4.3 Закалка и отпуск сталей

Закалка – термическая обработка, в результате которой в сплавах образуется неравновесная структура. Неравновесные структуры при термической обработке можно получить только в том случае, когда в сплавах имеются превращения в твёрдом состоянии:

• полиморфные превращения твёрдых растворов;

• переменная растворимость твёрдых растворов;

• распад высокотемпературного твёрдого раствора по эвтектойдной реакции и др.

Для получения неравновесной структуры сплав нагревают выше температуры фазового превращения в твёрдом состоянии, после чего быстро охлаждают, чтобы предотвратить равновесное превращение при охлаждении.

Цель закалки – повысить твёрдость, износостойкость. Эти характеристики повышаются с увеличением углерода в сплаве.

В большинстве случаев при закалке желательно получать структуру наивысшей твёрдости и износостойкости, т. е. мартенсит, при последующем отпуске можно понизить твёрдость и повысить пластичность стали.

Надо помнить, что при равной твёрдости структуры, полученные закалкой и отпуском, имеют лучшие механические свойства, чем структуры, полученные непосредственно в результате распада аустенита, за исключением нижнего бейнита.

В зависимости от температуры нагрева закалку называют: полной (Т_наг. выше критической температуры А₃) и неполной (Т_наг. лежит между критическими температурами А₁ и А₃) рис.4.17.

Рис.4.17 Температуры нагрева и скорости охлаждения при закалке углеродистых сталей

Доэвтектойдные стали, подвергают полной закалке Т_наг. = А₃ +(30-50⁰С). Такая температура обеспечивает получение при нагреве мелкозернистого аустенита и, соответственно, после охлаждения – мелкокристаллического мартенсита.

Надо помнить, что недогрев до температуры А₃ приводит к сохранению в структуре кристаллов доэвтектойдного феррита, что при некотором уменьшении прочности, обеспечивает повышенную пластичность закалённой, стали.

Заэвтектойдные стали подвергают неполной закалке. Т_наг. = А₁ + (30-50⁰С). Структура – мартенсит + цементит. Твёрдость такой структуры выше, чем структура одного мартенсита. Так как сталь предварительно подвергалась сфероидизирующему отжигу, то избыточные карбиды округлой формы не вызывают снижения вязкости.

Высоколегированные инструментальные стали ледебуритного класса для повышения теплостойкости (способность сохранять высокую твёрдость до температур 500-600⁰С) нагревают при закалке до температур близких к эвтектическим. 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.

Если высоколегированные инструментальные стали используют не как теплостойкие, а только как износостойкие, температуру закалки понижают, сохраняя некоторое количество вторичных карбидов нерастворёнными. Это связано с влиянием легирующих элементов на критические температуры стали и с малой скоростью диффузии легирующих элементов в твёрдом растворе.

Охлаждение при закалке. Для получения мартенситной структуры необходимо переохладить аустенит до температуры мартенситного превращения, следовательно, скорость охлаждения должна превышать критическую скорость U_кр.

Для углеродистых сталей U_кр. составляет от 1400 до 400⁰С/с. Для того чтобы переохладить аустенит таких сталей до температуры мартенситного превращения, необходимо прибегать к очень резкому охлаждению, которое достигается погружением закаливаемых деталей в холодную воду или в воду с добавками едкого натра, так как щелочная среда не вызывает последующей коррозии стальных деталей.

Необходимо помнить, что лучшей является стадия пузырькового кипения охлаждающей жидкости. Чем больше температурный интервал этой стадии, тем интенсивнее охлаждает закалочная среда (табл.1).

Охлаждение при закалке наиболее просто осуществляется погружением закаливаемой детали в жидкую среду (воду или масло), имеющую температуру 20 – 25⁰С. Однако в некоторых случаях для уменьшения деформации (коробления) деталей или для предотвращения образования трещин условия охлаждения усложняются.

Таблица 1

Охлаждающая среда	Температура, о С		Относительная интенсивность охлаждения в середине интервала пузырькового кипения
	охлаждающей среды	пузырькового кипения
Вода	20 40 80	400 – 100 350 – 100 250 - 100	1 0,7 0,2
10%-ный раствор в воде: NaCl NaOH	20 20	650 – 100 650 - 100	3 2,5
Масло минеральное	20 - 200	500 – 250	0,3

Охлаждение при закалке наиболее просто осуществляется погружением закаливаемой детали в жидкую среду (воду или масло), имеющую температуру 20 – 25⁰С. Однако в некоторых случаях для уменьшения деформации (коробления) деталей или для предотвращения образования трещин условия охлаждения усложняются.

