Закалка

 

Сущность и назначение закалки

Закалкой называется нагрев стали до температуры выше фазовых превращений, выдержка при этой температуре и быстрое охлаждение со скоростью больше критической.

Минимальная скорость охлаждения при которой  аустенит  превращается в мартенсит  без структур перлитного типа,  называется критической скоростью закалки. При совмещении кривых  охлаждения с диаграммой  изотермического превращения  критическая скорость  охлаждения проводится по касательной к  С – образной кривой (рис.1).

наложение критической скорости охлаждения на диаграмму изотермического превращения

   В результате закалки из аустенита образуется неустойчивая, метастабильная структура  мартенсит. Мартенсит  представляет собой пересыщенный твердый раствор углерода  в α – железе.

Содержание углерода в мартенсите такое же, как в исходном аустените.  Из-за высокого содержания углерода кристаллическая решетка α – железа сильно искажается.

Мартенсит имеет тетрагональную кристаллическую решетку (рис.2),

кристаллическая решетка мартенсита

 в которой параметр с больше параметра а. Отношение с/а >1  называется степенью тетрагональности.  С увеличением содержания углерода степень тетрагональности растет (рис.3).

параметры и степень тетрагональности решетки мартенсита в зависимости от содержания углерода

При содержании в мартенсите 1,5 % С отношение равно 1,06.

Мартенсит имеет высокую твердость HV850. Твердость мартенсита тем выше, чем больше в нем углерода (рис 4).

твердость мартенсита в зависимости от содержания углерода

Кроме того, такая высокая твердость объясняется также наличием большего числа нарушений  кристаллического строения, возникающих в процессе его образования.

Аустенит превращается в мартенсит в том случае, когда диффузионные процессы полностью подавляются, т.е.  становятся невозможными.

Мартенситное превращение носит  бездиффузионный  характер, т.е. оно не  сопровождается перераспределением углерода.

При мартенситном превращении происходит  лишь перестройка  кубической  гранецентрированной решетки  аустенита в кубическую объемно-центрированную решетку  α – железа без выделения из раствора  углерода, что приводит к искажению кубической решетки до тетрагенальной.

Превращение аустенита в мартенсит  начинается при определенной температуре, называемой температурой начала  мартенситного превращения и обозначаемой Мн. Для того чтобы мартенситное  превращение протекало, необходимо непрерывное  охлаждение  аустенита ниже  точки Мн. Если охлаждение прекратить, то превращение  аустенита в мартенсит остановится.

По достижении определенной температуры  дальнейшее  превращение  аустенита в мартенсит  прекращается. Эта температура называется концом мартенситного превращения и обозначается Мн. Положение температур (точек) Мн и Мк не зависит от скорости охлаждения и определяется химическим составом стали. Чем больше углерода в аустените,  тем ниже располагаются  эти температуры (рис.5.а). Все легирующие элементы,  за исключением кобальта  и алюминия,  понижают  точки Мн и Мк (рис.5.б).  Мартенситное превращение характеризуется  весовой скоростью роста зародышей. Скорость роста лежит  вы пределах 1000- 7000 м/с.

положение температур начала и конца мартенситного превращения в зависимости от химического состава стали

   Первые кристаллы мартенсита,  представляющие собой  пластины, обычно  ориентированы один по отношению к другому под углом 60 или 120ᴼ. Следующие кристаллы  располагаются  или параллельно первым, или  в виде  зигзагов (рис.6).

микроструктура мартенсита

Размеры пластинок мартенсита  определяются  величиной исходного зерна  аустенита.  Чем больше зерно  аустенита, тем  крупнее пластины мартенсита. В плоскости  шлифа  пластины имеют  вид игл, поэтому в  микроскопе видна игольчатая  структура.

В структуре закаленных сталей и безуглеродистых сплавов на основе  железа обнаружено два типа мартенсита6 реечный (пакетный) и двойникованный (пластинчатый). Реечный  мартенсит (иногда его еще называют массивным, недвойникованным) образуется в закаленных малоуглеродистых и среднеуглеродистых сталях. Кристаллы этого мартенсита имеют  форму одинаково  ориентированных  тонких пластин, сложенных  одна к другой и образующих  почти равноосный пакет.

Ширина пластин в пакете лежит  в пределах  от нескольких микрон до долей микрона.  Плотность дислокаций в реечном мартенсите составляет 1011-1012 см-2.

