Кривые охлаждения для различных способов закалки

Способы закалки сталей. Охлаждающие среды для углеродистых и легированных сталей.

Закалкой называется операция термической обработки, состоя­щая из нагрева до температур выше верхней критической точки A_C3 для доэвтектоидной стали и выше нижней критической точки А_С1

для заэвтектоидной стали и выдержки при данной температуре с последующим быстрым охлаждением (в воде, масле, водных раство­рах солей и пр.).

В результате закалки сталь получает структуру мартенсита и благодаря этому становится твердой.

Закалка повышает прочность конструкционных сталей, придает твердость и износостойкость инструментальным сталям.

Режимы закалки определяются скоростью и температурой на­грева, длительностью выдержки при этой температуре и особенно скоростью охлаждения.

Виды закалки стали.

Су­ществует несколько способов закалки, применяемых в за­висимости от состава стали, характера обрабатываемой де­тали, твердости, которую не­обходимо получить, и усло­вий охлаждения.

Закалка в одной среде схематично показана на рис. 1 в виде кривой 1. Такую закалку проще выполнять, но ее можно применять не для каждой стали и не для любых деталей, так как быстрое охлаждение деталей переменного сечения в боль­шом интервале температур способствует возникновению температур­ной неравномерности и больших внутренних напряжений, что может вызвать коробление детали, а иногда и растрескивание (если вели­чина внутренних напряжений превзойдет предел прочности).

Чем больше углерода в стали, тем больше объемные изменения и структурные напряжения, тем больше опасность возникновения трещин.

Рис. 1. Кривые охлаждения для различных способов закалки

Заэвтектоидные стали закаливают в одной среде, если детали имеют простую форму (шарики, ролики и т. д.). Если детали слож­ной формы, применяют либо закалку в двух средах, либо ступенча­тую закалку.

Закалку в двух средах (кривая 2)применяют для инструмента из высокоуглеродистой стали (метчики, плашки, фре­зы). Сущность способа состоит в том, что деталь вначале замачива­ют в воде, быстро охлаждая ее до 300—400° С, а затем переносят в масло, где оставляют до полного охлаждения.

Ступенчатую закалку (кривая 3) выполняют путем быстрого охлаждения деталей в соляной ванне, температура кото­рой намного выше температуры начала мартенситного превращения (240—250° С). Выдержка при этой температуре должна обеспечить выравнивание температур по всему сечению детали. Затем детали охлаждают до комнатной температуры в масле или на спокойном воздухе, устраняя тем самым термические внутренние напряжения.

Ступенчатая закалка уменьшает внутренние напряжения, ко­робление и возможность образования трещин.

Недостаток этого вида закалки в том, что горячие следы не мо­гут обеспечить большую скорость охлаждения при температуре 400—600° С. В связи с этим ступенчатую закалку можно применять для деталей из углеродистой стали небольшого сечения (до 8—10 мм). Для легированных сталей, имеющих небольшую критическую ско­рость закалки, ступенчатая закалка применима к деталям большого сечения (до 30 мм).

Изотермическую закалку (кривая 4)проводят так же, как ступенчатую, но с более длительной выдержкой при темпера­туре горячей ванны (250—300° С), чтобы обеспечить полный распад аустенита. Выдержка, необходимая для полного распада аустенита, определяется по точкам а и b и по S-образной кривой (см. рис. 1). В результате такой закалки сталь приобретает структуру игольча­того троостита с твердостью HRC45 55 и с сохранением необхо­димой пластичности. После изотермической закалки охлаждать сталь можно с любой скоростью. В качестве охлаждающей среды ис­пользуют расплавленные соли: 55% KNO₃ + 45% NaNO₂ (темпе­ратура плавления 137° С) и 55% KNO₃ + 45% NaNO₃ (температура плавления 218° С), допускающие перегрев до необходимой темпера­туры.

Изотермическая закалка имеет следующие преимущества перед обычной:

минимальное коробление стали и отсутствие трещин; большая вязкость стали.

В настоящее время широко используют ступенчатую и изотерми­ческую светлую закалки.

Светлую закалку стальных деталей проводят в специ­ально оборудованных печах с защитной средой. На некоторых инст­рументальных заводах для получения чистой и светлой поверхности закаленного инструмента применяют ступенчатую закалку с ох­лаждением в расплавленной едкой щелочи. Перед закалкой инстру­мент нагревают в соляной ванне из хлористого натрия при темпера­туре на 30—50° С выше точки А_С1 и охлаждают при 180—200° С в ванне, состоящей из смеси 75% едкого калия и 25% едкого натра сдобавлением 6—8% воды (от веса всей соли). Смесь имеет тем­пературу плавления около 145° С и, благодаря тому что в ней находится вода, обладает очень высокой закаливающей способ­ностью.

