Влияние скорости охлаждения на структуру и свойства стали

Закалка – широко распространенная технология термообработки стальных изделий. Суть ее состоит в разогреве металла так, чтобы его температура достигла критическую отметку, при которой происходит изменения кристаллического строения либо начинает протекать процесс растворения фазы в матрице, сформировавшейся при низких температурных показателях детали. После этого металл резко охлаждается. В результате сталь обретает микроструктуру игольчатого типа, получившую название мартенсит. Благодаря данному явлению твердость сплава возрастает и увеличивается его износостойкость.

Температура закаливания

Основными критериями, на основе которых режимы закалки подразделяются на виды, являются температура разогревания и скорость протекания техпроцесса. Имеются также отличия по таким параметрам, как:

• временной интервал выдержки при определенных температурных показателях;
• скорость процедуры охлаждения.

В целом, по признаку «температура разогрева» закалка бывает двух типов. Рассмотрим их кратко.

Закалка полная

Полной закалкой обрабатывается сталь доэвтектоидная. Ее разогревают так, чтобы конечная температура превысила на 30°-50° критическую точку Ac3. Тогда смесь феррита с цементитом полностью трансформируется в аустенит. При дальнейшем охлаждении образуется, преимущественно, мартенситная структура.

Закаливание неполное

Процедуре неполного закаливания чаще всего подвергают стали инструментальные. Проведение термообработки данного вида преследует цель нагрева изделия до отметки начала протекания процесса формирования избыточных фаз. При этом требуется соблюдать такой температурный диапазон:

Ac1≤Т≤ Ac2, где

• Т – температура нагрева;
• Ac1, Ac2 – критические точки. В первой (+727°С) начинается перекристаллизация – перлит трансформируется в аустенит. Во второй(+768°С) α-Fе переходит в β-Fе и сталь утрачивает магнитные свойства.

При соблюдении такого температурного диапазона структура мартенсита после закалки стали сохранит некое количество феррита.
Неполная закалка заэвтектоидного сплава наиболее качественна, если изделие нагревается до отметки, превышающей Ac1 на 20°С-30°С. Тогда в процессе разогрева и остывания не будет преобразовываться цементит. Из-за этого повысится твердость мартенсита. При выходе температурных показателей нагрева детали за пределы вышеуказанного диапазона эта характеристика может, наоборот, ухудшится.

Скорость охлаждения при закалке

Структура и свойства закаленной стали в большей степени зависят не только от температуры нагрева, но и от скорости охлаждения. Получение закалочных структур обусловлено переохлаждением аустенита ниже линии PSK, где его состояние является неустойчивым. Увеличивая скорость охлаждения, можно обеспечивать его переохлаждение до весьма низких температур и превратить в различные структуры с разными свойствами. Превращение переохлажденного аустенита может идти как при непрерывном охлаждении, так и изотермически, в процессе выдержки при температурах ниже точки Ar1 (т.е. ниже линии PSK).

Влияние степени переохлаждения на устойчивость аустенита и скорость его превращения в различные продукты представляют графически в виде диаграмм в координатах «температура-время». В качестве примера рассмотрим такую диаграмму для стали эвтектоидного состава (рис 3). Изотермический распад переохлажденного аустенита в этой стали происходит в интервале температур от Ar1 (727 °С) до Мн (250 °С), где Мн -температура начало мартенситного превращения. Мартенситное превращение в большинстве сталей может идти только при непрерывном охлаждении.

Особенности охлаждения

Как известно, аустенит наименее устойчив при температуре 550°С≤Т≤650°С. А структура мартенсита формируется при создании условий для ускоренного остывания сплава до вхождения его температурного показателя именно в этот диапазон. Когда же температура попадет в зону ниже отметки +240°С, мартенситное превращение обеспечивается за счет замедленного охлаждения. Такое технологическое решение приводит к тому, что возникшие в теле металла напряжения успеют выровняться. Причем без снижения твердости сформировавшегося мартенсита.

Успешная термообработка предполагает корректный выбор среды закаливания. В качестве таковой наиболее часто применяются:

• минеральное закалочное масло;
• водный раствор поваренной соли (NаСl+Н2О) либо едкого натра (NаОН);
• собственно, вода.

