Закалка и отпуск сталей. Поверхностная закалка
Закалкой называется процесс ТО, состоящий в нагреве на 30…50 оС выше линии А3 (GS) для доэвтектоидных сталей и выше линии А1 (PK) для заэвтектоидных сталей (см. рис. 35); выдержки для прогрева по всему объему и быстром охлаждении со скоростью выше критической для получения структуры мартенсита. Мартенсит представляет собой пересыщенный твердый раствор углерода в a-железе, который образуется в результате быстрого (бездиффузионного) превращения аустенита при охлаждении стали (углерод при этом не успевает покинуть пределы решетки и сильно искажает кристаллическую решетку мартенсита; чем больше углерода, тем выше эти искажения). Мартенсит обладает повышенной прочностью, твердостью (60…65 HRC) и низкой пластичностью (d £ 2 %).
Закалка относится к окончательным видам ТО, после нее производят только отпуск и, если требуется, небольшую шлифовку. После закалки материал имеет высокие внутренние напряжения, которые могут привести к короблению или растрескиванию деталей.
Для уменьшения внутренних напряжений и изменения структуры в требуемом направлении после закалки обязательно проводят один из трех видов отпуска – нагрева до определенной температуры, выдержки и охлаждения на воздухе:
1) Низкий отпуск производят при температуре 150…200 оС; он сохраняет структуру мартенсита, т.е. сталь остается такой же твердой и прочной, но несколько снижается уровень внутренних напряжений. Закалку с низким отпуском применяют при изготовлении особо твердых и износостойких деталей (ножей режущего инструмента, шарикоподшипников и т.п.). Для достижения высокой твердости применяют средне- и высокоуглеродистые стали, содержащие 0,5–1,3 % С.
2) Средний отпуск производят при температуре 350…500 оС; он приводит к распаду мартенсита и образованию особой, мелкодисперсной механической смеси феррита и цементита, которая называется троостит. Такая структура обладает высоким пределом упругости и поэтому закалку со средним отпуском применяют при изготовлении упругих элементов (рессор, крупных пружин, мембран). Для этих целей применяют среднеуглеродистые стали, содержащие 0,5…0,6 % С, лучше с добавкой марганца.
3) Высокий отпуск производят при температуре 550…650 оС. При этом мартенсит распадается с образованием более грубой ферритно-цементитной механической смеси, называемой сорбит. Такая структура обладает наилучшим сочетанием прочностных и пластических свойств, а также повышенной вязкостью. Закалку с высоким отпуском принято называть улучшением стали. Улучшение широко применяют при изготовлении ответственных деталей из среднеуглеродистых сталей (валов, шестерен и др.), работающих при ударных нагрузках.
В ряде случаев для упрочнения металла вместо традиционной объемной закалки целесообразно использовать поверхностную закалку, производимую за счет нагрева токами высокой частоты (ТВЧ-закалка), газовой горелкой, лазерным лучом или путем кратковременного погружения детали в ванну с расплавленными солями. В этих случаях прогревается и закаливается на структуру мартенсита только поверхность детали, а сердцевина остается незакаленной, т.е. более вязкой и пластичной, чем после традиционной закалки. Чаще всего поверхностной закалке подвергают детали из среднеуглеродистых сталей (40, 40Х, 45Х, 40ХН и др.), что позволяет получить прочную, твердую, износостойкую поверхность и сохранить вязкую сердцевину. Такая обработка повышает предел выносливости и положительно сказывается на сроке эксплуатации деталей, подвергаемых знакопеременным и ударным нагрузкам.