Основные способы поверхностной закалки стали. Способы закалки стали
14.9. Способы закалки сталей. Дефекты, возникающие при закалке
Способы закалки сталей. Основные способы закалки стали – закалка в одном охладителе, в двух средах, струйчатая, с самоотпуском, ступенчатая и изотермическая.
Закалка в одном охладителе. Деталь, нагретую до температуры закалки, погружают в закалочную жидкость, где она находится до полного охлаждения. Детали из углеродистых сталей охлаждают в воде, а детали из легированных сталей – в масле. Высокоуглеродистые стали закаливают с подстуживанием, это уменьшает внутренние напряжения в деталях и исключает образование трещин.
Закалка в двух средах, или прерывистая закалка (рис. 4.27). Деталь сначала охлаждают в быстро охлаждающей среде – воде, а затем переносят её в медленно охлаждающую среду – масло. Такой способ применяется при закалке инструмента, изготовленного из высокоуглеродистой стали.
Рис. 4.27. Способы охлаждения при закалки сталей: 1 – непрерывное охлаждение; 2 – закалка в двух средах; 3 – ступенчатая закалка; 4 – изотермическая закалка
Струйчатая закалка. Детали, нагретые до температуры закалки, охлаждают струёй 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 определённой 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.
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 твёрдость, 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 объёмных превращений и возникновения внутренних напряжений при охлаждении.
Обезуглероживание инструмента при нагреве в электрических печах и жидких средах (соляных ваннах) – серьёзный дефект при закалке, т.к. он в несколько раз снижает стойкость инструмента.
Мягкие пятна. При закалке на поверхности детали или инструмента образуются участки с пониженной твёрдостью. Причинами такого дефекта могут быть наличие на поверхности деталей окалины и загрязнении, 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.
Причинами низкой твёрдости 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 приводит к образованию крупнозернистой структуры, что 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 Ас3 (для доэвтектоидных сталей) и Ас1 (для заэвтектоидных сталей), то структура закаленной стали будет состоять из мартенсита и зерен феррита, который имеет низкую твёрдость. Недогрев можно исправить отжигом с последующей закалкой.
studfiles.net
Основные способы поверхностной закалки стали
На сегодняшний день, в промышленном производстве применяются следующие способы поверхностной закалки сталей:
- Закалка токами высокой частоты
- Пламенная поверхностная закалка стали
- Плазменная закалка
- Лазерная закалка стали
- Поверхностная закалка в электролите
- Электроконтактная закалка
- Импульсная закалка
Плазменная закалка стали - это отдельная тема, которая будет рассмотрена нами в следующих статьях, а что касается двух последних способов, то данные технологии достаточно простые и узконаправленные. Все описания данных технологий находятся в сети в свободном доступе и с ними можно ознакомиться.
Далее мы приведем краткое описание и ссылки на основные технологии поверхностной закалки сталей, которые применяются в промышленности, а на закалке в электролите остановимся подробнее.
Основные способы поверхностной закалки сталей
- Поверхностная индукционная закалка сталей - основана на размещении изделия вблизи источника переменного тока - индуктора. При этом, на металл оказывает воздействии электромагнитное поле, которое возбуждает в металле электродвижущую силу и вызывает прохождение по нему переменного тока с такой же частотой, как и ток индуктора. Ток индуцируется в поверхностном слое детали и вызывает его разогрев.
- Пламенная или газопламенная закалка металла. Основана на разогреве поверхности металла газовым пламенем. При таком способе закалки получают закаленные слои глубиной 2-4,5 мм.
- Лазерная закалка - основана на использовании лазерного излучения, которое создает на участке поверхности высокие плотности теплового поля. При лазерной закалке обычно получают слой менее 1 мм.
Поверхностная закалка в электролите
Способ закалки в электролите был предложен И. З. Ясногорским. Он основан на пропускании электрического тока напряжением 200-300 вольт через электрическую цепь с анодом (закалочная ванна) и катодом (закаливаемая деталь) в растворе электролита. В качестве электролита применяют 5-16% раствор кальцинированной соды (Na2CO3), 10% раствор поваренной соли (NaCl), может применяться раствор карбоната калия (K2CO3) или едкий натр (NaOH).
