Закалка с обработкой стали холодом

В высокоуглеродистых и легированных сталях после закалки обычно остается аустенит, т.к. в этих сталях точка Мк лежит ниже 0⁰С. Аустенит понижает твердость, износостойкость. Кроме того, остаточный аустенит со временем самопроизвольно превращается в мартенсит, что приводит к увеличению размеров, поэтому в структуре точных деталей остаточный аустенит после закалки крайне нежелателен.

Для устранения остаточного аустенита после закалки охлаждение продолжается до минусовых температур, т.е. обработка холодом продолжает закалочное охлаждение, прерванное при комнатной температуре (см. рис. 8.9). Обычно для обработки холодом требуются температуры не ниже -80⁰С. Предложена обработка холодом А.П. Гуляевым в 1937 году.

Обработка холодом широко применяется, например, при закалке быстрорежущей стали (количество остаточного аустенита в такой стали достигает 30-40%), а также в случае конструкционных легированных сталей после цементации для устранения остаточного аустенита в высокоуглеродистом цементованном слое. Аустенит остаточный у таких деталей уменьшает твердость, приводит к образованию трещин во время шлифования, а также приводит к заклиниванию в точных сопряженных парах. Обработке холодом широко подвергают инструмент, особенно точный мерительный.

Отпуск

Закаленная углеродистая сталь характеризуется не только высокой твердостью, но и очень большой склонностью к хрупкому разрушению. Для увеличения вязкости и уменьшения закалочных напряжений после закалки применяют отпуск.

Отпуск – термическая обработка, заключающаяся в нагреве закаленной стали до температуры ниже критической точки Ас₁ , выдержке и последующем охлаждении на воздухе. Общая тенденция состоит в том, что твердость с повышением температуры отпуска падает так же, как и другие показатели прочности ( , ), тогда как показатели пластичности ( ) возрастают. Однако изменение свойств не монотонно.

Зависимость падения твердости от температуры нарушается в районе 200-250⁰С, т.е. при превращении остаточного аустенита в мартенсит. При этих температурах падение твердости замедляется, а в высокоуглеродистых и

Рис. 8.9 Схема применения обработки холодом при закалке легированных сталей.

легированных сталях наблюдается даже некоторое повышение вследствие большого количества в этих сталях остаточного аустенита.

Отпуск при 300⁰С приводит к повышению предела прочности и предела упругости, поэтому такой отпуск назначается рессорам, пружинам и др. подобным деталям.

Наибольшая пластичность и вязкость соответствует отпуску при 600-650⁰С, когда весь комплекс механических свойств выше, чем у отожженной стали. Отпуск выше 650⁰С уже не повышает пластичность. Высокий комплекс механических свойств сорбита отпуска по сравнению с сорбитом закалки объясняется различным строение: сорбит отпуска имеет зернистое, а сорбит закалки пластинчатое строение феррито-цементитной смеси. При равной прочности пластичность, вязкость и предел упругости у зернистых феррито-цементитных смесей выше, чем у пластинчатых.

Двойная термическая обработка. Состоящая в закалке с последующим высоким отпуском, существенно улучшающая общий комплекс механических свойств, является основным видом термической обработки конструкционных сталей и называется улучшением. Максимум ударной вязкости достигается при отпуске 600⁰С.

Свойства стали после отпуска не зависят от скорости охлаждения (если стали не подвержены отпускной хрупкости II рода, см. в разделе «Легированные стали»), а определяются температурой и продолжительностью отпуска, но ускоренное охлаждение после отпуска может создать термические напряжения, поэтому желательно охлаждать медленно, за исключением особых случаев.

По температуре нагрева различают низкий, средний и высокий отпуск.

Низкий отпуск на отпущенный мартенсит (120-250⁰С) широко применяют после закалки инструментов, цементованных и цианированных изделий и после поверхностной закалки. Температуру низкого отпуска выбирают такой, чтобы твердость и износостойкость не снизились или слабо снизились. Выдержка при температуре низкого отпуска 1-3 часа.

Средний отпускна троостит (350-450⁰). Назначается, когда необходимо сочетание высокой прочности, упругости и вместе с тем достаточной вязкости. Среднему отпуску подвергают пружины, рессоры, ударный штамповый инструмент.

Высокий отпуск на сорбит (450-650⁰) широко применяют к изделиям, которые должны обладать не только достаточной прочностью, но и хорошей сопротивляемостью ударным нагрузкам.

Закалку с высоким отпуском (улучшение) обычно применяют к среднеуглеродистым сталям, содержащим от 0,35 до 0,6% С.

Качество закалки сильно сказывается на свойствах стали после высокого отпуска – вся деталь насквозь после закалки должна иметь структуру мелкоигольчатого мартенсита. Если деталь прокаливалась не насквозь, то внутренние слои при одинаковой твердости будут иметь меньшую ударную вязкость, т.к. будут содержать пластинчатый цементит, а наружные слои – точечный или зернистый. Если в мартенситной структуре имеются включения феррита, то понижается не только ударная вязкость, но и предел прочности, твердость и особенно усталостная прочность. Поэтому такие детали как шатуны, ответственные болты и др., работающие, в основном, на растяжение, должны после закалки иметь в сердцевине 90% мартенсита, чтобы после высокого отпуска деталь насквозь состояла из сорбита отпуска.

Иногда закалку и отпуск совмещают в одной операции, которую называют закалкой с самоотпуском. Изделие кратковременно погружают в воду или обрызгивают водой. Поверхностный слой закаливается на мартенсит и затем отпускается за счет тепла внутренних слоев изделия.

Нормализация

Нормализация заключается в нагреве доэвтектоидной стали до температуры, превышающей точку Ас₃ на 30-50⁰С, а заэвтектоидной стали – выше Асm ( до аустенитного состояния), выдержке и последующего охлаждения на спокойном воздухе. Нормализация вызывает полную фазовую перекристаллизацию стали и устраняет крупнозернистую структуру, полученную при литье, прокате, ковке или штамповке.

В связи с этим нормализацию широко применяют для измельчения аустенитного зерна вместо полного отжига, т.к. нормализация более дешевая термическая операция. В заэвтектоидной стали полным отжигом нельзя устранить цементитную сетку, поэтому применяют нормализацию, в процессе которой цементит выделяется в виде отдельных мелких включений.

В средне и высокоуглеродистой стали нормализация повышает твердость и прочность на 10-15% по сравнению с отжигом, т.к. охлаждение на воздухе (более ускоренное, чем с печью при отжиге) приводит к распаду аустенита при более низких температурах, что повышает дисперсность феррито-цементитной смеси, в результате получается структура сорбита закалки. По сравнению с улучшенным состоянием (со структурой сорбита отпуска) нормализованная сталь имеет меньшую пластичность и вязкость, поэтому для ответственных деталей следует все же применять улучшение.

Для легированных сталей нормализация приводит к получению структуры троостита и даже мартенсита. Высоколегированные стали, получающие закалку при охлаждении на воздухе, называются самокалами.

Таким образом, нормализацию чаще всего применяют как промежуточную операцию для смягчения стали перед обработкой резанием, устранения пороков строения и общего улучшения структуры перед закалкой. Нормализацию используют и как окончательную обработку средне и высокоуглеродистых доэвтектоидных сталей, если требования к свойствам умеренные и необязательна закалка с высоким отпуском.

Скорость охлаждения на воздухе зависит от массы изделия и отношения его поверхности к объему, вследствие чего эти факторы сказываются на получаемой структуре и свойствах нормализованной стали.