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;
- — конвективный теплообмен.
- 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
Полная закалка доэвтектоидной стали — Мастерок
Конструкционные стали подвергают закалке и отпуску для повышения прочности и твердости, получения высокой пластичности, вязкости и высокой износостойкости, а инструментальные – для повышения твердости и износостойкости.
Верхний предел температур нагрева для заэвтектоидных сталей ограничивается, так как приводит к росту зерна, что снижает прочность и сопротивление хрупкому разрушению.
Основными параметрами являются температура нагрева и скорость охлаждения. Продолжительность нагрева зависит от нагревательного устройства, по опытным данным на 1 мм сечения затрачивается: в электрической печи – 1,5…2 мин.; в пламенной печи – 1 мин.; в соляной ванне – 0,5 мин.; в свинцовой ванне – 0,1…0,15 мин.
По температуре нагрева различают виды закалки:
– полная, с температурой нагрева на 30…50 o С выше критической температуры А3
Применяют её для доэвтектоидных сталей. Изменения структуры стали при нагреве и охлаждении происходят по схеме:
Неполная закалка доэвтектоидных сталей недопустима, так как в структуре остается мягкий феррит. Изменения структуры стали при нагреве и охлаждении происходят по схеме:
– неполная с температурой нагрева на 30…50 o С выше критической температуры А1
Применяется для заэвтектоидных сталей. Изменения структуры стали при нагреве и охлаждении происходят по схеме:
- После охлаждения в структуре остается вторичный цементит, который повышает твердость и износостойкость режущего инструмента.
- После полной закалки заэвтектоидных сталей получают дефектную структуру грубоигольчатого мартенсита.
- Заэвтектоидные стали перед закалкой обязательно подвергают отжигу – сфероидизации, чтобы цементит имел зернистую форму.
- Охлаждение при закалке.
- Для получения требуемой структуры изделия охлаждают с различной скоростью, которая в большой степени определяется охлаждающей средой, формой изделия и теплопроводностью стали.
Режим охлаждения должен исключить возникновение больших закалочных напряжений. При высоких скоростях охлаждения при закалке возникают внутренние напряжения, которые могут привести к короблению и растрескиванию.
Внутренние напряжения, уравновешиваемые в пределах макроскопических частей тела, называются напряжениями I рода. Они ответственны за искажение формы (коробление) и образование трещин при термообработке. Причинами возникновения напряжений являются:
· различие температуры по сечению изделия при охлаждении;
· разновременное протекание фазовых превращений в разных участках изделия.
Для предупреждения образования трещин необходимо избегать растягивающих напряжений в поверхностных слоях изделия. На характер распределения напряжений при закалке, помимо режима охлаждения, оказывает влияние и температура нагрева под закалку. Перегрев содействует образованию закалочных трещин, увеличивает деформации.
Режим охлаждения должен также обеспечить необходимую глубину закаленного слоя.
Оптимальный режим охлаждения: максимальная скорость охлаждения в интервале температур А1 – MН, для предотвращения распада переохлажденного аустенита в области перлитного превращения, и минимальная скорость охлаждения в интервале температур мартенситного превращения MН – MК, с целью снижения остаточных напряжений и возможности образования трещин. Очень медленное охлаждение может привести к частичному отпуску мартенсита и увеличению количества аустенита остаточного, а следовательно к снижению твердости.
Читать также: Как восстановить шкалу на штангенциркуле
В качестве охлаждающих сред при закалке используют воду при различных температурах, технические масла, растворы солей и щелочей, расплавленные металлы.
Вода имеет существенный недостаток: высокая скорость охлаждения в интервале мартенситного превращения приводит к образованию закалочных дефектов. С повышением температуры воды ухудшается ее закалочная способность.
Наиболее высокой и равномерной охлаждающей способностью отличаются холодные 8…12 %-ные водные растворы NaCl и NaOH. Они мгновенно разрушают паровую рубашку и охлаждение происходит более равномерно и на стадии пузырькового кипения.
Увеличения охлаждающей способности достигают при использовании струйного или душевого охлаждения, например, при поверхностной закалке.
Для легированных сталей с высокой устойчивостью аустенита используют минеральное масло (нефтяное).
Обеспечивающее небольшую скорость охлаждения в интервале температур мартенситного превращения и постоянство закаливающей способности.
