Термическая обработка стали: закалка и отпуск для достижения оптимальных механических свойств

Конструкционные стали подвергают закалке и последующему отпуску с целью повышения их прочностных характеристик и твердости. Данный вид термической обработки также позволяет получить высокие показатели пластичности, вязкости и износостойкости материала. В отличие от конструкционных, инструментальные стали подвергают закалке преимущественно для увеличения поверхностной твердости и сопротивления износу в процессе эксплуатации.

При термической обработке заэвтектоидных сталей существует ограничение по верхнему пределу температур нагрева, что связано с риском роста зерна аустенита. Укрупнение зерна негативно сказывается на прочностных характеристиках готовых изделий и снижает их сопротивление хрупкому разрушению под нагрузками. Контроль температуры нагрева является критически важным параметром для получения качественной структуры металла.

Основные параметры и виды закалки стали. Ключевыми параметрами процесса закалки выступают температура нагрева под закалку и скорость последующего охлаждения. Продолжительность нагрева изделий напрямую зависит от типа используемого нагревательного устройства и определяется опытным путем. На основе практических данных установлены следующие нормативы времени нагрева на 1 мм сечения детали: в электрической печи затрачивается 1,5–2 минуты, в пламенной печи – 1 минута, в соляной ванне – 0,5 минуты, а в свинцовой ванне – всего 0,1–0,15 минуты.

В зависимости от температуры нагрева различают два основных вида закалки:
- Полная закалка осуществляется при нагреве на 30–50°С выше критической точки А3 (линии GS на диаграмме состояния). Данный режим применяется для доэвтектоидных сталей, позволяя полностью перевести структуру в аустенитное состояние. Изменения структуры при таком нагреве и последующем охлаждении происходят по схеме: исходная феррито-цементитная структура → аустенит → мартенсит.

- Неполная закалка предполагает нагрев на 30–50°С выше критической температуры А1. Этот способ применяется преимущественно для заэвтектоидных сталей. Структурные изменения при таком режиме протекают по схеме: перлит + вторичный цементит → аустенит + цементит → мартенсит + цементит.

Применение неполной закалки для доэвтектоидных сталей считается недопустимым, поскольку в конечной структуре сохраняется мягкая ферритная составляющая, что значительно снижает твердость. Для заэвтектоидных сталей неполная закалка, напротив, является оптимальной, так как присутствие в структуре вторичного цементита способствует повышению твердости и износостойкости, что особенно ценно для режущего инструмента. Проведение полной закалки заэвтектоидных сталей приводит к формированию дефектной структуры крупноигольчатого мартенсита. Перед закалкой заэвтектоидные стали в обязательном порядке подвергают отжигу на зернистый перлит (сфероидизации) для придания цементиту благоприятной зернистой формы.

Особенности охлаждения при закалке. Для формирования требуемой структуры изделия охлаждают со строго определенной скоростью, которая зависит от свойств охлаждающей среды, геометрической формы детали и показателей теплопроводности стали. Режим охлаждения должен быть подобран таким образом, чтобы исключить возникновение высоких закалочных напряжений, способных вызвать коробление или растрескивание. Высокие скорости охлаждения провоцируют появление внутренних напряжений, которые классифицируются как напряжения I рода, уравновешиваемые в пределах макроскопических объемов материала.

Основными причинами возникновения напряжений I рода являются:
- неравномерное распределение температуры по сечению детали в процессе охлаждения;
- неодновременное протекание фазовых превращений в различных участках изделия.

Для предотвращения образования трещин необходимо избегать возникновения растягивающих напряжений в поверхностных слоях металла. На распределение напряжений при закалке влияет не только режим охлаждения, но и температура нагрева, поскольку перегрев способствует увеличению деформаций и образованию закалочных трещин. Режим охлаждения также должен обеспечивать заданную глубину закаленного слоя, что напрямую влияет на эксплуатационные характеристики детали.

Оптимальным считается режим, при котором максимальная скорость охлаждения достигается в интервале температур от А1 до М>н (начала мартенситного превращения) для предотвращения распада переохлажденного аустенита. В интервале мартенситного превращения (Мн – Мк) скорость охлаждения должна быть минимальной для снижения остаточных напряжений. Чрезмерно медленное охлаждение может привести к частичному отпуску мартенсита и увеличению доли остаточного аустенита, что снижает итоговую твердость изделия.

В качестве охлаждающих сред при закалке применяют воду с различной температурой, технические масла, водные растворы солей и щелочей, а также расплавленные металлы. Вода, будучи доступным охладителем, обладает существенным недостатком: высокая скорость охлаждения в интервале мартенситного превращения способствует образованию закалочных дефектов. С повышением температуры воды ее закалочная способность неуклонно снижается.

Наиболее высокой и равномерной охлаждающей способностью отличаются холодные 8–12% водные растворы NaOH и NaCl. Эти составы мгновенно разрушают паровую рубашку, обеспечивая равномерное охлаждение в режиме пузырькового кипения. Для легированных сталей, характеризующихся высокой устойчивостью переохлажденного аустенита, применяют минеральное масло, которое обеспечивает небольшую скорость охлаждения в мартенситном интервале. К недостаткам масел относят повышенную воспламеняемость и относительно низкую охлаждающую способность в перлитном интервале температур.

Закаливаемость и прокаливаемость как ключевые характеристики. При выборе охлаждающей среды необходимо учитывать два фундаментальных свойства стали: закаливаемость и прокаливаемость. Закаливаемость представляет собой способность стали повышать твердость в результате закалки и определяется главным образом содержанием углерода. Стали с концентрацией углерода менее 0,20% практически не воспринимают закалку.