Закалку стали с легирующими добавками лучше выполнять с использованием масла. Проводить эту процедуру с углеродистыми сплавами рекомендуется путем охлаждения водой.

Влияние скорости охлаждения на структуру и свойства стали

Этот вопрос удобнее выяснить на примере эвтектоидной стали (С = 0,8%). Из этой стали изготавливается серия образцов, все они нагреты до аустенитного состояния, т.е. выше 727°С и в дальнейшем каждый образец охлаждается с разной скоростью (рис. 38).

а б

Рис. 38. Диаграмма изотермического распада переохлажденного аустенита эвтектоидной стали с наложенными на нее кривыми охлаждения:

а – общий вид; б – получаемые структуры

Превращение аустенита при температурах 550°С и выше называется перлитным превращением, при 550°С…МН – мартенситным (МН – начало, МК – конец мартенситного превращения).

Перлитное превращение. В интервале температур перлитного превращения образуются пластинчатые структуры из кристаллов феррита и цементита, которые отличаются степенью дисперсности частиц Ф и Ц.

Дисперсность перлитных структур оценивается межпластинчатым расстоянием S соседних пластинок феррита и цементита (рис. 39).

Чтобы не спутать цементит с ферритом используют специальный травитель – пикрат натрия, который окрашивает цементит в черный цвет. Феррит при этом не окрашивается, т.е. остается светлым.

Рис. 39. Феррито-цементитная структура

Если превращение идет при температурах 650–670°С, то образуется перлит, S = 6·10-4 мм.

При температурах превращения 640–590°С образуется сорбит,

S = 3·10-4 мм.

При температурах превращения 580–550°С образуется троостит, S = 1´10-4 мм.

Как видно из опыта с увеличением скорости охлаждения зерна феррито-цементитной смеси измельчаются все сильнее, что резко влияет на свойства. Так, например, у перлита НВ 2000, у сорбита НВ 3000. а у троостита НВ 4200, МПа.

Промежуточное (бейнитное) превращение. В результате промежуточного превращения образуется бейнит, представляющий собой структуру, состоящую из a-твердого раствора несколько пересыщенного углеродом и частиц цементита. Бейнитное превращение сочетает в себе элементы перлитного и мартенситного превращений. В аустените образуются объемы, обогащенные и обедненные углеродом. Обедненные углеродом участки аустенита претерпевают g ® a превращение бездиффузионным путем (мартенситным). В объемах аустенита, обогащенных углеродом, при t = 400–550°С происходит выделение частиц цементита. При t < 400°С частицы цементита выделяются в кристаллах a-фазы.

Бейнит, образовавшийся при температурах 400–550°С называется верхним бейнитом, он имеет перистое строение с худшими механическими свойствами (пониженные sв, КСU и d).

При более низких температурах (ниже 400°C) образуется нижний бейнит, он имеет игольчатое строение с лучшими механическими характеристиками (большим sв, КСU и d).

Мартенситное превращение аустенита. Мартенсит – это пересыщенный твердый раствор внедрения углерода вFeα

Мартенсит образуется только из аустенита в результате сильного переохлаждения последнего со скоростью не менее критической скорости закалки (Vкр = – касательная к диаграмме, см. рис. 38, а).

Мартенситные пластины (иглы) образуются почти мгновенно, со скоростью более 1000 м/с, только в пределах аустенитного зерна и не переходят границу между зернами. Поэтому размер игл мартенсита зависит от размера зерен аустенита. Чем мельче зерна аустенита, тем мельче иглы мартенсита и структура характеризуется как крупноигольчатый или мелкоигольчатый мартенсит. Решетка мартенсита тетрагональная, т.е. периоды с > а (рис. 40).

Рис. 40. Микроструктура и кристаллическая решетка мартенсита

Механизм мартенситного превращения состоит в том, что при температурах ниже МН решетка аустенита, хорошо растворяющая углерод (до 2014%С) оказывается неустойчивой, и перестраивается в решетку Feα, способность которой растворять углерод, очень мала (до 0,02%).