Недостатками минеральных масел являются повышенная воспламеняемость, низкая охлаждающая способность в интервале температур перлитного превращения, высокая стоимость.
При выборе охлаждающей среды необходимо учитывать закаливаемость и прокаливаемость стали.
Закаливаемость – способность стали приобретать высокую твердость при закалке.
Закаливаемость определяется содержанием углерода. Стали с содержанием углерода менее0,20 % не закаливаются.
Прокаливаемость – способность получать закаленный слой с мартенситной и троосто-мартенситной структурой, обладающей высокой твердостью, на определенную глубину.
За глубину закаленной зоны принимают расстояние от поверхности до середины слоя, где в структуре одинаковые объемы мартенсита и троостита.
Чем меньше критическая скорость закалки, тем выше прокаливаемость. Укрупнение зерен повышает прокаливаемость.
- Если скорость охлаждения в сердцевине изделия превышает критическую то сталь имеет сквозную прокаливаемость.
- Нерастворимые частицы и неоднородность аустенита уменьшают прокаливаемость.
- Характеристикой прокаливаемости является критический диаметр.
- Критический диаметр – максимальное сечение, прокаливающееся в данном охладителе на глубину, равную радиусу изделия.
- С введением в сталь легирующих элементов закаливаемость и прокаливаемость увеличиваются (особенно молибден и бор, кобальт – наоборот).
В большинстве случаев при закалке желательно получить структуру наивысшей твердости, т.е. мартенсит, при последующем отпуске которого можно понизить твердость и повысить пластичность стали.
Доэвтектоидные стали, как правило, подвергают полной закалке, при этом оптимальной температурой нагрева является температура
Ас3+ (30—50 °С). Такая температура обеспечивает получение при нагреве мелкозернистого аустенита и соответственно после охлаждения — мелкокристаллического мартенсита. Недогрев до температуры Ас3 приводит к сохранению в структуре кристаллов феррита, что при некотором уменьшении прочности обеспечивает повышенную пластичность закаленной стали (рис. 3.3).
Рис. 3.3. Оптимальные температуры нагрева под закалку для сталей:
а — доэвтектоидных, заэвтектоидных; б — высоколегированных ледебуритных
Заэвтектоидные стали подвергают неполной закалке. Оптимальная температура нагрева углеродистых и низколегированных сталей — температура Ас1 + (30—50 °С).
После закалки заэвтектоидная сталь приобретает структуру, состоящую из мартенсита и цементита. Кристаллы цементита тверже кристаллов мартенсита, поэтому при неполной закалке заэвтектоидные стали имеют более высокую твердость, чем при полной закалке. Высоколегированные инструментальные стали ледебуритного класса (рис. 3.
3) для повышения теплостойкости нагревают при закалке до очень высоких температур (область 1), близких к эвтектической. При этом происходит распад всех вторичных карбидов, аустенит обогащается не только углеродом, но и легирующими элементами, содержащимися в карбидах.
В результате получается высоколегированный, а следовательно, и теплостойкий мартенсит.
Читать также: Приспособления для распила бревен бензопилой своими руками
Для получения мартенситной структуры необходимо переохладить аустенит до температуры мартенситного превращения, при этом скорость охлаждения должна превышать критическую скорость )кр.
Продолжительность нагрева. Скорость нагрева и время выдержки при температуре нагрева для закалки зависят от химического состава стали и размеров обрабатываемых деталей. Чем больше размеры и сложнее конфигурация закаливаемых деталей или инструмента, тем медленнее происходит нагрев.
Чем больше в стали углерода, легирующих элементов, тем менее она теплопроводна. Нагревают детали из высокоуглеродистых и легированных сталей медленно, равномерно и с повышенной выдержкой нагрева.
Величина напряжений должна быть всегда ниже допустимой величины, в противном случае в изделии при нагреве могут образоваться трещины. Выдержка при термической обработке необходима для того, чтобы изделия полностью прогрелись после достижения заданной температуры и произошли структурные превращения в металле.
Время выдержки зависит в основном от структуры металла и равно 1 мин для углеродистых сталей и 1,5—2,0 мин для сталей, легированных на 1 мм диаметра.
Время нагрева определяют для каждого вида деталей или инструмента (табл. 3.1).
Охлаждающие среды после закалки. Для охлаждения стальных деталей при закалке в качестве закалочных сред применяют воду, водные растворы солей, расплавленные соли и минеральные масла.
