Краткие теоретические сведения. Закалка – основной упрочняющий способ термической обработки конструкционных и

Закалка – основной упрочняющий способ термической обработки конструкционных и инструментальных сталей.

Закалкой называется термическая операция, связанная с нагревом стали выше температуры фазовых превращений, выдержкой и последующим быстрым охлаждением (в каком-либо охладителе).

Цель закалки – придание стали высокой твердости и прочности путем образования неравновесных структур: мартенсита или бейнита (игольчатого троостита).

Основными технологическими свойствами при закалке стали являются закаливаемость и прокаливаемость. Закаливаемость – свойство стали приобретать высокую твердость в результате закалки. Прокаливаемость – свойство стали воспринимать закалку на определенную глубину от поверхности.

Выбор температуры нагрева при объемной закалке углеродистых сталей производится по диаграмме состояния железоуглеродистых сплавов (рис. 4.1).

Доэвтектоидные стали нагревают до температуры на 30 – 50°С выше критической точки А₃, т. е. выше линии GS диаграммы. При таком нагреве исходная ферритно-перлитная структура превращается в аустенит, происходит полная пере­кристаллизация стали. Охлаждение со скоростью больше критической приводит к мартенситному превращению (А ® М). Такая закалка называется полной.

Эвтектоидные и заэвтектоидные стали подвергают неполной закалке, т. е. нагревают до температуры на 30 – 50°С выше критической точки A₁ (линия PSK диаграммы). Эта температура постоянная, и интервал значений температуры для закалки будет 760 – 780°С.

Нагрев углеродистых сталей выше указанных значений температуры (А₃ и A₁) приводит к росту зерна аустенита. Однако для легированных сталей, содержащих специальные карбиды, температура нагрева под закалку намного превышает критические точки. Это обусловлено необходимостью растворения карбидов в аустените, что снижает критическую скорость закалки, повышает
прокаливаемость, увеличивает устойчивость мартенсита к отпуску.

Определение времени нагрева и выдержки для прогрева стали по сечению и гомогенизации аустенита указано в [1, с. 287 – 290; 2, с. 199 – 204].

Скорость охлаждения стали после нагрева и выдержки оказывает решающее влияние на результат закалки. Режим охлаждения должен быть таким, чтобы не возникали большие напряжения, приводящие к короблению изделия и образова­нию закалочных трещин. Эти напряжения складываются из термических и структурных.

При закалке углеродистых и некоторых низколегированных сталей в качестве охлаждающей среды применяют воду и водные растворы. Холодная вода – самый дешевый и интенсивный охладитель. К недостаткам этой охлаждающей среды относится образование «паровой рубашки». Кроме того, с повышением температуры воды резко снижается ее охлаждающая способность. Увеличение охлаждающей способности воды достигается при использовании струйного или душевого (спрейерного) охлаждения. Для крупногабаритных изделий (рельсы, трубы и т. п.) применяется водовоздушная охлаждающая среда – смесь воды с воздухом, подаваемая в камеру под давлением через форсунки (водяной туман).

Для легированных сталей при закалке применяют минеральное масло. Оно не изменяет охлаждающую способность при нагреве (20 – 150°С), не образует «паровую рубашку». Перепад температуры между поверхностью и центром изделия при закалке в масле меньше, чем при охлаждении в воде, а следовательно, меньше термические напряжения. Недостатками масла как охладителя при закалке явля­ются образование пригара на поверхности изделия, потеря с течением времени закаливающей способности (загустевшее масло требует замены), легкая загораемость.

4.1.1. Закалка в одном охладителе

Изделия из печи по конвейеру (транспортеру) поступают в закалочный бак с охлаждающей средой, где и находятся до полного охлаждения (рис. 4.2).

Этот способ применяется для изделий простых форм, изготовленных из углеродистых (охлаждение в воде) и легированных (охлаждение в масле) сталей, и является простым и наиболее распространенным способом как в единичном, так и в массовом производстве. Недостатком его является то, что в результате большой разницы значений температуры нагретого металла и охлаждающей среды в закаленной стали наряду со структурными возникают большие термические напряжения, вызывающие коробление детали, появление трещин и других дефектов.

4.1.2. Прерывистая закалка в двух охладителях

Изделие сначала охлаждают быстро до 400 – 300°С в воде, а затем для окончательного охлаждения переносят в масло – «через воду – в масло». В мартенситном интервале температуры сталь охлаждается более медленно, что способствует уменьшению закалочных напряжений (рис. 4.3).

4.1.3. Ступенчатая закалка

Нагретое изделие охлаждается погружением в ванну с температурой закалочной среды (расплавленные соли, селитры, щелочи) немного выше температуры начала мартенситного превращения (на 20 – 30°С выше точки М_н) для данной стали. После выдержки, необходимой для выравнивания температуры по сечению, изделие охлаждают на воздухе. Продолжительность выдержки определяется по С-образной диаграмме и строго контролируется, чтобы не произошло промежуточного превращения аустенита (рис. 4.4). Изотермическая выдержка для выравнивания температуры по сечению способствует снижению термических напряжений, а охлаждение на воздухе – структурных. Основное достоинство ступенчатой закалки – получение мартенситной структуры при
минимальных закалочных напряжениях.

4.1.4. Изотермическая закалка

В отличие от ступенчатой изотермическая закалка обеспечивает не мартенситную, а бейнитную структуру. Ее целесообразно применять для деталей из легированных сталей, склонных к короблению и образованию трещин. Так же, как и при ступенчатой закалке, охлаждение проводится в соляных ваннах с температурой на 20 – 30°С выше точки мартенситного превращения М_н. Детали выдерживают в ванне в течение времени, необходимого для полного распада аустенита. При этом происходит превращение с образованием бейнита (игольчатого троостита). После изотермической выдержки и окончания превращения детали охлаждают на воздухе. Структура стали – бейнит, твердость – 45 – 55 HRC. Повышаются конструктивная прочность (на 25 – 30 %) и ударная вязкость (рис. 4.5).

Нагрев сталей в жидких средах, не вызывающих окисления, и охлаждение в расплавах щелочей позволяют получить без очистки или травления чис
тую поверхность изделий светло-серого цвета. Такую закалку называют светлой.

4.1.5. Закалка с самоотпуском

Охлаждение изделия, нагретого под закалку, ведут не до полного охлаждения, затем извлекают из охладителя. За счет тепла внутренних слоев верхний охлаждающий слой разогревается до 200 – 250°С, в результате чего происходит самоотпуск. Закалку с самоотпуском применяют для деталей ударного слесарного и кузнечного инструмента, которые должны иметь достаточно высокую твердость на поверхности и сравнительно вязкую сердцевину. Температуру отпуска определяют по цветам побежалости (цвет слоя окисла поверхности зависит от его толщины). Старый (точнее – древний) способ закалки с самоотпуском нашел применение в механизированном поточном производстве [2, с. 199 – 216].

Дата добавления: 2015-07-08