Практические рекомендации

Для правильного проведения и отпуска углеродистой закалки стали необходимо выбрать режим, т.е. установить температуру нагрева, время нагрева и охлаждающую среду (скорость охлаждения).

Температура нагрева углеродистой стали под закалку определяется положением критических точек А₁ и А₃ на диаграмме железо-углерод (рис.3). Длядоэвтектоидных сталей обычно производят полную закалку с температуры нагрева t=A_C3+(30-50°C).

Рис.3. Оптимальный интервал температур нагрева углеродистых сталей под закалку

Нагрев до более высоких температур вызывает рост зерен аустенита, что приводит к образованию крупноигольчатого мартенсита, обладающего повышенной хрупкостью. При перегреве увеличивается, также склонность стали к деформации и образованию трещин. При нагреве доэвтектоидной стали до температуры выше A_с1, но ниже А_сз (неполная закалка) в структуре после закалки наряду с мартенситом остается избыточный феррит, который снижает твердость закаленной стали и ухудшает механические свойства после отпуска.

Для заэвтектоидных сталей оптимальной температурой нагрева является t=A_C1+(30-50⁰C), т.е. производится неполная закалке. При охлаждении стали со скоростью большей V_кр структура будет состоять из мартенсита и вторичного (избыточного) цементита, который повышает твердость и износостойкость стали.

Время нагрева под закалку должно обеспечивать гомогенизацию аустенита. Общее время нагрева под закалку τ_н складывается из времени нагрева до необходимой температуры τ'_н и времени выдержки при этой температуре τ_в. Время нагрева до необходимой температуры зависит от нагревающей способности среды, размеров, формы и способа укладки деталей в электрической печи и др. Для лабораторных электрических печей можно пользоваться нормами нагрева, приведёнными в табл.1, либо – еще более грубым приближением, выбирая время нагрева τ'_н из расчета ~1 мин. на 1 мм сечения.

Нормы нагрева углеродистой стали при термической обработке в лабораторных электрических печах

Таблица 1

Время выдержки τ_в, необходимое для полного завершения превращения исходной структуры в аустенит и его гомогенизации, определяется как τ'_н/4.

Скорость охлаждения и, как следствие, охлаждающая среда определяется, требуемой структурой стали.

Поскольку закалка проводится на мартенситную структуру, как обладающую более высокой твердостью, то охлаждающая среда должна обеспечить такую скорость охлаждения; которая предотвратит распад переохлажденного аустенита в интервале температур наименьшей его устойчивости 650-500°С на феррито-цементитные смеси (троостит, сорбит).

Наиболее распространенными охлаждающими средами при закалке являются вода, 10%-ные водные растворы NaCI, NaOH, растворы полимеров, минеральное масло, эмульсия масла в воде и др. Каждая из этих сред обеспечивает определенную скорость охлаждения

Для углеродистых сталей с содержанием углерода больше ~0,3% структуру мартенсит получают закалкой в воду с температурой 20°С, в этой среде обеспечивается скорость охлаждения, больше критической. При уменьшении скорости охлаждения, т.е. применении в качестве охлаждающей среды минерального масла, подогретой воды, воздуха, происходит распад аустенита и превращение его в феррито-цементитнук: смесь. Простые углеродистые стали с содержанием углерода менее ~0,3% на мартенсит не закаливаются, так как любая реальная охлаждающая среда не обеспечивает скорости охлаждения, больше критической. Причина этого заключается в сдвиге кривых изотермического распада аустенита влево по оси времени при уменьшении в стали количества углерода.

После закалки в зависимости от уровня требуемых свойств проводят низкий, средний или высокий отпуск. Основными параметрами, определяющими режим отпуска, являются температура и время нагрева. Охлаждающая среда (обычно воздух) играет второстепенную роль.

Низкий отпуск на структуру мартенсит отпуска (150-250°С) широко применяют после закалки инструмента, цементованных и цианиро-ванных деталей, после поверхностной закалки деталей, содержащих 0,7-1,2%С. Цель низкого отпуска – уменьшение остаточных напряжений при сохранении высокой твердости, прочности и износостойкости. Время нагрева при температуре низкого отпуска обычно не превышает 1-3 ч, поскольку дальнейшее его увеличение незначительно уменьшает уровень остаточных напряжений.

Средний отпуск на троостит отпуска (350-450°С) применяют для получения высокой прочности, упругости и вместе с тем достаточной вязкости. Среднему отпуску подвергают упругие детали машин и приборов: рессоры, пружины, изготовленные из сталей, содержащих 0,5-0,7%С.

Высокий отпуск на сорбит отпуска (550-650°С) широко применяется для деталей, работающих в условиях ударных нагрузок и высоких напряжений (шатуны и шатунные болты двигателей, передние оси автомобилей и др.) и изготовленных из среднеуглеродистых сталей (0,35-0,6%С). Высокий отпуск обеспечивает

Рис.4. Влияние температуры отпуска на механические свойства стали 45

получение высокой вязкости, пластичности при достаточной прочности. Двойная термическая обработка - закалка и высоким отпуск – называется улучшением.

Характер изменения механических свойств углеродистой стали в зависимости от температуры отпуска представлен на рис.4.