Исходная структура аустенита.

Увеличение размера зерна (рис. 11) приводит к повышению устойчивости аустенита вследствие уменьшения суммарной протяженности границ зерна, где происходит зарождение новой фазы, а, следовательно, ‑ к снижению критической скорости закалки.

 

В зависимости от состава стали скорость охлаждения при закалке должна быть достаточной, чтобы предотвратить распад аустенита, а для легированных сталей – и возможность бейнитного превращения.

 

Однако быстрое охлаждение требуется не во всем интервале температур (от температуры нагрева до комнатной температуры), а только в пределах 650-400⁰С, т.е. в том интервале температур, в котором аустенит менее всего устойчив и быстрее всего превращается в феррито-цементитную смесь.

 

Выше 650⁰С скорость превращения аустенита мала, поэтому при закалке в этом интервале температур сталь можно охлаждать медленно, но, конечно, не настолько, чтобы началось выпадение феррита или превращение аустенита в перлит.

 

Интервал 650-400⁰С должен быть пройден быстро.

 

В углеродистой стали ниже 400⁰С вновь начинается зона относительной устойчивости аустенита.

 

Наконец, в мартенситном интервале, начиная с 200-300⁰С, особенно желательно замедленное охлаждение, чтобы к значительным структурным напряжениям не прибавились термические напряжения, возникающие в результате быстрого охлаждения. Практически таких охлаждающих сред нет.

 

Механизм охлаждения стали в жидкости заключается в следующем:

- в первый момент охлаждения образуется тонкая пленка перегретого пара, которая является плохим проводником тепла и снижает скорость охлаждения. Первый этап относительного медленного охлаждения называется стадией пленочного кипения;

 

- когда количество теплоты, отнимаемой жидкостью, больше количества теплоты, излучаемой нагретым телом, пленка разрывается и дальнейшее охлаждение происходит парообразованием на поверхности металла (стадия пузырчатого кипения);

 

- поскольку на парообразование расходуется большое количество теплоты, то поверхность изделия охлаждается очень интенсивно и температура ее быстро падает. Когда температура поверхности достигает температуры кипения жидкости, охлаждение происходит теплоотдачей и значительно замедляется (стадия конвективного теплообмена).

 

В качестве охлаждающих сред применяют воду, водные и другие масла, расплавленные соли и металлы, и в ряде случаев – воздух. (табл. 4).

 

В качестве охлаждающей среды при закалке углеродистых сталей, содержащих больше 0,3% углерода применяется вода.

 

Углеродистые стали, содержащие меньше 0,3% углерода, фактически не закаливаются, т.к. при охлаждении в любой реальной среде нельзя получить скорость охлаждения больше критической, поэтому аустенит частично или полностью будет распадаться на феррито-цементитную смесь. Только в малых сечениях деталей из малоуглеродистых сталей, содержащих меньше 0,3% углерода можно получить закаленную структуру (мартенсит).

 

Положительным свойством воды является быстрое охлаждение в районе наименьшей устойчивости аустенита (600 – 500⁰С).

 

Таблица 4

Охлаждающая способность различных закалочных сред в интервалах температур перлитного превращения и около мартенситной точки стали

Охлаждающая среда	Скорость охлаждения, град/с в интервале температур 0С
650-450	300-200
Вода при 180С
Вода при 280С
Вода при 500С
Вода при 740С
Вода+10% едкого натра при 180С
Вода+10% поваренной соли при 180С
Вода+10% серной кислоты при 180С
Вода мыльная при 180С
Вода дистиллированная
Эмульсия масла в воде
Машинное масло
Керосин	160-180	40-60
Медные плиты
Железные плиты
Спокойный воздух		-

 

Основные недостатки воды – большая скорость охлаждения в районе мартенситного превращения (300 – 200⁰С) и резкое снижение охлаждающей способности с повышением температуры воды. В тоже время она неизменна в мартенситной области. Поэтому при закалке значительного количества металла в ванне с неподвижной водой охлаждающая способность ее с течением времени ухудшается.

 

Большое значение имеет относительное движение изделия и охлаждающей жидкости. Чем больше относительная скорость движения детали охлаждающей жидкости, тем легче разрывается пленка и быстрее охлаждается деталь.

Охлаждающую способность воды при температуре 650-450°С можно изменять в широких пределах, вводя различные добавки. Однако в области мартенситного превращения она во всех случаях остается высокой. Для повышения охлаждающей способности в воду вводят поваренную соль NaCl, едкий натр NaOH и др. Они уменьшают возможность образования паровой пленки и способствуют более быстрому ее разрушению. Процесс кипения происходит более равномерно, чем в воде без добавок. С повышением температуры воды с добавками скорость охлаждения снижается менее интенсивно.

