Вопрос 4. Закалка и отпуск углеродистой стали

Закалка заключается в нагреве стали до температуры выше критической или температуры растворения избыточных фаз, выдержке и последующем охлаждении со скоростью, превышающей критическую. Закалка не является окончательной операцией термической обработки. Чтобы уменьшить хрупкость и напряжения, вызванные закалкой, и получить требуемые механические свойства, сталь после закалки обязательно подвергают отпуску. Инструментальную сталь в основном подвергают закалке и отпуску для повышения твёрдости, прочности и износостойкости, конструкционную сталь — для повышения прочности и твёрдости, получения достаточно высокой пластичности и вязкости, а для ряда деталей также высокой износостойкости. Для многих высоколегированных сталей температура нагрева под закалку значительно превышает критические точки (на 150–250 °С), что необходимо для перевода в твёрдый раствор специальных карбидов и получения требуемой степени легирования аустенита.

Продолжительность нагрева должна обеспечить прогрев изделия по сечению и завершение фазовых превращений, но не должна быть слишком большой, чтобы не вызвать роста зерна и обезуглероживания поверхностных слоёв стали. На 1 мм сечения изделия из доэвтектоидных сталей продолжительность нагрева принимают в электропечах 45–75 °С, а в соляной ванне 15–20 °С. Время изотермической выдержки при заданной температуре для деталей машин часто принимают равным 15–25% от продолжительности сквозного нагрева. Выдержку в электрической печи при температуре закалки для инструмента из углеродистой стали (0,7–1,3% С) рекомендуют продолжительностью 50–80 с на 1 мм наименьшего сечения, а легированной стали — 70–90 с; при нагреве в соляной ванне соответственно 20–25 с для углеродистой стали и 25–30 с для легированной. Фасонный инструмент и детали машин сложных форм при нагреве под закалку для уменьшения деформации рекомендуют предварительно подогревать в печи при 400–600 °С.

Для предохранения изделий от окисления и обезуглероживания нередко в рабочее пространство печи вводят защитную газовую среду (контролируемые атмосферы).

Охлаждающие среды для закалки. Охлаждение при закалке должно обеспечить получение структуры мартенсита в пределах заданного сечения изделия и не должно вызывать закалочных дефектов: трещин, деформаций, коробления и высоких растягивающих остаточных напряжений в поверхностных слоях. Варьирование скоростью охлаждения обеспечивают обычно использованием различных охлаждающих сред. Охлаждающие среды могут быть разделены в зависимости от состава и свойств охлаждающего вещества на несколько групп: вода и водные растворы, масла, расплавы солей и щелочей, водовоздушные смеси, расплавленные металлы и сплавы, синтетические закалочные среды, быстродвижущиеся потоки охлаждающего вещества. Вода и водные растворы отличаются высокой интенсивностью охлаждения как в области повышенных температур (600–500 °С), так и при температурах мартенситного превращения. Последнее неблагоприятно сказывается на структуре и является причиной деформации и трещинообразования вследствие появления больших внутренних напряжений, особенно в крупных изделиях. Различные добавки могут влиять на охлаждающую способность водных растворов. Дальнейшим усовершенствованием методов охлаждения явилось применение смесей воды с воздухом, подаваемых через форсунки. Водовоздушные среды применяют для охлаждения крупных поковок, рельсов и т.д. Для легированных сталей, обладающих при закалке более высокой устойчивостью переохлажденного аустенита, применяют минеральные масла. При закалке в масле по сравнению с водой значительно снижается скорость охлаждения в интервале температур мартенситного превращения (особенно при 250–100°С), что уменьшает опасность возникновения закалочных дефектов. Температуру масла при закалке поддерживают в пределах 60–90°С, когда его вязкость оказывается минимальной.

Специальные способы закалки. Наиболее широко применяют закалку в одном охладителе. Такую закалку называют непрерывной. Во многих случаях, особенно для изделий сложной формы и при необходимости уменьшения деформации, применяют и другие (специальные) способы закалки. К ним относят прерывистую закалку, закалку с самоотпуском, ступенчатую закалку, изотермическую закалку. Для некоторых сталей целесообразно после закалки проводить дополнительную обработку холодом. Прерывистая закалка (в двух средах) заключается в том, что изделие сначала быстро охлаждают в воде до температуры начала мартенситного превращения, а затем переносят в менее интенсивный охладитель (например, в масло или на воздух), в котором оно охлаждается до 20 °С. По сравнению с непрерывной закалкой этот способ позволяет уменьшить внутренние напряжения, в том числе и в области температур мартенситного превращения. Закалка с самоотпуском отличается тем, что охлаждение изделия в закалочной среде прерывают, сохраняя в сердцевине изделия некоторое количество теплоты. Под действием теплообмена температура в поверхностных слоях повышается, обеспечивая их самоотпуск. Закалку с самоотпуском применяют, например, для таких инструментов, как зубила, кувалды, слесарные молотки, керны, которые работают с ударными нагрузками и должны сочетать высокую твёрдость на поверхности с повышенной вязкостью в сердцевине. Ступенчатую закалку проводят охлаждением в среде, имеющей температуру несколько выше начала мартенситного превращения, и выдержкой в ней сравнительно короткое время для выравнивания температуры по сечению изделия, охлаждая его затем до комнатной температуры на воздухе. Мартенситное превращение протекает при охлаждении на воздухе, но менее полно, чем при непрерывной закалке, вследствие чего сталь сохраняет больше остаточного аустенита. Применяется этот способ для инструмента из углеродистых сталей диаметром не более 10 мм. Изотермическую закалку выполняют в основном так же, как и ступенчатую, но с более длительной выдержкой выше температуры начала мартенситного превращения, в процессе которой происходит распад аустенита с образованием нижнего бейнита[8]. Для углеродистых сталей изотермическая закалка не даёт существенного повышения механических свойств, поэтому используют такой способ закалки только для легированных сталей. У большинства легированных сталей распад аустенита в промежуточной области не идёт до конца. Желательно получать структуру нижнего бейнита с 10–20% остаточного аустенита, обогащённого углеродом, но без мартенсита. В этом случае достигают высокой прочности при достаточной вязкости стали. Аустенит в структуре изотермически закалённой стали значительно снижает сопротивление хрупкому разрушению.

