Виды закалки металла. Что такое закалка стали
Закалка стали :: Технология металлов
Закалкой называется операция термической обработки, состоящая из нагрева до температур выше верхней критической точки AC3 для доэвтектоидной стали и выше нижней критической точки АС1
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.
Выбор температуры закалки.
Температура нагрева стали для закалки зависит в основном от химического состава стали. При закалке доэвтектоидных сталей нагрев следует вести до температуры на 30 - 50° выше точки АС3 . В этом случае сталь имеет структуру однородного аустенита, который при последующем охлаждении со скоростью, превышающей критическую скорость закалки, превращается в мартенсит. Такая закалка называется полной. При нагреве доэвтектоидной стали до температур AC1 — АC3 в структуре мартенсита сохраняется некоторое количество оставшегося после закалки феррита, снижающего твердость закаленной стали. Такая закалка называется неполной.
Для заэвтектоидной стали наилучшая температура закалки — на 20—30° выше АС1 , т. е. неполная закалка. В этом случае сохранение цементита при нагреве и охлаждении будет способствовать повышению твердости, так как твердость цементита больше твердости мартенсита. Нагревать заэвтектоидную сталь до температуры выше Аст не следует, так как твердость получается меньшей, чем при закалке с температуры выше АС1,за счет растворения цементита и увеличения количества остаточного аустенита. Кроме того, при охлаждении с более высоких температур могут возникнуть большие внутренние напряжения.
Скорость охлаждения.
Для получения структуры мартенсита требуется переохладить аустенит путем быстрого охлаждения стали,находящейся при температуре наименьшей устойчивости аустенита, т. е.при 650—550° С.
В зоне температур мартенситного превращения, т. е,ниже 240°С, наоборот, выгоднее применять замедленное охлаждение, так как образующиеся структурные напряжения успевают выравняться, а твердость образовавшегося мартенсита практически не снижается.
Правильный выбор закалочной среды имеет большое значение для успешного проведения термической обработки.
Наиболее распространенные закалочные среды —вода, 5—10%-ный водный раствор едкого натра или поваренной соли и минеральное масло. Для закалки углеродистых сталей можно рекомендовать воду с температурой 18° С; а для закалки большинства легированных сталей — масло.
Закаливаемость и прокаливаемость стали.
При закалке стали важно знать еезакаливаемость и прокаливаемость. Эти характеристикине следует смешивать.
Закаливаемость показывает способность стали к повышению твердости при закалке. Некоторые стали обладают плохой закаливаемостью, т. е.имеют недостаточную твердость после закалки. О таких сталях говорят, что они «не принимают» закалку.
Закаливаемость стали зависит восновном от содержания в ней углерода. Это объясняется тем, что твердость мартенсита зависит отстепени искажения его кристаллической решетки. Чем меньше вмартенсите углерода, тем меньше будет искажена его кристаллическая решетка и, следовательно, тем ниже будет твердость стали.
Стали, содержащие менее 0,3% углерода, имеют низкую закаливаемость и поэтому, как правило, закалке не подвергаются.
Прокаливаемость стали характеризуется ееспособностью закаливаться на определенную глубину. При закалке поверхность детали охлаждается быстрее, так как она непосредственносоприкасается с охлаждающей жидкостью, отнимающей тепло. Сердцевина детали охлаждается гораздо медленнее, тепло из центральной части детали передается через массу металла к поверхности итолько на поверхности поглощается охлаждающей жидкостью.
Прокаливаемость стали зависит от критической скорости закалки: чем ниже критическая скорость, тем на большую глубину прокаливаются стальные детали. Например, сталь с крупным природным зерном аустенита (крупнозернистая), которая имеет низкую критическую скорость закалки, прокаливается на большую глубину, чем сталь с мелким природным зерном аустенита (мелкозернистая), имеющая высокую критическую скорость закалки. Поэтому крупнозернистую сталь применяют для изготовления деталей, которые должны иметь глубокую или сквозную прокаливаемость, амелкозернистую — для деталей с твердой поверхностной закаленной коркой и вязкой незакаленной сердцевиной.
На глубину прокаливаемости влияют также исходная структура закаливаемой стали, температура нагрева под закалку и закалочная среда.
Прокаливаемость стали можно определить по излому, по микроструктуре и по твердости.
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 АС1 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.
Дефекты, возникающие при закалке стали.
Недостаточная твердость закаленной детали — следствие низкой температуры нагрева, малой выдержки при рабочей температуре или недостаточной скорости охлаждения.
Исправление дефекта: нормализация или отжиг с последующей закалкой; применение более энергичной закалочной среды.
Перегрев связан с нагревом изделия до температуры, значительно превышающей необходимую температуру нагрева под закалку. Перегрев сопровождается образованием крупнозернистой структуры, в результате чего повышается хрупкость стали.
И справление дефекта: отжиг (нормализация) и последущая закалка с необходимой температуры.
Пережог возникает при нагреве стали до весьма высоких температур, близких к температуре плавления (1200—1300° С) в окислительной атмосфере. Кислород проникает внутрь стали, и по границам зерен образуются окислы. Такая сталь хрупка и исправить ее невозможно.
