Влияние температуры закалки на структуру и свойства стали

Закалка — термическая обработка, заключается в нагревании стали до температуры выше критической (Ас₃ для доэвтектоидной и Ас₁ — для заэвтектоидной сталей) или температуры растворения избыточных фаз (рисунок 1), выдержке и последующем охлаждении со скоростью, превышающей критическую. Закалка не является окончательной операцией термической обработки. Чтобы уменьшить хрупкость и напряжения, вызванные закалкой, и получить требуемые механические свойства, сталь после закалки обязательно подвергают отпуску.

Инструментальную сталь в основном подвергают закалке и отпуску для повышения твердости, износостойкости и прочности, а конструкционную сталь — для повышения прочности, твердости, получения достаточно высокой пластичности и вязкости, а для ряда деталей также и высокой износостойкости.

Рисунок 1 – Интервал рекомендуемых температур нагрева стали при закалке

Выбор температуры закалки. Закалку с температуры выше верхних критических точек называют полной закалкой. Доэвтектоидные стали нагревают до температуры на 30—50 °С выше верхней критической точки Ас₃ (рисунок 1). В этом случае сталь с исходной структурой перлит — феррит при нагреве приобретает аустенитную структуру, которая при последующем охлаждении со скоростью равной или выше критической превращается в мартенсит. Так полную закалку для стали с 0,4 % С проводят с температуры на 30-50 °С выше А_С3, т. е. с 860 °С, с последующим быстрым охлаждением в воде. В результате такой закалки получаем структуру мартенсита (рисунок 2).

Рисунок 2 – Сталь с 0,4 % С после закалки с 860 С в воде. Мартенсит мелкоигольчатый. Травление 4 %-ным раствором HNO₃ в спирте х450.

Мартенсит имеет игольчатое строение. Иглы (пластины) расположены под углом 60, 90 и 120  друг к другу. Размер игл мартенсита определяется величиной исходного (перед закалкой) зерна аустенита. Чем больше зерно аустенита, тем крупнее размер игл образовавшегося мартенсита.

Если сталь с 0,4 % С нагреть перед закалкой не до 860 С, а значительно выше, например до 1000 С, а затем охладить в воде, получится структура крупноигольчатого мартенсита (рисунок 3). Такая сталь обладает большой хрупкостью. При нагреве стали до 1000 С аустенитное зерно вырастает до значительных размеров и тем самым при охлаждении предопределяет образование крупноигольчатого мартенсита.

Рисунок 3 – Сталь с 0,4 % С после закалки с 1000 С в воде. Мартенсит крупноигольчатый. Травление 4 %-ным раствором HNO₃ в спирте х500.

Закалку от температур, соответствующих интервалу между верхними и нижними критическими точками называют неполной закалкой и для доэвтектоидных сталей практически не применяют. При всех температурах нагрева в межкритическом интервале температур (Ac₁ - Ас₃) согласно диаграмме Fe – C сталь имеет две фазы аустенит и феррит. При охлаждении со скоростью равной или выше критической аустенит превращается в мартенсит, а феррит остается в стали без изменения. Так на рисунке 4 показана структура стали с 0,4 % С после неполной закалки с 770 С в воде. Основное поле - мелкоигольчатый мартенсит, светлые участки в виде разбросанных островков – феррит. В этом случае твердость и прочность стали имеют более низкие значения по сравнению со значениями, полученными при закалке от температуры 860 °С.

Рисунок 4 – Сталь с 0,4 % С после закалки с 770 С в воде. Мартенсит и феррит. Травление 4 %-ным раствором HNO₃ в спирте х450.

Заэвтектоидные стали под закалку нагревают на 30—50 °С выше точки Ас₁ (рисунок 1), т. е. проводят неполную закалку. При таком нагреве образуется аустенит при сохранении некоторого количества вторичного цементита. После охлаждения структура стали состоит из мартенсита и нерастворимых частиц карбидов, обладающих высокой твердостью. Цементит тверже мартенсита, поэтому неполная закалка заэвтектоидных сталей обеспечивает максимальную твердость. На рисунке 5 показана структура заэвтектроидной стали с 1,2 % С после закалки при 770 °С в воде и последующего отпуска при 150 °С. Структура состоит из мартенсита отпуска и зерен вторичного цементита. Невысокий отпуск дан для снятия внутренних напряжений, получившихся при закалке стали.

Нагрев выше линии А_cm излишен, наоборот, он даже вреден, так как при нагреве стали выше А_cm она перегревается, аустенитное зерно вырастает до больших размеров, и после охлаждения стали в воде получается крупноигольчатый мартенсит (рисунок 6), имеющий весьма большую хрупкость.

Рисунок 5 – Сталь с 1,2 % С после закалки с 770 С в воде и отпуск при 150 С. Мартенсит и вторичный цементит. Травление 4 %-ным раствором HNO₃ в спирте х450.

Рисунок 6 – Сталь с 1,2 % С после закалки с 950 С в воде и отпуск при 150 С. Мартенсит крупноиголчатый. Травление 4 %-ным раствором HNO₃ в спирте х450.

