Технология термической обработки стали.

Время нагрева.

Чем больше в стали углерода и специальных примесей, тем менее она теплопроводна и медленнее должен быть ее нагрев. По­верхностные слои металла, нагретые до более высокой темпера­туры, стремятся расшириться. Этому расширению препятствуют внутренние, менее нагретые слои. В резуль­тате поверхностные слои будут испытывать напряжения сжатия, а внутренние — напря­жения растяжения (рис. 35). Величина на­ пряжений зависит от времени (скорости) нагрева: чем больше скорость нагрева, тем больше разность температур между поверх­ностью и сердцевиной и, следовательно, тем выше напряжения.

Величина возникающих напряжений не должна превосходить допустимую, так как в металле могут образоваться трещины. Наи­более опасно возникновение внутренних напряжений при нагреве до температур 500—600° С, когда металл обладает малой пластичностью. При более высоких темпера­турах возникновение внутренних напряже­ний неопасно, так как металл становится пластичным.

Время нагрева зависит также от расположения деталей в печи и от их взаимного расположения (табл. 3). Детали нагреваются быстрее при всестороннем подводе тепла; самый медленный на­грев — при расположении нескольких деталей вплотную (продол­жительность нагрева увеличивается в 4 раза).

Общая продолжительность нагрева, т. е. общее время τ_общ пре­бывания деталей в нагревающей среде, состоит из времени τ_н на­грева до заданной температуры и времени т_в выдержки при этой температуре:

Время выдержки при заданной температуре может быть при­нято равным 1 мин для углеродистых сталей и 1,5—2 мин для легированных сталей.

Для деталей простой формы небольшой длины время нагрева

где а — коэффициент, определяемый экспериментально, с/мм.

Таблица 3

Продолжительность нагрева деталей в зависимости

от их расположения в печи

Расположение деталей	Продолжительность нагрева, мин	Расположение деталей	Продолжительность нагрева, мин
1,4
2,2	1,4
	1,3
1,8	1,7

Таблица 4

Коэффециент а

Если деталь квадратного или прямоугольного сечения, то вместо диаметра D следует использовать толщину H детали. Значе­ние коэффициента а в зависимости от условий нагрева и формы де­тали приведено в табл. 4.

Определение времени нагрева деталей диаметром (стороной квадрата) 3—100 мм. Рекомендуемая продолжительность выдержки в камерных печах и ваннах приведена в табл. 5.

Таблица 5

Примерные нормы нагрева деталей диаметром (толщиной) более 3 мм при нагреве для закалки до 750 – 900° С

6.2. Химическое действие нагревающей среды.

Общие сведения.При нагреве деталей в печах металл взаимо­действует с атмосферой печи. Результатом такого взаимодействия является окисление, ведущее к образованию окалины на поверх­ности нагреваемого металла, и обезуглероживание — частичное или полное выгорание углерода в поверхностных слоях стали.

Окисление приводит к потерям металла, усложняет обработку деталей, затрудняет получение высокой и равномерной твердости. Потери металла при нагреве составляют до 3% массы обрабатывае­мых деталей. В обезуглероженном слое появляются «мягкие пятна» и возникают растягивающие напряжения, что снижает прочность, износостойкость и предел выносливости, т. е. снижает срок службы деталей.

В состав печной газовой атмосферы входят кислород, окись углерода, двуокись углерода, водород, азот, метан, водяной пар. Действие этих газов на сталь различно. Водород обезуглероживает, окись углерода и метан науглероживают. Водяной пар, двуокись углерода и кислород окисляют и обезуглероживают.

Применение защитных ат­мосфер.Для предохранения деталей от окисления и обез­углероживания при высоких температурах в рабочее прост­ранство печи искусственно вводят защитную газовую среду, называемую защитной или кон­тролируемой атмосферой. При­меняемая контролируемая атмо­сфера должна иметь низкую стоимость, быть простой в при­готовлении, не должна образо­вывать излишних количеств сажи и кок-

са, не окислять и не обезуглероживать поверхность деталей при термической обра­ботке.