При ступенчатой закалке стали с переохлажде­нием аустенита в расплавленной едкой щелочи с последующим окон­чательным охлаждением на воздухе детали приобретают чистую светлую поверхность серебристо-белого цвета; в этом случае отпа­дает необходимость в пескоструйной очистке деталей и достаточна промывка их в горячей воде.

Закалка с самоотпуском широко применяется в инструментальном производстве. Сущность ее состоит в том, что детали не выдерживают в охлаждающей среде до полного охлажде­ния, а в определенный момент извлекают из нее, чтобы сохранить в сердцевине изделия некоторое количество тепла, за счет которого производится последующий отпуск. После достижения требуемой температуры отпуска за счет внутреннего тепла деталь окончатель­но охлаждают в закалочной жидкости.

Проконтролировать отпуск можно по цветам побежалости (см. рис. 2), появляющимся на зачищенной поверхности стали при 220—330° С.

Рис. 2. Цвета побежалости при отпуске

Закалку ссамоотпуском применяют для зубил, кувалд, слесарных молотков, кернеров и другого инструмента, требующего высокой твердости на поверхности и сохранения вязкой сердцевины.

Способы охлаждения при закалке.

Быстрое охлаждение стальных деталей при закалке является причиной возникновения в них боль­ших внутренних напряжений. Эти напряжения иногда приводят к короблению деталей, а в наиболее тяжелых случаях — к трещинам. Особенно большие и опасные внутренние напряжения возни­кают при охлаждении в воде. Поэтому там, где можно, следует ох­лаждать детали в масле. Однако в большинстве случаев для деталей из углеродистой стали это невозможно, так как скорость охлаждения в масле значительно меньше критической скорости, необходи­мой для превращения аустенита в мартенсит. Следовательно, мно­гие детали из углеродистых сталей рекомендуется закаливать с ох­лаждением в воде, но при этом уменьшать неизбежно возникающие внутренние напряжения. Для этого пользуются некоторыми из описанных способов закалки, в частности, закалкой в двух средах, закалкой с самоотпуском и т. д.

Внутренние напряжения зависят также от способа погружения деталей в закалочную среду. Необходимо придерживаться следую­щих основных правил:

детали, имеющие толстую и тонкую части, погружать в закалоч­ную среду сначала толстой частью;

детали, имеющие длинную вытянутую форму (метчики, сверла развертки), погружать в строго вертикальном положении, иначе они покоробятся (рис. 3).

Рис. 3. Правильное погружение деталей и инструментов в за­каливающую среду

Иногда по условиям работы должна быть закалена не вся деталь, а лишь часть ее. В этом случае применяют местную закалку: деталь нагревают не полностью, а в закалочную среду погружают целиком. В этом случае закаливается только нагретая часть детали.

Местный нагрев мелких деталей производят в соляной ванне, погружая в нее только ту часть детали, которую требуется закалить; так закаливают, например, центры токарных станков. Можно по­ступать и так: нагреть деталь полностью, а охладить в закалочной среде только ту часть, которая должна быть закалена.

Охлаждающая способность закалочных масел определяется их вязкостью,-поэтому повышение температуры масла до определенного предела увеличивает интенсивность охлаждения. Так, например, наилучшая охлаждающая способность индустриальных масел И-12Л и И-20А соответствует их нагреву в интервале 40-80° С

Самая распространенная закалочная среда — вода. Ее охлаждающая способность зависит от температуры. Чем выше температура воды, тем меньше ее закалочная способность, поэтому при работе рекомендуется систематически следить за температурой воды. Обычно при закалке применяют воду с температурой 20-30 °С. Закаливающая способность воды может быть уменьшена путем добавления в нее мела, извести, мыла, глицерина и других подобных веществ или увеличена при введении в нее хлористого натрия (поваренной соли) или едкого натра (каустической соды). Вода, в которой растворены хлористый натрий или едкий натр, имеет более высокую скрытую теплоту парообразования. Частицы соли, соприкасаясь с раскаленным металлом, взрываются и разрушают

При охлаждении на воздухе можно принять средние значения теплофизиче-ских констант для всего рассматриваемого температурного интервала.

Охлаждение погружением в масло является основным при закалке изделий из легированных сталей. Масло как закалочная среда имеет следующие преимущества: небольшую скорость охлаждения в мартенситном интервале температур, что уменьшает возникновение закалочных дефектов, и постоянство закаливающей способности. К недостаткам относятся повышенная воспламеняемость (температура вспышки 165. 300 °С), низкая охлаждающая способность в области температур перлитного превращения, а также повышенная стоимость. Масла с пониженной вязкостью обладают более высокой охлаждающей способностью. Долговечность индустриальных масел (марки И-12Л, И-20А) при работе без защитной атмосферы составляет 400. 1000 ч, в зависимости от массы закаленных изделий. В качестве охлаждающих сред применяются также машинное масло, трансформаторное, авиационное МС-20 и др.

