Закаливаемость и прокаливаемость стали

Закаливаемость – способность стали повышать твердость в результате закалки, которая зависит, главным образом, от содержания в стали углерода. Чем больше в мартенсите углерода, тем выше его твердость. Легирующие элементы оказывают небольшое влияние на закаливаемость.

Прокаливаемость – способность стали получать закаленный слой с мартенситной и полумартенситной структурой (50% мартенсита и 50% троостита) на ту или иную глубину. Прокаливаемость определяется критической скоростью охлаждения, зависящей от состава стали. Если скорость охлаждения в сердцевине будет меньше V_кр, то изделие прокалится только на некоторую глубину, т.е. прокаливаемость будет неполной.

Условно за глубину закаленного слоя принимается расстояние от поверхности до полумартенситной зоны (50% мартенсита и 50% троостита). Полумартенситную зону принимают в качестве критерия прокаливаемости, потому что ее легко определить по микроструктуре, но еще проще по твердости.

Чем меньше критическая скорость закалки, тем выше прокаливаемость стали. Легированные стали вследствие меньшей критической скорости закалки прокаливаются на большую глубину, чем углеродистые. Сильно повышают прокаливаемость стали Mn, Cr, Mo, B. Снижает прокаливаемость Co, наличие нерастворимых частиц, карбиды титана, оксиды, а также уменьшение размера зерна стали. Прокаливаемость стали в общем случае определяют методом торцевой закалки (ГОСТ 5657 – 69).

Для деталей ответственного назначения, работающих в жестких условиях нагружения, а также для деталей типа пружин, рессор и подавляющего большинства инструментов требуется, чтобы после закалки структура по всему сечению состояла из 100%-ного мартенсита. Это обеспечивает однородную структуру и высокие свойства после отпуска.

Для деталей машин, работающих в условиях менее жесткого нагружения (в основном на изгиб и кручение), за критерий прокаливаемости принимается 100%-ный мартенсит на глубине 0,5 радиуса детали.

Отпуск стали

Отпуск является заключительной операцией термической обработки. При отпуске формируются окончательная структура и свойства изделия; уменьшаются или устраняются внутренние закалочные напряжения, повышаются вязкость и пластичность.

При выборе температуры отпуска необходимо иметь в виду, что при монотонном изменении пределов текучести и прочности наблюдаются резкие провалы ударной вязкости. Провалы ударной вязкости связаны с отпускной хрупкостью стали. Поэтому при выборе режима отпуска следует учитывать, не попадает ли рекомендуемая температура отпуска для данной стали в опасную область, и сделать соответствующую корректировку.

После низкого отпуска закаленная сталь сохраняет высокую твердость и высокую износостойкость. Однако изделие не выдерживает значительных динамических перегрузок. Поэтому низкотемпературному отпуску подвергают режущий инструмент из углеродистых и низколегированных сталей, а также детали, претерпевшие поверхностную закалку, цементацию, цианирование или нитроцементацию.

Среднетемпературный отпуск обеспечивает высокие пределы упругости, выносливости и релаксационную стойкость. Его применяют, главным образом, для пружин и рессор, а также для штампов. Охлаждение после отпуска при 400 – 500°C следует проводить в воде. Это способствует образованию на поверхности сжимающих остаточных напряжений, которые увеличивают предел выносливости пружин.

Высокотемпературному отпуску подвергают среднеуглеродистые конструкционные стали (0,3 – 0,5 %C), к которым предъявляются высокие требования по пределам текучести и выносливости, ударной вязкости. Высокий отпуск создает наилучшее соотношение прочности и вязкости. Закалка и высокий отпуск называются термоулучшением.