Назначение режима закалки углеродистой и легированной сталей

Как уже отмечено в разделе 4.1, закалка – это термическая обработка, при которой главным процессом является формирование неравновесной структуры во время ускоренного охлаждения.

Существуют три принципиально отличных один от другого вида закалки: закалка с полиморфным превращением, закалка без полиморфного превращения и закалка с плавлением поверхности [12].

Закалка с полиморфным превращением (или закалка на мартенсит) используется человеком около двух тысячелетий как один из основных способов упрочнения сталей. В настоящее время закалку на мартенсит применяют не только к сталям, но и к сплавам цветных металлов (медных, титановых и др.). В общем случае температура нагрева и время выдержки сплава должны быть такими, чтобы произошли необходимы фазовые изменения, например, образование высокотемпературной фазы из одной или нескольких низкотемпературных фаз. В этом отношении закалка аналогичная отжигу второго рода.

При закалке сталей высокотемпературной фазой является аустенит, образующийся из низкотемпературной феррито-перлитной структуры (см. разд. 5.3.1). При достаточно быстром охлаждении аустенита, способном подавить его диффузионный распад на феррито-карбидную смесь, образуется фаза мартенсит. Некоторые замечательные особенности мартенситного превращения в сталях описаны в разделе 5.3.3.

Нагрев под закалку

Температуры нагрева под закалку углеродистых сталей можно выбрать по диаграмме фазового равновесия железо – цементит (см. рис. 4.6). Доэвтектоидные стали закаливают с температур, превышающих точку А_с3 на 30…50 ^ОС:

Т_зак = А_с3 +(30…50) ^ОС.

При закалке с температур ниже точки А_с3 (неполная закалка) в структуре наряду с мартенситом, образующимся из аустенита, остаётся так называемый избыточный феррит, не превратившийся в аустенит при нагреве. Избыточный феррит снижает твёрдость закалённой стали и ухудшает механические свойства стали после отпуска.

Заэвтектоидные стали закаливают с температур, превышающих точку А_cm на 30…60 ^ОС, или, как говорят, из межкритического интервала А_с1 … А_сm (рис. 4.6):

Т_зак = А_cm +(30…60) ^ОС.

 

Рисунок 4.6 – Изображение интервала температур нагрева под закалку

углеродистых сталей на «стальном» участке диаграммы

железо - цементит[12]

При закалке из межкритического интервала (неполной закалке) в заэвтектоидных сталях наряду с мартенситом имеется вторичный цементит, который повышает износостойкость инструмента. Нагрев до температур выше А_cm вреден, так как твёрдость закалённой стали получается ниже из-за полного растворения цементитных частиц в аустените, понижения температур начала и окончания мартенситного превращения М_н и М_к и, как следствие, увеличения количества остаточного аустенита при комнатной температуре (см. разд. 5.3.3 и рис. …). Дополнительными негативными последствиям полной закалки от температур выше А_cm являются укрупнение аустенитного зерна, обезуглероживание поверхности и рост закалочных напряжений, увеличивающий риск образования закалочных трещин.

Интервал температур нагрева под закалку легированных сталей нельзя определить по диаграмме железо цементит, поэтому для каждой марки стали его подбирают экспериментально.

Охлаждение при закалке

При закалке на мартенсит сталь должна охлаждаться от температуры закалки настолько быстро, чтобы аустенит не успел претерпеть распад на феррито-карбидную смесь и переохладился до точки М_н. Для этого скорость охлаждения должна быть выше критической. Критической скоростью охлаждения v _к при закалке называется такая минимальная скорость, при которой ещё подавляется распад аустенита на феррито-карбидную смесь.

В первом приближении критическая скорость охлаждения стали может быть оценена с помощью диаграммы изотермического распада переохлаждённого аустенита. Описание, способ построения и схематическое изображение таких диаграмм приведены в разд. 5.3.2. В данном же разделе на рис. 4.7 представлены реальные диаграммы изотермического распада переохлаждённого аустенита для двух сталей с примерно одинаковым содержанием углерода – углеродистой и легированной, – взятые из справочника [8]. В таблицах, расположенных над диаграммами, приведены сведения о химическом составе и значениях критических точек. Следует иметь в виду, что шкала времени на диаграммах – логарифмическая. Из диаграмм можно оценить время минимальной устойчивости переохлажденного аустенита τ _минуказанных сталей и температуру Т_мин, при которой имеет место минимальная устойчивость.

Рисунок 4.7 − Информационные возможности диаграмм изотермического

распада переохлаждённого аустенита при оценке критической

скорости закалки v _к и выборе закалочной среды (кривые 1, 2, 3

соответствуют охлаждению в водном растворещелочи, холод-

ной воде и масле соответственно)

 

Если предположить, что снижение температуры при закалке прямо пропорционально логарифму времени, то в координатах Т – lgτ кривая охлаждения приближается к прямой и

 

= , ^ОС/с [6].

