Главная > Методические указания
В качестве закалочных сред для углеродистых сталей, имеющих высокую критическую скорость охлаждения, применяют воду и различные водные растворы, а для легированных сталей, имеющих небольшую критическую скорость охлаждения, используют масло и воздух (табл. 9).
Таблица 9. Скорости охлаждения (град/с) в различных охлаждающих средах
| Закаливающая | Интервал температур |
|
| 650 - 550С | 300 - 200С |
|
| Вода при температуре, С: | ||
| 10%-ный раствор поваренной соли при 18С | ||
| 10%-ный раствор соды при 18С | ||
| Мыльная вода | ||
| Машинное масло | ||
| Трансформаторное масло | ||
| Спокойный воздух | ||
| Сжатый воздух | ||
2.6. Выбор технологического оборудования
К основному оборудованию термического участка относятся нагревательные печи, печи-ванны, установки для получения искусственных атмосфер, индукционные закалочные установки, закалочные баки, то есть оборудование, с помощью которого выполняют основные технологические операции.К вспомогательному оборудованию относят грузоподъемные средства, приспособления для загрузки деталей, контрольно-измерительную аппаратуру и приборы, оборудование для очистки деталей и т.п.Печи для термической обработки классифицируются по следующим признакам: 1.По назначению – универсальные печи для отжига, нормализации, закалки и отпуска; цементационные; для азотирования; печи специального назначения. 2.По температуре рабочего пространства – низкотемпературные, среднетемпературные, высокотемпературные. 3.По характеру загрузки, выгрузки – камерные, шахтные, печи с выдвижным подом. 4.По источнику тепла – мазутные, газовые, электрические. В небольших многотемпературных термических цехах и участках широкое распространение получили универсальные камерные печи, работающие на мазуте или газе, электрические печи камерные и шахтные с карборундовыми (силитовыми) нагревателями. Температуры таких печей приведены в табл.1012.
Таблица 10. Камерные огневые термические печи
| загрузочных | Наибольший расход | Производительность, |
|||
природныйгаз,  /ч
| мазут, кг/ч | при закалке, отжиге | при отпуске | ||
| ТНО-4.6,4.5/11ТНО-4.8,4.5/11ТНО-5.10.5.5/11ТНО-6.12.5.5/11ТНО-8.12.6.5/11ТНО-8.16.6.5/11ТНО-10.14.8/11ТНО-10.20.8/11 | |||||
Таблица 11. Камерные электрические печи
Индекс электропечи | Индекс электропечи |
| Высокотемпературные СН3-2.2.0,9/13 СН3-3.4.1,2/13 СН3-5.6.5,2/13 СН3-8.5.10,3/13СН3-8.5.17,5/13 СН3-11.22.7/12 СНО-2,55.1,7/12 СНО-4,8.2,6/12 СНО-5.10.3,2/12 СНО-8,5.17.5/12 | Среднетемпературные СНО-2,5.5.1,7/10СНО-3,6,5.5,2/10 СНО-5.10.3,2/10 СНО-8,5.17.5/10 Низкотемпературные СНО-3.6,5.2/7 СНО-4,8,2,6/7 СНО-5.10.3,2/7 СНО-6,5.13.4/7 СНО-8,5.17.5/7 |
Таблица 12. Шахтные электрические печи
| Печи с цилиндрическим рабочим пространством | Печи с прямоугольным сечением рабочего пространства |
| СШО-4.4/7 (25) СШЗ-4.8/10 (42) | СШЗ-2.2.10/13 (32) |
| СШО-4.12/7 (40) СШЗ-6.6/10 (45) | СШЗ-5.5.20/13 (126) |
| СШО-6.6/7 (36) СШЗ-6.12/10 (75) | СШЗ-8,5.8,525/13 |
| СШО-6.12/7 (60) СШО-6.18/10 (90) | |
| СШО-6.18/7 (72) СШО-6.30/10 (136) | |
| СШО-6.30/7 (108) СШЗ-10.10/10 (110) | |
| СШО-10.10/7 (86) СШЗ-10.20/10 (165) | |
| СШО-10.20/7 (120) СШЗ-10.30/10 (220) | |
| СШО-10.30/7 (160) |
Таблица 13. Печи для газовой цементации
Индекс печи | Размер реторты, мм | Рабочая тем-пература, С | Мощность, кВт | Масса садки, кг |
|
| диаметр | высота | ||||
Ц-75 | |||||
Шахтные безмуфельные электропечи типа СШЦ |
|||||
Таблица 14. Печи для газового азотирования с номинальной температурой 650 С
Индекс печи | Мощность, кВт | Максимальная масса садки, кг |
| Муфельные |
||
| США-2.6/6 | ||
| США-3,2.4,8/6 | ||
| США-5.7/6 | ||
| США-8.126/6 | ||
| США-12,5.20/6 | ||
| Безмуфельные |
||
| США-15.22,47/6-Б | ||
| США-20.30/6-Б | ||
| США-25.37,5/6-Б | ||
P g =P 0 S,
где P 0 – удельная мощность, кВт/см 2 (см. табл. 7); S – площадь поверхности нагрева, см 2 .
