Режимы и способы охлаждения при поверхностной закалке

Условия охлаждения должны обеспечить необходимую структуру и свойства металла в объемах или участках изделия, заданных техническими условиями. Поскольку нагрев при поверхностной закалке отли­чается от нагрева при обычной объемной термической обработки, постольку и требования к условиям охлаждения другие.

При объемной закалке изделия, изготовленные из углеродистой стали и имеющие сравнительно простую форму, охлаждают водой, чаще всего погружением на­гретого изделия в ванну. Если изделие имеет сложную форму, то охлаждение погружением в воду создает большую неравномерность охлаждения. Тонкие части выступы, ребра и т. п. охлаждаются значительно быстрее основной, более массивной части изделия, что вызы­вает трещины. Поэтому изделия сложной формы стара­ются изготавливать из легированной стали, которую при закалке можно охлаждать умеренно, погружением в масло и тем самым уменьшить разницу в скоростях охлаждения различных сечений изделия. Обычно это полностью гарантирует от образования трещин и снижает ко­робление изделия,

При поверхностной высокочастотной закалке такой подход к выбору марки стали и закалочной среды пока не нашел развития. Объясняется это в первую очередь тем, что применение индукционного нагрева, обеспечи­вающего хорошие условия труда, максимальную авто­матизацию и производительность процесса, требует со­ответствующего способа охлаждения и закалочных устройств. Наиболее подходящим с этой точки зрения является душевое охлаждение водой. При разработке технологических процессов, независимо от формы изде­лия, стремятся использовать водяной душ даже для ле­гированной стали.

В большинстве случаев поверхностная закалка про­изводится на мартенсит. Для этого скорость охлаждения должна быть больше так называемой критической ско­рости закалки, характерной для каждой данной марки стали. Следует отметить, что при закалке с быстрым поверхностным нагревом критическая скорость закалки для той же стали должна быть несколько выше, чем при объемном прогреве. Аустенит, полученный после быст­рого нагрева, сохраняет неоднородность состава и более склонен к распаду, чем однородный аустенит, для кото­рого опытным путем определялась критическая скорость закалки. Поэтому применение охлаждения водяным ду­шем, как более сильного средства, в большинстве слу­чаев оправдано. Применение душевого метода подачи жидкости позволяет, кроме того, сократить паузу между нагревом и охлаждением, которая может быть нежела­тельна, так как в период паузы происходит интенсивный отвод тепла в сердцевину изделия.

Необходимые условия охлаждения могут быть иллю­стрированы рис. 7, на котором представлена С-образная диаграмма изотермического распада аустенита. По вертикали отложена температура распада, по горизон­тали время начала и конца распада (в логарифмиче­ском масштабе). В зависимости от уровня температуры устойчивость аустенита изменяется: наибольшая устой­чивость—при температуре, близкой к а), выше которой аустенит может существовать сколь угодно долго; наи­меньшая устойчивость—при 550—600° С; при дальней­шем снижении температурь! устойчивость аустенита снова увеличивается. При переохлаждении до темпера­туры Мн аустенит превращается в мартенсит. Температура Мн зависит от состава стали; для среднеуглеродистой нелегированной стали она составляет 200—250° С. Если на эту диаграмму нанести кривые охлаждения /, 2 и 8 с различной скоростью, то можно ориентировочно, узнать, какая структура получается после охлаждения.

Рис. 7. Диаграмма изотермического распада аустенита; кривые охлаждения с различной скоростью:

1— быстрое охлаждение во всем интервале температур; 2 — быстрое охлаждение в верхнем интервале температур и замедленное при мартенситном превращении; 3 — умеренное охлаждение в верхнем интервале температур

Для получения структуры мартенсита охлаждение нужно проводить с такой скоростью, чтобы кривая охлаждения 1 не пересекала кривую начала распада аустенита. Большая скорость охлаждения нужна только в начальный период и в особенности в интервале 550—600° С. Далее, например, начиная с температуры, соответствующей точке а, охлаждение можно вести замедленно по кривой 2 при этом, так же как и при охлаждении по кривой 1, будет получен мартенсит. Для уменьшения внутренних напряжений коробления и опасности образования трещин желательно замедленное охлаждение в момент превращения аустенита в мартенсит (Mн) с тем, чтобы температура по сечению поверхности закаливаемого слоя выровнялась и превращение шло во всем объеме одновременно. Таким образом, желательно, чтобы охлаждающая среда обеспечивала большую ско­рость охлаждения в интервале (550—600)°С и замедлен­ное охлаждение в интервале 250—300° С.

Наилучшие свойства имеет масляный душ во всем диапазоне давлений. Скорость охлаждения масляным душем в области минимальной устойчивости аустенита достаточна для того, чтобы обеспечить получение мартенсита в углеродистой стали. Небольшая скорость охлаждения в момент аустенитно-мартенситного превращения максимально гарантирует от образования трещин при закалке деталей сложной формы. Конечно, применение закалки масляным душем встречает некоторые технические трудности. Необходимо создание специальной замкнутой системы снабжения закалочных устройств маслом, поддержание необходимой температуры масла. В первый момент попадания масла на разогретую по­верхность возможны вспышки, появляется дым, что тре­бует усиленной вентиляции. закаленных изделий.