Для защиты от окисления могут применяться инертные газы — аргон, неон и чистый азот, не содержащие даже следов кислорода, а также продукты диссоциации аммиака. Указанные газы требуют дополнительной очистки от агрессивных примесей и осушки, что повышает стоимость защитного газа в 2—3 раза. В связи с этим чистые газы применяются для защитных атмосфер ограниченно.

В современном машиностроительном производстве применяют контролируемые атмосферы двух типов: 1) экзотермическую — нейтральную при температуре ниже 700° С; 2) эндотермическую — «универсальную», нейтральную при температуре выше 700° С (ниже 700° С она взрывоопасна).

Нейтральные контролируемые атмосферы получают путем сжи­гания углеводородных газов с коэффициентами избытка воздуха от 0,22 до 0,95. Данные о нейтральных атмосферах приведены в табл. 6. Для получения контролируемых атмосфер необходимы специальные установки.

Таблица 6

Техническая характеристика контролируемых атмосфер,

получаемых из углеводородных газов

Наиболее широкое применение находит эндотермическая ат­мосфера (эндогаз), которая применима как для безокислительного нагрева, так и для цементации. Характерной особенностью эндо­термической

атмосферы является то, что результаты ее взаимо­действия с нагретой сталью зависят только от содержания влаги, количество которой контролируется определением температуры точки росы. Следовательно, по температуре точки росы контро­лируется содержание углерода на поверхности стальной детали (углеродный потенциал) в момент установления равновесия с ат­мосферой данного состава.

Применение защитных покрытий. Новое в безокислительной термической обработке — применение защитных покрытий — стекловидных эмалей. Для таких покрытий применяют механиче­ские смеси тонких порошков стекол с огнеупорными наполните­лями. В процессе нагрева происходит плавление легкоплавких, а затем тугоплавких составляющих смеси, и тем самым обеспе­чивается получение стекловидной расплавленной пленки, изоли­рующей металл от печной атмосферы.

Для защиты деталей из конструкционных и инструментальных сталей применяют эмаль ЭЖ-01, в состав которой входят около 25% Аl₂О₃, стеклообразующая составляющая — фритта, огне­упорная глина и вода. Эмаль наносят путем окунания или мягкой кистью на очищенную и обезжиренную поверхность детали. Тол­щина покрытия 0,08—0,12 мм. Сушку производят на воздухе или в сушильном шкафу в течение 0,5—1 ч. Далее детали подвергают термической обработке. При охлаждении от температур закалки происходит частичное скалывание эмали. Остатки покрытия можно удалить дробеструйной обработкой или в расплаве щелочей КОН или NаОН при 500—550° С. Применять эмали целесообразно в ус­ловиях мелкосерийного производства.

6.3. Отжиг.

Отжигом называют процесс термической обработки, заклю­чающийся в нагреве стали до определенной температуры и последующем, как правило, медленном охлаждении для полу­чения более равновесной структуры.

Отжиг является предварительной операцией термической об­работки, подготавливающей структуру стали к последующим тех­нологическим операциям, например, к обработке заготовок на металлорежущих станках и окончательной термической обработке (закалке с отпуском) деталей. Но отжиг используют и как окон­чательную термическую обработку в том случае, если получае­мые в результате этой операции свойства удовлетворяют требо­ваниям, предъявляемым к данной детали.

Полный отжиг характеризуется нагревом стали на 30—50° С выше температуры интервала превращений, выдержкой при этой температуре и

медленным охлаждением до температуры ниже интервала пре­вращений. При таком отжиге происхо­дит полная фазовая перекристаллиза­ция. Данному виду отжига подвергают доэвтектоидную сталь с неравномерным или крупным зерном для создания мелкой зернистости, понижения твердости и повышения пластичности, снятия внут­ренних напряжений, улучшения обра­батываемости.

