Закалка маслом: важный процесс термической обработки для прочности инструментальной стали

Определение и Основная концепция

Масляное закаливание представляет собой термическую обработку стали, при которой материал нагревается до температуры аустенитизации, выдерживается на этой температуре до полного превращения в аустенит, а затем быстро охлаждается в масле. Этот процесс создает закаленную микроструктуру за счет превращения аустенита в martенсит, что приводит к значительному увеличению твердости и прочности.

Масляное закаливание занимает важное место в методах термической обработки сталей, предлагая степень охлаждения, промежуточную между водяным и воздушным охлаждением. Этот умеренный скоростной режим охлаждения обеспечивает оптимальный баланс между достижением желаемой твердости и минимизацией деформаций и трещин, которые характерны для более суровых сред закалки.

В рамках более широкой области металлургии масляное закаливание представляют собой фундаментальную технику закалки, которая соединяет теоретические основы материаловедения и практическое промышленное применение. Она показывает, как управляемые фазовые преобразования могут использоваться для кардинального изменения механических свойств стальных деталей для конкретных инженерных требований.

Физическая природа и теоретические основы

Физический механизм

На микроуровне масляное закаливание включает безрассеянное преобразование гранецентрированной кубической (ГЦК) аустенита в телоцентрированный тетрагональный (ТЦ) martенсит. Быстрый охлаждение стали из аустенитного состояния приводит к захвату атомов углерода внутри преобразующейся кристаллической решетки, создавая искажённую структуру.

Скорость охлаждения, обеспечиваемая маслом, достаточна для подавления диффузионных преобразований (таких как образование перлита или баяита), одновременно позволяя происходить shear-базированному превращению в martенсит. Это создает сверхнасыщенный твердый раствор, в котором атомы углерода искажают решетку железа, затрудняя движение дислокаций.

Результирующая фаза martенсит содержит высокие внутренние напряжения и множество дислокаций, образуя эффективные препятствия пластической деформации. Эти микроструктурные особенности прямо отвечают за повышенную твердость и прочность закаленных в масле сталей.

Теоретические модели

Основная теоретическая модель, описывающая масляное закаливание, — это диаграмма время-температура-преобразование (TTT), которая отображает связь между скоростью охлаждения и получаемыми микроструктурами. В дополнение используется диаграмма непрерывного преобразования охлаждения (CCT), которая лучше отражает промышленные условия охлаждения.

Исторически понимание масляного закаливания развивалось от эмпирических наблюдений конца XIX века до научных объяснений начала XX века. Первые работы Эдгара С. Бейна в 1920-х и 1930-х годах заложили основы понимания трансформаций martенсита, лежащих в основе процессов масляного закаливания.

Современные подходы включают вычислительные модели, предсказывающие твердость на основе химического состава, условий аустенитизации и скоростей охлаждения. Эти модели эволюционировали от простых эмпирических уравнений к сложным алгоритмам, учитывающим термодинамические и кинетические принципы фазовых преобразований.

Основы материаловедения

Масляное закаливание напрямую связано с преобразованием кристаллической структуры, при котором ГЦК аустенит превращается в ТЦ martенсит. Это преобразование вызывает значительное искажение решетки и создает сети дислокаций высокой плотности, усиливающие материал.

Эффективность масляного закаливания зависит от контроля размера зерен во время аустенитизации, поскольку более мелкие зерна способствуют более равномерному образованию martенсита. Границы зерен служат очагами нуклеации для martенсита и влияют на конечное распределение фаз.

Этот механизм закалки иллюстрирует главный принцип материаловедения — свойства управляются микроструктурой. Преобразование martенсита является классическим примером того, как контроль атомных структур и кристаллических форм может радикально изменять механические свойства.

Математические выражения и методы расчетов

Основная формула определения

Твердоость, достигаемая при масляном закаливании, оценивается по следующему уравнению:

$$HRC = 60 - \frac{1}{k} \ln\left(\frac{t}{t_0}\right)$$

где $HRC$ — твердость по шкале Роквелла-С, $t$ — время охлаждения между 800°C и 500°C (в секундах), $t_0$ — опорное время, $k$ — материалозависимая константа, связанная с закаливаемостью.

