Полная закалка доэвтектоидной стали

Закалка стали

Закалкой стали называется операция термической обработки, заключающаяся в нагреве её по крайней мере выше критической точки Ac1(T.e. до аустенито-ферритного, аустенитного или аустенито-цементитного), выдержке и последующем охлаждении в различных средах с целью получения при комнатной температуре неустойчивых продуктов распада аустенита, а следовательно, повышения твёрдости и прочности.

Для углеродистых сталей точка Ас1 соответствует линии на диаграмме «железо-цементит» и составляет 727°С, В связи с тем, что нагрев ниже этой температуры не приводит к изменению исходной отожженной структуры стали, последующее охлаждение с любой скоростью так же не изменяет ни структуры, ни свойств стали. Следовательно такая операция не является закалкой.

В большинстве случаев основная цель закалки – повышение твёрдости и прочности – достигается превращением аустенита в одну из самых прочных структур – мартенсит. Его образование требует быстрого охлаждения с температуры закалки.

В зависимости от температуры нагрева закалка может быть полной и неполной.

В случае, если нагрев производится выше линии GSE диаграммы (точки асз и Аcm), то полученная при этом однофазная структура аустенита при охлаждении со скоростью больше некоторой критической превращается в чистый мартенсит. Такую закалку называют полной.

При неполной закалке нагрев стали осуществляется выше линии РSК(точка Ac1), но ниже линии GSE. При этом в доэвтектоидных сталях образуется структура аустенит + феррит, а в заэвтектоидных – аустенит + цементит. В таком случае даже охлаждение с очень высокой скоростью не может обеспечить чисто мартенситной структуры, так как избыточные фазы (феррит или цементит) сохраняются в структуре без изменений, В результате в доэвтектоидных сталях получается структура мартенсит + феррит, а в заэвтектоидных – мартенсит + цементит.

Твёрдость мартенсита, представляющего собой пересыщенный твёрдый раствор углерода в -железе, зависит от содержания в нём углерода (рис 1). В среднеуглеродистых и высокоуглеродистых сталях она составляет 55…65 НRС или 550…680НВ.

Феррит одна из самых мягких и малопрочных фаз в сталях. Его твёрдость не превышает 80. 100 НВ. Цементит же – весьма твёрдая фаза (около 1000 HV или более 700 НВ). Следовательно присутствие избыточного феррита в структуре закалённой стали резко снижает её твёрдость, в то время как цементит способствует получению более высокой твёрдости.

Рис. 1 Зависимость твёрдости мартенсита от содержания углерода в стали.

Таким образом, для доэвтектоидных сталей целесообразно производить полную закалку на чистый мартенсит, а для заэвтектоидных – неполную, которая кроме мартенсита сохраняет в структуре некоторое количество цементита. Для эвтектоидной стали возможна только полная закалка.

Следует иметь в виду, что нагрев стали при закалке до температур, значительно превышающих критические точки Ac3 и Аcm, вообще не желателен, так как может привести к сильному обезуглероживанию и окислению поверхности деталей, укрупнению зерна аустенита и увеличению внутренних напряжений. В итоге после закалки с таких температур твёрдость поверхности оказывается заниженной, наблюдается повышенная деформация детали, получающийся мартенсит имеет грубое строение и обладает повышенной хрупкостью.

Всё это позволяет придти к выводу, что в зависимости от состава стали её нагрев под закалку целесообразно осуществлять до температур, лежащих на 30. 50 0С выше линии GSK (рис 2)

Рис. 2. Оптимальный интервал температур нагрева под закажу углеродистых сталей.

Структура и свойства закаленной стали в большей степени зависят не только от температуры нагрева, но и от скорости охлаждения. Получение закалочных структур обусловлено переохлаждением аустенита ниже линии PSK, где его состояние является неустойчивым. Увеличивая скорость охлаждения, можно обеспечивать его переохлаждение до весьма низких температур и превратить в различные структуры с разными свойствами. Превращение переохлажденного аустенита может идти как при непрерывном охлаждении, так и изотермически, в процессе выдержки при температурах ниже точки Ar1 (т.е. ниже линии PSK).