Окисление и обезуглероживание стали характеризуются образованием окалины (окислов) на поверхности деталей и выгоранием углерода в поверхностных слоях. Этот вид брака термической обработкой неисправим. Если позволяет припуск на механическую обработку, окисленный и обезуглероженный слой нужно удалить шлифованием. Чтобы предупредить этот вид брака, детали рекомендуется нагревать в печах с защитной атмосферой.
Коробление и трещины — следствия внутренних напряжений. Во время нагрева и охлаждения стали наблюдаются объемные изменения, зависящие от температуры и структурных превращений (переход аустенита в мартенсит сопровождается увеличением объема до 3%). Разновременность превращения по объему закаливаемой детали вследствие различных ее размеров и скоростей охлаждения по сечению ведет к развитию сильных внутренних напряжений, которые служат причиной трещин и коробления деталей в процессе закалки.
Образование трещин обычно наблюдается при температурах ниже 75—100° С, когда мартенситное превращение охватывает значительную часть объема стали. Чтобы предупредить образование трещин, при конструировании деталей необходимо избегать резких выступов, заостренных углов, резких переходов от тонких сечений к толстым; следует также медленно охлаждать сталь в зоне образования мартенсита (закалка в масле, в двух средах, ступенчатая закалка). Трещины являются неисправимым браком, коробление же можно устранить последующей рихтовкой или правкой.
Источник:Остапенко Н.Н.,Крапивницкий Н.Н. Технология металлов. М. Высшая школа,1970г.
markmet.ru
Что такое поверхностная закалка стали? Для чего применяется поверхностная закалка?
Искусство термической обработки металлов известно человечеству давно. Им мастера, занимавшиеся изготовлением инструментов, а в особенности оружия, овладевали самостоятельно, либо обучались долгие годы у других специалистов, более опытных. Секреты хранились в тайне, что, конечно, снижало скорость распространений технологий, но повышало конкурентоспособность конкретного производителя продукции специфического назначения. Одним из приемов средневековых оружейников была поверхностная закалка, придающая режущим кромкам и остриям мечей и сабель особую твердость в сочетании с гибкостью клинка. Сегодня такими свойствами уже никого не удивить, технологии стали массовыми и получили всеобщее распространение.
Для чего все это знать обычному человеку?
Эта статья специалистам по термической металлообработке покажется, скорее всего, набором банальностей и всем известных фактов. К тому же они, возможно, найдут и некоторые неточности в терминологии. Представляемая информация предназначена не для них, она адресуется людям, далеким от металлургии, дилетантам, интересующимся, чем отличается по прочности от хорошего лезвия обычный столовый или складной нож, поверхностная закалка от объемной и тому подобными вопросами. Покупая тот или иной нужный в хозяйстве предмет, потребитель сталкивается с существенной ценовой разницей. Продавец не всегда может квалифицированно и понятно объяснить, почему один инструмент (гаечный ключ, например) стоит намного дороже другого при общей внешней схожести. Он, скорее всего, попытается «запудрить мозги» малопонятными для обычного обывателя понятиями и терминами. В переводе на обычный язык эти пояснения будут означать, что разводной ключ не сломается или прослужит дольше, а заточка будет требоваться намного реже (если клиент желает приобрести нож). «Поверхностная закалка!» - загадочно укажет причину продавец, закатив от воображаемого восторга глаза. Что же это такое?
Противоположные свойства в одном изделии
Как ясно из словосочетания, термической обработке в этом случае подвергается только внешний тонкий слой изделия. О том, что сталь требует закалки, смутно догадываются все, даже те, кто вообще не знает, что это такое. Именно этим она отличается от обычной «железяки», мягкой и ломкой. Но почему таким почетом пользуется именно поверхностная? Закалка применяется для изменения свойств металла, а не ради какого-то улучшения, как это декларируется очень часто. Качество, полезное в одних случаях, становится вредным в других. Напильник тверд, потому им легко обрабатывать железо, алюминий или бронзу, но если его попробовать изогнуть или ударить по нему молотком, то он треснет. Это же касается ножовочного полотна, часто ломающегося при неправильном угле распила. Для того чтобы придать твердость в сочетании с гибкостью или пластичностью, применяется поверхностная закалка. После нее свойства изделия могут сочетать в себе качества, иногда противоположные, характерные для разных кристаллических структур. Теперь нужно углубиться в некоторые материаловедческие подробности.
