Превращения мартенсита в перлит при отпуске

 

Отпуском называют термическую операцию, заключающуюся в нагреве закаленной стали до температуры ниже Аc₁, с последующей выдержкой и охлаждением с заданной скоростью. В процессе нагрева происходят объемные и структурные изменения в стали.

Мартенсит закалки – неравновесная структура, сохраняющаяся при низких температурах. При закалке возникают большие внутренние напряжения в результате объемных изменений: мартенсит имеет больший объем, чем аустенит. Для получения более равновесного состояния после закалки изделия подвергают отпуску, нагревая их до температур ниже Ас₁.

Различают четыре основных превращения, происходящих при нагреве закаленной стали.

I превращение. В интервале температур 80 – 200^ОС в отдельных участках исходного мартенсита происходит выделение тончайших пластин карбида железа, так называемый ε-карбид, по составу близкий к Fe₂C. В результате образуется структура отпущенный мартенсит.

II превращение. В интервале температур 200 - 300^ОС остаточный аустенит переходит в отпущенный мартенсит. При этом происходит уменьшение тетрагональности мартенсита и при температурах ближе к 300^ОС начинается обособление и рост частичек карбида.

III превращение. В интервале температур 300 - 400^ОС карбидные частицы полностью обособляются, приобретают строение Fe₃C и начинают расти. Образующаяся высокодисперсная смесь феррита и цементита называется трооститом отпуска.

IV превращение. Выше 400 ^ОС происходит рост частиц карбида. При 550-600 ^ОС образуется сорбит отпуска. В отличие от сорбита закалки сорбит отпуска имеет округлую форму.

При нагреве стали до 650-700 ^ОС получают перлит отпуска(зернистый перлит).

Сорбит отпуска, отличается от аналогичных структур, полученных при непрерывном охлаждении. Выделения цементита в нем имеют зернистую форму, тогда как после непрерывного охлаждения из аустенитной области они имеют пластинчатую форму. При одинаковой твердости тростит и сорбит отпуска по сравнению с троститом и сорбитом, полученным при непрерывном охлаждении, имеют более высокие значения пределов текучести и ударной вязкости.

 

Основы технологии термической обработки стали

Основными видами термической обработки стали являются отжиг, закалка и отпуск.

Отжиг стали

Отжиг стали– термическая обработка, заключающаяся в нагреве металла до определенной температуры, выдержки и охлаждении с отключенной печью (т.е. с минимально возможной скоростью, порядка 50-100 град/час). Цели отжига — снижение твердости и улучшение обрабатываемости стали, изменение формы и величины зерна, выравнивание химического состава, снятие внутренних напряжений. Для стали применяют различные виды отжига: полный, неполный, диффузионный, рекристаллизационный, низкий, отжиг на зернистый перлит, нормализация. Температуры нагрева стали для ряда видов отжига связаны с положением линий диаграммы Fe-Fe₃C (рис.27). Низкая скорость охлаждения обычно достигается при остывании стали вместе с печью.

Отжиг, при котором нагрев и выдержку металла производят с целью приведения его в более устойчивое состояние за счет снятия напряжений, уменьшения искажений кристаллической решетки, рекристаллизации, называют отжигом первого рода, так как он не связан с превращениями в твердом состоянии. Такой отжиг возможен для любых металлов и сплавов.

Если в сплаве при нагреве происходит фазовое превращение (полиморфное или растворение второй фазы), то нагрев выше некоторой критической температуры сопровождается изменением в строении сплава. При последующем охлаждении произойдет обратное превращение. Если охлаждение достаточно медленное, то превращение будет полным, а фазовый состав будет соответствовать равновесному состоянию. Такой отжиг называют отжигом второго рода или фазовой перекристаллизацией.

Для стали можно применять как отжиг первого рода, так и отжиг второго рода.

К отжигу первого рода относят:

-диффузионный (отжиг на гомогенизацию);

-рекристаллизационный;

-отжиг для снятия внутренних напряжений.