Закалочные среды с разной интенсивностью отводят тепло от нагретых под закалку деталей. При выборе закалочной среды учитывают химический состав стали и степень допустимой деформации. Единой универсальной среды для закалки стали не имеется, поэтому пользуются различными средами (табл. 3.2).
- Среднее время нагрева деталей из углеродистых сталей под закалку в различных средах
- Температура нагрева, °С
- Время нагрева (с) 1 мм диаметра или толщины деталей с сечением
Ещё один сайт на WordPress
Рубрики
Свежие записи
Архивы
Закалка доэвтектоидных и заэвтектоидкых сталей
- Прежде всего в этих сталях, по сравнению с эвтектоидной, должно сказываться их положение по диаграмме состояний: наличие вторых превращений, кроме эвтектоидного, в точках А3 и Аст.
- В связи с этим в доэвтектоидных и заэвтектоидных сталях может быть закалка двоякого вида: полная и неполная.
- Полной закалкой называют такую, которая производится, исходя из состояния сплошного аустенита, когда нагрев стали для закалки осуществляется выше верхних критических точек.
- Если же нагреть сталь ниже указанных точек, но выше точки Aclt то будем находиться в области, где, кроме аустенита, находятся избыточные фазы — феррит (Ф) или цементит (Ц).
Читать также: Станок для затачивания сверл
Очевидно, при закалке, т. е. последующем быстром охлаждении, аустенитные участки переохладятся и перейдут в соответствующие закаленные участки, а Ф и Ц останутся неизмененными (равновесными) участками. Такая закалка называется неполной. Присутствие равновесных избыточных фаз, наряду с закаленными участками, должно изменять результаты закалки. Поэтому для выяснения влияния углерода на закалку сперва будем исходить из полной закалки стали.
- Сравнивая результаты полной закалки сталей с различным содержанием углерода, можно установить, что процесс распадения аустенита и образования соответствующих переходных состояний (мартенсита, троостита и сорбита) идет аналогично эвтектоидной стали, но в зависимости от содержания углерода наблюдаются следующие отклонения.
- Относительно кривых изотермического распадения установлено, что изменения содержания углерода как в доэвтектоидную сторону, так и в заэвтектоидную смещают С-образные кривые влево (ближе к начальной ординате), по сравнению с кривыми эвтектоидной стали .
- Это значит, что эвтектоидная сталь наиболее устойчива, а уменьшение и увеличение содержания углерода против 0,83% вызывает ускорение как начала распадения переохлажденного аустенита, так и завершения превращения.
Что же касается температурных пределов расположения минимума устойчивости (перегиба на С-образных кривых в верхней части), то существенного отличия от эвтектоидной стали здесь не наблюдается, и ход С-образных кривых в общем у всех аналогичен.
Различие в виде кривых изотермического превращения между эвтектоидной и внеэвтектоидными сталями сказывается еще и в том, что, кроме кривой перлитного превращения, в них присутствует еще ветвь, отвечающая верхним превращениям: выделению избыточного феррита (в точках Агъ) или цементита (Arcm).
Приведены кривые изотермического превращения доэвтектоидной стали и здесь видна ветвь, соответствующая точкам выделения избыточного феррита Лг3; эти точки по мере ускорения охлаждения получаются все ниже-ближе к точкам Агх — до совпадения с последними близ С-образной кривой. Это значит, что при больших скоростях закалки (близких к критической и выше) оба превращения сливаются в одно и дают закаленные структуры без присутствия избыточных фаз.
Различие в связи с содержанием углерода особенно сказывается в нижней части диаграммы, на положении горизонтали точки М, определяющей начало образования мартенсита (и ограничивающей распространение С-образных кривых).
Выше было замечено, что как верхняя, так и нижняя границы области мартенситного превращения зависят от состава стали и, особенно, от содержания углерода.
Приведены кривые зависимости точек начала (М) и конца (Мк) 1 мартенситного превращения от содержания углерода в стали; здесь видно, что углерод резко понижает эти точки, причем
Из этих же кривых видно, что для малоуглеродистых, весьма мягких сталей точки мартенситного превращения расположены так высоко, что если мартенсит и образуется в них на момент, то остаться таковым не может и должен перейти в более устойчивые стадии распадения. Поэтому закалка таких сталей на мартенсит практически неосуществима.
Кроме углерода, на положение мартенситных точек оказывают существенное влияние и прочие легирующие примеси, о чем подробнее сказано.
