Превращения, происходящие в стали при нагреве и охлаждении

Структура доэвтектоидной стали при нагреве ее до критичес­кой точки А_с1 (см. рисунок 7.3) представляет собой смесь перлита и феррита. В точке А_с1 начинается фазовая перекристаллизация перлита, т. е. превращение его в мелкозернистый аустенит. При дальнейшем нагреве (от точки А_с1 до точки А_с3,) избыточный феррит растворяется в аустените, при достижении точки А_с3, (ли­ния GS) этот процесс заканчивается. Выше точки А_с3 структура стали становится аустенитной.

При нагреве заэвтектоидной стали выше температуры точкиА_с1 в аустените начинает растворяться избыточный цементит. Выше точки А_ст (линия ES) сталь состоит только из аустенита, неодно­родного по химическому составу. В тех местах, где был цементит, аустенит богаче углеродом, а там, где был феррит, — беднее. Поэтому при термической обработке для выравнивания химического состава аустенита сталь нагревают до температуры, немного выше верхней критической точки А_с3, и выдерживают при этой температуре.

При повышении температуры выше точки А_с3 мелкие зерна аус­тенита соединяются между собой, размеры их увеличиваются.

Весьма ответственной характеристикой структуры стали явля­ется размер зерна аустенита. При охлаждении стали аустенит ис­пытывает превращения и формирование новой структуры, что су­щественно зависит от размера зерна аустенита. Чем меньше зер­на аустенита, тем меньше будут размеры зерен феррита и перли­та, а в закаленных сталях меньше размеры кристаллов мартенсита. Мелкозернистый аустенит способствует улучшению механичес­ких свойств стали. Увеличивается сопротивление хрупкому раз­рушению. Снижается температурный порог хрупкости Т₅₀. В за­каленных сталях со структурой мартенсита сопротивление хруп­кому разрушению увеличивается при уменьшении размеров кри­сталлов мартенсита. Размер зерна аустенита в сталях может быть от миллиметра до микронов. Его определяют различными спосо­бами, но в основном металлографическим анализом. ГОСТ 5639-82 регламентирует размеры зерен, которые характеризуются его но­мером: -3, -2, -1, 0, 1, 2 ... 14. Чем больше номер, тем мельче зерно. Например: средний диаметр зерна номера -3 составляет 1,000 мм, номера 7 — 0,031 мм, номера 14 — 0,0027 мм. Круп­ными зернами считаются с номерами от -3 до 5, мелкими — с но­мерами от 6 до 14.

При скорости нагрева в промышленных термических печах на­чальное зерно аустенита имеет номера 8-10. При нагреве концентрированными потоками энергии (лазер, электронный луч, ТВЧ и др.) начальное зерно получается более мелким — вплоть до номера 14.

Аустенит устойчив только при температурах выше 727 °С (см. рисунок 9.3, точка А_r1). При охлаждении стали, нагретой до аустенитного состояния, ниже точки А_п начинается распад аустени­та. Как уже было сказано (см. диаграмму состояния железоугле­родистых сплавов), при медленном охлаждении эвтектоидной уг­леродистой стали (0,81 % углерода) при температуре, соответству­ющей линии PSK происходит превращение аустенита в перлит. Кристаллическая решетка γ-железа перестраивается в α-железо, выделяется цементит. Изучение процесса превращения аустенита в перлит проводится при постоянной температуре (в изотермичес­ких условиях) и непрерывном охлаждении.

На рисунке 9.4 показана диаграмма изотермического превращения аустенита при постоянной температуре. По оси ординат указана температура, по оси абсцисс — время. Для удобства построения диаграммы время распада обычно дают по логарифмической шка­ле, так как оно может колебаться в широких пределах — от долей секунды до десятков минут и даже часов.

Для изучения изотермического превращения аустенита неболь­шие образцы стали нагревают до температур, соответствующих су­ществованию стабильного аустенита, т. е. выше критической точ­ки, а затем быстро охлаждают, например до 700, 600, 500, 400, 300 °С и т. д., и выдерживают при этих температурах до полного распада аустенита. Изотермическое превращение аустенита эвтектоидной стали происходит в интервале температур от 727 до 250 °С (тем­пературы начала мартенситного превращения М_н).

Рисунок 7.4 – Диаграмма изотермического превращения аустенита стали, содержащей 0,8 % углерода

На диаграмме видны две С-образные кривые. Кривая I указы­вает время начала превращения, кривая II — время конца превра­щения переохлажденного аустенита. Период времени до начала распада аустенита называют инкубационным. При 700 °С превра­щение аустенита начинается в точке а и заканчивается в точке b, в результате этого процесса образуется перлит (рисунок 7.5, а). При 650 °С распад аустенита происходит между точками а₁ и b₁. В этом случае образуется сорбит — тонкая (дисперсная) механическая смесь феррита и цементита (рисунок 7.5, б). Сталь, в которой доми­нирует структура сорбита, имеет твердость 30-40 HRC_э. Такая сталь обладает высокой прочностью и пластичностью.

