3. ЗАКАЛКА

Закалка — термическая обработка — заключается в нагреве стали до температуры выше критической для доэвтектоидной и — для заэвтектоидной сталей) или температуры растворения избыточных фаз, в выдержке и последующем охлаждении со скоростью, превышающей критическую (рис. 131). Закалка не является окончательной операцией термической обработки. Чтобы уменьшить хрупкость и напряжения, вызванные закалкой, и получить требуемые механические свойства, сталь после закалки обязательно подвергают отпуску.

Инструментальную сталь в основном подвергают закалке и отпуску для повышения твердости, износостойкости и прочности,

Рис. 131. Схема закалки доэвтектоидной стали: а — схема закалки; б — изотермическая диаграмма распада переохлажденного аустенита доэвтектоидной стали с указанием скорости охлаждения при закалке и критической скорости закалки А — аустенит; Б — бейнит; Ф — феррит; М - мартенсит

Рис. 132. Диаграмма состояния с нанесенными температурами нагрева для закалки сталей (а) и зависимость твердости и количества остаточного аустенита стали после закалки с различных температур от содержания углерода: 1 — мартенсит; 2 — ааэвтектондная сталь, вакаленная от температуры (20-30 °С); 3 - ваэвтектоцдная сталь, вакаленная от температуры количество остаточного аустенита (Лост) после вакалкн от температуры + (20-30 °С) (доэвтектоидной стали) и + (20-30 °С) (ваэвтектоидной стали) а конструкционную сталь — для повышения прочности, твердости, получения достаточно высокой пластичности и вязкости, а для ряда деталей также высокой износостойкости.

Выбор температуры закалки. Доэвтектоидные стали нагревают до температуры на 30—50 °С выше точки (рис. 132). В этом случае сталь с исходной структурой перлит+феррит при нагреве приобретает аустенитную структуру, которая при последующем охлаждении со скоростью выше критической превращается в мартенсит. Закалку от температур, соответствующих межкритическому интервалу (), применяют только для листовой низколегированной низкоуглеродистой стали (см. с. 266) для получения структуры феррита с небольшими участками мартенсита (20-30 %), обеспечивающей хорошие механические свойства и штампуемость (см. с. 266). Во всех других случаях закалка доэвтектоидных сталей из межкритического интервала температур не применяется, так как механические свойства оказываются ниже, чем после закалки от температур выше точки

Заэвтектоидные стали под закалку нагревают несколько выше температуры точки (рис. 132, а). При таком нагреве образуется аустенит при сохранении некоторого количества цементита. После охлаждения структура стали состоит из мартенсита и нерастворимых частиц карбидов, обладающих высокой твердостью (рис. 132, б). Верхний предел температуры закалки для большинства заэвтектоидных сталей ограничивают, так как чрезмерное повышение температуры выше точки связано с ростом зерна, что приводит к снижению прочности и сопротивления хрупкому разрушению. Поэтому интервал колебания температур закалки большинства сталей невелик (15-20 °С). Закалка от

температур выше точки снижает твердость стали за счет увеличения количества остаточного аустенита (рис. 132, б).

Для многих высоколегированных сталей температура нагрева под закалку значительно превышает критические точки (на 150-250 °С), что необходимо для перевода в твердый раствор специальных карбидов и получения требуемой легированности аустенита.

Это повышение температуры не ведет к заметному росту зерна, так как нераетворенные частицы карбидов тормозят рост зерна ауетенита.

Продолжительность нагрева при аустенитизации стали. Продолжительность нагрева должна обеспечить прогрев изделия по сечению и завершение фазовых превращений, но не должна быть слишком большой, чтобы не вызвать роста зерна и обезуглероживания поверхностных слоев стали.

Общая продолжительность нагрева , где — продолжительность сквозного прогрева до заданной (конечной) температуры, обусловленная формой и размером изделий, их расположением, типом печи, составом и свойствами стали и т. д. — продолжительность изотермической выдержки при данной температуре, не зависящая от формы и размера изделия и определяемая только составом и исходным состоянием стали.

В настоящее время разработаны инженерные методы расчета основных типовых параметров — продолжительности нагрева, скорости нагрева, перепада температуры по толщине металла и т. д. Но часто пользуются опытными данными. На 1 мм сечения или толщины изделия из доэвтектоидных сталей продолжительность нагрева принимают в электропечах 45—75 с, а в соляной ванне — 15—20 с.