Простейшие представления о полиморфности металлов
Один и тот же металл может, в зависимости от формы кристаллической решетки, обладать различными физическими свойствами (твердостью, вязкостью, тягучестью, гибкостью, упругостью и т. д.) Эта способность менять механические параметры носит название полиморфности. Очень давно, изготовляя примитивные образцы оружия, люди заметили, что тот или иной меч или тесак получился удачнее, он дольше сохраняет остроту и при этом не ломается. Разумеется, наши пращуры не были знакомы с молекулярными структурами металла, до всего они доходили интуитивно и эмпирически. Так, опытным путем они открыли, что если нагреть острие, то от оттенков свечения зависит его температура. При быстром охлаждении в металле что-то меняется, он становится либо тверже, либо приобретает гибкость. Если его повторно нагреть, он снова становится таким, как был, а иногда и хуже. К тому времени сформировались вполне конкретные представления о том, каким должен быть, например, идеальный охотничий нож. Поверхностная закалка тоже применялась уже тогда, но чаще использовалась так называемая местная, то есть такая, при которой твердым было острие, гибким - середина лезвия, а часть клинка, примыкающая к рукояти – пластичной (пусть лучше немного согнется, но не ломается).
Что происходит внутри
Не вдаваясь в особые подробности, следует отметить, что структура закаленной стали бывает трех основных видов: мартенситной, трооститной и сорбитной. От соотношения этих кристаллических образований и зависят механические характеристики. В данном случае неважно, какое из них и каким образом влияет на твердость. Результат зависит от того, насколько прогрет металл и как быстро он охлажден. Таким образом, поверхностная закалка может возникать при повышении температуры верхнего слоя и последующим охлаждением либо в результате отдачи тепла внешней среде (жидкости, чаще всего маслу, воде и рассолу, воздуху или другим агентам), либо за счет частичного ухода его внутрь изделия. При этом полиморфные превращения происходят послойно, в зависимости от степени достижения критической температуры, влияющей на формирование новой кристаллической структуры.
В итоге происходит изменение по следующим зонам:
- Верхняя, подвергшаяся упрочнению.
- Промежуточная, закаленная частично. Ее еще называют зоной термического влияния.
- Область пониженной твердости.
- Внутренняя часть, не подвергшаяся изменениям.
Методы поверхностной закалки
Создать верхний слой, обладающий повышенной твердостью, можно несколькими способами. Железнодорожные вагонные рессорные пружины просто обстреливаются мелкими металлическими шариками (дробью), создающими уплотнение поверхности, при этом внутренний объем металла остается достаточно пластичным, чтобы выдерживать длительные механические нагрузки. Наиболее древним считается способ быстрого нагрева предмета на открытом огне, сопровождающегося обрызгиванием или струйным обтеканием. Именно по такой технологии изготовляется традиционный восточный кривой нож (керамбит). Поверхностная закалка может производиться и посредством интенсивного охлаждения. Известны также газово-плазменный, индукционный, лазерный и другие способы. На некоторых из них стоит остановиться подробнее.
ТВЧ
В середине 30-х годов советский ученый В. П. Вологдин изобрел метод придания заданно-неравномерной молекулярной структуры крупным деталям с помощью токов высокой частоты. Машиностроение развивалось стремительно, промышленности требовались технологии, обеспечивающие массовое производство без ущерба для качества. Поверхностная закалка ТВЧ основана на явлении индукции. Особенность метода заключается в зависимости толщины прогреваемого слоя от частоты и величины тока в излучающей рамке. При этом результат с высокой степенью вероятности прогнозируем, следовательно, контроль качества существенно упрощается. К тому же метод применим для обработки габаритных изделий и узлов, наподобие коленвалов и других крупных предметов, которые можно перемещать по индуктору, последовательно подвергая воздействию всю длину. По этой технологии трудно подобрать параметры, чтобы обработать небольшие и плоские предметы, например, нож. Поверхностная закалка токами высокой частоты применима к изделиям относительно объемным, прочность и износостойкость которых зависит от механических свойств верхнего слоя.
Особенности применения метода ТВЧ
Метод разрабатывался в условиях быстрого развития машиностроительной отрасли, главной для оборонного потенциала СССР, что нашло проявление в специфике его применения. Самые важные детали тракторов, танков, автомобилей или самолетов имеют размеры, не позволяющие помещать их в рамку компактного индуктора, изготовлять оборудование для каждой из них было слишком дорого, а если его делать в расчете на наибольшие габариты, то затраты энергии становились огромными. Однако индукционная поверхностная закалка применяется для любых изделий, от относительно небольших до огромных. Например, шестерни подвергаются воздействию ТВЧ последовательно, проворачиваясь «зуб за зубом». Непрерывно-последовательно прогреваются элементы коленчатых и карданных валов, перемещаясь внутри неподвижной рамки индуктора, при этом охладитель (спрейер) включен в технологический процесс сразу же после него. В оконечном узле установки производится немедленное орошение обрабатываемой детали брызгами воды (отсюда и название, созвучное со «спрей»).
Ну а изделия с небольшой поверхностью закалки помещаются в индуктор целиком и охлаждаются так же.
Лазер
Это устройство, в наше время используемое достаточно широко в самых разных областях человеческой деятельности, нашло применение и в металлообработке. Метод не требует последующего охлаждения, поскольку воздействие луча кратковременно и влияет оно на самый верхний слой металла, вызывая желательные изменения кристаллической структуры. «Лазерная заточка» действительно обеспечивает длительно отсутствие потребности острить режущий инструмент (в основном для них и применяется), если при изготовлении его действительно применен этот метод. Однако следует учитывать, что в наш контрафактный век надпись на изделии не всегда соответствует истине. Иногда таким клеймом украшен и продающийся на уличном ларьке какой-нибудь дешевый нож-«бабочка». Поверхностная закалка лучом лазера – технология недешевая, она доступна лишь ведущим производителям инструмента.
