Закалка

Закалка — самый распространенный и сложный вид термической обработки, так как она протекает при очень больших скоростях охлаждения, что приводит к образо­ванию значительных внутренних напряжений. При закалке стали нагревают до температуры получения структуры аустенита (выше критических точек А_с3 или А_с1), выдерживают некоторое время при этой температуре, а затем быстро охлаждают в воде, масле, растворах солей, кислот, щелочей, на воздухе и в других средах. Охлаждение применяют для повышения твердости и прочности. Максимальная твердость при этом достигается за счет получения структуры мартенсита. Закалка с последующим отпуском позволяет изменять свойства стали в широком диапазоне.

Для того чтобы закалить сталь, ее необходимо нагреть до опре­деленной температуры. Если углеродистую сталь нагреть до темпе­ратуры ниже критической (А_с1), то твердость ее по сравнению с исходным состоянием мало изменится, в структуре такой стали не будет мартенсита. Структуру мартенсита можно получить толь­ко в результате распада аустенита.

Температура нагрева стали при закалке зависит, прежде всего, от содержания в ней углерода (рис. 9.10). Доэвтектоидные стали при закалке нагревают до температур, на 40 - 50 °С превышающих критичес­кую А_с3. При таком нагреве структура стали становится аустенитной. После­дующее быстрое охлаждение приводит к превращению аустенита в мартенсит. Такая закалка называется полной. Заэвтектоидные стали при закалке нагревают до температур, на 40-50 °С превышаю­щих критическую А_с1 т. е. до 760-780 °С. При данной температуре структура ста­ли будет состоять из аустенита и це­ментита. В результате быстрого охлаж­дения аустенит перейдет в мартенсит, а цементит сохранится в структуре за­каленной стали, так как он не претер­певает превращений при охлаждении.

А — аустенит; Ф — феррит; П — перлит; Ц — цементит

Рисунок 8.10 – Температурный ин­тервал закалки углеродистых сталей

Следовательно, после закалки сталь будет иметь структуру мар­тенсита и цементита. Такая закалка называется неполной.

Если доэвтектоидную сталь подвергнуть неполной закалке, т. е. нагреть до температуры выше точки А_с1 но ниже точки А_с„, в ее структуре наряду с аустенитом появится феррит. После за­калки структура такой стали будет состоять из мартенсита и мяг­кого феррита. Наличие в закаленной стали феррита приведет к снижению не только ее твердости и прочности, но и пластичес­ких свойств.

Заэвтектоидная сталь после неполной закалки имеет в своей структуре твердый цементит, который не только не снижа­ет ее твердость, но даже не снижает износостойкость. Полная же закалка этой стали, т. е. нагрев ее до температуры выше точки А_ст, не только не требуется, но и опасна. Твердость стали при этом не увеличится, зато создадутся благоприятные условия для перегре­ва, возникновения закалочных трещин и обезуглероживания стали.

Время выдержки при температуре закалки зависит от химического состава стали и вида нагревающей среды. Оно должно быть достаточным для того, чтобы обеспечить образо­вание однородного аустенита по всему сечению изделия. Чем больше толщина и масса изделия, тем продолжительнее должна быть вы­держка, но большая выдержка может привести к росту зерен аустенита.

Скорость охлаждения при закалке оказывает ре­шающее влияние. Для каждой стали су­ществует критическая скорость закалки- наименьшая скорость охлаждения, необходимая для переохлаждения аустенита до температуры мартенситиого пре­вращения. Чем ниже критическая скорость закалки, тем легче закалить сталь.

Скорость охлаждения при закалке должна быть не меньше критической, иначе мартенсит в структуре стали либо не образуется совсем, либо образуется частично, тогда структура стали будет состоять в основном из троостита или сорбита. Одна­ко не следует охлаждать сталь и со скоростью, значительно превы­шающей критическую. Хотя при таком охлаждении сталь и будет иметь структуру мартенсита, но чрезмерно резкая закалка может привести к значительным внутренним напряжениям и тре­щинам. В зависимости от химического состава сталей критичес­кая скорость закалки может колебаться в очень широких преде­лах. У одних сталей она составляет 2-3 °С/с, у других — 1200 °С/с. У всех углеродистых сталей критическая скорость закалки очень велика.

