Закалка

Исторически сложившееся понятие «закалка» предполагает такую термообработку, при которой сталь приобретает неравновесную структуру, что прежде всего выражается в твердости стали. В связи с этим к закалке можно отнести термообработку на сорбит, тростит, бейнит и мартенсит. Степень неравновесности продуктов закалки с увеличением скорости охлаждения повышается и возрастает от сорбита к матренситу.

Закалку на мартенсит принято считать истиной закалкой. Важнейшим преимуществом истинной закалки является возможность получения из мартенсита за счет последующего отпуска продуктов с такими ценными комплексами свойств, которые другими видами термообработки получить невозможно.

В связи с этим истинная закалка по сравнению с другими ее видами получила более широкое применение как предварительная обработка перед следующим за ней отпуском.

Режим истинной закалки включает нагрев до температуры на 30-50 ^о выше линии GSK (рисунок 4.1) и охлаждение со скоростью не ниже критической ( v_к ).

Критическая скорость закалки имеет очень важное значение. От нее зависит такое технологическое свойство стали, как прокаливаемость, т.е. способность закаливаться на определенную глубину.

Чем меньше величина v _к, тем на большую глубину от поверхности детали распространяется закалка (поскольку фактическая скорость охлаждения по мере увеличения расстояния от поверхности уменьшается и на каком-то удалении оказывается меньше v_к). Критическая скорость закалки зависит от стабильности аустенита, которая, в свою очередь, определяется количеством растворенных в нем углерода и легирующих элементов.

Таким образом, введением в сталь углерода и легирующих элементов можно повысить прокаливаемость.

Прокаливаемость принято оценивать с помощью специальных цилиндрических образцов по глубине залегания в них полумартенситного слоя, при охлаждении торца нагретого образца струей холодной воды.

Полумартенситным принято считать слой стали, содержащий 50% М и 50 % Т.

Поскольку изменение скорости охлаждения от поверхности вглубь детали зависит от температуры и рода охлаждающей среды, то при оценке прокаливаемости следует учитывать и эти факторы.

Одной из целей легирования конструкционных сталей является уменьшения критической скорости закалки и получения сквозной прокаливаемости изготовленных из них деталей при закалке не только в воде, но и в более мягких охлаждающих средах (масле, теплой воде, на воздухе).

От резкости охлаждающей среды зависит уровень термических и фазовых напряжений и вероятность образования трещин в детали или ее коробления.

В связи с изложенным при закалке предпочтительны более мягкие закалочные среды.

При закалке режущего инструмента из высокоуглеродистой стали в целью уменьшения внутренних напряжений применяют охлаждение в двух средах. При этом кратковременным в течении нескольких секунд охлаждением в воде обеспечивается переохлаждение аустенита до температуры несколько выше точки М_н (то есть тепературы начала мартенситного превращения). Дальнейшее охлаждение производится в мягкой среде – минеральном масле, вследствие чего мартенситное превращение происходит с меньшим уровнем возникающих внутренних напряжений.

Такую закалку принято называть прерывистой или закалкой в двух средах.

Обработка холодом. При закалке в обычных охлаждающих средах в стали, наряду с мартенситом, сохраняется какое-то количество остаточного аустенита, тем большее, чем ниже точка М _к.

У высокоуглеродистых сталей и особенно у сталей с достаточно высоким содержанием легирующих элементов точка М _к лежит ниже комнатной температуры, а зачастую и ниже О^о С.

В связи с этим при обычной закалке в них сохраняется много остаточного аустенита. Его наличие снижает твердость закаленной стали и ее теплопроводность, что для режущего инструмента является особенно нежелательным. В течение определенного времени остаточный аустенит претерпевает фазовые превращения, приводящие к изменению размеров изделия, это крайне недопустимо для измерительного инструмента.

Учитывая изложенные выше нежелательные явления А.П.Гуляев в 1937 году предложил обработку холодом. Сущность этой обработки состоит в том, что для устранения остаточного аустенита после обычной закалки, изделия помещают в холодильную камеру с температурой равной или близкой к температуре М _к обрабатываемой стали (примерно – 80^оС). При этом продолжается мартенситное превращения и сталь приобретает структуру мартенсита с минимальным количеством аустенита.

В результате обработки холодом повышается твердость и стабилизируются размеры изделия.

Отпуск стали. Отпуском называется операция нагрева закаленнойна мартенсит стали для уменьшения имеющейся в ней остаточных напряжений и придания ей комплекса механических и других свойств, необходимых для эксплуатации изделия.

При отпуске закаленной на мартенсит стали в ней происходят превращения приводящие к распаду мартенсита и образованию равновесного структурно-фазового состава. Интенсивность и результат этих превращений зависит от температуры отпуска.

Температуру отпуска выбирают из функционального назначения изделия.

