Закалкой называют процесс термической обработки — нагрев стали до оптимальной температуры, выдержка и последующее быстрое охлаждение с целью получения неравновесной структуры. В результате закалки повышается прочность и твердость и понижается пластичность стали. Основные параметры при закалке —температура нагрева и скорость охлаждения.
В зависимости от размеров деталей и теплопроводности стали выбирают время нагрева. Время выдержки при температуре закалки выбирают таким, чтобы полностью завершились фазовые превращения. Практически время нагрева в электропечах принято 1,5—2 мин на 1 мм сечения.
Скорость охлаждения стали, нагретой до температуры закалки, оказывает решающее влияние на результат закалки. Наиболее распространенные закалочные среды — вода, водные растворы солей и щелочей, масло, воздух, расплавленные соли.
Вода охлаждает гораздо быстрее, чем масло: в 6 раз быстрее при 550—650 °С и в 28 раз быстрее при 200 °С. Поэтому воду применяют для охлаждения сталей с большой критической скоростью закалки (углеродистых сталей), а в масле охлаждают стали с малой критической скоростью закалки (легированные стали). Основной недостаток воды как охладителя —высокая скорость охлаждения при пониженных температурах приводит к возникновению больших структурных напряжений и создает опасность возникновения трещин.
Добавление к воде солей, щелочей увеличивает ее закаливающую способность.
Масло охлаждает значительно медленнее, чем вода. Но преимущество масла как охладителя заключается также в том, что оно обладает небольшой скоростью охлаждения, поэтому при охлаждении в масле опасность образования трещин резко уменьшается. Недостатки масла — это легкая воспламеняемость, пригорание к поверхности деталей.
Способы закалки. В зависимости от формы детали, марки стали и требуемого комплекса свойств применяют различные способы закалки.
1) Закалка в одном охладителе. Деталь нагревают до температуры закалки и охлаждают в одном охладителе (вода, масло).
2) Ступенчатая закалка. Нагретую до температуры закалки деталь охлаждают в расплавленных солях. После выдержки в течение времени, необходимого для выравнивания температуры по всему сечению, деталь охлаждают на воздухе, что способствует уменьшению закалочных напряжений. Недостаток ступенчатой закалки — ограниченность ее применения (для глеродистых сталей —только для мелких деталей диаметром до 10 мм).
3) Изотермическая закалка. Так же как и при ступенчатой закалке, нагретые до температуры закалки детали охлаждают в соляной ванне, где выдерживают в течение времени, после чего охлаждают на воздухе.
Отпуск смягчает действие закалки, снимает или уменьшает остаточное напряжение, повышает вязкость, уменьшает твердость и хрупкость стали. Отпуск производится путем нагрева заготовок до температуры ниже критической.
В зависимости от температуры отпуск делят на низкий, средний и высокий.
Низкий отпуск — нагрев стали до температуры 250 °С и охлаждение.
Средний отпуск—нагрев стали от 350 до 450 °С и охлаждение.
Высокий отпуск —нагрев стали от 450 до 650 °С и охлаждение. Закалку с высоким отпуском называют улучшением.
Поверхностной закалкой называют процесс термической обработки, представляющий собой нагрев поверхностного слоя стали до температуры выше критической и последующие охлаждение. Поверхностную закалку применяют для повышения износостойкости деталей при сохранении высокого сопротивления динамическим нагрузкам.