Способы закалки

Закалка сталей

Закалка заключается в нагреве сталей до температур выше фазовых превращений с выдержкой и последующем охлаждении их со скоростью выше критической. Критическая скорость охлаждения (v_кр) определяется по диаграмме изотермического распада аустенита. Линия охлаждения, соответствующая критической скорости, является касательной к С-образной кривой (рис. 7.2). После закалки сталь приобретает неравновесную структуру, содержащую мартенсит. В результате твёрдость стали существенно повышается, что и является основной целью закалки. Для охлаждения стали со скоростью выше критической применяют различные охлаждающие среды (воду, растворы солей и щёлочей, минеральное масло, воздух и др.). Наивысшая скорость охлаждения достигается в растворе NaOH, чуть меньше в растворе поваренной соли, ещё меньше в воде, затем в масле и на воздухе.

Различают полную и неполную закалку. При полной закалке сталь нагревают до температур на 30-50° выше линии GSE (рис. 7.3). При этом сталь приобретает структуру аустенита. В процессе быстрого охлаждения стали практически весь аустенит (А) превращается в мартенсит (М), что обеспечивает сталям повышенную твёрдость.

При неполной закалке нагрев осуществляют до температур на 30-50° выше линии PSK (рис. 7.3). При этом доэвтектоидные стали в нагретом состоянии имеют структуру аустенита и феррита, а у заэвтектоидных сталей в структуре наблюдается аустенит и цементит вторичный. В процессе быстрого охлаждения сталей аустенит превращается в мартенсит, поэтому доэвтектоидные стали после охлаждения состоят из феррита и мартенсита, а в структуре заэвтектоидных сталей наблюдается мартенсит и цементит вторичный. Наличие зёрен мягкого феррита в структуре доэвтектоидных сталей после закалки приводит к снижению их твёрдости и таким образом цель закалки полностью не достигается. В тоже время наличие в структуре заэвтектоидных закалённых сталей твёрдого вторичного цементита напротив полезно. Таким образом, для доэвтектоидных сталей целесообразно проводить полную закалку, а для заэвтектоидных – неполную закалку.

Наиболее благоприятная структура у заэвтектоидных закалённых сталей достигается тогда, когда вторичный цементит имеет зернистую (т.е. сферическую) форму, а не форму сетки. Поэтому закалке заэвтектоидных сталей должен предшествовать сфероидизирующий отжиг.

Для достижения максимальной твёрдости при закалке стремятся получить мартенситную структуру. Это возможно только тогда, когда сталь охлаждают со скоростью выше критической. Из диаграммы изотермического распада аустенита следует, что быстрое охлаждение необходимо сталям только в области максимальной неустойчивости аустенита, примерно при 500 - 650°С (рис. 7.3). Высокая скорость охлаждения необходима здесь для того, чтобы предотвратить превращение аустенита в феррито-цементитную смесь. При температурах ниже 300°С, наоборот, целесообразно проводить медленное охлаждение, чтобы избежать избыточных внутренних напряжений, способных вызвать коробление или растрескивание деталей. Таким образом, идеальная кривая охлаждения при закалке должна характеризоваться максимальной скоростью вначале охлаждения, при прохождении интервала наибольшей неустойчивости аустенита, и минимальной скоростью в конце охлаждения, при мартенситном превращении.

Скорость охлаждения определяется видом охлаждающей среды. В газовой среде скорость охлаждения значительно меньше, чем в жидкости. При охлаждении в жидких средах различают три периода охлаждения, характеризующихся различной скоростью:

1. Период плёночного кипения, когда вокруг закаляемой детали образуется так называемая паровая рубашка, из-за чего скорость охлаждения сравнительно невелика.

2. Период пузырчатого кипения, при котором рубашка разрушается и скорость охлаждения резко возрастает.

3. Период конвективного теплообмена, когда температура детали ниже температуры кипения жидкости, а скорость охлаждения резко падает.

Наибольшая скорость охлаждения наблюдается в водном растворе щёлочи NaOH и соли NaCl (v_max» 1200 -1100°С). Далее следует чистая вода (v_max» 600°С) и минеральное масло (v_max» 100°С). Анализ показывает, что нет идеальной закалочной среды, удовлетворяющей условию оптимальности скорости охлаждения в различных температурных интервалах. Как правило, высокая скорость в начальный период охлаждения сопровождается также повышенной скоростью охлаждения на этапе мартенситного превращения.

Выбор способа охлаждения закаляемой стальной детали зависит от её формы и размеров, а также от химического состава стали.

Наиболее простым и дешёвым способом закалки сталей является закалка в одном охладителе, при котором нагретая деталь погружается в охлаждающую жидкость и остаётся там до полного охлаждения Для крупногабаритных изделий из углеродистых сталей таким охладителем может быть вода, для более мелких образцов, а также образцов из легированных сталей - минеральное масло. Недостатком этого способа закалки является слишком высокая скорость охлаждения в момент мартенситного превращения, что приводит к возникновению значительных внутренних напряжений и, как следствие, к короблению или растрескиванию детали.

Для уменьшения внутренних напряжений применяется закалка в двух охладителях, при которой деталь сначала охлаждают в воде до 300 – 400 °С, а затем в масле. Недостатком этого способа является трудность регулирования времени выдержки детали в первой охлаждающей среде.

Точное регулирование времени выдержки детали в первой охлаждающей жидкости достигается при ступенчатой закалке. В этом способе деталь быстро охлаждают в соляной ванне до температуры на 30 – 50 °С выше температуры начала мартенситного превращения и выдерживают при этой температуре некоторое время. Затем осуществляют окончательное охлаждение на воздухе. В результате мартенситное превращение происходит при медленном охлаждении, что резко снижает внутренние напряжения. В тоже время из-за относительно высокой температуры ванны скорость охлаждения в данном способе оказывается недостаточно высокой, что не позволяет закалять массивные изделия, внутренняя часть которых остаётся незакалённой.

При изотермической закалке образец охлаждают до температуры чуть выше М_н и длительное время выдерживают, пока не произойдёт распад аустенита в феррито-цементитную смесь. В результате мартенситного превращения не происходит, а образуется бейнит, придающий стали достаточную твёрдость и пластичность.

7.9 Отпуск закалённых сталей

Сталь после закалки имеет повышенную твёрдость, но одновременно и повышенную хрупкость. Поэтому после закалки сталь всегда подвергают отпуску, с целью придания ей более равновесной структуры и более высокой пластичности. Различают отпуск низкий, средний и высокий.

При низком отпуске сталь нагревают примерно до двухсот градусов. При этом мартенсит превращается в мартенсит отпуска. Твёрдость стали несколько снижается, а пластичность и ударная вязкость возрастает. Низкому отпуску обычно подвергают инструмент.

Средний отпуск производят при температурах порядка четырехсот градусов. При этом сталь приобретает структуру троостита отпуска. Средний отпуск производят тогда, когда необходимо сочетать достаточную твёрдость, пластичность и вязкость.

Высокий отпуск производят при температурах порядка шестьсот градусов. При этом сталь приобретает структуру сорбита отпуска. Получается оптимальное сочетание твёрдости, прочности и вязкости.

Термическую обработку, заключившуюся в сочетании закалки с высоким отпуском, в ходе которой происходит оптимизация структуры и свойств стали называют улучшением.

Дата добавления: 2014-01-11