Устойчивость аустенита в значительной мере зависит от степе­ни переохлаждения. Наименьшую устойчивость аустенит имеет при температурах, близких к 550 °С. Для эвтектоидной стали время устойчивости аустенита при 550-560 °С — около 1 с. По мере удаления от температуры 550 °С устойчивость аустенита возраста­ет. Время устойчивости при 700 °С составляет 10 с, а при 300 °С — около 1 мин. При охлаждении стали до 550 °С (точки начала и конца распада — а₂ и b₂ соответственно, аустенит превращается в троостит — смесь феррита и цементита, которая отличается от перлита и сорбита высокой степенью дис­персности составляющих и обладает повышенной твердостью (40-45 HRC_э), прочностью, умеренной вязкостью и пластичностью. Ниже температуры 550 °С в результате промежуточного превращения аустенита (в температурном интервале, рас­положенном ниже перлитного, но выше мартенситного превращения) образуется струк­тура бейнита, состоящая из смеси перена­сыщенного углеродом феррита и карбидов (це­ментита). Различают верхний бейнит пери­стого строения, появляющийся при 500-350 °С, и нижний (пластинчатого, игольчатого стро­ения), образующийся при 350-250 °С.

а — перлит; б — сорбит; в — троостит

Рисунок 7.5 – Микроструктура, полученная с помощью электронного микроскопа

(X 7500)

Верхний бейнит имеет пониженную прочность, невысокую пластичность и вязкость, твердость его 43-46 HRC_э. У нижнего бейнита показатели прочности, пластичности и вяз­кости более высокие, твердость 52-55 HRC_э. Превращения аустенита при температурах А_r 550 °С называют перлитными, при температурах 550 °С – М_н – промежуточными и при температурах М_н — М_к — мартенситными. Если на диаграмму изотермического рас­пада переохлажденного аустенита нанести кри­вые охлаждения, то можно проследить превра­щение аустенита при непрерывном охлаждении.

При медленном охлаждении аустенит пре­вратится в перлит. При большей скорости ох­лаждения переохлажденный аустенит полностью перейдет в сорбит. При еще больших скоростях охлаждения образуется новая структу­ра — троостит. По мере ускорения охлаждения лучи будут стано­виться все круче, поэтому превращение аустенита в троостит не за­кончится. Кроме троостита в структуре стали появится мартенсит. При наибольших скоростях охлаждения образуется только мартен­сит (рисунок 7.6), т. е. пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе. При образовании мартенсита происходит перестройка гранецентрированной решетки аустенита в объемно-центрированную ре­шетку α-железа. Избыточное количество углерода, находящегося в α -железе, искажает эту решетку и превращает ее в тетрагональную, в которой отношение параметров с/а не равно единице (рисунок 7.7), как у куба. Степень тетрагональности тем выше, чем больше углерода в стали. Скорость охлаждения, при которой из аустенита образуется только мартенсит, называют критической скоростью закалки. При закалке стали ее охлаждают со скоростью больше критической.

Мартенситное превращение протекает при непрерывном охлажде­нии аустенита ниже точки М_н. По достижении определенной темпе­ратуры (точка М_к) превращение аустенита в мартенсит заканчивает­ся. Температуры в точках М_н и М_к зависят от химического состава стали. Углерод и легирующие элементы (за исключением кобальта и алюминия) понижают эти температуры. Мартенсит обладает самой высокой твердостью наряду со значительной хрупкостью. Он имеет пластинчатое строение, но в плоскости микрошлифа пластинки при­обретают вид игл, поэтому мартенсит часто называют игольчатым.

Рисунок 7.6 – Микроструктура мартенсита

У многих сталей температура в точке М_к ниже комнат­ной, поэтому распад аустенита не заканчивается, если сталь ох­лаждается только до комнатной температуры. Аустенит, кото­рый сохраняется в структуре стали при комнатной температуре, наряду с мартенситом называют остаточным. Закаленные высо­колегированные стали содержат остаточный аустенит в больших количествах, а низкоуглеродистые его почти не имеют.

Мартенсит, получаемый при закалке стали, представляет со­бой неустойчивую структуру, стремящуюся к превращению в бо­лее равновесное состояние. Нагрев ускоряет этот переход, так как подвижность атомов при этом сильно возрастает.

