ВИДЫ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛИ

Упрочнению путем технической обработки подвергаются 8-10% общей выплавки сталей. В машиностроении объем термического передела составляет до 40% стали.

Изменяя режим охлаждения нагретой до аустенитного состояния стали, можно в широком диапазоне изменять ее дислокационно-фазовое строение и таким образом получать различные комплексы механических и других свойств. На этом, собственно, и основаны такие наиболее часто применяемые виды термообработки, как отжиг, нормализация и закалка.

ЗАКАЛКА

Исторически сложившееся понятие «закалка» предполагает такую термообработку, при которой сталь приобретает неравновесную структуру, что прежде всего выражается в повышении твердости стали. В связи с этим к закалке можно отнести термообработку на тростит, бейнит и мартенсит. Степень неравновесности продуктов закалки с увеличением скорости охлаждения повышается и возрастает от сорбита к мартенситу.

Закалка — вид термообработки изделий из металлов и сплавов, заключающийся в их нагреве выше критической температуры (температуры изменения типа кристаллической решетки, т. е. полиморфного превращения) с последующим быстрым охлаждением, как правило, в жидкости (воде или масле).

Различают закалку с полиморфным превращением — для сталей, и закалку без полиморфного превращения — для большинства цветных металлов.

Материал, подвергшийся закалке, приобретает большую твердость, но становится хрупким, менее пластичным и вязким, если сделать большее количество повторов нагревание — охлаждение. Для снижения хрупкости и увеличения пластичности и вязкости после закалки с полиморфным превращением применяют отпуск. После закалки без полиморфного превращения применяют старение. При отпуске имеет место некоторое снижение твердости и прочности материала, но одновременно повышается пластичность.

В зависимости от температуры нагрева, закалку подразделяют на полную и неполную. В случае полной закалки материал нагревают на 30-50 градусов выше линии GS для доэвтектоидной стали и эвтектоидной, для заэвтекто- идной выше линия PSK, в этом случае сталь приобретает структуру аустенит и аустенит + цементит. При неполной закалке производят нагрев выше линии PSK диаграммы, что приводит к образованию избыточных фаз по окончании закалки.

Закалку на мартенсит принято считать истинной закалкой. Важнейшим преимуществом истинной закалки является возможность получения из мартенсита за счет последующего отпуска продуктов с такими ценными комплексами свойств, которые другими видами термообработки получить невозможно.

В связи с этим истинная закалка по сравнению с другими ее видами получила более широкое применение как предварительная обработка перед следующим за ней отпуском. Режим истинной закалки включает нагрев до температуры на 30-50°С выше линии GSK (рис. 5.1) и охлаждение со скоростью не ниже критической.

Критическая скорость закалки имеет очень важное значение. От нее зависит такое технологическое свойство стали, как прокаливаемость, т. е. способность повышать твердость на определенную глубину. Чем меньше величи-

Рис. 5.1

Диаграмма фазового состояния Fe-Fe₃C

на V_k, тем на большую глубину от поверхности детали распространяется закалка (поскольку фактическая скорость охлаждения по мере увеличения расстояния от поверхности уменьшается и на каком-то удалении может оказаться меньше V_к). Критическая скорость закалки зависит от стабильности аустенита, которая, в свою очередь, определяется количеством растворенных в нем углерода и легирующих элементов.

Прокаливаемость принято оценивать с помощью специальных цилиндрических образцов по глубине залегания в них полумартенситного слоя при охлаждении торца нагретого образца струей холодной воды. Полумартенситным принято считать слой стали, содержащий 50% М и 50% Т.

Поскольку изменение скорости охлаждения от поверхности в глубь детали зависит от температуры и рода охлаждающей среды, то при оценке прокаливаемости следует учитывать и эти факторы.

Одной из целей легирования конструкционных сталей является уменьшение критической скорости закалки и получение сквозной прокаливаемости изготовленных из них деталей при закалке не только в воде, но и в более мягких охлаждающих средах (масле, теплой воде, на воздухе). От резкости охлаждающей среды зависит уровень термических и фазовых напряжений и вероятность образования трещин в детали или ее коробления. В связи с изложенным, при закалке предпочтительны более мягкие закалочные среды. На рисунке 5.2 показана температура нагрева стали при основных видах термообработки в зависимости от содержания углерода.

При закалке режущего инструмента из высокоуглеродистой стали с целью уменьшения внутренних напряжений применяют охлаждение в двух средах. При этом кратковременным в течение нескольких секунд охлаждением в воде обеспечивается переохлаждение аустенита до температуры несколько выше точки М_н. Дальнейшее охлаждение производится в мягкой среде — минеральном масле,

Рис. 5.2

Температура нагрева стали при основных видах термообработки в зависимости от содержания углерода вследствие чего мартенситное превращение происходит с меньшим уровнем возникающих внутренних напряжений. Такую закалку принято называть прерывистой, или закалкой в двух средах.