Диффузионный отжиг (гомогенизация) заключается в нагреве стали до 1000-1100°С, длительной выдержке (10-15 часов) при этой температуре и последующем медленном охлаждении. В результате диффузионного отжига происходит выравнивание неоднородности стали по химическому составу. Благодаря высокой температуре нагрева и продолжительной выдержке получается крупнозернистая структура, которая может быть устранена последующим полным отжигом. Этот вид отжига применяют в основном для легированных сталей.

 

Рис. 27. Области температур нагрева для различных видов отжига:

1 - полный отжиг; 2 - неполный отжиг; 3 -диффузионный отжиг;

4 - рекристаллизационный отжиг; 5 – нормализация

Рекристаллизационный отжигпредназначен для снятия наклепа и внутренних напряжений после холодной деформации и подготовки структуры к дальнейшему деформированию. Нагрев необходимо осуществлять выше температуры рекристаллизации, которая для железа составляет 450°С. Обычно, для повышения скорости рекристаллизационных процессов применяют значительно более высокие температуры, которые, однако, должны быть ниже линии PSK диаграммы Fe-Fe₃C. Поэтому температура нагрева для рекристаллизационного отжига составляет 650-700°С.

В результате рекристаллизационного отжига образуется однородная мелкозернистая структура с небольшой твердостью и значительной вязкостью. Этот вид отжига применяют в основном для малоуглеродистых сталей, предназначенных для холодной деформации.

Отжиг для снятия внутренних напряженийприменяется в тех случаях, когда структура стали удовлетворительна и необходимо только уменьшить внутренние напряжения, возникающие при кристаллизации, сварке или после механической обработки. В этом случае сталь нагревают значительно ниже линии PSK диаграммы Fe-Fe₃C (200-600°С).

Наиболее часто для стали применяют отжиг второго рода, который в зависимости от химического состава углеродистой стали может быть полным и неполным.

Полный отжигприменяется для доэвтектоидных сталей. Нагрев стали для полного отжига осуществляется на 30-50° выше линии GS диаграммы Fe-Fe₃C (рис. 27). При этом происходит полная перекристаллизация стали и уменьшение величины зерна. Исходная структура из крупных зерен феррита и перлита при нагреве превращается в аустенитную, а затем при медленном охлаждении в структуру из мелких зерен феррита и перлита. Повышение температуры нагрева может привести к росту зерна. При полном отжиге снижается твердость и прочность стали, а пластичность повышается.

При неполном отжиге нагрев производится на 30-50°С выше линии PSK диаграммы Fe-Fe₃C (рис. 27). Он производится, если исходная структура не очень крупнозернистая или не надо изменить расположение ферритной (в доэвтектоидных сталях) или цементитной (в заэвтектоидных сталях) составляющей. При этом происходит лишь частичная перекристаллизация — только перлитной составляющей стали.

Отжиг доэвтектоидной стали.

Для доэвтектоидной стали применяют следующие виды отжига:

-полный;

-изотермический;

-нормализация;

-патентирование.

 

Рис. 28 Основные виды отжига доэвтектоидной стали:

1- полный; 2- изотермический; 3 -нормализация;4 - патентирование.

 

Полный отжиг проводится с нагревом стали в область аустенита. Полному отжигу подвергают доэвтектоидные стали (со структурой перлит + феррит). При нагреве выше критической точки Ас₃ происходит полная перекристаллизация стали и соответственно образование структуры аустенита. Температура нагрева должна превышать точку Ас₃ на 30-50 град. В этом случае мы получим структуру мелкозернистого аустенита. При несоблюдении такого интервала перегрева может сохраниться часть феррита (при недогреве), а при перегреве произойдет рост зерна аустенита. При последующем медленном охлаждении в результате протекания эвтектоидного превращения происходит распад аустенита с образованием структуры перлита и феррита. Если до отжига в виду определенных причин структура была крупнозернистой (сталь с такой структурой обладает неудовлетворительными механическими свойствами), то при фазовой перекристаллизации образуется структура мелкозернистого аустенита, которая при последующем охлаждении превращается в мелкозернистую структуру перлита и феррита.

Изотермический отжиг. В заводской практике с целью экономии времени чаще проводят изотермический отжиг.Сталь нагревают выше критической точки, быстро охлаждают до температуры, лежащей на 50-100 град ниже равновесной точки А₁ и выдерживают до полного распада аустенита. Поскольку температуру контролировать легче, чем скорость охлаждения, такой отжиг дает более стабильные результаты. В настоящее время изотермический отжиг применяют чаще, чем отжиг с непрерывным охлаждением, особенно для легированных сталей, так как это сокращает продолжительность операции.