По найденному значению P g определяется мощность установки, потребляемая от питающей сети (табл. 15).
Таблица 15. Определение мощности установки
| Передаваемая мощность детали Pg , кВт | Потребляемая мощность, кВт |
||
Ламповыйгенератор | Машинный генератор | Тиристорный преобразователь |
|
| 3,4 P 0 S | 2,4 P 0 S | 1,9 P 0 S |
|
Таблица 16. Индукционные закалочные установки с машинным генератором
Вертикального исполнения | Горизонтального исполнения |
| ИЗУВ 32/160-208 ИЗУВ 5/50-22 | ИЗУГ 80/280-402 |
| ИЗУВ 12/90-102 ИЗУВ 32/160-202 | ИЗУГ 200/160-202 |
| ИЗУВ 80/50-102 ИЗУВ 80/280-202 | ИЗУГ 500/90-402 |
| ИЗУВ 5/50-28 УЗУВ 12/90-108 | ИЗУГ 80-280-408 |
| УЗУВ 80/50-108 УЗУВ 32/160-208 | ИЗУГ 200/160-208 |
| УЗУВ 80/280-208 | ИЗУГ 500/900-408 |
Таблица 17. Ламповые установки для закалки ТВЧ
| Обозначение установки | Мощность, потребляемая от сети, кВт | Рабочая частота, кГц |
Нагревательные печи. Для термической обработки применяемые печи в термических цехах подразделяются следующим образом.
1. По технологическим признакам, универсальные для отжига, нормализации и высокого отпуска, специального назначения для нагрева однотипных деталей.
2. По принимаемой температуре: низкотемпературные (до 600°С), среднетемпературные (до 1000°С) и высокотемпературные (свыше 1000°С).
3. По характеру загрузки и выгрузки: печи с неподвижным подом, с выдвижным подом, элеваторные, колпаковые, многокамерные.
4. По источнику получения тепла: мазутные, газовые, электрические В последнее время получили распространение газовые и электрические печи.
5. Печи-ванны, свинцовые, соляные и другие. Нагрев деталей в свинцовых и соляных ваннах является равномерным и быстрым, чем в печах.
6. Нагревательные установки: для нагрева деталей ТВЧ, для электро- контактного нагрева и др.
7. По зависимости от среды, в которой нагреваются детали, различаются печи с воздушной атмосферой (окислительные) и с контролируемой или защитной атмосферой (безокислительные). Контролируемые атмосферы — это газовые смеси, у которых газы во время нагрева нейтрализуют друг друга и тем самым предотвращают окисление деталей.
Температура нагрева играет главенствующую роль и для каждого вида термообработки в зависимости от химического состава определяется по диаграмме состояния железо — цементит (рис. 6.3). Практически температуры нагрева выбирают из таблиц справочников.
Время нагрева (скорость нагревания) зависит от многих факторов: химического состава стали, величины и формы изделий, взаимного расположения изделия в печи и др.
Чем больше в стали углерода и легирующих элементов, а также чем сложнее конфигурация изделия, тем медленнее должно быть нагревание При быстром нагревании из-за большого интервала температур поверхности и сердцевины в изделии возникают большие внутренние напряжения, которые могут вызвать коробление детали и трещины.
