2. Закалка стали

Закалка заключается в нагреве стали до температур, превышающих температуру фазовых превращений, вы­держке при этой температуре и последующем быстром охлаждении. Цель закалки – повышение твердости и проч­ности стали. При этом снижается вязкость и пластичность.

Обычно в результате закалки образуется мартенситная структура. Поэтому охлаждать сталь следует с определенной скоростью, чтобы кривая охлаждения не пересекала С-образные кривые диаграммы изотермического превраще­ния аустенита. Наименьшая скорость закалки, при которой образуется мартенсит, называется критичес­кой скоростью закалки. Для достижения высокой скоро­сти охлаждения закаливаемые детали из углеродистой стали погружают в воду. Легированные стали охлажда­ют в минеральном масле, так как у них критическая ско­рость закалки значительно ниже.

Выбор температуры закалки. Температура нагрева при закалке стали зависит от ее химического состава. В доэвтектоидных сталях, нагрев производится на 30-50 °С выше точек А_с3 (рисунок 23). При этом образуется аустенит, который при последующем охлаждении со скоростью выше крити­ческой, превращается в мартенсит. Такую закалку называ­ют полной. При нагреве доэвтектоидной стали до темпера­туры в интервале А_С3 - A_С1 в структуре мартенсита сохраня­ется часть оставшегося при закалке феррита, снижающего твердость закаленной стали. Такую закалку называют неполной. Для закалки заэвтектоидной стали наилучшей температурой является нагрев на 30-50 °С выше А_С1 , т.е. неполная закалка (рисунок 23). В этом случае в стали сохра­няется цементит и при нагреве, и при охлаждении, а это способствует повышению твердости, так как твердость це­ментита больше, чем твердость мартенсита. Нагрев заэв­тектоидной стали до температуры выше точек А_С3 (полная закалка) является излишним, так как твердость при этом меньше, чем при закалке выше А_С1. Кроме того, при охлаж­дении после нагрева до более высоких температур могут воз­никнуть большие внутренние напряжения.

Массовое содержание углерода, %

Рисунок 23. Температурный интервал закалки и отпуска стали:

I – полная закалка; II – неполная закалка; III – высокий отпуск.

Закаливаемость и прокаливаемость стали. Способ­ность стали закаливаться на мартенсит называется зака­ливаемостью. Она характеризуется значением твердости, приобретаемой сталью после закалки, и зависит от содержания углерода. Стали с низким содержанием углерода (до 0,3 %) практически не закаливаются и закалка для них не применяется.

Прокаливаемостью называется глубина проникновения закаленной зоны. При сквозной прокаливаемости все сече­ние закаливаемой детали приобретает однородную мартенситную струк­туру. При малой прокаливаемости закаливается только поверхностный слой определенной толщины, а сердцевина остается мягкой и непрочной. Отсутствие сквозной прока­ливаемости объясняется тем, что при охлаждении сердце­вина остывает медленнее, чем поверхность. Прокалива­емость характеризует критический диаметр d_k , т.е. мак­симальный диаметр детали цилиндрического сечения, которая прокаливается насквозь в данном охладителе. Про­каливаемость зависит от химического состава стали. С по­вышением содержания углерода прокаливаемость увеличи­вается. Легированные стали характеризуются значительно более высокой прокаливаемостью, чем углеродистые. На прокаливаемость также влияет скорость охлаждения. По­вышение скорости охлаждения приводит к увеличению прокаливаемости. Поэтому при закалке в воде прокаливаемость значительно выше, чем при закалке в масле. Повы­шение размеров закаливаемой детали приводит к значи­тельному уменьшению прокаливаемости.

Способы охлаждения. Идеальное охлаждение при закалке должно характеризоваться следующими особен­ностями. Для получения структуры мартенсита следует переохладить аустенит путем быстрого охлаждения стали в интервале температур наименьшей его устойчиво­сти, т. е. при температуре 500-650 ⁰С. В зоне температур мартенситного превращения (ниже 240 °С) выгоднее при­менять замедленное охлаждение, так как образующиеся структурные напряжения, связанные с получением новой кристаллической решетки, могут успеть выровняться, а твердость мартенсита не снизится.

По способу охлаждения различают виды закалки: в одной среде, в двух средах (прерывистая), ступенчатая и изотермическая.

Закалка в одной среде проще и применя­ется чаще для изделий несложной формы. Недостаток закалки в одной среде – возникновение значительных внутренних напряжений.

При прерывистой закалке изде­лие охлаждают, сначала в одной среде (например, в воде до 300-400°С), а затем в масле или на воздухе. При этом внутренние напряжения меньше, но возникают затрудне­ния при определении времени выдержки в первом охла­дителе. Ступенчатую закалку производят путем быстро­го охлаждения в соляной ванне, температура которой немного выше 240-250°С (соответствующей началу мар­тенситного превращения), затем дают выдержку при дан­ной температуре и окончательно охлаждают на воздухе. Короткая остановка при охлаждении способствует вы­равниванию температуры по всему сечению детали, что уменьшает напряжения, возникающие в процессе закал­ки. Ступенчатую закалку применяют для деталей из углеродистой стали небольшого сечения (8-10 мм). Для сталей, имеющих небольшую критическую скорость за­калки, ступенчатая закалка применяется в основном для изделий большого сечения.

При изотермической закалке, как и при ступенчатой, детали переохлаждают в среде, нагретой выше темпера­туры начала мартенситного превращения, однако вы­держка при этой температуре продолжительная – до пол­ного распада аустенита. Получается структура не мар­тенсита, а близкого по твердости, но более пластичного бейнита. Дальнейшее охлаждение производят на возду­хе. Преимущества изотермической закалки заключают­ся в большей вязкости, отсутствии трещин, минимальном короблении. Изотермическую закалку применяют для изделий сложной формы.

Важно не только правильно подобрать способ охлаж­дения, но применять правильные способы погружения деталей в охлаждающую среду. Например длинные изде­лия вытянутой формы (сверла, метчики) нужно погру­жать в строго вертикальном положении, чтобы избежать коробления.