Нормализация – это термическая операция, которая заключается в нагреве стали до аустенитного состояния (выше А₃ или выше Аcm) и охлаждение на воздухе.

При нормализации охлаждение проводят на спокойном воздухе. При этом скорость охлаждения составляет 200–250 град/час. Нормализация – более дешевая операция, чем отжиг, т.к. печи используют только для нагрева и выдержки при температуре нормализации. Охлаждение осуществляют на воздухе, вне печи.

Отжиг и нормализация обычно являются первоначальными операциями термической обработки, цель которых – устранить дефекты предыдущих операций горячей обработки (литья и ковки), или подготовить структуру к последующим технологическим операциям (например, обработке резанием или закалке). Однако довольно часто отжиг, а особенно нормализация, являются окончательной термической обработкой. Это происходит в том случае, когда после отжига или нормализации сталь имеет свойства, удовлетворительные с точки зрения эксплуатации детали, и не требуется дальнейшего их улучшения с помощью закалки и отпуска.

Для низкоуглеродистых нелегированных сталей разница в свойствах между отожженным и нормализованным состояниями практически отсутствует. Эти стали рекомендуется подвергать не отжигу, а нормализации. Для среднеуглеродистых сталей (0,3 – 0,5%С) различие в свойствах стали после отжига и нормализации существенно. В этом случае нормализация не может заменить отжига. Но для этих сталей (если речь не идет о деталях ответственного назначения) нормализация может заменить более дорогую термическую обработку – улучшение. Нормализация в этом случае придает стали по сравнению с отожженным состоянием более высокую прочность, но по сравнению с улучшенным состоянием нормализованная сталь имеет несколько меньшую пластичность и вязкость.

Патентирование. Патентирование применяется для получения высокопрочной канатной проволоки. При этом сталь нагревают до температуры превышающей А₃ на 1050-200⁰С, а затем охлаждают до 450-550⁰С в соляной или свинцовой ванне и наматывают на барабан. После такого отжига сталь имеет структуру мелкозернистого троостита. Затем сталь подвергается волочению, что позволяет получить предел прочности до 2000-3000МПа.

 

Отжиг заэвтектоидной стали.

Для заэвтектоидной стали применяют неполный отжиг и нормализацию.

Неполный отжиг. Заэвтектоидные стали подвергают неполному отжигу, так как полный отжиг приводит к появлению цементитной сетки по границам зерен пластинчатого перлита, что приводит к резкому снижению пластичности стали. Неполный отжиг, то есть нагрев стали выше температуры Ас₁ на 30-50 град – основной способ получения структуры зернистого перлита. Неполный отжиг заэвтектоидных сталей называют также сфероидизацией. Такой отжиг осуществляют маятниковым способом (температуру несколько раз изменяют вблизи линии PSK, то перегревая выше нее на 30-50°С, то охлаждая ниже на 30-50°С) или путем длительной выдержки (5-6 часов) при температуре несколько выше линии PSK и последующего медленного охлаждения. После такого отжига цементит, обычно присутствующий в структуре в виде пластин, приобретает зернистую форму. Сталь со структурой зернистого перлита обладает большей пластичностью, меньшей твердостью и прочностью по сравнению с пластинчатым перлитом. Отжиг на зернистый перлит применяется для подготовки сталей к закалке или для улучшения их обрабатываемости резанием. Структурой зернистого перлита должны обладать инструментальные стали.

Нормализация состоит из нагрева стали на 30-50°С выше линии SE диаграммы Fe-Fe₃C (рис.27), выдержки при этой температуре и последующего охлаждения на воздухе. Более быстрое охлаждение по сравнению с обычным отжигом приводит к более мелкозернистой структуре и удалению сетки цементита вторичного, который может образовываться в стали при медленном охлаждении. С этой целью нормализацию применяют, например, после цементации.

