Закалка

Закалка – термическая обработка, включающая нагрев стали выше критических температур, изотермическую выдержку и последующее охлаждение со скоростью выше критической (v_кр).

Критическая скорость закалки – минимальная скорость охлаждение, обеспечивающую бездиффузионное превращение аустенита в мартенсит.

Цель закалки – повышение твердости, прочности и износостойкости стали. Изменяя скорость охлаждения нагретых сталей, имеющих аустенитную структуру, и варьируя тем самым степень переохлаждения, можно получать стали с различными структурой и свойствами (рис. 2).

Так, при небольших скоростях охлаждения в интервале температур 720...550 °С из аустенита образуются пластинчатые ферритно-цементитные смеси (перлит, сорбит или троостит). По мере увеличения скорости охлаждения дисперсность смеси, неравновесность структуры стали, а следовательно, ее твердость и прочность возрастают. При охлаждении со скоростью выше критической из аустенита образуется мартенсит, представляющий собой пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в решетку α-Fe. На v_кр влияют также вид охлаждающей среды, размер зерна и легирующие элементы.

Рис. 2. Диаграмма изотермического распада переохлажденного аустенита с наложенными на нее кривыми охлаждения

По возрастанию интенсивности охлаждения применяемые в практике термической обработки охлаждающие среды можно расположить так:

- минеральные масла,

- вода,

- водные растворы солей, кислот, щелочей.

Для закалки углеродистых сталей предпочтительны вода или водные растворы солей. Идеальный охладитель при закалке такой, который не допускает распада аустенита на перлитные структуры, обеспечивая максимальную скорость охлаждения в интервале температур А_I - М_II и минимально допустимую в мартенситном интервале, что исключает появление значительных внутренних структурных и термических напряжений, коробления, трещин. Недостатки воды как охладителя: высокая скорость охлаждения в мартенситном интервале и резкое падение охлаждающей способности при ее нагреве. Минеральные масла лишены этих недостатков, но характеризуются в несколько раз меньшей охлаждающей способностью. Поэтому их целесообразнее применять для охлаждения легированных сталей, критическая скорость закалки которых меньше, чем углеродистых.

При расчете продолжительности нагрева τ_н под термическую обработку можно руководствоваться табл. 1. Продолжительность изотермической выдержки (τ_в) принимают чаще всего равной 1/5 от общей продолжительности нагрева.

Закалку доэвтектоидных сталей, включающую нагрев до температур выше А_с3, т. е. в аустенитное состояние, называют полной. Для заэвтектоидных сталей используют неполную закалку, при которой сталь, нагретая до температуры, несколько превышающей A_c1 приобретает структуру А + Ц_II, при охлаждении претерпевает лишь превращение А→М, т.е. частичное (неполное) изменение структуры. Сохранение некоторой доли твердого и износоустойчивого цементита вторичного способствует повышению прочностных свойств стали. Полная закалка заэвтектоидных сталей с нагревом до температур, превышающих Ас_ст, приводит к повышению содержания в них аустенита остаточного и ухудшению свойств закаленных сталей.

Таблица 1

Ориентировочная продолжительность нагрева стальных изделий

Тип нагревательного устройства	Температура нагрева, °С	Продолжительность нагрева (с)на 1 мм диаметра изделия из стали
углеродистой	легированной
Пламенная печь	800…900	60…70	65…80
Электропечь	770…820 820…880	60…65 50…55	70…75 60…65
Соляная ванна	770…820 820…880	12…14 10…12	18…20 16…18

Неполная закалка для доэвтектоидных сталей нежелательна, так как после нее наряду с твердым мартенситом сохраняется мягкий избыточный феррит. В промышленности в зависимости от характера охлаждения применяют различные способы закалки: в одном или двух охладителях, струйчатую, ступенчатую, изотермическую, с самоотпуском. Во избежание коробления или образования трещин вследствие высоких внутренних напряжений, возникших при закалке, в дальнейшем сталь подвергают отпуску.

Отпуск

Отпуск – операция термической обработки, включающая нагрев закаленной стали до температур ниже А_с1, выдержку при этой температуре, охлаждение.