 

Оценка критической скорости охлаждения по приведённой формуле при подстановке значений Т_мин и τ _мин, определяемых из диаграмм изотермического распада переохлаждённого аустенита на рис. 4.7, дает значения v _к≈ 115 ^ОС/с для стали У16 и v _к≈ 6 ^ОС/с для стали Х12.

В качестве охлаждающих сред при закалке (закалочных сред) наиболее широко используют холодную воду, 10 %-ный водный раствор NaOHилиNaCl и различные масла. В табл. 4.1 приведены значения скорости охлаждения небольших стальных образцов в различных средахдля двух температурных интервалов – перлитного А_r1–Т_мини мартенситного М_н – М_к.

Холодная вода – самый дешёвый и очень энергичный охладитель. Она быстро охлаждает и в перлитном, и в мартенситном температурных интервалах. Охлаждающая способность водных растворов соли или щёлочи в перлитном интервале ещё выше. Главный недостаток воды и водных растворов – большая скорость охлаждения в мартенситном интервале.

Минеральное масло медленно охлаждает в мартенситном интервале (это его главное преимущество), но оно медленно охлаждает и в перлитном интервале (это его главный недостаток). Поэтому масло применяют для закалки сталей с высокой прокаливаемостью – легированных.

Таблица 4.1 – Скорость охлаждения стали в различных средах [12].

Закалочная среда	Скорость охлаждения, ОС/с в температурных интервалах,ОС
650 … 550	300 … 200
Вода при 18 ОС
Вода при 74 ОС
10 %-ный раствор NaOHв воде при 18 ОС
Минеральное масло	100 … 150	20 … 50

Из сопоставления расчётных оценок критической скорости закалки v _к с данными табл. 4.1 следует, что сталь У16 следует закаливать в воде или водных растворах соли или щёлочи, сталь Х12 – в масле.Это ещё более наглядно подтверждается нанесёнными на диаграммы изотермического распада переохлаждённого аустенита кривых охлаждения стали в водном растворе щёлочи, воде и масле.

Прокаливаемость стали

Скорость охлаждения на поверхности изделия (детали) может быть больше критической, а в центре меньше. В этом случае аустенит в поверхностных слоях превратится в мартенсит, а в центре претерпит перлитное превращение, т.е. деталь не прокалится насквозь. Под прокаливаемостью понимают глубину проникновения закалённой зоны.

Прокаливаемость является одной из важнейших характеристик стали. Она зависит прежде всего от критической скорости охлаждения. На рис. 4.8 представлена кривая распределения фактических скоростей охлаждения по сечению (радиусу) цилиндрического образца в сопоставлении со значением критической скорости v _кдля стали, из которой изготовлен цилиндр.Кольцевой поверхностный объём изделия охлаждается со скоростью больше критической, и поэтому он закалён на мартенсит. Сердцевина цилиндра охлаждается со скоростью меньше критической, и поэтому она не закаливается на мартенсит. В массивной детали большого сечения после закалки можно наблюдать весь спектр структур: плавный переход от мартенсита около поверхности через трооститомартенсит, троостит и сорбит до перлита в центре.

Если центр изделия охлаждается со скоростью больше критической, то деталь закаливается на мартенсит насквозь (рис. 4.8, б). Как видно на рис. 4.8, для увеличения прокалённого объема в детали данного сечения необходимо либо повышать скорость охлаждения, как бы сдвигая кривую 1 вверх, либо понижать критическую скорость закалки, как бы сдвигая С-кривую на диаграмме изотермического распада аустенита вправо, что означает повышение устойчивости аустенита.

 

Рисунок 4.8 – Прокаливаемость стального цилиндра:

а) несквозная прокаливаемость; б) сквозная прокаливаемость;

1 – кривая распределенияч скоростей охлаждения по сечению цилиндра; 2 – критическая скорость охлаждения; заштрихованная

область представляет слой, закалённый на мартенсит

 

Не останавливаясь подробно на всех способах повышения устойчивости аустенита, отметим легирование стали как один из наиболее эффективных. Увеличение прокаливаемости при легировании используют в двух направлениях. Во-первых, применение легированной стали обеспечивает сквозную прокаливаемость в таких больших сечениях, которые невозможно прокалить насквозь, если использовать углеродистую сталь. Например, при закалке в воде стали 45 критический диаметр (максимальный диаметр цилиндрического прутка, который прокаливается насквозь в данном охладителе) равен 20 мм, в то время как изделия из стали 40ХН2МА диаметром 120 мм прокаливаются насквозь при охлаждении в масле. Во-вторых, для изделий небольшого сечения замена углеродистой стали легированной позволяет перейти к менее резкому закалочному охлаждению. применяя углеродистую сталь, можно прокалить насквозь изделие небольшого сечения при закалке в воде. Но при этом могут возникнуть недопустимо большие остаточные напряжения, а также коробление и трещины, особенно в изделиях сложной формы. С использованием легированной стали закалку в воде можно заменить более мягкой закалкой в масле или даже на воздухе.