Цель закалки – повышение твердости и прочности стали. Она заключается в нагреве до температуры выше критических точек, выдержке при этой температуре и быстрого охлаждения. Таким охлаждением предотвращают превращение аустенита в перлит. Закаленная сталь чаще всего имеет неравновесную структуру мартенсита. Мартенсит – пересыщенный раствор углерода в a-железе. Он обладает большой твердостью. Так как при быстром охлаждении увеличивается хрупкость стали и возникают внутренние напряжения, то после закалки сталь подвергают отпуску [4].
Доэвтектоидные стали при закалке нагревают до температуры на 30…50 °С выше точки АС3. Исходная структура стали перлит+феррит. При нагреве образуется аустенит. В результате быстрого охлаждения он превращается в мартенсит.
В заэвтектоидной стали содержится цементит, который по твердости превышает мартенсит. Поэтому эту сталь достаточно нагреть на 30…50 °С выше точки АС1. После охлаждения структура стали состоит из мартенсита и нерастворимых частиц карбидов.
Нагревать изделия из стали, особенно хрупкие, необходимо постепенно, чтобы избежать местных напряжений и трещин. Время выдержки нагретой детали должно быть достаточным для полного перехода перлита в аустенит. Продолжительность выдержки обычно составляет четверть продолжительности нагрева. Длительные выдержки нежелательны, так как приводят к росту зерна и обезуглероживанию поверхностных слоев металла.
Для предохранения изделий от окисления и обезуглероживания в рабочее пространство нагревательной печи вводят защитную газовую среду. Это может быть эндотермическая атмосфера, получающаяся при частичном сжигании природного газа, а так же атмосферы азота, аргона, гелия и водорода.
Охлаждение при закалке должно обеспечить получение структуры мартенсита. Кроме того, не должно быть таких закалочных дефектов как деформации, коробления, трещины.
Скорость охлаждения, обеспечивающая мартенситную структуру, называется критической скоростью закалки.
Для закалки используют различные кипящие жидкости: воду, масла, водные растворы щелочей и солей.
Важными технологическими свойствами сталей являются закаливаемость и прокаливаемость.
Закаливаемость – способность стали повышать твердость стали в результате закалки. В первую очередь закаливаемость определяется содержанием углерода в стали. Чем больше в мартенсите углерода, тем выше его твердость. Легирующие элементы на закаливаемость влияют слабо.
Прокаливаемость характеризуется толщиной слоя с мартенситной структурой, обладающей высокой твердостью. Прокаливаемость зависит от критической скорости охлаждения стали. При закалке любых деталей невозможно добиться одинаковой скорости охлаждения поверхности и сердцевины детали. Если скорость охлаждения сердцевины при закалке будет меньше критической скорости охлаждения, то деталь не закалится насквозь, то есть там не образуется мартенсит. Легированные стали прокаливаются на бóльшую глубину, чем углеродистые [2].