1. . Краткие теоретические сведения

Закалка – основной упрочняющий способ термической обработки конструкционных и инструментальных сталей.

Закалкой называется термическая операция, связанная с нагревом стали выше температуры фазовых превращений, выдержкой и последующим быстрым охлаждением (в каком-либо охладителе).

Цель закалки – придание стали высокой твердости и прочности путем образования неравновесных структур: мартенсита или бейнита (игольчатого троостита).

Основными технологическими свойствами при закалке стали являются закаливаемость и прокаливаемость. Закаливаемость – свойство стали приобретать высокую твердость в результате закалки. Прокаливаемость – свойство стали воспринимать закалку на определенную глубину от поверхности.

Выбор температуры нагрева при объемной закалке углеродистых сталей производится по диаграмме состояния железоуглеродистых сплавов (рис. 4.1).

Доэвтектоидные стали нагревают до температуры на 30 – 50°С выше критической точки А₃, т. е. выше линии GS диаграммы. При таком нагреве исходная ферритно-перлитная структура превращается в аустенит, происходит полная пере­кристаллизация стали. Охлаждение со скоростью больше критической приводит к мартенситному превращению (А  М). Такая закалка называется полной.

Эвтектоидные и заэвтектоидные стали подвергают неполной закалке, т. е. нагревают до температуры на 30 – 50°С выше критической точки A₁ (линия PSK диаграммы). Эта температура постоянная, и интервал значений температуры для закалки будет 760 – 780°С.

Нагрев углеродистых сталей выше указанных значений температуры (А₃ и A₁) приводит к росту зерна аустенита. Однако для легированных сталей, содержащих специальные карбиды, температура нагрева под закалку намного превышает критические точки. Это обусловлено необходимостью растворения карбидов в аустените, что снижает критическую скорость закалки, повышает п рокаливаемость, увеличивает устойчивость мартенсита к отпуску.

Определение времени нагрева и выдержки для прогрева стали по сечению и гомогенизации аустенита указано в [1, с. 287 – 290; 2, с. 199 – 204].

Скорость охлаждения стали после нагрева и выдержки оказывает решающее влияние на результат закалки. Режим охлаждения должен быть таким, чтобы не возникали большие напряжения, приводящие к короблению изделия и образова­нию закалочных трещин. Эти напряжения складываются из термических и структурных.

При закалке углеродистых и некоторых низколегированных сталей в качестве охлаждающей среды применяют воду и водные растворы. Холодная вода – самый дешевый и интенсивный охладитель. К недостаткам этой охлаждающей среды относится образование «паровой рубашки». Кроме того, с повышением температуры воды резко снижается ее охлаждающая способность. Увеличение охлаждающей способности воды достигается при использовании струйного или душевого (спрейерного) охлаждения. Для крупногабаритных изделий (рельсы, трубы и т. п.) применяется водовоздушная охлаждающая среда – смесь воды с воздухом, подаваемая в камеру под давлением через форсунки (водяной туман).

Для легированных сталей при закалке применяют минеральное масло. Оно не изменяет охлаждающую способность при нагреве (20 – 150°С), не образует «паровую рубашку». Перепад температуры между поверхностью и центром изделия при закалке в масле меньше, чем при охлаждении в воде, а следовательно, меньше термические напряжения. Недостатками масла как охладителя при закалке явля­ются образование пригара на поверхности изделия, потеря с течением времени закаливающей способности (загустевшее масло требует замены), легкая загораемость.