10.2. Закалка стали

Закалка заключается в нагреве до температур выше фазовых превращений с выдержкой и охлаждением со скоростью выше критической. Критическая скорость охлаждения определяется по диаграмме изотермического распада аустенита. Линия охлаждения, соответствующая критической скорости, является касательной к С-образной кривой. При закалке сталь приобретает структуру мартенсита, в результате существенно повышается твёрдость стали, это и является основным назначением закалки. Для охлаждения стали со скоростью выше критической применяются различные охлаждающие сферы (вода, растворы, солей и щёлочей, минеральное масло, воздух), наивысшая степень охлаждения – NaOH, чуть меньше в растворе поваренной соли, ещё меньше в воде, масле, воздухе.

Закалка бывает полной и неполной. При полной закалке температура на 30-50°С выше GSE, при этом сталь приобретает структуру аустенита, а после быстрого охлаждения аустенит(А) превращается в мартенсит(М), что обеспечивает повышенную твёрдость стали. При неполной закалке температура нагревания на 30-50°С выше PSK. При этом доэвтектоидные стали приобретают структуру А+Ф, после быстрого охлаждения А превращается в М, но в структуре остаётся мягкий феррит(Ф) и таким образом полностью цель закалки не реализуется. Для доэвтектоидной стали рекомендуется проводить полную закалку, у заэвтектоидных сталей при неполной закалке после нагрева структура состоит из А+ Ц_II . В следствии быстрого охлаждения А превращается в М. При этом в структуре сохраняется Ц_II , а так как он твёрдый, то он не препятствует целям закалки, в то же время нежелательно, чтобы Ц_II имел форму сетки, поэтому для заэвтектоидных сталей проводить желательнее неполную закалку, а перед закалкой не полностью отжигать.

10.3. Способы закалки

При закалке высокая скорость охлаждения нужна в начальный момент охлаждения, чтобы не допустить аустенита в феррито-цементитную смесь. Однако после начала мартенситного превращения желательно, чтобы скорость охлаждения была меньше, поскольку высокая скорость охлаждения может привести к очень большим напряжениям из-за разной плотности аустенита и мартенсита. Эти избыточные напряжения могут привести к возникновению трещин. Таким образом, идеальный способ охлаждения должен выглядеть так:

Как показывают исследования, ни одна из охлаждающих сред не соответствует идеальному режиму.

Наиболее простым и дешёвым является закалка в одном охладителе. Для крупногабаритных сталей это может быть вода, для более мелких образцов и легированных сталей - минеральное масло. Для высоколегированных сталей может быть воздух. У этого способа есть большой недостаток - высокая скорость охлаждения относительно превращения. Более оптимальным, приближённым к идеальному является способ закалки в двух охладителях, например в воде, а затем в масле. Однако этот способ трудно реализовать, трудно контролировать температуру и момент времени среды. Более надёжным и легко реализуемым является способ аустенитной закалки. В данном случае образец помещается в солевую ванну и там некоторое время выдерживается. Затем образец вынимают из ванны и охлаждают на воздухе. Недостаток - высокая скорость охлаждения из-за относительно высоко температуры ванны, что не позволяет закалять массивные изделия. Внутренняя часть остаётся незакалённой.

Изотермическая закалка. Когда образец охлаждают до температуры, чуть выше М_н и длительное время там выдерживают, пока не произойдёт распад аустенита в феррито-цементитную смесь. В результате мартенситного превращения не происходит, а образуется бейнит, придающий стали достаточную твёрдость и пластичность.