Величина в должна быть минимальной, но при этом обеспечивать завершение фазовых превращений в стали и необходимую концентрацию углерода и легирующих элементов в аустените.

Продолжительность изотермической выдержки при заданной температуре для деталей машин часто принимают равной 15— от продолжительности сквозного нагрева.

Выдержка в электрической печи при температуре закалки для инструмента из углеродистой стали рекомендуется 50—80 с на 1 мм наименьшего сечения, а легированной стали 70—90 с; при нагреве в соляной ванне соответственно 20—25 с для углеродистой стали и 25—30 с для легированной.

Фасонный инструмент и детали машин сложных форм при нагреве под закалку для уменьшения деформации рекомендуется предварительно подогревать в печи при 400-600 °С.

Выбор среды для нагрева при термической обработке. При нагреве в пламенных или электрических печах взаимодействие печной атмосферы поверхностью нагреваемого изделия приводит к окислению и обезуглероживанию стали, которое снижает твердость, механические свойства и износостойкость.

Для предохранения изделий от окисления и обезуглероживания нередко в рабочее пространство печи вводят защитную газовую среду (контролируемые атмосферы). В качестве таких сред применяются следующие атмосферы:

1) эндотермическая (условное обозначение получаемая частичным сжиганием метана (природного газа) при коэффициенте избытка воздуха в присутствии катализатора и содержащая состав эндотермической атмосферы можно регулировать таким образом, чтобы исключить окисление и обезуглероживание стали любым содержанием углерода. Широко применяют и экзо-эндотермическую маловодородную атмосферу —

2) экзотермическая, получаемая частичным сжиганием природного газа при без очистки и осушки или с очисткой и осушкой атмосфера ПСО-Об содержит кроме того, — до

3) экзотермическая, получаемая почти полным сжиганием природного газа при без очистки и осушки и с очисткой и осушкой в последнем случае эта атмосфера содержит в атмосфере присутствуют (за счет соответствующего уменьшения количества азота); эту атмосферу применяют при отжиге стали.

Охлаждающие среды для закалки. Охлаждение при закалке должно обеспечить получение структуры мартенсита в пределах заданного сечения изделия (определенную прокаливаемость) и не должно вызывать закалочных дефектов: трещин, деформаций, коробления и высоких растягивающих остаточных напряжений в поверхностных слоях.

Наиболее желательна высокая скорость охлаждения (выше критической скорости закалки) в интервале температур для подавления распада переохлажденного аустенита в области перлитного и промежуточного превращений и замедленное охлаждение в интервале температур мартенситного превращения . Высокая скорость охлаждения в мартенситном интервале температур нежелательна, так как ведет к увеличению уровня остаточных напряжений и даже к образованию трещин. В то же время слишком медленное охлаждение в интервале температур Мв—Мк может привести к частичному отпуску мартенсита и увеличению количества остаточного аустенита вследствие его стабилизации, что снижает твердость стали.

Чаще для закалки используют кипящие жидкости — воду, водные растворы щелочей и солей, масла. При закалке в этих средах различают три периода:

Таблица 2 (см. скан) Относительная интенсивность охлаждения закалочных сред

1) пленочное кипение, когда на поверхности стали образуется «паровая рубашка»; в этот период скорость охлаждения сравнительно невелика;

2) пузырьковое кипение, наступающее при полном разрушении паровой пленки, наблюдаемое при охлаждении поверхности до температуры ниже критической; в этот период происходит быстрый отвод теплоты;

3) конвективный теплообмен, который отвечает температурам ниже температуры кипения охлаждающей жидкости; теплоотвод в этот период происходит с наименьшей скоростью.

В табл. 2 приведены примерный температурный интервал пузырькового кипения и относительная интенсивность охлаждения Я в середине этого интервала для различных охлаждающих сред.

При закалке углеродистой и некоторых низколегированных сталей, имеющих малую устойчивость переохлажденного аустенита, в качестве охлаждающей среды применяют воду и водные растворы или

Вода как охлаждающая среда имеет существенные недостатки. Высокая скорость охлаждения в области температур мартенситного превращения нередко приводит к образованию закалочных дефектов; с повышением температуры воды резко ухудшается ее закалочная способность (см. табл. 1). При закалке изделий в горячей воде вследствие их медленного охлаждения при высоких температурах и быстрого охлаждения при низких температурах тепловые напряжения получаются низкими, а наиболее опасные структурные — высокими, что и может вызвать образование трещин. Наиболее высокой и равномерной охлаждающей способностью отличаются холодные 8-12 %-ные водные растворы которые хорошо зарекомендовали себя на практике.