Во время процесса, на поверхности детали образуется пароводородная рубашка с максимальным электрическим сопротивлением, которая разогреваясь до почти 1500°C, разогревает деталь до температуры закалки. Непосредственно саму закалку можно осуществлять в том же электролите или другой закалочной среде. Можно использовать закалку в двух средах. Время закалки составляет примерно 5-10 секунд.
В принципе, при постоянном составе электролита и характеристиках тока, процесс можно считать управляемым. Однако, в некоторых случаях после закалки, на поверхности изделия может получаться неравномерная твердость (мягкие пятна). Такие несплошности являются следствием неравномерной плотности тока или неравномерного охлаждения. В связи с этим, в 1977 году было предложено во время нагрева под закалку пропускать через систему ультразвук. По мнению авторов, ультразвук должен выравнивать тепловое поле во время нагрева. Данный способ был запатентован в 1980 году в СССР.
Способы закалки - Закалка с полиморфным превращением - Закалка
Так как нет такой закаливающей среды, которая давала бы быстрое охлаждение в интервале температур 650 — 400 °С и медленное охлаждение выше и главным образом ниже этого интервала, то применяют различные способы закалки, обеспечивающие необходимый режим охлаждения.
Закалка через воду в масло
Закалка через воду в масло (закалка в двух средах):
1 — нормальный режим; 2 — недодержка в воде; 3 — передержка в воде.
Для уменьшения скорости охлаждения в мартенситном интервале применяют закалку в двух средах. Вначале деталь погружают в воду и после короткой выдержки в воде переносят в масло. Поэтому такой способ закалки называют закалкой через воду в масло.
Быстрое охлаждение вводе предотвращает перлитное превращение, а последующее замедленное охлаждение в масле уменьшает закалочные напряжения в мартенситном интервале. Наиболее ответственный момент — выдержка в воде, продолжительность которой устанавливают для каждого конкретного изделия. И передержка, и недодержка в воде могут привести к браку.
При недодержке в воде происходит частичный или полный распад аустенита и получается заниженная твердость, а при передержке возникают более сильные закалочные напряжения, которые могут привести к короблению и образованию трещин.
Несмотря на указанные недостатки, закалку через воду в масло широко применяют в производстве режущего инструмента из углеродистой стали (углеродистая сталь обладает небольшой прокаливаемостью, и режущий инструмент из нее нельзя закаливать в масле).
Закалка в воде и горячих средах
Закалка в воде и горячих средах:
1 — закалка в воде; 2 — ступенчатая закалка; 3 — изотермическая закалка.
Другой способ уменьшения скорости охлаждения в мартенситном интервале — ступенчатая закалка. Нагретое до температуры закалки изделие быстро погружают в ванну с горячей средой, а затем после некоторой выдержки выдают на воздух или погружают в холодное масло. Впервые закалка в горячей среде была описана Д. К. Черновым.
В 1885 г. в известном докладе «О приготовлении стальных бронепробивающих снарядов» Д. К. Чернов сообщил, что снарядная сталь при закалке в расплаве свинца с оловом приобретает такую же твердость, как и при закалке в холодной воде. При выборе режима ступенчатой закалки помогает С-диаграмма. Температуру горячей среды (температуру «ступеньки») выбирают вблизи мартенситной точки (на 20 — 30 °C выше нее) в области высокой устойчивости переохлажденного аустенита.
Время выдержки в горячей среде (длина «ступеньки») должно быть меньше инкубационного периода при соответствующей температуре. Ступенчатая закалка более проста в исполнении, чем закалка через воду в масло, и дает более стабильные результаты.
Другое важное преимущество ступенчатой закалки — выравнивание температуры по сечению изделия при выдержке в горячей среде. Мартенситное превращение после этой выдержки происходит при медленном охлаждении и одновременно по всему объему, в результате чего уменьшаются закалочные напряжения.
Наконец, весьма существенное преимущество — то, что сталь при температуре «ступеньки» находится в аустенитном состоянии. После извлечения из горячей среды изделие некоторое время пластично, и его можно править для устранения коробления.