Связанные расчетные формулы

Идеальный диаметр ($D_I$) полного закаливания можно определить по формуле:

$$D_I = f(C) \cdot \prod_{i} f_i(X_i)$$

где $f(C)$ — функция содержания углерода, а $f_i(X_i)$ — множители для каждого легирующего элемента $X_i$.

Скорость охлаждения в центре цилиндрической заготовки при масляном охлаждении приближается к следующей формуле:

$$\frac{dT}{dt} = -\frac{h \cdot A}{m \cdot c_p} \cdot (T - T_0) \cdot \left(\frac{r_0}{r}\right)^2 \cdot J_0\left(\frac{\alpha \cdot r}{r_0}\right)$$

где $h$ — коэффициент теплообмена, $A$ — площадь поверхности, $m$ — масса, $c_p$ — удельная теплоемкость, $T$ — текущая температура, $T_0$ — температура масла, $r$ — радиальное положение, $r_0$ — радиус заготовки, $J_0$ — функция Бесселя, а $\alpha$ — теплопроводность.

Применимые условия и ограничения

Эти математические модели обычно применимы для средне- и высокоуглеродистых сталей (0,3-1,0% C) и низко- и среднелегированных сталей. Они менее точны для высоколегированных сталей со сложным поведением при преобразованиях.

Предполагается равномерная исходная структура аустенита и одинаковые условия охлаждения в течение всего процесса. Значительные отклонения возникают при сложной геометрии, переменной толщине сечения или неоднородной микроструктуре.

Эти модели обычно игнорируют внутренние напряжения, удерживаемый аустенит и карбидные осадочные образования, что может влиять на итоговые значения твердости. Также они предполагают идеальные условия теплообмена, что не всегда соответствует промышленным реальностям.

Методы измерения и характеристики

Стандарты тестирования

ASTM A255: Стандартные методы определения закаливаемости стали — включает тест Джомини на конце с помощью метода тушения для оценки закаливаемости.

ISO 642: Сталь — тест на закаливаемость методом конечного охлаждения (тест Джомини) — устанавливает международные стандарты для определения закаливаемости.

ASTM E18: Стандартные методы испытаний твердости металлических материалов — описывает процедуры измерения твердости компонентов, закаленных маслом.

ASTM E3: Руководство по подготовке образцов для металлографических исследований — определяет методы микроструктурного анализа закаленной стали.

Оборудование и принципы тестирования

Твердость компонентов, закаленных маслом, обычно определяется с помощью дуометров по шкале Роквелла (особенно HRC) или микротвердомеров по Вискеру. Эти приборы измеряют сопротивление вдавливанию под стандартными нагрузками.

Металлографический анализ используют оптические микроскопы и сканирующие электронные микроскопы (SEM) для исследования микроструктурных особенностей. Эти методы позволяют определить морфологию мартенсита, размер зерен и наличие удерживаемого аустенита или карбидов.

Расширенное исследование может включать рентгеновскую дифракцию (РФД) для количественного определения удерживаемого аустенита и трансмиссионную электронную микроскопию (ТЭМ) для детального анализа субструктур мартенсита и расположения дислокаций.

Требования к образцам

Стандартные образцы для определения твердости должны иметь плоскую и параллельную поверхность с минимальной толщиной, равной не менее 10 глубин вдавливания. Поверхность должна иметь зеркальную полировку (обычно 1 мкм или более тонкая) без декарбуризации.

Образцы для металлографического анализа должны быть разрезаны без термических повреждений, закреплены в подходящих средах и постепенно отполированы до зеркального блеска. Образцы травят раствором 2-5% нитра для выявления микроструктуры мартенсита.

Образцы для теста Джомини по тушению должны точно соответствовать диаметру 25,4 мм (1 дюйм) и длине 100 мм (4 дюйма), с плоскими концами, перпендикулярными оси, с отклонением не более 0,025 мм.

Параметры испытаний

Испытания твердости обычно проводят при комнатной температуре (23±5°C) с использованием стандартных нагрузок (150 кгс для шкалы Роквелла-С). Необходимо делать несколько измерений с достаточным расстоянием (не менее 3 диаметров вдавливания между ними).

Микроструктурный анализ требует правильных методов освещения (яркое поле, темное поле или дифференциальное интерференционное контрастирование) и увеличения, подходящих для изучаемых особенностей (от 100 до 1000 крат).

