5.3. Закалка и отпуск

Закалка заключается в нагреве стали выше температуры фазового превращения с последующим достаточно быстрым охлаждением (со скоростью больше критической).

Конструкционные и инструментальные стали подвергают закалке для достижения наибольшей твердости и прочности. Основные параметры при закалке – температура нагрева и скорость охлаждения. Продолжительность нагрева зависит от нагревательного устройства: на 1 мм сечения в электрической печи затрачивается 1–1,5 мин, в пламенной печи – 1 мин, в соляной ванне – 0,5 мин.

Закалка из однофазного состояния (полная закалка) с нагревом на 30–50 °С выше критической температуры А_С3 (линия GS на рис. 5.1) применяется для доэвтектоидных сталей. Изменение структуры стали:

.

Закалка из двухфазного состояния (неполная закалка) с нагревом на 30–50 °С выше критической температуры А₁ (линия SK на рис. 5.1) применяется для заэвтектоидных сталей, которые предварительно подвергают отжигу для сфероидизации цементита. Карбиды округлой формы не вызывают снижения вязкости. Изменение структуры стали:

.

После охлаждения в структуре остается вторичный цементит, который повышает твердость и износостойкость режущего инструмента.

Неполная закалка доэвтектоидных сталей недопустима, поскольку в структуре остается мягкий феррит:

.

Полная закалка заэвтектоидных сталей недопустима, поскольку в структуре остается много остаточного аустенита:

.

Скорость охлаждения при закалке определяется охлаждающей средой, формой изделия и теплопроводностью стали. Режим охлаждения должен исключить появление закалочных напряжений, которые приводят к короблению и растрескиванию деталей сложной формы.

Оптимальный режим: максимальная скорость охлаждения в интервале температур А₁–M_Н для предотвращения распада переохлажденного аустенита в области перлитного превращения; минимальная – в интервале температур мартенситного превращения M_Н–M_К с целью снижения термических напряжений. Охлаждающие среды: вода, технические масла, растворы солей и растворы полимеров, расплавы металлов и щелочей. Для легированных сталей с высокой устойчивостью аустенита используют минеральное масло (нефтяное), обеспечивающее небольшую скорость охлаждения, достаточную для мартенситного превращения.

Закаливаемость – способность стали приобретать высокую твердость при закалке. Закаливаемость определяется содержанием углерода; при содержании менее 0,2 % С степень упрочнения стали невелика.

Прокаливаемость – способность стали получать закалку на определенную глубину. Глубина закаленного слоя – расстояние от поверхности до середины слоя, в структуре которого имеются одинаковые объемы мартенсита и троостита. Чем больше легирующих элементов содержится в стали, тем меньше критическая скорость охлаждения и выше прокаливаемость.

Обработка стали холодом. Высокоуглеродистые и легированные стали имеют температуру окончания мартенситного превращения M_К значительно ниже 0 °С. После закалки до комнатной температуры в стали сохраняется остаточный аустенит, снижающий твердость. Для его устранения проводят охлаждение при низких температурах (впервые предложил А.П. Гуляев в 1937 г.). Обычно используют сухой лед. Обработку холодом проводят сразу после закалки, чтобы не допустить стабилизации аустенита. Прирост твердости – 1–4 HRC. Обработку холодом проводят на деталях шарикоподшипников, точных механизмов, измерительных инструментов.

Отпуск – нагрев закаленной стали до температур ниже критических с последующим охлаждением, обычно на воздухе. Отпуск является заключительной термической операцией. Закаленную сталь отпускают с целью получения требуемых эксплуатационных свойств детали и уменьшения внутренних напряжений. Температуру выбирают, исходя из нужного уровня вязкости, пластичности и твердости стали.

При низком отпуске (150–200 С) из мартенсита выделяется часть углерода. Число ковалентных Fe–С–Fe-связей уменьшается. Освобождающийся углерод не сразу образует стабильный карбид железа Fe₃C. Сначала появляется ε-карбид с ГПУ решеткой (Fe₂C), который имеет когерентную границу с мартенситом. При 200–300 °С из ε-карбида образуются пластинки карбидов Fe₃C размером 80×200 нм и толщиной несколько атомных диаметров с когерентными или полукогерентными границами. Наблюдается снижение тетрагональности решетки и внутренних напряжений. Структура после низкого отпуска представляет малоуглеродистый мартенсит и очень мелкие карбидные частицы – отпущенный мартенсит. Низкому отпуску подвергают инструментальные стали, детали после поверхностной закалки и цементации.

Средний отпуск проводится при температурах 300–450 С. При этом из мартенсита уже выделяется весь избыточный углерод с образованием цементитных частиц. Пластинки цементита растут, ширина увеличивается до 200–400 нм, длина – более 1 мкм, границы становятся некогерентными. Тетрагональные искажения кристаллической решетки железа снимаются, она становится кубической. Мартенсит превращается в феррито-цементитную смесь с очень мелкими игольчатыми частицами цементита, которая называется трооститом отпуска и сочетает высокую упругость и твердость 40–45 HRC. Средний отпуск используется для изделий типа пружин, рессор, торсионов.

Высокий отпуск проводится при 500–650 °С. Скорость диффузионных процессов возрастает, при распаде мартенсита образуется феррито-цементитная смесь с более крупными, сферической формы, зернами цементита. Наблюдается растворение мелких и рост крупных карбидных частиц. Плотность дислокаций снижается до 10⁸–10⁹ см^–2, устраняются остаточные внутренние напряжения. Структура называется сорбит отпуска; она сочетает высокую пластичность и ударную вязкость при достаточной твердости. Используется высокий отпуск для деталей машин, испытывающих ударные и знакопеременные нагрузки. Закалка с высоким отпуском называется термическим улучшением стали.