Холод
Физической основой метода стало открытие явления повышения твердости стали в результате перехода аустенитной структуры в мартенситную при глубоком замораживании. Производится такая поверхностная закалка по методу, разработанному А. П. Гуляевым, Н. А. Минкевичем и С. С. Штенбергом в СССР. Применим он для углеродистой (содержащей свыше 0.5 процента С) и легированной стали специального назначения, например, произведенной для изготовления скоростных резцов и других особых инструментальных изделий.
Электронагрев
В общем и целом он построен на таком же принципе, как и индукционная закалка, с той лишь разницей, что нагрев производится резистивно, за счет проходящего тока больших значений и сопротивления детали. Частота подводимого напряжения точно так же влияет на глубину прогреваемого слоя, и чем она выше, тем он тоньше. Поверхность повышенной твердости может составлять от долей миллиметра до нескольких его единиц. Это зависит от требований, предъявляемых к изделию и его размеров. По сравнению с ТВЧ у электрорезистивного метода более широкий диапазон токов, температур и глубин слоев. С помощью его может изготовляться, например, столь массовый и требующий особого качества предмет, как солдатский штык-нож. Поверхностная закалка электронагревом требует технологически выверенного режима охлаждения в масле, воде или других теплопринимающих агентах.
Выводы
Итак, основной задачей поверхностной закалки является такое распределение кристаллической структуры внутри изделия, при котором внутри него остаются разновидности сорбита или троостита, а снаружи образуется слой мартенсита. Добиться этого можно нескольким методами, от простейших и древнейших до самых технологичных и современных. В любом случае качественная закалка стали требует высокой квалификации и точности соблюдения производственных регламентов. Изделие, изготовленное по всем правилам, дешевым быть не может. По этой причине стоит дорого и хороший кухонный нож, и керамбит. Поверхностная закалка лучом лазера наиболее распространена как раз для режущих инструментов.
fb.ru
Закалка стали
Закалка стали
Закалкой стали называется операция термической обработки, заключающаяся в нагреве её по крайней мере выше критической точки Ac1(T.e. до аустенито-ферритного, аустенитного или аустенито-цементитного), выдержке и последующем охлаждении в различных средах с целью получения при комнатной температуре неустойчивых продуктов распада аустенита, а следовательно, повышения твёрдости и прочности.
Для углеродистых сталей точка Ас1 соответствует линии на диаграмме «железо-цементит» и составляет 727°С, В связи с тем, что нагрев ниже этой температуры не приводит к изменению исходной отожженной структуры стали, последующее охлаждение с любой скоростью так же не изменяет ни структуры, ни свойств стали. Следовательно такая операция не является закалкой.
В большинстве случаев основная цель закалки - повышение твёрдости и прочности - достигается превращением аустенита в одну из самых прочных структур - мартенсит. Его образование требует быстрого охлаждения с температуры закалки.
Выбор температуры закалки.
В зависимости от температуры нагрева закалка может быть полной и неполной.
В случае, если нагрев производится выше линии GSE диаграммы (точки асз и Аcm), то полученная при этом однофазная структура аустенита при охлаждении со скоростью больше некоторой критической превращается в чистый мартенсит. Такую закалку называют полной.
При неполной закалке нагрев стали осуществляется выше линии РSК(точка Ac1), но ниже линии GSE. При этом в доэвтектоидных сталях образуется структура аустенит + феррит, а в заэвтектоидных - аустенит + цементит. В таком случае даже охлаждение с очень высокой скоростью не может обеспечить чисто мартенситной структуры, так как избыточные фазы (феррит или цементит) сохраняются в структуре без изменений, В результате в доэвтектоидных сталях получается структура мартенсит + феррит, а в заэвтектоидных – мартенсит + цементит.
Твёрдость мартенсита, представляющего собой пересыщенный твёрдый раствор углерода в -железе, зависит от содержания в нём углерода (рис 1). В среднеуглеродистых и высокоуглеродистых сталях она составляет 55…65 НRС или 550…680НВ.
Феррит одна из самых мягких и малопрочных фаз в сталях. Его твёрдость не превышает 80...100 НВ. Цементит же - весьма твёрдая фаза (около 1000 HV или более 700 НВ). Следовательно присутствие избыточного феррита в структуре закалённой стали резко снижает её твёрдость, в то время как цементит способствует получению более высокой твёрдости.
Рис. 1 Зависимость твёрдости мартенсита от содержания углерода в стали.
Таким образом, для доэвтектоидных сталей целесообразно производить полную закалку на чистый мартенсит, а для заэвтектоидных - неполную, которая кроме мартенсита сохраняет в структуре некоторое количество цементита. Для эвтектоидной стали возможна только полная закалка.