Вкачестве охлаждающих жидкостей призакалке углеродистой сталии некоторых легированных сталей, имеющих высокую критическую скорость закалки, применяют воду или 10 % — ные растворы NaCl, NaOH, Na2CO3 в воде. Охлаждение при закалке должно производиться со скоростью не меньше критической для того, чтобы предотвратить протекание диффузионных процессов и переохладить весь исходный аустенит до температурного интервала мартенситного превращения.

Источник

Закалка сталей

Закалка — это процесс термической обработки, заключающийся в нагреве стали до температуры выше критической и последующем быстром охлаждении, со скоростью подавляющей распад аустенита на феррито-цементитную смесь и обеспечивающей структуру мартенсита.

Содержание

Мартенсит и мартенситное превращение в сталях

Мартенсит — это пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе (α-Fe). Что такое аустенит, цементит, феррит и перлит читаем здесь. При нагреве эвтектоидной стали (0,8 % углерода) выше точки А1, исходная структура перлит превратится в аустенит. При этом в аустените растворится весь углерод, который имеется в стали, т. е. 0,8 %. Быстрое охлаждение со сверхкритической скоростью (см. рисунок ниже), например в воде (600 °С/сек), препятствует диффузии углерода из аустенита, но кристаллическая ГЦК решетка аустенита перестроится в тетрагональную решетку мартенсита. Данный процесс называется мартенситным превращением. Он характеризуется сдвиговым характером перестройки кристаллической решетки при такой скорости охлаждения, при которой диффузионные процессы становятся невозможны. Продуктом мартенситного превращения является мартенсит с искаженной тетрагональной решеткой. Степень тетрагональности зависит от содержания углерода в стали: чем его больше, тем больше степень тетрагональности. Мартенсит — это твердая и хрупкая структура стали. Находится в виде пластин, под микроскопом выглядит, как иглы.

Температура закалки для большинства сталей определяется положением критических точек А1 и А3. На практике температуру закалки сталей определяют при помощи марочников сталей. Как выбрать температуру закалки стали с учетом точек Ас1 и Ас3 читаем по ссылке.

Микроструктура стали после закалки

Для большинства сталей после закалки характерна структура мартенсита и остаточного аустенита, причем количество последнего зависит от содержания углерода и качественного и количественного содержания легирующих элементов. Для конструкционных сталей среднего легирования количество остаточного аустенита может быть в пределах 3-5%. В инструментальных сталях это количество может достигать 20-30%.

Вообще, структура стали после закалки определяется конечными требованиями к механическим свойствам изделия. Наряду с мартенситом, после закалки в структуре может присутствовать феррит или цементит (в случае неполной закалки). При изотермической закалке стали ее структура может состоять из бейнита. Структура, конечные свойства и способы закалки стали рассмотрены ниже.

Частичная закалка стали

Частичной называется закалка, при которой скорости охлаждения не хватает для образования мартенсита и она оказывается ниже критической. Такая скорость охлаждения обозначена синей линией на рисунке. При частичной закалке как-бы происходит задевание «носа» С-кривой стали. При этом в структуре стали наряду с мартенситом будет присутствовать троостит в виде черных островковых включений.

Микроструктура стали с частичной закалкой выглядит примерно следующим образом

Частичная закалка является браком, который устраняется полной перекристаллизацией стали, например при нормализации или при повторном нагреве под закалку.

Неполная закалка сталей

Закалка от температур, лежащих в пределах между А1 и А3 (неполная закалка), сохраняет в структуре доэвтектоидных сталей наряду с мартенситом часть феррита, который снижает твердость в закаленном состоянии и ухудшает механические свойства после отпуска. Это понятно, так как твердость феррита составляет 80НВ, а твердость мартенсита зависит от содержания углерода и может составлять более 60HRC. Поэтому данные стали обычно нагревают до температур на 30–50 °С выше А3 (полная закалка). В теории, неполная закалка сталей не допустима и является браком. На практике, в ряде случаев для избежания закалочных трещин, неполная закалка может использоваться. Очень часто это касается закалки токами высокой частоты. При такой закалке необходимо учитывать ее целесообразность: тип производства, годовую программу, тип ответственности изделия, экономическое обоснование. Для заэвтектоидных сталей закалка от температур выше А1, но ниже Асm дает в структуре избыточный цементит, что повышает твердость и износоустойчивость стали. Нагрев выше температуры Аcm ведет к снижению твердости из-за растворения избыточного цементита и увеличения остаточного аустенита. При этом происходит рост зерна аустенита, что также негативно сказывается на механических характеристиках стали.