Пластинчатый мартенсит (иногда называют игольчатым, двойниковым)  образуется  в высокоуглеродистых сталях. Соседние пластинки  не параллельны  между собой. После закалки  между пластинками  мартенсита  при комнатной температуре  сохраняется  остаточный аустенит. Плотность дислокаций в  пластинчатом мартенсите значительно меньше, чем в реечном и составляет 109-1010 см-2. На рис. 7  показано, как изменяется  положение точки Мн , количество реечного мартенсита и количество остаточного  аустенита  с увеличением  содержания углерода. Следует отметить, что  реечный мартенсит более пластичный, чем пластиночный.

влияние углерода Мн количество остаточного аустенита и количество реечного мартенсита

Выбор температуры закалки

Результаты закалки во многом зависят  от правильного выбора температуры нагрева для закалки.

Доэвтектоидные стали  для закалки  следует нагревать до  температуры  на 30-50 ᴼ С выше  Ас3 (рис. 8).

интервал закалочных температур углеродистых сталей

В этом случае сталь  с исходной  структурой перлит + феррит нагревается  до  аустенитного состояния  и при охлаждении  со скоростью  больше критической  получается  мартенсит. Такая закалка называется полной. Если доевтектоидную сталь  нагреть выше Ас1, но не ниже Ас3, то в ее структуре  после закалки наряду  с  мартенситом будут участки феррита. Присутствие феррита как мягкой составляющей снижает твердость стали  после закалки. Такая закалка называется неполной.  Следовательно, все доэвтектоидные стали подвергаются полной закалке.

Заэвтектоидные стали нагревают для  закалки на 50-70 ᴼ С выше Ас1. При этих температурах  в стали  наряду с аустенитом имеется цементит.  Поэтому после закалки в структуре  эвтектоидных сталей будет  мартенсит с цементитом и небольшое количество остаточного  аустенита. Остаточный аустенит, как структурная составляющая, характерен для всех закаленных  заэвтектоидных  сталей.

Если заэвтектоидную сталь нагреть  для закалки  выше Астn, то в структуре ее будет  крупноигольчатый   мартенсит с повышенным количеством остаточного  аустенита. Присутствие остаточного аустенита в структуре  стали  снижает ее твердость.

Все заэвтектоидные стали подвергают  неполной закалке.

Время нагрева деталей зависит  от конструкции  нагревательного устройства. При нагреве  в электрических  воздушных печах скорость нагрева составляет 0,8-1 мин на 1 мм сечения.  Скорость нагрева в  соляной ванне в два  раза выше, чем в электрической печи, а в расплавленном металле (свинце) в три- четыре раза.

По достижении заданной температуры нагрева  проводят выдержку для полного прогрева деталей по сечению,  для завершения всех фазовых превращений и  выравнивания состава аустенита по объему.  Чем выше температура нагрева, тем меньше  продолжительность выдержки.  Время выдержки  часто  принимают  равным 1/5 от  времени нагрева.

 

Закалочные среды  

Охлаждающая (закалочная0 среда должна обеспечить высокую  скорость охлаждения при температурах  наименьшей устойчивости  переохлажденного аустенита (650-550 ᴼ С), чтобы предупредить  его распад  на ферритно-цементитную смесь.

В интервале  температур  мартенситного превращения (Мнк) целесообразно  медленное охлаждение с целью уменьшения внутренних напряжений.

В качестве закалочных сред для углеродистых сталей, имеющих высокую критическую скорость охлаждения, применяют воду и различные водные растворы, а для  легированных сталей, имеющих  небольшую  критическую  скорость охлаждения, используют  масло и воздух.

При погружении нагретой детали в воду или масло различают  три стадии охлаждения (рис.9).

три стадии охлаждения при закалке

   На первой стадии А вокруг нагретой детали  возникает паровая рубашка, через  которую  осуществляется  отвод тепла. Скорость отвода в  этом случае мала.  Первая стадия  называется стадией пленочного кипения;

На второй стадии В паровая рубашка разрушается  и жидкость вступает в контакт с  нагретой деталью,  образуя на ее поверхности  пузырьки.  Охлаждение в этот период происходит  с большой скоростью. Эта стадия называется стадией пузырькового  кипения;

При дальнейшем охлаждении ниже  температуры кипения отвод  тепла осуществляется  за счет конвекции с небольшой  скоростью – стадия С.