Прокаливаемость характеризует способность стали формировать закаленный слой с мартенситной или троостомартенситной структурой на определенную глубину. За глубину закаленной зоны принимают расстояние от поверхности до середины слоя, где в структуре содержится равное количество мартенсита и троостита. Чем ниже критическая скорость закалки, тем выше прокаливаемость материала; укрупнение зерна также способствует ее повышению. Наличие нерастворимых частиц и неоднородность аустенита снижают прокаливаемость.

Количественной характеристикой прокаливаемости служит критический диаметр – максимальный диаметр изделия, прокаливающегося в данном охладителе насквозь (на глубину, равную радиусу). Введение в сталь легирующих элементов, за исключением кобальта, увеличивает как закаливаемость, так и прокаливаемость; особенно эффективны в этом отношении молибден и бор.

Технологические разновидности способов закалки. В зависимости от конфигурации изделия, марки стали и требуемого комплекса механических свойств применяют различные способы охлаждения (рис. 14.1).

Рис. 14.1. Схематическое изображение режимов закалки: V1 – закалка в одном охладителе, V2 – прерывистая закалка в двух средах, V3 – ступенчатая закалка, V4 – изотермическая закалка

Закалка в одном охладителе (V1) является наиболее простым способом, при котором нагретую деталь полностью охлаждают в одной среде: воду применяют для крупных изделий из углеродистых сталей, масло – для небольших деталей простой формы. Основной недостаток этого метода – возникновение значительных закалочных напряжений.

Закалка в двух средах (прерывистая) (V2) предполагает первоначальное охлаждение в резком охладителе (вода) до температуры около 300°С с последующим переносом в мягкую среду (масло). Такой режим максимально приближается к оптимальному, но сложность заключается в точном определении момента переноса изделия.

Ступенчатая закалка (V3) заключается в погружении нагретого изделия в среду с температурой на 30–50°С выше точки Мн. После выдержки, достаточной для выравнивания температуры по сечению, деталь охлаждают на воздухе. Данный способ эффективен для мелких и средних изделий.

Изотермическая закалка (V4) отличается от ступенчатой более продолжительной выдержкой при температуре выше Мн, обеспечивающей полное превращение переохлажденного аустенита в бейнит. Формирующаяся структура характеризуется высоким сочетанием прочности, пластичности и вязкости, что особенно ценно для легированных сталей.

Закалка с самоотпуском применяется для инструментов ударного действия. Изделия выдерживают в охладителе неполное время, после чего за счет внутренней теплоты происходит самопроизвольный отпуск поверхностных слоев, что обеспечивает сочетание высокой твердости поверхности с вязкой сердцевиной.

Отпуск стали: виды и формируемые структуры. Отпуск является завершающей операцией термической обработки, целью которой выступает повышение вязкости и пластичности, снижение твердости и снятие внутренних напряжений закаленной стали. С увеличением температуры нагрева прочность обычно снижается, а пластичность возрастает. Выбор температуры отпуска диктуется требуемыми эксплуатационными свойствами конкретной детали. Различают три основных вида отпуска:

1. Низкий отпуск проводится при температурах 150–300°С, в результате чего частично снимаются закалочные напряжения, а структура представляет собой мартенсит отпуска. Данный вид обработки применяют для инструментальных сталей и изделий после цементации.

2. Средний отпуск осуществляется при 300–450°С, формируя структуру троостита отпуска, которая сочетает высокую твердость (40–45 HRC) с хорошей упругостью. Такой отпуск используется для пружин и рессор.

3. Высокий отпуск выполняется при 450–650°С и приводит к образованию сорбита отпуска, обеспечивающего оптимальное сочетание прочности и ударной вязкости. Детали машин, работающие в условиях ударных нагрузок, подвергаются именно высокому отпуску. Комплекс термической обработки, включающий закалку и высокий отпуск, получил название улучшения.

Дефекты термической обработки: отпускная хрупкость. В процессе отпуска может наблюдаться снижение ударной вязкости, что является дефектом, известным как отпускная хрупкость (рис. 14.2).

Рис. 14.2. График зависимости ударной вязкости стали от температуры отпуска с указанием зон проявления отпускной хрупкости I и II рода

Отпускная хрупкость I рода проявляется при температурах около 300°С и не зависит от скорости охлаждения. Данное явление связано с неравномерностью превращения отпущенного мартенсита: процессы у границ зерен протекают быстрее, что приводит к концентрации напряжений. Эта хрупкость является необратимой и не наблюдается при повторных нагревах.

Отпускная хрупкость II рода характерна для легированных сталей при медленном охлаждении после отпуска в интервале 450–650°С. Причиной служит выделение дисперсных карбидов по границам зерен и последующая диффузия фосфора к этим границам, что снижает прочность. Этому дефекту способствуют хром, марганец и фосфор, в то время как молибден и вольфрам уменьшают склонность к нему. Данный вид хрупкости является обратимым и может проявляться вновь при повторных нагревах в опасном интервале с последующим медленным охлаждением.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Третьякова Н.В.

Источник: Лекции по материаловедению

Данные публикации будут полезны студентам, изучающим материаловедение и металлургию, инженерно-техническим работникам и специалистам, занятым в области машиностроения, а также всем, кто интересуется историей науки о металлах и современными тенденциями разработки новых материалов.