11.3. Закалка

        Закалка - термическая обработка - заключается в нагреве стали до температуры выше критической (А₃ для эвтектоидной и А₁ - для заэвтектоидной сталей) или температуры растворения избыточных фаз, в выдержке и последующем охлаждении со скоростью, превышающих критическую.         Закалка не является окончательной операцией термической обработки, Чтобы уменьшить хрупкость и напряжения, вызванные закалкой, и получить требуемые механические свойства, сталь после закалки обязательно подвергаетсяотпуску.Инструментальную сталь в основном подвергают закалке и отпуску для повышения твердости. износостойкости и прочности, а конструкционную сталь - для повышения прочности, твердости, получения достаточно высокой пластичности и вязкости, а для ряда деталей также высокой износостойкости.Выбор температуры закалки. Доэвтектоидные стали нагревают до температур на 30 - 50⁰С выше точки Ас₃. (аустенитмартенсит). Заэвтектоидные стали нагревают выше точки Ас₁. При таком нагреве образуется аустенит при сохранении некоторого количества цементита (аустенит + цементитмартенсит + цементит). Верхний предел закалки ограничивается, так как чрезмерное повышение температуры выше точки А₁связано с ростом зерна. Поэтому интервал колебания температур закалки невелик (15 - 20⁰С). Закалка от температур выше точки А_cmснижает твердость стали за счет увеличения количества остаточного аустенита.         Для многих высоколегированных сталей температура нагрева под закалку значительна превышает критические точки А₁и А₃(на 150 - 250⁰С), что необходимо для перевода в твердый раствор специальных карбидов и получения требуемой легированности аустенита. Это повышение не ведет к заметному росту зерна так как нерастворенные частицы карбидов тормозят рост зерна аустенита.Охлаждающие среды для закалки.Охлаждение при закалке должно обеспечить получение структуру мартенсита в пределах заданного сечения изделия (определенную прокаливаемость) и не должно вызывать закалочных эффектов: трещин, деформаций, коробления и высоких растягивающих остаточных напряжений в поверхностных слоях.         Чаще всего для закалки используют кипящие жидкости - воду, водные растворы щелочей и солей, масла.          При закалке в этих средах различают три периода:

• пленочное кипение, когда на поверхности стали образуется "паровая рубашка"; в этот период скорость охлаждения сравнительно невелика;

• пузырьковое кипение, наступающее при полном разрушении паровой пленки, наблюдаемое при охлаждении поверхности до температуры ниже критической; в этот период происходит быстрый отвод теплоты;

• конвективный теплообмен, который отвечает температурам ниже температуры кипения охлаждающей жидкости: тепло отвод в этот период идет с наименьшей скоростью.

