ЗАКАЛКА И ОТПУСК УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ

ЗАКАЛКА И ОТПУСК УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ

Основные сведения

Наиболее распространённым видом упрочняющей термической обработки углеродистой стали является закалка с последующим отпуском. Закалка заключается в нагреве стали до температуры выше критической (А_С3 – для доэвтектоидных и А_С1 – для заэвтектоидных сталей), выдержке при данной температуре и последующем охлаждении со скоростью выше критической скорости закалки V_кр., которая обеспечивает бездиффузионное превращение переохлаждённого аустенита в мартенсит.

Мартенсит – это перенасыщенный твёрдый раствор углерода в a-железе.

Цель закалки – повышение твёрдости, прочности и износостойкости стали. Доэвтектоидные стали подвергают полной закалке, их нагревают до температуры на 30-50°С выше точки А_С3 (рисунок 16).

В этом случае сталь с исходной структурой феррит + перлит при нагреве претерпевает полную кристаллизацию и приобретает аустенитную структуру, которая при последующем быстром охлаждении превращается в мартенсит.

При нагреве выше А_С3 на 30-50°С зерно аустенита сохраняется мелким. Перегрев стали, то есть нагрев до более высоких температур, способствует росту аустенитного зерна и получению крупно-игольчатого мартенсита, обладающего пониженной ударной вязкостью.

Закалку доэвтектоидных сталей от температур, соответствующих межкритическому интервалу (А_С1 - А_С3), обычно не применяют, так как после закалки наряду с мартенситом сохраняется и феррит, который снижает твёрдость и прочность закалённой стали (пятнистая закалка). При нагреве в этом случае образуется аустенит + феррит, после охлаждения мартенсит + феррит.

Рисунок 16 – Оптимальный интервал закалочных температур углеродистых сталей

Для заэвтектоидных и эвтектоидных сталей оптимальная температура закалки лежит на 30-50°С выше А_С1 (неполная закалка). При таком нагреве эвтектоидные стали будут иметь структуру аустенита, а заэвтектоидные стали – структуру аустенит + цементит вторичный. Происходит неполная перекристаллизация. При охлаждении со скоростью выше критической аустенит превращается в мартенсит, а цементит не претерпевает превращения. Цементит твёрже мартенсита, поэтому твёрдость закалённой стали в данном случае получается максимальной. Кроме того, в структуре этих сталей после обычной закалки имеется некоторое количество остаточного аустенита А_ост., так как мартенситное превращение заканчивается в них при отрицательных температурах.

Повышение температуры закалки выше А_С1 вызывает растворение вторичного цементита и способствует росту зерна аустенита. Такая сталь в закалённом состоянии имеет крупные кристаллы мартенсита и большое количество остаточного аустенита.

Выдержка при нагреве должна обеспечивать полный прогрев и получение необходимой структуры по всему сечению изделия, но не должна быть слишком большой, чтобы не вызвать рост зерна и обезуглероживание поверхностных слоёв стали. Нормы времени нагрева при термической обработке стали приведены в таблице 7.

Таблица 7 – Нормы времени нагрева стали при закалке

Охлаждающими средствами при закалке углеродистых сталей чаще всего являются вода и минеральные масла.

Для углеродистых сталей скорость охлаждения в воде выше критической скорости. Критическая скорость закалки (V_кр.) - это минимальная скорость охлаждения, при которой весь аустенит переохлаждается до точки М_н и превращается в мартенсит (рисунок 17).

Если охлаждать сталь со скоростью меньше критической, то образуются ферритно-цементитные смеси различной степени дисперсности. Чем больше скорость охлаждения, тем тоньше получается ферритно-цементитная смесь. При охлаждении со скоростью V₁ (вместе с печью) образуется перлит. При более высокой скорости охлаждения V₂ (охлаждение на воздухе или нормализация) получается сорбит. Дальнейшее увеличение скорости охлаждения, например, до V₃ (охлаждение в масле), приводит к образованию троостита.