Обычно изделия загружают в печь, разогретую до заданной температуры. В этом случае время нагрева может быть определено по формуле проф. А.П. Гуляева:
где D — минимальный размер максимального сечения в мм;
К 1 — коэффициент формы, имеющий следующие значения: для шара -1, для цилиндра -2, параллелепипеда — 2,5, пластины – 4;
К 2 — коэффициент среды, который при нагреве в соли равен 1, в свинце — 0,5, в газовой среде — 2,
К 3 — коэффициент равномерности нагревания (табл. 6.1)
Рис.6.3. Температурные зоны для различных видов термообработки
Время выдержки. При любом виде термической обработки, после достижения изделием заданной температуры, необходима выдержка, чтобы полностью произошли структурные изменения. Время выдержки зависит от размеров деталей, способа нагрева, марки стали и вида термообработки. В таблице 6.2 приведены данные по определению времени выдержки для углеродистых сталей.
Полное время нагрева будет определяться по формуле:
где τ Н — время нагрева в мин; τ В — время выдержки в мин.
Кроме расчетного метода часто пользуются опытными данными Так на 1 мм сечения или толщины изделия из доэвтектоидных сталей продолжительность нагрева в электропечах принимают τ Н = 45-75 с. Продолжительность выдержки при заданной температуре часто принимают τ В = (0,15+0,25)τ Н. Для инструмента из углеродистой стали (0,7-1,3 % С) рекомендуется на 1 мм наименьшего сечения τ В =50-80 с, а из легированной стали τ В =70-90 с.
Скорость охлаждения. В каждом виде термообработки конечной целью является получение соответствующей структуры. Это достигается скоростью охлаждения, которая определяется видом термообработки. В таблице 6.3 приведены данные скорости охлаждения для различных видов термообработки.
Значения коэффициента K 3 в зависимости от расположения изделий в нагревательной печи
Время выдержки при термообработке
Скорости охлаждения при различных видах термообработки для углеродистых сталей
Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:
Лучшие изречения: Студент — человек, постоянно откладывающий неизбежность. 10179 — | 7217 — или читать все.
Зака́лка - вид термической обработки материалов (металлы, сплавы металлов, стекло), заключающийся в их нагреве выше критической точки (температуры изменения типа кристаллической решетки, то есть полиморфного превращения, либо температуры, при которой в матрице растворяются фазы, существующие при низкой температуре), с последующим быстрым охлаждением. Закалку металла для получения избытка вакансий не следует смешивать с обычной закалкой, для проведения которой необходимо, чтобы были возможные фазовые превращения в сплаве. Чаще всего охлаждение осуществляется в воде или масле, но существуют и другие способы охлаждения: в псевдокипящем слое твёрдого теплоносителя, струёй сжатого воздуха, водяным туманом, в жидкую полимерную закалочную среду и тд. Материал, подвергшийся закалке, приобретает бо́льшую твёрдость, но становится хрупким, менее пластичным и менее вязким, если сделать большее количество повторов нагревание-охлаждение. 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 твёрдости и прочности материала .
Внутренние напряжения снимаются отпуском материала. В некоторых изделиях закалка выполняется частично, например при изготовлении японских катан, закалке подвергается только режущая кромка меча.
Существенный вклад в развитие способов закалки внёс Чернов Дмитрий Константинович. Он обосновал и экспериментально доказал, что для получения стали высокого качества решающим фактором является не ковка, как это предполагалось ранее, а термическая обработка. Он определил влияние термической обработки стали на её структуру и свойства. В 1868 году Чернов открыл критические точки фазовых превращений стали, названные точками Чернова. В 1885 году он открыл, что закалку можно производить не только в воде и масле, но и в горячих средах. Это открытие послужило началом применения ступенчатой закалки, а затем исследованию изотермического превращения аустенита .
Типы закалок [ править | править код ]
По полиморфному превращению
- Закалка с полиморфным превращением, для сталей
- Закалка без полиморфного превращения, для большинства цветных металлов.
По температуре нагрева Полная - материал нагревают на 30 - 50°С выше линии GS для доэвтектоидной стали и эвтектоидной, заэвтектоидная линия PSK , в этом случае сталь приобретает структуру аустенит и аустенит + цементит. Неполная - производят нагрев выше линии PSK диаграммы, что приводит к образованию избыточных фаз по окончании закалки. Неполная закалка, как правило, применяется для инструментальных сталей.