Это особенно ценно для тонких и длинных изделий, при закалке которых даже в горячей среде неизбежно коробление. Часто используют правку вручную, но наилучшие результаты дает правка под прессом. Правка может продолжаться при охлаждении ниже точки Мн, так как непосредственно в момент мартенситного превращения (но не после его окончания) пластичность повышена.
Основной недостаток ступенчатой закалки — малая скорость охлаждения в горячей среде. Поэтому применение ступенчатой закалки к углеродистым сталям ограничено изделиями небольшого сечения (до 8 — 10 мм толщиной).
Изделие большого сечения охлаждается в горячей среде медленно, и аустенит успевает претерпеть эвтектоидный распад. Изделия из легированных сталей, у которых меньше критическая скорость охлаждения, проще подвергать ступенчатой закалке. Так, например, ступенчатой закалкой широко пользуются при обработке инструментов и деталей машин из хромистой стали (ШХ16, ХВГ и 9ХС).
Разновидностью ступенчатой закалки является закалка в горячей среде, температура которой несколько ниже мартенситной точки. Более низкая температура «ступеньки» обеспечивает большую прокаливаемость, а так как количество мартенсита еще невелико, то основные преимущества ступенчатой закалки сохраняются. Но править изделие при этом уже нельзя.
При ступенчатой закалке используют три группы горячих сред: минеральные масла, расплавы селитр и расплавы щелочей.
Если длина «ступеньки», находящейся в температурном интервале бейнитного превращения, больше времени изотермического распада аустенита, то операцию термообработки называют изотермической или бейнитной закалкой. Бейнитное превращение является промежуточным между перлитным и мартенситным (смотрите Бейнитное превращение).
Сталь со структурой нижнего бейнита по механическим свойствам ближе к закаленной на мартенсит, чем к стали с перлитной структурой. При бейнитном превращении происходит мартенситная γ → α-перестройка. По способу практического осуществления рассматриваемый процесс мало отличается от ступенчатой закалки. Поэтому его относят к закалке с полиморфным превращением.
Изотермическую закалку проводят в тех же горячих средах, что и ступенчатую. Время выдержки в горячей среде должно быть больше времени изотермического превращения аустенита, и его можно ориентировочно выбрать, руководствуясь С-диаграммой. Изотермической закалке можно подвергать изделия небольшого сечения, так как в горячей среде охлаждение идет медленно.
При выдержке в горячей среде температура по сечению изделия успевает выровняться еще в большей степени, чем при ступенчатой закалке.
Резкое уменьшение закалочных напряжений и коробления — важное преимущество изотермической закалки.
Кроме уменьшения закалочных напряжений, у изотермической закалки есть и другое преимущество. При одинаковой твердости вязкость нижнего бейнита больше, чем у стали, отпущенной после закалки на мартенсит.
Одной из причин этого считают более однородное распределение карбидных частиц в бейните. При бейнитном превращении в некоторых легированных сталях сохраняется большое количество остаточного аустенита, который не превращается в мартенсит при охлаждении после изотермической выдержки.
Изотермическая закалка таких сталей обеспечивает высокую ударную вязкость, резко уменьшает чувствительность к надрезу и перекосам по сравнению с закаленной на мартенсит и отпущенной сталью. Следовательно, изотермическая закалка позволяет повысить конструктивную прочность стали.
