Обработки стали

При этом наблюдаются значительные искажения пространственной решетки, создается высокая плотность порогов дислокации, нарушается равенство межатомных сил и в стали накапливается значительная внутренняя потенциальная энергия. Сталь приобретает высокую твердость, но ее пластичность при этом падает. В зависимости от температуры нагрева стали различают следующие виды закалок.

Полная закалка - нагрев стали выше критической точки Ас₃ на 30...50°С с последующим охлаждением со скоростью больше критической (рис.11.1). Структура стали при этом состоит из мелкоигольчатого мартенсита, а при со­держании углерода более 0,6%, кроме мартенсита, имеется небольшое количество остаточного аустенита. Пол­ная закалка применяется только для доэвтектоидных сталей.

При нагреве доэвтектоидных сталей между линиями Ас₁ и Ас₃ получается структура, состоящая из аустенита и феррита, и поэтому после закалки в этой области температур структура состоит из мартенсита и феррита. Такая закалка называется неполной. Наличие феррита ведет к снижению твердости закаленной стали и не вызывает заметного увеличения ударной вязкости. Подобный технологический процесс термической обработки – брак производства.

Перегрев стали, т.е. нагрев ее до температур, превышающих температуры критической точки Ас₃ на 150... 200°С, вызывает рост зерен аустенита, что увеличивает склонность стали к появлению деформации и образова­нию трещин при закалке. Структура такой стали состоит из крупноигольчатого мартенсита и обладает пониженной ударной вязкостью.

Неполная закалка применяется для заэвтектоидных сталей; нагрев стали выше критической точки Ас₁ на 30...50°С с последующей выдержкой и охлаждением со скоростью больше критической. Структура заэвтектоидной стали после неполной закалки состоит из мартенсита, вторичного цементита и остаточного аустенита. Цементит обладает высокой твердостью и не снижает твердости закаленной стали; аустенит, наоборот, мягче мартенсита и снижает общую твердость. Закалка заэвтектоидных сталей с температур, превышающих линию А_cm, ведет к получению крупноигольчатого мартенсита с большим количеством остаточного аустенита. Такая структура создает в стали повышенные внутренние напряжения, коробление, трещины и пониженную удар­ную вязкость. Повышение содержания углерода в заэвтектоидных сталях значительно снижает линии начала и конца мартенситных превращений (рис.11. 2).

Конец мартенситного превращения оказывается в области от­рицательных температур, что приводит к увеличению количества остаточного аустенита при закалке.

Рис.11.2. Зависимость положения линий мартенситных превращений от концентрации углерода в стали

Критическая скорость охлаждения при закалке углеродистых сталей составляет не менее 400 С/c. Такая скорость достигается при охлаждении в воде или водных растворах солей (NaCl) и щелочей (NaOH), увеличивающих охлаждающую способность воды. В воде закаливают углеродистые стали, содержащие более 0,3% С. При меньшем содержании углерода эти стали практически не закаливают, так как скорость охлаждения стали даже в воде меньше необходимой критической скорости закалки. При этом деталь необходимо энергично перемещать в закалочной жидкости, чтобы удалять с поверхности металла образующийся пар, который замедляет охлаждение. Для легированных сталей критическая скорость охлаждения значительно ниже, что позволяет применять более мягкие закалочные среды – минеральные масла или растворы полимеров.

Закалка является наиболее «жесткой» из всех операций термообработки, так как сталь испытывает резкое снижение температуры. При этом в деталях возникают большие внутренние напряжения. Они складываются из термических напряжений, возникающих из-за разности температур на поверхности и в сердцевине детали при быстром охлаждении, и структурных напряжений, образующихся за счет объемных изменений при мартенситном превращении.

По способу охлаждения можно также выделить разновидности закалки (рис.11.3):

1) непрерывная закалка (закалка в одной среде) – кривая 1.Это наиболее простой способ, но при этом в детали появляются большие внутренние напряжения.

2) закалка в двух средах, или прерывистая закалка (кривая 2), заключается в том, что сталь быстро охлаждается в интервале температур 750–400 С, а затем деталь переносится в другую, более мягкую, охлаждающую среду, и в мартенситном интервале охлаждение происходит замедленно.

Рис.11.3.Способы охлаждения при закалке

Это приводит к уменьшению возникающих при закалке внутренних напряжений и снижает вероятность появления трещин. Примером такой закалки может быть процесс с охлаждением вначале в воде, а затем в масле.

3) ступенчатая закалка (кривая 3) производится погружением нагретой детали в жидкую среду с температурой на 20-30 выше точки М_н. При этом обеспечивается быстрое охлаждение стали в верхней области температур, а затем делается выдержка, во время которой температура по сечению детали выравнивается, и термические напряжения уменьшаются. Затем детали вынимаются из закалочной ванны, и дальнейшее охлаждение происходит в другой среде, чаще всего на воздухе или в масле. В этом случае мартенситное превращение происходит при медленном охлаждении, в условиях меньших внутренних напряжений. В качестве жидких сред для ступенчатой закалки используют расплавы щелочей, селитры, легкоплавких металлов.

4) Изотермическая закалка (кривая 4) существенно отличается от других способов. Здесь выдержка в охлаждающей среде при температуре бейнитного превращения продолжается до полного распада аустенита. Во всех предыдущих случаях при закалке происходит образование мартенситной структуры, а в этом случае - бейнита.

При изотермической закалке напряжения в детали минимальны, исключается образование трещин, деформации значительно меньше. Кроме того, у некоторых легированных сталей (пружинных, штамповых) этот способ закалки позволяет получать оптимальное сочетание прочности и пластичности.

Итак, ступенчатая и прерывистая закалка уменьшают закалочные напряжения, поскольку разница температур на поверхности и в центре детали уменьшается. Но из-за очень маленького периода существования переохлажденного аустенита в углеродистых сталях ступенчатую и изотермическую закалку чаще применяют для легированных сталей.

Возможные дефекты закалки:

а) перегрев – крупное зерно;

б) пережог – окисление границ зерен, очень крупное зерно (не устраняется);

в) недогрев – у доэвтектоидных сталей закалка из интервала Ас₁-Ас₃ приводит к двухфазной структуре (мартенсит + феррит) и низким механическим свойствам;

г) коробление и трещины – вызываются внутренними напряжениями.

Удельный объем мартенсита больше удельного объема аустенита, что вызывает напряжения в структуре стали. Особенно это опасно для деталей сложной формы и при сложении структурных напряжений с термическими, возникшими из-за разности температур на поверхности и в центре детали.

Чтобы избежать коробления, тонкие изделия – пилы, ножовочные полотна, бритвы – охлаждают заневоленными в специальных закалочных прессах.

С технологией закалки тесно связаны два важных понятия.

Закаливаемость - это способность стали получать высокую твердость при закалке. Закаливаемость зависит от содержания углерода в стали и характеризуется максимальной возможной твердостью (HRC) для данной марки.

Прокаливаемость - это способность стали получать закаленный слой определенной глубины. Скорость охлаждения уменьшается от поверхности детали к центру, поэтому при большой толщине детали может оказаться, что в ее сердцевине скорость охлаждения меньше критической. В этом случае на мартенсит закалится только поверхностный слой детали, а сердцевина будет незакаленной, с мягкой феррито-перлитной структурой.