Закалочные среды [ править | править код ]
При закалке для переохлаждения аустенита до температуры мартенситного превращения требуется быстрое охлаждение, но не во всём интервале температур, а только в пределах 650-400 °C, то есть в том интервале температур, в котором аустенит менее всего устойчив и быстрее всего превращается в ферритно-цементитную смесь. Выше 650 °C 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, 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 пузырькового 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 [ править | править код ]
- 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, то есть превращение аустенита в мартенсит.
- Изотермическая закалка . В отличие от ступенчатой при изотермической закалке необходимо выдерживать сталь в закалочной среде столько времени, чтобы успело закончиться изотермическое превращение аустенита.
- Лазерная закалка . Термическое упрочнение металлов и сплавов лазерным излучением основано на локальном нагреве участка поверхности под воздействием излучения и последующем охлаждении этого поверхностного участка со сверхкритической скоростью в результате теплоотвода теплоты во внутренние слои металла. В отличие от других известных процессов термоупрочнения (закалкой токами высокой частоты, электронагревом, закалкой из расплава и другими способами) нагрев при лазерной закалке является не объёмным, а поверхностным процессом.
- Закалка ТВЧ (индукционная) - закалка токами высокой частоты - деталь помещают в индуктор и разогревают за счет наведения в ней токов высокой частоты.
Дефекты [ править | править код ]
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. Исправление дефекта : отжиг (нормализация) и последующая закалка с необходимой температурой.
- 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.
Охлаждение – заключительный этап термической обработки-закалки и поэтому наиболее важный. От скорости охлаждения зависит образование структуры, а значит, и свойства образца.
Если раньше переменным фактором была температура нагрева под закалку, то теперь скорость охлаждения будет разная (в воде, в соленой воде, на воздухе, в масле и с печью).
С увеличением скорости охлаждения растет и степень переохлаждения аустенита, понижается температура распада аустенита, число зародышей увеличивается, но вместе с тем замедляется диффузия углерода. Поэтому феррито-цементитная смесь становится более дисперсной, а твердость и прочность повышаются. При медленном охлаждении (с печью) получается грубая смесь Ф+Ц, т.е. перлит, это отжиг второго рода, с фазовой перекристаллизацией. При ускоренном охлаждении (на воздухе) – более тонкая смесь Ф+Ц – сорбит. Такая обработка называется нормализацией.
Закалка в масле дает тростит – высокодисперсную смесь Ф+Ц.
Твердость этих структур растет с дисперсностью смеси (НВ=2000÷4000 МПа). Эти структуры можно получить и способом изотермической закалки.
Рассматривая термокинетическую диаграмму, т.е. диаграмму изотермического распада аустенита вместе с векторами скоростей охлаждения, видим, что увеличивая скорость охлаждения, можно получить тростит вместе с мартенситом закалки. Если скорость охлаждения больше критической, получим мартенсит закалки и остаточный аустенит, избавиться от которого можно, если охладить сталь до температуры ниже линии окончания мартенситного превращения (М к).
У мартенсита объем больше, чем у аустенита, поэтому при закалке на мартенсит появляются не только термические, но и структурные напряжения. Форма детали может исказиться, в ней могут появиться микро- и макротрещины. Коробление и трещины неисправимый брак, поэтому сразу же после закалки на мартенсит следует производить нагрев детали для снятия напряжений и стабилизации структуры, такая операция термической обработки называется отпуском.
После закалки образцов, изучения микроструктур и определения твердости строятся графики зависимости твердости от содержания углерода. Чем больше углерода в аустените стали перед закалкой, тем более искаженной получается решетка мартенсита (с большей степенью тетрагональности) и поэтому выше твердость
Сталь с содержанием 0,2%С не принимает закалку, так как кривые изотермического распада аустенита вплотную приближаются к оси ординат. Даже очень большая скорость охлаждения не дает мартенсита, так как аустенит начнет раньше распадаться на смесь Ф+Ц. Поэтому сталь закаливают, если углерода более 0,3%С, поскольку углерод сдвигает вправо кривые изотермического распада аустенита, уменьшая тем самым критическую скорость закалки.