Из-за большой скорости охлаждения весь углерод, находящийся в аустените (ГЦК решетка) остается зафиксировать в Feα(ОЦК решетка), где места для его размещения нет. Поэтому избыточный углерод искажает решетку, вызывает появление больших внутренних напряжений и, как следствие, твердость и прочность растут, а ударная вязкость и пластичность падают.

Аустенитно-мартенситное превращение сопровождается увеличе- нием объема. Все структуры стали можно расположить (от максимального объема к минимальному) в следующий ряд: мартенсит – троостит – сорбит – перлит – аустенит.

Отличие от перлитного превращения:

1) большая скорость превращения;

2) превращение бездиффузионное, т.е. без предварительного выде- ления углерода и образования Fe3C;

3) начинается превращение в точке МН и заканчивается в точке МК, причем положение этих точек зависит только от химического состава сплава;

4) в структуре мартенсита всегда есть небольшое количество остаточного непревращенного аустенита (до 4%);

5) решетка мартенсита тетрагональная (а = b ¹ с).

Виды термической обработки. Термической обработкой называется такая технологическая операция, при которой путем нагрева сплава до определенной температуры, выдержке при этой температуре и последующего охлаждения происходят структурные изменения, вызывающие изменения свойств металлов.

Термическая обработка проводится обычно в тех случаях, когда наблюдаются:

1) полиморфные превращения;

2) ограниченная и переменная (увеличивающаяся с температурой) растворимость одного компонента в другом в твердом состоянии;

3) изменение строения металла под влиянием холодной деформации.

Основными параметрами режимов термической обработки являются: температура и скорость нагрева, продолжительность выдержки при заданной температуре, скорость охлаждения.

Температура нагрева стали зависит от положения критических точек, вида термической обработки и назначается на основании анализа диаграммы состояния сплава.

Скорость нагрева зависит от химического состава сплава, размера и формы обрабатываемых деталей, массы садки, характера расположения деталей в печи, типа нагревательного устройства и т.д.

Выдержка при заданной температуре необходима для завершения фазовых превращений, происходящих в металле, выравнивания концентрации по всему объему детали. Время нагрева (40) складывается из времени собственного нагрева tн(2) и времени выдержки tв:

tобщ = tн + tв (40)

где tв принимается равным 1 мин на 1 мм толщины для углеродистых сталей и 2 мин для легированных.

tн = 0,1D·K1·K2·K3(41)

где D– размер наибольшего сечения (размерная характеристика); K1– коэффициент среды (для газа – 2, соли – 1, металла – 0,5); K2 – коэффициент формы (для шара – 1, цилиндра – 2, пластины – 4, параллелепипеда – 2,5); K3– коэффициент равномерного нагрева (всесторонний – 1, односторонний – 4).

Скорость охлаждения зависит, главным образом, от степени устойчивости аустенита, т.е. от химического состава стали, а также от структуры, которую необходимо получить.

В зависимости от скорости охлаждения углеродистой стали получают следующие структуры: феррит с перлитом, перлит, сорбит, тростит, мартенсит.

Согласно диаграмме состояния Fe-Fe3C, температурные точки, образующие линию PSK, обозначаются А1; линию GS – A3; линию ES – Аст. если рассматривается процесс нагрева, то перед цифровым индексом ставят букву С (АС1, АС3), а если в случае охлаждения r(Аrз, Ar1).

Углеродистые стали подвергаются следующим видам термической обработки: отжигу, нормализации, закалке и отпуску.

Отжиг стали. Цель отжига:

1) исправление структуры после горячей обработки (ковки, литья);

2) снижение твердости для облегчения обработки резанием;

3) снятие внутренних напряжений;

4) подготовка структуры к последующей термической обработке и холодной штамповке;

5) уменьшение химической неоднородности.

При полном отжиге сталь нагревается выше линии АС3 на 30–50°С, выдерживается нужное время при этой температуре и затем медленно охлаждается, как правило, вместе с печью (рис. 41).

При нагреве выше точки АС3 происходит перекристаллизация, в результате чего зерна измельчаются, внутренние напряжения устраняются, сталь становится мягкой и вязкой. Полному отжигу подвергают преимущественно доэвтектоидные стали.

