Закалка и отпуск стали

 

После механической обработки изделие, как правило, подвергается упрочняющей термической обработке.

Наиболее распространенным видом упрочняющей термической обработки углеродистых сталей, содержащих углерода более 0,3 %, является закалка с последующим отпуском.

Закалка—процесс нагрева стали выше точки Ас₃ (полная закалка) или Ас₁, (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.

На рис. 2.10 приведена диаграмма интервалов температур для закалки железоуглеродистых сталей.

Рис. 2.10. Диаграмма интервалов закалочных температур

Доэвтектоидные стали подвергают полной закалке. После охлаждения закаленной детали в воде при ком­натной температуре в структуре образуется мелкоигольчатый мартенсит и небольшое количество остаточного аустенита (1...2 %). Нагрев стали при закалке значительно выше критической точки Ас₃, (на 150...200 °С) приводит к ее перегреву. В результате получается крупноигольчатый мартенсит, и сталь приобретает пониженную ударную вязкость.

Нагрев доэвтектоидной стали выше точки Ас₁, но ниже точки Ас₃, приводит к неполной закалке. В структуре такой стали наряду с мартенситом присутствуют участки феррита. Эта сталь имеет понижен­ную твердость.

На рис 2.11 приведено схематическое изображение структурных превращений для доэвтектоидных сталей, имеющих место при полной закалке (а)—нагрев до температуры выше точки Ас₃, и неполной закалке (б)—нагрев до температуры выше точки Ас₁. На рис. 2.12 приведена схема структурных превраще­ний, происходящих при закалке заэвтектоидной стали. Если заэвтектоидную сталь нагреть выше точки Ас_m, то в структуре ее будет крупноигольчатый мартенсит с повышенным количеством остаточного аустенита, что приведет к снижению твердости стали. Поэтому все заэвтектоидные стали подвергают неполной закалке. Структура этих сталей состоит из мартен­сита и цементита.

Рис. 2.11. Структурные превращения в доэвтектоидной стали при закалке: а-полная; б- неполная закалка Рис. 2.12. Структурные превращения в заэвтектоидной стали при закалке: а—неполная закалка; б—полная 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.

Для закалки существенное значение имеет скорость охлажде­ния в интервале температур, где аустенит менее всего устойчив (650...550°С). Этот интервал температур при закалке надо пройти быстро. Важное значение имеет скорость охлаждения и в интервале температур 300...200 °С, когда во многих сталях происходит образование мартенсита. В этом районе температур требуется медленное охлаждение, во избежание возникновения напряжений и закалочных трещин.

Существуют следующие способы закалки.

Закалка в одном охладителе заключается в том, что нагретую под закалку деталь погружают в закалочную среду (вода, масло и т. д.), в которой она находится до полного охлаждения. Применяют для несложных деталей из углеродистой и легированных сталей.

При закалке в двух средах (прерывистая закалка) деталь сначала погружают в быстроохлаждающую среду (воду), а затем быстро переносят в другую среду (масло, селитру или на воздух), где она охлаждается до комнатной температуры. Такую закалку применяют обычно для обработки инструмента из высоколеги­рованной стали.

При ступенчатой закалке нагретая деталь охлаждается в среде при температуре 230...250 °С (например, в горячем масле, расплавленной соли и др.), а затем после небольшой выдержки охлаждается на воздухе.

Изотермическая закалка производится так же, как и ступенчатая, но выдержка в закалочной среде более продолжительная. При такой выдержке происходит изотермический распад аустенита с образованием бейнита (высокодисперсная смесь феррита и карбида железа).

Закалка с обработкой холодом заключается в охлаждении закаленной стали, содержащей остаточный аустенит, до температур ниже 0 °С. Обычно эта температура около —70 °С. Обработка холо­дом производится немедленно после закалки, после чего весь остаточный аустенит переходит в мартенсит. Приме­няется для высокоуглеродистых сталей (углерода более 0,6 % ) и специальных сталей (инструментальных, шари­коподшипниковых и др.).

К основным дефектам закалки относятся: недогрев, перегрев, пережог, обезуглероживание, коробление, трещины и др.

Если нагрев стали был ниже критической точки, то говорят о закалке с недогревом.

Этот дефект исправимый, для чего сталь подвергают отжигу, а затем прово­дят закалку в соответствии с технологическими рекомендациями.

Перегрев имеет место тогда, когда сталь нагревают до температуры, намного превышающей критическую. Перегрев также можно исправить отжигом с последующей закалкой.