Влияние степени переохлаждения на устойчивость аустенита и скорость его превращения в различные продукты представляют графически в виде диаграмм в координатах «температура-время». В качестве примера рассмотрим такую диаграмму для стали эвтектоидного состава (рис 3). Изотермический распад переохлажденного аустенита в этой стали происходит в интервале температур от Ar1 (727 °С) до Мн (250 °С), где Мн -температура начало мартенситного превращения. Мартенситное превращение в большинстве сталей может идти только при непрерывном охлаждении.

Рис.3 Диаграмма распада аустенита для стали эвтектоидного состава.

На диаграмме (см. рис 3) нанесены две линии, имеющие форму буквы «С», так называемые «С-кривые». Одна из них (левая) указывает время начало распада переохлажденного аустенита при разных температурах, другая (правая) – время окончания распада, В области, расположенной левее линии начала распада, существует переохлажденный аустенит. Между С-кривыми имеется как аустенит, так и продукты его распада. Наконец, правее линии конца распада существуют только продукты превращения.

Превращение переохлажденного аустенита при температурах от Ar1 до 550 0С называют перлитным. Если аустенит переохлажден до температур 550. Mн, – его превращение называется промежуточным.

В результате перлитного превращения образуются пластинчатые структуры перлитного типа, представляющие собой феррито-цементитные смеси различной дисперсности. С увеличением степени переохлаждения в соответствии с общими законами кристаллизации возрастает число центров. Уменьшается размер образующихся кристаллов, т.е. возрастает дисперсность феррито-цементитной смеси. Так если превращение происходит при температурах, лежащих в интервале Ar1. 650°C, образуется грубая феррито-цементитная смесь, которую называют собственно перлитом. Структура перлита является стабильной, т.е. неизменяемой с течением времени при комнатной температуре.

Все остальные структуры, образующиеся при более низких температурах, т.е. при переохлаждениях аустенита, относятся к метастабильным. Так при переохлаждении аустенита до температур 650. 590°С он превращается в мелкую феррито-цементитную смесь, называемую сорбитом.

При ещё более низких температурах 590. 550 °С образуется тростит -весьма дисперсная феррито-цементитная смесь. Указанные деления перлитных структур в известной степени условно, так как дисперсность смесей монотонно возрастает с понижением температуры превращения. Одновременно с этим возрастают твёрдость и прочность сталей. Так твёрдость перлита в эвтектовдной стали составляет 180. 22- НВ (8. 19 HRC), сорбита – 250. 350 НВ (25. 38 НRС), тростита – 400. 450 НВ (43. 48HRC).

При переохлаждении аустенита до температур 550. МН он распадается с образованием бейнита. Это превращение называется промежуточным, так как в отличие от перлитного оно частично идет по так называемому мартенситному механизму, приводя к образованию смеси цементита и несколько пересыщенного углеродом феррита. Бейнитная структура отличается высокой твёрдостью 450. 550 НВ.

Рис.4 Диаграмма распада аустенита для доэвтектоидной (а) и заэвтектоидной (б) сталей.

На диаграммах распада аустенита для доэвтектоидных и заэвтектоидных сталей (рис.4.) имеется дополнительная линия, показывающая время начала выделения из аустенита избыточных кристаллов феррита или цементита. Выделение этих избыточных структур происходит только при небольших переохлаждениях. При значительном переохлаждении аустенит превращается без предварительного выделения феррита или цементита, В этом случае содержание углерода в образовавшейся смеси отличается от эвтектоидного.

В случае непрерывного охлаждения аустенита с различной скоростью его превращение развивается не при постоянной температуре, а в некотором интервале температур. Для того, чтобы определить структуры, получающиеся при непрерывном охлаждении, нанесём на диаграмму распада аустенита кривые скорости охлаждения образцов углеродистой эвтектоидной стали (рис.5.).

Из этой диаграммы видно, что при очень малой скорости охлаждения V1 которая обеспечивается охлаждением вместе с печью (например, при отжиге), получается структура перлита. При скорости V2 (на воздухе) превращение идёт при несколько более низких температурах. Образуется структура перлит, но более дисперсный. Такая обработка называется нормализацией и широко применяется для малоуглеродистых сталей (иногда и для среднеуглеродистых) взамен отжига в качестве смягчающей.

Рис.5. Кривые распада аустенита при непрерывном охлаждении эвтектоидной стали.

При скорости V3 (охлаждение в масле) превращение аустенита идёт при таких температурах, которые обеспечивают получение сорбитной структуры, а иногда и троститной.