В случае нагрева этих сталей ниже АС3 часть зерен феррита остается в том же виде, в каком он был до отжига (большие размеры, пластинчатая форма), что приводит к понижению вязкости стали.

При неполном отжиге сталь нагревается выше линии АС1 на 30–50°С и после выдержки медленно охлаждается вместе с печью. При неполном отжиге происходит лишь частичная перекристаллизация (перлит-аустенит). Этот вид применяется для заэвтектоидных сталей.

Нагрев этих сталей выше линии Aсm(аустенитное состояние) нецелесообразен, так как растворенный в аустените цементит при последующем охлаждении будет выделяться по границам зерен перлита в виде сетки, что резко снижает пластичность и делает сталь хрупкой.

Диффузионный отжиг (гомогенизация) применяется для выравнивания химической неоднородности по объекту кристалла в крупных отливках. Он проводится при температуре 1050–1150°С и при более длительных выдержках (10–18 ч).

Рекристаллизационный отжиг применяется при снятии наклепа и внутренних напряжений в стали после холодной обработки давлением (прокатка, штамповка, вытяжка и др.). Для углеродистых сталей этот вид отжига проводится при температуре 650–690°С. В результате чего твердость понижается, а пластичность растет.

Рис. 41. Оптимальные температуры нагрева при различных видах отжига

Нормализация стали. Вид термической обработки, состоящий в нагреве стали на 30–50°С выше линии GSE(Аcз и Аcm), выдержке при этой температуре и последующем охлаждении на спокойном воздухе называется нормализацией стали.

Цель нормализации – измельчение зерна, улучшение механических свойств, подготовка структуры для окончательной обработки (закалки и отпуска).

По сравнению с отжигом, скорость охлаждения при нормализации значительно выше, поэтому распад аустенита идет при больших переохлаждениях, что приводит к образованию мелкозернистых продуктов распада – феррита и перлита, и, следовательно, повышению твердости.

Нормализация, как вид термической обработки, применяется главным образом для низкоуглеродистых строительных сталей. Нормализацией устраняется цементитная сетка в заэвтектоидных сталях при подготовке их к закалке.

Закалка стали. Вид термической обработки, состоящий в нагреве стали до температуры выше линии АС3 (доэвтектоидной стали) или АС1 (заэвтектоидной стали) на 30–50°С, выдержке при данной температуре и последующем быстром охлаждении в воде или масле (рис. 42) называется закалкой.

Рис. 42. Оптимальные температуры нагрева под закалку углеродистых сталей

Цель закалки – повышение твердости, прочности и износостойкости стали за счет получения структуры мартенсита, имеющего характерное игольчатое строение.

Для превращения аустенита в мартенсит скорость охлаждения должна быть больше критической скорости закалки Vкр.

Критической скоростью закалки называется наименьшая скорость охлаждения, при которой весь аустенит переохлаждается до мартенситного превращения. Если скорость охлаждения будет меньше Vкр, аустенит распадается на феррито-цементитную смесь (тростит, сорбит, перлит, см. рис. 38).

Требуемая скорость охлаждения обеспечивается подбором охлаждающей среды. В производственной практике для закалки применяют воду, минеральные масла, водные растворы солей, щелочи. Основным преимуществом масел по сравнению с водой является медленное охлаждение в мартенситной области (ниже 300°С), вследствие чего закалка в масле дает меньшую деформацию, напряжения и склонность к образованию закалочных трещин.

Различают полную и неполную закалку стали. При полной закалке сталь нагревается на 30–50°С выше критической точки АС3. 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.

Недогрев доэвтектоидной стали до точки АС3 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. 43, б).

Рис. 43. Структурные превращения в доэвтектоидной стали при закалке:

а – полная закалка; б – неполная закалка

При неполной закалке заэвтектоидной стали (нагрев выше точки АС1, 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 (см.рис. 44, б). Таким образом, если для доэвтектоидных сталей неполная закалка является дефектом, то для заэвтектоидных – основным видом закалки.

Отпуск стали. Вид термической обработки, состоящий из нагрева закаленной на мартенсит стали до температуры ниже линии PSK (АС1), выдержке при этой температуре и последующего охлаждения называется отпуском.