 

Масло как охлаждающая среда применяется при закалке легированных сталей. Масло в районе наименьшей устойчивости аустенита охлаждает примерно в 3 раза, а в районе мартенситных превращений в 10-15 раз медленнее, чем вода. Это основное его преимущество. Закаливающая способность масла слабо меняется с повышением его температуры. Основным недостатком масла является малая скорость охлаждения в районе температур наименьшей устойчивости аустенита, что не позволяет применять масло в качестве закалочной среды при закалке средне- и высокоуглеродистых сталей, т.к. для этих сталей оно не обеспечивает скорость охлаждения больше критической. К недостаткам масла как закалочной среды также относятся: огнеопасность (при нагреве выше 250-300°С оно может загореться); постепенное загустение (вызывает снижение закаливающей способности) и пригорание масла на детали.

 

Таким образом, все применяемые реальные охлаждающие среды не могут полностью удовлетворить требования, предъявляемые к идеальному охладителю. В зависимости от состава стали, формы и размеров детали и требуемых в термически обработанной детали свойств следует выбирать оптимальный способ закалки, наиболее просто осуществляемый и одновременно обеспечивающий нужные свойства.

 

Чем сложнее форма термически обрабатываемой детали, тем тщательнее следует выбирать условия охлаждения, потому что чем сложнее деталь, тем большие внутренние напряжения возникают в ней при охлаждении.

Чем больше углерода содержит сталь, тем больше объемные изменения при превращении, тем при более низкой температуре происходит превращение аустенита в мартенсит; больше опасность возникновения деформаций, трещин, напряжений и других закалочных пороков; тщательнее следует выбирать условия закалочного охлаждения для такой стали.

Основные способы закалки:

1. Закалка в одном охладителе (рис. 25, режим 2) ‑ наиболее простой способ. Для закалки мелких деталей сечением до 5 мм из углеродистых сталей и деталей из легированных сталей применяют масло. Для более крупных, но простых по форме деталей из углеродистой стали в качестве закаливающей среды применяют воду или водные растворы солей и щелочей. В качестве закалочных сред при этом способе рекомендуются: в инструментальном производстве 5-15%-ный раствор NaCl в воде; для изделий сложной формы, склонных к короблению и трещинообразованию - 40-50%-ннй раствор NaOH в воде. Эти растворы обеспечивают скорость охлаждения при температурах 650-450°С до 1400°/с; при температурах 300-200°С скорость их охлаждения приближается к скорости охлаждения в масле.

Рис. 25. Схема охлаждения при различных способах закалки:

1 – идеальный режим охлаждения; 2 – непрерывная закалка в одном охладителе; 3 – прерывистая закалка в двух средах; 4 – ступенчатая закалка; 5 –изотермическая закалка.

Для крупных изделий сложной формы, изготовленных из легированных сталей с большой устойчивостью аустенита, типичными закалочными средами являются чистые минеральные масла или их смеси.

 

2. Прерывистая закалка в двух средах (рис.25, режим 3) этот метод заключается в предварительном охлаждении детали в быстро охлаждающей среде (например, в воде) до температуры 300°C с последующим охлаждением в более мягкой среде (напримep, в масле). При закалке в масле крупных изделий целесообразно производить также прерывистое охлаждение с окончательным охлаждением на воздухе.

 

Прерывистая закалка в двух средах обеспечивает приближение к оптимальному режиму охлаждения 1 (рис.25). Недостатком ее является трудность установления момента переноса изделия из одной среды в другую для разностенных изделий. Этот способ требует от термиста высокой квалификации.

 

3. Ступенчатая закалка (рис. 25, режим 4). При этом способе деталь, после нагрева переносят в расплавы солей, имеющие температуру немногим более высокую, чем температура начала мартенситного превращения (точка Мн) для данной стали. После выдержки при данной температуре в течение времени необходимого для выравнивания температуры по всему сечению, деталь вынимают из соляной ванны и охлаждают на воздухе. Мартенситное превращение в этом случае происходит на воздухе.

 

В качестве охлаждающей среды при ступенчатой закалке применяют смеси легкоплавких солей, например: смесь, состоящую из 55% азотнокислого калия (KNO₃) и 45% азотисто-кислого натрия (NaNO₃) - температура плавления 137°С; смесь, состоящую из 75% едкого калия (КОН ) и 25% едкого натрия (NaOH) - температура плавления 150°С и др.

 

По сравнению с обычной закалкой в одной среде при ступенчатой закалке возникают значительно меньшие внутренние напряжения, уменьшается коробление и возможность возникновения трещин. Используя возникающий при распаде аустенита в мартенсит эффект ''сверхпластичности", в это время производят правку (рихтовку) изделий. Применение ступенчатой закалки ограничивается размерами деталей: до 10-12 мм для деталей из углеродистой стали и до 20-30 мм для деталей из легированных сталей.

 

4. Изотермическая закалка (рис.25, режим 5). Отличием этого вида закалки от ступенчатой является длительность выдержки выше точки Мн в нижней части области промежуточного превращения. Время выдержки должно быть достаточным для превращения аустенита в нижний бейнит. При промежуточном превращении легированных сталей наряду с бейнитом сохраняется остаточный аустенит (10-20%). Такая структура обеспечивает высокую прочность, пластичность и вязкость стали, т.е. ее высокую конструкционную прочность. Значительно снижается деформация изделий вследствие ликвидации термических напряжений. Фазовые (структурные напряжения) также уменьшаются в связи с тем, что превращение аустенита в бейнит происходят постепенно, в течение длительного времени. Изотермической закалке на бейнит подвергают обычно среднеуглеродистые легированные стали, от которых требуется повышенная вязкость (ударно-режущий инструмент).