Определение свойств и структуры стали после отпуска
Полученный после закалки мартенсит обладает большой твердостью и прочностью, но низкой пластичностью и вязкостью. Это объясняется большими внутренними напряжениями, которые бывают термическими (перепад температуры, резкое охлаждение) и структурными (объем мартенсита больше, чем аустенита, сорбита, тростита и перлита). После закалки необходимо сразу производить отпуск, т.е. нагрев до определенных температур, выдержку и охлаждение. При этом снижаются напряжения, меняется структура и свойства стали. Температура отпуска выбирается ниже А с 1 ,чтобы сохранить эффект упрочнения при закалке. Различаются низкий отпуск (150-200 0 С), средний (350-450 0 С) и высокий (500-650 0 С).
Если при низком отпуске снижаются напряжения, уменьшается искаженность (тетрагональность) решетки мартенсита и она снова становится кубической, остаточной аустенит переходит в мартенсит кубический, то при среднем и высоком отпуске происходит распад мартенсита на смесь Ф+Ц.
После низкого отпуска твердость и прочность остаются на высоком уровне (НRC 58-63). Режущий и измерительный инструмент, детали после химико-термической обработки (цементации) подвергают низкому отпуску.
1. Определение наилучшей температуры закалки для стали с содержанием 0,4% углерода – доэвтектоидная сталь – и с содержанием 1,0% углерода – заэвтектоидная сталь.
Протокол испытаний на твердость после закалки в воду
Охлаждение заготовок при различных операциях термической обработки выполняется с разной скоростью. При отжиге охлаждение должно быть медленным, а при закалке некоторых сталей, напротив, очень быстрым. Скорость охлаждения регулируется применением различных охлаждающих сред.
Охлаждение заготовок с печью, т.е. весьма медленное, используют при отжиге. Для всех остальных операций термической обработки охлаждение выполняется с большей скоростью. Охлаждение на воздухе используют при нормализации, а также при закалке сталей с очень высокой прокаливаемостью (воздушно-закаливающиеся стали).
Минимально допустимая скорость охлаждения при закалке сталей (чем ниже скорость, тем меньше величина закалочных напряжений, см. 11.6 и рис. 11.16) определяется их прокаливаемостью. Чем выше прокаливаемость стали, тем медленнее можно производить закалочное охлаждение (см. рис. 5.22), поэтому для разных сталей используют закалочные жидкости, обеспечивающие различную скорость охлаждения.
Охлаждающая (закалочная) среда должна обеспечить высокую скорость охлаждения при температурах наименьшей устойчивости переохлажденного аустенита (650... ...550 °С, см. рис. 5.7), чтобы предотвратить его распад. Напротив, в интервале температур мартенситного превращения (Мн...Мк) целесообразно медленное охлаждение для уменьшения закалочных напряжений. Характеристики наиболее применяемых в практике термической обработки закалочных сред приведены в табл. 15.2.
Таблица 15.2
Скорость охлаждения в различных закалочных средах
|
Скорость охлаждения, °С/с, при температуре, °С |
|||||
|
Эмульсия |
|||||
|
Масло машинное |
|||||
|
Масло трансформаторное |
|||||
|
Медные плиты |
|||||
|
Раствор (10%) в воде |
Железные плиты |
||||
|
Воздух спокойный |
|||||
|
Воздух под давлением |
|||||
Вода и водные растворы – это дешевые и широко распространенные охладители. Их достоинство – высокая скорость охлаждения в области минимальной устойчивости переохлажденного аустенита; недостаток – также высокая скорость охлаждения в области мартенситного превращения (см. табл. 15.2). Использование этих сред повышает прокаливаемость, но увеличивает вероятность появления деформаций и трещин. Воду используют при закалке углеродистых сталей.
При закалке в воде возможно появление пятнистой твердости (см. 5.2.2). Для предотвращения этого брака в качестве закалочных жидкостей используют водные растворы солей и щелочей, обладающие более высокой температурой парообразования. Но при этом резко повышается скорость охлаждения (см. табл. 15.2), что определяет бо́льшую величину закалочных напряжений.
Масла в интервале Мн...Мк обеспечивают по сравнению с водой значительное снижение скорости охлаждения, это ведет к снижению закалочных напряжений и деформаций. Однако охлаждение в интервале минимальной устойчивости переохлажденного аустенита замедляется (см. табл. 15.2), поэтому масла используют при закалке легированных сталей с более высокой прокаливаемостью.
