6.3. Закалка и отпуск

Закалка – это нагрев стали выше температур фазовых превращений с последующим охлаждением со скоростью больше критической.

Конструкционные и инструментальные стали подвергают закалке с целью достижения максимальной твердости и прочности. Основные параметры закалки – температура нагрева и скорость охлаждения. Продолжительность нагрева зависит от нагревательного устройства: на 1 мм сечения в электрической печи затрачивается 1–1,5 мин., в пламенной печи – 1 мин., в соляной ванне – 0,5 мин.

Закалка из однофазного состояния (полная закалка) с нагревом на 30–50 °С выше критической температуры А_С3 (линия GS на рис. 6.1) применяется для доэвтектоидных сталей. Изменение структуры стали:

.

Закалка из двухфазного состояния (неполная закалка) с нагревом на 30–50 С выше критической температуры А₁ (линия SK на рис. 6.1) применяется для заэвтектоидных сталей, которые предварительно подвергают отжигу для сфероидизации цементита. Карбиды округлой формы не вызывают снижения вязкости. Изменение структуры стали:

.

После охлаждения в структуре остается вторичный цементит, который повышает твердость и износостойкость режущего инструмента.

Неполная закалка доэвтектоидных сталей недопустима, поскольку в структуре остается мягкий феррит:

.

Полная закалка заэвтектоидных сталей нецелесообразна, поскольку в структуре остается много остаточного аустенита:

.

Скорость охлаждения при закалке определяется охлаждающей средой, формой изделия и теплопроводностью стали. Режим охлаждения должен минимизировать появление закалочных напряжений, которые приводят к короблению и растрескиванию деталей сложной формы.

Оптимальный режим охлаждения: максимальная скорость в интервале температур А₁–M_Н для предотвращения преждевременного распада переохлажденного аустенита в области перлитного превращения; минимальная – в интервале температур мартенситного превращения M_Н–M_К с целью снижения закалочных напряжений. Охлаждающими средами в зависимости от марки стали, габаритов и формы детали могут быть: вода, технические масла, растворы солей и растворы полимеров, расплавы металлов и щелочей.

Закаливаемость – способность стали повышать твердость при закалке. Закаливаемость определяется содержанием углерода; при содержании менее 0,2 % С степень упрочнения стали невелика.

Прокаливаемость – способность стали получать закалку на определенную глубину. Глубина закаленного слоя – расстояние от поверхности до середины слоя, в структуре которого имеются одинаковые объемы мартенсита и троостита. Чем больше сталь содержит легирующих элементов, тем меньше ее критическая скорость охлаждения и выше прокаливаемость.

Обработка стали холодом. Высокоуглеродистые и легированные стали имеют температуру окончания мартенситного превращения M_К значительно ниже 0 °С. После закалки до комнатной температуры в стали сохраняется остаточный аустенит, снижающий твердость и нарушающий стабильность линейных размеров деталей. Для его устранения проводят охлаждение до низких температур (впервые предложил А. П. Гуляев в 1937 г.). Обычно используют сухой лед. Обработку холодом обязательно проводят сразу после закалки, чтобы не допустить стабилизации остаточного аустенита. Прирост твердости – 1–4 HRC. Обработку проводят для деталей шарикоподшипников, точных механизмов и измерительных инструментов.

Отпуск – нагрев закаленной стали до температур ниже фазовых превращений с последующим охлаждением, обычно на воздухе. Отпуск является заключительной термической операцией. Отпуск закаленной стали проводят с целью получения требуемых эксплуатационных свойств детали и уменьшения внутренних напряжений. Температуру выбирают, исходя из нужного уровня вязкости, пластичности и твердости стали.

По классификации Г. В. Курдюмова первое превращение при низком отпуске связано с распадом мартенсита и выделением углерода. При нагреве до температур 80–150 С из мартенсита выделяется часть углерода. Число ковалентных Fe–С–Fe-связей уменьшается. Освобождающийся углерод не образует стабильный карбид железа в виде Fe₃C. Сначала появляется ε-карбид с ГПУ решеткой (Fe₂C), который имеет когерентную границу с мартенситом.

При температуре нагрева 200–300 °С из ε-карбида образуются мелкие пластинки карбидов Fe₃C размером 80×200 нм и толщиной несколько атомных диаметров с когерентными или полукогерентными границами. Происходит снижение тетрагональности решетки и внутренних напряжений.

Второе превращение при низком отпуске связано с образованием мартенсита отпуска из остаточного аустенита, следствием чего является увеличение объема.

Структура после низкого отпуска состоит из малоуглеродистого мартенсита и очень мелких карбидных частиц – мартенсит отпуска. Низкому отпуску подвергают изделия из инструментальных сталей, детали после поверхностной закалки и цементации, сочетающие высокую и твердость и износостойкость.

Средний отпуск проводится при температурах – 300–450 С. При этом из мартенсита выделяется весь избыточный углерод с образованием мелких цементитных частиц пластинчатой формы. Пластинки цементита растут, их ширина увеличивается до 200–400 нм, длина – более 1 мкм, границы становятся некогерентными.

Тетрагональные искажения кристаллической решетки железа снимаются, она становится кубической.

Мартенсит превращается в феррито-цементитную смесь с мелкими пластинчатой формы частицами цементита, которая называется трооститом отпуска и сочетает высокую упругость и твердость 40–45 HRC. Средний отпуск используется для изделий типа пружин, рессор, торсионов.

Высокий отпуск проводится при температурах 500–650 °С, когда скорость диффузионных процессов в кристаллической решетки железа возрастает. При распаде мартенсита образуется феррито-цементитная смесь с более крупными зернами цементита сферической формы. Наблюдается растворение мелких и рост крупных карбидных частиц. Плотность дислокаций снижается до 10⁸–10⁹ см^–2, устраняются остаточные внутренние напряжения. Такая структура называется сорбитом отпуска; она сочетает высокую пластичность и ударную вязкость при достаточной твердости.

Используется высокий отпуск для деталей машин, испытывающих ударные и знакопеременные нагрузки. Закалка стали с высоким отпуском называется термическим улучшением.