Закалки и прокаливаемость стали

В начале темы 2.3 отмечалось, что существенным недостатком углеродистых сталей является их пониженная прокаливаемость. Напомним, прокаливаемость – это способность стали приобретать мартенситную структуру на определенную глубину при закалке в данном охладителе.

Величину прокаливаемости обычно оценивают критическим диаметром (D_кр) – максимальным диаметром образца, приобретающим мартенситную структуру по всему сечению при закалке в данном охладителе.

Поскольку основное требование закалки на мартенсит (см. раздел 2.2.1) V_охл ³ V_кр , то прокаливаемость зависит от соотношения скорости охлаждения V_охл и критической скорости закалки V_кр, величина которой определяется химическим составом стали.

Очевидно, что скорость охлаждения образца (изделия) уменьшается от поверхности к сердцевине (рис. 2.3.4).

 

Рис. 2.3.4. Распределение скорости охлаждения (V_охл) по сечению образца при закалке (заштрихована закаленная зона с мартенситной структурой)

 

Если в сердцевине образца V_охл < V_кр, это приводит к несквозной закалке. При несквозной прокаливаемости в поверхностном слое образуется мартенсит, в сердцевине (где V_охл < V_кр) пластинчатые структуры перлитного типа (например, сорбит закалки).В результате возникает неоднородность механических свойств по сечению детали, которая сохраняется и после отпуска. Например, после высокого отпуска в поверхностном слое получится сорбит отпуска ("зернистый сорбит"), а структура сердцевины не изменится и будет иметь пониженные механические свойства (о чем говорилось в конце темы 2.2.2). Например, ударная вязкость улучшенной (закалка + высокий отпуск) стали 45 с диаметром образца 10 мм (сквозная закалка) составляет KCU = 1 МДж/м², а при Æ = 100 мм (несквозная прокаливаемость) KCU = 0,5 МДж/м².

Поэтому для ответственных изделий должны применяться стали со сквозной прокаливаемостью.

Из рис. 2.3.4 очевидно, что основной путь повышения прокаливаемости – это уменьшение V_кр. В предыдущем разделе (2.3.1.2) говорилось о том, что легирование приводит к смещению линий С- диаграммы вправо (см. рис. 2.3.3), а это означает уменьшение V_кр (напомним, что величина V_кр определяется наклоном касательной к кривой начала распада аустенита на феррито-карбидные смеси, см. стр. 84).

Как отмечалось выше, все легирующие элементы (кроме Со ) замедляют скорость распада переохлажденного аустенита и соответственно уменьшают V_кр, причем тем сильнее, чем больше их количество в стали. Поэтому, чем больше диаметр изделия, тем более легированную сталь нужно применять для получения сквозной прокаливаемости.

Помимо повышения прокаливаемости легирование играет и еще одну важную положительную роль, так как., снижая V_кр, позволяет производить более «мягкую» закалку по сравнению с углеродистыми (нелегированными) сталями. Если для получения мартенсита в углеродистых сталях их необходимо охлаждать очень быстро в воде (V_охл ≈ 600 ^оС/с), то в легированных тот же результат может быть достигнут при более медленном охлаждении в масле (V_охл≈150 ^оС/с) или даже (для некоторых высоколегированных, например, быстрорежущих сталей) на воздухе (V _охл. ≈ 3…30 ^оС/с).

Существенное снижение V_охл. при закалке легированных сталей уменьшает опасность возникновения закалочных трещин и коробления изделий.

Справедливости ради остановимся на примере отрицательного влияния легирования, усложняющего технологию термической обработки изделий.

Выше (раздел 2.3.1.2) отмечалось, что подобно углероду все легирующие элементы (кроме Со и Al) снижают температуру начала (М_н) и конца (М_к) мартенситного превращения.

Если в стали данного химического состава температура М_к опускается ниже комнатной, то при закалке (закалочная среда при t = 20 ^оС) часть аустенита сохраняется, не превращаясь в мартенсит, - это «остаточный аустенит».

Согласно рис. 2.3.2 он появляется в структуре закаленных углеродистых сталей, содержащих ≥ 0,5 %С и его количество возрастает с увеличением содержания углерода (пропорционально заштрихованному на рис. 2.3.2 интервалу ∆ t = 20 ^оС – М_к).

Поскольку легирующие элементы дополнительно снижают М_н и М_к (особенно эффективно Mn, Cr, Ni) то в закаленных легированных сталях сохраняется много остаточного аустенита.

Остаточный аустенит ухудшает механические и эксплуатационные свойства изделий, поэтому для его устранения применяют «обработку холодом» - охлаждение изделий сразу после закалки до температур, возможно близких к М_к. Для этого используют, например, жидкий аммиак (-33 ^оС), жидкий азот

(- 196 ^оС) и другие охлаждающие среды.[25]

Обработку холодом используют главным образом для деталей типа шестерен, режущих и измерительных инструментов, изготавливаемых из высоколегированных сталей.

Заметим, что в некоторых случаях остаточный аустенит играет положительную роль, уменьшая деформацию изделий при закалке (например, длинномерного режущего и измерительного инструмента).