Рисунок 7.7 – Элементарная ячейка кристалличекой решетки мартенсита

Отжиг

Отжигом называется процесс термической обработки, при ко­тором металл сначала нагревают до определенной температуры, выдерживают при этой температуре, а затем медленно охлаждают, чаще всего вместе с печью. В результате отжига в стали образуют­ся равновесные структурные составляющие (диаграмма состоя­ния железоуглеродистых сплавов, рисунок 9.3).

Для получения мелкозернистой структуры проводят полный отжиг. Отжигу подвергают изделия (чаще всего из конструкцион­ной стали), перегретые при обработке давлением или при терми­ческой обработке, а также с полосчатой структурой (поковки, про­кат, фасонное литье). При измельчении зерна снижается твердость стали, повышаются ее вязкость и пластичность, снимаются внутрен­ние напряжения, улучшается обрабатываемость резанием. Изделия из такой стали реже выходят из строя при эксплуатации. Мелкое зерно образуется при перекристаллизации стали, т. е. при получе­нии аустенита мелкозернистой структуры в процессе нагрева ста­ли. Скорость нагрева в среднем составляет 100 °С/ч, продолжи­тельность выдержки — от 0,5 до 1 ч на 1 т нагреваемого металла. Из предыдущего известно, что в стали, нагретой выше критической температуры А_с3, мелкозернистый аустенит получается даже в том случае, если исходная структура крупнозернистая.

Отжиг осуществляют следующим образом. Изделие нагрева­ют до температуры А_с3 = 30 + 40 °С, с тем чтобы иметь однородный по составу аустенит. После определенной выдержки при указан­ной температуре изделие охлаждают вместе с печью до 200-500 °С. Дальнейшее охлаждение до комнатной температуры можно произ­водить на воздухе. Температурные интервалы различных видов отжига и нормализации представлены на рис. 8.8.

Рисунок 8.8 – Температурный интервал отжига и нормали­зации углеродистой стали

У стальных отливок процесс перекристаллизации протекает труднее, чем у кованой и катаной стали, поэтому выдержка сталь­ных отливок при температуре отжига должна быть более дли­тельной. Охлаждение их производится со скоростью 80-120 °С/ч, т. е. несколько медленнее, чем кованых и катаных изделий, которые можно охлаждать со скоростью 100-200 °С/ч. Если при таких усло­виях не удается получить мелкозернистую структуру, применяют двой­ной отжиг, причем первый отжиг выполняют при повышенной температуре (950 °С), а второй — при температуре А_с3 = 30 ÷ 40 ^СС. Особенно благоприятное влияние отжиг оказывает на ударную вязкость стали.

На рисунке 9.9 представлена микроструктура стали 35Л до и пос­ле отжига.

При неполном отжиге ( рис 9.3, 9.8) сталь нагревают до темпе­ратуры выше точки А_с1 и ниже точки А_с3 или А_ст, выдерживают при этой температуре и затем медленно охлаждают вместе с пе­чью. В процессе отжига происходит в основном перекрис­таллизация перлита, избыточные фазы (феррит в доэвтектоид­ных и цементит в заэвтектоидных сталях) распадаются лишь частич­но. Неполный отжиг применяют преимущественно для заэвтекто­идных сталей. Для доэвтектоидных сталей его используют реже (для снятия внутренних напряжений и улучшения обрабатывае­мости резанием).

а — до отжига; б — после отжига

Рисунок 8.9 – Микроструктура литой стали 35Л

Изотермический отжиг, основанный на способности переохлаж­денного аустенита претерпевать превращения при постоянной темпе­ратуре, дает возможность в три раза ускорить процесс получения мел­козернистой структуры. При таком отжиге изделия нагревают до тре­буемой температур (А_с3 = 20 ÷ 30 °С) и после некоторой выдержки ох­лаждают с печью до 680 - 700 °С либо переносят в другую печь (или соляную ванну) с той же темпе­ратурой. При температуре 680 - 700 °С изделия выдерживают столько времени, сколько необходимо для полного превращения аустенита в перлит. Время выдержки устанавливают по диаграмме изотермического пре­вращения аустенита. Обычно оно составляет от 2 до 5 ч. По окон­чании выдержки изделия вынимают из печи и охлаждают на воз­духе.

Изотермический отжиг позволяет снять напряжение, снизить твердость стали, обеспечивает однородность ее структуры, хоро­шую обрабатываемость резанием.

Стали (в основном инструментальные) подвергают отжигу для получения зернистого цементита (сфероидизация). За счет изменения формы цементита (создание зернистой формы вместо пластинчатой) удается уменьшить твердость стали и, следовательно, облегчить ее обработку на станках, повысить режущую способ­ность инструмента из этой стали, так как при зернистой форме цементит более равномерно распределяется в структуре закален­ной стали.