Таким образом, оптимальной закалкой для доэвтектоидных сталей является закалка от температуры на 30–50 °С выше А3, а для заэвтектоидных – на 30–50 °С выше А1.

Скорость охлаждения также влияет на результат закалки. Оптимальной охлаждающей является среда, которая быстро охлаждает деталь в интервале температур минимальной устойчивости переохлажденного аустенита (в интервале носа с-кривой) и замедленно в интервале температур мартенситного превращения.

Стадии охлаждения при закалке

Наиболее распространенными закалочными средами являются вода различной температуры, полимерные растворы, растворы спиртов, масло, расплавленные соли. При закалке в этих средах различают несколько стадий охлаждения:

— пленочное охлаждение, когда на поверхности стали образуется «паровая рубашка»;

— пузырьковое кипение, наступающее при полном разрушении этой паровой рубашки;

Более подробно про стадии охлаждения при закалке можно прочитать в статье «Характеристики закалочных масел»

Кроме жидких закалочных сред используется охлаждение в потоке газа разного давления. Это может быть азот (N2), гелий (Не) и даже воздух. Такие закалочные среды часто используются при вакуумной термообработке. Здесь нужно учитывать факт возможности получения мартенситной структуры — закаливаемость стали в определенной среде, т. е. химический состав стали от которого зависит положение с-кривой.

Факторы, влияющие на положение с-кривых:

— Углерод. Увеличение содержания углерода до 0,8% увеличивает устойчивость переохлажденного аустенита, соответственно с-кривая сдвигается вправо. При увеличении содержания углерода более 0,8%, с-кривая сдвигается влево;

— Легирующие элементы. Все легирующие элементы в разной степени увеличивают устойчивость аустенита. Это не касается кобальта, он уменьшает устойчивость переохлажденного аустенита;

— Размер зерна и его гомогенность. Чем больше зерно и чем оно однороднее структура, тем выше устойчивость аустенита;

— Увеличение степени искажения кристаллической решетки снижает устойчивость переохлажденного аустенита.

Температура влияет на положение с-кривых через все указанные факторы.

Способы закалки сталей

На практике применяются различные способы охлаждения в зависимости от размеров деталей, их химического состава и требуемой структуры (схема ниже).

Схема: Скорости охлаждения при разных способах закалки сталей

Непрерывная закалка стали

Непрерывная закалка (1) – способ охлаждения деталей в одной среде. Деталь после нагрева помещают в закалочную среду и оставляют в ней до полного охлаждения. Данная технология самая распространенная, широко применяется в условиях массового производства. Подходит практически для всех типов конструкционных сталей.

Закалка в двух средах

Закалка в двух средах (скорость 2 на рисунке) осуществляется в разных закалочных средах, с разными температурами . Сначала деталь охлаждают в интервале температур например 890–400 °С например в воде, а потом переносят в другую охлаждающую среду – масло. При этом мартенситное превращение будет происходить уже в масляной среде, что приведет к уменьшению поводок и короблений стали. Такой способ закалки используют при термообработке штампового инструмента. На практике часто используют противоположный технологический прием — сначала детали охлаждают в масле, а затем в воде. При этом мартенситное превращение происходит в масле, а в воду детали перемещают для более быстрого остывания. Таким образом экономится время на осуществление технологии закалки.

Ступенчатая закалка

При ступенчатой закалке (скорость 3) изделие охлаждают в закалочной среде, имеющей температуру более высокую, чем температура мартенситного превращения. Таким образом получается некая изотермическая выдержка перед началом превращения аустенита в мартенсит. Это обеспечивает равномерное распределение температуры по всему сечению детали. Затем следует окончательное охлаждение, во время которого и происходит превращение мартенситное превращение. Этот способ дает закалку с минимальными внутренними напряжениями. Изотермическую выдержку можно сделать чуть ниже температуры Мн, уже после начала мартенситного превращения (скорость 6). Такой способ более затруднителен с технологической точки зрения.

Изотермическая закалка сталей

Изотермическая закалка (скорость 4) делается для получения бейнитной структуры стали. Данная структура характеризуется отличным сочетание прочностных и пластических свойств. При изотермической закалке детали охлаждают в ванне с расплавами солей, которые имеют температуру на 50–150 °С выше мартенситной точки Мн, выдерживают при этой температуре до конца превращения аустенита в бейнит, а затем охлаждают на воздухе.

При закалке на бейнит возможно получение двух разных структур: верхнего и нижнего бейнита. Верхний бейнит имеет перистое строение. Он образуется в интервале 500-350°С и состоит из частиц феррита в форме реек толщиной

Источник