Закалочная жидкость охлаждает тем интенсивнее,  чем шире интервал  пузырькового кипения, т.е. чем выше  температура  перехода от первой стадии охлаждения ко второй и ниже  температура  перехода от второй стадии  к третьей.

В табл.1 приведен  примерный температурный интервал пузырькового кипения  и относительная скорость охлаждения в середине этого интервала для различных сред.

Вода как закалочная среда имеет большую скорость  охлаждения, но обладает рядом недостатков:  охлаждающая способность воды резко снижается при повышении  ее температуры (см. табл.1),  вода имеет высокую  скорость охлаждения при температурах образования мартенсита.

Добавка к воде солей, соды, щелочей сильно  изменяют ее закаливающую способность. В таких  растворах расширяется  интервал пузырькового кипения, ускоряется  и делается более равномерным охлаждение в этом  интервале. Охлаждающая способность водных растворов  солей и щелочей менее чувствительна к колебаниям температуры.

Таблица 1   Характеристика различных  охлаждающих сред

Охлаждающая средаТемпературный интервал пузырькового кипения, ᴼ С.Относительная интенсивность охлаждения в середине интервала  пузырькового кипения
Вода, 20ᴼС400-1001
Вода, 40ᴼС350-1000,7
Вода, 80ᴼС250-1000,2
Раствор 10% -ного NaCl в воде  при 20 ᴼ С650-1003,0
Раствор 50% -ного NaОН в воде  при 20 ᴼ С650-1001,0
Масло минеральное, 20-200ᴼ С500-2500,3

 

 

Минеральное масло охлаждает  медленнее и более равномерно, чем вода и водные растворы. Оно применяется при  охлаждении стали в интервале  температур  мартенситного превращения. Охлаждающая способность  масла не изменяется с повышением температуры от 20  до 150 ᴼ С.

 

К недостаткам масла относятся его огнеопасность  и загущение с течением времени, что ухудшает его  закаливающую способность.  Кроме того,  масло пригорает к поверхности детали и образует налет (пригар).

 

Способы закалки

Оптимальный способ закалки выбирают в зависимости от  состава стали, формы и размеров детали. Чем больше углерода в стали, тем больше объемные изменения, тем при более низкой температуре происходит  превращение аустенита в мартенсит, тем больше  вероятность образования  трещин, тем тщательнее нужно выбирать  способ охлаждения.

Чем сложнее деталь, тем  больше  различие в сечениях  детали, больше величина внутренних  напряжений, возникающих при охлаждении.

Существуют следующие способы закалки (рис. 10).

схема различных способов закалки

Закалка в одном охладителе  а  получила  наиболее широкое применение. Нагретую до  определенной температуры  деталь погружают  в закалочную  среду, где она остается до  полного охлаждения. Этот способ  применяют для деталей простой формы из углеродистых  и легированных сталей. Детали из углеродистых сталей  диаметром  более 5 мм охлаждаются в воде, а менее – в масле. Легированные стали  охлаждают в масле.

С целью уменьшения внутренних напряжений детали иногда перед погружением в закалочную жидкость  некоторое время охлаждают на воздухе, подстуживают.  Такой способ закалки называется  закалкой с  подстуживанием. При подстуживании необходимо, чтобы  температура детали не  опускалась ниже  точки  Ак3 для конструкционных  сталей и ниже точки Аr1 для инструментальных. Цель этого способа  закалки – уменьшение  внутренних  напряжений и  коробления деталей,  особенно цементованных.

   При закалке в двух средах  б нагретую деталь  сначала  охлаждают  в воде до температуры несколько выше Мн а затем  быстро  переносят в другую среду (масло, селитру или на воздух), где она  охлаждается  до 20ᴼ С. Во второй  закалочной среде  уменьшаются  внутренние напряжения, связанные  с превращением  аустенита в мартенсит.  Этот способ применяется при  закалке  высокоуглеродистых сталей и требует от  калильщика  высокой квалификации, так как трудно  установить и отрегулировать время  выдержки детали в воде. Обычно оно очень мало и исчисляется секундами (3-4 сек).

При ступенчатой закалке  в  нагретая деталь охлаждается в закалочной среде, имеющей  температуру  несколько выше точки Мн (обычно  230-250ᴼ С),  и выдерживается в ней до выравнивания температуры по  всему сечению. Выдержка не должна быть  очень длительной, чтобы не вызвать   превращения аустенита в бейнит. Затем следует окончательное охлаждение на воздухе, во время которого происходит  превращение аустенита в мартенсит. При ступенчатой закалке уменьшаются  объемные изменения, коробление и опасность  возникновения трещин.