Эмульсия масла в воде (эмульсии состоят из мельчайших взвешенных капель масла в воде) и вода с температурой 30...40 °С снижают скорость охлаждения в интервале 650-550 °С (см. табл. 15.2) и тем самым вероятность возникновения деформаций, одновременно уменьшая прокаливаемость. Эти среды используют при закалке ТВЧ, когда необходимо закалить только поверхность детали.
Для сталей, обладающих глубокой прокаливаемостью, в качестве закалочной среды используют воздух – спокойный, который обеспечивает очень низкую скорость охлаждения, или под давлением, когда необходимо охлаждать быстрее (см. табл. 15.2). В обоих случаях закалочные напряжения малы.
Охлаждение под металлическими плитами также происходит с низкими скоростями (см. табл. 15.2). Такая технология совмещает закалку с правкой (исправлением формы) и практически исключает деформации.
При закалке крупногабаритных деталей применяют водовоздушные смеси. Их подают на деталь через специальные форсунки. Охлаждающую способность смесей можно регулировать, изменяя количество в ней воды и давление воздуха.
Использование в качестве охлаждающих жидкостей водных растворов полимеров позволяет менять скорость охлаждения в широких пределах – между скоростями охлаждения в воде и в масле. Их применяют при объемной и поверхностной закалке.
Для многих конструкционных сталей температуры Мн лежат в пределах 170-330 °С. Для их изотермической закалки (выполняется путем выдержки при температуре несколько выше точки Мн) используют расплавы солей. В частности, применяют уже рассмотренную выше смесь NaNO3 (45%) и KNO3(55%), работоспособную в интервале 160...650 °С.
На чтение 8 мин.
Термообработка металла изменяет его характеристики. Закалка стали делает ее тверже, прочнее. В отдельных случаях термообработку проводят для измельчения зерна, выравнивания структуры. Простую технологию нагрева и быстрого охлаждения для мелких деталей можно осуществить в домашних условиях. Необходимо знать марку стали и ее температуру нагрева для закалки.
Закалка сталиЧто такое закалка металла?
Один из видов термообработки - закалка металла. Она состоит из нескольких этапов, выполняемых в определенной последовательности:
- Нагрев металла до определенной температуры. Выдержка для выравнивания по всей глубине детали.
- Быстрое охлаждение.
- Отпуск для снятия напряжений и коррекции твердости до заданного значения.
В процессе изготовления сложные детали могут проходить несколько закалок разного вида.
По глубине обработки закалка делится на два вида:
- объемная;
- поверхностная.
В основном в машиностроении применяется объемная термообработка, когда деталь прогревается на всю глубину. В результате резкого охлаждения, после завершения термообработки твердость внутри и снаружи отличается всего на несколько единиц.
Поверхностная закалка применяется для деталей, которые должны быть твердые сверху и пластичные внутри. Индуктор прогревает сталь на глубину 3–20 мм и сразу за ним расположен спрейер, поливающий горячий металл водой.
Сталь нагревается до состояния аустенита. Для каждой марки своя температура, определяемая по таблице состояния сплавов железо-углерод. При резком охлаждении углерод остается внутри зерна, не выходит в межкристаллическое пространство. Превращение структуры не успевает происходить, и внутреннее строение содержит перлит и феррит. Зерно становится мельче, сам металл тверже.
Какие стали можно закаливать?
При нагреве и быстром охлаждении внутренние изменения структуры происходят во всех сталях. Твердость повышается только при содержании углерода более 0,4%. Ст 35 по ГОСТ имеет его 0,32 – 0,4%, значит может «подкалиться» - незначительно изменить твердость, если углерод расположен по верхнему пределу.
Закаливаемыми считаются стали, начиная от СТ45 и выше по содержанию углерода. В то же время закалка нержавеющей стали с низким содержанием углерода типа 3Х13 возможна. Хром и некоторые другие легирующие элементы заменяют его в кристаллической решетке и повышают прокаливаемость металла.
Высоколегированные углеродистые стали содержат вещества, ускоряющие процесс охлаждения и повышающие способность стали к закалке. Для них требуется сложная ступенчатая система охлаждения и высокотемпературный отпуск.