Сталь с зернистым цементитом менее склонна к перегреву, трещинам и короблению при закалке.

Отжиг для получения зернистого цементита: сталь нагревают до температуры А_с1 = 20 ÷ 40 °С (примерно 770 °С), выдерживают при этой температу­ре в течение 4 - 10 ч, а затем очень медленно (со скоростью не бо­лее 40 - 50 °С/ч) охлаждают вместе с печью до 600 - 650 °С. Даль­нейшее охлаждение стали до комнатной температуры можно про­изводить на воздухе.

При обработке стали давлением в холодном состоянии проис­ходит ее наклеп. В стали образуются значительные внутренние на­пряжения, она становится весьма прочной, твердой, но хрупкой. Структура наклепанной стали представляет собой вытянутые в одном направлении зерна, кристаллическая ре­шетка ее искажена. Для того чтобы исключить вредное состояние наклепа, необходимо изменить структуру стали, устранить искаже­ние кристаллической решетки и вместо вытянутых зерен получить равноосные зерна (примерно с одинаковыми осями вдоль и поперек зерна). Такой процесс восстановления структуры стали называет­ся рекристаллизацией, а вид термической обработки, при помощи ко­торой этот процесс осуществляется, — рекристаллизационным отжи­гом. Такого рода отжиг выполняют при температурах 450-700 °С. После непродолжительной выдержки при указанных температу­рах (для прогрева по всему сечению) изделие охлаждается на возду­хе. В результате уменьшаются твердость и прочность стали, но вместе с тем повышаются ее вязкость и пластичность.

Крупные слитки легированной стали, претерпевающие при зат­вердевании значительную ликвацию, подвергают отжигу для уст­ранения химической неоднородности. Ликвация — неоднородность стали по химическому составу — может быть зональной (в отдель­ных частях слитка) и внутрикристаллической, или дендритной (внут­ри отдельных кристаллов). Она неблагоприятно сказывается на свойствах стали, особенно ударной вязкости в поперечных сечениях. Зональную ликвацию практически устранить невозможно. Внутрикристаллическая ликвация может быть значительно ослаб­лена отжигом: нагрев до 1100-1200 °С, выдержка при этой температуре 10-15 ч и медленное охлаждение вместе с печью до 200 °С. Дальнейшее охлаждение производят на воздухе. На весь процесс затрачивается 80-100 ч.

При высокой температуре атомы серы, углерода и других эле­ментов медленно перемещаются от зон, где они содержатся в боль­шом количестве, к зонам, где их меньше, т.е. происхо­дит диффузии, в результате чего и выравнивается химичес­кий состав стали. Поэтому такой отжиг называют еще и диффузион­ным. В результате длительной выдержки при высокой температуре сталь приобретает крупнозернистое строение, что легко устраняет­ся в процессе дальнейшей ковки или прокатки слитка. Если хи­мическая неоднородность стали не очень значительна, она может быть устранена при горячей обработке слитка давлением без пред­варительного его отжига.

Диффузионный отжиг применяют в основном для стальных слитков, после диффузионного отжига они должны пройти повтор­ный отжиг для получения мелкозернистой структуры.

Нормализация

Нормализация: нагрев до температур, на 30-50 °С превышаю­щих верхние критические температуры А_с1 или А_ст (см. рисунок 9.3, 9.8), выдерживают при этих температурах и затем охлаждают на спо­койном воздухе для получения тонкопластинчатой перлитной струк­туры. От отжига нормализация отличается более быстрым охлаж­дением (примерно в два раза быстрее, а значит и дешевле). Кроме того, этот процесс более экономичный, так как изделия при нор­мализации охлаждают вне печи. Однако применять нормализацию вместо отжига не всегда можно, поскольку у некоторых сталей после нее значительно возрастает твердость (например, у сталей, содер­жащих свыше 0,4 % углерода). Такие стали лучше отжигать, хотя на практике их часто подвергают нормализации, а затем высоко­му отпуску при 650-700 °С для уменьшения твердости.

Нормализацию применяют для получения мелкозернистой струк­туры в отливках и поковках, устранения наклепа, подготовки ста­ли к закалке низкоугле­родистые стали, так как у них практически отсутствует разница в свойствах после отжига и нормализации. Для некоторых изде­лий нормализация является не предварительной, а окончательной операцией термической обработки. В этом случае после нормали­зации изделия должны пройти высокий отпуск для снятия внутренних напряжений, образующихся при охлаждении на воздухе. Для заэвтектоидной стали нормализацию используют в целях уст­ранения цементитной сетки, так как ускоренное охлаждение пре­пятствует выделению цементита по границам зерен.