Цель отпуска – уменьшение внутренних напряжений в металле и получение требуемых структуры и свойств. При нагреве закаленной стали со структурой мартенсита или мартенсита и аустенита остаточного протекают следующие превращения:

1. До температуры 100 °С (стадия предвыделения) в мартенсите происходит диффузионное перераспределение углерода. Образуются ультрамикроскопические объемы с содержанием углерода и структурой, близкими к аналогичным показателям той фазы, которая должна выделиться. На первой стадии отпуска в интервале температур 100...200 °С в результате выделения из мартенсита углерода образуется ε-карбид (Fe₂C₃) в виде тонких пластин. Решетка карбида когерентно связана с решеткой мартенсита, который значительно обеднен углеродом (0,25...0,35 % С).

2. На второй стадии (200...300 °С) аустенит остаточный превращается в смесь мартенсита с 0,25...0,35 % С и когерентного ε-карбида. Одновременно происходит дальнейшее выделение углерода из мартенсита, который обедняется углеродом (0,1 % С), становясь отпущенным, решетка его из тетрагональной трансформируется в кубическую. Обогащаясь углеродом, s-карбид превращается в цементит Fe₃ С.

3. На третьей стадии отпуска (300...350 °С) заканчивается выделение углерода из мартенсита, который становится ферритом. Происходит срыв когерентности решетки феррита и цементита. В конечном итоге к концу третьей стадии отпуска формируется смесь феррита и цементита.

4. Дальнейший нагрев стали приводит к коагуляции (рост с одновременным округлением) ферритно-цементитной смеси. Зернистая ферритно-цементитная смесь, образующаяся при отпуске (350...500 °С) из мартенсита, называется трооститом отпуска, при 500...650 °С – сорбитом отпуска, выше 650 °С – перлитом отпуска. Троостит, сорбит и перлит отпуска в отличие от получаемых из аустенита при непрерывном охлаждении имеют зернистое, а не пластинчатое строение. Стали с зернистой структурой характеризуются более высокой пластичностью и лучшей обрабатываемостью резанием.

На рис. 3 представлена зависимость механических свойств углеродистой стали от температуры отпуска. По этой зависимости различают

- низкотемпературный (низкий) отпуск,

- среднетемпературный (средний) отпуск

- высокотемпературный (высокий) отпуск.

Рис. 3. Зависимость механических свойств стали от температуры отпуска

Низкий отпуск включает нагрев закаленной стали до 150...250 °С. Он применяется для придания поверхностным слоям изделий высоких твердости и износостойкости. Низкий отпуск, несколько уменьшающий внутренние напряжения, повышающий вязкость стали при сохранении ее высокой твердости, широко применяют при изготовлении мерительного, режущего и штампового инструмента (шаблоны, фрезы, метчики, зубила, штампы, волоки и др.), для деталей после науглероживания.

При среднем отпуске закаленная сталь нагревается до 300...400 °С, чем обеспечивается получение структуры троостита отпуска, обладающего достаточными твердостью (40...55 HRC_э) и прочностью при высоком пределе упругости. Средний отпуск еще в большей степени, чем низкий, способствует уменьшению внутренних напряжений и наиболее часто применяется при термической обработке рессор и пружин.

Высокий отпуск включает нагрев закаленной стали до 500...650 °С и обеспечивает получение структуры сорбита отпуска, обладающего хорошим комплексом свойств (прочность, ударная вязкость, твердость). Закалку с высоким отпуском поэтому называют улучшением и применяют для ответственных деталей из среднеуглеродистых сталей (коленчатые валы, шатуны и т. д.).

Задание:

1. Вычертить нижнюю левую часть диаграммы состояния «железо-цементит», указать на ней интервалы температур для термической обработки углеродистой стали.

2. Определить режимы (нагрева, времени выдержки, способа охлаждения) для отжига, закалки, нормализации и отпуска доэвтектоидной и заэвтектоидной сталей (марки сталей назначаются преподавателем). Время нагрева и выдержки образцов принимаем из расчета 1,5 минуты на 1 мм диаметра или толщины образца при отжиге, нормализации и закалке. Время выдержки при температурах отпуска:

- низкий отпуск – 30 мин+1 мин на 1 мм диаметра или толщины образца;

- средний отпуск – 20 мин+1 мин на 1 мм диаметра или толщины образца;

- высокий отпуск – 10 мин+1 мин на 1 мм диаметра или толщиныобразца;

3. Произвести закалку и все виды отпуска.

4. Определить твердость образцов после закалки и трех видов отпуска.

5. Построить кривые влияния температуры отпуска и закалки на изменение твердости закаленной стали.

6. Результаты испытаний и микроисследований занести в табл. 2.

7. Сделать выводы по полученным результатам.

Таблица 2