К значительно ниже 0°С. Если охладить эти стали до комнатной температуры, то наряду с мартенситом, в структуре оказывается значительное количество остаточного аустенита. Остаточный аустенит понижает твердость закаленной стали и может вызвать нестабильность размеров готовых деталей, т.к. в процессе 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 которого аустенит превращается в мартенсит. Температура М_К легированных сталей находится в широких пределах от -40 до-1960С. (рис. 4.2, кривая 5) Обработке холодом подвергают измерительные инструменты, подшипники и др. особо точные изделия.

Закалка с самоотпуском. Изделие, нагретое под закалку, охлаждают не полностью, а через определенное время извлекают из охладителя. За счет тепла внутренних слоев верхний “холодный” слой разогревается до 200 – 250°С, в результате чего происходит самоотпуск. Закалку с самоотпуском применяют для деталей ударного слесарного и кузнечного инструмента, которые должны иметь достаточно высокую твердость на поверхности и сравнительно вязкую сердцевину. Температуру отпуска определяют по цветам побежалости (цвет слоя окисла поверхности зависит от его толщины). Старый (точнее – древний) способ закалки с самоотпуском нашел применение в механизированном поточном производстве.

Закалка не является окончательной операцией термической обработки. Сразу же после закалки обязательно проводится отпуск. В зависимости от температуры его проведения различают несколько видов отпуска.

4.1.2 Виды отпуска стали

Низкий отпуск. Температура нагрева – 150 – 200°С, выдержка – 1 – 1,5 часа. Снижаются внутренние напряжения. Мартенсит закалки переходит в мартенсит отпуска. Этот отпуск обеспечивает максимальную твердость стали и некоторое повышение прочности и ударной вязкости. Твердость (60 – 64 HRC) зависит от содержания углерода в стали. Низкому отпуску подвергают режущий и измерительный инструмент из углеродистых и низколегированных сталей, а также детали после поверхностной закалки или химико-термической обработки с целью повышения износостойкости и усталостной прочности.

Средний отпуск. Температура нагрева – 350 – 500°С (чаще – 380 – 420°С), выдержка – от 1 – 2 до 3 – 8 ч. Значительно снижаются внутренние напряжения, мартенсит закалки переходит в троостит отпуска. Твердость – 40 – 45 HRC. Обеспечивается наилучшее сочетание предела упругости с пределом выносливости. Этот отпуск проводят в основном для пружин, рессор, мембран и подобных деталей, а также для штампового инструмента. Охлаждение после отпуска рекомендуется проводить в воде, что способствует образованию на поверхности изделий сжимающих остаточных напряжений, повышающих усталостную прочность.

Высокий отпуск. Температура нагрева – 500 – 680°С, выдержка – 1 – 8 ч. Полностью снимаются внутренние напряжения. Структура стали в результате этого отпуска – сорбит отпуска, твердость – 25 – 35 HRC. Создается наилучшее соотношение прочности, пластичности и вязкости стали. Термическую обработку, состоящую из закалки и высокого отпуска, называют улучшением (термическим). Проводится она для деталей (в основном из среднеуглеродистых конструкционных сталей), которые должны обладать повышенной конструктивной прочностью (валы, оси, цельнокатаные колеса, бандажи и др.).

Искусственное старение. Закалка приводит к образованию пересыщенного твердого раствора – мартенсита. Всякий пересыщенный раствор неустойчив и будет распадаться с выделением избыточных фаз. Распад пересыщенного раствора связан с фазовыми, а следовательно, с объемными или линейными изменениями в стали. Это вызовет коробление изделий и изменение их размеров в эксплуатации. Для предупреждения коробления и изменения размеров точных инструментов, деталей станков, распределительных валов и т. п. проводят искусственное старение при температуре 120 – 150°С. Выдержка составляет от 2 до 20 ч. Такой режим позволяет не снижая твердости закаленной стали стабилизировать структуру за счет выделения углерода в виде дисперсных карбидов.

Дата добавления: 2015-07-07