Нагрев стали при отпуске облегчает переход из метастабильного состояния пересыщенного a-твердого раствора в более устойчивое. При отпуске с повышением температуры в закаленной стали происходит выделение углерода из мартенсита, что сопровождается уменьшением кристаллической решетки, образованием и коагуляцией (укрупнением) частичек цементита.

С повышением температуры отпуска предел прочности и твердость понижаются, а пластичность и ударная вязкость растут.

Рис. 44. Структурные превращения в заэвтектоидной стали при закалке:

а – неполная закалка; б – полная закалка

В соответствии с техническими требованиями, предъявляемыми к изделиям на практике, применяют следующие виды отпуска: низкий, средний и высокий.

Низкий отпуск характеризуется невысокими температурами нагрева (150–250°С) и применяется для изделий, где требуется высокая твердость (HRC 56–64) и износостойкость. Низкий отпуск незначительно уменьшает твердость закаленной стали и увеличивает вязкость, снимая внутренние напряжения в изделиях. Свойства стали после отпуска зависят не только от температуры нагрева, но и от продолжительности выдержки. Низкий отпуск применяют для режущего инструмента, зубил, валков, калибров, шаблонов, изделий из цементуемых сталей.

Структура сталей после низкого отпуска – отпущенный мартенсит.

Средний отпуск характеризуется нагревом закаленной стали до температуры 300–400°С и обеспечивает относительно высокую твердость HRС 40–54 и максимальный предел упругости при достаточной прочности. Этот вид отпуска применяется для пружин, рессор, штампов, ударного инструмента и т.д. Структура изделий после среднего отпуска – тростит отпуска.

Высокий отпуск осуществляется нагревом закаленной стали до 500–600°С и применяется для изделий из конструкционных сталей, подвергаемых воздействию высоких динамических, знакопеременных или статических напряжений. Структура стали после высокого отпуска сорбит отпуска.

Характеристики стали

В контексте рассматриваемой темы у стали имеются две важные характеристики.

Закаливаемость

Данная характеристика отображает факт, насколько способна сталь становиться твердой после прохождения процедуры закалки. Существуют сплавы, свойства которых в результате данной термообработки, практически, не изменяются, то есть твердость остается на недостаточном уровне. О подобном металле говорят так: «не принимает закалку».

Металлургия объясняет высокую твердость углеродсодержащего мартенсита искаженностью его кристаллических ячеек. Данный фактор затрудняет пластическую деформацию материала. Показатель твердости растет с увеличением количества углерода. В цифрах это выглядит так: величина данного параметра, устанавливаемая по методике Роквелла с содержанием в стали элемента углерод (С) на уровне:

• 0,1%, равна 30НRС;
• 0,7%, составляет 64НRС.

Но дальнейшее увеличение количества углерода в сплаве не приводит к существенному росту значения показателя твердости. Все это отображено на графике.

На нем приняты такие обозначения:

• поз. «1» – температура разогрева превышает точку Ac3;
• поз. «2» – температура разогрева изделия составляет 770°С, что выше только точки Ac1;
• поз. «3» – показатель твердости мартенсита.

Обычно не подвергаются процедуре закалки сплавы с содержанием углерода меньше 0,3% по причине их низкой степени закаливания.

Прокаливаемость

Данная характеристика говорит о глубине закаливания стали. В ходе этого техпроцесса остывание сердцевины детали происходит медленней нежели ее поверхности. Объясняется данное явление непосредственным контактом наружного слоя с охлаждающей субстанцией, забирающей тепловую энергию. Иное дело с центральным фрагментом изделия. Его тепло передается по толще металла к приповерхностному участку, а там его поглощает все та же охлаждающая субстанция.

Прокаливаемость является характеристикой производной от критической скорости закаливания. Под таковой понимается наименьшая скорость переохлаждения всего аустенита до мартенситного структурного превращения. Глубина закаливания находится в обратно пропорциональной зависимости от этого параметра. То есть, чем скорость вышеуказанного процесса меньше, тем глубже происходит закаливание металла. Это ярко проявляется на сплавах с крупными и мелкими зернами. Первые прокаливаются на большую глубину чем вторые, поскольку они отличаются небольшой критической скоростью.