При полном отжиге доэвтектоидную сталь нагревают до температуры на 30—50° С выше температуры в точке Ас₃. При нагреве до такой температуры крупная исходная феррито-перлитная структура превращается в мелкую структуру аустенита (рис. 36). При последующем медленном охлаждении для углеродистой стали со скоростью 120—150° С/ч до 450—550° С и далее на воздухе из мелкозернистого аустенита образуется мелкая феррито-перлитная структура (рис. 37).

При отжиге легированной стали скорость охлаждения должна быть порядка 30—70° С/ч; это связано с тем, что легирующие эле­менты повышают устойчивость аустенита. Для сокращения про­должительности отжига легированные стали целесообразно под­вергать изотермическому отжигу.

Заэвтектоидную сталь полному отжигу не подвергают. Для полного отжига заэвтектоидную сталь нужно нагревать до тем­пературы на 30—50°С выше точки Аст. При нагреве до такой температуры будет происходить превращение исходной структуры цементит и перлит в структуру аустенита. При последующем ме­дленном охлаждении цементит будет выделяться по границам зерен аустенита и после превращения аустенита в перлит при тем­пературах немного ниже температуры в критической точке Аr₁в результате образуется структура цементит и перлит, но цемен­тит будет расположен в виде сетки по границам зерен перлита. Сталь с такой структурой имеет низкую вязкость, не­равномерное распределение твердости по сечению, плохо обраба­тывается на станках.

6.3.1.Отжиг I рода.

Отжиг I рода в зависимости от исходного состояния стали и температуры его выполнения может включать процессы гомогенизации, рекристаллизации, снижения твердости и снятия остаточных напряжений. Характерная особенность этого вида отжига в том, что указанные процессы происходят независимо от того, протекают ли в сплавах при этой обработке фазовые превращения ( ) или нет. Поэтому отжиг I рода можно проводить при температурах выше или ниже температур фазовых превращений (критических точек А₁ и А₃).

Этот вид обработки в зависимости от температурных условий его выполнения устраняет химическую или физическую неоднородность, созданную предшествующими обработками.

Гомогенизация (диффузионный отжиг).Диффузионному отжигу подвергают слитки легированной стали с целью уменьшения дендритной или внутрикристаллитной ликвации, которая повышает склонность стали, обрабатываемой давлением, к хрупкому излому, к анизотропии свойств и возникновению таких дефектов, как шиферность (слоистый излом) и флокены (тонкие внутренние трещины, наблюдаемые в изломе в виде белых овальных пятен).

Дендритная ликвация понижает пластичность и вязкость легированной стали. Поэтому слитки и крупные отливки нередко подвергают диффузионному отжигу. Нагрев при диффузионном отжиге должен быть до высоких температур 1100°-1200°, т.к. только в этом случае более полно протекают диффузионные процессы, необходимые для выравнивания состава стали по объему.

Во избежание образования большого количества окалины, уменьшения расхода топлива и увеличения производительности печей выдержка должна быть минимальной, обычно 15—20ч. После выдержки садку охлаждают до 800—820 °С в печи, а далее на воздухе.

Рис. 36. Схема различных видов отжига

В результате диффузионного отжига получается крупное зерно. Этот недостаток устраняется при последующей обработке слитка давлением или в процессе последующей термической обработки.

Рекристаллизационный отжиг.Под рекристаллизационным отжигом понимают нагрев холоднодеформированной стали выше температуры начала рекристаллизации, выдержку при этой температуре с последующим охлаждением. Этот вид отжига чаще применяют как промежуточную операцию для снятия наклепа между операциями холодного деформирования. Температура отжига для достижения рекристаллизации по всему объему и сокращения времени процесса превышает температуру порога рекристаллизации. Для углеродистых сталей с 0,08—-0,2 % С, чаще подвергаемых холодной деформации (прокатке, штамповке, волочению), температура отжига находится в интервале 680—700 °С. Отжиг калиброванных прутков (холодная протяжка) из высокоуглеродистой легированной стали (хромистой, хромокремнистой и др.) проводят при 680—740 °С в течение 0,5—1,5 ч.