Температура и скорость нагрева
Температура нагрева под закалку повышается с содержанием в стали углерода и легирующих веществ. Для Ст45 она, например, 630–650⁰, Ст 90ХФ - более 800⁰.
Высокоуглеродистые и высоколегированные стали при быстром нагреве могут «потрещать» - образовать на поверхности и внутри мелкие трещины. Их нагревают в несколько этапов. При температурах 300⁰ и 600⁰ делают выдержку. Кроме выравнивания температуры по всей глубине, происходит структурное изменение кристаллической решетки и переход к другим видам внутреннего строения.
Свойства стали после закалки
После закалки деталей происходят структурные изменения, влияющие на технические характеристики металла:
- увеличивается твердость и прочность;
- уменьшается зерно;
- снижается гибкость и пластичность;
- повышается хрупкость;
- увеличивается устойчивость к стиранию;
- уменьшается сопротивление на излом.
На поверхности каленой детали легко получить высокий класс чистоты. Сырая сталь не шлифуется, тянется за кругом.
Виды закалки стали
Основные параметры для закалки стали: температура нагрева и скорость охлаждения. Они полностью зависят от марки стали - содержания углерода и легирующих веществ.
Закаливание в одной среде
При закаливании стали среда определяет скорость охлаждения. Наибольшая твердость получается при окунании детали в воду. Так можно калить среднеуглеродистые низколегированные стали и некоторые нержавейки.
Если металл содержит более 0,5% углерода и легирующие элементы, то при охлаждении в воде деталь потрещит - покроется трещинами или полностью разрушится.
Высоколегированные стали повышают свою твердость даже при охлаждении на воздухе.
При закалке на воде легированная сталь подогревается до 40–60⁰. Холодная жидкость будет отскакивать от горячей поверхности, образуя паровую рубашку. Скорость охлаждения значительно снизится.
Ступенчатая закалка
Закалка сложных по составу сталей может производиться в несколько этапов. Для ускорения охлаждения крупных деталей из высоколегированных сталей, их сначала окунают в воду. Время пребывания детали определяется несколькими минутами. После этого закалка продолжается в масле.
Вода быстро охлаждает металл на поверхности. После этого деталь окунается в масло и остывает до критической температуры структурных преобразований 300–320⁰. Дальнейшее охлаждение проводится на воздухе.
Если калить массивные детали только в масле, температура изнутри затормозит остывание и значительно снизит твердость.
Изотермическая закалка
Закалить металл с высоким содержанием углерода сложно, особенно изделия из инструментальной стали - топоры, пружины, зубила. При быстром охлаждении в нем образуются сильные напряжения. Высокотемпературный отпуск снимает часть твердости. Закалка производится поэтапно:
- Нормализация для улучшения структуры.
- Нагрев до температуры закалки.
- Опускание в ванну с селитрой, прогретой до 300–350⁰, и выдержка в ней.
После закалки в селитровой ванне отпуск не нужен. Напряжения снимаются во время медленного остывания.
Изотермическая закалка Светлая закалка
Технического термина «светлая закалка» не существует. Когда производится закалка легированных сталей, включая нагрев, в вакууме или инертных газах, металл не темнеет. Закалка в среде защитных газов дорогостоящая и требует специального оборудования отдельно на каждый тип деталей. Она применяется только при массовом изготовлении однотипной продукции.
В вертикальной печи деталь нагревается, проходя через индуктор, и сразу же опускается ниже - в соляную или селитровую ванну. Оборудование должно быть герметично. После каждого цикла с него откачивается воздух.
Закалка с самоотпуском
При быстром охлаждении в процессе закалки стали внутри детали остается тепло, которое постепенно выходит и отпускает материал - снимает напряжения. Делать самоотпуск могут только специалисты, которые знают, насколько можно сократить время пребывания детали в охлаждающей жидкости.
Самоотпуск можно производить дома, если нужно незначительно увеличить твердость крепежа или мелких деталей. Необходимо уложить их на теплоизолирующий материал и сверху накрыть асбестом.