Закалка стали

Закалка – это термическая операция, которая заключается в нагреве сплава до температуры выше критических точек и охлаждении с высокой скоростью. В зависимости от того происходит ли в сплаве полиморфное превращение, цель закалки различна. Если в сплаве не протекает полиморфного превращения, закалкой можно зафиксировать при комнатной температуре высокотемпературное структурное состояние. Если в сплаве протекает полиморфное превращение, что происходит, например, в углеродистой стали, закалку применяют для получения другой структуры – мартенсита.

Рис. 29 Температурный интервал нагрева под закалку

 

Закалка углеродистой стали – это термическая операция, которая заключается в нагреве стали выше температуры фазового превращения, выдержке при этой температуре и охлаждении с высокой скоростью, выше некоторой критической.

Критическая скорость охлаждения – это минимальная скорость, охлаждая с которой в стали не происходит диффузионного распада аустенита с образованием структур перлитного типа, таких как перлит, сорбит, тростит, а также бейнит. При охлаждении со скоростью выше критической в стали происходит бездиффузионное (сдвиговое) превращение. Образовавшаяся в результате такого превращения структура названа в честь ученого-металлурга Мартенса - мартенсит.

Мартенсит - это пересыщенный твердый раствор углерода в феррите. Это неравновесная (метастабильная) структура, которая характеризуется максимальной твердостью и прочностью, но пластичность при этом практически равна нулю.

Закалку сталей подразделяют на объемную и поверхностную.

Объемная закалка направлена на получение максимально неравновесной структуры по всему объему детали. В зависимости от температуры нагрева закалку подразделяют на полную и неполную (рис.29). Для доэвтектоидной стали обычно применяют полную закалку с нагревом выше точки А₃ (Ас₃ +30 - 50^оС). А для заэвтектоидной – неполную с нагревом выше точки А₁ (Ас₁ + 30 – 50^оС).

Нагрев > Ас₃ на (30 – 50^оС) при полной закалке позволяет получить мелкозернистый аустенит и, соответственно, после охлаждения – мелкокристаллический мартенсит (рис.30).

Нагрев > Ас₁ на (30 – 50^оС) при неполной закалке приводит к сохранению в структуре кристаллов доэвтектоидного феррита, что снижает твердость и прочность стали.

Рис. 30 Схема структурных превращений в доэвтектоидной стали при закалке

 

 

Рис.31 Схема структурных превращений в заэвтектоидной стали при закалке

 

Нагрев заэвтектоидной стали > Ас₁ на (30 – 50^оС) при неполной закалке приводит к образованию структуры мартенситас включениями вторичного цементита. Кристаллы цементита тверже кристаллов мартенсита, поэтому твердость стали выше, чем при полной закалке (рис.31).

Заэвтектоидные стали предварительно подвергают сфероидезации, поэтому избыточный Fe₃C_II округлой формы не вызывает снижения вязкости.

Нагрев > Аcm при полной закалке приводит к укрупнению зерна аустенита, а в результате быстрого охлаждения - к образованию крупно игольчатого мартенсита с повышенным количеством остаточного аустенита. В этом случае твердость и прочность стали будут ниже, чем при неполной закалке.

Для получения мартенситной структуры необходимо переохладить аустенит до М_н, следовательно скорость охлаждения должна превышать критическую скорость закалки V_кр

Для углеродистых сталей необходимо очень резкое охлаждение (≈ 1000 ^оС/сек), поэтому в качестве охлаждающей среды используют холодную воду или воду с добавлением соли или едкого натра.

Многие легированные стали приобретают мартенситную структуру при охлаждении в холодных или подогретых маслах (≈ 100 ^оС/сек), а высоколегированные – на воздухе(≈ 10^оС/сек).

 

Отпуск стали.

Закаленная сталь очень твердая, но она хрупкая, у нее низкая пластичность и большие внутренние напряжения. В таком состоянии изделие не работоспособно, не надежно в эксплуатации. Поэтому для уменьшения внутренних напряжений и повышения пластичности после закалки всегда следует еще одна операция термической обработки, которая называется отпуск.

Отпуск – заключительная термическая операция, состоящая в нагреве закаленного сплава ниже температуры фазового превращения (для углеродистой стали это ниже температуры Ас₁), выдержке и охлаждении на воздухе. Целью отпуска является получение более равновесной структуры, снятие внутренних напряжений, повышение вязкости и пластичности, создание требуемого комплекса эксплуатационных свойств стали.