 

Средой для охлаждения при изотермической закалке обычно являются расплавленные соли и щелочи разных составов. Охлаждение в расплавах щелочей, если предварительно детали нагревались в жидких солях, позволяет получить чистую поверхность светло-серого цвета. Такой способ закалки называется "светлой закалкой".

 

5. Закалка с самоотпуском применяется для инструментов типа зубил, пуансонов, у которых рабочая часть должна иметь высокую твердость, а нерабочая - более низкую. Эту закалку выполняют двумя способами. 1) Сначала охлаждают только рабочую часть инструмента, затем производят отпуск её по цветам побежалости. После достижения требуемого цвета побежалости инструмент полностью охлаждают в воде. 2) Изделие полностью охлаждают, затем нагревают нерабочую часть в соляной или в песочной ванне. За счет теплопроводности происходит нагрев рабочей части. Когда цвет побежалости на ней достигнет заданного, весь инструмент быстро охлаждают. Твердость постепенно снижается от рабочей к нерабочей части.

 

6. Струйчатая закалка заключается в охлаждении рабочей части изделия интенсивной струей воды. Ее применяют в том случае, когда требуется закалить часть детали.

 

Как уже указывалось, в закаленной стали, особенно содержащей более 0,6% С, всегда присутствует остаточный аустенит. Аустенит понижает твердость, износостойкость и нередко приводит к изменению размеров деталей, работающих при низких температурах, в результате самопроизвольного превращения аустенита в мартенсит.

 

Для уменьшения количества остаточного аустенита в закаленной стали применяют обработку холодом, заключающуюся в охлаждении закаленной стали до температур ниже нуля. Обработку холодом применяют для сталей, температура окончания мартенситного превращения Мк, которых лежит ниже 0°С. Практически охлаждение проводится до температур ‑ 20-100°С, что вызывает превращение остаточного аустенита в мартенсит и повышает твердость сталей на 1-4 ед.

 

Выдержка стали после закалки при комнатной температуре более 3-6 ч. стабилизирует аустенит, в результате чего он менее полно превращается в мартенсит при дальнейшем охлаждении и уменьшает эффект обработки холодом. Поэтому обработку холодом выполняют сразу после закалки.

 

Обработку холодом применяют для режущего инструмента с целью повышения его твердости, стойкости и производительности; для измерительного инструмента ‑ с целью достижения возможно более полной стабилизации размеров.

 

Неправильно проведенная закалка может вызвать различные дефекты. Наиболее распространенные из них: закалочные трещины, деформация, коробление, повышенная хрупкость, недостаточная твердость, мягкие пятна.

 

Закалочные трещины являются результатом резкого охлаждения или нагрева вследствие возникающих при этом внутренних напряжений - как термических, так и структурных. Трещины - неисправимый брак. Для предупреждения их образования рекомендуется избегать при конструировании деталей резких переходов от толстых сечений к тонким, острых углов, резких выступов; обеспечивать медленное охлаждение в области мартенситного превращения.

 

Предотвращение деформации (изменение объема) и коробления (изменение внешней формы) обеспечивается медленным охлаждением в интервале мартенситного превращения. В атом случае необходимо применять ступенчатую и изотермическую закалки. Уменьшение коробления достигается также правильным способом погружения детали в охлаждающую жидкость, например, длинные стержневые детали необходимо охлаждать в вертикальном положении.

 

Повышенная хрупкость получается в том случае, если сталь была нагрета до температуры, намного выше критической или при оптимальной температуре была дана очень большая выдержка.

 

При перегревепроисходит рост зерна аустенита, а после закалки образуется крупноигольчатый мартенсит, который характеризуется чрезмерной хрупкостью. Устраняют дефект отжигом и последующей закалкой с соблюдением заданного режима.

 

Недостаточная твердость закаленной детали объясняется недогревом (низкая температура в печи, недостаточная выдержка при правильной температуре в печи) или недостаточно интенсивным охлаждением. В первом случае мартенсит не обладает достаточной твердостью (не содержит достаточно углерода); во втором - не переохлаждается до мартенситного превращения, и структура полностью или частично состоит из продуктов перлитного распада аустенита (троостит, сорбит).

Повышение температуры печи или увеличение выдержи в первом случае устраняет пониженную твердость закаленных деталей. Во втором случае следует применять более интенсивное охлаждение, т.е. во время закалки энергично перемещать деталь в закалочной жидкости или применять вместо простой воды соленую или подкисленную.

 

При наличии на поверхности детали окалины или загрязнения, соприкосновении деталей друг с другом в процессе охлаждения, неравномерном охлаждении, неоднородной структуре стали (полосчатость, скопления феррита), загрязнении стали неметаллическими включениями в некоторых зонах детали вместо мартенсита образуется троостит или сорбит и твердость детали получается неравномерной (возникают мягкие пятна). Избежать этого дефекта можно путем выбора правильного способа охлаждения, проведения предварительной термической обработки и т.д.