Этот вид термообработки позволяет получить стальные детали с закаленным твердым поверхностным слоем при сохранении вязкой серцевины (поверхность – мартенсит, серцевина - феррит).Такие детали хорошо работают на истирание и одновременно выдерживают ударные нагрузки.

Для осуществления поверхностной закалки необходимо нагреть поверхность детали с очень высокой скоростью, а затем форсированно охладить ее.

При этом поверхностный слой детали заданной толщины должен успеть прогреться до заданной температуры структурных превращений в стали, и, следовательно, при закалиться.

Передача тепла во внутренние слои должна быть минимальной. (ТУ на закалку)

Индукционный нагрев под поверхностную закалку отличается от других видов нагрева следующими преимуществами:

1. Высоким качеством нагрева

2. Высокой производительностью

3. Отсутствием предварительной подготовки поверхности

4. Отсутствием нежелательных побочных явлений (деформации, загрязнения, и т.д.)

Технические условия на закалку

ТУ должны гарантировать необходимую работоспособность детали. В них входят: размеры закаленной зоны, глубину закаленного слоя, твердость поверхности.

Твердость, близкая к максимальной, достигается при содержании углерода в стали около 0,6 %.

При дальнейшем повышении содержания углерода (С) твердость увеличивается незначительно. Но при этом снижаются пластические свойства стали и возникает опасность образования трещин.

Стали с содержанием углерода менее 0,35 % для поверхностной закалки индукционным способом не применяются.

Для закалки используются стали марок 35, 40, 45, 55, если требуемая глубина закаленного слоя 3 ¸ 4 мм.

Если требуется более глубокая закалка, выбирают стали, легированные хромом, ванадием, никелем, марганцем, кремнием марок 45Х, 50Г, 40ХС, 45ХН.

Глубина закаленного слоя зависит от условий работы детали, требований к ее прочности. Изгибная прочность и прочность на кручение для цилиндрических деталей достигаются при глубине закаленного слоя Хк = 10 % от Д детали.

Для деталей, работающих на кручение, целесообразно задать глубину закаленного слоя 1¸2 мм.

Кроме основных ТУ необходимо дополнительно оговаривать условия, отражающие особенности формы детали, наличие отверстий, зубьев, пазов.

Температура структурных превращений, до которой следует нагреть поверхностный слой для закалки, зависит от марки стали и скорости нагрева. Чем больше скорость нагрева, тем выше температура, при которой должны произойти структурные превращения. При индукционном нагреве под закалку наиболее распространенных марок стали рабочая температура в среднем составляет 850 ¸ 900 °С. Закаленным считается слой стали, содержащий 50 % мартенсита.

Глубину закаливания слоя В_К определяют исходя из соображений наибольшей прочности и износостойкости детали в условиях ее эксплуатации. Опыт показывает, что цилиндрические изделия малых и средних размеров имеют наибольшую прочность, когда закаленный поверхностный слой составляет 5 ¸10 % от диаметра изделия.

С увеличением диаметра относительная глубина закаленного слоя уменьшается.

Основными параметрами, характеризующими в/ч закалку, является:

1. Глубина закаленного слоя В_К, равная расстоянию от поверхности до той зоны, где в структуре имеется 50 % мартенсита.

Практически эта глубина определяется по твердости, т.к. для каждой марки стали твердость полумартенситной структуры известна.

2. Время нагрева под закалку – время, необходимое для повышения температуры слоя глубиной В_К до закаленной. При выбранной частоте тока время закалки в большинстве случаев определяет глубину закаленного слоя. Кроме того, оно является единственным параметром режима нагрева, который точно дозируется при помощи реле времени и легко контролируется.

Поэтому время нагрева может быть принято в качестве основного параметра режима нагрева.

3. Температура закалки Т_К – температура, при достижении которой за время t_К произойдут необходимые структурные изменения. Для каждой марки стали существует оптимальный интервал температур.

4. Перегрев наружного слоя _ΔТ- превышение температуры поверхности закаливаемой стали над температурой закалки на глубине В_К .

5. Скорость нагрева Vн (°С /сек) - средняя скорость в интервале температур структурных превращений, т.е. от момента достижения температуры, соответствующей потере магнитных свойств, до момента достижения температуры закалки.

6. Критическая скорость охлаждения.

7. Мартенсит при закалке получается только при условии охлаждения со скоростью, превышающей определенную, так называемую критическую. Для каждой марки стали характерна своя критическая скорость охлаждения. Скорость охлаждения по мере удаления от поверхности резко уменьшается. В зависимости от скорости охлаждения применяют различные охлаждающие среды. Изделия из углеродистой стали обычно охлаждают в воде или водном растворе соли. Легированные стали требуют меньших скоростей охлаждения. Для них применяют масло (скорость охлаждения 50 ¸ 200 град/ с). Термический КПД (ηт). Под ηт понимают отношение тепла, необходимого для нагрева поверхностного слоя глубиной В_К до температуры Т_К , ко всему теплу, передаваемому изделию. ηт определяется типом нагрева и температурой перегрева.

Дата добавления: 2014-01-07