Различают три вида отпуска.

1. Низкий отпуск углеродистой стали проводят при температуре 150-200⁰С. При этом из мартенсита выделяется часть избыточного углерода с образованием мельчайших карбидных частиц. Но поскольку скорость диффузии здесь еще мала, некоторая часть углерода в мартенсите остается.

Целью низкого отпуска является снижение внутренних напряжений и некоторое уменьшение хрупкости при сохранении высокой твердости, прочности и износостойкости изделий. Структура стали в результате низкого отпуска представляет собой мартенсит отпуска или мартенсит отпуска и вторичный цементит. Закалке и низкому отпуску подвергают режущий и мерительный инструмент, а так же изделия, которые должны обладать высокой твердостью и износостойкостью (например, штампы для холодной штамповки или валки прокатных станов). Закалке и низкому отпуску подвергают стали с 0,7 – 1,3 %С.

2. Средний отпуск проводят при температуре 350 – 450⁰С. При этом из мартенсита уже выделяется весь избыточный углерод с образованием цементитных частиц. Тетрагональные искажения кристаллической решетки железа снимаются, она становится кубической. Мартенсит превращается в феррито-цементитную смесь с очень мелкими, в виде иголочек, частицами цементита, которая называется трооститом отпуска.

При этом происходит некоторое снижение твердости при значительном увеличении предела упругости и улучшения сопротивляемости действию ударных нагрузок. Закалку и средний отпуск проводят для пружин, рессор, ударного инструмента. Средний отпуск применяют для стали с содержанием углерода 0,5–0,65%.

3. Высокий отпуск проводят для среднеуглеродистых сталей с содержанием углерода 0,3 – 0,45%. Он заключается в нагреве закаленной стали до температуры 550 - 650 ⁰С. Цель высокого отпуск – достижение оптимального сочетания прочности, пластичности и вязкости. Структура стали после закалки и высокого отпуска – сорбит отпуска (мелкая смесь феррита и зернистого цементита, более крупного по сравнению с цементитом тростита отпуска). Термическая обработка, состоящая из закалки и последующего высокого отпуска, является основным видом термической обработки изделий из конструкционных сталей, подвергающихся в процессе эксплуатации действию высоких напряжений и ударных, часто знакопеременных нагрузок. Закалку с последующим высоким отпуском называют улучшением.

Время выдержки при низком отпуске составляет от 1 до 10-15 часов, так как при таких низких температурах диффузия углерода идет медленно. Для среднего и высокого отпуска обычно достаточно 1-2 часа. Для дисков газовых и паровых турбин, валов, цельнокованых роторов в теплоэнергетике требуется до 8 часов, потому что их структура должна быть максимально стабильной.

Изменение механических характеристик углеродистой стали при отпуске показано на рис. 32.

Таким образом, с повышением температуры и продолжительности отпуска увеличиваются пластические свойства стали, но снижаются ее твердость и прочность. В практике термической обработки стали режим отпуска назначают в соответствии с требуемыми свойствами, которые определяются условиями работы детали.

 

4.4 Отпускная хрупкость.

 

Отпускной хрупкостью называют резкое падение ударной вязкости при отпуске при определенных температурах.

 

 

Рис. 33 Зависимость ударной вязкости от температуры отпуска

 

Различают два вида отпускной хрупкости – низкотемпературную и высокотемпературную. Первая развивается в температурном интервале 250-400⁰С. Ее называют необратимой или отпускной хрупкостью первого рода. Ударная вязкость закаленной стали после отпуска в этом интервале меньше, чем после отпуска ниже 250⁰С (рис. 33).

Если охрупченную сталь, отпущенную при 250-400⁰С, отпустить при более высоких температурах для перевода в вязкое состояние, то повторный отпуск в интервале 250-400⁰С не возвращает сталь в хрупкое состояние. Поэтому такую отпускную хрупкость называют необратимой.

Необратимая отпускная хрупкость в большей или меньшей степени свойственна всем сталям и не зависит от скорости охлаждения с температур отпуска. Ее причину связывают с неоднородным выделением карбидов по границам зерен при распаде мартенсита.