При закалке в водных растворах паровая рубашка разрушается почти мгновенно и охлаждение происходит более равномерно и

Рис. 133. Зависимость прокаливаемости от критической скорости вакалки — глубина закаленного слоя; критическая скорость вакалки углеродистой стали; критические скорости эакалки низколегированной и высоколегированной стали (сталь легирована несколькими элементами)

в основном протекает на стадии пузырькового кипения. Увеличение охлаждающей способности достигается при использовании струйного или душевого охлаждения, широко применяемого, например, при поверхностной закалке.

Дальнейшим усовершенствованием методов охлаждения явилось применение смесей воды с воздухом, подаваемых через форсунки. Водовоздушные среды применяют для охлаждения крупных поковок, рельсов и т. д.

Для легированных сталей, обладающих более высокой устойчивостью переохлажденного аустенита при закалке, применяют минеральное масло (чаще нефтяное).

Масло как закалочная среда имеет следующие преимущества: небольшую скорость охлаждения в мартенситном интервале температур, что уменьшает возникновение закалочных дефектов, и постоянство закаливающей способности в широком интервале температур среды (20-150 °С). К недостаткам следует отнести повышенную воспламеняемость (температура вспышки 165— 300 °С), недостаточную стабильность и низкую охлаждающую способность в области температур перлитного превращения, а также повышенную стоимость.

Температуру масла при закалке поддерживают в пределах 60-90 °С, когда его вязкость оказывается минимальной.

Для закалки применяют водные растворы полимеров УЗСП-1), снижающие скорость охлаждения в мартенситном интервале температур. Однако нужно учитывать, что растворимость полимеров в воде меняется с изменением температуры, что влечет за собой изменение охлаждающей способности.

Все шире начинают применять охлаждение под давлением в среде азота, аргона и водорода.

Закаливаемость и прокаливаемость стали. Под закаливаемостью понимают способность стали повышать твердость в результате закалки. Закаливаемость стали определяется в первую очередь содержанием в стали углерода. Чем больше в мартенсите углерода, тем выше его твердость. Легирующие элементы оказывают относительно небольшое влияние на закаливаемость.

Под прокаливаемостью понимают способность стали получать закаленный слой в мартенситной или троосто-мартенситной структурой и высокой твердостью на ту или иную глубину. Прокаливаемость определяется критической скоростью охлаждения, зависящей от состава стали. Если действительная скорость охлаждения в сердцевине изделия будет превышать критическую скорость закалки (рис. 133, о, то сталь получит мартенситную структуру по всему сечению и тем самым будет иметь сквозную прокаливаемость.

Если действительная скорость охлаждения в сердцевине будет меньше то изделие прокалится только на некоторую глубину а, а и прокаливаемость будет неполной. В этом случае в сердцевине произойдет распад аустенита образованием пластинчатой ферритно-карбидной структуры (троостита, сорбита или перлита).

За глубину закаленного слоя условно принимают расстояние от поверхности до полумартенситной зоны мартенсита троостита). Диаметр заготовки, в центре которой после закалки в данной охлаждающей среде образуется полумартенситная структура, называют критическим диаметром Критический диаметр определяет размер сечения изделия, прокаливающегося насквозь, т. е. получающего высокую твердость, а после отпуска и высокие механические свойства по всему сечению. Полумартенситная структура во многих случаях не обеспечивает максимум механических свойств — сильно снижается и . В связи с этим прокаливаемость нередко определяют по глубине закаленного слоя со структурой мартенсита. Критический диаметр для структуры мартенсита примерно на меньше критического диаметра, определенного по полумартенситной зоне. Полная прокаливаемость на структуру мартенсита составляет полумартенситной прокаливаемости. Полумартенситную зону принимают в качестве критерия прокаливаемости потому, что ее легко определить по микроструктуре, но еще проще по твердости. Твердость полумартенситной структуры зависит от содержания в стали углерода. Например, при твердость полумартенситной структуры углеродистой стали легированной — при соответственно и при и при

Прокаливаемость тем выше, чем меньше критическая скорость закалки, т. е. чем выше устойчивость переохлажденного аустенита.

