Закаливаемость и прокаливаемость стали

Под закаливаемостью понимают способность стали повышать твердость в результате закалки.Твердость закаленной стали – мартенсит – зависит, в основном, от содержания углерода (рис. 8.5). Углерод оказывает столь сильное упрочняющее влияние на мартенсит, что твердость закаленной стали практически не зависит от содержания легирующих элементов, растворенных в мартенсите по типу замещения, а определяется только концентрацией углерода.

Под прокаливаемостью подразумевают глубину проникновения закаленной зоны.При охлаждении стали в процессе закалки поверхность охлаждается намного быстрее сердцевины. Если действительная скорость охлаждения в сердцевине будет меньше критической для данной стали, то сквозной закалки не получится. В сердцевине из аустенита может получиться вся гамма структур: от мартенсита на поверхности структура плавно переходит к тростомартенситу, затем трооститу и сорбиту до перлита в центре массивной детали.

На рис. 8.6 изображена кривая распределения скоростей охлаждения по диаметру цилиндрического образца в сопоставлении с критической скоростью.

Как видно из рисунка 8.6, увеличить прокаливаемость можно двумя способами: или повышать охлаждающую способность закалочной среды, т.е. увеличивать скорость охлаждения, или уменьшать критическую скорость охлаждения материала детали. На рис. 8.6 стрелками показано направление изменения кривых 1 и2 в случае повышения прокаливаемости. Когда кривая 1 станет выше прямой 2, прокаливаемость станет сквозной.

Увеличение скорости охлаждения деталей для увеличения прокаливаемости нецелесообразно, т.к. это может привести к высоким термическим напряжениям и, значит, браку, поэтому обычно для получения сквозной прокаливаемости на деталях большого сечения используются стали с низкой критической скоростью охлаждения.

Критическая скорость охлаждения зависит от всех факторов, влияющих на скорость распада аустенита, при этом С-кривые должны сдвигаться вправо.

Очень сильно на критическую скорость, т.е. на прокаливаемость, влияет химический состав аустенита. С повышением концентрации углерода в аустените он делается устойчивее, критическая скорость закалки уменьшается. Наименьшей критической скоростью, т.е. наилучшей прокаливаемостью, обладают стали, состав которых близок эвтектоидному. Стали, содержащие до 0,3% С, имеют очень высокую критическую скорость, так что даже в воде такие стали практически не закаливаются, мартенситная структура получается только в очень тонких сечениях (рис. 8.7). Повышение критической скорости у заэвтектоидных сталей объясняется тем, что они закаливаются не из аустенитной, а из аустенитно-цементиной области (неполная акалка). Частицы элемента, являясь затравкой для перлитного превращения, уменьшают устойчивость переохлажденного аустенита, т.е. прокаливаемость (рис. 8.7).

Рис. 8.6 Схема охлаждения детали по сечению при закалке. 1 - Кривая распределения скоростей охлаждения по диаметру детали; 2 – Критическая скорость охлаждения. Заштрихованный слой закаленный (мартенсит).

Все легирующие элементы, растворенные в аустените (кроме кобальта), сдвигают С-кривые вправо, т.е. уменьшают критическую скорость закалки и улучшают прокаливаемость. Для этой цели широко используют добавки марганца, никеля, хрома и молибдена. Особенно эффективно комплексное легирование, при котором полезное влияние отдельных элементов на прокаливаемость взаимно усиливается. Например, для стали, содержащей 0,4% С и 3,5% Ni критическая скорость составляет 150⁰/с., а добавление 0,75% Мо снижает эту скорость примрно до 4⁰/с.

Нерастворенные частицы(карбиды, оксиды, интерметаллические соединения) ускоряют превращение, т.к. являются дополнительными центрами кристаллизации и увеличивают число центров при превращении А→П, т.е. снижают прокаливаемость.

Неоднородный аустенитбыстрее превращается в перлит, прокаливаемость в этом случае уменьшается.

Размер зерна аустенитатакже влияет на прокаливаемость. Увеличение размера зерна замедляет превращение, т.к. в этом случае уменьшается число центров перекристаллизации, которые образуются по границам зерен. Таким образом, с ростом зерен аустенита прокаливаемость увеличивается.

Рис. 8.7 Зависимость критической скорости охлаждения от содержания углерода.

Для практической оценки прокаливаемости пользуются величиной, которая называется критическим диаметром.

Критический диаметр (Д_к) – это максимальный диаметр цилиндрического прутка, который прокаливается насквозь в данном охладителе, например, есть Д_кв (в воде), Д_км (в масле). Д_кв всегда больше, чем Д_км.

В таблице 8.2 приведены значения Д_к для некоторых сталей в разных охлаждающих средах.

Таблица 8.2

Как влияет прокаливаемость на свойства стали?