Второй провал на кривой ударной вязкости приходится на интервал температур отпуска примерно 450-600⁰С при медленном охлаждении (рис.33). При этом быстрое охлаждение с температур высокого отпуска, например в воде, предотвращает развитие отпускной хрупкости. Если же сталь вновь нагреть в этот интервал и медленно охладить, то отпускная хрупкость возвращается. Новый нагрев выше 600⁰С с быстрым охлаждением устраняет хрупкость и т.д. Поэтому это явление называют обратимой или отпускной хрупкостью второго рода.

Развитие отпускной хрупкости второго рода связывают с повышенной концентрацией фосфора на границах зерен. Наиболее широко используемые легирующие элементы – хром, никель, марганец усиливают эффект обратимой хрупкости, а введение молибдена и вольфрама уменьшают его. Особенно сильно на снижение склонности к отпускной хрупкости влияет молибден при введении его в сталь более 0,2%.

 

Способы закалки стали.

Выбор того или иного способа охлаждения при закалке определяется во-первых получением наибольшей прокаливаемости и во-вторых минимальным уровнем остаточных внутренних напряжений, чтобы уменьшить коробление деталей.

Используются несколько способов закалки, которые классифицируются по методу охлаждения:

1-закалка в одном охладителе;

2-закалка в двух охладителях;

3-ступенчатая закалка;

4-изотермическая закалка.

Все рассмотренные способы закалки показаны на диаграмме распада переохлажденного аустенита на рис.34.

Закалка в одном охладителе (воде или масле). Это наиболее простой и распространенный способ. Однако, некоторые стали при охлаждении в воде склонны к возникновению трещин. При охлаждении в масле скорость охлаждения меньше, но многие стали при таком охлаждении не закаливаются (скорость охлаждения меньше Vкр и мартенсит не образуется).

Закалка в двух охладителях (через воду в масло). При этом методе в верхнем интервале температур скорость охлаждения велика, но сталь достаточно пластична и значительных напряжений не возникает. При этом способе сталь быстро охлаждается в интервале температур 750–400°С, а затем деталь переносится в другую, более мягкую, охлаждающую среду, и в мартенситном интервале охлаждение происходит замедленно, что практически исключает образование трещин. Твердость при таком методе закалки такая же, как при закалке в воде. (рис.34, кривая 2). Это приводит к уменьшению внутренних напряжений и снижает вероятность появления трещин. Примером такой закалки может быть процесс с охлаждением вначале в воде, а затем в масле.

Ступенчатая закалка -заключается в том, что после нагрева детали переносят в печь-ванну с расплавом щелочей (обычно КОН+NaOH). Нагретую до температуры немного выше начала образования мартенсита (на 20-30° выше точки М _н т.е. до 350-400⁰С), выдерживают небольшое время для выравнивания температуры по сечению, а затем охлаждают в масле или на воздухе (рис.34,3). При этом обеспечивается быстрое охлаждение стали в верхней области температур, а затем делается выдержка, во время которой температура по сечению детали выравнивается, и термические напряжения уменьшаются.

Твердость после такой закалки такая же, как и в предыдущих способах, но напряжения и вероятность образования трещин еще меньше. В качестве жидких сред для ступенчатой закалки используют расплавы щелочей, селитры, легкоплавких металлов.

Ступенчатая закалка применяется только для мелких изделий (до 10мм) из углеродистых сталей. Для более крупных деталей ее не применяют, так как в расплаве щелочей скорость охлаждения внутри детали мала.

Для легированных сталей, обладающих высокой устойчивостью переохлажденного аустенита, такую закалку применять нецелесообразно, так как они обычно хорошо закаливаются в масле, которое достаточно медленно охлаждает при температурах образования мартенсита.

Изотермическая закалка проводится так же как и ступенчатая, но в расплаве щелочей детали выдерживают более длительное время (до полного распада аустенита на бейнит (рис.34,4). При этом существенных напряжений не возникает, но твердость получается ниже, чем при других способах закалки. Преимуществом этого способа является то, что после него не требуется отпуска. Изотермическая закалка обычно применяется для деталей сложной формы, склонных к деформациям и образованию трещин.