Пережог стали может иметь место при значительном перегреве стали перед закалкой. При этом сталь становится очень хрупкой. Этот дефект неисправимый (брак).

Обезуглероживание и окисление поверхности происходит при нагреве в пламенных или электрических печах без контролируемых атмосфер. Чтобы избежать этих дефектов, надо нагрев вести в специальных печах с защитной (контролируемой) атмосферой, нейтральной по отношению к стали.

Закалка стали сопровождается увеличением ее объема, что приводит к значительным внутренним напряжениям, которые являются причиной образования трещин и коробления. Трещины являются неисправимым дефектом, а коробления можно устранить последующей рихтовкой или правкой. По указанным выше причинам закаленные изделия и инструмент подвергают отпуску.

Отпуском называют нагрев стали до температуры ниже точки Ас, с выдержкой при данной температуре и последующим охлаждением с заданной скоростью (обычно охлаждают на воздухе). Цель отпуска—уменьшение закалочных напряжений, снижение твердости и получение необходимых механических свойств. Основное пре­вращение при отпуске—распад мартенсита, т. е. выде­ление углерода из пересыщенного твердого раствора в виде мельчайших кристалликов карбида железа.

Распад мартенсита завершается при температуре около 400 °С, образовавшуюся феррито-цементитную высокодисперсную механическую смесь называют трооститом отпуска. При более высокой температуре нагрева происходит коагуляция кристаллов карбида железа, дисперс­ность ферритоцементитной смеси снижается и при темпе­ратуре 500...650 °С образуется сорбит отпуска. Помимо описанных превращений в интервале температур 200....300 °С происходит распад остаточного аустенита с об­разованием отпущенного мартенсита.

В зависимости от температуры нагрева различают три вида отпуска.

Низкий отпуск производится при 120...150 °С (отпуск на отпущенный мартенсит). Его применяют после закалки инструментов, цементованных и цианированных изделий, а также после поверхностной закалки. При низком отпуске уменьшаются остаточные закалочные напряжения, твердость практически не снижается.

Средний отпуск (отпуск на троостит) происхо­дит при нагреве до температур 350...450 °С. При этом снижается твердость. Средний отпуск рекомендуется для пружин и рессор.

Высокий отпуск (отпуск на сорбит) производится при температуре 500...650 °С. Применяют его в машиностроении для изделий из конструкционной стали с целью обеспечения достаточной прочности, вязкости и пластич­ности. Сочетание закалки с высоким отпуском на сорбит называется улучшением. Эту операцию применяют для среднеуглеродистых сталей (0,35...0,6 %С).

После закалки (при охлаждении в воде) углеродистой стали (0,4 % С) и отпуске при 300 °С: σ_в=1300 МПа, δ=12 %, Ψ =35, %, а при отпуске с 600 °С - σ_в = 620 МПа, δ = 22 %, φ = 55 %.

Для повышения твердости, предела выносливости и износостойкости детали машин подвергают поверхностному упрочнению. Обычно для этих целей применяют поверхностную закалку—газопламенную закалку, закалку с индукционным нагревом токами высокой частоты и другие виды поверхностного упрочнения. При таком виде обработки сердцевина изделия остается вязкой и воспринимает ударные нагрузки.

Нагрев поверхности детали производится до температуры выше точки Ас, с последующим быстрым охлаждением.

Газопламенная закалка заключается в нагреве поверхности стальных изделий ацетиленокислородным пламенем, температура которого составляет 2400...3150 °С; при этом поверхность изделия быстро нагревается до температуры закалки, а сердцевина не успевает нагреться. Быстрое охлаждение обеспечивает закалку поверх­ностного слоя. Толщина закаленного слоя 2...4 мм, твердость достигает 50...56 НRС. Газопламенную обработку применяют в мелкосерийном и единичном производстве. Недостатком этого способа является неравномерность нагрева с поверхности вглубь деталей и как следствие - структурная неоднородность. Последняя состоит как бы из трех слоев: первый слой нагрет выше точки Ас, и после закалки его структура— мартенсит, второй слой нагрет ниже точки Ас, но выше Ас, получается структура неполной закалки (мартенсит с ферритом), наконец, третий слой нагрет ниже точки Ас,, в нем сохраняется исходная структура.

Индукционный нагрев токами высокой частоты (ТВЧ) наиболее распространенный производительный и прогрессивный метод поверхностного упрочнения. Преимуществом его является возможность автоматизации процесса, отсутствие выгорания углерода и других эле­ментов, а также окисления поверхности изделия. Сущность способа состоит в том, что под действием электродвижущей силы (ЭДС) в металле возникают электрические вихревые токи (токи Фуко), которые нагревают металл до нужной температуры.