Разновидности закаливания

Способов закалки металла сегодня разработано достаточно много. При выборе из них конкретного нужно учитывать:

• химический состав материала;
• конструктивные особенности изделия;
• заданный показатель твердости конечной продукции;
• условия процесса охлаждения.

Закалка в одной среде

Чтобы лучше понять особенности процедуры закаливания, рассмотрим ниже размещенное изображение. На нем показаны графики линий охлаждения, характерные различным методам такой термообработки.

Протекание закалки в одной среде отображает кривая «1». Реализуется этот метод без особых сложностей. Но применим он не ко всем стальным изделиям. В частности, могут возникнуть проблемы с деталями, отличающимися переменным сечением. Ускоренное понижение их температурных показателей приводит к:

• формированию внутренних напряжений;
• температурной неравномерности.

Совокупность этих факторов вызывает обычно коробление и растрескивание таких изделий.

При выполнении данного метода закаливания трещины могут образоваться и в деталях, изготовленных из сплавов с большим содержанием элемента углерод. В данном случае не исключены объемные трансформации структурных напряжений. Для закалки в одной среде лучше подходят изделия с простой конфигурацией, произведенные из заэвтектоидных сталей.

Закалка в двух средах

Отображает этот метод кривая «2» на выше размещенном рисунке. Закаливанию в двух средах чаще всего подвергается инструментарий, в качестве материала изготовления которого применялись стали с высоким уровнем содержания углерода. Реализуется данный способ термообработки за 2 этапа:

• изделие сначала погружается в воду, где его температура войдет в диапазон 300°С≤Т≤400°С;
• затем деталь перемещают в масляную охлаждающую рабочую среду. Там изделие находится до полного остывания.

Ступенчатое закаливание

Особенности ступенчатого закаливания отображает кривая «3». Выполняется этот способ так:

• вначале стальное изделие помещают в ванну с расплавом солей. Здесь нужно контролировать, чтобы температура охлаждающего вещества превышала температуру мартенситного превращения (это диапазон 240°С≤Т≤250°С);
• затем деталь охлаждают в масле либо на открытом пространстве в условиях естественной окружающей среды.

При ступенчатой закалке вероятность коробления либо растрескивания изделия нулевая. Подвергаются такой термообработке заготовки с сечением не более 30 мм, произведенные из сталей с легирующими добавками, а также изделия с сечением, не превышающим 8 – максимум 10 миллиметров, выполненные из углеродистых сплавов.

Закалка изотермическая

На выше размещенном рисунке термообработке данного вида соответствует кривая под номером 4. Методика ее выполнения схожа с предыдущим методом. Отличие заключается в продолжительности выдерживания сплава в ванне с расплавом солей. У закалки изотермической этот временной интервал больше.

Такое технологическое решение обеспечивает всеобъемлющий распад аустенита. На графике выдержка отображена посредством точек «a» и «б» на линии S-образной конфигурации. На скорость охлаждения сплава подвергаемого изотермическому закаливанию, никакие ограничения не устанавливаются – она может принимать значения из любого диапазона. У этого способа термообработки имеется еще одно преимущество: металл конечной продукции обретает вязкость.

Закалка светлая

Проведение закалки светлой требует использования специально оборудованной печи. В ней должна находиться защитная среда. Для получения у обрабатываемой детали светлой поверхности, не имеющей к тому же видимых изъянов, рекомендуется применять ступенчатое закаливание. По его завершении сталь подлежит охлаждению в расплаве вещества со следующей химической формулой: NаОН – это едкая щелочь. Перед процедурой закалки изделие разогревается в оборудовании, получившем название соляная ванна, наполненном хлористым натрием. Температура должна превышать точку Ac1 на 20°С-30°С. При охлаждении температура среды поддерживается в диапазоне 180°С-200°С. Она включает:

• едкий натр (NаОН) – 25%;
• едкий калий (КОН) – 75%.

Эта смесь разбавляется водой в количестве порядка шести-восьми процентов от общей массы щелочных компонентов.

Закаливание с самоотпуском

Данный метод используется в процессе производства стали инструментальной. Суть технологии – извлечение стального изделия из среды охлаждения до момента его полного остывания. После проведения этой операции в толще металла сохраняется тепловая энергия. За ее счет, собственно, и осуществляется дальнейший отпуск.