Правку и рихтовку изделий, склонных к короблению,  осуществляют в период охлаждения на воздухе.

Ступенчатая закалка для углеродистых сталей применима  лишь для изделий диаметром не более 10-12 мм, а для легированных сталей – до 20-30 мм.

Изотермическая закалка г  выполняется так же, как и ступенчатая, но выдержка в закалочной  среде более продолжительна. При такой  выдержке  происходит  изотермический распад аустенита с  образованием бейнита. Продолжительность выдержки в закалочной  среде зависит от устойчивости  переохлажденного  аустенита  при температурах выше Мн и определяется  по диаграмме  изотермического превращения аустенита для  каждой марки стали.  В основном изотермической  закалке подвергают  легированные стали.

В качестве  охлаждающих сред при ступенчатой  и изотермической закалке применяют  расплавленные соли (например, 55% KNO3 и 45% NaNo2) или расплавленные  щелочи  (20%NaOH и 80% КОН).  Добавка 5-10% воды в расплав щелочей и солей  увеличивает  скорость  охлаждения.

При закалке с самоотпуском  нагретую деталь рабочей частью погружают в воду и вынимают  после  кратковременной выдержки. За счет тепла той части  детали, которая не погружалась в воду,  рабочая часть  изделия  нагревается. Температуру нагрева определяют  по цветам побежалости.  Дальнейший нагрев прерывают   немедленным охлаждением всей детали в воде.

Появление цветов побежалости при отпуске в  интервале 200-300ᴼ С объясняется тем, что на чистой (полированной, шлифованной) поверхности возникают  тонкие слои окислов. Цвет слоя окислов зависит  от его толщины.

Закаливаемость и прокаливаемость стали

Под  закаливаемостью  понимают способность  данной  стали приобретать  высокую твердость в результате  закалки. Закаливаемость зависит  в основном от  содержания углерода в стали. Чем больше углерода в стали, тем выше ее твердость после закалки.

Под прокаливаемостью понимают  способность стали образовывать  мартенситную или  троотомартенситную структуру на определенную глубину.

Прокаливаемость стали зависит от  устойчивости  переохлажденного аустенита, а следовательно, и от  критической скорости охлаждения.

Если действительная скорость охлаждения  сердцевины изделия будет больше критической скорости  охлаждения, то сталь будет иметь  сквозную прокаливаемость, т.е. по  всему  сечению стали  будет структура мартенсит (рис.   11).

зависимость прокаливаемости от критической скорости охлаждения

Но если действительная скорость  охлаждения в сердцевине будет  меньше критической  скорости, то в  этом случае  в сердцевине произойдет распад  аустенита на ферритно-цементитную смесь (троостит,  сорбит или перлит).  Значит,  прокаливаемость тем выше,  чем меньше критическая скорость  охлаждения.

Устойчивость переохдажденного аустенита и критическая скорость  закалки  взаимосвязаны. Чем больше  устойчивость  переохлажденного  аустенита, тем меньше  критическая скорость закалки (рис.12).

зависимость прокаливаемости от устойчивости переохлажденного аустенита

Величина критической скорости закалки у стали ׀ меньше, чем  у стали ׀׀,  а устойчивость переохлажденного аустенита у стали ׀ больше, чем у стали ׀׀. Следовательно,  чем выше  устойчивость  переохлажденного аустенита, тем  больше прокаливаемость.

Рассмотрим основные  факторы, влияющие на устойчивость  переохлажденного аустенита.

Химический состав стали.  Все легирующие элементы, растворимые в аустените ( за исключением  кобальта), повышают  устойчивость переохлажденного аустенита, а следовательно,  повышают прокаливаемость. Поэтому все легированные стали обладают более высокой прокаливаемостью, чем углеродистые.

Размер наследственного зерна. Аустенит при  нагреве стали может иметь  крупное или мелкое  зерно.  При закалке стали по границам  зерен аустенита  появляются центры превращения. Суммарная  протяженность  границ зерен на единицу объема  в крупнозернистой стали меньше, чем в мелкозернистой, а следовательно, центров распада  в крупнозернистой стали будет  меньше, а устойчивость аустенита выше.  Вследствие  этого прокаливаемость  крупнозернистой стали выше, чем   мелкозернистой.