Кроме рекристаллизации феррита при отжиге стали могут протекать коагуляция и сфероидизация цементита, при этом повышается пластичность, что облегчает обработку давлением.

Высокий отпуск (для уменьшения твердости). После горячей механической обработки сталь чаще имеет мелкое зерно и удовлетворительную микроструктуру, поэтому не требуется фазовой пере-кристаллизации (отжига). Но вследствие ускоренного охлаждения после прокатки или другой горячей обработки легированные стали имеют неравновесную структуру — сорбит, троостит, бейнит или мартенсит — и, как следствие этого, высокую твердость. Для снижения твердости на металлургических заводах сортовой прокат подвергают высокому отпуску при 650—700 °С (несколько ниже точки А₁) в течение 3—15 ч и последующему охлаждению. При нагреве до указанных температур происходят процессы распада мартенсита и (или) бейнита, коагуляция и сфероидизация карбидов и в итоге снижается твердость. Углеродистые стали подвергают высокому отпуску в тех случаях, когда они предназначаются для обработки резанием, холодной высадки или волочения.

Отжиг для снятия остаточных напряжений.Этот вид отжига применяют для отливок, сварных изделий, деталей после обработки резанием и др., в которых в процессе предшествующих технологических операций из-за неравномерного охлаждения, неоднородной пластической деформации и т. п. возникли остаточные напряжения.

Остаточные напряжения могут вызвать изменение размеров, коробление и поводку изделия в процессе его обработки (например, резанием), эксплуатации или хранения. При резании за счет удаления части металла происходит нарушение равновесия остаточных напряжений, влекущих за собой деформацию изделия. Изменение размеров в процессе хранения связано с перераспределением остаточных напряжений при их релаксации. Отжиг стальных изделий для снятия напряжений проводят при температуре 160—700 °С с последующим медленным охлаждением. Например, многие детали прецизионных станков (ходовые винты, высоконапряженные зубчатые колеса, червяки и др.) нередко про­ходят отжиг (отпуск) при 570—600 °С в течение 2—3 ч после ос­новной механической обработки и при 160—180 °С 2—2,5 ч после окончательной механической обработки для снятия шлифовочных напряжений. Отжиг для снятия сварных напряжений проводится при 650—700 °С.

6.3.2. Отжиг II рода (фазовая перекристаллизация).

Отжиг II рода заключается в нагреве стали до температур выше точек А_С1 или А_С3, выдержке и, как правило, последующем медленном охлаждении. В процессе нагрева и охлаждения в этом случае протекают фазовые превращения ( -превращение), определяющие структуру и свойства стали.

После отжига углеродистой стали получаются структуры (см. рис. 37), указанные на диаграмме состояния железо — цементит: феррит + перлит в доэвтектоидных сталях; перлит в эвтектоидной стали; перлит и

Рис. 37. Схема полного отжига (а) и изотермическая диаграмма распада аустенита (б) углеродистой стали: 1 – охлаждение при отжиге; 2 – охлаждение при нормализации.

вторичный цементит в заэвтектоидных сталях. После отжига сталь имеет низкую твердость и прочность при высокой пластичности.

При фазовой перекристаллизации измельчается зерно и устраняется видманштеттова структура и другие неблагоприятные структуры стали (см. рис. 37). В большинстве случаев отжиг является подготовительной термической обработкой; отжигу подвергают отливки, поковки, сортовой и фасонный прокат, трубы, горячекатаные листы и т. д. Понижая прочность и твердость, отжиг облегчает обработку, резание средне- и высокоуглеродистой стали. Измельчая зерно, снимая внутренние напряжения и уменьшая структурную неоднородность, отжиг способствует повышению пластичности и вязкости по сравнению со свойствами, полученными после литья, ковки и прокатки. В некоторых случаях (например для многих крупных отливок) отжиг является окончательной термической обработкой.

Различают следующие виды отжига: полный, изотермический и неполный.