Для того чтобы установить скорость охлаждения при закалке, кроме критической скорости необходимо учитывать форму и раз­меры закаливаемого изделия. Изделия, изготовленные из стали одного и того же состава и имеющие одинаковую критическую скорость закалки, будут охлаждаться с различной скоростью, если у них разные размеры и форма. Чем меньше толщина изде­лия и больше отношение охлаждаемой поверхности к его объему, тем быстрее происходит охлаждение.

Различная скорость охлаждения изделий при закалке достига­ется за счет применения охлаждающих (закалочных) жидкостей: воды, масла, растворов солей в воде и др. При охлаждении в жид­кости изделие отдает часть своей теплоты соприкасающейся с ним жидкости, превращающейся в пар. Теплота, расходуемая на обра­зование пара, называется скрытой теплотой парообразования. За­каливающая способность охлаждающей среды зависит от многих факторов и, прежде всего, от скрытой теплоты парообразования, а также температуры жидкости. У различных жидкостей скрытая теплота парообразования неодинакова. Чем выше теплота паро­образования, тем больше закаливающая способность жидкости, так как изделие, отдавая большое количество теплоты на образо­вание пара, будет быстрее охлаждаться. При охлаждении стали в закаливающей жидкости происходят некоторые явления, кото­рые могут заметно снизить интенсивность охлаждения. Когда рас­каленное стальное изделие погружают в жидкость, вокруг него образуется плотное кольцо пара, называемое паровой рубашкой. Она изолирует изделие от охлаждающей жидкости и тем самым замедляет процесс охлаждения. Длительность существования паровой рубашки у разных охлаждающих сред различна. Паро­вая рубашка, образующаяся при закалке в масле, сохраняется бо­лее длительное время, чем паровая рубашка при закалке в воде. Это объясняется тем, что масло обладает гораздо большей вязкос­тью, чем вода.

Вредное влияние паровой рубашки можно уменьшить, ускорив ее разрушение путем перемещения изделий в закалочном баке. Однако перемещать крупные изделия в жидкости трудно. В этом случае приводят в движение не изделие, а жидкость. Обра­зование паровой рубашки можно предупредить, если использовать некоторые охлаждающие среды, в частности растворы солей в воде. Чтобы правильно выбрать охлаждающие среды, необходимо знать их основные особенности.

Самая распространенная закалочная среда — вода. Ее охлаж­дающая способность зависит от температуры. Чем выше темпера­тура воды, тем меньше ее закалочная способность, поэтому при работе рекомендуется систематически следить за температурой воды. Обычно при закалке применяют воду с температурой 20-30 °С. Закаливающая способность воды может быть уменьшена путем добавления в нее мела, извести, мыла, глицерина и других подоб­ных веществ или увеличена при введении в нее хлористого натрия (поваренной соли) или едкого натра (каустической соды). Вода, в которой растворены хлористый натрий или едкий натр, имеет более высокую скрытую теплоту парообразования. Частицы соли, соприкасаясь с раскаленным металлом, взрываются и разрушают паровую рубашку, тем самым увеличивая закаливающую спо­собность воды. В качестве охлаждаю­щей среды применяют минеральное масло, подогретое до 50-60 °С, обладает более высокой закаливающей способностью, чем холодное т. к., при нагреве масло становится менее вязким, его паровая ру­башка разрушается быстрее. Недостатки масла — огнеопасность (температура вспышки 150-200 °С) и способность к загустеванию с течением времени.

При выборе закаливающей среды необходимо знать, как она охлаждает изделие в различных интервалах температур. Особен­но важно знать, с какой скоростью охлаждаются изделия в интер­валах температур 550-650 и 200-300 °С. Наилучшей является такая закаливающая среда, которая в интервале температур от 550 до 650 °С охлаждает изделия со скоростью выше критичес­кой скорости закалки, а при температурах 200-300 °С обеспечи­вает медленное, спокойное их охлаждение. Это обусловлено тем, что при температурах 550-650 °С устойчивость аустенита очень мала, особенно у углеродистой стали. Поэтому в этом интервале температур охлаждающая способность среды должна быть боль­шой, иначе не получить структуру мартенсита. При темпера­турах 200-300 °С, наоборот, желательно медленное охлаждение, что уменьшает опасность коробления изделий и появления тре­щин, так как в этих условиях переход аустенита в мартенсит про­текает более равномерно.