Закалка

Закалка — самый распространенный и сложный вид термической обработки, так как она протекает при очень больших скоростях охлаждения, что приводит к образо­ванию значительных внутренних напряжений. При закалке стали нагревают до температуры получения структуры аустенита (выше критических точек А_с3 или А_с1 ), выдерживают некоторое время при этой температуре, а затем быстро охлаждают в воде, масле, растворах солей, кислот, щелочей, на воздухе и в других средах. Охлаждение применяют для повышения твердости и прочности. Максимальная твердость при этом достигается за счет получения структуры мартенсита. Закалка с последующим отпуском позволяет изменять свойства стали в широком диапазоне.

Для того чтобы закалить сталь, ее необходимо нагреть до опре­деленной температуры. Если углеродистую сталь нагреть до темпе­ратуры ниже критической (А_с1), то твердость ее по сравнению с исходным состоянием мало изменится, в структуре такой стали не будет мартенсита. Структуру мартенсита можно получить толь­ко в результате распада аустенита.

Температура нагрева стали при закалке зависит, прежде всего, от содержания в ней углерода (рис. 9.10). Доэвтектоидные стали при закалке нагревают до температур, на 40 - 50 °С превышающих критичес­кую А_с3. При таком нагреве структура стали становится аустенитной. После­дующее быстрое охлаждение приводит к превращению аустенита в мартенсит. Такая закалка называется полной. Заэвтектоидные стали при закалке нагревают до температур, на 40-50 °С превышаю­щих критическую А_с1 т. е. до 760-780 °С. При данной температуре структура ста­ли будет состоять из аустенита и це­ментита. В результате быстрого охлаж­дения аустенит перейдет в мартенсит, а цементит сохранится в структуре за­каленной стали, так как он не претер­певает превращений при охлаждении.

А — аустенит; Ф — феррит; П — перлит; Ц — цементит

Рисунок 8.10 – Температурный ин­тервал закалки углеродистых сталей

Следовательно, после закалки сталь будет иметь структуру мар­тенсита и цементита. Такая закалка называется неполной.

Если доэвтектоидную сталь подвергнуть неполной закалке, т. е. нагреть до температуры выше точки А_с1 но ниже точки А_с„, в ее структуре наряду с аустенитом появится феррит. После за­калки структура такой стали будет состоять из мартенсита и мяг­кого феррита. Наличие в закаленной стали феррита приведет к снижению не только ее твердости и прочности, но и пластичес­ких свойств.

Заэвтектоидная сталь после неполной закалки имеет в своей структуре твердый цементит, который не только не снижа­ет ее твердость, но даже не снижает износостойкость. Полная же закалка этой стали, т. е. нагрев ее до температуры выше точки А_ст, не только не требуется, но и опасна. Твердость стали при этом не увеличится, зато создадутся благоприятные условия для перегре­ва, возникновения закалочных трещин и обезуглероживания стали.

Время выдержки при температуре закалки зависит от химического состава стали и вида нагревающей среды. Оно должно быть достаточным для того, чтобы обеспечить образо­вание однородного аустенита по всему сечению изделия. Чем больше толщина и масса изделия, тем продолжительнее должна быть вы­держка, но большая выдержка может привести к росту зерен аустенита.

Скорость охлаждения при закалке оказывает ре­шающее влияние. Для каждой стали су­ществует критическая скорость закалки- наименьшая скорость охлаждения, необходимая для переохлаждения аустенита до температуры мартенситиого пре­вращения. Чем ниже критическая скорость закалки, тем легче закалить сталь.

Скорость охлаждения при закалке должна быть не меньше критической, иначе мартенсит в структуре стали либо не образуется совсем, либо образуется частично, тогда структура стали будет состоять в основном из троостита или сорбита. Одна­ко не следует охлаждать сталь и со скоростью, значительно превы­шающей критическую. Хотя при таком охлаждении сталь и будет иметь структуру мартенсита, но чрезмерно резкая закалка может привести к значительным внутренним напряжениям и тре­щинам. В зависимости от химического состава сталей критичес­кая скорость закалки может колебаться в очень широких преде­лах. У одних сталей она составляет 2-3 °С/с, у других — 1200 °С/с. У всех углеродистых сталей критическая скорость закалки очень велика.

Для того чтобы установить скорость охлаждения при закалке, кроме критической скорости необходимо учитывать форму и раз­меры закаливаемого изделия. Изделия, изготовленные из стали одного и того же состава и имеющие одинаковую критическую скорость закалки, будут охлаждаться с различной скоростью, если у них разные размеры и форма. Чем меньше толщина изде­лия и больше отношение охлаждаемой поверхности к его объему, тем быстрее происходит охлаждение.

