Материаловедение / 25

5.5. Закалка

Под закалкой понимается термическая обработка, заключаю­щаяся в нагреве доэвтектоиных углеродистых сталей на 30...50 °С выше линии А_с3, а эвтектоидных и заэвтектоидных сталей выше линии А_с\, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении со скоростью выше критической (рис. 5.8).

Критической скоростью закалки называется минимальная ско­рость охлаждения, при которой весь аустенит переохлаждается до ли­нии мартенситных превращений, не претерпевая распада. Критиче­ская скорость закалки У_кр зависит от устойчивости аустенита, определяемой химическим составом стали. Чем выше устойчивость аустенита, тем ниже критическая скорость закалки. Углеродистые стали имеют высокую критическую скорость закалки 800...200 °С/с. С увеличением количества углерода У_кр уменьшается и для эвтекто-идной стали составляет ~200 °С/с.

Для легированных сталей нагрев осуществляют до более высо­ких температур на 150.250 °С выше соответствующих линий, а вы­соколегированных инструментальных сталей (до 1200.1300 °С), с целью растворения специальных карбидов легирующих элементов, присутствующих в сталях. Большинство легирующих элементов по­вышают устойчивость аустенита и соответственно снижают критиче­скую скорость закалки. Так, введение 1 % Cr в сталь, содержащую

1

где А₁ - температура эвтектоидных превращений; Т_тп - температура минимальной устойчивости аустенита; т _min - время минимальной ус­тойчивости аустенита в области перлитных превращений.

Продолжительность нагрева выбирается таким образом, чтобы обеспечить полный прогрев деталей и завершение фазовых превра­щений, но не допустить роста зерна аустенита в соответствии с фор­мулой

где т_{с п} - время сквозного прогрева; т_{и в} - время изотермической вы­держки.

Время сквозного прогрева выбирается исходя из нагревающей среды и геометрических размеров деталей. Обычно пользуются опыт­ными данными. При нагреве в электропечах для деталей круглого се­чения т_с.п принимается 40.50 с/мм толщины детали, а для прямо­угольного сечения - 1 мин/мм. Время изотермической выдержки назначается в пределах 15.25 % от т_с.п.

В качестве охлаждающих жидкостей используют кипящие жидкости: воду, водные растворы солей и щелочей, масла, аквапласты и др. Эти жидкости значительно отличаются по охлаждающей способ­ности. Если охлаждающую способность воды при температуре 20 °С принять за 1, то охлаждающая способность масла составляет ~0,17, а воздуха - 0,03. Наиболее высокая скорость охлаждения желательна в диапазоне температур от линии А1 до зоны минимальной устойчи­вости аустенита для предотвращения распада переохлажденного ау-стенита в области перлитных превращений. В то же время в области мартенситных превращений желательно иметь замедленное охлажде­ние с целью снижения возникающих при этом внутренних напряже­ний и предотвращения образования закалочных трещин.

Вода и водные растворы, содержащие соли, щелочи и другие добавки, используются в основном при закалке углеродистых и низ­колегированных сталей.

Масло обеспечивает небольшую скорость охлаждения в области мартенситных превращений и применяется при закалке легированных сталей с высокой устойчивостью аустенита. К недостаткам использо­вания масла в качестве охлаждающей среды относится повышенная воспламеняемость (165...300 °С), низкая охлаждающая способность в области перлитных превращений и высокая стоимость.

В последнее время применяют водные растворы моющих средств с поверхностно-активными веществами и жидким стеклом, аквапласты, содержащие полимерные добавки и ингибиторы корро­зии, и другие среды.

При погружении раскаленного металла в охлаждающую среду можно выделить три стадии охлаждения: образование пленки пере­гретого пара (паровой рубашки), разрыв паровой рубашки (пузырько­вое кипение), при температуре ниже температуры кипения происхо­дит конвективный теплообмен. Для улучшения теплоотвода необходимо разрушать паровую рубашку и подводить свежую охлаж­дающую жидкость путем ее перемешивания.

Под закаливаемостью стали понимается способность ее повы­шать твердость в результате закалки и определяется она в основном содержанием углерода в стали. Чем больше в стали углерода, тем выше будет твердость после закалки.

Под прокаливаемостью понимается глубина слоя с мартенсит-ной или троосто-мартенситной структурой и высокой твердостью. Прокаливаемость определяется критической скоростью охлаждения. Если в сердцевине детали скорость охлаждения равна или выше V^, то прокаливаемость сквозная. При меньшей скорости охлаждения происходит прокаливаемость на определенную глубину.