Рис. 134. Твердость по сечению стали, содержащей 0,4% С и и 1,5% Си (в): 1 — твердость полумартенситной зоны

Легированные стали вследствие более высокой устойчивости переохлажденного аустенита и соответственно меньшей критической скорости охлаждения (см. рис. и ) прокаливаются на большую глубину, чем углеродистые. Сильно повышают прокаливаемость марганец, хром, молибден и малые добавки бора менее сильно влияют никель и кремний. Прокаливаемость особенно возрастает при одновременном введении в сталь нескольких легирующих элементов.

Устойчивость переохлажденного аустенита повышается, а критическая скорость закалки уменьшается только при том условии, если легирующие элементы растворены в аустените. Если легирующие элементы находятся в виде избыточных частиц карбидов, то они не повышают устойчивость аустенита и могут ее уменьшить, так как карбиды служат готовыми зародышами, облегчающими распад аустенита. Карбиды титана, ниобия и ванадия при нормально принятом нагреве под закалку обычно не растворяются в аустените и понижают прокаливаемость. Сильно влияет на прокаливаемость величина зерна аустенита. В углеродистой стали при укрупнении зерна от балла 6 до балла 1—2 (см. рис. 111) глубина закаленного слоя возрастает в 2—3 раза, поэтому увеличение температуры и длительности нагрева повышают прокаливаемость. Легирующие элементы, находящиеся в виде карбидов, не только создают дополнительные центры, способствующие распаду аустенита, но и измельчают его зерно, что также увеличивает критическую скорость закалки и уменьшает прокаливаемость.

При сквозной закалке свойства стали, и в частности твердость, по всему сечению изделия одинаковы. При несквозной закалке изменение структуры стали по сечению способствует соответствующим изменениям свойств. Распределение твердости по

сечению закаленных цилиндров из разных сталей показано на рис. 134. При несквозной прокаливаемости твердость падает от поверхности к сердцевине. На рис. 134 видно, что критический диаметр полумартенситной зоны углеродистой стали в данных условиях обработки составляет 25 мм, хромистой мм и хромоникелевой мм. При несквозной прокаливаемости отпуск при высокой температуре уменьшает различие в твердости и временном сопротивлении по сечению. Однако предел текучести, ударная вязкость и относительное сужение в сердцевине образца остаются более низкими. Это объясняется разным характером строения ферритно-цементитной структуры. В закаленном слое в результате отпуска мартенсита образуется более дисперсная ферритно-цементитная структура зернистого строения, а в сердцевине она более грубая и имеет пластинчатое строение.

Влияние прокаливаемости на механические свойства можно показать на примере. Заготовки из углеродистой стали с , диаметром 10 мм прокаливаются в воде насквозь. После отпуска при 550 °С получается структура — сорбит отпуска. Для такой структуры характерны высокие механические свойства: При диаметре заготовки 100 мм и закалке в воде скорость охлаждения в сердцевине значительно меньше критической и там образуется структура из пластинчатого перлита и феррита. Эта структура обладает более низкими механическими свойствами: Для получения одинаковых и высоких механических свойств по всему сечению во многих случаях необходимо обеспечить в процессе закалки сквозную прокаливаемость.

Прокаливаемость углеродистой стали в небольших сечениях (диаметром до 15—20 мм) можно определить по виду излома закаленных образцов. Часто прокаливаемость определяют по кривым распределения твердости по сечению (см. рис. 134). Для этого образец ломают или разрезают и по диаметру сечения определяют твердость.

Прокаливаемость стали в общем случае определяют методом торцовой закалки (ГОСТ 5657-69). Цилиндрический

Рис. 135. Определение прокаливаемости по торцовой пробе: а — схема вакалкн образца; б — изменение твердости по длине образца после торцовой закалкиз I — твердость полумартенситной зоны; 1 — сталь с низкой прокаливаемоотыо; 2 сталь с высокой прокаливаемостыо

Рис. 136. Определение прокаливаемости стали Блантер): а — номограмма; б - диаграмма (ГОСТ 6667-69)

образец определенной формы и размеров (рис. 135, а), нагретый до заданной температуры, охлаждают водой с торца на специальной установке. После охлаждения измеряют твердость по длине (высоте) образца. Так как скорость охлаждения убывает по мере увеличения расстояния от торца, будет уменьшаться и твердость.