Коробление и растрескивание вызываются значительными остаточными напряжениями, возникающими при закалке. Основной источник напряжений – увеличение объёма при превращении А → М. Модуль упругости в температурном интервале мартенситного превращения достаточно велик, поэтому возникающие из-за объёмных изменений напряжения релаксируют с малой скоростью.

Значительные макроскопические напряжения возникают из-за неодновременности превращения по сечению, а также в закаливаемых деталях сложной формы. Остаточные напряжения уменьшаются при условии одновременного превращения по сечению и понижения скорости охлаждения в интервале температур М_н - М_к.

На практике, для уменьшения величины остаточных напряжений нашли следующие способы охлаждения(рис.4.18):

• закалка в двух средах;

• ступенчатая закалка;

• изотермическая закалка.

Рис.4.18 Различные способы закалки сталей: 1- обычная закалка; 2- закалка в двух средах; 3- ступенчатая закалка; 4- изотермическая закалка.

Закалка в двух средах. После нагрева под закалку деталь погружают на определённое время в воду, в результате чего достигается быстрое прохождение температурного интервала минимальной устойчивости аустенита, а затем переносится в более мягкую охлаждающую среду, обычно в масло.

Ступенчатая закалка. При ступенчатой закалке деталь, нагретую до температуры закалки, переносят в жидкую среду, имеющую температуру на 50 – 100^оС выше критической точки М_н закаливаемой стали, и выдерживают небольшое время, необходимое для выравнивания температуры по сечению, а затем окончательно охлаждают на спокойном воздухе.

Получение мартенсита при таком способе охлаждения возможно только в легированных сталях с достаточно высокой устойчивостью переохлаждённого аустенита в интервале температур эвтектойдного превращения.

К ступенчатой закалке прибегают обычно при термической обработке инструментов небольшого сечения из низко- и среднелегированных сталей.

Изотермическая закалка. В некоторых случаях после закалки на мартенсит и последующего отпуска не удаётся получить достаточной прочности вязкости, тогда применяют изотермическую закалку на нижний бейнит, обладающий высокой вязкостью и прочностью. В отличии от ступенчатой закалки деталь выдерживают при температуре на 50 – 100^оС выше точки М_н до полного завершения превращения аустенита в бейнит и затем охлаждают на воздухе.

Изотермическая закалка, так же, как и ступенчатая, применима только к сталям с достаточной устойчивостью переохлаждённого аустенита.

Для предотвращения коробления изделий, таких, как ножовки, плиты, бритвы и т.д., их охлаждают заневоленными, например, в массивных медных или стальных плитах; скорость охлаждения в этих условиях оказывается меньшей, чем в масле.

Обработка холодом. Обработке холодом подвергают закалённые легированные стали, для которых температура конца мартенситного превращения М_к значительно ниже температуры 20 – 25^оС. Вследствие этого, после охлаждения до этой температуры, наряду с мартенситом в структуре оказывается значительное количество остаточного аустенита А_ост. (рис.4.19). Остаточный аустенит понижает твёрдость закалённой стали и может вызвать нестабильность размеров готовых деталей, так как, будучи нестабильной фазой, способен к распаду при низкой температуре с малой скоростью. Температура М_к легированных сталей изменяется в широких пределах, поэтому при обработке холодом их охлаждают до температур от -40 до -196^оС (температура низкого азота). Обработку холодом проводя сразу после закалки, чтобы не успел стабилизироваться А_ост.

Рис.4.19 Зависимость интервала образования мартенсита от содержания углерода в охлаждённом аустените

Обработку холодом подвергают измерительные инструменты, детали подшипников качения, цементированные детали из легированных сталей и ряд других изделий.

Закаливаемость и прокаливаемость сталей – важнейшие характеристики сталей.

Закаливаемость – способность стали повышать твёрдость в процессе закалки и зависит главным образом от содержания углерода в стали. При закалке различных деталей поверхность их, как правило, охлаждается со скоростью, большей U_кр, следовательно, на поверхности образуется мартенсит, обладающий высокой твёрдостью.