Твердость поверхностного слоя при нагреве ТВЧ несколько выше, чем твердость, получаемая при обычной закалке. Закалку с использованием ТВЧ применяют для сталей с содержанием углерода более 0,4 %, чтобы получить заданную твердость. В последнее время также применяется поверхностная обработка с использованием нагрева лазером.

Под закаливаемостью понимают способность стали приобретать высокую твердость после закалки. Закаливаемость зависит от содержания углерода в стали: чем больше углерода, тем выше твердость.

Прокаливаемость — способность стали закаливаться на определенную глубину. Прокаливаемость зависит от химического состава стали, размеров детали и условий охлаждения. Чем больше устойчивость переохлажденного аустенита, тем больше прокаливаемость. Характеристикой прокаливаемости является критический диаметр, т. е. максимальный диаметр цилиндрического прутка, который прокаливается полностью в охлаждающей среде. Так, например, для углеродистых сталей при закалке в воде критический диаметр составляет 10...20 мм. Легированные стали при закалке в масле в зависимости от степени легирования могут прокаливаться в сечении до 250...300 мм.

Мартенситное превращение Структурные исследования показывают, что при резком охлаждении сталей из аустенитного состояния до 240 °С подвижность атомов углерода близка к нулю, что приводит к бездиффузионному превращению аустенита. Это превращение приводит лишь к изменению типа решетки γ→α (полиморфное превращение), а весь углерод ранее растворенный в решетке аустенита, остается в решетке феррита. Напомним, что предельная равновесная концентрация углерода в решетке феррита составляет 0, 006 % при комнатной температуре. Отсюда следует, что в результате быстрого охлаждения аустенита образуется пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в α-железе, которое называется мартенситом. Из-за пересыщенности углеродом решетка исходного аустенита сильно искажается и вместо г ц к решетки образуется тетрагональная (удлиненная) форма решетки (см. рис. 2.8), когда с›а. Такое искажение (деформация) решетки приводит к повышению плотности дислокации в мартенсите (10¹⁰…10¹² см^‾2) до уровня плотности этих дефектов в холоднодеформированной стали. Это обстоятельство наряду с высоким содержанием углерода вызывает высокую твердость мартенсита до 65 HRC и одновременно хрупкость из-за больших и внутренних напряжений. Следует заметить, что несмотря на практически мгновенную скорость γ→α скорость перехода ( ≈ 1000 м/с) атомы смещаются упорядоченно с сохранением общей сопрягающей плоскости решеток γ- и α-Fe, то есть наблюдается когерентная связь. Это означает, что решетка мартенсита закономерно ориентирована относительно исходной решетки аустенита. Однако, наличие такой когерентной связи и различие удельных объемов фаз приводят к возникновению больших внутренних напряжений.

Мартенситное превращение наблюдается в интервале температур и для эвтектоидной стали такой интервал составляет 240…-50 °С (рис. 2.13).

Рис. 2.13. Влияние содержания углерода в стали на температуру начала М и и конца М к мартенситного превращения

При таком интервале превращения одновременно с мартенситом в структуре наблюдается и остаточный (непревращенный) аустенит. Охлаждение ниже температуры М_к (-50 °С) не приводят к его окончательному распаду, поскольку положение точек М_к и М_н зависит только от содержания углерода, а скорость охлаждения на них не влияет (см. рис. 2.13).

Кристаллы мартенсита в зависимости от состава сплава, а следовательно, в зависимости от температуры своего образования, могут иметь различную морфологию и субструктуру. Различают два вида мартенсита: пластинчатый (игольчатый) (рис. 2.14, а) и пакетный (реечный) (рис. 2.14, б). Структура пластинчатого мартенсита имеет большое число микродвойников, кристаллы такого мартенсита похожи на широкие пластины, а в плоскости – иглы.

Рис. 2.14. Схема образования пластинчатого (игольчатого) (а) и п а к е т н о г о (реечного) (б) мартенсита

Пакетный мартенсит характерен для низко- и среднеугле-родистых, а также легированных конструкционных сталей. Крис-таллы пакетного мартенсита имеют форму реек, вытянутых в одном направлении (см. рис. 2.14, б). Тонкая структура представляет собой запутанные дислокации высокой плотности при полном отсутствии двойников. Внутри мартенситных пакетов наблюдаются прослойки аустенита (см. рис. 2.14, б).

2/6