Закаливаемость и прокаливаемость стали: как металл упрочняется вглубь и вширь

Как металл упрочняется вглубь и вширь

Нагреть металл, а затем резко его остудить — казалось бы, простой рецепт получения твёрдости. Но за этим кроется целая цепочка условий: до какой температуры греть, чем и как быстро охлаждать, насколько глубоко проникнет упрочнение. Разберём по порядку, как работает закалка, какими бывают её разновидности, к каким браковочным исходам она приводит и почему инженеры различают два похожих термина — закаливаемость и прокаливаемость.

Что происходит с металлом после закалки?

Закалённая деталь получает главное, ради чего её и обрабатывали, — высокую твёрдость. Однако вместе с ней приходят и нежелательные спутники: металл становится хрупче, теряет часть пластичности и вязкости. Именно поэтому закалку почти никогда не оставляют финальной операцией.

Способ смягчения зависит от типа прошедшего превращения. Если закалка шла с полиморфным превращением, за ней следует отпуск, возвращающий пластичность и убирающий избыток хрупкости. Когда полиморфного перехода не было, применяют старение.

Стоит уточнить и то, какой именно слой металла заслуживает названия закалённого.

Закалённым считают слой, в структуре которого доля мартенсита достигает как минимум 50 %.

Обрабатывать необязательно всю деталь сразу. У японских катан закаливают лишь режущую кромку клинка, оставляя его тело более вязким и стойким к ударам.

По каким признакам различают типы закалки?

Прежде чем говорить о конкретных приёмах, полезно понять два основания, по которым закалку делят на типы: характер фазового превращения и уровень нагрева.

Первый признак — полиморфное превращение:

• закалка с полиморфным превращением — свойственна сталям;
• закалка без полиморфного превращения — характерна для цветных металлов.

Второй признак — температура нагрева:

• Полная закалка. Нагрев ведут на 30–50 °C выше линии GS для доэвтектоидной и эвтектоидной стали. В итоге формируется структура чистого аустенита либо аустенита с цементитом.
• Неполная закалка. Нагрев назначают выше линии PSK, поэтому после охлаждения в структуре остаются избыточные фазы. Такой режим типичен для инструментальных сталей.

Какими способами выполняют закалку?

Одну и ту же цель — получить мартенсит — достигают разными техническими приёмами. На производстве используют семь основных способов.

1. Индукционная закалка. Металл разогревают токами высокой частоты.
2. Закалка в одном охладителе. Разогретую деталь опускают в закалочную жидкость и оставляют там до полного остывания.
3. Лазерная закалка. Локальный участок поверхности нагревают лучом, после чего он остывает со сверхкритической скоростью.
4. Прерывистая закалка в двух средах. Приём для высокоуглеродистых сталей: деталь охлаждают сперва в быстрой среде, затем переносят в медленную.
5. Изотермическая закалка. Сталь держат в закалочной среде ровно столько, сколько требует изотермическое превращение аустенита.
6. Струйчатая закалка. Поверхность детали обрабатывают напорной струёй воды.
7. Ступенчатая закалка. Охлаждение идёт в среде, температура которой выше мартенситной точки.

К каким дефектам приводит нарушение режима?

Отклонение от технологии почти всегда оборачивается браком. Типичные дефекты закалки таковы:

• пережог — на поверхности образуются окислы;
• перегрев — структура становится крупнозернистой, отчего сталь делается хрупкой;
• недостаточная твёрдость;
• обезуглероживание и окисление поверхностного слоя;
• коробление детали;
• трещины.

Насколько твёрдой станет сталь: закаливаемость

Итог закалки описывают двумя разными свойствами. Начнём с того, что отвечает за достигнутую твёрдость.

Оценивают её в единицах твёрдости, и она отражает тот уровень, которого достигает корректно закалённая сталь.

Определяющий фактор здесь — углерод: чем выше его содержание, тем сильнее искажается решётка мартенсита и тем больше итоговая твёрдость. Легирующие добавки на закаливаемость почти не влияют.

Насколько глубоко проникает упрочнение: прокаливаемость

Твёрдость поверхности — ещё не всё. Второе свойство показывает, как далеко вглубь заходит закалённая зона.

Причина, по которой это свойство вообще существует, — неравномерность охлаждения. У поверхности деталь остывает быстрее, чем в центре, и разница тем заметнее, чем массивнее заготовка.

В толстой детали скорость охлаждения сердцевины может опуститься ниже критической. Тогда мартенсит образуется лишь в наружном слое, а внутри останется мягкая ферритно-перлитная структура.

Границу закалённой зоны фиксируют по вполне конкретному участку сечения.

Прокаливаемость измеряют как расстояние от поверхности до места, где структура состоит из мартенсита и троостита поровну — 50 % на 50 %. Этот участок называют полумартенситной зоной, и его твёрдость определяется содержанием углерода.

С прокаливаемостью связан удобный практический показатель.

Критический диаметр — это максимальный диаметр цилиндрического прутка, прокаливающегося насквозь в выбранной охлаждающей среде.

Почему состав стали решает глубину прокаливаемости?

Прокаливаемость выражают в миллиметрах, а стоит за ней величина критической скорости закалки, напрямую связанная с составом сплава.

Рост доли углерода и легирующих элементов снижает критическую скорость закалки и одновременно увеличивает глубину прокаливаемости. Легирующие элементы тормозят диффузионный распад аустенита, из-за чего критическая скорость охлаждения падает. И чем выше прокаливаемость, тем качественнее считается сталь.

Углеродистая сталь, охлаждаемая в воде, прокаливается насквозь лишь при диаметре около 10–15 мм. Для крупных ответственных деталей это слишком мало, поэтому их изготавливают из легированных сталей с большей глубиной прокаливаемости.

Как измеряют прокаливаемость на практике?

Оба свойства устанавливают экспериментально. Для прокаливаемости служит метод торцевой закалки, известный как проба Джомини. Он выполняется по чёткому алгоритму.

1. Стандартный цилиндрический образец прогревают в печи.
2. Образец помещают в установку, где его торец обдаёт напорная струя воды.
3. После остывания твёрдость замеряют вдоль образца, отсчитывая от торца.
4. По полученным точкам вычерчивают кривую прокаливаемости.

Численно прокаливаемость равна расстоянию от торца до полумартенситной зоны. Твёрдость этой зоны берут из справочных экспериментальных данных — она задаётся прежде всего содержанием углерода.

Данные пробы легко перенести на детали иной геометрии.

Какую роль эти свойства играют в производстве?

Закаливаемости и прокаливаемости придают большое значение при разработке марок стали — и на то есть веская причина. Высокие значения этих характеристик повышают надёжность, устойчивость и износостойкость деталей машин и высокотехнологичного оборудования, а вместе с тем ощутимо продлевают срок их службы.

Если свести всё воедино, вырисовывается стройная картина: закалка открывает саму возможность упрочнения, закаливаемость показывает предел достижимой твёрдости, а прокаливаемость — на какую глубину это упрочнение дойдёт. Зная, как углерод и легирующие элементы управляют обеими характеристиками, технолог заранее подбирает и марку стали, и режим обработки под конкретную деталь — будь то мелкий инструмент или тяжёлый вал.