Тест Джомини проводится при температуре воды 24±5°C с заданным расходом и положением образца. Время охлаждения с аустенитизации до тушения должно быть минимальным (обычно менее 5 секунд).

Обработка данных

Данные о твердости обычно собирают в виде нескольких измерений по образцу, после чего проводят статистический анализ для определения средних значений и стандартных отклонений. Выбросы, выходящие за пределы двух стандартных отклонений, зачастую исключают.

Кривые закаливаемости строят, нанося на график зависимость твердости от расстояния от охлажденного конца в тесте Джомини. Эти кривые сравнивают с стандартными диапазонами для определенных марок стали.

Микроструктурное количественное определение может включать точечное подсчет или программное обеспечение для анализа изображений с целью определения процентного содержания фаз, особенно удерживаемого аустенита.

Типичные диапазоны значений

Классификация стали	Типичный диапазон твердости (HRC)	Условия испытаний	Стандарт-источник
Инструментальные стали для масляного закаливания (O1, O2, O7)	62-65	Правильная закалка и отпуск при 200°C	ASTM A681
Среднеуглеродистые легированные стали (4140, 4340)	54-58	Масляное закаливание из 850°C, без дополнительной обработки	SAE J1268
Группы для цементации (8620, 4320)	58-62 (поверхность), 35-45 (сердцевина)	Цементация, масляное закаливание, отпуск при 180°C	ASTM A255
Пружинные стали (5160, 6150)	50-54	Масляное закаливание и отпуск при 425°C	ASTM A689

Вариации в пределах каждой классификации обычно связаны с разницей в размере сечения, при этом более тонкие сечения достигают более высокой твердости из-за более быстрого охлаждения. Содержание легирующих элементов, особенно углерода, хрома и молибдена, существенно влияет на закаливаемость.

Эти значения служат эталонами контроля качества при производстве. Инженеры должны рассматривать их как достижимые диапазоны, а не абсолютные гарантии, принимая во внимание влияние геометрии и переменных технологического процесса.

Общая тенденция среди сталей — обратная зависимость между достигаемой твердостью и толщиной сечения. В сильно легированных сталях эта зависимость менее выражена из-за повышенной закаливаемости.

Анализ инженерных применений

Конструктивные соображения

Инженеры обычно используют коэффициенты запаса 1.2-1.5 при проектировании компонентов на основе минимальных требований к твердости. Это учитывает вариации реакции термообработки и потенциальную микроструктурную гетерогенность.

Выбор материала часто балансирует между закаливаемостью, обрабатываемостью и стоимостью. Более закаливаемые стали обычно дороже, но могут снизить издержки на обработку за счет возможности закалки более крупных сечений.

Необходимое внутреннее напряжение, возникающее при масляном охлаждении, должно учитываться в прецизионных компонентах. Эти напряжения могут привести к изменению размеров при последующих операциях обработки или работе, особенно при высоких температурах.

Основные области применения

Автомобильная промышленность широко использует масляно-закаленные компоненты для передачных шестерен, коленчатых валов и элементов подвески. Эти изделия требуют высокой поверхностной твердости для сопротивления износу, одновременно сохраняя достаточную ударную вязкость ядра.

Обработки инструментов — еще одна важная сфера, где используют масляно-закаленные инструментальные стали для пу qytш, матриц и формующих инструментов. Такие детали должны иметь отличную геометрическую стабильность и устойчивость к твердо-закалке.

Аэрокосмическая промышленность использует масляно-закаленные легированные стали для шасси, крепежных элементов и исполнительных механизмов. Эти области требуют исключительной надежности, строгих требований к однородности микроструктуры и отсутствию трещин при охлаждении.

Плюсы и минусы

Достигаемая твердость при масляном закаливании обычно сопровождается снижением пластичности и вязкости. С ростом твердости способность материала поглощать энергию до разрушения уменьшается, что является основным компромиссом при проектировании.

Необходимость в сохранении размеров во время твердо-закаливания должна сочетаться с достижением максимальной возможной твердости. Более суровые среды охлаждения (например, вода) дают более высокую твердость, но увеличивают риск искажения и трещин по сравнению с маслом.

Инженеры обычно балансируют глубину закалки и поверхностную твердость, тщательно выбирая состав стали и параметры охлаждения. Более глубокая закалка обычно требует большего содержания легирующих элементов, что увеличивает стоимость и может снизить обрабатываемость.