Особенности закалки сталей
В большинстве случаев при закалке желательно получить структуру наивысшей твердости, т.е. мартенсит, при последующем отпуске которого можно понизить твердость и повысить пластичность стали.
Доэвтектоидные стали, как правило, подвергают полной закалке, при этом оптимальной температурой нагрева является температура
Ас3+ (30—50 °С). Такая температура обеспечивает получение при нагреве мелкозернистого аустенита и соответственно после охлаждения — мелкокристаллического мартенсита. Недогрев до температуры Ас3 приводит к сохранению в структуре кристаллов феррита, что при некотором уменьшении прочности обеспечивает повышенную пластичность закаленной стали (рис. 3.3).
Рис. 3.3. Оптимальные температуры нагрева под закалку для сталей:
а — доэвтектоидных, заэвтектоидных; б — высоколегированных ледебуритных
Заэвтектоидные стали подвергают неполной закалке. Оптимальная температура нагрева углеродистых и низколегированных сталей — температура Ас1 + (30—50 °С).
После закалки заэвтектоидная сталь приобретает структуру, состоящую из мартенсита и цементита. Кристаллы цементита тверже кристаллов мартенсита, поэтому при неполной закалке заэвтектоидные стали имеют более высокую твердость, чем при полной закалке. Высоколегированные инструментальные стали ледебуритного класса (рис. 3.
3) для повышения теплостойкости нагревают при закалке до очень высоких температур (область 1), близких к эвтектической. При этом происходит распад всех вторичных карбидов, аустенит обогащается не только углеродом, но и легирующими элементами, содержащимися в карбидах.
В результате получается высоколегированный, а следовательно, и теплостойкий мартенсит.
Для получения мартенситной структуры необходимо переохладить аустенит до температуры мартенситного превращения, при этом скорость охлаждения должна превышать критическую скорость )кр.
Продолжительность нагрева. Скорость нагрева и время выдержки при температуре нагрева для закалки зависят от химического состава стали и размеров обрабатываемых деталей. Чем больше размеры и сложнее конфигурация закаливаемых деталей или инструмента, тем медленнее происходит нагрев.
Чем больше в стали углерода, легирующих элементов, тем менее она теплопроводна. Нагревают детали из высокоуглеродистых и легированных сталей медленно, равномерно и с повышенной выдержкой нагрева.
Величина напряжений должна быть всегда ниже допустимой величины, в противном случае в изделии при нагреве могут образоваться трещины. Выдержка при термической обработке необходима для того, чтобы изделия полностью прогрелись после достижения заданной температуры и произошли структурные превращения в металле.
Время выдержки зависит в основном от структуры металла и равно 1 мин для углеродистых сталей и 1,5—2,0 мин для сталей, легированных на 1 мм диаметра.
Время нагрева определяют для каждого вида деталей или инструмента (табл. 3.1).
Охлаждающие среды после закалки. Для охлаждения стальных деталей при закалке в качестве закалочных сред применяют воду, водные растворы солей, расплавленные соли и минеральные масла.
Закалочные среды с разной интенсивностью отводят тепло от нагретых под закалку деталей. При выборе закалочной среды учитывают химический состав стали и степень допустимой деформации. Единой универсальной среды для закалки стали не имеется, поэтому пользуются различными средами (табл. 3.2).
Среднее время нагрева деталей из углеродистых сталей под закалку в различных средах
Таблица 3.1
| Нагревательные устройства | Температура нагрева, °С | Время нагрева (с) 1 мм диаметра или толщины деталей с сечением | ||
| круглым | квадратным | прямоугольным | ||
| Электрическая печь | 800 | 40-50 | 50-60 | 60-75 |
| Пламенная печь | 800 | 35-40 | 45-50 | 55-60 |
| Соляная ванна | 800 | 12-15 | 15-18 | 18-22 |
Закаливаемость и прокаливаемость — важнейшие характеристики сталей. Закаливаемость определяется твердостью поверхности закаленной детали и зависит главным образом от содержания углерода в стали.
При закалке различных деталей поверхность их, как правило, охлаждается со скоростью, большей )кр, следовательно, на поверхности образуется мартенсит, обладающий высокой твердостью. Если же при закалке скорость охлаждениябудет меньше )кр, то деталь не прокалится насквозь, т.е. там не образуется мартенсит.