Результаты испытаний выражают графически в координатах твердость — расстояние от охлаждаемого торца (рис. 135, б). Определив расстояние от торца до участка с твердостью, соответствующей полумартенситной зоне данной стали (рис. 135, б, I), можно по специальным номограммам найти критический диаметр. Чтобы характеристика прокаливаемости стали не была связана с видом охладителя, при использовании номограмм вводят понятие об идеальном критическом диаметре, который является наибольшим диаметром образца, прокаливаемого насквозь, при идеальном охлаждении. Поверхность образца в идеальном охладителе должна мгновенно принимать его температуру, т. е. охлаждение следует проводить с бесконечно большой скоростью. От идеального критического диаметра можно перейти к реальному критическому диаметру, используя номограмму, приведенную на рис. 135, б. Определим критический диаметр для стали 1 (см. рис. 135, б). Для этой стали расстояние от торца до поверхности полумартенситной зоны составляет 10 мм. Для определения критического диаметра на шкале расстояние от закаливаемого торца до полумартенситной зоны (рис. 136, а) находим деление 10 и опускаем перпендикуляр до пересечения с линией «идеальное охлаждение». От точки а проводим горизонтальную линию влево до пересечения с линией заданной

Рис. 137. (см. скан) Полосы прокаливаемости для стали различного состава: твердость полумариеноифной воны

охлаждающей среды — вода (точка или масло (точка с). От точек и в опускаем перпендикуляр до шкалы — критический диаметр. Точки и о показывают искомый критический диаметр.

На практике с достаточной точностью критический диаметр может быть определен по графику, представленному на рис. 136, б. Для этого на оси абсцисс откладывают расстояние от охлаждаемого торца до зоны, имеющей полумартенситную твердость, и восстанавливают перпендикуляр до пересечения с кривой для закалки в масле или воде. Горизонталь, проведенная от этой точки до ординаты, укажет величину Например, для стали 2 (см. рис. 135) расстояние от торца до зоны с полумартенситной твердостью составляет 19 мм, тогда мм при закалке в воде и мм при закалке в масле (см. рис. 136, б).

Прокаливаемость даже одной и той же стали может колебаться в значительных пределах в зависимости от изменений химического состава, величины зерна, размера и формы изделия и многих других факторов. В связи с этим прокаливаемость стали каждой марки характеризуют не кривой, а так называемой полосой прокаливаемости, которая не всегда отражает действительную прокаливаемость стали в изделии. Полосы прокаливаемости для углеродистой и легированной сталей, содержащих , наглядно показывающие влияние легирующих элементов, приведены на рис. 137.

Внутренние напряжения в закаленной стали. Внутренние напряжения при закалке стали возникают вследствие неравномерного охлаждения поверхности и сердцевины изделия (эти

Рис. 138. Схема эпюры остаточных напряжений: а — тепловые; б - структурные; в — суммарные

напряжения называют тепловыми), увеличения объема и неоднородности протекания мартенситного превращения по объему изделия.

Напряжения, вызываемые этим превращением, называют структурными, или фазовыми.

Неодинаковое распределение температур по сечению изделия при быстром охлаждении сопровождается и неравномерным изменением объема. Поверхностные слои сжимаются быстрее, чем внутренние. Однако сжатию поверхностных слоев препятствуют внутренние слои. Это приводит к тому, что в поверхностных слоях образуются временные (т. е. исчезающие после снятия нагрузки) растягивающие, а во внутренних слоях — сжимающие напряжения.

После того как поверхность охладится и изменение объема прекратится, сердцевина еще будет испытывать тепловое сжатие. Вследствие этого напряжения начнут уменьшаться и в некоторый момент произойдет изменение знака напряжений на поверхности и в сердцевине. После окончательного охлаждения на поверхности получаются остаточные напряжения сжатия, а в сердцевине — напряжения растяжения (рис. 138, а). Появление остаточных напряжений является результатом того, что временные напряжения вызывают не только упругую, но и в той или иной степени неодновременную и неодинаковую пластическую деформацию слоев по сечению.

Рассмотрим теперь условия образования структурных напряжений при полной прокаливаемости. При этом тепловые напряжения условно учитываться не будут.