Данные о скорости охлаждения стали в различных закалоч­ных средах при температурах 550-650 и 200-300 °С приведены в таблице 9.5. Вода и растворы солей в воде при температурах 550-650 °С обладают большой закали­вающей способностью. Недостаток этих охлаждающих сред — высокая скорость охлаждения в интервале температур от 200 до 300 °С.

Закалочная способность масла при 550-650 °С в четыре-пять раз меньше, чем холодной воды, однако при 200-300 °С масло ох­лаждает изделия в 10 раз медленнее, чем вода, поэтому при закал­ке изделий в масле значительно уменьшается опасность их ко­робления и появления трещин. Углеродистые стали, у которых критическая скорость закалки составляет 400-600 °С/с, для по­лучения мартенсита следует закаливать только в воде при ком­натной температуре и в водных растворах солей. Большинство легированных сталей можно закаливать в масле.

Закаливаемость и прокаливаемость - важнейшие харак­теристики стали, подвергаемой закалке.

Закаливаемость — способность к повышению твер­дости при закалке. Некоторые стали обладают плохой закаливае­мостью (имеют недостаточную твердость после закалки). Они не принимают закалку. Для того чтобы определить закаливаемость той или иной стали, необходимо изме­рить твердость поверхности стального изделия после закалки. Чем выше твердость, тем лучше закаливаемость стали. Закалива­емость стали определяется в основном содержанием в ней углеро­да. Это объясняется тем, что твердость мартенсита зависит от сте­пени искажения его кристаллической решетки. Чем меньше в мар­тенсите углерода, тем меньше искажается его кристаллическая ре­шетка, тем ниже твердость стали. Стали, содержащие менее 0, 3 % углерода, имеют низкую закаливаемость и их, как правило, закалке не подвергают.

Прокаливаемость — глубина проникно­вения закалки. Различные слои изделия при закалке охлаждают­ся неодинаково. Поверхностный слой, который непосредственно соприкасается с закалочной жидкостью, охлаждается с большей ско­ростью, чем внутренние слои. Наименьшая скорость охлаждения — в центре изделия. Чем выше критическая скорость закалки ста­ли, тем ниже ее прокаливаемость. Углеродистые стали имеют высо­кую критическую скорость закалки, поэтому у них низкая прока­ливаемость. Из углеродистой стали не изготовляют массивные из­делия, у которых должны быть высокие механические свойства по всему сечению. Такие изделия обычно выполняют из легиро­ванной стали, имеющей более высокую прокаливаемость.

На прокаливаемость стали, кроме химического состава, оказы­вают влияние и другие факторы, например размер зерна аустенита и охлаждающая среда. Под глубиной закалки понима­ют расстояние от поверхности изделия до того слоя, где структура состоит из 50 % мартенсита и 50 % троостита, или слоя, содержа­щего не менее 95 % мартенсита. Прокаливаемость характеризует­ся критическим диаметром (диаметр прутка, прокаливаемого на­сквозь). Для определения прокаливаемости исследуют микроструктуру или измеряют твердость образцов, подвергну­тых закалке.

Способы закалки: непрерывная, прерывистая, ступенчатая, изотермическая и светлая. Наиболее простой способ термической обработки — непрерывная закалка. Ее применяют для несложных по форме изделий. Изделие, нагретое до заданной температуры, охлаждают в воде или в масле до выравнивания его температуры с температурой ванны. Недостаток данного спосо­ба состоит в том, что при закалке изделий сложной формы в воде у них могут появиться трещины и коробление.

При прерывистой закалке охлаждение производят в двух сре­дах — в воде (до 300-400 °С) и в масле. За счет этого уменьшают­ся внутренние напряжения в стали в момент перехода аустенита в мартенсит. Используя данный способ, необходимо точно выдер­живать время пребывания изделия в воде, что требует большого практического опыта от работников, производящих закалку.