Различная скорость охлаждения изделий при закалке достига­ется за счет применения охлаждающих (закалочных) жидкостей: воды, масла, растворов солей в воде и др. При охлаждении в жид­кости изделие отдает часть своей теплоты соприкасающейся с ним жидкости, превращающейся в пар. Теплота, расходуемая на обра­зование пара, называется скрытой теплотой парообразования. За­каливающая способность охлаждающей среды зависит от многих факторов и, прежде всего, от скрытой теплоты парообразования, а также температуры жидкости. У различных жидкостей скрытая теплота парообразования неодинакова. Чем выше теплота паро­образования, тем больше закаливающая способность жидкости, так как изделие, отдавая большое количество теплоты на образо­вание пара, будет быстрее охлаждаться. При охлаждении стали в закаливающей жидкости происходят некоторые явления, кото­рые могут заметно снизить интенсивность охлаждения. Когда рас­каленное стальное изделие погружают в жидкость, вокруг него образуется плотное кольцо пара, называемое паровой рубашкой. Она изолирует изделие от охлаждающей жидкости и тем самым замедляет процесс охлаждения. Длительность существования паровой рубашки у разных охлаждающих сред различна. Паро­вая рубашка, образующаяся при закалке в масле, сохраняется бо­лее длительное время, чем паровая рубашка при закалке в воде. Это объясняется тем, что масло обладает гораздо большей вязкос­тью, чем вода.

Вредное влияние паровой рубашки можно уменьшить, ускорив ее разрушение путем перемещения изделий в закалочном баке. Однако перемещать крупные изделия в жидкости трудно. В этом случае приводят в движение не изделие, а жидкость. Обра­зование паровой рубашки можно предупредить, если использовать некоторые охлаждающие среды, в частности растворы солей в воде. Чтобы правильно выбрать охлаждающие среды, необходимо знать их основные особенности.

Самая распространенная закалочная среда — вода. Ее охлаж­дающая способность зависит от температуры. Чем выше темпера­тура воды, тем меньше ее закалочная способность, поэтому при работе рекомендуется систематически следить за температурой воды. Обычно при закалке применяют воду с температурой 20-30 °С. Закаливающая способность воды может быть уменьшена путем добавления в нее мела, извести, мыла, глицерина и других подоб­ных веществ или увеличена при введении в нее хлористого натрия (поваренной соли) или едкого натра (каустической соды). Вода, в которой растворены хлористый натрий или едкий натр, имеет более высокую скрытую теплоту парообразования. Частицы соли, соприкасаясь с раскаленным металлом, взрываются и разрушают паровую рубашку, тем самым увеличивая закаливающую спо­собность воды. В качестве охлаждаю­щей среды применяют минеральное масло, подогретое до 50-60 °С, обладает более высокой закаливающей способностью, чем холодное т. к., при нагреве масло становится менее вязким, его паровая ру­башка разрушается быстрее. Недостатки масла — огнеопасность (температура вспышки 150-200 °С) и способность к загустеванию с течением времени.

При выборе закаливающей среды необходимо знать, как она охлаждает изделие в различных интервалах температур. Особен­но важно знать, с какой скоростью охлаждаются изделия в интер­валах температур 550-650 и 200-300 °С. Наилучшей является такая закаливающая среда, которая в интервале температур от 550 до 650 °С охлаждает изделия со скоростью выше критичес­кой скорости закалки, а при температурах 200-300 °С обеспечи­вает медленное, спокойное их охлаждение. Это обусловлено тем, что при температурах 550-650 °С устойчивость аустенита очень мала, особенно у углеродистой стали. Поэтому в этом интервале температур охлаждающая способность среды должна быть боль­шой, иначе не получить структуру мартенсита. При темпера­турах 200-300 °С, наоборот, желательно медленное охлаждение, что уменьшает опасность коробления изделий и появления тре­щин, так как в этих условиях переход аустенита в мартенсит про­текает более равномерно.

Данные о скорости охлаждения стали в различных закалоч­ных средах при температурах 550-650 и 200-300 °С приведены в таблице 9.5. Вода и растворы солей в воде при температурах 550-650 °С обладают большой закали­вающей способностью. Недостаток этих охлаждающих сред — высокая скорость охлаждения в интервале температур от 200 до 300 °С.