Прокаливаемость – способность стали закаливаться на определённую глубину (рис.4.20). Условились при оценке прокаливаемости закалёнными считать слои, в которых содержится не менее 50% мартенсита (полумартенситная зона). Установлено, что легированные стали любыми элементами, кроме кобальта, увеличивают прокаливаемость.

Надо помнить, что прокаливаемость стали одной и той же марки в зависимости от: изменения химического состава, размера зерна, температуры нагрева, размера и формы детали и др. колеблется в значительных пределах. В связи с этим в справочниках прокаливаемость стали, каждой марки характеризуется полосой прокаливаемости (рис.4.21).

Рис.4.20 Глубина закалённого слоя в зависимости от охладителя

Рис.4.21 Метод определения прокаливаемости стали

Для закаливания наружных слоёв трущихся деталей машин применяют закалку с нагревом токами высокой частоты (ТВЧ). Поверхностный нагрев деталей позволяет получить высокую твёрдость наружных слоёв при сохранении мягкой сердцевины. Этот способ нагрева очень производителен, может быть полностью автоматизирован и позволяет получить при крупносерийном производстве стабильное высокое качество закаливаемых изделий при минимальном их короблении и окислении.

Нагрев деталей ТВЧ осуществляется индуктором, охлаждение водой через спрейер – трубку с отверстиями для разбрызгивания воды (рис.4.22).

Преимущества поверхностной закалки деталей, так же, как и большинства способов упрочнения поверхности (химика – термической обработки, поверхностного наклёпа обработки), состоит также в том, что в поверхностных слоях деталей возникают значительные сжимающие напряжения (рис.4.23).

Рис.4.22 Нагрев детали ТВЧ

Рис.4.23 Контурная закалка поверхности и галтели зуба

При высоких скоростях нагрева, например, при нагреве ТВЧ, можно получить чрезвычайно мелкие зёрна аустенита.

Существует ещё два вида закалки:

• высокотемпературная механическая обработка (ВТМО);

• низкотемпературная механическая обработка (НТМО)

Термомеханическая обработка относится к комбинированным способам изменения строения и свойств материалов. При термомеханической обработке совмещаются пластическая деформация и термическая обработка (закалка предварительно деформированной стали в аустенит состоянии) рис.4.24; 4.25.

Рис.4.24 Режим и свойства сталей после ВТМО

Рис.4.25 Режим и свойства сталей после НТМО

Преимуществом термомеханической обработки является то, что при

существенном увеличении прочности характеристики пластичности снижаются незначительно, а ударная вязкость выше в 1,5…2 раза по сравнению с ударной вязкостью для той же стали после закалки с низким отпуском.

Высокотемпературная термомеханическая обработка практически устраняет развитие отпускной хрупкости в опасном интервале температур, ослабляет необратимую отпускную хрупкость и резко повышает ударную вязкость при комнатной температуре. Понижается температурный порог хладноломкости. Высокотемпературная термомеханическая обработка повышает сопротивление хрупкому разрушению, уменьшает чувствительность к трещинообразованию при термической обработке. 

Высокотемпературную термомеханическую обработку эффективно использовать для углеродистых, легированных, конструкционных, пружинных и инструментальных сталей.

Последующий отпуск при температуре 100…200^oС проводится для сохранения высоких значений прочности.

Низкотемпературная термомеханическая обработка (аусформинг). Сталь нагревают до аустенитного состояния. Затем выдерживают при высокой температуре, производят охлаждение до температуры, выше температуры начала мартенситного превращения (400…600^oС), но ниже температуры рекристаллизации, и при этой температуре осуществляют обработку давлением и закалку.

Низкотемпературная термомеханическая обработка, хотя и дает более высокое упрочнение, но не снижает склонности стали к отпускной хрупкости. Кроме того, она требует высоких степеней деформации (75…95 %), поэтому требуется мощное оборудование.

Низкотемпературную термомеханическую обработку применяют к среднеуглеродистым легированным сталям, закаливаемым на мартенсит, которые имеют вторичную стабильность аустенита.

Повышение прочности при термомеханической обработке объясняют тем, что в результате деформации аустенита происходит дробление его зерен (блоков). Размеры блоков уменьшаются в два – четыре раза по сравнению с обычной закалкой. Также увеличивается плотность дислокаций. При последующей закалке такого аустенита образуются более мелкие пластинки мартенсита, снижаются напряжения.