Следует иметь в виду, что нагрев стали при закалке до температур, значительно превышающих критические точки Ac3 и Аcm, вообще не желателен, так как может привести к сильному обезуглероживанию и окислению поверхности деталей, укрупнению зерна аустенита и увеличению внутренних напряжений. В итоге после закалки с таких температур твёрдость поверхности оказывается заниженной, наблюдается повышенная деформация детали, получающийся мартенсит имеет грубое строение и обладает повышенной хрупкостью.
Всё это позволяет придти к выводу, что в зависимости от состава стали её нагрев под закалку целесообразно осуществлять до температур, лежащих на 30... 50 0С выше линии GSK (рис 2)
Рис. 2. Оптимальный интервал температур нагрева под закажу углеродистых сталей.
Скорость охлаждения при закалке
Структура и свойства закаленной стали в большей степени зависят не только от температуры нагрева, но и от скорости охлаждения. Получение закалочных структур обусловлено переохлаждением аустенита ниже линии PSK, где его состояние является неустойчивым. Увеличивая скорость охлаждения, можно обеспечивать его переохлаждение до весьма низких температур и превратить в различные структуры с разными свойствами. Превращение переохлажденного аустенита может идти как при непрерывном охлаждении, так и изотермически, в процессе выдержки при температурах ниже точки Ar1 (т.е. ниже линии PSK).
Влияние степени переохлаждения на устойчивость аустенита и скорость его превращения в различные продукты представляют графически в виде диаграмм в координатах «температура-время». В качестве примера рассмотрим такую диаграмму для стали эвтектоидного состава (рис 3). Изотермический распад переохлажденного аустенита в этой стали происходит в интервале температур от Ar1 (727 °С) до Мн (250 °С), где Мн -температура начало мартенситного превращения. Мартенситное превращение в большинстве сталей может идти только при непрерывном охлаждении.
Рис.3 Диаграмма распада аустенита для стали эвтектоидного состава.
На диаграмме (см. рис 3) нанесены две линии, имеющие форму буквы «С», так называемые «С-кривые». Одна из них (левая) указывает время начало распада переохлажденного аустенита при разных температурах, другая (правая) - время окончания распада, В области, расположенной левее линии начала распада, существует переохлажденный аустенит. Между С-кривыми имеется как аустенит, так и продукты его распада. Наконец, правее линии конца распада существуют только продукты превращения.
Превращение переохлажденного аустенита при температурах от Ar1 до 550 0С называют перлитным. Если аустенит переохлажден до температур 550...Mн, - его превращение называется промежуточным.
В результате перлитного превращения образуются пластинчатые структуры перлитного типа, представляющие собой феррито-цементитные смеси различной дисперсности. С увеличением степени переохлаждения в соответствии с общими законами кристаллизации возрастает число центров. Уменьшается размер образующихся кристаллов, т.е. возрастает дисперсность феррито-цементитной смеси. Так если превращение происходит при температурах, лежащих в интервале Ar1...650°C, образуется грубая феррито-цементитная смесь, которую называют собственно перлитом. Структура перлита является стабильной, т.е. неизменяемой с течением времени при комнатной температуре.
Все остальные структуры, образующиеся при более низких температурах, т.е. при переохлаждениях аустенита, относятся к метастабильным. Так при переохлаждении аустенита до температур 650...590°С он превращается в мелкую феррито-цементитную смесь, называемую сорбитом.
При ещё более низких температурах 590... 550 °С образуется тростит -весьма дисперсная феррито-цементитная смесь. Указанные деления перлитных структур в известной степени условно, так как дисперсность смесей монотонно возрастает с понижением температуры превращения. Одновременно с этим возрастают твёрдость и прочность сталей. Так твёрдость перлита в эвтектовдной стали составляет 180...22- НВ (8...19 HRC), сорбита - 250...350 НВ (25...38 НRС), тростита - 400...450 НВ (43...48HRC).
При переохлаждении аустенита до температур 550...МН он распадается с образованием бейнита. Это превращение называется промежуточным, так как в отличие от перлитного оно частично идет по так называемому мартенситному механизму, приводя к образованию смеси цементита и несколько пересыщенного углеродом феррита. Бейнитная структура отличается высокой твёрдостью 450...550 НВ.
Рис.4 Диаграмма распада аустенита для доэвтектоидной (а) и заэвтектоидной (б) сталей.
На диаграммах распада аустенита для доэвтектоидных и заэвтектоидных сталей (рис.4.) имеется дополнительная линия, показывающая время начала выделения из аустенита избыточных кристаллов феррита или цементита. Выделение этих избыточных структур происходит только при небольших переохлаждениях. При значительном переохлаждении аустенит превращается без предварительного выделения феррита или цементита, В этом случае содержание углерода в образовавшейся смеси отличается от эвтектоидного.
В случае непрерывного охлаждения аустенита с различной скоростью его превращение развивается не при постоянной температуре, а в некотором интервале температур. Для того, чтобы определить структуры, получающиеся при непрерывном охлаждении, нанесём на диаграмму распада аустенита кривые скорости охлаждения образцов углеродистой эвтектоидной стали (рис.5.).