Закалочная способность масла при 550-650 °С в четыре-пять раз меньше, чем холодной воды, однако при 200-300 °С масло ох­лаждает изделия в 10 раз медленнее, чем вода, поэтому при закал­ке изделий в масле значительно уменьшается опасность их ко­робления и появления трещин. Углеродистые стали, у которых критическая скорость закалки составляет 400-600 °С/с, для по­лучения мартенсита следует закаливать только в воде при ком­натной температуре и в водных растворах солей. Большинство легированных сталей можно закаливать в масле.

Закаливаемость и прокаливаемость - важнейшие харак­теристики стали, подвергаемой закалке.

Закаливаемость — способность к повышению твер­дости при закалке. Некоторые стали обладают плохой закаливае­мостью (имеют недостаточную твердость после закалки). Они не принимают закалку. Для того чтобы определить закаливаемость той или иной стали, необходимо изме­рить твердость поверхности стального изделия после закалки. Чем выше твердость, тем лучше закаливаемость стали. Закалива­емость стали определяется в основном содержанием в ней углеро­да. Это объясняется тем, что твердость мартенсита зависит от сте­пени искажения его кристаллической решетки. Чем меньше в мар­тенсите углерода, тем меньше искажается его кристаллическая ре­шетка, тем ниже твердость стали. Стали, содержащие менее 0,3 % углерода, имеют низкую закаливаемость и их, как правило, закалке не подвергают.

Прокаливаемость — глубина проникно­вения закалки. Различные слои изделия при закалке охлаждают­ся неодинаково. Поверхностный слой, который непосредственно соприкасается с закалочной жидкостью, охлаждается с большей ско­ростью, чем внутренние слои. Наименьшая скорость охлаждения — в центре изделия. Чем выше критическая скорость закалки ста­ли, тем ниже ее прокаливаемость. Углеродистые стали имеют высо­кую критическую скорость закалки, поэтому у них низкая прока­ливаемость. Из углеродистой стали не изготовляют массивные из­делия, у которых должны быть высокие механические свойства по всему сечению. Такие изделия обычно выполняют из легиро­ванной стали, имеющей более высокую прокаливаемость.

На прокаливаемость стали, кроме химического состава, оказы­вают влияние и другие факторы, например размер зерна аустенита и охлаждающая среда. Под глубиной закалки понима­ют расстояние от поверхности изделия до того слоя, где структура состоит из 50 % мартенсита и 50 % троостита, или слоя, содержа­щего не менее 95 % мартенсита. Прокаливаемость характеризует­ся критическим диаметром (диаметр прутка, прокаливаемого на­сквозь). Для определения прокаливаемости исследуют микроструктуру или измеряют твердость образцов, подвергну­тых закалке.

Способы закалки: непрерывная, прерывистая, ступенчатая, изотермическая и светлая. Наиболее простой способ термической обработки — непрерывная закалка. Ее применяют для несложных по форме изделий. Изделие, нагретое до заданной температуры, охлаждают в воде или в масле до выравнивания его температуры с температурой ванны. Недостаток данного спосо­ба состоит в том, что при закалке изделий сложной формы в воде у них могут появиться трещины и коробление.

При прерывистой закалке охлаждение производят в двух сре­дах — в воде (до 300-400 °С) и в масле. За счет этого уменьшают­ся внутренние напряжения в стали в момент перехода аустенита в мартенсит. Используя данный способ, необходимо точно выдер­живать время пребывания изделия в воде, что требует большого практического опыта от работников, производящих закалку.

Отпуск и старение

Отпуском - процесс термической обработки, при ко­тором закаленная сталь нагревается ниже критической точки А_с1, выдерживается при этой температуре и затем охлаждается. В про­цессе отпуска уменьшаются или устраняются внутренние напря­жения, повышаются вязкость и пластичность стали, снижается ее твердость, улучшается структура.

При отпуске в стали происходят определенные структурные превращения. Первое превращение совершается при температурах 80-200 °С. Из раствора выделяется углерод, при этом исчезает иска­жение кристаллической решетки. Образующийся в процессе отпуска мартенсит, имеющий кубическую решетку, называют отпущенным. Второе превращение происходит при температурах 200-300 °С. Остаточный аустенит переходит в отпущенный мартенсит, кото­рый является менее напряженной структурой, чем мартенсит за­калки. И, наконец, третье превращение происходит при температу­рах 300-400 °С. В этот период завершается процесс выделения углерода из раствора, образуется цементит Fe₃C, одновременно уменьшаются внутренние напряжения в стали. При 400 °С сталь состоит из ферритно-цементитной смеси (троостит отпуска). При даль­нейшем повышении температуры начинается коагуляция — части­цы феррита и цементита разрастаются и приобретают округлую форму. Отпущенная при 350-500 °С сталь имеет структуру троостита, при 500-600 °С — структуру сорбита и при 600-700 °С — структуру перлита.

