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. 42 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.42). Для доэвтектоидной стали обычно применяют полную закалку с нагревом выше точки А3 (Ас3 +30 - 50оС). А для заэвтектоидной – неполную с нагревом выше точки А1 (Ас1 + 30 – 50оС).
Нагрев >Ас3на (30 – 50оС)при полной закалке позволяет получить мелкозернистый аустенит и, соответственно, после охлаждения – мелкокристаллический мартенсит.
Нагрев >Ас1на (30 – 50оС)при неполной закалке приводит к сохранению в структуре кристаллов доэвтектоидного феррита, что снижает твердость и прочность стали.
Нагрев заэвтектоидной стали >Ас1на (30 – 50оС)при неполной закалке приводит к образованию структуры мартенситас включениями вторичного цементита. Кристаллы цементита тверже кристаллов мартенсита, поэтому твердость стали выше, чем при полной закалке.
Заэвтектоидные стали предварительно подвергают сфероидезации, поэтому избыточный Fe3C округлой формы не вызывает снижения вязкости.
Нагрев выше 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 Мн, следовательно скорость охлаждения должна превышать критическую скорость закалки Vкр
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 даже при охлаждении на воздухе( ≈ 10оС/сек).