Из этой диаграммы видно, что при очень малой скорости охлаждения V1 которая обеспечивается охлаждением вместе с печью (например, при отжиге), получается структура перлита. При скорости V2 (на воздухе) превращение идёт при несколько более низких температурах. Образуется структура перлит, но более дисперсный. Такая обработка называется нормализацией и широко применяется для малоуглеродистых сталей (иногда и для среднеуглеродистых) взамен отжига в качестве смягчающей.
Рис.5. Кривые распада аустенита при непрерывном охлаждении эвтектоидной стали.
При скорости V3 (охлаждение в масле) превращение аустенита идёт при таких температурах, которые обеспечивают получение сорбитной структуры, а иногда и троститной.
Если аустенит охлаждать с очень большой скоростью (V4), то он переохлаждается до весьма низкой температуры, обозначенной на диаграммах, как Мн. Ниже этой температуры происходит бездиффузионное мартенситное превращение, приводящее к образованию структуры мартенсита. Для углеродистых сталей такую скорость охлаждения обеспечивает, например, вода
В общем случае минимальная скорость охлаждения, при которой весь аустенит переохлаждается до температуры Мн и превращается в мартенсит, называется критической скоростью закалки. На рис.5, она обозначена, как Vкр и является касательной к С-кривой. Критическая скорость закалки - важнейшая технологическая характеристика стали. Она определяет выбор охлаждающих сред для получения мартенситной структуры.
Величина критической скорости закалки зависит от химического состава стали и некоторых других факторов. Так, например, у некоторых легированных сталей даже охлаждение на воздухе обеспечивает скорость больше критической.
При закалке на мартенсит необходимо учитывать, что эта структура имеет большой удельный объём и её образование сопровождается как заметным увеличением объёма закаливаемого изделия, так и резким увеличением внутренних напряжений, которые в свою очередь приводят к деформации или даже к образованию трещин. Всё это в сочетании с повышенной хрупкостью мартенсита требует проведения дополнительной термической обработки закалённых деталей - операции отпуска.
Также по теме:
Отпуск стали. Термообработка, обычно проводящаяся после закалки.
Свойства легированных сталей. Структура, свойства и применение.
svarder.ru
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;
- 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 <1 мкм и шириной 5-10 мкм, а также из тонких частиц цементита. Структура верхнего бейнита отличается более высокой твердостью и прочностью, но пониженной пластичностью. Нижний бейнит имеет игольчатое мартенситоподобное строение, образуется в интервале 350-200 °С. Нижний бейнит состоит из тонких частиц ε-карбидов, расположенных в пластинках феррита. Бейнитное превращение никогда не идет до конца. В структуре всегда есть мартенсит и остаточный аустенит. Более предпочтительной, в плане эксплуатационных характеристик, является структура нижнего бейнита. Изделия с такой структурой используются в вагоностроении, в деталях испытывающих ударно-растягивающие напряжения. Технология закалки на бейнит требует специального закалочного оборудования. Дополнительные материалы по этой технологии можете найти в статье "Технология закалки на бейнит".
Обработка холодом (5) применяется для сталей, у которых температура конца мартенситного превращения Мк находится ниже комнатной температуры.
Обработке холодом подвергают быстрорежущие стали, цементованные детали, мерительные инструменты, и другие особо точные изделия. Подробнее про этот нестандартный способ термообработки можете прочитать в статье "Обработка холодом стальных деталей"
Зависимость твердости мартенсита от содержания углерода
Твердость стали после закалки зависит от твердости мартенсита, которая в свою очередь зависит от содержания углерода. С увеличением содержания углерода увеличивается и твердость после закалки стали. Графическая зависимость приведена на рисунке.
График зависимости твердости мартенсита от содержания углерода
heattreatment.ru
Закалка (сталей) - это... Что такое Закалка (сталей)?
Зака́лка — вид термической обработки изделий из металлов и сплавов, заключающийся в их нагреве выше критической температуры (температуры изменения типа кристаллической решетки, т.е. полиморфного превращения), с последующим быстрым охлаждением, как правило, в жидкости (воде или масле).
Различают закалку с полиморфным превращением, для сталей, и закалку без полиморфного превращения, для большинства цветных металлов.
Материал, подвергшийся закалке приобретает бо́льшую твердость, но становится хрупким, менее пластичным и вязким. Для снижения хрупкости и увеличения пластичности и вязкости, после закалки с полиморфным превращением применяют отпуск. После закалки без полиморфного превращения применяют старение. При отпуске имеет место некоторое снижение твердости и прочности материала.
В зависимости от температуры нагрева, закалку подразделяют на полную и неполную. В случае полной закалки материал нагревают выше линии GSE (см. диаграмму железоуглеродистых сплавов), в этом случае сталь приобретает структуру аустенит. При неполной закалке производят нагрев выше линии PSK диаграммы, что приводит к образованию избыточных фаз по окончанию закалки. Неполная закалка, как правило, применяется для инструментальных сталей
Закалка снимается отжигом материала.
