10.3 Закалка и отпуск стали

После механической обработки изделие, как правило, подвергается упрочняющей термической обработке.

Наиболее распространенным видом упрочняющей термической обработки углеродистых сталей, содержащих углерода более 0,3%, является закалка с последующим отпуском.

Закалка – процесс нагрева стали с последующим быстрым охлаждением. Цель закалки – получение высокой твердости и заданных физико-механических свойств, Способность стали принимать закалку возрастает с увеличением содержания в ней углерода. При содержании углерода менее 0,2 % сталь практически не закаливается.

Скорость нагрева и время выдержки деталей зависят от размеров, массы деталей, их конфигурации, химического состава материала деталей, от типа нагревательных печей и нагревательных сред.

При закалке в качестве охлаждающей среды чаще всего используют воду, иногда с добавками солей, щелочей. Для увеличения охлаждающей способности применяют также масла, расплавленные соли и металлы. Для закалки существенное значение имеет скорость охлаждения в интервале температур. Этот интервал температур при закалке надо пройти быстро. Важное значение имеет скорость охлаждения и в интервале температур ЗОО...2ОО°С. В этом районе температур требуется медленное охлаждение, во избежание возникновения напряжений и закалочных трещин.

К основным дефектам закалки относятся: недогрев, перегрев, пережог, обезуглероживание, коробление, трещины и др.

Если нагрев стали был ниже критической точки, то говорят о закалке с недогревом. Этот дефект исправимый, для чего сталь подвергают отжигу, а затем проводят закалку в соответствии с технологическими рекомендациями.

Перегрев имеет место тогда, когда сталь нагревают до температуры, намного превышающей критическую. Перегрев также можно исправить отжигом с последующей закалкой.

Пережог стали может иметь место при значительном перегреве стали перед закалкой. При этом сталь становится очень хрупкой. Этот дефект неисправимый (брак). Обезуглероживание и окисление поверхности происходит при нагреве пламенных или электрических печах без контролируемых атмосфер. Чтобы избежать этих дефектов, надо нагрев вести в специальных печах с защитной (контролируемой) атмосферой, нейтральной по отношению к стали.

Закалка стали сопровождается увеличением ее объема, что приводит к значительным внутренним напряжениям, которые являются причиной образования трещин и коробления. Трещины являются неисправимым дефектом, а коробления можно устранить последующей рихтовкой или правкой. По указанным выше причинам закаленные изделия и инструмент подвергают отпуску.

Отпуском называют нагрев стали с выдержкой при данной температуре и последующим охлаждением с заданной скоростью (обычно охлаждают на воздухе). Цель отпуска – уменьшение закалочных напряжений, снижение твердости и получение необходимых механических свойств.

В зависимости от температуры нагрева различают три вида отпуска.

Низкий отпуск производится при 120... 150 °С. Его применяют после закалки инструментов, цементованных и цианированных изделий, а также после поверхностной закалки. При низком отпуске уменьшаются остаточные закалочные напряжения, твердость практически не снижается.

Средний отпуск происходит при нагреве до температур 35О...45О°С. При этом снижается твердость. Средний отпуск рекомендуется для пружин и рессор.

Высокий отпуск производится при температуре 5ОО...65О°С. Применяют в машиностроении для изделий из конструкционной стали с целью обеспечения достаточной прочности, вязкости и пластичности. Сочетание закалки с высоким отпуском называется улучшением. Эту операцию применяют для ср.еднеуглеродистых сталей (0,35...0,6 %С).

Для повышения твердости, предела выносливости и износостойкости детали машин подвергают поверхностному упрочнению. Обычно для этих целей применяют поверхностную закалку – газопламенную закалку, закалку с индукционным нагревом токами высокой частоты и другие виды поверхностного упрочнения. При таком виде обработки сердцевина изделия остается вязкой и воспринимает ударные нагрузки.

В последнее время также применяется поверхностная обработка с использованием нагрева лазером.

Под закаливаемостью понимают способность стали приобретать высокую твердость после закалки. Закаливаемость зависит от содержания углерода в стали: чем больше углерода, тем выше твердость.

Прокаливаемость – способность стали закаливаться на определенную глубину. Прокаливаемость зависит от химического состава стали, размеров детали и условий охлаждения. Чем больше устойчивость переохлажденного аустенита, тем больше прокаливаемость. Характеристикой прокаливаемое™ является критический диаметр, т. е. максимальный диаметр цилиндрического прутка, который прокаливается полностью в охлаждающей среде. Так, например, для углеродистых сталей при закалке в воде критический диаметр составляет 10 20 мм. Легированные стали при закалке в масле в зависимости от степени легирования могут прокаливаться в сечении до 250...300 мм.