Прокали-ваемостъю называют способность стали закаливаться на определенную глубину. При оценке прокаливаемости закаленным считается слой, в котором содержится не менее 50% мартенсита (полумартен-ситная зона).
Установлено, что легирование стали любыми элементами, кроме кобальта, увеличивает прокаливаемость, так как при этом повышается устойчивость переохлажденного аустенита.
Практические способы закалки сталей. Дефекты, возникающие при закалке. Основные способы закалки стали — закалка в одном охладителе, в двух средах, струйчатая, с самоотпуском, ступенчатая и изотермическая.
Таблица 3.2
Скорость охлаждения стали в зависимости от закалочных сред
| Закалочная среда | Скорость охлаждения, град/с, в интервале температур,°С | |
| 600-500 | 300-200 | |
| Вода: | ||
| при 20 °С (спокойная) | 600 | 270 |
| при 20 °С (циркулирующая) | 350 | 700 |
| Дистиллированная при 20 °С | 250 | 200 |
| 10%-ные водные растворы: | ||
| поваренной соли | 1100 | 300 |
| едкого натра | 1200 | 300 |
| соды (№2С03) | 800 | 270 |
| Минеральное масло при 20 °С | 120 | 25 |
| Эмульсия (смесь масла и воды) | 70 | 200 |
Закалка в двух средах (или прерывистая закалка). Деталь сначала охлаждают в быстро охлаждающей среде — воде, а затем переносят ее в медленно охлаждающую среду — масло. Такой способ применяется при закалке инструмента, изготовленного из высокоуглеродистой стали (рис. 3.4).
Струйчатая закалка. Детали, нагретые до температуры закалки, охлаждают струей воды.
Такой способ применяют для закалки внутренних поверхностей, высадочных штампов, матриц и другого инструмента, у которого рабочая поверхность должна иметь структуру мартенсита.
При струйчатой закалке не образуется паровая рубашка, что обеспечивает более глубокую прокаливаемость, чем при простой закалке в воде.
Закалка с самоотпуском. Детали выдерживают в охлаждающей среде не до полного охлаждения, а до определенной стадии, чтобы сохранить в сердцевине детали тепло, необходимое для самоотпуска.
Ступенчатая закалка. При этом способе закалки нагретые детали охлаждают сначала до температуры несколько выше точки Мн (в горячем масле или расплавленной соли), затем после короткой выдержки при этой температуре (до начала промежуточных превращений) охлаждают на воздухе.
Рис. 3.4. Способы охлаждения при закалки сталей:
- 1 — непрерывное охлаждение;
- 2 — закалка в двух средах;
- 3 — ступенчатая закалка;
- 4 — изотермическая закалка
Изотермическая закалка. Детали нагревают до заданной температуры и охлаждают в изотермической среде до 220—350 °С, что несколько превышает температуру начала мартенситного превращения. Выдержка деталей в закалочной среде должна быть достаточной для полного превращения аустенита в игольчатый троостит.
После этого производится охлаждение на воздухе. При изотермической закалке выдержка значительно больше, чем при ступенчатой. Изотермическая закалка позволяет устранить большое различие в скоростях охлаждения поверхности и сердцевины деталей, которое является основной причиной образования термических напряжений и закалочных трещин.
Изотермическая закалка в ряде случаев исключает операцию отпуска, что сокращает на 35—40% цикл термической обработки.
Светлая закалка. При этом способе закалки детали нагревают в нейтральной безокислительной атмосфере или в расплавленных нейтральных солях.
При светлой закалке нагрев деталей или инструмента осуществляют в жидких солях, не вызывающих окисление металла, с последующим охлаждением их в расплавленных едких щелочах.
Дефекты, возникающие при закалке. Основными видами брака являются: образование трещин, деформация и коробление, обезуглероживание и окисление, изменение размеров, появление мягких пятен, низкая твердость, перегрев.
Закалочные трещины. В крупных деталях, например в матрицах и ковочных штампах, закалочные трещины могут появляться даже при закалке в масле. Поэтому такие детали целесообразно охлаждать до 150—200 °С с быстрым последующим отпуском.
Чтобы уменьшить скорость охлаждения при закалке легированных сталей и снизить напряжение, эти стали подвергают медленному охлаждению в масле или струе воздуха.
Деформация и коробление. Этот вид брака деталей образуется в результате неравномерных структурных и связанных с ними объемных превращений и возникновения внутренних напряжений при охлаждении.