В некоторых изделиях закалка выполняется частично, например при изготовлении японских катан, закалке подвергается только режущаяя кромка меча. Такая обработка оставляет на металле хамон — видимую границу между закаленным и незакаленным металлом.
Закалочные среды
При закалке для переохлаждения аустенита до температуры мартенситного превращения требуется быстрое охлаждение, но не во всём интервале температур, а только в пределах 650-400° С, то есть в том интервале температур в котором аустенит менее всего устойчив, быстрее всего превращается в феритно-цементитную смесь. Выше 650° С скорость превращения аустенита мала, и поэтому смесь при закалке можно охлаждать в этом интервале температур медленно, но, конечно, не настолько, чтобы началось выпадение феррита или превращение аустенита в перлит.
Механизм действия закалочных сред (вода, масло, водополимерная закалочная среда(Термат), а также охлаждение деталей в растворах солей) следующий. В момент погружения изделия в закалочную среду вокруг него образуется плёнка перегретого пара, охлаждение происходит через слой этой паровой рубашки, то есть относительно медленно. Когда температура поверхности достигает некоторого значения (определяемого составом закаливающей жидкости), при котором паровая рубашка разрывается, то жидкость начинает кипеть на поверхности детали, и охлаждение происходит быстро.
Первый этап относительно медленного кипения называется стадией плёночного кипения, второй этап быстрого охлаждения - стадией пузырчатого кипения. Когда температура поверхности металла ниже температуры кипения жидкости, жидкость кипеть уже не может, и охлаждение замедлится. Этот этап носит название конвективного теплообмена.
Способы закалки
- Закалка в одном охладителе - нагретую до определённых температур деталь погружают в закалочную жидкость, где она остаётся до полного охлаждения. Этот способ применяется при закалке несложных деталей из углеродистых и легированных сталей.
- Прерывистая закалка в двух средах - этот способ применяют при закалке высокоуглеродистых сталей. деталь сначала быстро охлаждают в быстро охлаждающей среде (например воде), а затем в медленно охлаждающей (масло).
- Струйчатая закалка заключается в обрызгивании детали интенсивной струёй воды и обычно её применяют тогда, когда нужно закалить часть детали. При этом способе не образуется паровая рубашка, что обеспечивает более глубокую прокаливаемость, чем простая закалка в воде. Такая закалка обычно производится в индукторах на установках ТВЧ.
- Ступенчатая закалка - закалка, при которой деталь охлаждается в закалочной среде, имеющей температуру выше мартенситной точки для данной стали. При охлаждении и выдержке в этой среде закаливаемая деталь должна приобрести во всех точках сечения температуру закалочной ванны. Затем следует окончательное, обычно медленное, охлаждение, во время которого и происходит закалка, т.е. превращение аустенита в мартенсит.
- Изотермическая закалка. В отличии от ступенчатой при изотермической закалке необходимо выдерживать сталь в закалочной среде столько времени, чтобы успело закончиться изотермическое превращение аустенита.
Источники
- БСЭ
- А.П. Гуляев "Металловедение" Москва Издательство "Металлургия" 1977
Wikimedia Foundation. 2010.
dic.academic.ru
Закалка стали. Закалка металла. Виды закалки. Температура закалки. Закаливаемость. Прокаливаемость. Критический диаметр.
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.
Способы закалки. Способы закалки стали. Виды закалки стали. Технология закалки стали. Режимы закалки сталей.
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.
Термическая обработка металла. Термическая обработка металлов и сплавов. Виды термической обработки металлов. Виды термообработки.
По температуре нагрева различают виды закалки:
1. Полная закалка, с температурой нагрева на 30…50oС выше критической температуры Аc3:
Тн = Ас3 + (30..50)о С
Применяют ее 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:
2. Неполная с температурой нагрева на 30…50 oС выше критической температуры А1:
Тн = А1 + (30..50)о С
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.
Отжиг стали. Отжиг второго рода. Полный отжиг. Неполный отжиг. Полный и неполный отжиг. Изотермический отжиг.Отжиг стали. Отжиг первого рода. Диффузионный отжиг. Отжиг рекристаллизационный. Отжиг для снятия напряжений.
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.
Нормализация стали. Температура нормализации стали. Процесс нормализации стали.
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.
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.
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.
Превращения в стали. Промежуточное превращение. Бейнит.Превращения в стали. Превращение аустенита в перлит. Диаграмма изотермического превращения аустенита.
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.
Превращения в стали. Превращение мартенсита в перлит. Мартенсит отпуска. Троостит отпуска. Сорбит отпуска.Превращения в стали. Мартенситное превращение. Мартенсит. Мартенсит структура. Критическая скорость закалки.
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 менее 0,20 % 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).
www.mtomd.info
Виды закалки металла
По способу охлаждения различают следующие виды закалки.
Закалка в одной среде
Такая закалка проще по выполнению, но не для любой стали и не для любых изделий ее можно применять.
Быстрое охлаждение в большом интервале температур изделий переменного сечения способствует возникновению температурной неравномерности и больших внутренних напряжений, называемых термическими.