        Вода как охлаждающая среда имеет существенные недостатки: высокая скорость охлаждения в области температур мартенситного превращения нередко приводит к образованию закалочных дефектов; с повышением температуры воды резко ухудшается ее закалочная способность.         Масло как закалочная среда имеет преимущества: небольшую скорость охлаждения в мартенситном интервале температур; постоянство закаливающей способности в широком интервале температур (20-150⁰С). К недостаткам следует отнести повышенную воспламеняемость (температура вспышки 165 - 300⁰С); недостаточную стабильность и низкую охлаждающую способность в области температур перлитного превращения, а так же повышенную стоимость.         Закаливаемость и прокаливаемость стали. Под закаливаемостью понимают способность стали повышать твердость в результате закалки. Закаливаемость стали определяется в первую очередь содержанием в стали углерода. Чем больше в мартенсите углерода, тем выше его твердость. Легирующие элементы оказывают относительно небольшое влияние на закаливаемость.         Под прокаливаемостью понимают способность стали получать закаленный слой с мартенситной или троото-мартенситной структурой и высокой твердостью на ту или иную глубину.         Прокаливаемость определяется критической скоростью охлаждения, зависящей от состава стали. Если скорость охлаждения больше критической скорости то прокаливаемость будет полной , а если меньше - то неполной..         За глубину закаленного слоя условно принимают расстояние от поверхности до полумартенситой зоны (50% мартенсита и 50% троостита).          Диаметр заготовки, в центре которой после закалки в данной охлаждающе среде образуется полумартенситная структура, называют критическим диаметром D_к.         Прокаливаемость тем выше, чем меньше критическая скорость закалки, т.е. чем выше устойчивость переохлажденного аустенита.         Устойчивость переохлажденного аустенита повышается, а критическая скорость закалки уменьшается только при том условии, если легирующие элементы растворяются в аустените.         Влияние прокаливаемости на механические свойства можно показать на примере. Заготовка из углеродистой стали с 0,45 %С, диаметром 10мм прокаливается в воде на сквозь. После отпуска при 550⁰С получается структура - сорбит отпуска. Для такой структуры характерны высокие механические свойства: _ = 800 МПа;_ = 650 МПа;  = 13 %;  = 40 % КCU = 1 МДж/м². При диаметре заготовки 100 мм и закалке вводе скорость охлаждения в сердцевине значительно меньше критической V_к , и там образуется структура из пластинчатого перлита и феррита. Эта структура обладает более низкими механическими свойствами: _ = 700 МПа;_ = 450 МПа;  = 13 %;  = 40 % КCU = 0,5 МДж/м².         Способы закалки. Наиболее широко применяют закалку в одном охладителе, такую закалку называют непрерывной. Для уменьшения закалочной деформации применяют другие способы закалки.         Прерывистая закалка (в двух средах). Изделие сначала быстро охлаждают в воде до температуры несколько выше М_н, а затем быстро переносят в менее интенсивный охладитель (например масло или воздух), в котором он охлаждается до 20⁰С.         Закалка с самоотпуском. В этом случае охлаждение изделия в закалочной среде прерывают, с тем чтобы в сердцевине изделия сохранилось еще некоторое количество теплоты. Под действием теплообмена температура в более сильно охлаждающих поверхностных слоях повышается и сравнивается с температурой сердцевины. Тем самым происходит отпуск поверхности стали (самоотпуск).         Ступенчатая закалка. При выполнении закалки поэтому способу сталь после нагрева до температуры закалки охлаждают в среде, имеющей температуру несколько выше точки М_н (обычно 180 - 250⁰С), и выдерживают в ней сравнительно короткое время. Затем изделие охлаждают до нормальной температуры на воздухе. В результате выдержки в закалочной среде достигается выравниванием температуры по сечению изделия, но это не должно вызывать превращение аустенита с образованием бейнита.         Изотермическая закалка. закалку по этому способу выполняют в основном так же как ступенчатую, но в данном случае предусматривается более длительная выдержка выше точки М_н . При такой выдержке происходит распад аустенита с образованием нижнего бейнита. Для многих сталей изотермическая закалка обеспечивает значительное повышение конструктивной прочности.         Обработка стали холодом. В закаленной стали, особенно содержащей 0,4 - 0,5 % С, у которой точка М_н лежит ниже нуля, всегда присутствует остаточный аустенит. Для его уменьшения применяют обработку холодом, заключающуюся в охлаждении закаленной стали до температуры ниже нуля, что увеличивает ее твердость. Для уменьшения закалочных дефектов обработку холодом желательно выполнять после закалки, а затем для снятия внутренних напряжений провести отпуск.

Отпуск

        Отпуск заключается в нагреве закаленной стали до температур ниже Ас₁, выдержке при заданной температуре и последующем охлаждении с определенной скоростью.Отпуск является окончательной операцией термической обработки, в результате которой сталь получает требуемые механические свойства. Он частично или полностью устраняет внутренние напряжения, возникающие при закалке.         Отпуск имеет важное практическое значение. Именно в процессе отпуска стальные изделия приобретают свойства, определяющие их поведение в эксплуатации. Температура отпуска обусловливается требованиями механических свойств детали.        Низкотемпературный (низкий) отпуск проводят с нагревом до 250С. Цель - снижение внутренних напряжений. Мартенсит закалки переходит в мартенсит отпуска. Высокая твердость и износостойкость сохраняются. Сохраняется также низкая ударная вязкость. Данному отпуску подвергается металлорежущий инструмент.        Среднетемпературный (средний) отпускпроводится при температурах 350-500С, структура мартенсита переходит в троостит отпуска. Такой отпуск обеспечивает наиболее высокий предел упругости и несколько повышает вязкость. Такой отпуск применяется для рессор, пружин, а также инструмента, испытывающего ударные нагрузки.        Высокотемпературный (высокий) отпуск проводят при температуре 500-680С, структура стали после высоко отпуска – сорбит отпуска. Высокий отпуск создает наилучшие соотношения прочности и вязкости. Таблица 10

Влияние термической обработки на механические свойства стали с 0,45%С

Термическая обработка					KCU МДж/м3	HB
	МПа		%
Отжиг Нормализация Закалка и отпуск при 5000С Закалка и отпуск при 5500С Закалка и отпуск при 6000С	650 730 970 950 870	450 470 850 800 700	20 21 8,0 10 13	65 60 55 60 65	0,6 0,8 1,0 1,1 1,3	187 198 280 269 255

Закалка с высоким отпуском (по сравнению с нормализацией или отжигом) повышает временное сопротивление, предел текучести, относительное сужение и особенно ударную вязкость. Термообработку, состоящая из закалки и высокого отпуска, называется улучшением.         Продолжительность отпуска зависит от конкретных изделий. Обычно в течение 1,5 часов напряжения снижаются до минимальной величины, соответ- ствующей данной температуре отпуска. Некоторым изделиям (измерительный инструмент) делают более продолжительный отпуск.