Если аустенит охлаждать с очень большой скоростью (V4), то он переохлаждается до весьма низкой температуры, обозначенной на диаграммах, как Мн. Ниже этой температуры происходит бездиффузионное мартенситное превращение, приводящее к образованию структуры мартенсита. Для углеродистых сталей такую скорость охлаждения обеспечивает, например, вода

В общем случае минимальная скорость охлаждения, при которой весь аустенит переохлаждается до температуры Мн и превращается в мартенсит, называется критической скоростью закалки. На рис.5, она обозначена, как Vкр и является касательной к С-кривой. Критическая скорость закалки – важнейшая технологическая характеристика стали. Она определяет выбор охлаждающих сред для получения мартенситной структуры.

Величина критической скорости закалки зависит от химического состава стали и некоторых других факторов. Так, например, у некоторых легированных сталей даже охлаждение на воздухе обеспечивает скорость больше критической.

При закалке на мартенсит необходимо учитывать, что эта структура имеет большой удельный объём и её образование сопровождается как заметным увеличением объёма закаливаемого изделия, так и резким увеличением внутренних напряжений, которые в свою очередь приводят к деформации или даже к образованию трещин. Всё это в сочетании с повышенной хрупкостью мартенсита требует проведения дополнительной термической обработки закалённых деталей – операции отпуска.

Отпуск стали. Термообработка, обычно проводящаяся после закалки.

ОСОБЕННОСТИ ЗАКАЛКИ СТАЛЕЙ

В большинстве случаев при закалке желательно получить структуру наивысшей твердости, т.е. мартенсит, при последующем отпуске которого можно понизить твердость и повысить пластичность стали.

Доэвтектоидные стали, как правило, подвергают полной закалке, при этом оптимальной температурой нагрева является температура

А_с3+ (30—50 °С). Такая температура обеспечивает получение при нагреве мелкозернистого аустенита и соответственно после охлаждения — мелкокристаллического мартенсита. Недогрев до температуры А_с3 приводит к сохранению в структуре кристаллов феррита, что при некотором уменьшении прочности обеспечивает повышенную пластичность закаленной стали (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Оптимальные температуры нагрева под закалку для сталей:

а — доэвтектоидных, заэвтектоидных; б — высоколегированных ледебуритных

Заэвтектоидные стали подвергают неполной закалке. Оптимальная температура нагрева углеродистых и низколегированных сталей — температура А_с1 + (30—50 °С).

После закалки заэвтектоидная сталь приобретает структуру, состоящую из мартенсита и цементита. Кристаллы цементита тверже кристаллов мартенсита, поэтому при неполной закалке заэвтектоидные стали имеют более высокую твердость, чем при полной закалке. Высоколегированные инструментальные стали ледебуритного класса (рис. 3.3) для повышения теплостойкости нагревают при закалке до очень высоких температур (область 1), близких к эвтектической. При этом происходит распад всех вторичных карбидов, аустенит обогащается не только углеродом, но и легирующими элементами, содержащимися в карбидах. В результате получается высоколегированный, а следовательно, и теплостойкий мартенсит.

Для получения мартенситной структуры необходимо переохладить аустенит до температуры мартенситного превращения, при этом скорость охлаждения должна превышать критическую скорость )_кр.

Продолжительность нагрева. Скорость нагрева и время выдержки при температуре нагрева для закалки зависят от химического состава стали и размеров обрабатываемых деталей. Чем больше размеры и сложнее конфигурация закаливаемых деталей или инструмента, тем медленнее происходит нагрев. Чем больше в стали углерода, легирующих элементов, тем менее она теплопроводна. Нагревают детали из высокоуглеродистых и легированных сталей медленно, равномерно и с повышенной выдержкой нагрева. Величина напряжений должна быть всегда ниже допустимой величины, в противном случае в изделии при нагреве могут образоваться трещины. Выдержка при термической обработке необходима для того, чтобы изделия полностью прогрелись после достижения заданной температуры и произошли структурные превращения в металле. Время выдержки зависит в основном от структуры металла и равно 1 мин для углеродистых сталей и 1,5—2,0 мин для сталей, легированных на 1 мм диаметра.

Время нагрева определяют для каждого вида деталей или инструмента (табл. 3.1).

Охлаждающие среды после закалки. Для охлаждения стальных деталей при закалке в качестве закалочных сред применяют воду, водные растворы солей, расплавленные соли и минеральные масла.