	Перлит, сорбит и троостит имеют ферритно - цементитную структуру различной степени дисперсности. С увеличением степени дисперсности прочность и твёрдость стали увели-чиваются, а пластичность сни-жается. Оптимальной для закал-ки будет скорость охлаждения V4. Получаемая структура – мартенсит.
1. Температура начала диффузионного распада аустенита; 2. Температура конца диффузионного распада аустенита. Рисунок 17 – Кривые охлаждения

Сталь, закалённая на мартенсит, обладает высокой твёрдостью и хрупкостью, что делает невозможным её использование как конструкционного материала. Для получения требуемых свойств необходимо провести отпуск.

Отпуском стали называется нагрев закалённой стали до температур ниже температуры А_С1, выдержка при этой температуре и последующее охлаждение. Скорость охлаждения после отпуска не влияет на структуру стали. Отпуск является окончательной операцией термической обработки стали и придаёт ей требуемые механические свойства.

Различают три вида отпуска: низкий, средний, высокий.

Низкий отпуск (нагрев до температуры 150-200°С и выдержка 2-2,5 часа) обеспечивает получение структуры мартенсита отпуска. Он назначается для снятия внутренних напряжений без заметного снижения твёрдости. Такому отпуску подвергают режущий и измерительный инструмент.

Средний отпуск (нагрев до температуры 350-400°С и выдержка 2 часа) обеспечивает получение структуры троостита отпуска. При таком отпуске повышаются упругие свойства стали при высокой твёрдости (~40HRC). Среднему отпуску подвергаются пружинно-рессорные стали.

Высокий отпуск (нагрев до температуры 500-650°С и выдержка 0,5-1 часа) создаёт структуру сорбита, который даёт наилучшее сочетание прочности, пластичности и ударной вязкости. Этот вид термообработки называется улучшением стали, ему подвергаются ответственные детали машин, испытывающие ударные и циклические нагрузки.

В углеродистой стали с содержанием углерода более 0,6% температура конца мартенситного превращения находится ниже комнатной, поэтому при закалке в обычных условиях в этих сталях сохраняется остаточный аустенит (А_ост.). Распад остаточного аустенита происходит при отпуске стали. Избавиться от него можно также при обработке холодом.

Порядок выполнения работы

1. Каждый студент получает индивидуальное задание.

2. По диаграмме состояния «железо - углерод» определить критические точки для заданной стали и установить температуру закалки.

3. Измерить твёрдость образца в исходном (отожжённом) состоянии по Роквеллу, используя шкалу В. Перевести твёрдость по Роквеллу (HRB) в твердость по Бринеллю (HB).

4. Построить график зависимости твёрдости отожжённой стали от содержания углерода.

5. Определить время нагрева и выдержки образцов при закалке согласно таблице 7. Загрузить образцы в печь, засечь время нагрева.

6. Вынуть образцы из печи и произвести их охлаждение в воде, масле или на воздухе по указанию преподавателя.

7. Зачистить наждачной бумагой поверхность образца и замерить твёрдость методом Роквелла по шкале С. Перевести твёрдость по Роквеллу (HRС) в твёрдость по Бринеллю (HB).

8. Провести отпуск закалённых образцов. Для каждой марки стали проводятся все три вида отпуска: низкий (Т=200°С, t=60 мин), средний (Т=400°С, t=45 мин), высокий (Т=600°С, t=30 мин). Каждый студент выполняет один вид отпуска. Поместить образцы в печь, нагретую до заданной температуры, выдержать их указанное время и охладить на воздухе.

9. Зачистить образцы от окалины и замерить твёрдость по Роквеллу. Перевести твёрдость по Роквеллу (HRС) в твёрдость по Бринелю (HB).

10. Заполнить таблицу 8.

Таблица 8 – Результаты измерений

11. Построить графики зависимости твёрдости от охлаждающей среды при закалке.

12. Построить графики зависимости твёрдости от температуры отпуска.

13. Написать выводы о влиянии охлаждающей среды на структуру и свойства при закалке и влиянии температуры отпуска на структуру и свойства сталей.