Но выполнять связанные с данной процедурой последующие действия нужно, контролируя температуру детали. Только когда эта характеристика достигнет нужного для отпуска значения, изделие перемещают в закалочную среду, где оно окончательно охлаждается.

Контроль же самого отпуска проводится на основе цветов побежалости. Они представляют собой спектр различных оттенков, появляющихся на поверхности сплава, когда на ней образуется оксидная пленка. Происходит данное явление при температуре металла, изменяющейся в диапазоне 220°С≤Т≤330°С.

Закаливание самоотпуском применяется при изготовлении молотков для каменщиков и слесарей; зубил всевозможных типов, начиная со скарпелей и заканчивая крейцмеселями; кувалд, как остро-, так и тупоносых. В общем, для инструментария, требующего высокой поверхностной твердости не в ущерб вязкости.

Методы охлаждения

При закалке стальных деталей, выполняемой с ускоренным охлаждением, вероятность появления значительных внутренних напряжений очень высокая. По этой причине возникает коробление металла. Не исключено даже его растрескивание. Предотвращение данных негативных явлений возможно путем охлаждения изделий в масляной среде, конечно, если это допускает технология их производства.

Иной подход актуален для углеродистых сталей. Охлаждать их в масле нельзя. Поэтому выполнять эту операцию нужно в воде.

Помимо охлаждающей среды важное значение с точки зрения формирования внутренних напряжений имеет методика погружения в нее обрабатываемых изделий. В данном случае руководствоваться следует такими правилами:

• погружать в закалочное вещество детали, в конструкцию которых входят тонкие и толстые фрагменты, нужно, начиная с более крупного;
• сверла, инструменты, посредством которых нарезается внутренняя резьба – метчики – в общем изделия, характеризующиеся удлиненной конфигурацией, погружать следует, не допуская отклонения их продольной оси от вертикали. Тогда они не покоробятся.

Встречаются случаи, когда требуется подвергнуть закалке лишь часть детали. Решается эта задача применением местной термообработки. Разогревается лишь нужный фрагмент изделия, а погружению в закалочную жидкость подлежит оно все полностью.

Возможные дефекты при закалке

В ходе процесса закаливания у обрабатываемых деталей могут появиться некоторые дефекты. Ниже описаны только самые значимые.

Твердость недостаточной степени

Твердость недостаточного уровня у изделия, прошедшего процедуру закаливания, чаще всего появляется, когда:

• некорректно была подобрана температура выполненной термообработки;
• скорость охлаждения была ниже указанной в технологической карте.

Например, при закаливании доэвтектоидных сталей этот дефект обычно возникает по причине сохранения в структуре сплава феррита. Происходит это явление из-за нарушения технологии. В данном случае, температура закалки просто не была доведена до значения, соответствующего точке Ac3.

Продолжая разговор о доэвтектоидных сплавах, необходимо отметить еще одну возможную причину недостаточной твердости материала. Это – перегрев. В результате образуется мартенсит, характеризующийся крупноигольчатой структурой. Такое строение не только снижает твердость металла, но и понижает его ударную вязкость. Кстати, аналогично проявляется перегрев и у заэвтектоидных сталей.

Формирование мягких пятен

Причины образования мягких пятен следующие:

• неоднородность структуры сплава;
• в ходе процесса охлаждения изделия соприкасались друг с другом;
• неравномерное охлаждение;
• присутствие на поверхности деталей пятен жира.

Для исправления этого брака закалка изделия выполняется повторно. Устранение неоднородности структуры осуществляется предварительной нормализацией.

Окисление и выгорание углерода

Обезуглероживание (так принято называть выгорание углерода при закаливании) и окисление происходят в результате взаимодействия приповерхностного слоя изделия с расплавленными солями либо печными газами. Особенную опасность совокупность этих дефектов представляет режущему инструментарию. Его стойкость понижается в разы.

Подобный брак термообработки не поддается исправлению. Единственное, что может спасти положение – это достаточный размер припуска. Тогда дефектные слои удаляются механической обработкой, причем иногда достаточно только шлифовки.

