Опишите подробно технологию закалки и отпуска стали 45 исходя из её обычного применения.

Закалка и отпуск стали.

Закалка заключается в нагреве стали на 30-50°С выше А_С3 для до эвтектоидных сталей или A_С1 для заэвтектоидных сталей, выдержке для завершения фазовых превращений и последующем охлаждении со скоростью выше критической (см. рис.). Для углеродистых сталей это охлаждение проводят чаще в воде, а для легированных - в масле или в других средах. 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, а конструкционную сталь - для повышения прочности, твердости, получения достаточной высокой пластичности и вязкости; для ряда деталей также и высокой износостойкости.

Объемной закалке и отпуску подвергают многие детали агломерационного, доменного, сталеплавильного и прокатного оборудования (разнообразные валы  и оси, зубчатые колеса и муфты, ролики и звенья цепей, ножи, правильные ролики и т. д.). Очень широко объемная закалка применяется во всех видах машиностроения.

Закаливаемость и прокаливаемость стали. Под закаливаемостью понимают способность стали повышать твердость          в результате закалки. Закаливаемость стали определяется 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 с мартенситной или троосто-мартенситной структурой и высокой твердостью на ту или иную глубину. Прокаливаемость определяется критической скоростью охлаждения, зависящей от состава стали (аустенита). Если действительная скорость охлаждения в сердцевине изделия будет превышать критическую скорость закалки (n_K), то сталь получит мартенситную структуру по всему сечению и будет иметь сквозную прокаливаемость.

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

За глубину закаленного слоя условно принимают расстояние от поверхности до полумартенситной зоны (50 % мартенсита+50% троостита). Диаметр заготовки, в центре которой после закалки в данной охлаждающей среде образуется полумартенситная структура, называют критическим диаметром D_К. Критический диаметр определяет размер сечения изделия, прокаливающегося насквозь. Полумартенситную структуру принимают в качестве критерия прокаливаемости, потому что ее легко определить по твердости и микроструктуре. Полумартенситная структура во многих случаях не обеспечивает требуемых механических свойств. Поэтому часто прокаливаемость определяют по глубине закаленного слоя со структурой, в которой 95% мартенсита. При этом критический диаметр примерно на 25% меньше критического диаметра, определенного по полумартенситной зоне. Полная прокаливаемость на структуру 99% мартенсита составляет ~ 50% от полумартенситной.

Прокаливаемость стали тем выше, чем меньше критическая скорость закалки. Поэтому все факторы, уменьшающие критическую скорость закалки (повышающие устойчивость переохлажденного аустенита), увеличивают прокаливаемость.

Легированные стали вследствие более высокой устойчивости переохлажденного аустенита и соответственно меньшей критической скорости охлаждения прокаливаются на большую глубину, чем углеродистые. Сильно повышают прокаливаемость марганец, молибден, хром, никель и малые присадки бора (0,003-0,005%). Прокаливаемость особенно возрастает при одновременном введении в сталь нескольких легирующих элементов, например хрома и никеля.

Устойчивость переохлажденного аустенита повышается, а критическая скорость закалки уменьшается только при том условии, если легирующие элементы растворены в аустените. Если они находятся в виде частиц карбидов, то они не повышают устойчивости аустенита и могут ее уменьшить, так как карбиды являются готовыми зародышами, облегчающими распад аустенита. Сильно влияет на прокаливаемость величина зерна аустенита. В углеродистой стали при укрупнении зерна от номера 6 до номеров 1-2 глубина закаленного слоя возрастает в 2-3 раза. Поэтому возрастание температуры и увеличение длительности нагрева повышают прокаливаемость.

При сквозной закалке свойства стали и, в частности, твердость по всему сечению изделия одинаковы. При несквозной закалке изменение структуры стали по сечению ведет к уменьшению (s_В, s_0,2, HRC и др.) механических свойств от поверхности к сердцевине. При несквозной прокаливаемости отпуск при высокой температуре уменьшает различие в твердости s_В по сечению. Однако s_0,2 и KCV_Н в сердцевине образца остаются более низкими. Это объясняется разным характером строения феррито-цементитной структуры. В закаленном слое в результате отпуска мартенсита образуется более дисперсная феррито-цементитная структура зернистого строения, а в сердцевине она более грубая и имеет пластинчатое строение.

Для получения одинаковых и высоких механических свойств по всему сечению во многих случаях в процессе закалки необходимо обеспечить сквозную прокаливаемость.

В общем случае прокаливаемость стали определяют методом торцовой закалки. Цилиндрический образец определенной формы и размеров, нагретый              до заданной температуры, охлаждают водой с торца на специальной установке. После охлаждения измеряют твердость по длине (высоте) образца. Так как скорость охлаждения снижается по мере увеличения расстояния от торца, то будет уменьшаться и твердость,

Результаты испытаний выражают графически в координатах твердость - расстояние от охлаждаемого торца. Определив расстояние от торца до участка            с твердостью, соответствующей полумартенситной зоне (HRC_50M) данной стали, можно определить критический диаметр.

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. Поэтому прокаливаемость стали характеризуют не кривой, а так называемой полосой прокаливаемости.

Отпуск стали. Отпуск заключается в нагреве закаленной стали до температуры ниже А_С1, выдержке при заданной температуре и последующем охлаждении           с определенной скоростью. Отпуск является окончательной операцией термической обработки, в результате которой сталь получает требуемые механические свойства. Кроме того, отпуск полностью или частично устраняет внутренние напряжения, возникающие при закалке. Эти напряжения снимаются тем полнее, чем выше температура отпуска.

Скорость охлаждения после отпуска также оказывает большое влияние              на величину остаточных напряжений. Чем медленнее охлаждение, тем меньше остаточные напряжения. По этой причине изделия сложной формы во избежание их коробления после отпуска при высоких температурах следует охлаждать медленно, а изделия из легированных сталей, склонных к обратимой отпускной хрупкости, после отпуска при 500-650°С во всех случаях следует охлаждать быстро.

Основное влияние на свойства стали оказывает температура отпуска.

Высокотемпературный (высокий) отпуск проводят при 500-680°С. Структура стали после высокого отпуска - сорбит отпуска. Высокий отпуск создает наилучшее соотношение прочности и вязкости стали.

Закалка с высоким отпуском по сравнению с нормализованным или отожженным состоянием одновременно повышает s_В, и s_0,2, d и y, а также KCU. Термическую обработку, состоящую из закалки и высокого отпуска, называют улучшением.

Улучшению подвергают среднеуглеродистые (0,3- 0,5 % С) конструкционные стали, к которым предъявляются высокие требования к пределу текучести, пределу выносливости и ударной вязкости. Улучшение значительно повышает конструктивную прочность стали, уменьшая чувствительность к концентраторам напряжений, работу развития трещины, снижает температуру верхнего и нижнего порога хладноломкости.

Отпуск при 550-600°С в течение 1-2 ч почти полностью снимает остаточные напряжения, возникшие при закалке. В зависимости от габаритных размеров изделия длительность высокого отпуска составляет 1,0-6 ч.

Закалке с высоким отпуском (600-700°С) на металлургических заводах подвергают низкоуглеродистую и низколегированную толстолистовую сталь, что повышает ее сопротивление хрупкому разрушению и уменьшает склонность к старению.