Обезуглероживание. Обезуглероживание инструмента при нагреве в электрических печах и жидких средах (соляных ваннах) — серьезный дефект при закалке, так как он в несколько раз снижает стойкость инструмента.
Мягкие пятна. При закалке на поверхности детали или инструмента образуются участки с пониженной твердостью.
Причинами такого дефекта могут быть наличие на поверхности деталей окалины и загрязнения, участки с обезуглероженной поверхностью или недостаточно быстрое движение деталей в закалочной среде (паровая рубашка). Мягкие пятна полностью устраняются при струйчатой закалке и в подсоленной воде.
Низкая твердость. Причинами низкой твердости являются недостаточно быстрое охлаждение в закалочной среде, низкая температура закалки, а также малая выдержка при нагреве под закалку. Чтобы исправить этот дефект, детали или инструмент сначала подвергают высокому отпуску при температуре 600—625 °С, а затем — закалке.
Перегрев. Он вызывает крупнозернистую структуру с блестящим изломом и, следовательно, ухудшает механические свойства стали. Для измельчения зерна и подготовки структуры для повторной закалки перегретую сталь необходимо подвергать отжигу.
Недогрев. Если температура закалки была ниже критических точек Ас,3 (для доэвтектоидных сталей) и Ас1 (для заэвтектоидных сталей), то структура закаленной стали состоит из мартенсита и зерен феррита, который имеет низкую твердость. Недогрев можно исправить отжигом с последующей закалкой.
Закалка стали — температура, скорость и режимы закалки, свойства и структура закаленной стали
Закалка – вид термической обработки, состоящий из основных операций – нагрева до определенной температуры, выдержки, быстрого охлаждения.
Он применяется в сочетании с другой разновидностью термообработки – отпуском.
Эта технология позволяет улучшить механические характеристики недорогих марок стали, цветных металлов и сплавов, за счет чего снижается себестоимость получаемых изделий и конструкций.
Общие сведения о технологии закалки стали
Основные цели, решаемые комплексом закалка + отпуск:
- повышение твердости;
- повышение прочностных характеристик;
- снижение пластичности до допустимой величины;
- возможность использования пустотелых изделий вместо полнотелых, что позволяет снизить массу металлоизделия и металлоемкость производственного процесса.
Основные этапы закалки:
- нагрев до температур, при которых осуществляется изменение структурного состояния металла;
- выдержка, установленная в технологической карте;
- охлаждение со скоростью, обеспечивающей формирование заданной кристаллической структуры.
После закалки проводят отпуск, который заключается в нагреве металла до температур, лежащих ниже линии фазовых превращений, с дальнейшим медленным понижением температуры. На результат термообработки влияют:
- температура нагрева;
- скорость роста температуры;
- период выдержки при закалочных температурах;
- охлаждающая среда и скорость снижения температуры.
Ключевым параметром является температура нагрева, от которой зависит перестройка и формирование новой структурной решетки. По глубине действия закалку разделяют на объемную и поверхностную.
В машиностроении обычно используется объемная закалка, после которой твердость поверхности и сердцевины отличается незначительно.
Поверхностная термообработка востребована для деталей, для которых важна высокая твердость поверхности и вязкая сердцевина.
Какие стали подвергают закалке
Не все марки сталей могут подвергаться закалке. Марки с содержанием углерода ниже 0,4% практически не изменяют твердость при закалочных температурах, поэтому этот способ для них не применяется. Закалочную технологию чаще всего применяют для инструментальных сталей.
Таблица правильных режимов закалки и отпуска для некоторых типов инструментальных сталей
| Марка стали | Температура закалки стали | Среда охлаждения после закалочного нагрева | Температура отпуска | Среда охлаждения после отпуска |
| У7 | 800°C | вода | 170°C | вода, масло |
| У7А | 800°C | вода | 170°C | вода, масло |
| У8, У8А | 800°C | вода | 170°C | вода, масло |
| У10, У10А | 790°C | вода | 180°C | вода, масло |
| У11, У12 | 780°C | вода | 180°C | вода, масло |
| Р9 | 1250°C | масло | 580°C | воздух в печи |
| Р18 | 1250°C | масло | 580°C | воздух в печи |
| ШХ6 | 810°C | масло | 200°C | воздух |
| ШХ15 | 845°C | масло | 400°C | воздух |
| 9ХС | 860°C | масло | 170°C | воздух |
Виды закалки – с полиморфным превращением и без него
Закалка сталей протекает с полиморфным превращением, цветных металлов и сплавов – без них.
