Способы закалки

Так как нет такой закаливающей среды, которая давала бы быстрое охлаждение в интервале температур 650 — 400 °С и медленное охлаждение выше и главным образом ниже этого интервала, то применяют различные способы закалки, обеспечивающие необходимый режим охлаждения.

Закалка через воду в масло

Закалка через воду в масло (закалка в двух средах):

1 — нормальный режим;
2 — недодержка в воде;
3 — передержка в воде.

Для уменьшения скорости охлаждения в мартенситном интервале применяют закалку в двух средах. Вначале деталь погружают в воду и после короткой выдержки в воде переносят в масло. Поэтому такой способ закалки называют закалкой через воду в масло.

Быстрое охлаждение вводе предотвращает перлитное превращение, а последующее замедленное охлаждение в масле уменьшает закалочные напряжения в мартенситном интервале.

Наиболее ответственный момент — выдержка в воде, продолжительность которой устанавливают для каждого конкретного изделия. И передержка, и недодержка в воде могут привести к браку.

При недодержке в воде происходит частичный или полный распад аустенита и получается заниженная твердость, а при передержке возникают более сильные закалочные напряжения, которые могут привести к короблению и образованию трещин.

Несмотря на указанные недостатки, закалку через воду в масло широко применяют в производстве режущего инструмента из углеродистой стали (углеродистая сталь обладает небольшой прокаливаемостью, и режущий инструмент из нее нельзя закаливать в масле).

Закалка в воде и горячих средах

Закалка в воде и горячих средах:

1 — закалка в воде;
2 — ступенчатая закалка;
3 — изотермическая закалка.

Другой способ уменьшения скорости охлаждения в мартенситном интервале — ступенчатая закалка. Нагретое до температуры закалки изделие быстро погружают в ванну с горячей средой, а затем после некоторой выдержки выдают на воздух или погружают в холодное масло. Впервые закалка в горячей среде была описана Д. К. Черновым.

В 1885 г. в известном докладе «О приготовлении стальных бронепробивающих снарядов» Д. К. Чернов сообщил, что снарядная сталь при закалке в расплаве свинца с оловом приобретает такую же твердость, как и при закалке в холодной воде.

При выборе режима ступенчатой закалки помогает С-диаграмма. Температуру горячей среды (температуру «ступеньки») выбирают вблизи мартенситной точки (на 20 — 30 °C выше нее) в области высокой устойчивости переохлажденного аустенита.

Время выдержки в горячей среде (длина «ступеньки») должно быть меньше инкубационного периода при соответствующей температуре. Ступенчатая закалка более проста в исполнении, чем закалка через воду в масло, и дает более стабильные результаты.

Другое важное преимущество ступенчатой закалки — выравнивание температуры по сечению изделия при выдержке в горячей среде. Мартенситное превращение после этой выдержки происходит при медленном охлаждении и одновременно по всему объему, в результате чего уменьшаются закалочные напряжения.

Наконец, весьма существенное преимущество — то, что сталь при температуре «ступеньки» находится в аустенитном состоянии. После извлечения из горячей среды изделие некоторое время пластично, и его можно править для устранения коробления.

Это особенно ценно для тонких и длинных изделий, при закалке которых даже в горячей среде неизбежно коробление. Часто используют правку вручную, но наилучшие результаты дает правка под прессом. Правка может продолжаться при охлаждении ниже точки М_н, так как непосредственно в момент мартенситного превращения (но не после его окончания) пластичность повышена.

Основной недостаток ступенчатой закалки — малая скорость охлаждения в горячей среде. Поэтому применение ступенчатой закалки к углеродистым сталям ограничено изделиями небольшого сечения (до 8 — 10 мм толщиной).

Изделие большого сечения охлаждается в горячей среде медленно, и аустенит успевает претерпеть эвтектоидный распад. Изделия из легированных сталей, у которых меньше критическая скорость охлаждения, проще подвергать ступенчатой закалке. Так, например, ступенчатой закалкой широко пользуются при обработке инструментов и деталей машин из хромистой стали (ШХ16, ХВГ и 9ХС).

Разновидностью ступенчатой закалки является закалка в горячей среде, температура которой несколько ниже мартенситной точки. Более низкая температура «ступеньки» обеспечивает большую прокаливаемость, а так как количество мартенсита еще невелико, то основные преимущества ступенчатой закалки сохраняются. Но править изделие при этом уже нельзя.

При ступенчатой закалке используют три группы горячих сред: минеральные масла, расплавы селитр и расплавы щелочей.

Если длина «ступеньки», находящейся в температурном интервале бейнитного превращения, больше времени изотермического распада аустенита, то операцию термообработки называют изотермической или бейнитной закалкой. Бейнитное превращение является промежуточным между перлитным и мартенситным (смотрите Бейнитное превращение).

Сталь со структурой нижнего бейнита по механическим свойствам ближе к закаленной на мартенсит, чем к стали с перлитной структурой. При бейнитном превращении происходит мартенситная γ → α-перестройка. По способу практического осуществления рассматриваемый процесс мало отличается от ступенчатой закалки. Поэтому его относят к закалке с полиморфным превращением.

Изотермическую закалку проводят в тех же горячих средах, что и ступенчатую. Время выдержки в горячей среде должно быть больше времени изотермического превращения аустенита, и его можно ориентировочно выбрать, руководствуясь С-диаграммой. Изотермической закалке можно подвергать изделия небольшого сечения, так как в горячей среде охлаждение идет медленно.

При выдержке в горячей среде температура по сечению изделия успевает выровняться еще в большей степени, чем при ступенчатой закалке.

Резкое уменьшение закалочных напряжений и коробления — важное преимущество изотермической закалки.

Кроме уменьшения закалочных напряжений, у изотермической закалки есть и другое преимущество. При одинаковой твердости вязкость нижнего бейнита больше, чем у стали, отпущенной после закалки на мартенсит.

Одной из причин этого считают более однородное распределение карбидных частиц в бейните. При бейнитном превращении в некоторых легированных сталях сохраняется большое количество остаточного аустенита, который не превращается в мартенсит при охлаждении после изотермической выдержки.

Изотермическая закалка таких сталей обеспечивает высокую ударную вязкость, резко уменьшает чувствительность к надрезу и перекосам по сравнению с закаленной на мартенсит и отпущенной сталью. Следовательно, изотермическая закалка позволяет повысить конструктивную прочность стали.

Ниже сравниваются свойства стали 30ХГС после обычной закалки с отпуском и изотермической закалки:

«Теория термической обработки металлов»,
И.И.Новиков