Большинство легирующих элементов замедляют превращения в перлитной области, смещают линии изотермических превращений вправо, увеличивая прокаливаемость сталей. В то же время могут ус­корять бейнитные превращения. Наиболее сильно увеличивают про-каливаемость Ni, Mo, Cr, Mn. Положительное влияние на прокали-ваемость оказывают добавки бора в стали, даже при небольших количествах (0,001.. .0,005 %).

Легирующие элементы оказывают влияние на температуры на­чала и окончания мартенситных превращений. Алюминий и кобальт повышают М_н, уменьшая количество остаточного аустенита после превращений. Марганец, хром, никель, молибден понижают М_н, а кремний - практически не влияет.

За глубину закаленного слоя условно принято расстояние от по­верхности детали до полумартенситной зоны (50 % мартенсита и 50 % троостита). Диаметр заготовки, в центре которой будет полумартен-ситная структура, называется критическим диаметром и обозначает­ся он D₅₀. Максимальные механические свойства получаются обычно в сталях при 95 % мартенсита в структуре. Критический диаметр при 95 % мартенсите обозначается D₉₅, и он равен 0,75 D₅₀. Прокаливае-мость до 99,9 мартенсита наблюдается на глубине, равной 0,5 D50.

Способы закалки

В зависимости от состава стали, геометрических размеров, фор­мы деталей и требуемых механических свойств применяют различные способы закалки, основные из которых рассмотрены ниже (рис. 5.9).

Закалка в одном охладителе называется непрерывной. Применя­ется для деталей несложной геометрической формы из углеродистых и легированных сталей.

Закалка в двух средах или прерывистая применяется для сниже­ния внутренних напряжений в области мартенситных превращений, предотвращения коробления деталей и образования закалочных тре­щин. При этом виде закалки деталь резко охлаждается до температур несколько выше линии начала мартенситных превращений, а затем ее быстро переносят в менее интенсивный охладитель (вода-масло).

Закалка с самоотпуском применяется для обработки ударного инструмента (зубила, молотка, других слесарных и кузнечных инст­

рументов). При этом виде закалки в охлаждающую среду погружают часть детали или охлаждение в закалочной среде прерывают при оп­ределенной температуре и затем охлаждают на воздухе. Так как серд­цевина детали охлаждается более медленно, происходит отпуск по­верхности.

Ступенчатая закалка проводится для деталей типа осей, вали­ков диаметром не более 10 мм. При этом виде закалки охлаждение производят до температуры несколько выше линии начала мартен-ситных превращений, выдерживают в горячем масле или солевой ванне в течение времени, не превышающем времени устойчивого со­стояния аустенита при данной температуре, и затем охлаждают на воздухе. При охлаждении на воздухе можно осуществлять правку де­тали, если ее повело.

Изотермическая закалка выполняется подобно ступенчатой, но с более длительной выдержкой (обычно в расплавах солей) до час­тичного или полного распада аустенита, с целью получения бейнит-ной или бейнитно-мартенситной структуры. При этом виде закалки несколько снижается твердость, но увеличивается пластичность ста­лей. Зачастую подвергаются этой закалке инструментальные стали 6ХС, 9ХС, ХВГ и др.

Поверхностная закалка используется для придания высокой твердости поверхности детали при сохранении вязкой сердцевины, что позволяет сочетать высокую износостойкость с высокой динами­ческой прочностью. Поверхностную закалку производят с использо­ванием нагрева детали токами высокой частоты (ТВЧ) или газовым пламенем (реже). Различают следующие способы закалки с индукци­онным нагревом: 1) одновременный нагрев и охлаждение всей зака­ливаемой поверхности (для мелких деталей); 2) непрерывно-последовательный нагрев и охлаждение (для длинных валов, осей); 3) последовательный нагрев и охлаждение отдельных участков (шей­ки коленчатых валов, кулачки распределительных валов и др.). При нагреве ТВЧ разогрев детали происходит вследствие теплового воз­действия тока, индуцируемого в изделии, помещенном в переменное магнитное поле. Теплота (90 %) выделяется в слое толщиной

где f - частота Гц; v - магнитная проницаемость; р - электрическое сопротивление нагреваемого металла.