Закалка сталей с полиморфным превращением
В углеродистых сталях при повышении температур выше определенного уровня происходит ряд фазовых превращений, вызывающих изменения кристаллической решетки.
При критических температурах, значение которых зависит от процентного содержания углерода, происходит распад карбида железа и образование раствора углерода в железе, называемого аустенитом. При медленном остывании аустенит постепенно распадается, и кристаллическая решетка приобретает исходное состояние.
Если углеродистые стали охлаждать с высокой скоростью, то в зависимости от режима закалки в них образуются различные фазовые состояния, самый прочный из них – мартенсит.
Для получения мартенситной структуры доэвтектоидные стали(до 0,8% C) нагревают до температур, лежащих выше точки Ас3 на 30-50°C, для заэвтектоидных – на 30-50° выше Ас1.По такой технологии закаливают металлорежущий инструмент и упрочняют изделия, которые в процессе эксплуатации подвергаются трению: шестерни, валы, обоймы, втулки.
При нагреве до более низких температур в структуре доэвтектоидных сталей наряду с мартенситом сохраняется более мягкий феррит, снижающий твердость металла и ухудшающий его механические характеристики после отпуска. Такая закалка стали называется неполной и в большинстве случаев является браком.
Но она может использоваться в некоторых случаях во избежание появления трещин.
Закалка без полиморфного превращения
Закалка без полиморфного превращения протекает в цветных металлах и сплавах, имеющих ограниченную растворимость вторичных фаз при обычных температурах, в которых при высоких температурах не происходят полиморфные превращения.
При повышении температур выше линии солидус (это линия, ниже которой находится только твердая фаза) вторичные фазы полностью растворяются. При быстром охлаждении вторичные фазы не выделяются, поскольку для этого необходимо определенное время.
После такой термообработки цветной сплав является термодинамически неустойчивым, поэтому со временем он начинает распадаться с постепенным выделением вторичной фазы.
Такой процесс распада, происходящий в естественных условиях, называется естественным старением, а при нагреве – искусственным старением. В результате старения получают равновесную структуру. Характеристики материала зависят от выбранного режима процесса.
Закалка цветных металлов и сплавов, в отличие от углеродистых сталей, часто не приводит к повышению прочности. Сплавы на основе меди, например, после такой ТО часто становятся более пластичными. Для таких материалов обычно используют отпуск, благодаря которому снимаются напряжения после литья, прокатки, штамповки, ковки или прессования.
Способы закалки стали
Способ закалки выбирают в зависимости от химического состава стали и запланированных свойств.
Закаливание с охлаждением в одной среде
Скорость охлаждения стали после закалки зависит от среды, в которой оно проводится. Самую высокую скорость обеспечивает охлаждение в воде.
Такой способ используется для среднеуглеродистых низколегированных сталей и некоторых марок коррозионностойких сталей.
При содержании углерода более 0,5% C и высоком легировании воду в качестве охлаждающей среды не применяют, поскольку такие сплавы покрываются трещинами или полностью разрушаются.
Прерывистая закалка в двух охлаждающих средах
Ступенчатую закалку применяют для деталей, изготовленных из сложнолегированных сталей. Крупногабаритные детали после нагрева на несколько минут окунают в воду, а затем охлаждают в масле до +320…300°C, после чего оставляют на воздухе. При охлаждении в масле до комнатных температур твердость изделия значительно снижается.
Изотермическая ТО
Закалка высокоуглеродистых марок – сложный процесс, состоящий из нормализации с последующим нагревом до температуры закалки. Нагретые детали опускают в ванну с селитрой, нагретой до температур +320…+350°C, выдерживают.
Светлая ТО
Такая термообработка применяется для высоколегированных сталей и заключается в их нагреве в среде инертных газов или в вакууме, что обеспечивает светлую поверхность металла. Светлая закалка используется в серийном производстве типовых изделий.
Термообработка с самоотпуском
При высокой скорости охлаждения внутри детали остается тепло, которое при постепенном выходе снимает напряжения внутренней структуры. Этот процесс можно доверить только специалистам, которые могут точно рассчитать время нахождения изделия в охлаждающей среде.