При отпуске в сердцевине из мартенсита получаются зернистые структуры (сорбит отпуска, тростит отпуска). Зернистые феррито-цементитные смеси одинаковой твердости обладают более высокими значениями , , а_н (предел текучести, относительное сужение и ударная вязкость), чем пластинчатые (сорбит и тростит закалки). В связи с этим насквозь прокаленное сечение после закалки и отпуска будет обладать высоким комплексом механических свойств. Поэтому для ответственных деталей, таких как пружины, рессоры, шатуны, ответственные болты необходимо обеспечивать полную прокаливаемость по всему сечению – иметь 90% мартенсита в центре заготовки.

Увеличивают прокаливаемость, в основном, легированием. Применение легированной стали, во-первых, обеспечивает сквозную прокаливаемость в больших сечениях, которые невозможно прокалить насквозь, если использовать углеродистую сталь (см. табл. 8.2). Во-вторых, замена углеродистой стали легированной позволяет перейти к менее резкому закалочному охлаждению в эмульсии, масле или даже на воздухе, что предотвращает коробление и трещины, особенно в деталях сложной формы или массивных сечениях.

Способы закалки

Чем сложнее форма детали, тем тщательнее следует выбирать условия охлаждения, т.к. у такой детали при быстром охлаждении возникают высокие напряжения из-за перепадов сечения.

Чтобы уменьшить внутренние напряжения при закалке, избежать возникновения деформаций, трещин и в то же время получить нужные свойства, применяют различные способы охлаждения. В зависимости от способа охлаждения различают следующие виды закалки: 1) непрерывная закалка; 2) прерывистая закалка; 3) ступенчатая закалка; 4) изотермическая закалка.

Непрерывная закалка(см. рис. 8.8) получила наиболее широкое применение, т.е. детали охлаждают в одном охладителе.

Во многих случаях, особенно для изделий сложной формы и при необходимости уменьшения деформации, применяют и другие способы закалки.

Рис. 8.8 Кривые охлаждения для различных способов закалки (1-непрерывная; 2-прерывистая; 3-ступенчатая; 4-изотермическая)

Прерывистая закалка(в двух средах). Изделие, закаливаемое по этому способу, сначала быстро охлаждают в воде до температуры несколько выше точки Мн, а затем быстро переносят в менее интенсивный охладитель (например, в масло или на воздух), в котором оно охлаждается до 20⁰С. Такой способ закалки называют закалкой через воду в масло.

Быстрое охлаждение в воде предотвращает перлитное превращение, а последующее замедленное охлаждение в масле уменьшает закалочные напряжения в мартенситном интервале.

Этот способ широко применяют при закалке инструмента из высокоуглеродистой нелегированной стали, т.к. при непрерывной закалке в воде у такой стали обычно образуются трещины.

Недостатком прерывистой закалки является трудность определения момента переброса из воды в масло. Этот способ требует от термиста достаточной квалификации.

Другой способ уменьшения закалочных напряжений – ступенчатая закалка. Нагретое до температуры закалки изделие быстро погружают в ванну с горячей средой, а затем после некоторой выдержки выдают на воздух или погружают в холодное масло (см. рис. 8.8) Температуру горячей среды (температуру «ступеньки») выбирают вблизи мартенситной точки (на 20-30⁰С выше нее) в области высокой устойчивости переохлажденного аустенита. Время выдержки на «ступеньке» не должно приводить к превращению аустенита в бейнит. При выдержке в горячей среде происходит выравнивание температуры по сечению изделия. Мартенситное превращение после этой выдержки происходит при медленном охлаждении и одновременно по всему объему, что уменьшает закалочные напряжения. После извлечения из горячей среды изделие некоторое время пластично, и его можно править для устранения коробления. Это особенно ценно для тонких и длинных изделий, при закалке которых даже в горячей среде неизбежно коробление. Наилучшие результаты дает правка персом. Правка может продолжаться при охлаждении ниже точки Мн, т.к. непосредственно в момент мартенситного превращения (но не после его окончания) пластичность повышена.

Основной недостаток ступенчатой закалки – малая скорость охлаждения в горячей среде. Поэтому применение ступенчатой закалки к углеродистым сталям ограничено изделиями небольшого сечения (до 8-10 мм толщиной). Изделия из легированных сталей, у которых меньше критическая скорость охлаждения, можно подвергать ступенчатой закалке в больших сечениях. Особенно широко ступенчатой закалке подвергаются изделия из инструментальной хромистой стали (ШХ15, ХВГ и 9ХС).

При ступенчатой закалке используют три группы горячих сред: минеральные масла, расплавы солей (селитра) и расплавы щелочей.

Изотермическая (бейнитная) закалка.Закалку по этому способу выполняют, в основном, так же, как ступенчатую (рис. 8.8), но выдержка на «ступеньке» дается такой продолжительности, чтобы аустенит полностью превратился в нижний бейнит, поэтому эта «закалка» не является истинной, т.к. не приводит к получению мартенсита.

Применяется такой вид термообработки для легированных сталей, при этом остается 10-20% остаточного аустенита, обогащенного углеродом. В этом случае обеспечивается высокая прочность при достаточной вязкости. Изотермическая закалка, например, широко применяется для закалки рессор.