Закалочные среды с разной интенсивностью отводят тепло от нагретых под закалку деталей. При выборе закалочной среды учитывают химический состав стали и степень допустимой деформации. Единой универсальной среды для закалки стали не имеется, поэтому пользуются различными средами (табл. 3.2).

Среднее время нагрева деталей из углеродистых сталей под закалку в различных средах

Температура нагрева, °С

Время нагрева (с) 1 мм диаметра или толщины деталей с сечением

Закаливаемость и прокаливаемость — важнейшие характеристики сталей. Закаливаемость определяется твердостью поверхности закаленной детали и зависит главным образом от содержания углерода в стали. При закалке различных деталей поверхность их, как правило, охлаждается со скоростью, большей )_кр, следовательно, на поверхности образуется мартенсит, обладающий высокой твердостью. Если же при закалке скорость охлаждениябудет меньше )_кр, то деталь не прокалится насквозь, т.е. там не образуется мартенсит. Прокали-ваемостъю называют способность стали закаливаться на определенную глубину. При оценке прокаливаемости закаленным считается слой, в котором содержится не менее 50% мартенсита (полумартен-ситная зона). Установлено, что легирование стали любыми элементами, кроме кобальта, увеличивает прокаливаемость, так как при этом повышается устойчивость переохлажденного аустенита.

Практические способы закалки сталей. Дефекты, возникающие при закалке. Основные способы закалки стали — закалка в одном охладителе, в двух средах, струйчатая, с самоотпуском, ступенчатая и изотермическая.

Скорость охлаждения стали в зависимости от закалочных сред

Скорость охлаждения, град/с, в интервале температур,°С

при 20 °С (спокойная)

при 20 °С (циркулирующая)

Дистиллированная при 20 °С

10%-ные водные растворы:

Минеральное масло при 20 °С

Эмульсия (смесь масла и воды)

Закалка в двух средах (или прерывистая закалка). Деталь сначала охлаждают в быстро охлаждающей среде — воде, а затем переносят ее в медленно охлаждающую среду — масло. Такой способ применяется при закалке инструмента, изготовленного из высокоуглеродистой стали (рис. 3.4).

Струйчатая закалка. Детали, нагретые до температуры закалки, охлаждают струей воды. Такой способ применяют для закалки внутренних поверхностей, высадочных штампов, матриц и другого инструмента, у которого рабочая поверхность должна иметь структуру мартенсита. При струйчатой закалке не образуется паровая рубашка, что обеспечивает более глубокую прокаливаемость, чем при простой закалке в воде.

Закалка с самоотпуском. Детали выдерживают в охлаждающей среде не до полного охлаждения, а до определенной стадии, чтобы сохранить в сердцевине детали тепло, необходимое для самоотпуска.

Ступенчатая закалка. При этом способе закалки нагретые детали охлаждают сначала до температуры несколько выше точки М_н (в горячем масле или расплавленной соли), затем после короткой выдержки при этой температуре (до начала промежуточных превращений) охлаждают на воздухе.

Рис. 3.4. Способы охлаждения при закалки сталей:

• 1 — непрерывное охлаждение;
• 2 — закалка в двух средах;
• 3 — ступенчатая закалка;
• 4 — изотермическая закалка

Изотермическая закалка. Детали нагревают до заданной температуры и охлаждают в изотермической среде до 220—350 °С, что несколько превышает температуру начала мартенситного превращения. Выдержка деталей в закалочной среде должна быть достаточной для полного превращения аустенита в игольчатый троостит.

После этого производится охлаждение на воздухе. При изотермической закалке выдержка значительно больше, чем при ступенчатой. Изотермическая закалка позволяет устранить большое различие в скоростях охлаждения поверхности и сердцевины деталей, которое является основной причиной образования термических напряжений и закалочных трещин.

Изотермическая закалка в ряде случаев исключает операцию отпуска, что сокращает на 35—40% цикл термической обработки.

Светлая закалка. При этом способе закалки детали нагревают в нейтральной безокислительной атмосфере или в расплавленных нейтральных солях.

При светлой закалке нагрев деталей или инструмента осуществляют в жидких солях, не вызывающих окисление металла, с последующим охлаждением их в расплавленных едких щелочах.

Дефекты, возникающие при закалке. Основными видами брака являются: образование трещин, деформация и коробление, обезуглероживание и окисление, изменение размеров, появление мягких пятен, низкая твердость, перегрев.

