Статья: Закаливаемость и прокаливаемость стали

Типы и способы закалки

Материал, который подвергается закалке приобретает большую твердость, но при этом становится более хрупким, менее пластичным и менее вязким. Чтобы снизить хрупкость и увеличить пластичность после закалки с полиморфным превращением используется отпуск. В случае закалки без полиморфного превращения применяется старение. В таких изделиях, как японские катаны, закалке подвергается только режущая кромка меча. Закаленными слоями считаются только те, в которых содержится минимум 50 % мартенсита.

Типы закалки классифицируются по двум признакам:

1. По полиморфному превращению. Согласно данному признаку закалка может быть с полиморфным превращением (сталь) и без полиморфного превращения (цветные металлы).
2. По температуре нагрева. Согласно данному признаку закалка может быть полная и неполная. При полном нагреве материал нагревается на 30 - 50 градусов выше, чем линия GS эвтектоидной и доэвтектоидной стали, заэвтектоидная линия PSK в данном случае сталь приобретает структуру чистого аустенита и структуру аустенит + цементит. При неполной закалке нагрев осуществляется выше линии PSK, что способствует образованию избыточных фаз по окончании закалки. Такой вид закалки используется, как правило, для инструментальных сталей.

Существуют следующие способы закалки:

1. Индукционная закалка - закалка токами высокой частоты.
2. Закалка в одном охладителе, которая подразумевает погружение нагретой до определенной температуры деталь в закалочную жидкость, где она остается до полного охлаждения.
3. Лазерная закалка. Данный вид закалки основан на локальном нагреве участка поверхности под действием излучения и ее последующим охлаждением со сверхкритической скоростью.
4. Прерывистая закалка в двух средах, которая используется при закалке высокоуглеродистых сталей. Деталь сначала охлаждается в быстро охлаждающей среде, а затем в медленно охлаждающей.
5. Изотермическая закалка, при которой сталь выдерживается в закалочной среде столько времени, сколько необходимо для изотермического превращения аустенита.
6. Струйчатая закалка. Данный вид закалки заключается в обрызгивании детали струей воды.
7. Ступенчатая закалка, при которой деталь охлаждается в среде, температура которой выше мартенситной точки.

В результате неправильной закалки может возникать ряд дефектов. Самыми распространенными дефектами, которые возникают в результате закалки, являются: пережог (образование окислов), перегрев (образование крупнозернистой структуры, что увеличивает хрупкость стали), недостаточная твердость, обезуглероживание и окисление, коробление и появление трещин.

Прокаливаемость и закаливаемость стали

Закаливаемость стали измеряется в единицах твердости и характеризует твердость правильно закаленной стали. Чем больше в стали содержится углерода, тем выше искажения решетки мартенсита и выше твердость. Легирующие составляющие стали практически никак не влияют ее закаливаемость.

Прокаливаемость стали представляет собой ее способность получать закаленный слой определенной глубины. Скорость охлаждения снижается от поверхности детали к ее центру, поэтому в случае большой толщины детали может оказаться, что в ее сердцевине скорость охлаждения меньше критической, как показано на рисунке ниже. В данном случае на мартенсит закалится только поверхностный слой, а сердцевина останется незакаленной и будет обладать мягкой ферритно-перлитной структурой.

Температура закалки. " />

Рисунок 1. Температура закалки.

Прокаливаемость является расстоянием от поверхности до того места, где в структуре присутствуют 50 % мартенсита и 50 % троостита. Твердость зоны троостита (полумартенситная зона) зависит от содержания в стали углерода (рисунок ниже).

Рисунок 2. Прокаливаемость.

Прокаливаемость стали выражается в миллиметрах и зависит от состава стали - величина критической скорости закалки. Если увеличивается содержание углерода и легирующих элементов в стали, то критическая скорость закалки уменьшается, глубина прокаливаемости становится больше. Чем выше прокаливаемость стали, тем выше ее качество. При охлаждении в воде углеродистая сталь имеет максимальный критический диаметр около 10-15 миллиметров. Прокаливаемость зависит от содержания в стали легирующих элементов, которые затрудняют диффузионный распад аустенита, что способствует уменьшению критической скорости охлаждения в процессе закалки.

Прокаливаемость и закаливаемость сталей определяются опытным путем. Чтобы определить прокаливаемость используют метод торцевой закалки. Стандартный цилиндрический образец из стали сначала подвергается нагреву в печи, а затем переносится в специальную установку, в которой образец охлаждается струей воды под напором с торца. После полного охлаждения производится замер твердости от торца и строится кривая прокаливаемости. Величина прокаливаемости определяется по расстоянию торца до полумартенситной зоны (как показано на рисунке ниже), твердость которой заранее известна по экспериментальным данным и определяется, как правило, содержанием углерода.

Рисунок 3. Прокаливаемость.

Критический диаметр образцов простой формы, например, шара, параллелепипеда, цилиндра, может быть определен при помощи специальной номограммы, которая представлена на рисунке ниже.

Рисунок 4. Номограмма.

В данном случае исходная физическая характеристика - расстояние до полумартенситной зоны, которая получается в результате торцевой закалки. Оно откладывается по шкале вверху нанограммы. После этого от данной точки опускается перпендикуляр до линии идеального охлаждения, потом из нее проводится горизонтальная линия до пересечения с линией охлаждения на воздухе, в масле или в воде. Из полученных в результате этого точек опускаются перпендикуляры до шкал тел определенной формы, которые располагаются внизу номограммы.

Закаливаемости и прокаливаемости стали уделяется большое внимание при производстве различных марок стали. Высокий уровень данных характеристик значительной увеличивает надежность, устойчивость, износостойкость стальных элементов различных конструкций и деталей высокотехнологичного оборудования, что существенно увеличивается их максимальный срок эксплуатации.