Полный отжиг. Полный отжиг заключается в нагреве доэвтектоидной стали на 30—50 °С выше температуры, соответствующей точке А_С3, выдержке при этой температуре для полного прогрева и завершения фазовых превращений в объеме металла и последующем медленном охлаждении (рис. 37, б, кривая 1)

При нагреве до температуры выше точки А₃ на 30—50 °С образуется аустенит, характеризующийся мелким зерном, поэтому при охлаждении возникает мелкозернистая структура (рис. 37, а), обеспечивающая высокую вязкость и пластичность и возможность достижения высоких свойств после окончательной термической обработки.

Чрезмерное повышение температуры нагрева выше точки А₃ вызывает рост зерна аустенита, что ухудшает свойства стали. Время нагрева и продолжительность выдержки при заданной температуре зависят от типа нагревательной печи, способа укладки изделий в печь, от высоты садки, типа полуфабриката (лист, сортовой прокат и т. д.).

На металлургических заводах скорость нагрева не ограничивают и устанавливают ее максимально возможной по тепловой мощности печи (чаще ~100°С/ч); продолжительность выдержки может колебаться от 0,5 до 1 ч на 1 т нагреваемого металла. Металл загружают в печь непосредственно после выгрузки предыдущей садки .при температуре печи 400—500 °С.

Скорость охлаждения при отжиге зависит от устойчивости переохлажденного аустенита, а следовательно, от состава стали. Чем больше устойчивость аустенита в области температур перлитного превращения, тем медленнее должно быть охлаждение. Поэтому легированные стали, обладающие высокой устойчивостью переохлажденного аустенита, охлаждаются значительно медленнее (чаще со скоростью 40—60 °С/ч), чем углеродистые, скорость охлаждения которых составляет 100—150 °С/ч.

Полному отжигу подвергают сортовой прокат из стали с 0,3—0,4 % С, поковки и фасонные отливки.

Изотермический отжиг. Изотермический отжиг (рис. 38, а) состоит обычно в нагреве легированной стали, как и для полного отжига, и в сравнительно быстром охлаждении до температуры, лежащей ниже точки А₁ (обычно 660—680 °С). При этой температуре назначают изотермическую выдержку 3—6 ч, необходимую для полного распада аустенита, после чего следует охлаждение на воздухе.

Рис. 38. Схема изотермического отжига стали (Q – масса садки, т)

Одно преимущество изотермического отжига — в сокращении длительности процесса, особенно для легированных сталей, которые для заданного снижения твердости приходится охлаждать очень медленно. Для наибольшего ускорения процесса температуру изотермической выдержки выбирают близкой к температуре минимальной устойчивости переохлажденного аустенита в перлитной области (рис. 38, б). Другое преимущество изотермического отжига заключается в получении более однородной ферритно-перлитной структуры; при изотермической выдержке температура по сечению изделия выравнивается и превращение по всему объему стали происходит при одинаковой степени переохлаждения. Для некоторого укрупнения зерна и улучшения обработки резанием температуру отжига принимают 930—950 °С. Нагрев нередко осуществляют в проходных печах с контролируе­мой атмосферой.

Изотермическому отжигу чаще подвергают поковки (штамповые заготовки) и сортовой прокат из легированной цементуемой стали небольших размеров.

Пружинную (канатную) проволоку из стали, содержащей 0,65—0,9 % С, перед холодным волочением подвергают изотермической обработке — патентированию. Для патентирования проволоку подвергают высокотемпературной аустенитизации для получения однородного аустенита, а затем пропускают через расплавленную соль температурой 450—550 °С. В результате изотермического распада аустенита образуется тонкопластинчатый троостит или сорбит. Такая структура позволяет при холодной протяжке давать большие обжатия (более 75 %) без обрывов и после за-

ключительного холодного волочения получить высокую прочность (s_в= 2000¸2250 МПа).