В качестве охлаждающей среды при ступенчатой и изотермической закалке чаще применяют расплавленные соли с температурой 150–500 °С, а также расплавленные щелочи. Чем ниже температура соли или щелочи, тем выше скорость охлаждения в ней. Закалку в щелочах называют светлой, так как она позволяет получить чистую поверхность светло-серого цвета.

Обработка стали холодом целесообразна в тех случаях, когда в закалённой стали присутствует значительное количество остаточного аустенита. Охлаждение закалённой стали до отрицательных температур, близких к температуре конца мартенситного превращения, приводит к уменьшению количества остаточного аустенита. Обработку холодом выполняют сразу после закалки, а затем проводят отпуск. Используют такую обработку с целью повышения стабильности структуры и твёрдости главным образом для измерительных инструментов, пружин и деталей из цементуемых легированных сталей.

Отпуск заключается в нагреве закалённой стали до температур ниже температуры превращения перлита в аустенит, выдержке при заданной температуре и последующем охлаждении. Отпуск является окончательной операцией термической обработки, в результате которой сталь получает требуемые механические свойства. Кроме того, отпуск полностью или частично устраняет внутренние напряжения, возникающие при закалке. Скорость охлаждения после отпуска оказывает влияние на остаточные напряжения: чем медленнее охлаждение, тем они меньше. Ускоренное охлаждение после отпуска при 550–650 °С повышает предел выносливости за счёт образования в поверхностном слое остаточных напряжений сжатия. Однако изделия сложной формы во избежание их коробления после отпуска при высоких температурах следует охлаждать медленно, а изделия из легированных сталей, склонных к обратимой отпускной хрупкости, после отпуска при 500–650 °С во всех случаях следует охлаждать быстро.

По температуре различают три вида отпуска.

Низкотемпературный (низкий) отпуск проводят при нагреве до 250 °С. При этом снижаются закалочные напряжения, мартенсит закалки переводится в отпущенный мартенсит, повышается прочность и немного улучшается вязкость без заметного снижения твёрдости. Закалённая высокоуглеродистая сталь после низкого отпуска сохраняет высокие значения твёрдости и износостойкости. Низкотемпературному отпуску подвергают режущий и мерительный инструмент из углеродистых и низколегированных сталей, а также детали, подвергнутые поверхностной закалке, цементации, цианированию или нитроцементации. Реже низкий отпуск применяют для среднеуглеродистых сталей с содержанием 0,30–0,45 % С. Продолжительность отпуска зависит от сечения деталей и составляет обычно 1–2,5 ч, а для массивных изделий и измерительных инструментов может быть значительно больше.

Среднетемпературный (средний) отпуск выполняют при 350–450 °С и применяют главным образом при изготовлении пружин и рессор, а также штампов. После такого отпуска сталь имеет твёрдость 40–50 HRC, высокие пределы упругости и выносливости и релаксационную стойкость. Охлаждение после отпуска следует проводить в воде, что способствует образованию на поверхности сжимающих остаточных напряжений, которые увеличивают предел выносливости пружин.

Высокотемпературный (высокий) отпуск проводят при температуре 500–680 °С, обеспечивая наилучшее соотношение прочности, пластичности и ударной вязкости стали. Термическую обработку, состоящую из закалки и высокого отпуска, называют улучшением. Улучшению подвергают среднеуглеродистые (0,3–0,5 % С) конструкционные стали, к которым предъявляют высокие требования по пределу выносливости и ударной вязкости. Длительность высокого отпуска составляет 1–6 ч в зависимости от габаритов изделий.

[1] Эвтектика — структура, состоящая из определённого сочетания двух или более твёрдых фаз, одновременно кристаллизовавшихся из жидкого сплава. Эвтектические сплавы — сплавы, в которых происходит одновременная кристаллизация нескольких твёрдых фаз при постоянной и самой низкой для данной системы сплавов температуры.

[2] Феррит — твёрдый раствор углерода в a-железе.

[3] Цементит — карбид железа Fe₂C.

[4] Стали подразделяют на спокойные, полуспокойные и кипящие по степени раскисления. Спокойные стали раскисляют марганцем, кремнием и алюминием, кипящие стали раскисляют только марганцем, для полуспокойных сталей используют промежуточные варианты.

[5] Ледебурит — эвтектическая смесь аустенита и цементита в интервале температур 723–1147 °C, или феррита и цементита ниже 723 °C

[6] Аустенит — твёрдый раствор внедрения углерода в g-железе.

[7] Мартенсит — упорядоченный пересыщенный твёрдый раствор углерода в α-железе такой же концентрации, как у исходного аустенита.

[8] Бейнит — структура стали, образующаяся в результате так называемого промежуточного превращения аустенита. Бейнит состоит из смеси частиц пересыщенного углеродом феррита и карбида железа.

Дата добавления: 2014-12-09; просмотров: 902; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!