Закалочные трещины. В крупных деталях, например в матрицах и ковочных штампах, закалочные трещины могут появляться даже при закалке в масле. Поэтому такие детали целесообразно охлаждать до 150—200 °С с быстрым последующим отпуском.

Чтобы уменьшить скорость охлаждения при закалке легированных сталей и снизить напряжение, эти стали подвергают медленному охлаждению в масле или струе воздуха.

Деформация и коробление. Этот вид брака деталей образуется в результате неравномерных структурных и связанных с ними объемных превращений и возникновения внутренних напряжений при охлаждении.

Обезуглероживание. Обезуглероживание инструмента при нагреве в электрических печах и жидких средах (соляных ваннах) — серьезный дефект при закалке, так как он в несколько раз снижает стойкость инструмента.

Мягкие пятна. При закалке на поверхности детали или инструмента образуются участки с пониженной твердостью. Причинами такого дефекта могут быть наличие на поверхности деталей окалины и загрязнения, участки с обезуглероженной поверхностью или недостаточно быстрое движение деталей в закалочной среде (паровая рубашка). Мягкие пятна полностью устраняются при струйчатой закалке и в подсоленной воде.

Низкая твердость. Причинами низкой твердости являются недостаточно быстрое охлаждение в закалочной среде, низкая температура закалки, а также малая выдержка при нагреве под закалку. Чтобы исправить этот дефект, детали или инструмент сначала подвергают высокому отпуску при температуре 600—625 °С, а затем — закалке.

Перегрев. Он вызывает крупнозернистую структуру с блестящим изломом и, следовательно, ухудшает механические свойства стали. Для измельчения зерна и подготовки структуры для повторной закалки перегретую сталь необходимо подвергать отжигу.

Недогрев. Если температура закалки была ниже критических точек А_с,₃ (для доэвтектоидных сталей) и А_с1 (для заэвтектоидных сталей), то структура закаленной стали состоит из мартенсита и зерен феррита, который имеет низкую твердость. Недогрев можно исправить отжигом с последующей закалкой.

Сталь и всё о стали

Ещё один сайт на WordPress

Рубрики

Свежие записи

Архивы

Закалка доэвтектоидных и заэвтектоидкых сталей

До сих пор, говоря о закалке, мы имели в виду эвтектоидную сталь, содержащую 0,8-0,9% С, причем неоднократно замечали, что углерод оказывает существенное влияние на результаты. Рассмотрим теперь, как сказывается влияние углерода на закалку в сталях доэвтектоидного и заэвтектоидного состава.

Прежде всего в этих сталях, по сравнению с эвтектоидной, должно сказываться их положение по диаграмме состояний: наличие вторых превращений, кроме эвтектоидного, в точках А3 и Аст.

В связи с этим в доэвтектоидных и заэвтектоидных сталях может быть закалка двоякого вида: полная и неполная.

Полной закалкой называют такую, которая производится, исходя из состояния сплошного аустенита, когда нагрев стали для закалки осуществляется выше верхних критических точек.

Если же нагреть сталь ниже указанных точек, но выше точки Aclt то будем находиться в области, где, кроме аустенита, находятся избыточные фазы — феррит (Ф) или цементит (Ц).

Очевидно, при закалке, т. е. последующем быстром охлаждении, аустенитные участки переохладятся и перейдут в соответствующие закаленные участки, а Ф и Ц останутся неизмененными (равновесными) участками. Такая закалка называется неполной. Присутствие равновесных избыточных фаз, наряду с закаленными участками, должно изменять результаты закалки. Поэтому для выяснения влияния углерода на закалку сперва будем исходить из полной закалки стали.

Сравнивая результаты полной закалки сталей с различным содержанием углерода, можно установить, что процесс распадения аустенита и образования соответствующих переходных состояний (мартенсита, троостита и сорбита) идет аналогично эвтектоидной стали, но в зависимости от содержания углерода наблюдаются следующие отклонения.

Относительно кривых изотермического распадения установлено, что изменения содержания углерода как в доэвтектоидную сторону, так и в заэвтектоидную смещают С-образные кривые влево (ближе к начальной ординате), по сравнению с кривыми эвтектоидной стали .

Это значит, что эвтектоидная сталь наиболее устойчива, а уменьшение и увеличение содержания углерода против 0,83% вызывает ускорение как начала распадения переохлажденного аустенита, так и завершения превращения.