Неполный отжиг. Неполный отжиг отличается от полного тем, что сталь нагревают до более низкой температуры (немного выше точки А₁). Неполный отжиг доэвтектоидных сталей применяют для улучшения обрабатываемости их резанием. При неполном отжиге происходит частичная перекристаллизация стали — вследствие перехода перлита в аустенит. Такой отжиг конструкционных легированных сталей проводится при 750—770 °С с последующим охлаждением со скоростью 30—60 °С/ч (чем выше легированность стали, тем медленнее охлаждение) до 600 °С, далее на воздухе.

Неполный отжиг широко применяют для заэвтектоидных углеродистых и легированных сталей. В этих сталях проводят нагрев до температуры лишь немного выше точки А₁ (обычно на 10—30 °С), что вызывает практически полную перекристаллизацию и позволяет получить зернистую (сфероидальную) форму перлита вместо пластинчатой. Такой отжиг называют сфероидизацией. Частицы цементита, не растворившегося при нагреве, или области аустенита с повышенной концентрацией углерода за счет неполной его гомогенизации после растворения цементита служат центрами кристаллизации для цементита, выделяющегося при последующем охлаждении до температуры ниже точки А₁ и принимающего в этом случае зернистую форму.

Стали, близкие к эвтектоидному составу, имеют узкий интервал температур нагрева (750—760 °С) для отжига на зернистый цементит, для заэвтектоидных углеродистых сталей интервал расширяется до 770—790 °С. Легированные заэвтектоидные стали для получения зернистых карбидов можно нагревать до более высоких температур и в более широком интервале (770—820 °С).

Охлаждение при сфероидизации медленное. Оно должно обеспечить распад ауетенита на ферритно-карбидную структуру, сфероидизацию и коагуляцию образовавшихся карбидов при охлаждении до 620—680 °С. Чаще применяют изотермический отжиг, требующий меньше времени. В этом случае сталь медленно охлаждают (30—50 °С/ч) до 620—680 °С. Выдержка при постоянной температуре, необходимая для распада переохлажденного аустенита и коагуляции карбидов, составляет 1—3 ч в зависимости от массы отжигаемого металла. Последующее охлаждение проводят на воздухе.

Сталь с зернистым перлитом имеет более низкую твердость, временное сопротивление и соответственно более высокие значения относительно удлинения и сужения. Например, эвтектоидная сталь с пластинчатым перлитом имеет твердость 228 НВ, а с зернистым перлитом — 163 НВ и соответственно временное сопротивление 820 и 630 МПа, относительное удлинение 15 и 20 %. После отжига на зернистый перлит эвтектоидные и заэвтектоидные стали обладают наилучшей обрабатываемостью резанием, т. е. возможно применение больших скоростей резания и достигается высокая чистота поверхности.

Отжигу на зернистый перлит подвергают также тонкие листы и прутки из низко- и среднеуглеродистой стали перед холодной штамповкой или волочением для повышения пластичности.

6.4. Нормализация.

Нормализация заключается в нагреве доэвтектоидной стали до температуры, превышающей точку А_С3 на 40—50 °С, заэвтектоидной стали до температуры выше точки А_Сm также на 40—50 °С, в непродолжительной выдержке для прогрева садки и завершения фазовых превращений и охлаждения на воздухе. Нормализация вызывает полную фазовую перекристаллизацию стали и устраняет крупнозернистую структуру, полученную при литье при прокатке, ковке или штамповке. Нормализацию широко применяют для улучшения свойств стальных отливок вместо закалки и отпуска.

Ускоренное охлаждение на воздухе (см. рис. 37. б, кривая 2) приводит к распаду аустенита при более низких температурах, что повышает дисперсность ферритно-цементитной структуры и увеличивает количество перлита или, точнее, сорбита или троостита. Это повышает прочность и твердость нормализованной средне- и высокоуглеродистой стали по сравнению с отожженной.

Нормализация горячекатаной стали повышает ее сопротивление хрупкому разрушению, что характеризуется снижением порога хладноломкости и повышением работы развития трещины.