Анализ отказов

Трещины при тушении — распространенный тип отказов при масляном закаливании, возникающий, когда термические напряжения превышают прочность материала во время охлаждения. Эти трещины обычно формируются в острых углах, местах переходов сечения или при наличии дефектов.

Механизм отказа связан с образованием высоких растягивающих напряжений на поверхности при охлаждении и сокращении, тогда как центральная часть остается горячей. Чтобы избежать этого, используют правильный дизайн детали (например, избегая острых углов), предварительный нагрев масла и прерывание процесса охлаждения.

Недостаточная глубина закалки может привести к износу внутри материала у компонентов с высокой нагрузкой. Этот риск уменьшается правильным выбором стали с подходящей закаливаемостью или изменением конструкции для уменьшения сечения.

Факторы влияния и методы контроля

Влияние химического состава

Содержание углерода определяет максимальную твердость, достигаемую в стандартных условиях, при этом 0,6-0,7% углерода обеспечивает оптимальную твердость в plain carbon steels. Более высокие значения увеличивают твердость, но повышают склонность к трещинам при охлаждении.

Легирующие элементы, такие как хром, молибден и марганец, значительно улучшают закаливаемость, задерживая образование перлита и баяита при охлаждении. Это позволяет формировать мартенсит при медленных скоростях охлаждения, давая возможность закалки более больших сечений.

Следовые элементы, такие как бор (30-90 ppm), существенно повышают закаливаемость при минимальном влиянии на остальные свойства. Однако необходимо контролировать азот (обычно с добавками титана или алюминия), чтобы бор не образовал неэффективные нитриды.

Влияние микроструктуры

Размер зерен аустенида перед закалкой значительно влияет на отклик масляного закаливания. Более мелкие зерна повышают прочность и вязкость, но могут немного снизить закаливаемость, в то время как грубые зерна улучшают закаливаемость, но ухудшают вязкость и увеличивают риск деформаций.

Равномерное распределение легирующих элементов обеспечивает стабильный отклик при закалке по всему компоненту. Сегрегации или полосы могут создавать зоны с разной закаливаемостью, что ведет к мягким участкам или чрезмерным деформациям.

Неконструкционные включения действуют в качестве концентрационных точек напряжения во время закалки, потенциально инициируя трещины. Современное производство сталей снижает содержание включений через вакуумное дегазирование и контролируемое застывание.

Влияние обработки

Температура аустенитизации напрямую влияет на закаливаемость: повышение температуры увеличивает разбухание, но может привести к росту зерен. Оптимальные параметры обычно находятся в диапазоне 30-50°C выше критической температуры превращения.

Температура масла значительно влияет на скорость охлаждения и итоговую твердость. Типичные масла охлаждения работают при 40-80°C, повышение температуры снижает интенсивность охлаждения, улучшая размерную стабильность.

Аджестирование при охлаждении повышает однородность охлаждения за счет разрушения паровых облаков, образующихся вокруг горячей детали. Недостаточное аджестирование может привести к мягким зонам; чрезмерное — к искажениям.

Экологические факторы

Температура эксплуатации влияет на стабильность мартенситной структуры: при температурах выше примерно 150°C могут происходить релаксации, ведущее к постепенной потере твердости в условиях службы.

Коррозионные среды взаимодействуют с остаточными напряжениями от масляного закаливания, потенциально вызывая коррозионные трещины. Особенно риск увеличивается у высокопрочных деталей, находящихся в водородсодержащих условиях.

Циклическое изменение температуры со временем может приводить к микроструктурным изменениям, снижая твердость за счет осадкообразования мелких карбидов из сверхнасыщенного martенсита.

Методы улучшения

Контролируемая атмосфера при аустенитизации предотвращает декарбуризацию поверхности, что иначе снижало бы ее твердость. Использование соляных ванн или защитных газов сохраняет содержание углерода на поверхности.

Пошаговая закалка предполагает начальное охлаждение в горячем масле с последующим переводом в более холодное масло. Это снижает тепловые градиенты и связанные с ними искажения, сохраняя нужный уровень твердости.

Криогенная обработка после классической масляной закалки преобразует оставшийся аустенит в martенсит, увеличивая твердость и размерную устойчивость. Обычно охлаждение проводится до -80°C или ниже в течение 24-48 часов.