Пережог

Появляется пережог, когда температура разогрева приближается к точке плавления металла. По этой причине происходит:

• проникновение в толщу стали кислорода, сопровождающееся образованием на границах зерен оксидов;
• оплавлением материала вдоль границ зерен. Такое явление хоть и редко, но случается.

В результате нарушается сплошность сплава, что выводит его в категорию неисправимого брака. То есть для применения он непригоден.

Закалочные трещины

Причины появления закалочных трещин следующие:

• подвергалась термообработке деталь, в конструкции которой имелись резкие изменения конфигурации сечений. Именно в этих местах образуются значительные внутренние напряжения, вызывающие растрескивание;
• охлаждение проводилось чрезвычайно быстро;
• нагрев выполнялся неравномерно и тоже излишне ускоренно.

Еще один возможный вариант появления трещин – изделие подвергли процедуре отпуска с некоторой задержкой (не непосредственно после закалки) из-за которой не произошло своевременное нивелирование внутренних напряжений.

Коробление и деформация

Искажение конфигурации изделия – коробление – вызывает неравномерное охлаждение. Изменение объемных характеристик – деформация – связано со структурными преобразованиями, происходящими при термообработке. Эти дефекты закаленного сплава обусловлены различием удельных объемов сформировавшихся структур. В частности, значение данного параметра перлита меньше, чем у мартенсита. Кроме того, термические и структурные напряжения оказывают разное влияние на изменение формы различных изделий.

Чтобы предотвратить образование этих дефектов, проводить процедуру охлаждения нужно с медленной скоростью в диапазоне температур мартенситного превращения методами как изотермической, так и ступенчатой закалок.

Неполная закалка сталей

Закалка от температур, лежащих в пределах между А1 и А3 (неполная закалка), сохраняет в структуре доэвтектоидных сталей наряду с мартенситом часть феррита, который снижает твердость в закаленном состоянии и ухудшает механические свойства после отпуска. Это понятно, так как твердость феррита составляет 80НВ, а твердость мартенсита зависит от содержания углерода и может составлять более 60HRC. Поэтому данные стали обычно нагревают до температур на 30–50 °С выше А3 (полная закалка). В теории, неполная закалка сталей не допустима и является браком. На практике, в ряде случаев для избежания закалочных трещин, неполная закалка может использоваться. Очень часто это касается закалки токами высокой частоты. При такой закалке необходимо учитывать ее целесообразность: тип производства, годовую программу, тип ответственности изделия, экономическое обоснование. Для заэвтектоидных сталей закалка от температур выше А1, но ниже Асm дает в структуре избыточный цементит, что повышает твердость и износоустойчивость стали. Нагрев выше температуры Аcm ведет к снижению твердости из-за растворения избыточного цементита и увеличения остаточного аустенита. При этом происходит рост зерна аустенита, что также негативно сказывается на механических характеристиках стали.

Таким образом, оптимальной закалкой для доэвтектоидных сталей является закалка от температуры на 30–50 °С выше А3, а для заэвтектоидных – на 30–50 °С выше А1.

Скорость охлаждения также влияет на результат закалки. Оптимальной охлаждающей является среда, которая быстро охлаждает деталь в интервале температур минимальной устойчивости переохлажденного аустенита (в интервале носа с-кривой) и замедленно в интервале температур мартенситного превращения.

Стадии охлаждения при закалке

Наиболее распространенными закалочными средами являются вода различной температуры, полимерные растворы, растворы спиртов, масло, расплавленные соли. При закалке в этих средах различают несколько стадий охлаждения:

— пленочное охлаждение, когда на поверхности стали образуется «паровая рубашка»;

— пузырьковое кипение, наступающее при полном разрушении этой паровой рубашки;

— конвективный теплообмен.

Более подробно про стадии охлаждения при закалке можно прочитать в статье «Характеристики закалочных масел»

Кроме жидких закалочных сред используется охлаждение в потоке газа разного давления. Это может быть азот (N2), гелий (Не) и даже воздух. Такие закалочные среды часто используются при вакуумной термообработке. Здесь нужно учитывать факт возможности получения мартенситной структуры — закаливаемость стали в определенной среде, т. е. химический состав стали от которого зависит положение с-кривой.