4.7.2 Закалка

Цель закалки – получить в стали мартенсит.

Закалка – термическая обработка, заключающаяся в нагреве стали до температуры выше критической точки Ас₃ для доэвтектоидной и Ас₁ для заэвтектоидной стали, выдержке и последующем охлаждении со скоростью, превышающей критическую. При этом в доэвтектоидной стали – мартенсит и карбиды.

После закалки обязательно назначают отпуск для снятия внутренних напряжений, снижения хрупкости и получения нужного комплекса механических свойств.

Рис.4.10 Схема изотермического отжига быстрорежущей стали Р18.

4.7.2.1 Выбор температуры закалки

Мартенсит можно получить только из аустенита, поэтому надо греть до аустенитного состояния.

В зависимости от температуры нагрева различают полную и неполную закалку. При полной закалке нагрев проводят выше верхних критических точек Ас₃ или Асm на 30-50⁰ до чисто аустенитного состояния. При неполной закалке нагрев проводят выше точки Ас₁ на 30-50⁰С.

Для доэвтектоидной стали правильной является полная закалка, при которой получается мартенсит. Если для этой стали применить неполную закалку, то получится структура мартенсит плюс феррит. Ферритные зерна в закаленной стали нежелательны, поэтому неполная закалка для доэвтектоидной стали не применяется.

Для заэвтектоидной стали правильной является неполная закалка, при которой получается структура мартенсит и цементит вторичный. Такая структура лучше чисто мартенситной, т.к. цементит повышает твердость и износоустойчивость стали.

Проведение полной закалки для заэвтектоидной стали (нагрев выше критической точки Асm) приводит к браку – перегреву, т.к. получается структура крупноигольчатого мартенсита в связи с ростом аустенитного зерна выше точки Ас₁. При этом возникает пересыщенность мартенсита углеродом, что приводит к увеличению количества остаточного аустенита и повышению внутренних напряжений.

Продолжительность нагрева при закалке стали

Продолжительность нагрева должна обеспечить прогрев изделия по сечению и завершение фазовых превращений, но не должна быть слишком большой, чтобы не вызвать роста зерна и обезуглероживания поверхности (если нет защитной атмосферы).

Для определения суммарного времени нагрева и выдержки чаще пользуются опытными данными. На некоторых заводах применяют следующую продолжительность нагрева на 1 мм сечения: в электропечи 1,5-2 мин.; в пламенной печи 1,0 мин.; в соляной ванне 0,5 мин. Время нагрева легированной стали надо увеличивать в 1,5-2 раза из-за более низкой теплопроводности и уменьшения скорости протекания фазовых превращений.

4.7.2.2 Охлаждающие среды при закалке

При закалке, с одной стороны, надо охлаждать ускоренно, чтобы обеспечить критическую скорость охлаждения. С другой стороны, при ускоренном охлаждении возникают значительные термические, а также структурные напряжения. Термические напряжения возникают в зонах перепада температур в детали при ускоренном охлаждении: горячая часть детали имеет значительно больший объем, чем холодная, в месте сопряжения этих частей возникают значительные напряжения.

Структурные напряжения связаны с превращением аустенита в мартенсит, который имеет больший объем. Структурные напряжения неизбежны при закалке на мартенсит, но при ускоренном охлаждении они становятся особенно высокими из-за неодновременного прохождения мартенситного превращения в различных частях детали.

Как показывает С-диаграмма, быстрое охлаждение при закалке необходимо только в районе наименьшей устойчивости переохлажденного аустенита (~ 650-400⁰С). Выше и ниже охлаждение можно вести медленно. В связи с этим, можно изобразить идеальную кривую охлаждения (рис. 8.4) при закалке. Охлаждение по такой кривой обеспечивает качественную закалку без трещин и коробления. Медленное охлаждение особенно важно проводить, начиная с температур 300-200⁰С, ниже которых в большинстве сталей образуется мартенсит, хрупкая структура, где под действием внутренних напряжений наиболее вероятно образование трещин. Верхний температурный интервал на кривой охлаждения часто проводят на воздухе (делают подстуживание). Вторую и третью температурную зону обычно проходят в охлаждающей жидкости. В табл. 8.1 приведены скорости охлаждения небольших стальных образцов во II и III температурной зоне в различных охлаждающих средах. Холодная вода – дешевый и очень энергичный охладитель, но быстрое охлаждение в третьей зоне крайне нежелательно. Это главный недостаток воды как охлаждающей жидкости. Нагретая вода не улучшает, а теряет свою охлаждающую способность. Минеральное масло медленно охлаждает в мартенситном интервале (это его основной недостаток). Минеральное масло применяют, в основном, для легированных сталей, которые имеют низкую критическую скорость охлаждения.

В связи с тем, что нелегированная сталь имеет высокую критическую скорость, детали приходится закаливать в воде. Если деталь имеет сложную конфигурацию и значительное сечение, ее закаливать в воду нельзя, т.к это приводит к браку (трещины, коробление). Поэтому детали сложной конфигурации и больших сечений делают из легированных сталей, закаливаемых в масле.

В настоящее время разрабатываются новые охлаждающие среды, охлаждающую способность которых можно регулировать в широких пределах (водно-воздушные смеси, растворы полимеров и т.д.).

Инструментальные нелегированные стали охлаждают сначала в воде (где проходит II зона), а затем перебрасывают в масло (где проходит III зона).

Таблица 4.1

Скорость охлаждения стали в различных средах

№ п/п	Закалочная среда	Скорость охлаждения, 0С/с в температурных интервалах
		650-5500С	300-2000С
1	Вода при 180С	~ 600	~ 270
2	Вода при 740С	~ 30	~ 200
3	10%-ный раствор NaOH в воде при 180С	~ 1200	~ 300
4	Минеральное масло	100-150	20-50

Рис. 4.11 Твердость стали после закалки в зависимости от содержания углерода