16.1. Закалка

Закалка - термическая обработка - заключается в нагреве стали до температуры выше критической (А3 для эвтектоидной и А1 - для заэвтектоидной сталей) или темпера-туры растворения избыточных фаз, в выдержке и последующем охлаждении со скоростью, превышающих критическую (рис. 63).

Закалка не является окончательной операцией термической обработки, Чтобы умень-шить хрупкость и напряжения, вызванные закалкой, и получить требуемые механические свойства, сталь после закалки обязательно подвергается отпуску.

Инструментальную сталь в основном подвергают закалке и отпуску для повышения твердости, износостойкости и прочности, а конструкционную сталь - для повышения проч-ности, твердости, получения достаточно высокой пластичности и вязкости, а для ряда дета-лей также высокой износостойкости.

Выбор температуры закалки. Доэвтектоидные стали нагревают до температур на 30 - 500С выше точки Ас3. (аустенит  мартенсит). Заэвтектоидные стали нагревают выше точ-ки Ас1. При таком нагреве образуется аустенит при сохранении некоторого количест-ва цементита

(аустенит + цементит  мартенсит + цементит). Верхний предел закалки ограничивается, так как чрезмерное повышение температуры выше точки А1 связано с ростом зерна. Поэто-му интервал колебания температур закалки невелик (15 - 200С). Закалка от температур выше точки Аcm снижает твердость стали за счет увеличения количества остаточного аустенита.

Для многих высоколегированных сталей температура нагрева под закалку значитель-на превышает критические точки А1 и А3 (на 150 - 2500С), что необходимо для перевода в твердый раствор специальных карбидов и получения требуемой легированности аустенита. Это повышение не ведет к заметному росту зерна так как нерастворенные частицы карбидов тормозят рост зерна аустенита.

Охлаждающие среды для закалки. Охлаждение при закалке должно обеспечить полу-чение структуру мартенсита в пределах заданного сечения изделия (определенную прокали-ваемость) и не должно вызывать закалочных эффектов: трещин, деформаций, коробления и высоких растягивающих остаточных напряжений в поверхностных слоях.

Чаще всего для закалки используют кипящие жидкости - воду, водные растворы ще-лочей и солей, масла.

При закалке в этих средах различают три периода:

• пленочное кипение, когда на поверхности стали образуется "паровая рубашка"; в этот период скорость охлаждения сравнительно невелика;

• пузырьковое кипение, наступающее при полном разрушении паровой пленки, наблюдае-мое при охлаждении поверхности до температуры ниже критической; в этот период про-исходит быстрый отвод теплоты;

• конвективный теплообмен, который отвечает температурам ниже температуры кипения охлаждающей жидкости: тепло отвод в этот период идет с наименьшей скоростью.

Вода как охлаждающая среда имеет существенные недостатки: высокая скорость ох-лаждения в области температур мартенситного превращения нередко приводит к образова-нию закалочных дефектов; с повышением температуры воды резко ухудшается ее закалочная способность.

Масло как закалочная среда имеет преимущества: небольшую скорость охлаждения в мартенситном интервале температур; постоянство закаливающей способности в широком интервале температур (20-1500С). К недостаткам следует отнести повышенную воспламе-няемость (температура вспышки 165 - 3000С); недостаточную стабильность и низкую охлаж-дающую способность в области температур перлитного превращения, а так же повышенную стоимость.

Закаливаемость и прокаливаемость стали. Под закаливаемостью понимают способ-ность стали повышать твердость в результате закалки. Закаливаемость стали определя-ется в первую очередь содержанием в стали углерода. Чем больше в мартенсите углерода, тем выше его твердость. Легирующие элементы оказывают относительно небольшое влияние на закаливаемость.

Под прокаливаемостью понимают способность стали получать закаленный слой с мартенситной или тросто-мартенситной структурой и высокой твердостью на ту или иную глубину.

Прокаливаемость определяется критической скоростью охлаждения, зависящей от состава стали. Если скорость охлаждения больше критической скорости то прокаливаемость будет полной , а если меньше - то неполной.

За глубину закаленного слоя условно принимают расстояние от поверхности до полу- мартенситной зоны (50% мартенсита и 50% тростита) (рис.64).

Диаметр заготовки, в центре которой после закалки в данной охлаждающе среде образуется полумартенситная структура, называют критическим диаметром Dк.

Прокаливаемость тем выше, чем меньше критическая скорость закалки, т.е. чем выше устойчивость переохлажденного аустенита.

Устойчивость переохлажденного аустенита повышается, а критическая скорость закалки уменьшается только при том условии, если легирующие элементы растворяются в аустените.

Влияние прокаливаемости на механические свойства можно показать на примере. Заготовка из углеродистой стали с 0,45 %С, диаметром 10мм прокаливается в воде на сквозь. После отпуска при 5500С получается структура - сорбит отпуска. Для такой структуры ха-рактерны высокие механические свойства:  = 800 МПа; = 650 МПа;  = 13 %;  = 40 % КCU = 1 МДж/м2. При диаметре заготовки 100 мм и закалке вводе скорость охлаждения в сердцевине значительно меньше критической Vк , и там образуется структура из пластинча-того перлита и феррита. Эта структура обладает более низкими механическими свойствами:  = 700 МПа;  = 450 МПа;  = 13 %;  = 40 % КCU = 0,5 МДж/м2.

Способы закалки. Наиболее широко применяют закалку в одном охладителе, такую закалку называют непрерывной. Для уменьшения закалочной деформации применяют дру-гие способы закалки.

Прерывистая закалка (в двух средах). Изделие сначала быстро охлаждают в воде до температуры несколько выше Мн, а затем быстро переносят в менее интенсивный охладитель (например масло или воздух), в котором он охлаждается до 200С.

Закалка с самоотпуском. В этом случае охлаждение изделия в закалочной среде пре-рывают, с тем чтобы в сердцевине изделия сохранилось еще некоторое количество теплоты. Под действием теплообмена температура в более сильно охлаждающих поверхностных сло-ях повышается и сравнивается с температурой сердцевины. Тем самым происходит отпуск поверхности стали (самоотпуск).

Ступенчатая закалка. При выполнении закалки поэтому способу сталь после нагрева до температуры закалки охлаждают в среде, имеющей температуру несколько выше точки Мн (обычно 180 - 2500С), и выдерживают в ней сравнительно короткое время. Затем изделие охлаждают до нормальной температуры на воздухе. В результате выдержки в закалочной среде достигается выравниванием температуры по сечению изделия, но это не должно вызывать превращение аустенита с образованием бейнита.

Изотермическая закалка. Закалку по этому способу выполняют в основном так же как ступенчатую, но в данном случае предусматривается более длительная выдержка выше точки Мн . При такой выдержке происходит распад аустенита с образованием нижнего бей-нита. Для многих сталей изотермическая закалка обеспечивает значительное повышение конструктивной прочности.

Обработка стали холодом. В закаленной стали, особенно содержащей 0,4 - 0,5 % С, у которой точка Мн лежит ниже нуля, всегда присутствует остаточный аустенит. Для его уменьшения применяют обработку холодом, заключающуюся в охлаждении закаленной ста-ли до температуры ниже нуля, что увеличивает ее твердость. Для уменьшения закалочных дефектов обработку холодом желательно выполнять после закалки, а затем для снятия внут-ренних напряжений провести отпуск.