1. . Краткие теоретические сведения

Закалкой называется операция термической обработки, связанная с нагревом стали выше температуры фазовых превращений, выдержкой при этой температуре и последующим охлаждением со скоростью выше крити-ческой V_кp (в каком-либо охладителе).

Закалка – основной способ упрочняющей термической обработки конструкционной и инструментальной стали.

Цель закалки – образование мартенситной структуры (или бейнитной), обеспечивающей высокую твердость и прочность стали.

О сновными технологическими свойствами при закалке стали являются закаливаемость и прокаливаемость. Закаливаемость – свойство стали приобретать высокую твердость в результате закалки. Прокаливаемость – свойство стали воспринимать закалку на определенную глубину от поверхности.

Выбор температуры нагрева под закалку углеродистой стали производится по диаграмме состояния железоуглеродистых сплавов (рис. 4.1).

Д

Рис. 4.1. Оптимальный интервал значений температуры нагрева под закалку углеродистой стали

оэвтектоидную сталь нагревают до температуры на 30 – 50 °С выше критической точки А₃, т. е. выше линии GS диаграммы. При таком нагреве исходная ферритно-перлитная структура перекристаллизуется в аустенит. Охлаждение со скоростью выше критической приводит к мартенситному превращению (А  М). Такая закалка называется полной, так как при нагреве происходит полная перекристаллизация структуры стали в однофазное состояние.

Эвтектоидную и заэвтектоидную сталь подвергают неполной закалке, т. е. нагревают до температуры на 30 – 50 °С выше критической точки A₁ (линия PSK диаграммы). Эта температура постоянная, и интервал значений температуры для закалки будет 760 – 780 °С. При указанной температуре не происходит полной перекристаллизации стали в аустенит (П + Ц _II→ А + Ц _II).

Скорость охлаждения стали после нагрева и выдержки оказывает решающее влияние на результат закалки. Режим охлаждения должен быть таким, чтобы не возникали большие напряжения, приводящие к короблению изделия и образованию закалочных трещин. Эти напряжения складываются из терми-ческих и структурных.

При закалке углеродистой и некоторых низколегированных сталей в качестве охлаждающей среды применяют воду и водные растворы. Холодная вода – самый дешевый и интенсивный охладитель. К недостаткам этой охлаждающей среды относится образование «паровой рубашки». Перепад температуры между поверхностью и центром изделия при закалке в воде может привести к возникновению высоких термических напряжений, вызывающих коробление и образование трещин. Кроме того, с повышением температуры воды резко снижается ее охлаждающая способность. Увеличение охлаждающей способности воды достигается при использовании струйного или душевого (спрейерного) охлаждения. Для крупногабаритных изделий (рельсы, трубы и т. п.) применяется водовоздушная охлаждающая среда – смесь воды с воздухом, подаваемая в камеру под давлением через форсунки (водяной туман).

Низкая пластичность и значительные внутренние напряжения при закалке стали на мартенсит не позволяют использовать ее без проведения отпуска.

Отпуск – операция термической обработки, связанная с нагревом закаленной стали ниже значений температуры фазовых превращений, выдержкой при этой температуре и последующим охлаждением на воздухе.

Цель отпуска – снижение внутренних напряжений, возникших при закалке стали, и получение более равновесной структуры с заданными свойствами (твердостью, прочностью, ударной вязкостью и пластичностью).

Отпуск необходимо проводить непосредственно после закалки, так как закалочные напряжения через некоторое время могут вызвать появление трещин. Кроме того, остаточный аустенит стабилизируется, его устойчивость к отпуску повышается.

При нагреве вследствие диффузных процессов в структуре закаленной стали происходят фазовые превращения, они зависят от температуры отпуска и определяют его назначение.

Первое превращение при отпуске. Происходит в интервале температуры 80 – 200 °С. Атомы углерода, диффундируя из решетки мартенсита, спо-собствуют образованию тончайших пластинок эпсилон-карбида, когерентно связанных с альфа-твердым раствором. Степень тетрагональности решетки мартенсита уменьшается. Снижаются внутренние напряжения. Такая гетерогенная (неоднородная) структура называется отпущенным мартенситом, или мартенситом отпуска.

Второе превращение при отпуске. Дальнейший нагрев температуры до 200 – 300 °С вызывает превращение остаточного аустенита в отпущенный мартенсит. Уменьшается тетрагональность решетки мартенсита, диффузия углерода продолжается и частицы эпсилон-карбида увеличиваются, они начинают обособляться, превращаясь в цементит.

Третье превращение происходит при температуре 300 – 400 °С. Вследст-вие выделения углерода мартенсит становится ферритом, а эпсилон-карбид – цементитом. Снимаются внутренние напряжения. В результате диффузионного распада мартенсита в этом интервале температуры образуется высокодисперсная эвтектоидная смесь феррита и цементита – троостит отпуска.

Повышение температуры отпуска до 500 – 650 °С способствует коагуляции (укрупнению) и сфероидизации (округлению) карбидных частиц. Троостит отпуска превращается в сорбит отпуска – мелкую (дисперсную) смесь феррита и зернистого цементита.

При температуре отпуска 400 °С и выше при распаде мартенсита обра-зуется смесь феррита и цементита (перлит) разной дисперсности, поэтому эти структуры имеют те же названия, что и образующиеся из аустенита. Но перлит, образовавшийся при отпуске, имеет цементит не пластинчатой, а зернистой формы, что способствует повышению пластичности (ударной вязкости) троостита отпуска и сорбита отпуска.

Температура отпуска – самый существенный фактор, который влияет на свойства стали. Твердость и прочность с повышением температуры отпуска снижаются, а пластичность и вязкость повышаются.

В легированной стали все процессы отпуска происходят, как правило, в области более высокой температуры, так как легирующие элементы замедляют диффузионные процессы. Так, распад мартенсита завершается при температуре 450 – 500 °С, а коагуляция специальных карбидов – при 600 – 680 °С. При некоторых условиях отпуска закаленных легированных сталей происходит их «охрупчивание» – потеря пластичности (отпускная хрупкость).

Отпускная хрупкость первого рода появляется при температуре порядка 300 °С у всех сталей независимо от их состава и скорости охлаждения при отпуске. Отпускная хрупкость второго рода проявляется после отпуска выше 500 °С в результате медленного охлаждения. Не все стали склонны к хрупкости второго рода, но хром, особенно в сочетании с никелем или марганцем, делает сталь особо чувствительной к условиям охлаждения при отпуске. Для предупреждения «охрупчивания» стали необходимо при проведении отпуска избегать интервала температуры отпускной хрупкости первого рода (300 – 350 °С). Стали, склонные к отпускной хрупкости второго рода, после отпуска следует охлаждать быстро (в воде или масле).