По достижении при закалке температур ниже точки мартенсит в первую очередь образуется на поверхности, где точка будет достигнута раньше, чем в сердцевине. Так как превращение аустенит — мартенсит сопровождается увеличением объема, то это приводит к образованию на поверхности временных сжимающих напряжений, а во внутренних слоях — растягивающих напряжений. По мере развития превращения знак напряжений на поверхности и в сердцевине меняется.

Структурные напряжения относительно тепловых изменяются в обратном порядке. В результате мартенситного превращения на поверхности образуются остаточные напряжения растяжения, а в сердцевине — напряжения сжатия (рис. 133, б). Эти остаточные

напряжения, как и тепловые, возникают в результате появления под действием временных напряжений не только упругой, но и неодинаковой по сечению остаточной деформации.

При закалке стали одновременно возникают как тепловые, так и структурные напряжения, которые суммируют (рис. 138, в). В данной схеме тепловые напряжения превышали структурные, поэтому на поверхности образовались напряжения сжатия. Однако в зависимости от соотношения между тепловыми и структурными напряжениями могут получиться различные эпюры суммарных напряжений, а в поверхностных слоях напряжения могут иметь разный знак и различную величину. Во многих случаях величина фазовых напряжений больше, чем величина тепловых.

Остаточные напряжения, полученные после закалки, не характеризуют напряжения, возникающие при охлаждении (нагреве) стали. Остаточные напряжения всегда меньше временных напряжений, образующихся в процессе охлаждения.

Если величина напряжений превышает сопротивление отрыву и металл мало пластичен, то напряжения не могут быть уменьшены пластической деформацией. Это вызывает образование трещин. Наиболее опасны при этом растягивающие напряжения на поверхности, которые способствуют образованию трещин и снижают предел выносливости стали.

Растягивающие напряжения возникают в основном вследствие структурных напряжений, которые нужно стремиться уменьшить. Структурные напряжения тем больше, чем выше температура закалки и скорость охлаждения в интервале температур Для снижения структурных напряжений нужно замедлять скорость охлаждения ниже точки и избегать перегрева стали.

Способы закалки. Наиболее широко применяют закалку в одном охладителе (см. рис. 131). Такую закалку называют непрерывной. Во многих случаях, особенно для изделий сложной формы и при необходимости уменьшения деформации, применяют и другие способы закалки.

Прерывистая закалка (в двух средах). Изделие, закаливаемое по этому способу, сначала быстро охлаждают в воде до температуры несколько выше точки Мн, а затем быстро переносят в менее интенсивный охладитель (например, в масло или на воздух), в котором оно охлаждается до 20 °С. В результате переноса во вторую закалочную среду уменьшаются внутренние напряжения, которые возникли бы при быстром охлаждении в одной среде (воде), в том числе и в области температур мартенситного превращения.

Закалка с самоотпуском. В этом случае охлаждение изделия в закалочной среде прерывают, с тем чтобы в сердцевине изделия сохранилось еще некоторое количество теплоты. Под действием теплообмена температура в более сильно охлаждающихся поверхностных слоях повышается и сравнивается с температурой сердцевины. Тем самым происходит отпуск поверхности стали (самоотпуск).

Рис. 139. Схема ступенчатой закалки эвтектоидной стали, содержащей 0,8 % С (а), и изотермической закалки легированной стали (б)

Закалку с самоотпуском применяют, например, для таких инструментов, как зубила, кувалды, слесарные молотки, керны, которые работают с ударными нагрузками и должны сочетать высокую твердость на поверхности с повышенной вязкостью в сердцевине.

Ступенчатая закалка. При выполнении закалки по этому способу (рис. 139, а) сталь после нагрева до температуры закалки охлаждают в среде, имеющей температуру несколько выше точки (обычно 180-250 °С), и выдерживают в ней сравнительно короткое время. Затем изделие охлаждают до нормальной температуры на воздухе. В результате выдержки в закалочной среде достигается выравнивание температуры по сечению изделия, но это не должно вызывать превращения аустенита с образованием бейнита.

Мартенситное превращение протекает при охлаждении на воздухе, но менее полно, чем при непрерывной закалке, вследствие чего сталь сохраняет больше остаточного аустенита. При ступенчатой закалке уменьшаются объемные изменения вследствие присутствия большого количества остаточного аустенита и возможности самоотпуска мартенсита, коробление в результате протекания мартенеитного превращения почти одновременно во всех участках изделия и опасность появления трещин.