Струйная
Охлаждение осуществляют интенсивной струей воды. Такой процесс применяется при необходимости закаливания отдельных частей изделий.
Оборудование для проведения закалки
Оборудование разделяется на две основные группы – установки для нагрева и ванны для охлаждения. На современных предприятиях для получения закалочных температур используются:
- муфельные термические печи;
- оборудование для индукционного нагрева;
- установки для нагрева в расплавах;
- аппараты лазерного нагрева;
- газоплазменные устройства.
Первые три типа установок востребованы для осуществления объемной закалки, три последние – для поверхностного процесса.
Закалочное оборудование – это стальные емкости, графитовые тигли, печи, в которых содержатся расплавленные металлы или соли. Закалочные ванны для жидких сред оборудованы системами обогрева и охлаждения. В их конструкции могут быть предусмотрены специальные мешалки для перемешивания жидких сред и устранения паровой рубашки.
Охлаждающие среды
Условия охлаждения стали после закалки выбирают в зависимости от химического состава обрабатываемого металла и требуемых характеристик конечного продукта. Это могут быть:
- вода;
- воздушная или струя или струя инертного газа;
- минмасло;
- водополимерные смеси;
- расплавленные соли – бария, натрия, калия;
- металлические расплавы – свинцовые или оловянные.
Технология закалочного процесса
Нагрев и выдержка
Температура нагрева стали при закалке зависит от ее химического состава. В общем случае наблюдается закономерность – чем меньше процентное содержание углерода, тем выше должна быть температура нагрева. Понижение температуры нагрева приводит к тому, что нужная структура не успевает сформироваться. Последствия перегрева:
- обезуглероживание;
- окисление поверхности;
- увеличение внутреннего напряжения;
- изменение структурных составляющих.
Изделия сложных форм предварительно подогревают. Для этого их два-три раза опускают на несколько минут в соляные ванны или держат короткое время в печах, нагретых до температур +400…500°C. Период выдержки определяется габаритами изделия и их количеством в печи. Все части изделия должны прогреваться равномерно.
- Таблица температур закалки различных марок стали
-
Марка Температура, °C Марка Температура, °C 15Г 800 50Г2 805 65Г 815 40ХГ 870 15Х, 20Х 800 3Х13 1050 30Х, 35Х 850 35ХГС 870 40Х, 45Х 840 30ХГСА 900 50Х 830 - Температуру нагрева измеряют с помощью пирометров – контактных и бесконтактных, инфракрасных приборов.
Охлаждение
Для охлаждения используется вода – чистая или с растворенными в ней солями, щелочные растворы. Для легированных сталей используется обдув или охлаждение в минмаслах. В изотермических и ступенчатых процессах для охлаждения используются расплавы солей, щелочей и металлов. Такие среды могут чередоваться между собой.
Отпуск
В зависимости от необходимой температуры отпуск осуществляется в масляных, щелочных или селитровых ваннах, печах с принудительной циркуляцией воздушных потоков, горячем песке.
Низкий отпуск, проводимый при +150…+200°C,служит для устранения внутренних напряжений, некоторого повышения пластичности и вязкости без существенного ухудшения твердости. Низкий отпуск востребован для измерительного и металлообрабатывающего инструмента, других деталей, которые должны сочетать твердость и устойчивость к износу.
Для быстрорежущих сталей отпуск осуществляют при температурах +550…580°C. Такую процедуру называют вторичным отвердением, поскольку она приводит к дополнительному росту твердости.
Возможные дефекты после закалки
Нагрев, выдержку, охлаждение и отпуск стали осуществляют в соответствии с технологическими картами, разработанными специалистами. Нарушение разработанного и утвержденного техпроцесса и/или неоднородность структуры заготовки могут стать причиной появления различных дефектов. Среди них:
- Неравномерный нагрев и/или охлаждение. Приводят к деформациям и образованию трещин, неоднородному составу и неоднородным механическим характеристикам.
- Пережог. Возникает из-за проникновения кислородных молекул в металлическую поверхность. В результате образуются оксиды, изменяющие рабочие характеристики поверхностного слоя. Этот дефект возникает из-за выгорания из стали углерода, вызванного избыточным количеством кислорода в печи.
- Попадание в масляную охлаждающую ванну воды. Это нарушение техпроцесса приводит к появлению трещин на изделии.
Все перечисленные выше дефекты являются неисправимыми.
Загрузка...
