Краткие теоретические сведения. Закалка стали – это термическая обработка стали, при которой главным процессом

Закалка стали – это термическая обработка стали, при которой главным процессом является формирование неравновесной структуры во время ускоренного охлаждения, применяемая для получения максимально возможной твердости и прочности стали.

В зависимости от температуры нагрева закалку называют полной и неполной. При полной закалке происходит полное фазовое превращение, т. е. сталь при нагреве переводят в однофазное аустенитное состояние.

Полной закалке подвергают доэвтектоидные стали, нагревая их выше критической температуры GS (А_с3) на 30-50°С (рис. 1).

При неполной закалке происходит неполная фазовая перекристаллизация, т. е. сталь нагревают до межкритических температур – между РSК (А_с1) и GS (А_с3) или между РSК (А_с1) и SЕ (А_сm). Заэвтектоидные стали подвергают неполной закалке, нагревая их выше линии РSК (А_с1) на 30-50°С (рис. 1).

Различают два вида закалки: закалка без полиморфного превращения и закалка с полиморфным превращением.

Углеродистые и низколегированные стали, в отличие, например, от некоторых цветных сплавов, подвергают закалке с полиморфным превращением.

Закалка с полиморфным превращением (или закалка на мартенсит) – это термическая обработка сплава, при которой главным является мартенситное превращение высокотемпературной фазы. Поэтому закалку углеродистых сталей называют закалкой на мартенсит. Такая закалка применяется для получения максимально возможной твердости и износостойкости стали.

Основными параметрами закалки являются температура нагрева, время выдержки и скорость охлаждения.

Первым этапом закалки является нагрев стали. В боль­шинстве случаев цель нагрева стали – получение аустенитной структуры. Температура нагрева стали под закалку зависит от количества углерода. Доэвтектоидную сталь необходимо нагревать до температуры на 30-50°С выше критической точки Ас₃ (рис. 1). При таком нагреве происходит полная фазовая перекристаллизация (Ф + П → А), поэтому закалка называется полной. При неполной закалке происходит неполная фазовая перекристаллизация, т. е. сталь нагревают до межкритических температур – между критическими точками Ас₁ и Ас₃ (рис. 1). Эвтектоидную и заэвтектоидную стали нагревают на 30-50°С выше критической точки Ас₁ (рис. 1). Для заэвтектоидной стали такая закалка будет неполной, потому что при нагреве происходит частичная фазовая перекристаллизация (П + Ц_II → А + Ц_II). Для некоторых легированных сталей температура нагрева под закалку значительно превышает критические точки А_С1 и А_С3 (на 150-250°С), что необходимо для перевода в твердый раствор специальных карбидов и получения требуемой легированности аустенита. Такое повышения температуры не ведет к значительному росту зерна, так как нерастворимые частицы карбидов тормозят рост зерна аустенита.

Рисунок 1 - Левая часть диаграммы железо-углерод. Оптимальный интервал температур для нагрева стали под закалку

Второй этап – это выдержка, которая должна обеспечить полный прогрев изделия по сечению и завершение фазовых превращений, а также полную гомогенизацию аустенита (т. е. равномерное распределение углерода в аустенитной структуре). Время выдержки зависит от размеров и формы изделия, а также от темпера­туры нагрева. Чем больше размеры изделия, тем больше время выдержки. Чем выше температура нагрева (при прочих равных условиях), тем меньше время выдержки. В таблице 1 показано время нагрева и выдержки образца или детали из углеродистых сталей в зависимости от температуры нагрева, их формы и размеров. Для легированных сталей это время может быть увеличено на 10-20%.

Третий этап – это охлаждение стали. Скорость охлаждения стальных образцов или деталей должна быть не ниже критической (V_кр.).

Критической скоростью закалки (V_кр.) называется минимальная скорость охлаждения, при которой аустенит превращается в мартенсит. Критическая скорость закалки неодинакова для различных сталей и зависит от устойчивости аустенита, определяемой химическим составом стали.

Углеродистые стали имеют высокую критическую скорость закалки (800-200°С/с). Причем, наименьшей критической скоростью закалки обладает эвтектоидная сталь. Чем крупнее зерно аустенита и больше его однородность, тем меньше критическая скорость закалки. Критическая скорость закалки для углеродистых сталей обеспечивается закалкой в воде или водных растворах солей или щелочей.