Во время фазовых превращений, в том числе и мартенеитного, снижается прочность стали и повышается пластичность. Это своеобразное разупрочнение, наблюдающееся только в момент превращения (в данном случае мартенеитного), используется при ступенчатой закалке для правки изделий, склонных к короблению. Правку (чаще под прессом) выполняют в период охлаждения изделий на воздухе после извлечения их из закалочной среды.

Ступенчатую закалку чаще применяют для инструмента из углеродистых сталей диаметром не более 8—10 мм (см. с. 350). Скорость охлаждения более крупного инструмента в среде с температурой выше точки оказывается ниже критической скорости закалки, и аустенит претерпевает распад при высоких температурах.

Изотермическая закалка. Закалку по этому способу (рис. выполняют в основном так же, как и ступенчатую, но в данном случае предусматривается более длительная выдержка выше точки При такой выдержке происходит распад аустенита с образованием нижнего бейнита. Для углеродистых сталей изотермическая закалка не дает существенного повышения механических свойств по сравнению получаемыми обычной закалкой и отпуском.

У большинства легированных сталей распад аустенита в промежуточной области не идет до конца. Если аустенит, не распавшийся при изотермической выдержке, не претерпевает мартенситного превращения при дальнейшем охлаждении, то сталь получает структуру: бейнит остаточного аустенита, обогащенного углеродом. При такой структуре достигается высокая прочность при достаточной вязкости. Для многих сталей изотермическая закалка обеспечивает значительное повышение конструктивной прочности.

Если же большая часть аустенита, не распавшегося после окончания промежуточного превращения, при последующем охлаждении претерпевает мартенситное превращение, то изотермической закалкой нельзя получить высокие механические свойства. В этом случае резко снижается сопротивление хрупкому разрушению.

Конструкционные легированные стали приобретают оптимальные механические свойства в результате изотермической закалки с выдержкой в нижней части промежуточной зоны изотермического распада аустенита (несколько выше точки Продолжительность выдержки в закалочной среде зависит от устойчивости аустенита при температурах выше точки определяемых диаграммой изотермического распада аустенита для данной стали.

В качестве охлаждающей среды при ступенчатой и изотермической закалке чаще применяют расплавленные соли в интервале температур например а также расплавленные щелочи Чем ниже температура соли (щелочи), тем выше скорость охлаждения в ней. Поскольку расплавленные соли охлаждаются только вследствие теплоотдачи, то охлаждающая способность их возрастает при перемешивании. Добавление воды в расплавы едких щелочей или в селитру с помощью специального приспособления при погружении в них нагретого для закалки изделия вызывает кипение и увеличение

скорости охлаждения в области температур перлитного превращения. Скорость охлаждения возрастает при температуре 400-450 °С в 4—6 раз, а при температуре 300 °С - в 2 раза.

Охлаждение в расплавах едких щелочей, если предварительно детали нагревались в расплавленных солях (т. е. солях, не вызывающих окисления), позволяет получить чистую поверхность светло-серого цвета. Закалку по этому способу называют светлой.

Обработка стали холодом. В закаленной стали, особенно содержащей более , у которой точка лежит ниже нуля (см. рис. 120), всегда присутствует остаточный аустенит. Аустенит понижает твердость, износостойкость и нередко приводит к изменению размеров деталей, работающих при низких температурах, в результате самопроизвольного превращения его в мартенсит.

Для уменьшения количества остаточного аустенита в закаленной стали применяют обработку холодом, заключающуюся в охлаждении закаленной стали до температур ниже нуля.

Понижение температуры до точки для большинства сталей вызывает превращение остаточного аустенита в мартенсит, что повышает твердость сталей с 0,8- 1,1 % С на 1—3 единицы. Однако одновременно возрастают напряжения, поэтому изделия охлаждают медленно и сразу после обработки холодом выполняют отпуск.

Выдержка стали после закалки при нормальной температуре более стабилизует аустенит, и поэтому он менее полно превращается в мартенсит при дальнейшем охлаждении и уменьшает эффект обработки холодом. Поэтому обработку холодом выполняют сразу после закалки.

Обработку холодом используют главным образом для измерительных инструментов, для пружин и деталей из цементируемых высоколегированных сталей, сохраняющих много аустенита после закалки.