Что же касается температурных пределов расположения минимума устойчивости (перегиба на С-образных кривых в верхней части), то существенного отличия от эвтектоидной стали здесь не наблюдается, и ход С-образных кривых в общем у всех аналогичен. Различие в виде кривых изотермического превращения между эвтектоидной и внеэвтектоидными сталями сказывается еще и в том, что, кроме кривой перлитного превращения, в них присутствует еще ветвь, отвечающая верхним превращениям: выделению избыточного феррита (в точках Агъ) или цементита (Arcm).

Приведены кривые изотермического превращения доэвтектоидной стали и здесь видна ветвь, соответствующая точкам выделения избыточного феррита Лг3; эти точки по мере ускорения охлаждения получаются все ниже-ближе к точкам Агх — до совпадения с последними близ С-образной кривой. Это значит, что при больших скоростях закалки (близких к критической и выше) оба превращения сливаются в одно и дают закаленные структуры без присутствия избыточных фаз.

Различие в связи с содержанием углерода особенно сказывается в нижней части диаграммы, на положении горизонтали точки М, определяющей начало образования мартенсита (и ограничивающей распространение С-образных кривых). Выше было замечено, что как верхняя, так и нижняя границы области мартенситного превращения зависят от состава стали и, особенно, от содержания углерода. Приведены кривые зависимости точек начала (М) и конца (Мк) 1 мартенситного превращения от содержания углерода в стали; здесь видно, что углерод резко понижает эти точки, причем

Из этих же кривых видно, что для малоуглеродистых, весьма мягких сталей точки мартенситного превращения расположены так высоко, что если мартенсит и образуется в них на момент, то остаться таковым не может и должен перейти в более устойчивые стадии распадения. Поэтому закалка таких сталей на мартенсит практически неосуществима.

Кроме углерода, на положение мартенситных точек оказывают существенное влияние и прочие легирующие примеси, о чем подробнее сказано.

Закалка стали — процесс термообработки

Без термообработки в работе с металлами не обойтись. Оттого насколько правильно была проведена термическая обработка зависят качественные характеристики металлического изделия. Его прочность и долговечность в службе. В этой статье вы сможете узнать как правильно проводить термообработку (закалку) стальных изделий

Закалка стали

Закаливание является операцией по термической обработке металла. Она состоит из нагревания металла до критической температуры, при которой изменяется кристаллическая решетка материала, либо до температуры, при которой происходит растворение фазы в матрице, существующей при низкой температуре.

• После достижения критической температуры металл подвергается резкому охлаждению.
• После закаливания сталь приобретает структуру мартенсита (по имени Адольфа Мартенса) и поэтому обретает твердость.
• Благодаря закаливанию прочность стали повышается. Металл становится еще тверже и более износостойким.
• Следует различать обычную закалку материала и закалку для получения избытка вакансий.

Режимы закалки различаются по скорости протекания процесса и температуре нагревания. А также имеются различия по длительности выдержки при данном температурном режиме и скорости охлаждения.

Выбор температуры для закалки

Решение, при какой температуре производить закалку металла обусловлено химическим составом стали.

Закалка бывает двух видов:

Руководствуясь диаграммой критических точек можно видеть, что доэвтектоидную сталь при процессе полного закаливания следует нагревать выше точки Ас3 на 30–50 градусов. В результате у стали будет структура однородного аустенита. Впоследствии под действием процесса охлаждения он превратится мартенсит.

Рисунок №1. Критические точки.

Неполное закаливание чаще применяется для инструментальной стали. Цель неполного закаливания — достигнуть температуры, при которой проходит процесс образования избыточных фаз. Нагревание стали происходит в температурном промежутке от Ас1 — Ас2. При этом в структуре мартенсита сохранится какое-то количество феррита, оставшегося после закаливания стали.

Для закаливания заэвтектоидной стали лучше придерживаться температуры на 20–30 градусов больше Ас1 — неполная закалка. Из-за этого при нагревании и охлаждении будет сохраняться цементит, что повышает твердость мартенсита. При закалке не следует нагревать заэвтектоидную сталь свыше положенной температуры. Это может сказаться на твердости.

Скорость охлаждения

Структура мартенсита получается при быстром охлаждении аустенита в тот момент, когда температура стали способствует наименьшей устойчивости аустенита (около 650-550 градусов).

