4.4. Закалка сталей

Закалка является основным видом упрочняющей термической обработки сталей.

Закалка  процесс нагрева стали выше точки А_с3 (полная закалка) или А_с1 (неполная) на 30…50 С с последующим быстрым охлаждением. Цель закалки  получение высокой твердости и заданных физико-механических свойств. Способность стали принимать закалку возрастает с увеличением содержания в ней углерода. При содержании углерода менее 0,2 % сталь практически не закаливается.

Доэвтектоидные стали подвергают полной закалке (А_с3 + 30…50 С), при этом обеспечивается полное превращение феррито-перлитной структуры в структуру мелкозернистого аустенита, а после охлаждения  мелкокристаллического мартенсита. Неполная закалка с межкритических температур приводит к сохранению в структуре закаленной стали кристаллов доэвтектоидного феррита низкой твердости. Твердость стали после закалки будет неоднородна и существенно понижена, поэтому неполная закалка доэвтектоидных сталей применяется редко.

При нагреве заэвтектоидных сталей на 30…50 С выше температуры точки А_с1 перлит полностью превращается в аустенит, а часть вторичного цементита остается нерастворенной. Ее закалка приведет к превращению аустенита в мартенсит, зерна которого окаймлены частицами нерастворенного цементита. Такая сталь обладает повышенной твердостью и износостойкостью. Закалка заэвтектоидных сталей от температур выше А_ст снижает твердость стали из-за увеличения количества остаточного аустенита и, самое главное, модет вызвать перегрев. Поэтому для заэвтектоидных сталей обычно применяется неполная закалка.

Скорость нагрева и время выдержки деталей зависят от размеров, массы деталей, их конфигурации, химического состава материала деталей, от типа нагревательных печей и нагревательных сред.

При закалке в качестве охлаждающей среды чаще всего используют воду, иногда с добавками солей, щелочей. Для увеличения охлаждающей способности применяют также масла, расплавленные соли и металлы.

Возможность упрочнения сталей путем термической обработки обусловлена наличием аллотропических превращений в твердом состоянии. Охлаждая аустенит с различными скоростями и вызывая тем самым различную степень переохлаждения, можно получить продукты распада аустенита, резко отличающиеся по строению и свойствам.

Под критической скоростью закалки V_кр понимают минимальную скорость охлаждения, обеспечивающую бездиффузионное превращение аустенита в мартенсит. Это позволяет получить неравновесную структуру с высокой твердостью  600 НВ, износостойкостью и прочностью, но низкой ударной вязкостью.

Малая скорость охлаждения V₁ < V_кр приводит к образованию грубой смеси феррита и цементита, перлита с твердостью 10 HRC. Чем больше скорость охлаждения, тем более мелкодисперсная образующаяся феррито-цементитная смесь.

Сорбит (первая закалочная структура), получающийся при скорости охлаждения стали V₂ > V₁ представляет собой смесь феррита и цементита; он отличается от перлита более тонкодисперсным строением, твердость сорбита 20 HRC. Стали с сорбитной структурой износостойкие и используются для изготовления нагруженных изделий.

Троостит (вторая закалочная структура) получается при скорости охлаждения V₃ > V₂ в результате распада переохлажденного аустенита при 500…550 С, обладает значительной упругостью; представляет собой тонкодисперсную смесь феррита и цементита. Твердость троостита составляет 30 HRC.

Сталь со структурой троостита отличается высокими значениями прочности и упругости. Ее используют, главным образом, для изготовления пружин и рессор.

Превращение аустенита в мартенсит происходит при очень быстром охлаждении (V_кр). При этом мртенсит представляет собой пересыщенный твердый раствор углерода в -железе. Мартенсит  твердая и хрупкая структура; твердость его 62…66 HRC.