Верхний предел температуры закалки для большинства заэвтектоидных сталей ограничивают, так как чрезмерное повышение температуры выше Ас₁ связано с ростом зерна, что приводит к снижению прочности и сопротивления хрупкому разрушению. Поэтому интервал колебания температур закалки большинства сталей невелик (15-20 °С).

Для многих легированных сталей температура нагрева под закалку значительно превышает критические точки Ас₁ и Ас₃ (на 150—250°С), что необходимо для перевода в твердый раствор специальных карбидов и получения требуемой легированности аустенита. Это повышение температуры не ведет к заметному росту зерна, так как нерастворенные частицы карбидов тормозят рост зерна аустенита.

Продолжительность нагрева при аустенизации стали. Продолжительность нагрева должна обеспечить прогрев изделия по сечению и заверше­ние фазовых превращений, но не должна быть слишком большой, чтобы не вызвать роста зерна и обезуглероживания поверхностных слоев стали.

Общая продолжительность нагрева т_общ = т_сп + т_ив, где т_сп — продолжительность сквозного прогрева до заданной (конечной) температуры, обусловленная формой и размером изделия, их расположением, типом печи, составом и свойствами стали и т. д.; т_ив — продолжительность изотермической выдержки при данной температуре, не зависящая от формы и размера изделия и определяемая только составом и исходным состоянием стали.

Для определения т_общ чаще пользуются опытными данными (таблица 1).

Таблица 1 Ориентировочная продолжительность нагрева изделий для закалки

Условия нагрева	Продолжительность нагрева, на 1 мм сечения (или толщины изделия), с
	круглого	квадратного	прямоугольного
В электропечи	40-50	50-60	60-75
В пламенной печи	35-40	45-60	55-60
В соляной ванне	12-15	15-18	18-22

Величина т_ив должна быть минимальной, но обеспечивать завершение фазовых превращений в стали и необходимую концентрацию углерода и легирующих элементов в аустените.

Продолжительность изотермической выдержки при заданной температуре для деталей машин часто принимают равной 15—25% от продолжительности сквозного прогрева.

Фасонный инструмент и детали машин сложных форм при нагреве под закалку для уменьшения деформации рекомендуется предварительно подогревать в печи при 400-600 °С.

Прокаливаемость и закаливаемость.

В зависимости от химического состава резко меняются прокаливаемость и закаливаемость стали. Под прокаливаемостью понимают способность стали воспринимать закалку на большую или меньшую глубину и величину зоны высокой твердости. За глубину прокаливаемости принимают расстояние от поверхности с мартенситной структурой до полумартенситной зоны, структура которой состоит из 50% мартенсита и 50% троостита. Полумартенситная зона определяется по структуре или твердости.

Закаливаемость — способность стали к повышению твердости в результате закалки. Закаливаемость зависит, прежде всего, от содержания углерода и карбидообразующих легирующих элементов. Чем больше углерода, тем выше твердость, тем выше закаливаемость. Резкое падение закаливаемости происходит тогда, когда в её структуре становится менее 50% мартенсита.

Способы закалки. В зависимости от условий охлаждения существует несколько способов закалки (рисунок 7).

Рисунок 7 – Схемы различных способов закалки: а – в одном охладителе; б – в двух средах; в – ступенчатая; г – изотермическая

Наиболее распространена закалка в одном охладителе (рисунок 7, а). Однако в этом случае появляются значительные термические и структурные напряжения из-за быстрого охлаждения деталей в большом интервале температур. Напряжения могут вызвать коробление деталей, а если они превысят предел прочности, то и появление трещин. Для уменьшения напряжений при закалке в одном охладителе применяют подстуживание, когда перед погружением в закалочную среду нагретую сталь охлаждают на воздухе (подстуживают) до температуры несколько выше А_r1. Это возможно для сталей, имеющих большую разницу между точками А_С3 и А_r1, (тепловой гистерезис), в частности, для кремнистых, рессорно-пружинных и марганцевистых сталей.

Иногда при термообработке инструмента для уменьшения структурных напряжений применяют закалку в двух средах (рисунок 7, б), т. е. охлаждают изделия до температуры несколько выше М_н быстро в воде, а затем более медленно в масле.

Еще больший эффект дает ступенчатая закалка (рисунок 7, в), при которой нагретая до состояния аустенита сталь охлаждается в расплаве солей до температуры несколько выше М_н. При этой температуре делается короткая выдержка для выравнивания температуры по сечению детали, а затем охлаждается более медленно. В результате получается мартенситная структура, свободная от значительных структурных и термических напряжений. В соляных ваннах при температуре несколько выше М_н проводят изотермическую закалку (рисунок 7, г), только выдержку при постоянной температуре делают до полного окончания распада аустенита. В этом случае получается структура бейнита (игольчатого троостита) с твердостью 45—55 HRC, имеющего достаточною вязкость. Ступенчатой и изотермической закалке подвергают стали с достаточно большим инкубационным периодом. К мало- и среднеуглеродистым сталям такой способ закалки применять нельзя.