Способы закалки

Рис. 91. Схема ступенчатой закалки эвтектоидной стали, содержащей 0,8 % С (а),

и изотермической закалки легированной стали (б)

Наиболее широко применяют закалку в од­ном охладителе (рис. 91). Такую закалку называют непре­рывной.

Во многих случаях, особенно для изделий сложной формы и при необходимости уменьшения деформации, применяют и дру­гие способы закалки.

Прерывистая закалка (в двух средах). Изделие, закаливаемое по этому способу, сначала быстро охлаждают в воде до темпера­туры несколько выше точки М_н, а затем быстро переносят в менее интенсивный охладитель (например, в масло или на воздух), в котором оно охлаждается до 20 ⁰С. В результате переноса во вторую закалочную среду уменьшаются внутренние напряжения, которые возникли бы при быстром охлаждении в одной среде (воде), в том числе и в области температур мартенситного превращения.

Закалка с самоотпуском. В этом случае охлаждение изделия в закалочной среде прерывают, с тем, чтобы в сердцевине изде­лия сохранилось еще некоторое количество теплоты. Под дей­ствием теплообмена температура в более сильно охлаждающихся поверхностных слоях повышается и сравнивается с температурой сердцевины. Тем самым происходит отпуск поверхности стали (самоотпуск).

Закалку с самоотпуском применяют, например, для таких инструментов, как зубила, кувалды, слесарные молотки, керны, которые работают с ударными нагрузками и должны сочетать высокую твердость на поверхности с повышенной вязкостью в сердцевине.

Ступенчатая закалка. При выполнении закалки по этому спо­собу (рис. 91, а) сталь после нагрева до температуры закалки охлаждают в среде, имеющей температуру несколько выше точки М_н (обычно 180…250 °С), и выдерживают в ней сравнительно короткое время. Затем изделие охлаждают до нормальной темпе­ратуры на воздухе.

В результате выдержки в закалочной среде достигается выравнивание температуры по сечению изделия, но это не должно вызывать превращения аустенита с образованием бейнита.

Мартенситное превращение протекает при охлаждении на воз­духе, но менее полно, чем при непрерывной закалке, вследствие чего сталь сохраняет больше остаточного аустенита.

При ступен­чатой закалке уменьшаются объемные изменения вследствие при­сутствия большого количества остаточного аустенита и возмож­ности самоотпуска мартенсита, коробление в результате проте­кания мартенситного превращения почти одновременно во всех участках изделия и опасность появления трещин.

Во время фазовых превращений, в том числе и мартенситного, снижается прочность стали и повышается пластичность. Это свое­образное разупрочнение, наблюдающееся только в момент пре­вращения (в данном случае мартенситного), используется при сту­пенчатой закалке для правки изделий, склонных к короблению. Правку (чаще под прессом) выполняют в период охлаждения из­делий на воздухе после извлечения их из закалочной среды.

Ступенчатую закалку чаще применяют для инструмента из углеродистых сталей диаметром не более 8…10 мм. Скорость охлаждения более крупного инструмента в среде с тем­пературой выше точки М_н оказывается ниже критической ско­рости закалки, и аустенит претерпевает распад при высоких тем­пературах.

Изотермическая закалка. Закалку по этому способу (рис. 91, б) выполняют в основном так же, как и ступенчатую, но в данном случае предусматривается более длительная выдержка выше точки М_н. При такой выдержке происходит распад аустенита с об­разованием нижнего бейнита. Для углеродистых сталей изотер­мическая закалка не дает существенного повышения механиче­ских свойств по сравнению с получаемыми обычной закалкой и отпуском.

У большинства легированных сталей распад аустенита в про­межуточной области не идет до конца. Если аустенит, не распав­шийся при изотермической выдержке, не претерпевает мартенситного превращения при дальнейшем охлаждении, то сталь по­лучает структуру: бейнит + 10…20 % остаточного аустенита, обогащенного углеродом. При такой структуре достигается вы­сокая прочность при достаточной вязкости. Для многих сталей изотермическая закалка обеспечивает значительное повышение конструктивной прочности.

Если же большая часть аустенита, не распавшегося после окон­чания промежуточного превращения, при последующем охлаж­дении претерпевает мартенситное превращение, то изотермиче­ской закалкой нельзя получить высокие механические свойства. В этом случае резко снижается сопротивление хрупкому разру­шению.

Конструкционные легированные стали (0,3…0,5 % С) приобре­тают оптимальные механические свойства в результате изотерми­ческой закалки с выдержкой в нижней части промежуточной зоны изотермического распада аустенита (несколько выше точки М_н).

Продолжительность выдержки в закалочной среде зависит от устойчивости аустенита при температурах выше точки М_н, оп­ределяемых диаграммой изотермического распада аустенита для данной стали.

В качестве охлаждающей среды при ступенчатой и изотерми­ческой закалке чаще применяют расплавленные соли в интервале температур 150…500 °С, например 55 % KNO₃ и 45 % NaNO₂ (или NaNO₃), а также расплавленные щелочи (20 % NaOH и 80 % КОН). Чем ниже температура соли (щелочи), тем выше ско­рость охлаждения в ней. Поскольку расплавленные соли охлаж­даются только вследствие теплоотдачи, то охлаждающая способ­ность их возрастает при перемешивании. Добавление воды (3…5 %) в расплавы едких щелочей или в селитру (0,2…1,2 %) с по­мощью специального приспособления при погружении в них на­гретого для закалки изделия вызывает кипение и увеличение скорости охлаждения в области температур перлитного превращения. Скорость охлаждения возрастает при температуре 400…450 °С в 4…5 раз, а при температуре 300 °С - в 2 раза.

Охлаждение в расплавах едких щелочей, если предварительно детали нагревались в расплавленных солях (что не вызы­вает окисления), позволяет получить чистую поверхность светло-серого цвета. Закалку по этому способу называют светлой.

Обработка стала холодом. В закаленной стали, особенно со­держащей более 0,5…0,6 % С, у которой точка M_к лежит ниже нуля, всегда присутствует остаточный аустенит. Аустенит понижает твердость, износостойкость и нередко приво­дит к изменению размеров деталей, работающих при низких тем­пературах, в результате самопроизвольного превращения его в мартенсит.

Для уменьшения количества остаточного аустенита в закален­ной стали применяют обработку холодом, заключающуюся в ох­лаждении закаленной стали до температур ниже нуля.

Понижение температуры до точки М_к (- 30…- 70 °С) для большинства сталей вызывает превращение остаточного аусте­нита в мартенсит, что повышает твердость HRC сталей с 0,8…1,1 % С на 1…3 единицы. Однако одновременно возрастают на­пряжения, поэтому изделия охлаждают медленно и сразу после обработки холодом выполняют отпуск.

Выдержка стали после закалки при нормальной температуре более 3…6 ч стабилизует аустенит, и поэтому он менее полно пре­вращается в мартенсит при дальнейшем охлаждении и умень­шает эффект обработки холодом. Поэтому обработку холодом вы­полняют сразу после закалки.

Обработку холодом используют главным образом для измери­тельных инструментов, для пружин и деталей из цементируемых высоколегированных сталей, сохраняющих много аустенита после закалки.

Дата добавления: 2014-01-05