При переходе в зону температур, в которой происходит мартенситное превращение (ниже 240 градусов) применяется замедленное охлаждение. В результате успевают выравнится образующиеся структурные напряжения в то время, как твердость образовавшегося мартенсита не снижается.

Для проведения успешной термической обработки очень важно правильно выбрать среду закаливания. Часто в качестве закалочной среды могут применяться:

• вода;
• раствор едкого натрия (5–10 %) или поваренной соли;
• минеральное масло.

Для закаливания углеродистой стали лучше использовать воду, температура которой 18 градусов. Для закалки легированной стали подойдет масло.

Характеристики стали: закаливаемость и прокаливаемость

Не следует смешивать важные характеристики стали — закаливаемость и прокаливавемость.

Закаливаемость

Эта характеристика говорит о способности стали к обретению твердости после закаливания. Существуют виды стали, которые плохо поддаются закалке и после процесса термообработки сталь становится недостаточно твердой. Про такой материал говорят — «не принял закалку».

Способность к твердости у мартенсита связана со степенью искаженности его кристаллической решетки. Меньшее содержание углерода в мартенсите способствует меньшим искажениям в кристаллической решетки, а, значит, твердость стали будет ниже. Если в стали содержится углерода менее 0.3%, то у такого сплава закаливаемость низкая, и обычно такие сплавы не подвергаются закалке.

Прокаливаемость

Эта характеристика может сказать о том, насколько глубоко сталь закалилась. При закаливании поверхность стальной детали остывает быстрее нежели сердцевина. Это происходит потому что поверхность находится в непосредственном контакте с жидкостью для охлаждения, которая отнимает тепло. А центральная часть стальной детали отдает свое тепло через толщу металла и поверхность, где ее и поглощает охлаждающая жидкость.

На прокаливаемость влияет критическая скорость закаливания — чем она (скорость) ниже, тем глубже прокаливается сталь. К примеру, крупнозернистая сталь, у которой небольшая критическая скорость закалки, прокаливается глубже, чем мелкозернистая сталь, у которой высокая критическая скорость закалки.

Глубина прокаливаемости зависит от исходной структуры закаливаемого сплава, температуры нагрева и закалочной среды. Прокаливаемость стали определяется по излому, микроструктуре и твердости.

Виды закалки стали

Способов закаливания металла существует множество. Их выбор обусловлен составом стали, характером изделия, необходимой твердостью и условиями охлаждения. Часто используется ступенчатая, изотермическая и светлая закалка.

Закаливание в одной среде

Обратившись к графику кривых охлаждения для различных способов закалки, можно видеть, что закалке в одной среде соответствует кривая 1. Выполнять такое закаливание просто. Однако, подойдет она не для каждой стальной детали. Из-за быстрого понижения температуры у стали переменного сечения в температурном интервале возникает температурная неравномерность и большое внутреннее напряжение. От этого стальная деталь может покоробиться и растрескаться.

Рисунок №2. Кривые охлаждения.

Большое содержание углерода в стальных деталях может вызвать объемные изменения структурных напряжений, а это, в свою очередь, грозит появлением трещин.

Заэвтектоидные стали, имеющие простую форму, лучше закаливать в одной среде. Для закалки более сложных форм применяется закалка в двух средах или ступенчатая закалка.

Закаливание в двух средах (на рисунке №2 это кривая 2) применяется для инструментов, изготовленных из высокоуглеродистой стали. Сам метод состоит в том, что сталь вначале охлаждается в воде до 300-400 градусов, после чего ее переносят в масляную среду, где она прибывает пока полностью не охладится.

Ступенчатая закалка

При ступенчатом закаливании (кривая 3) стальная деталь помещается вначале в соляную ванну. Температура самой ванны должна быть выше температуры, при которой происходит мартенситное превращение (240–250 градусов). После соляной ванны сталь перемешают в масло, либо на воздух. Используя ступенчатою закалку можно не бояться, что деталь покоробится или в ней образуются трещины.

Недостаток такой закалки заключает в том, что ее можно применять лишь для заготовок из углеродистой стали с небольшим сечением (8–10 мм). Ступенчатая закалка может применяться для деталей из легированной стали с большим сечением (до 30 мм).