Однако,  несмотря на более высокую прокаливаемость крупнозернистой стали, на практике для  ответственных деталей  применяют  наследственно мелкозернистые стали, обладающие более высокой  ударной вязкостью. Для повышения прокаливаемости в них вводят хром,  марганец, кремний; а также бор в количестве 0,003 – 0,005%.

Включения, нерастворенные в аустените. К таким  включениям относят карбиды, оксиды, неметаллические включения и интерметаллы. Так как  названные включения представляют собой дополнительные центры превращения аустенита, то при значительном количестве они способствуют  понижению устойчивости  переохлажденного аустенита, а значит, и понижению  прокаливаемости стали. В связи  с тем, что  заэвтектоидные стали для закалки нагревают выше Ас1 и в структуре имеется аустенит и цементит вторичный, прокаливаемость их ниже  эвтектоидной стали.

При сквозной закалке  механические свойства стали по всему  сечению одинаковы.  При несквозной закалке  изменение структуры стали по сечению  влечет за собой  изменение  механических свойств.

Влияние прокаливаемости на структуру  и механические свойства стали  показаны на рис .13.  При несквозной  прокаливаемости твердость после закалки  уменьшается от поверхности к сердцевине (рис. 13, а, б).

схема влияния прокаливаемости на механические свойства

 

После высокотемпературного отпуска  различия в значениях  твердости и пределов прочности  могут быть  уменьшены (рис. 13, в, г). Однако предел текучести,  ударная вязкость и  относительное сужение  в сердцевине  образца  остаются  низкими (рис 13,в).   Это объясняется  разным характером строения ферритно-цементитной смеси.  После отпуска мартенсита закалки в закаленном слое образуется ферритно- цементитная  смесь, имеющая  зернистое строение цементита, а в сердцевине – пластинчатое строение цементита. Ферритно- цементитные смеси с  пластинчатым строением цементита менее пластичны, чем ферритно-цементитные смеси с зернистым строением цементита. Поэтому для получения одинаковых  механических свойств  по сечению необходимо стремиться  получать при закалке  сквозную  прокаливаемость.

За глубину закаленного слоя принимают  расстояние от  поверхности до зоны, состоящей из 50%  мартенсита  закалки и 50%  тростита закалки. Глубина расположения  полумартенситной зоны определяется  по твердости, которая зависит  в основном от  содержания  углерода  в стали (табл.2).

Таблица 2   Зависимость твердости полумартенситной зоны

Содержание углерода в стали, %Твердость полумартенситной зоны HRC
0,18-0,2225
0,23-0,2730
0,28-0,3235
0,33-0,4240
0,43-0,5245
0,53-0,6250

 

Для измерения прокаливаемости используется характеристика,  называемая критическим диаметром . Под критическим диаметром понимают  максимальный диаметр  детали, в центре  которой после  закалки  получают  полумартенситную зону.

Для определения прокаливаемости применяют  метод  торцовой закалки. Стандартный образец (рис.14)

схема торцовой закалки образца

диаметром  25 мм и длиной 100мм,  нагретый до заданной  температуры,  охлаждается с торца на специальной  установке; так как скорость  охлаждения уменьшается  по мере  увеличения расстояния от торца, то  изменяется  структура и твердость образца. Изменение твердости по длине образца показывается на кривых  прокаливаемости  (рис.15),

кривая прокаливаемости с 0,4 %С

построенных в координатах «твердость – расстояние» от торца. Так как  прокаливаемость одной и той же стали может колебаться в широких пределах в  зависимости от колебаний химического состава и величины  зерна, то  прокаливаемость каждой марки стали  характеризуется кривой, а полосой прокаливаемости.  На рис 16.,

диаграммы прокаливаемости углеродистых и легированных сталей

приведены полосы прокаливаемости для  углеродистых и легирующих сталей.

Определив с помощью полосы прокаливаемости  расстояние от торца до  полумартенситной зоны длиной  марки стали, по  номограмме (рис. 17) можно определить критический диаметр.

номограмма для определения критического диаметра

   Углеродистые стали при закалке в воде имеют  критический диаметр 10-20 мм. Легированные стали  при закалке в масле могут  прокаливаться в сечении до 250 -300 мм (это зависит от  степени легирования стали).

 

Используемая литература:

«Термическая обработка металлов»  В.М. Зуев.