Помимо термических напряжений, при превращении аустенита в мартенсит создаются дополнительно так называемые структурные напряжения, связанные с тем, что превращение аустенита в мартенсит происходит с увеличением объема.
Если деталь сложной формы или переменного сечения, то увеличение объема проходит неравномерно и вызывает возникновение внутренних напряжений.
Наличие больших напряжений может вызвать коробление изделия, поводку, а иногда и растрескивание, если величина внутренних напряжений превзойдет предел прочности.
Чем больше углерода, тем больше объемные изменения и структурные напряжения, тем больше опасность возникновения трещин.
Сталь с содержанием углерода более 0,8% закаливают в одной среде, если изделия простой формы (шарики, ролики и т.д.). В противном случае предпочитают закалку либо в двух средах, либо по способу ступенчатой закалки.
Закалка в двух средах
Этот способ нашел широкое применение для закалки инструмента из высокоуглеродистой стали.
Состоит он в следующем:
деталь вначале замачивают в воде и охлаждают до температур 500—550°,
затем быстро переносят в масло, где оставляют до полного охлаждения.
Ступенчатая закалка
При этом способе деталь быстро охлаждается погружением в соляную ванну с температурой 300—250°. Выдержка при этой температуре в течение 1,5—2 мин. должна обеспечить выравнивание температур по всему сечению изделия, устраняя тем самым термические внутренние напряжения. Последующее охлаждение производят на воздухе.
В качестве охлаждающей среды используют расплавленные соли, селитры, легкоплавкие металлы.
Ступенчатая закалка уменьшает внутренние напряжения, коробление и возможность растрескивания деталей.
Недостатки ступенчатой закалки
Недостаток этого вида закалки в том, что охлаждение в горячих средах не может обеспечить большую скорость охлаждения в интервале 400—600°.
В связи с этим ступенчатую закалку для углеродистой стали можно применять для изделий небольшого сечения (диаметр до 10 мм, например, сверла).
Для легированных сталей, имеющих небольшие значения критической скорости закалки, ступенчатая закалка применима к изделиям большего сечения.
Закалка с подстуживанием
При таком способе деталь вынимают из печи и перед погружением в охлаждающую жидкость некоторое время выдерживают на воздухе. Время выдержки на воздухе должно быть таким, чтобы не произошел
распад на структуру перлита или сорбита. Это время определяется практикой закалки.
Подстуживание уменьшает внутренние напряжения и коробление и применяется для тонких и длинных деталей.
Поверхностная закалка стали
От некоторых деталей в эксплуатации требуется высокая поверхностная твердость при сохранении достаточно вязкой сердцевины, например зуб шестерни, шейка коленчатого вала и др.
В этом случае сталь сознательно закаливают на небольшую глубину. Существует несколько методов поверхностной закалки стали.
Поверхностная закалка при нагреве ацетилено-кислородным пламенем
Нагрев изделия производится ацетилено-кислородным пламенем. Пламенная горелка (рис. 67), движущаяся вдоль изделия с определенной скоростью, нагревает его поверхность.
Вслед за горелкой с той же скоростью движется трубка, подающая воду, с помощью которой производится охлаждение изделия.
Глубина прогрева и температура нагрева регулируются скоростью перемещения горелки и расстоянием горелки от изделия.
Поверхностная закалка токами высокой частоты
Нагрев изделий токами высокой частоты вызывает разогрев поверхностного слоя изделия.
Это объясняется тем, что токи высокой частоты распространяются с неравномерной плотностью по сечению. Чем больше частота тока, тем на меньшую глубину изделия токи проникают.
Благодаря этому возникает большая плотность тока у поверхности изделия, вызывающая весьма быстрый разогрев поверхностных слоев металла.
Этот метод имеет ряд преимуществ: высокую производительность, достаточную легкость регулирования глубины закаленного слоя, получение большей твердости, чем при обычных методах закалки, отсутствие окалины и коробления.
Применяемый для этой цели электрический ток получают от специальных генераторов, дающих переменный ток с частотой до 10 млн. гц (т.е. перемен направления тока в секунду). Ток городской сети имеет частоту 50 гц.
Нагрев изделия осуществляется индуктором, по которому проходят токи высокой частоты и большой силы.
Индуктор наводит (индуктирует) токи в изделии, помещенном внутри него (рис. 68).
Индуктор изготовляют из полых медных трубок, внутри которых циркулирует охлаждающая вода, поэтому он сам не разогревается за тот короткий промежуток времени, за который деталь успевает нагреться до необходимой температуры.
Форма индуктора должна точно повторить форму изделия, только тогда изделие закалится да одну и ту же глубину по всему сечению. Затруднения бывают при сложной форме детали, что ограничивает применение этого метода.
Охлаждение нагретой детали осуществляется чаще всего либо дополнительным дождевым устройством, либо водой, циркулирующей внутри индуктора.
В связи с тем что новый тип детали требует изготовления нового индуктора, этот метод целесообразно применять при наличии однотипных деталей в массовом или крупносерийном производстве.
§
www.conatem.ru