Ниже сравниваются свойства стали 30ХГС после обычной закалки с отпуском и изотермической закалки:
| σв, кгс/мм2 | σ0,2, кгс/мм2 | ан, кгс * м/см2 | |
| Закалка с 880 °С в воде + отпуск при 520 °С | 110 | 85 | 4,5 |
| Изотермическая закалка с 880°С в селитре при 300 °С | 165 | 130 | 6 |
«Теория термической обработки металлов»,И.И.Новиков
Режим охлаждения при закалке должен прежде всего обеспечить необходимую глубину прокаливаемости. С другой стороны, режим охлаждения должен быть таким, чтобы не возникали сильные закалочные напряжения, приводящие к короблению изделия и образованию закалочных трещин. Закалочные напряжения складываются из термических и структурных напряжений. При закалке всегда возникает перепад температур по сечению изделия. Разная величина термического сжатия наружных…
Во многих сталях мартенситный интервал (Мн — Мк) простирается до отрицательных температур (смотрите рисунок Зависимость температур). В этом случае в закаленной стали содержится остаточный аустенит, который можно дополнительно превратить в мартенсит, охлаждая изделие до температур ниже комнатной. По существу такая обработка холодом (предложена в 1937 г. А. П. Гуляевым) продолжает закалочное охлаждение, прерванное при комнатной…
Многие изделия должны иметь высокую поверхностную твердость, высокую прочность поверхностного слоя и вязкую сердцевину. Такое сочетание свойств на поверхности и внутри изделия достигается поверхностной закалкой. Для поверхностной закалки стального изделия необходимо нагреть выше точки Аc3 только поверхностный слой заданной толщины. Этот нагрев должен совершаться быстро и интенсивно, чтобы сердцевина вследствие теплопроводности также не прогрелась до…
Сквозной нагрев под закалку Превращения в стали при нагревании описаны в Образовании аустенита при нагревании. Температуры нагрева под закалку углеродистых сталей можно выбрать по диаграмме состояния. Доэвтектоидные стали закаливают с температур, превышающих точку А3 на 30 — 50 °С. Наследственно мелкозернистая сталь допускает более высокий нагрев. При перегреве наследственно крупнозернистой стали закалка дает структуру крупноигольчатого…
Прокаливаемость и критическая скорость охлаждения При закалке на мартенсит сталь должна охлаждаться с закалочной температуры так, чтобы аустенит, не успев претерпеть распад на ферритокарбидную смесь, переохладился ниже точки Мн. Для этого скорость охлаждения изделия должна быть выше критической. Критическая скорость охлаждения (критическая скорость закалки) — это минимальная скорость, при которой аустенит еще не распадается на…
www.ktovdome.ru
Способы закалки стали
Закалка стали представляет собой процесс термической обработки стали, который заключается в её нагреве выше критической температуры, и быстрым её охлаждением, в результате чего образуется неравновесная структура стали.
Процесс закалки стали применяется для повышения её прочности и твёрдости.
Давайте рассмотрим основные способы закалки стали.
Закалка стали в одном охладителе.
Данный способ один из наиболее применимых на производстве, и заключается в нагреве детали до температуры закалки и её охлаждения в одном общем охладителе.
При охлаждении детали в жидком охладителе, деталь в жидкости перемещают в вертикальном направлении или же специальными круговыми движениями.
Кроме этого для равномерного охлаждения используют циркуляцию охлаждающей жидкости.
В случаях закалки не всей детали проводят, так называемую местную закалку, при этом в охлаждающую жидкость погружается только та часть детали, которая должна пройти процедуру закаливания, или же процесс охлаждения может, осуществляется под охлаждающими струями.
Закалка стали с подструживанием.
Данный способ закалки заключается в следующем. На промежутке между выниманием детали из печи и погружением в охлаждающую жидкость, она некоторое время держится на воздухе, так сказать подстуживается. При проведении процедуры подстуживания закаляющаяся деталь не должна остыть ниже критической точки. Применение подстуживания уменьшает внутренние напряжение и коробление стальных деталей.
Закалка стали в средах.
Данный способ закаливания заключается в том, что деталь для начала охлаждают до 300-400 градусов в воде (сильный охладитель), после чего переносят в среду слабого охладителя, масло. Данный способ закалки направлен на предотвращение аустенита в мартенсит.
Ступенчатая закалка стали.
Данный вид закаливания заключается в том, что сталь нагревают до температуры закаливания, после чего охлаждают в расплавленных солях, которые имеют температуру более высокую, нежели температура начала мартенситного превращения для данного вида стали. По истечении определённого времени, стальная деталь вынимается из данной среды, и процесс охлаждения продолжается на воздухе.
Изотермическая закалка стали.
Данный вид закаливания широко применим на производственных предприятиях. Изотермическая закалка заключается в охлаждении нагретых стальных деталей в специальных соляных ваннах, при этом температура данных ванн должна быть в пределах 250-400 градусов.
После истечении определённого времени сталь продолжает остывать на воздухе.
Основным недостатком данного способа является малая стойкость тиглей.
Где можно поулчить быстрые займы на карту?
Читайте так же:
Изготовление отвода стального оцинкованного
Подбор профнастила для крыши
www.junona-2.ru