Изотермическая закалка

Изотермическому закаливанию на графике соответствует кривая 4. Закаливание проводится аналогично ступенчатой закалке. Однако, в горячей ванне сталь выдерживается дольше. Это делается так, чтобы вызвать полный распад аустенита. На схеме выдержка показывается на S-образной линии точками a и b. Сталь, прошедшая изотермическую закалку, может охлаждаться с любой скоростью. Средой охлаждения могут служить расплавленные соли.

Преимущества изотермического закаливания:

• сталь почти не поддается короблению;
• не появляются трещины;
• вязкость.

Светлая закалка

Для проведения такого закаливания требуется специально оборудованная печь, снабженная защитной средой. На производстве, чтобы получить чистую и светлую поверхность у закаленной стали следует использовать ступенчатую закалку. После нее сплав охлаждается в расплавленной едкой щелочи. Перед процессом закалки стальная деталь нагревается в соляной ванне из хлористого натрия с температурой на 30–50 градусов выше точки Ас1 (см «Схему критических точек»). Охлаждение детали проходит в ванне при 180–200 градусов. Охлаждающей средой служит смесь состоящая из 75% смесь едкого калия, 25% едкого натрия, в которую добавляется 6–8% воды (от веса соли).

Закалка с самоотпуском

Применяется при производстве инструментальной стали. Основная идея закалки заключается в изъятии стальной детали из охлаждающей среды до момента ее полного охлаждения. Изъятие происходит в определенный момент. В сердцевине стальной детали сохраняется определенное количество тепла. За его счет и производится последующий отпуск. После того как за счет внутреннего тепла стальное изделие достигнет нужной температуры для отпуска, сталь помещают в закалочную жидкость, для окончательного охлаждения.

Р исунок №3 — Т аблица побежалости.

Отпуск контролируется по цветам побежалости (см рисунок №3), которая формируется на гладкой поверхности металла при 220–330 градусах.

При помощи закалки самоотпуском изготавливаются кувалды, зубила, слесарные молотки и другие инструменты, от которых требуется высокая твердость на поверхности с сохранением внутренней вязкости.

Способы охлаждения при закаливании

При быстром охлаждении стальных изделий при закалке существует угроза возникновений больших внутренних напряжений, что приводит к короблению материала, а иногда и трещинам. Для того чтобы этого избежать там, где возможно, стальные детали лучше охлаждать в масле. Углеродистую сталь, для которой такое охлаждение невозможно, лучше охлаждать в воде.

Кроме среды охлаждения на внутренне напряжение изделий из стали влияет, каким образом они погружаются в охлаждающую среду. А именно:

• изделия, имеющие толстую и тонкую часть, лучше погружать в закалочную жидкость сначала объемистой частью;
• если изделие имеет вытянутую форму (сверла, метчики), нужно погружать строго вертикально, в противном случае они могут покоробиться.

Иногда требуется закалить не всю деталь, а только ее часть. Тогда применяется местная закалка. Изделие нагревается не полностью, зато в закалочную жидкость погружают всю деталь.

Дефекты при закаливании стали

1. Недостаточная твердость. Возникает если была низкая температура нагрева, малая выдержка при рабочей температуре или имело место недостаточная скорость охлаждения. Можно исправить: применить более энергичную среду; сделать отжиг, а затем закалить.
2. Перегрев. Происходит если стальная деталь нагревается до температуры, превышающей допустимую. При перегреве образуется крупнозернистая структура, что приводит к хрупкости детали. Можно исправить: с помощью отжига и закалки при нужной температуре.
3. Пережог. При нагреве стальной детали до высокой температуры, близкой к температуре плавления (1200–1300 градусов) в окислительной атмосфере. Внутрь стальных изделий проникает кислород, по границам зерен формируются окислы. Такая сталь не исправляется.
4. Окисление и обезуглероживание. В этом случае на поверхности стальных деталей образуются окалины (окислы), а в поверхностных слоях стали выгорает углерод. Этот брак исправить невозможно. Для предупреждения брака следует пользоваться печами с защитной атмосферой.
5. Коробление и трещины. Возникают из-за внутренних напряжений. Трещины — это неисправимый брак. Коробление можно удалить при помощи рихтовки или правки.

Заключение

Самое важно при закалке металла это четкое соблюдение технологии. Любой отклонение в сторону приводит к нежелательным последствиям. Если делать все правильно, то даже в домашних условиях можно провести процесс закаливания стали.