В процессе многолетней практики сложились три основные группы изделий, требующие для их успешной эксплуатации свох специфических комплексов вязкостно-прочностных и других свойств.

В первую группу входят режущий и мерительный инструменты, а также штампы для холодной штамповки. От их материала требуется высокая твердость (свыше 58 HRC) и хотя бы небольшой запас вязкости.

Вторую группу составляют пружины, рессоры и другие изделия, от материала которых требуется сочетание высокого предела упругости с удовлетворительной вязкостью.

Третья группа изделий включает большинство деталей машин, испытывающих не только статические но и динамический или циклические нагрузки. При длительной эксплуатации изделий от их материала требуется сочетание удовлетворительных прочностных свойств, с максимальными показателями вязкости.

Следовательно существует три вида отпуска: низкотемпературный, среднетемпературный и высокотемпературный.

Отпуск преследует цель не просто устранить внутренние напряжения в закаленной стали. Он является средством придания стали требуемого комплекса свойств, за счет диффузионного распада мартенсита на ферритно-цементитную смесь. Это сопровождается уменьшением прочностных свойств стали и повышением ее вязкости.

При нагреве и выдержке создаются условия для протекания диффузионных процессов в пересыщенной углеродом ОЦК решетке мартенсита, превратившейся в тетрагональную.

Низкотемпературный (низкий) отпуск производится при температуре 150 … 180^оС, а для легированных сталей - 250^оС. При таких температурах мартенсит лишь частично освобождается от пересыщающих его решетку атомов углерода. Поэтому основу мартенсита отпуска составляет пересыщенный твердый раствор углерода в α-Fe. Однако в нем несколько уменьшается число охрупчивающих его трехцентровых ковалентных Fe-C-Fe -связей. Освобождающийся при этом углерод еще не может образовать стабильного карбида железа в виде частиц цементита, освободившихся от кристаллической решетки мартенсита.

Поэтому в мартенсите отпуска образуются лишь высокодисперсные частички карбидов, когерентно связанные с его решеткой (такая связь означает, что пограничные атомы этих карбидных образований одновременно входят в состав ячеек матричной решетки мартенсита).

При низком отпуске наряду с процессами разупрочнения мартенсита происходят процессы и противоположного характера. Прежде всего образование стопоров в виде высокодисперсных карбидных включений, затрудняющих работу дислокационного механизма пластической деформации. Плотность дислокаций снижается незначительно, оставаясь на уровне 10¹¹ – 10¹² см^-2 в зависимости от содержания углерода.

Подводя итог, можно сказать что, образующийся в результате низкого отпуска отпущенный мартенсит М _о обладает более благоприятным комплексом механических свойств, сочетающим высокий уровень твердости с некоторым, хотя и очень небольшим запасом вязкости.

В связи с изложенным выше, низкому отпуску подвергают изделия первой группы и цементированные детали.

Среднетемпературный (средний) отпуск производится при температуре от 350 до 450^оС (иногда до 470^оС). При таком нагреве завершается распад мартенсита, приводящий к образованию нормальных по составу и внутреннему строению феррита и цементита. Однако вследствие все еще недостаточной интенсивности диффузионных процессов размер зерен образующихся фаз оказывается очень малым.

Образующийся при среднем отпуске продукт называется троститом отпуска Т _о. В нем, в отличие от тростита закалки, цементит представлен не пластиночками, а в виде мельчайших зерен, что обуславливает его более высокую вязкость в сравнении с троститом закаки.

Сложившаяся у Т _о фазовая и дислокационная структуры (плотность дислокаций на уровне 10⁹ – 10¹⁰ см^-2) обеспечивают материалу изделий благоприятный для пружин, рессор и им подобным изделиям комплекс механических свойств, те есть высокий предел упругости, сочетающийся с вполне удовлетворительной для изделий этой группы вязкостью.

Высокотемпературный (высокий) отпуск. Осуществляется при 500 … 650^оС. При таких условиях нагрева усиливаются диффузионные процессы, вследствие чего происходит образование более крупных зерен феррита и цементита, сопровождающееся дальнейшим снижением плотности дислокаций (до 10⁸ – 10⁹ см^-2) и практически полным устранением остаточных напряжений.

Получающийся при высоком отпуске продукт распада мартенсита, называемый сорбитом отпуска С_о, обладает максимальной для стали вязкостью, сочетающейся с удовлетворительными показателями прочности. Такой комплекс является наиболее прниемлемым для деталей машин и механизмов, подвергающихся динамическим и циклическим нагрузкам.

Благодаря этому преимуществу термическую обработку, сочетающую закалку и высокий отпуск, издавна называют улучшением.

Отпуск при более высоких температурах нецелесообразен вследствие чрезмерного роста зерен цементита, что приводит к образованию структуры зернистого перлита и, как следствие, к значительному снижению прочности и особенно вязкости.