Сл.7. Закалка с обработкой холодом
У многих сталей, например высокоуглеродистых, часть мартенситного интервала находится в области отрицательных температур. Поэтому после закалки с охлаждением до комнатной температуры в них сохраняется повышенное количество остаточного аустенита. Уменьшить количество остаточного аустенита можно, дополнительно охладив закаленную сталь ниже комнатной температуры. Такая обработка, впервые предложенная А. П. Гуляевым, получила название обработки холодом.
При выборе температуры охлаждения для обработки холодом следует учитывать положение мартенситной точки Мк. Охлаждение стали ниже этой точки нецелесообразно, так как оно не приводит к дополнительному мартенситному превращению. Для многих промышленных сталей оптимальная температура охлаждения находится не ниже -70…-80 °С. У некоторых сталей ощутимое уменьшение количества остаточного аустенита наблюдается уже при охлаждении в проточной воде до 5... 10 °С. Во многих промышленных сталях полнота мартенситного превращения не зависит от длительности выдержки при температуре охлаждения. Выдержка должна обеспечить лишь выравнивание температуры по сечению изделия.
Уменьшение количества остаточного аустенита при обработке холодом сопровождается ростом твердости закаленной стали, что позволяет повысить износостойкость инструмента и цементированных изделий. Обработка холодом используется также для стабилизации размеров высокоточных изделий (мерительный инструмент, кольца подшипников и др.).
Структура закаленной стали нестабильна. В процессе вылеживания и эксплуатации при комнатной температуре остаточный аустенит превращается в мартенсит, что сопровождается увеличением объема и изменением размеров изделия. После обработки холодом этот эффект резко уменьшается. При использовании обработки холодом следует учитывать, что она вызывает увеличение внутренних напряжений и иногда может привести к образованию трещин.
Сл.8. Бездеформационная закалка
Закалка сталей сопровождается увеличением их удельного объема, а следовательно, изменением размеров закаливаемых изделий. Этот эффект обусловлен природой самой закалки. Из рис. 13.27 видно, что основные структурные составляющие имеют различные удельные объемы. Образование аустенита при нагреве стали с феррито-карбидной структурой сопровождается уменьшением удельного объема. Наоборот, при закалке стали (при превращении аустенита в мартенсит) объем увеличивается, причем у мартенсита удельный объем становится больше, чем у феррито-карбидной структуры. Так как удельные объемы исходной феррито-карбидной структуры образующегося при закалке мартенсита, а также остаточного аустенита различны, то это предопределяет изменение размеров изделий при закалке.
Рис. 13.27. Изменение удельных объемов феррито-карбидной структуры (1), аустенита (2) и мартенсита (3) в зависимости от содержания углерода
Из рис. 13.27 следует, что чем больше содержание углерода в стали, тем больше разница в удельных объемах мартенсита и аустенита. Приведенные данные относятся к случаю, когда весь углерод переведен при нагреве в аустенит, а при закалке – в мартенсит. При нагреве высокоуглеродистых сталей под закалку до оптимальных температур (Ас1 + 30...50 °С) часть карбидной фазы остается нерастворенной, что обусловливает меньшее содержание углерода в мартенсите и меньшие изменения его удельного объема. Тем не менее изменение размеров изделий из высокоуглеродистых сталей при закалке, как правило, значительно больше, чем из среднеуглеродистых.
При термической обработке некоторых точных изделий желательно свести изменение их размеров к минимуму. Принципиальные основы бездеформационной закалки заключаются в следующем. Так как аустенит имеет значительно меньший удельный объем, чем мартенсит и феррито-карбидная структура, то, изменяя объемную долю аустенита в структуре закаленной стали, можно подобрать такое количественное соотношение между мартенситом и остаточным аустенитом, при котором их средний удельный объем станет равным удельному объему феррито-карбидной структуры. В этом случае закалка не приведет к изменению размеров изделия. Но, как показывают расчеты, для осуществления такой закалки необходимо иметь в структуре закаленной стали очень большие количества остаточного аустенита. Например, чтобы избежать изменений размеров при закалке стали с 0.8 % С, следует получить в ней 35 % остаточного аустенита. При обычной закалке этой стали количество остаточного аустенита не превышает нескольких процентов.
Сл.9. Другой путь уменьшения изменений размеров изделий при закалке – использование замедленного охлаждения в мартенситном интервале, чтобы получить существенное развитие процессов самоотпуска мартенсита. Это приводит к снижению содержания углерода в мартенсите и уменьшению его удельного объема.
А.П. Гуляев предложил следующий подход к выбору режимов закалки, обеспечивающих уменьшение изменений размеров изделий из высокоуглеродистых легированных сталей. Температуру закалки необходимо повысить, чтобы более полно растворить карбиды. Это приводит к увеличению содержания углерода и легирующих элементов в аустените и снижению температурного интервала мартенситного превращения, что вызовет рост количества остаточного аустенита. Но одновременно повышается содержание углерода в мартенсите, и удельный объем последнего становится больше. Поэтому только повышение температуры аустенитизации может не привести к уменьшению деформации изделия. Для получения нужного эффекта следует дополнительно осуществить при закалке замедленное охлаждение в районе мартенситного интервала, чтобы произошел самоотпуск мартенсита и содержание углерода в нем снизилось.
Сл.10. Если сталь, содержащую 1.22% С, 0.59 % Cr и 1.44 % Mn, подвергнуть обычной закалке с 800 °С в масле, то в ней будет получено 18 % остаточного аустенита, а изменение линейных размеров ∆L составит +0,11%. После закалки по режиму: аустенитизация при 890 °С, охлаждение в селитре до 200 °С с последующей 30-минутной выдержкой количество остаточного аустенита увеличивается до 32 %, а ∆L уменьшается до +0,01 %.
При разработке режимов бездеформационной закалки следует учитывать, что увеличение количества остаточного аустенита приводит к снижению твердости закаленной стали. Кроме того, известно, что остаточный аустенит может самопроизвольно разлагаться в процессе эксплуатации. Поэтому в каждом конкретном случае следует решать, целесообразно ли использование такой обработки.