Обработка стали холодом.

Обработку стали холодом применяют для уменьшения количества остаточного аустенита в закаленных высокоуглеродистых сталях. При охлаждении до -70..-190⁰С остаточный аустенит превращается в мартенсит.

Обработку холодом проводят непосредственно после закалки путем погружения изделий в смесь авиационного бензина с жидким азотом на 1-1,5 часа.

Обработка холодом обычно применяется:

1. Для инструмента из быстрорежущих сталей и деталей

шарикоподшипников с целью повышения твердости;

2. Для улучшения свойств постоянных магнитов;

3. Для стабилизации размеров точного измерительного инструмента (например, калибров)

Закалка с самоотпуском.

При сквозной прокаливаемости все точки детали имеют практически одинаковую твердость. Однако, для ударного инструмента типа зубил, долот, штампов необходимо иметь высокую твердость рабочей поверхности и напротив высокую ударную вязкость хвостовой части. Этого можно добиться специальными способами охлаждения.

1.Охладить в воде только рабочую поверхность, вынуть деталь из воды и контролировать ее разогрев до нужной температуры по цветам побежалости.

2.Закалить всю деталь, а затем разогревать ее хвостовую часть, контролируя разогрев рабочей поверхности.

 

Поверхностная закалка

 

Для некоторых деталей при эксплуатации необходима высокая твердость и износостойкость поверхности в сочетании с хорошей вязкостью в сердцевине. Это касается деталей, работающих в условиях износа с одновременным действием динамических нагрузок (например, шестерни, пальцы, скрепляющие звенья трака гусеничных машин).

В таких случаях подвергают упрочнению не всю деталь, а только тонкий (несколько мм) поверхностный слой.

Поверхностная закалка – это нагрев до закалочных температур только поверхностного слоя детали с последующим быстрым охлаждением и образованием мартенситной структуры только в этом слое.

Осуществляют такую закалку быстрым нагревом поверхности, при котором сердцевина не успевает прогреваться за счет теплопроводности. При таком нагреве температура по сечению детали резко падает от поверхности к центру.

После охлаждения в сечении детали получаются три характерных зоны с разной структурой и свойствами (рис. 35).

 

а б в

Рис. 35. Поверхностная закалка стали:

а – распределение температур по сечению; б – структура при поверхностном нагреве;

в – структура после закалки

 

В зоне I после закалки получается мартенситная структура с максимальной твердостью, так как эта зона нагревалась выше критической температуры Ас₃.

В зоне II после закалки в структуре, кроме мартенсита, будет присутствовать и феррит. Следовательно, твердость там будет ниже.

В зоне III нагрев и охлаждение не приводят к каким-либо изменениям структуры. Значит, здесь сохраняется исходная феррито-перлитная структура с низкой твердостью, но высокими пластическими свойствами.

После поверхностной закалки деталь может сопротивляться динамическим нагрузкам за счет вязкой сердцевины и хорошо работать в условиях износа благодаря твердой поверхности.

Быстрый нагрев поверхности, необходимый при такой технологии, осуществляется чаще всего индукционным способом (закалка ТВЧ). Деталь помещается в индуктор, подключенный к генератору тока высокой частоты. Переменное магнитное поле высокой частоты наводит в тонком поверхностном слое металла вихревые токи, и нагрев осуществляется за счет сопротивления металла протеканию этих токов. Немедленно после нагрева, который длится секунды, деталь помещают в спрейер для охлаждения.

Поверхностная закалка должна сопровождаться низким отпуском.

Чем выше частота внешнего переменного магнитного поля, тем тоньше слой, в котором сосредоточены вихревые токи. Поэтому глубина закаленного слоя может легко регулироваться и составляет от десятых долей миллиметра до 3–5 мм. Операцию закалки ТВЧ можно полностью автоматизировать. Способ очень производительный; коробление и окисление поверхности детали при этом минимально.

Иногда, для поверхностной закалки используют и другие способы нагрева - газопламенный, лазерный, а также нагрев краткосрочным погружением в расплав солей.

Для такого способа термообработки созданы специально стали пониженной прокаливемости, например, 55ПП (0,55 % С и не более 0,5 % примесей).