2.3.2 Закалка

2.3.2.1 Общие положения

Существует три принципиально различающихся между собой вида закалки:

- закалка с полиморфным превращением;

- закалка без полиморфного превращения;

- закалка с оплавлением поверхности.

Закалка с полиморфным превращением (закалка стали на мартенсит) на протяжении веков является основным способом упрочнения стали, а в настоящее время применяется и для закалки сплавов цветных металлов.

Закалка без полиморфного превращения была открыта на рубеже 20-го века, и её промышленное использование началось одновременно с применением алюминиевых сплавов. Закалка без полиморфного превращения применима для сплавов, имеющих переменную в зависимости от температуры растворимость компонентов. В результате закалки образуется пересыщенный твердый раствор, но кристаллическая решетка остается неизменной.

Закалка с оплавлением поверхности появилась в 70-х годах прошлого века, когда в промышленности начали использовать лазерный нагрев.

Закалка стали – это термическая обработка, которая включает нагрев до температуры выше фазовых превращений, выдержку при этой температуре и быстрое охлаждение со скоростью, превышающей критическую (рис. 13). Закалка является упрочняющей термической обработкой. Повышение твердости и прочности обеспечивается за счет получения структуры мартенсита. Закалка не является окончательной операцией, и после нее обязательно производится отпуск.

Результаты закалки во многом зависят от правильного выбора температуры нагрева для закалки. Доэвтектоидные стали для закалки следует нагревать до температуры на 30-50°С выше Ас₃. В этом случае сталь с исходной структурой перлит + феррит нагревается до аустенитного состояния и при охлаждении со скоростью больше критической получается мартенсит. Такая закалка называется полной.

Неполная закалка осуществляется от температур, которые соответствуют межкритическому интервалу от А_С1 до А_С3, и используется только для листовой низколегированной стали для получения структуры феррита с небольшими участками мартенсита до 20%. Такая структура обеспечивает достаточно высокие механические свойства и, одновременно, способность к штамповке. Во всех других случаях неполная закалка доэвтектоидных сталей не используется, поскольку механические свойства получаются более низкими по сравнению с закалкой от температур выше А_С3.

Заэвтектоидные стали нагревают для закалки на 15…20°С выше А_С1. При этих температурах в стали наряду с аустенитом имеется цементит. Поэтому после закалки в структуре заэвтектоидных сталей присутствуют мартенсит с небольшим количеством остаточного аустенита и нерастворенные частицы цементита, имеющие высокую твердость. Интервал закалочных температур не должен превышать 15…20^оС, так как чрезмерное повышение температуры закалки вызывает интенсивный рост зерна, что приводит к снижению прочности и сопротивления хрупкому разрушению.

Закалка заэвтектоидных сталей, по сути, является неполной. Если заэвтектоидную сталь нагревать для закалки выше А_сm ,то ее структура будет состоять из крупноигольчатого мартенсита с повышенным содержанием остаточного аустенита, присутствие которого в структуре стали снижает ее твердость.

Продолжительность нагрева и выдержки при закалочной температуре должна обеспечить прогревание изделий по сечению и завершение фазовых превращений, но исключить рост зерна и обезуглероживание поверхностных слоев детали. В большинстве случаев является приемлемым выбор продолжительности нагрева из расчета 1,5 мин на 1мм сечения для углеродистых сталей и 2 мин на 1мм сечения для легированных сталей. Продолжительность выдержки составляет одну треть от продолжительности нагрева.

При определении технологических параметров процесса закалки необходимо учитывать закаливаемость и прокаливаемость стали.

Закаливаемость – это способность стали повышать в процессе закалки свою твердость. Закаливаемость зависит главным образом от содержания углерода в стали, повышается при увеличении его содержания и считается достаточной при 0,4%С и выше, когда твердость закаленной стали приближается к 60HRC (рис. 14).

Прокаливаемость характеризует глубину закаленного слоя при данных условиях закалки. За глубину закаленного слоя условно принимают расстояние от поверхности до полумартенситной зоны (50% мартенсита и 50% троостита). Диаметр заготовки, в центре которой после закалки в данной охлаждающей среде образуется полумартенситная структура, называется критическим диаметром ( Д_кр). Прокаливаемость возрастает по мере повышения стойкости переохлажденного аустенита и, соответственно, снижения критической скорости закалки.

1 – твердость мартенсита; 2 –заэвтектоидная сталь после закалки от температуры А_С1 + 20^оС; 3 -твердость заэвтектоидной стали после закалки от температуры А_СМ + (20…30^оС)

Рисунок 14 - Влияние температуры закалки на твердость за эвтектоидной стали

2.3.2.2 Способы закалки

Охлаждение при закалке должно обеспечить получение структуры мартенсита в пределах заданного сечения детали при отсутствии образования трещин и деформаций.

Идеальным охлаждением считается такое, при котором обеспечивается высокая скорость охлаждения при температурах наименьшей устойчивости переохлажденного аустенита для предупреждения его диффузионного превращения и медленное охлаждение в интервале мартенситного превращения с целью уменьшения закалочных напряжений (рис. 15).

1 – закалка в воде; 2 – ступенчатая закалка;3 – идеальное

охлаждение; 4 – закалка в масле;5 – изотермическая закалка;