Назначение нормализации различно в зависимости от состава стали. Для низкоуглеродистых сталей нормализацию применяют вместо отжига. При повышении твердости нормализация обеспечивает большую производительность при обработке резанием и получение более чистой поверхности. Для отливок из среднеуглеродистой стали нормализацию с высоким отпуском применяют вместо закалки и высокого отпуска. В этом случае механические свойства несколько ниже, но детали будут подвергнуты меньшей, деформации по сравнению с получаемой при закалке, и вероятность появления трещин практически исключается.

6.5. Закалка.

6.5.1. Выбор температуры.

Закалкой называется процесс термической обработки, заключающийся в нагреве стали до температуры выше критической и последующем достаточно быстром охлаждении для получения пересыщенного твердого раствора с искаженной решеткой (мартенсита). В результате закалки прочность и твердость стали повышаются, а пластичность снижается.

Температуру нагрева при закалке углеродистых сталей выбирают по левой нижней части диаграммы железо – цементит (рис. 39).

Различают полную и неполную закалку стали. При полной закалке сталь нагревается на 30–50° выше критической точки А_С3. Доэвтектоидные стали обязательно подвергают полной закалке, т. е. нагревают до полного перехода феррито-перлитной структуры в аустенитную. При последующем охлаждении со скоростью выше критической сталь приобретает струк­туру мартенсита.

Рис. 40. Структурные превращения в доэвтектоидной стали при закалке:

а – полная закалка; б – неполная закалка.

Рис. 41. Структурные превращения в заэвтектоидной стали при закалке: а – неполная закалка; б – полная закалка

Недогрев доэвтектоидной стали до точки А_С3 приводит к сохранению в структуре закаленной стали наряду с мартенситом некоторого коли­чества феррита и, следовательно, к заниженным механическим свойствам после закалки. Такую закалку называют неполной, и для доэвтектоидной стали она является пороком (рис. 40, б).

При неполной закалке заэвтектойдной стали (нагрев выше точки А_С1, но ниже точки Асm) оставшийся нерастворенным цементит повышает твердость стали после закалки, так как является упрочняющей фазой. Если заэвтектоидную сталь нагреть выше линии Асm, то в ее структуре будет крупноигольчатый мартенсит с повышенным количеством остаточного аустенита (рис. 41, б). Таким образом, если для доэвтектоидных сталей неполная закалка является дефектом, то для заэвтектоидных – основным видом закалки.

6.5.2. Охлаждающие среды.

Скорость охлаждения стали, нагретой до температуры закалки, влияет на результат закалки. Оптималь­ной закалочной средой является та среда, которая быстро охла­ждает деталь в интервале температур минимальной устойчивости аустенита (550–650° С), чтобы предупредить его распад на феррито–цементитную смесь, и замедленно – в интервале температур мартенситного превращения (ниже 200–300° С), чтобы обеспечить одновременность мартенситообразования во всех зонах охлаждаемой детали и этим снизить опасность образования трещин.

Наиболее распространенными закалочными средами являются вода, водные растворы солей, щелочей, масло, расплавленные соли.

Вода охлаждает быстрее, чем масло (в 6 раз при 550–650° С и в 28 раз при 200° С). Поэтому воду применяют для охлаждения деталей из сталей с большой критической скоростью закалки (углеродистые стали), а в масле охлаждают детали из стали с малой критической скоростью закалки (легированные стали).

Недостатком воды является большая скорость охлаждения при пониженных температурах, что вызывает неодновременность образования мартенсита в разных зонах охлаждаемой детали, приводит к появлению больших структурных напряжений и создает опасность возникновения трещин.

При нагреве воды ее закаливающая способность снижается в области высоких температур (550–650° С), а скорость охлаждения в области температур мартенситного превращения остается высокой. Поэтому охлаждение в горячей воде не уменьшает возможности образования трещин. Добавление к воде солей и щелочей (8–12%-ные водные растворы NaСl и NaОН) значительно увеличивает ее закаливающую способность в связи с расширением интервала пузырчатого кипения (почти полностью исключается стадия пленочного кипения). Положительным является также то, что эти растворы при низких температурах мартенситного превра­щения охлаждают медленнее, чем вода. При поверхностной и объемной закалках применяют струйное или душевое охлаждение.

