3.3. Закалка и отпуск

Конструкционные и инструментальные стали подвергают закалке для максимального повышения прочности и твердости. Основные параметры при закалке – температура нагрева и скорость охлаждения. Продолжительность нагрева зависит от нагревательного устройства, на 1 мм сечения затрачивается: в электрической печи – 1-1,5 мин., в пламенной печи – 1 мин., в соляной ванне – 0,5 мин.

Закалка из однофазного состояния (полная закалка) с нагревом на 30-50°С выше критической температуры А_С3 (линия GS на рис. 3.1) применяется для доэвтектоидных сталей. Изменение структуры стали:

.

Закалка из двухфазного состояния (неполная закалка) с нагревом на 30-50 °С выше критической температуры А₁ (линия SK на рис. 3.1) применяется для заэвтектоидных сталей, которые предварительно подвергают отжигу для сфероидизации цементита. Карбиды округлой формы не вызывают снижения вязкости. Изменение структуры стали:

.

После охлаждения в структуре остается вторичный цементит, который повышает твердость и износостойкость режущего инструмента.

Неполная закалка доэвтектоидных сталей недопустима, поскольку в структуре остается мягкий феррит:

.

Полная закалка заэвтектоидных сталей недопустима, поскольку в структуре остается много остаточного аустенита:

.

Охлаждение при закалке. Скорость охлаждения определяется охлаждающей средой, формой изделия и теплопроводностью стали. Режим охлаждения должен исключить возникновение повышенных закалочных напряжений, которые могут привести к короблению и растрескиванию деталей сложной формы.

Оптимальный режим: максимальная скорость охлаждения в интервале температур А₁–M_Н для предотвращения распада переохлажденного аустенита в области перлитного превращения; минимальная – в интервале температур мартенситного превращения M_Н–M_К с целью снижения термических напряжений. Охлаждающие среды: вода, технические масла, растворы солей и растворы полимеров, расплавы металлов и щелочей. Для легированных сталей с высокой устойчивостью аустенита используют минеральное масло (нефтяное), обеспечивающее небольшую скорость охлаждения, достаточную для мартенситного превращения.

Закаливаемость – способность стали приобретать высокую твердость при закалке. Закаливаемость определяется содержанием углерода, если менее 0,2 %, то степень упрочнения невелика.

Прокаливаемость – способность стали получать закалку на определенную глубину. Глубина закаленного слоя – расстояние от поверхности до середины слоя, в структуре которого имеются одинаковые объемы мартенсита и троостита. Чем выше степень легированности стали, тем меньше критическая скорость охлаждения и выше прокаливаемость. Критический диаметр – максимальное сечение детали, прокаливающееся в данном охладителе на глубину, равную радиусу изделия.

Способы закалки. В зависимости от формы, массы и марки стали применяют разные способы закалки (рис. 3.11).

Закалка в одном охладителе (V₁). Охлаждающая среда: вода – для крупных изделий из углеродистых сталей, масло – для небольших деталей простой формы из углеродистых и легированных сталей. Недостаток – большие закалочные напряжения.

Закалка в двух охладителях или прерывистая (V₂). Деталь быстро охлаждают в одном охладителе (вода) до 300°С и медленно в другом (масло). Применяется для закалки инструмента. Недостаток – сложно определить момент переноса детали из одной среды в другую.

Ступенчатая закалка (V₃). Нагретое изделие помещают в охлаждающую среду (расплавы солей или металлов), температура которой на 30-50°С выше точки М_Н и выдерживают некоторое время, необходимое для охлаждения детали и выравнивания температуры по сечению. После выдержки охлаждают с малой скоростью (в масле или на воздухе).

И зотермическая закалка (V₄) отличается от ступенчатой большим временем выдержки в охлаждающих средах при температуре, соответствующей промежуточному превращению (выше линии М_Н). Обеспечивается полное превращение переохлажденного аустенита в бейнит. Структура характеризуется высокой прочностью, пластичностью и ударной вязкостью. Применяется для ответственных изделий из легированных сталей.

Закалка с самоотпуском. Нагретые изделия помещают в охлаждающую среду, выдерживают до неполного охлаждения и вытаскивают. Поверхностные слои изделия повторно прогреваются за счет внутренней теплоты до требуемой отпускной температуры, затем деталь охлаждается повторно, т. е. выполняется закалка, совмещенная с отпуском. Применяется способ для изделий, которые должны сочетать высокую твердость на поверхности и высокую вязкость в сердцевине (инструменты ударного действия: молотки, зубила).

Обработка стали холодом. Высокоуглеродистые и легированные стали имеют температуру окончания мартенситного превращения M_К значительно ниже 0 °С. После закалки до комнатной температуры в стали сохраняется остаточный аустенит, снижающий твердость. Для его устранения проводят охлаждение при низких температурах до (–80 °С). Обычно используют сухой лед. Обработку холодом проводят сразу после закалки, чтобы не допустить стабилизации аустенита. Прирост твердости – 1-4 HRC. Далее сталь подвергают низкому отпуску. Обработку холодом проводят на деталях шарикоподшипников, точных механизмов, измерительных инструментов.

Отпуск – заключительная термическая обработка закаленной стали с целью получения требуемых эксплуатационных свойств детали и уменьшения внутренних напряжений. Температуру выбирают, исходя из нужного уровня вязкости, пластичности и твердости стали.

Низкий отпуск – температура нагрева 150-300 °С. Остаточный аустенит превращается в мартенсит по бейнитному превращению. В мартенсите происходит перераспределение углерода. При 150-200 °C выделяется ε-карбид с ГПУ решеткой (Fe₂C), который имеет когерентную границу. При 200-300°С образуются пластинки карбидов Fe₃C размером 80х200 нм и толщиной несколько атомных диаметров с когерентными либо полукогерентными границами. Пластинки растут, толщина увеличивается до 200-400 нм, длина – более 1 мкм, границы становятся некогерентными. Наблюдается снижение тетрагональности решетки и внутренних напряжений. Структура стали – мартенсит отпуска – мелкие карбиды и мартенсит с высокой и низкой концентрацией углерода. Проводится для инструментальных сталей, для сталей после поверхностной закалки и цементации.

Средний отпуск – температура нагрева до 500 °С. Из решетки Fe_. выделяется избыточный углерод, карбиды приобретают строение цементита, растут, форма приближается к игольчатой. Структура стали – троостит отпуска – сочетает высокую упругость и твердость 40-45 HRC. Используется для изделий типа пружин, рессор, торсионов.

Высокий отпуск – температура нагрева свыше 500°С. Изменение фазового состава стали не происходит, микроструктура изменяется за счет роста и сфероидизации цементита. Наблюдается растворение мелких и рост крупных карбидных частиц. При 550-600 °С образуется структура сорбит отпуска, сочетающая высокую пластичность и ударную вязкость при достаточной твердости. Используется для деталей машин, испытывающих ударные нагрузки. При нагреве стали до 650-700 °С получают грубую феррито-цементитную смесь – перлит отпуска (зернистый перлит).

Улучшение стали – термическая обработка, включающая закалку и высокий отпуск конструкционных сталей.