Таблица 1 - Время нагрева и выдержки образца или детали из углеродистых сталей в зависимости от температуры нагрева, их формы и размеров

Легирующие элементы, повышая устойчивость аустенита, резко снижают критическую скорость закалки. Например, при введении 1% Cr в сталь с 1% углерода критическая скорость закалки уменьшается в 2 раза, а при введении 0,4% Мо критическая скорость закалки уменьшается от 200 до 50°/с. Сильно снижают критическую скорость закалки марганец и никель, в меньшей степени ее снижает вольфрам. Для многих легированных сталей критическая скорость закалки снижается до 20-30°С/с и ниже. Кобальт является единственным легирующим элементом, повышающим критическую скорость закалки.

Для закалки легированных сталей используют минеральное масло, обеспечивающее меньшую скорость закалки в мартенситном интервале температур, а, следовательно, меньшие закалочные напряжения.

Охлаждение стали при закалке производят с большой скоростью (несколько сотен градусов в секунду). При такой высокой скорости охлаждения диффузия углерода в кристаллической решетке железа произойти не успеет, а кристаллическая решетка g-железа, путем сдвига атомов железа друг относительно друга на расстоянии меньше межатомных, перестраивается в a-железо. Так как диффузия атомов углерода и железа отсутствует, т. е. процесса является бездиффузионным, то содержание углерода в решетке a-железа будет равно содержанию углерода в решетке g-железа аустенита в результате чего решетка a-железа оказывается пересыщенной углеродом, деформируется и становится тетрагональной (рис. 2). Эта новая фаза с тетрагональной кристаллической решеткой железа называется мартенситом.

Мартенсит – это пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в a-железо. Мартенсит имеет высокую твердость, в основном, из-за пересыщения решетки a-железа углеродом и его твердость возрастает с увеличением содержания углерода. Так как целью закалки является получение максимально возможной твердости и прочности стали, то охлаждение стали при закалке необходимо проводить с такой скоростью, чтобы получить мартенситную структуру.

Мартенсит высокоуглеродистых сталей имеет игольчатое строение (рис. 4), высокую твердость и низкую пластичность. Чем больше содержание углерода в мартенсите, тем больше искажение кристаллической решетки, т. е. больше отношение параметров решетки с/а, называемое степенью тетрагональности, и, следовательно, выше твердость кристаллов мартенсита. Скорость образования кристаллов мартенсита очень велика и достигает 1000 м/с. Атомы железа при перестройке γ→α смещаются упорядоченно, в строго определенных кристаллографических направлениях. Мартенсит в высокоуглеродистых сталях может иметь твердость до 65 НRC. Высокая твердость мартенсита обусловлена, во-первых, искажениями кристаллической решетки и, соответственно, большими внутренними напряжениями. Во-вторых, возникновением фазового наклепа вследствие увеличения объема при превращении аустенита в мартенсит (плотность упаковки ГЦК решетки больше, чем ОЦК решетки), в результате чего плотность дислокаций в мартенсите достигает уровня плотности дислокации холоднодеформированной стали и равняется 10¹⁰–10¹² см^-2.

Скорость охлаждения зависит, в основном, от содержания в стали легирующих элементов и определяется диаграммой изотермического превращения аустенита (рис. 3).

Диаграмма изотермического превращения стали У8 состоит из следующих областей.

I – область устойчивого аустенита.

II – область неустойчивого переохлажденного аустенита.

III – область распада аустенита на феррито-цементитную смесь.

IV – область продуктов распада аустенита на феррито-цементитную смесь.

V – область бездиффузионного превращения аустенита в мартенсит.

Две С-образные кривые 1 и 2 на диаграмме указывают, соответственно, время начала и конца распада аустенита на феррито-цементитную смесь.

Две горизонтальные линии М_н и М_к на диаграмме указывают, соответственно, температуру начала и конца бездиффузионного превращения аустенита в мартенсит.