5

Скорость нагрева ТВЧ составляет 30.300 °С/с, время нагрева составляет 2.50 с в зависимости от химического состава стали и тол­щины закаливаемого слоя. При таких высоких скоростях нагрева эв-тектоидные превращения происходят в области более высоких темпе­ратур, поэтому и закалку проводят тоже с более высоких температур. В связи с большой скоростью нагрева и его кратковременностью практически роста зерна аустенита не наблюдается. Закалка ТВЧ обычно производится на глубину не более 4 мм, подвергаются ей среднеуглеродистые стали с содержанием 0,4.0,5 % С, реже легиро­ванные, т. к. у них больше глубина прокаливаемости. После закалки проводят низкий отпуск при 200 °С или даже самоотпуск. После от­пуска твердость поверхности стали составляет 45...55 HRC, а в серд­цевине 25...30 HRC.

Высокочастотной закалке подвергаются шейки коленчатых и кулачковых валов, гильзы цилиндров, поршневые пальцы, детали гусениц, пальцы рессор и др.

Толщина упрочняемого слоя при нагреве ТВЧ выбирается исхо­дя из условий работы детали. Для поверхностей, испытывающих фрикционное взаимодействие, работающих на износ, обычно закалку производят на глубину 1,5.3,0 мм. Если детали испытывают высокие контактные нагрузки, глубину слоя увеличивают до 4.5 мм, а если крупногабаритные детали, то и более. Для зубчатых колес толщина слоя назначается 0,2.0,28 от модуля.

При поверхностной закалке с индукционным нагревом твер­дость стали на 3.5 единиц HRC выше, чем при нагреве в печи, что объясняется более высокой скоростью охлаждения и более мелким зерном аустенита (14...15 балл), образующимся при высоких скоро­стях нагрева и малом времени выдержки. Образующиеся в поверхно­стном слое при закалке напряжения сжатия повышают предел вынос­ливости стали и ее износостойкость. Перед поверхностной закалкой целесообразно детали подвергнуть улучшению или нормализации для повышения прочности сердцевины.

Газопламенный нагрев используется для крупных изделий (прокатные валки и др.). Преимущество закалки ТВЧ заключается в высокой производительности, минимальном короблении, отсутст­вии окалины и обезуглероживания поверхности детали, в возможно­сти регулирования механических свойств по глубине.

Поверхностная закалка может производиться с нагревом под действием лазерного излучения, при котором поверхность разогрева­ется до высоких температур за короткий промежуток времени (10 ...10 с). При лазерной обработке повышается предел выносли­вости при изгибе, предел контактной выносливости, износостойкость.

Для сталей, у которых температура конца мартенситных пре­вращений Мк расположена ниже 0 °С, для превращения остаточного аустенита в мартенсит применяется обработка холодом. Сразу же по­сле обработки холодом необходимо выполнить отпуск, чтобы снять возникшие остаточные напряжения.

Закаленные стали всегда находятся в структурно-напряженном состоянии, поэтому всегда после закалки детали необходимо под­вергнуть отпуску.

5.6. Отпуск закаленных сталей

Отпуском называется термическая обработка, заключающаяся в нагреве закаленных сталей до температур ниже точки А1, выдержке и охлаждении на воздухе (иногда и в воде). После закалки в большин­стве случаев стали имеют структуру мартенсита и остаточного аусте-нита, являющихся метастабильными фазами.

При отпуске происходит распад мартенсита и аустенита с обра­зованием карбидов, уменьшаются несовершенства кристаллического строения а-твердого раствора и снижаются остаточные напряжения,

возникшие при закалке.

Распад этих фаз идет по диффузионному механизму, скорость процессов и степень превращений которых зависит от температуры и длительности выдержки. Различают четыре превращения при отпуске.

Первое превращение для углеродистых сталей протекает при температурах 80.150 °С. При этом из мартенсита выделяется часть углерода с образованием мелкодисперсных s-карбидов с химическим составом, близким к Fe₂C, которые когерентно связаны с решеткой мартенсита. В структуре отпущенного мартенсита наблюдаются уча­стки, обедненные углеродом (вблизи s-карбидов), и участки с исход­ным содержанием углерода. Уменьшение количества углерода в мар­тенсите снижает его тетрагональность. Количество углерода в мартенсите после первого превращения зависит от исходного коли­чества углерода в нем.

Второе превращение протекает в диапазоне 150...350 °С. При этих температурах ускоряются диффузионные процессы. Продолжа­ется распад мартенсита, который распространяется на весь объем, со­ответственно снижается количество углерода в мартенсите до вели­