Способы охлаждения при закаливании
Широко используемые в промышленности способы охлаждения металла при закалке на воду и в масле. Самый древний состав для закалки мечей и других тонкостенных предметов - соляной раствор. Закалку производили кузнецы, используя нагрев под ковку и тепло, выделяемое деформацией.
Красные сабли, мечи, ножи опускали в мочу рыжих парней. В Европе их просто вонзали в тела живых рабов. Коллоидный состав, содержащий соли и кислоты, позволял с оптимальной скоростью охладить сталь и не создавать лишних напряжений и поводки.
В настоящее время используют различные солевые натриевые растворы, селитру и даже пластиковую стружку.
Как закалить сталь в домашних условиях
Решение о том, как калить металл, принимается исходя из нескольких параметров:
- марки стали;
- требуемой твердости;
- режима работы детали;
- габаритов.
Не все способы термообработки доступны любителям. Следует выбирать наиболее простые. Чаще всего в домашних условиях приходится закаливать нержавейку при изготовлении ножей и другого домашнего режущего инструмента.
Температура закалки хромсодержащих сталей 900–1100⁰C. Проверять нагрев следует визуально. Металл должен иметь светло оранжевый – темно желтый цвет, равномерный по всей поверхности.
Окунать тонкую нержавейку можно в горячую воду, поднимая на воздух и вновь опуская. Чем выше содержание углерода, тем больше времени сталь проводит на воздухе. Один цикл длится примерно 5 секунд.
Простые свариваемые стали греют до вишневого цвета и охлаждают в воде. Среднелегированные материалы должны перед окунанием в воду иметь красный цвет. После 10–30 секунд перекладываются в масло, затем укладываются в печь.
При закалке получают максимальную твердость, которую дает сталь при данной технологии. Затем высокотемпературным отпуском понижают ее до требуемой.
Закалка в домашних условиях Оборудование
Нагрев металла производится различными способами. Нужно только помнить, что температура горения дерева не может обеспечить нагрев металла.
Если требуется улучшить качество 1 детали, достаточно развести костер. Его надо по периметру обложить кирпичами и после укладки заготовки частично закрыть сверху, оставив щели для доступа воздуха. Лучше жечь уголь.
Отдельный участок и небольшую по размерам деталь греют газовой и керосиновой горелкой, постоянно водя пламенем и прогревая со всех сторон.
Изготовление муфельной печи требует много времени и ресурсов. Ее целесообразно строить при постоянном использовании.
Охлаждающая жидкость может находиться в ведре и любой другой емкости, которая обеспечит полное погружение детали с толщиной масла в 5 наибольших сечений детали:
- одна часть под закаливаемым изделием;
- две сверху.
Деталь необходимо медленно двигать в охлаждающей жидкости. В противном случае образуется паровая рубашка.
Самостоятельное изготовление камеры для закаливания металла
Наипростейшее подобие муфельной печи делается из огнеупорного кирпича, шамотной глины и асбеста:
- На оправку навить медную проволоку. Для домашнего напряжения подойдет сечение 0,8 мм. Оставить длинные концы.
- Расположить спираль внутри кирпичей и зафиксировать глиной, обмазав всю внутреннюю поверхность.
- Внутри сделать поддон - площадку для расположения заготовок. Для этого нужно смешать глину с асбестом.
- Теплоизолирующий материал можно расположить и снаружи, уменьшая теплоотдачу стенок.
- Подключить концы проволоки к проводам с вилкой.
- Сзади герметично заделать отверстие между кирпичами.
- Впереди соорудить крышку, которая будет открываться.
Высыхать все материалы должны при комнатной температуре. На это уйдет несколько дней. Затем можно укладывать деталь на изоляционный материал и греть.
Дефекты при закаливании стали
При закаливании стали возникают 2 группы дефектов:
- исправимые;
- неисправимые.
Первые связаны с неравномерной, пятнистой закалкой и несоответствием полученной твердости требованиям в чертеже. Вызваны такие дефекты в основном неправильным охлаждением или некачественно проведенной термообработкой.
К неисправимым относятся сколы, трещины, полное разрушение деталей. Причина чаще всего заключается в некачественном металле.
Закалка значительно изменяет структуру и эксплуатационные качества металла. Делать ее самостоятельно можно на простых деталях. Необходимо точно знать марку стали, температуру ее закалки и охлаждающую среду.
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