Масло обладает небольшой скоростью охлаждения в области температур мартенситного превращения, что обеспечивает одновременность мартенситообразования, и поэтому опасность образования трещин резко уменьшается. Кроме того, закаливающая способность не изменяется с повышением температуры масла до 150° С. Но масло легко воспламеняется, пригорает к поверхности детали; под влиянием высокой температуры охлаждаемых деталей масло постепенно начинает густеть, и за­каливающая способность его понижается.

В качестве охлаждающей среды при закалке используют также «кипящий» (псевдоожиженный) слой. Псевдоожижение заключается в интенсивном перемешивании частиц твердого зернистого материала (например, корунда, песка, руды, металлического порошка) восходящим потоком газа. При достаточной скорости газа твердые частицы приобретают подвижность и слой становится похожим на вязкую жидкость. Скорость охлаждения в кипящем слое зависит от размера частиц, теплопроводности газа и может быть отрегулирована в широких пределах. Для предохранения деталей сложной формы от коробления при закалке применяют охлаждение в специальных штампах и приспособлениях. Расплавленные соли применяют при ступенчатой и изотермической закалке.

6.5.3. Способы закалки.

Наиболее широко применяют закалку в од­ном охладителе. Такую закалку называют непре­рывной. Во многих случаях, особенно для изделий сложной формы и при необходимости уменьшения деформации, применяют и другие способы закалки.

Рис. 42. Кривые охлаждения при различных способах закалки: а-непрерывная, б-прерывистая, в- закалка с самоотпуском, г- ступенчатая закалка, д- изотермическая.

Прерывистая закалка (в двух средах). Изделие, закаливаемое по этому способу, сначала быстро охлаждают в воде до температуры несколько выше точки М_н, а затем быстро переносят в менее интенсивный охладитель (например, в масло или на воздух), в котором оно охлаждается до 20 °С. В результате переноса во вторую закалочную среду уменьшаются внутренние напряжения, которые возникли бы при быстром охлаждении в одной среде (воде), в том числе и в области температур мартенситного превращения.

Закалка с самоотпуском. В этом случае охлаждение изделия в закалочной среде прерывают, с тем чтобы в сердцевине изде­лия сохранилось еще некоторое количество теплоты. Под дей­ствием теплообмена температура в более сильно охлаждающихся поверхностных слоях повышается и сравнивается с температурой сердцевины. Тем самым происходит отпуск поверхности стали (самоотпуск).

Закалку с самоотпуском применяют, например, для таких инструментов, как зубила, кувалды, слесарные молотки, керны, которые работают с ударными нагрузками и должны сочетать высокую твердость на поверхности с повышенной вязкостью в сердцевине.

Ступенчатая закалка. При выполнении закалки по этому спо­собу сталь после нагрева до температуры закалки охлаждают в среде, имеющей температуру несколько выше точки М_н (обычно 180-250 °С), и выдерживают в ней сравнительно короткое время. Затем изделие охлаждают до нормальной темпе­ратуры на воздухе. В результате выдержки в закалочной среде достигается выравнивание температуры по сечению изделия, но это не должно вызывать превращения аустенита с образованием бейнита.

Мартенситное превращение протекает при охлаждении на воз­духе, но менее полно, чем при непрерывной закалке, вследствие чего сталь сохраняет больше остаточного аустенита. При ступен­чатой закалке уменьшаются объемные изменения вследствие при­сутствия большого количества остаточного аустенита и коробление в результате проте­кания мартенситного превращения почти одновременно во всех участках изделия и опасность появления трещин. Ступенчатую закалку чаще применяют для инструмента из углеродистых сталей диаметром не более 8-10 мм.

Изотермическая закалка. Закалку по этом