Наименьшей устойчивостью переохлаждаемый аустенит обладает при ~ 550°С. Превращения в интервале температур А_с1 – 550°C называют перлитным, а в интервале 550°С – М_н промежуточным или бейнитным.

Рисунок 2 - Схема тетрагональной решетки мартенсита	Рисунок 3 - Диаграмма изотермического превращения аустенита стали У8 (τ – время)

В области перлитного превращения аустенит, в зависимости от степени переохлаждения, превращается в феррито-цементитную смесь пластинчатого строения различной степени дисперсности, под которой понимается суммарная толщина расположенных рядом пластин феррита и цементита.

Перлит – крупнодисперсная смесь пластинок феррита и цементита с суммарной толщиной пластинок 8-10 мкм.

Сорбит – среднедисперсная смесь пластинок феррита и цементита с суммарной толщиной пластинок 6-8 мкм.

Тростит – мелкодисперсная смесь пластинок феррита и цементита (смесь высокой степени дисперсности) с суммарной толщиной пластинок 2-4 мкм.

С увеличением скорости охлаждения возрастает дисперсность феррито-цементитной смеси, что приводит к увеличению прочности и твердости стали и уменьшению ее пластичности.

При скоростях охлаждения больше критической скорости охлаждении V_кр, аустенит переохлаждается до температуры начала мартенситного превращения М_н и начинается мартенситное превращение.

Критическая скорость охлаждения или критическая скорость закалки V_кр – это минимальная скорость охлаждения, при которой происходит бездиффузионное превращение аустенита в мартенсит.

Мартенсит зарождается на границе зерна аустенита и в виде линзообразной пластины прорастает через все зерно аустенита. Затем образуются следующие пластины мартенсита, которые расположены под определенным углом к ранее образовавшимся пластинам мартенсита, т.е. образование мартенсита происходит не за счет роста ранее образовавшихся пластин мартенсита, а за счет образования новых пластин мартенсита.

Пластины мартенсита выглядят под микроскопом в виде иголок (рис. 4а) и поэтому говорят, что мартенсит имеет игольчатую структуру, причем размер игл мартенсита тем больше, чем больше исходное зерно аустенита.

При перегреве стали вырастает зерно аустенита и при закалке получится крупноигольчатый мартенсит (рис. 4в).

Образование мартенсита происходит с увеличением объема, и поэтому аустенит остаточный будет находиться в напряженном состоянии.

Если охлаждение стали в области V мартенситного превращения прекратить и дать выдержку, то структура стабилизируется и при дальнейшем охлаждением мартенситное превращение либо вообще не происходит, либо происходит с задержкой и не в полном объеме.

Для того чтобы мартенситное превращение прошло наиболее полно, сталь необходимо непрерывно охлаждать до линии конца мартенситного превращения (закалка холодом).

Микроструктура закаленной стали зависит от температуры нагрева и скорости охлаждения. Нагрев до рекомендуемых температур А_с3 + (30…50)°С доэвтектоидных сталей при полной и А_с1 + (30…50)°C заэвтектоидных сталей при неполной закалке позволяет получить структуру мелкоигольчатого мартенсита (рис. 4а) и мартенсита и вторичного цементита (рис. 4б).

Охлаждение при закалке со скоростью меньше критической вызывает образование наряду с мартенситом, тростита (рис. 4д), что приводит к уменьшению твердости стали.

Углеродистые стали имеют высокую критическую скорость закалки V_кр и поэтому их закаливают в воде или водных растворах солей со скоростью охлаждения 600°С/сек. и выше.

Легирующие элементы в легированных сталях, за исключением кобальта, повышают устойчивость аустенита, что приводит к смещению вправо линии начала превращения аустенита в феррито-цементитную смесь на диаграмме изотермического превращения аустенита легированных сталей, что, в свою очередь, приводит к уменьшению критической скорости закалки легированных сталей. Поэтому легированные стали закаливают в масле со скоростью охлаждения ~ 150°С/сек.

Рисунок 4 - Микроструктура закаленной стали и ее условная зарисовка: а) мартенсит мелкоигольчатый; б) мартенсит + цементит; в) мартенсит крупноигольчатый (перегрев стали); г) мартенсит + феррит (недогрев стали); д) мартенсит + тростит (замедленное охлаждение)