В зависимости от температуры нагрева различают три вида от­пуска — низкотемпературный, среднетемпературный и высоко­температурный .

Низкотемпературный (низкий) отпуск проводят с нагревом до 150-300 °С. Этот отпуск снижает внутренние напряжения в стали при сохранении высокой твердости (58-63 HRC_э). Его при­меняют преимущественно для инструмента из углеродистых и низколегированных сталей, а также для деталей, подвергаемых поверх­ностной закалке, цементации и нитроцементации, к которым предъяв­ляются высокие требования по твердости и износостойкости.

Среднетемпературный (средний) отпуск осуществляют при тем­пературах 350-500 °С. Целью этого отпуска является получение структуры троостита. Твердость закаленной стали при этом снижа­ется до 40-50 HRC_э, предел упругости достигает максимального значения. Среднему отпуску подвергают рессоры и пружины.

Высокотемпературный (высокий) отпуск проводят при темпе­ратурах 550-680 °С. Сталь при этом приобретает структуру сор­бита (сорбит отпуска). Твердость закаленной стали снижается до 250-350 НВ, прочность уменьшается в 1,5-2 раза, пластичность и вязкость увеличиваются в несколько раз, внутренние напряже­ния полностью снимаются. Закалка с высоким отпуском называ­ется улучшением. Улучшенная сталь по сравнению с отожженной или нормализованной имеет более высокие показатели прочности, пластичности и вязкости. Улучшению подвергают изделия из кон­струкционных сталей марок 40, 45, 40Х, 40ХНМ, 40ХМФ и др. (полуоси, коленчатые валы, шатуны, поворотные кулаки, рычаги, балки передних осей грузовых автомобилей, а также болты, гайки, винты и др.), испытывающие большие нагрузки.

При отпуске некоторых легированных сталей в определенном интервале температур наблюдается резкое снижение ударной вяз­кости, возникает отпускная хрупкость. Чтобы избежать развития отпускной хрупкости, изделия, изготовленные из хромоникелевых и марганцовистых сталей, после высокого отпуска быстро охлаж­дают в масле или воде. С этой же целью сталь легируют молибде­ном или вольфрамом (не более 0,6 %).

Температура отпуска и время выдержки зависят от марки стали, требований, предъявляемых к свойствам изделий из этой стали, и их массы. Отпуск закаленных изделий, особенно инструмента, рекомен­дуется проводить непосредственно после закалки в целях предотвра­щения образования трещин из-за возникших внутренних напряже­ний. При заниженных температурах отпуска или сокращении време­ни выдержки в стали сохраняется повышенная хрупкость, для устра­нения которой производят повторный отпуск. Повышенная температура отпуска приводит к снижению твердости и прочности. Эти недостатки устраняют отжигом изделий и повторной их закалкой с последующим отпуском. Температуру отпуска мож­но определить по цветам побежалости.

Рисунок 8.12 – Зависимость механических свойств стали 40 от температуры отпуска

На рисунке 8.12 показана зависимость механических свойств ста­ли 40 от температуры отпуска.

Старение — изменение свойств стали с течением времени без заметного изменения микроструктуры. В результате старения прочность и твердость повышаются, а пластичность и вязкость снижаются. Старение приводит к изменению размеров и коробле­нию изделий. Если старение производят при комнатной темпера­туре, его называют естественным, если при повышенной температуре, — искусственным. Старению подвергают станины станков, плун­жеры, калибры, скобы и другие изделия, размеры и геометрическая форма которых не должны изменяться в процессе их эксплуатации.

Известны два вида старения — термическое и деформацион­ное (механическое). Термическое старение происходит в резуль­тате изменения растворимости углерода в α-железе в зависимос­ти от температуры. Деформационное старение протекает в спла­ве, подвергнутом пластической деформации при температуре ниже температуры рекристаллизации. Процесс этого старения длится 15 суток и более при комнатной температуре и всего несколько минут при температурах 200-350 °С.

Искусственное старение закаленных и отпущенных при низ­кой температуре изделий производят после предварительной меха­нической обработки при 100-180 °С с выдержкой в течение 18-35 ч и медленным охлаждением. Естественное старение осуществ­ляется на открытом воздухе под навесом, где на изделия воздей­ствуют температурные изменения, влажность и давление воздуха. Оно длится от 3 месяцев до 2 лет. Естественному старению под­вергают станины прецизионных станков, корпусные детали весь­ма ответственного назначения, рамы роялей и пианино. Его ре­зультатом является снижение внутреннего напряжения, стабили­зация размеров и геометрической формы изделий.