Для закалки доэвтектоидную сталь нагревают на 20-30° выше Ас 3 , а эвтектоидную и заэвтектоидную на 20-30° выше Ас 1 и после выдержки быстро охлаждают. Охлаждение ведут в воде, масле или на воздухе, в зависимости от состава стали. После закалки сталь становится очень твёрдой и хрупкой. Структура закалённой стали состоит из мартенсита и остаточного аустенита. Заэвтектоидную сталь не следует нагревать для закалки выше Ас т, так как такая температура приведёт к перегреву и снизит качество изделия.
При нагреве в печах поверхностный слой изделия покрывается окалиной и обезуглероживается. Этот брак увеличивается с повышением температуры и увеличением продолжительности выдержки в печи.
Для деталей, не подвергающихся шлифованию или имеющих малый припуск для последующей обработки, этот брак неисправим. Мерами предохранения изделия от окалины и обезуглероживания являются: введение в печь специального газа, избегать также закалки в проточной воде и частой смены воды в баке.
В практике заводов, при закалке инструментов из углеродистой стали весьма сложной конфигурации, в качестве закалочной среды успешно применяют 50-процентный раствор каустической соды. Закалочная ванна с таким раствором должна быть оборудована вытяжной вентиляцией, так как пары раствора, образующиеся во время закалки, вредны для организма.
Для закалки легированной стали в основном применяют минеральные масла. Инструмент из углеродистой стали диаметром до 6-7 мм также охлаждают в масле. Как видно из табл. 6, скорость охлаждения в масле в интервале мартен-ситного превращения сравнительно небольшая (20-50° в минуту), что значительно уменьшает склонность к образованию трещин и деформаций. Большим достоинством охлаждения в масле является то, что масло охлаждает с одинаковой скоростью как при температуре 20°, так и при температуре 100-150°. Следует остерегаться попадания воды в масляную ванну, так как наличие воды может вызвать растрескивание инструмента. Закалка в масле, имеющем температуру свыше 100°, гарантирует от появления трещин по этой причине. Недостатком масла как закалочной среды является: выделение при закалке газов, вредных для здоровья, образование налёта на инструменте, способность масла воспламеняться, ухудшение со временем закаливаемой способности масла и др.
В табл. 7 приведены данные о. применяемых маслах для закалки и отпуска стали.
Хорошей средой для охлаждения малолегированной стали и высокоуглеродистой стали небольших сечений является керосин, обладающий большей скоростью охлаждения, чем масло. Однако недостатком керосина является его горючесть. Поэтому необходимо следить, чтобы керосин не нагревался выше 35-38°. Детали, во избежание воспламенения керосина, необходимо опускать в него быстро. Ванна для закалки должна иметь крышку, обеспечивающую полное прекращение доступа воздуха в случае загорания.
Плоские шаблоны, дисковые фрезы и другие плоские изделия толщиной до 1 мм из углеродистой стали и до 3-4 мм из легированной стали можно закаливать между специально оборудованными полыми закалочными плитами, в которых циркулирует вода.
При пользовании сплошными плитами хороший результат даёт смазывание маслом соприкасающихся с закаливаемой деталью поверхностей и передвижение одной плиты относительно другой. Закалочные плиты надо помещать у самой дверки печи, чтобы изделие не успело остыть при переносе его из печи.
Для сталей с устойчивым аустенитом охлаждающей средой может служить воздух, подаваемый компрессором или вентилятором, а также спокойный воздух. При охлаждении воздухом, подаваемым компрессором или вентилятором, особенно в зимнее время, необходимо перед закалкой проверять, чтобы в воздухопроводе не было воды, так как попадание её на изделие может быть причиной появления трещин.
При применении изотермической или ступенчатой закалки в качестве охлаждающей среды пользуются горячим маслом или легкоплавкими солями. Ввиду того, что температура охлаждающей среды должна быть выше 200°, чаще всего применяют расплавленные легкоплавкие соли. В табл. 8 приведены составы солей, применяемых для соляных ванн.
При большом количестве закаливаемого инструмента закалочная ванна должна быть достаточной ёмкости для того, чтобы охлаждающая среда имела незначительные колебания температуры. В случае необходимости расплавленную соль можно охлаждать продувкой сухого воздуха.
Выбор способа закалки зависит от состава стали, сложности изделия и требуемых свойств.
Закалка в одном охладителе, в особенности углеродистых сталей, сопровождается наибольшим процентом брака из-за образования трещин и коробления. Поэтому этим способом закаливают изделия только несложной формы и цементованные.
Закалка более сложных изделий, изготовленных из углеродистых сталей, производится в двух охладителях: вначале в воде, примерно до температуры 150-180°, а затем в масле.
Продолжительность выдержки в воде до переноса в масло определяется калильщиком и для инструмента средних размеров равна примерно 2-5 сек., например, деталь из стали У8А размером 5 х 25 X 180 мм охлаждается в воде 2 сек., после чего переносится в масло. Твёрдость после закалки R c = 61 - 63. Охлаждение этой детали в воде в течение 5-6 сек. давало 50 -70% брака из-за образования трещин.
Для закалки изделий со сквозными и глухими отверстиями в основном применяется струйчатая закалка. Охлаждение производится в струе воды или водяным душем. После потемнения изделие во избежание самоотпуска охлаждается в масле.
При изотермической закалке нагретое изделие охлаждают в масле или расплавленной соли при температуре немного выше точки мартенситного превращения. После полного окончания превращения аустенита, изделия охлаждают на воздухе. В результате изотермической закалки в стали образуется
структура игольчатого тростита и изделие проиобретает твёрдость R 0 = 40-50 в сочетании с высокой вязкостью. При этом способе закалки резко снижаются случаи растрескивания и коробления. В инструментальном деле изотермическая закалка применяется редко из-за низкой твёрдости. В табл. 9 приведено время охлаждения цилиндров в солях с разной температурой.
Для закалки изделий небольших размеров (до 10-12 мм) применяется ступенчатая закалка, отличающаяся от изотермической закалки временем пребывания изделия в охлаждающей среде. При этой закалке изделие находится в охладителе с температурой 220-250° только до выравнивания температуры по всему сечению, после чего охлаждается на воздухе. Во время охлаждения на воздухе происходит превращение аустенита в мартенсит. Изделие после выгрузки из охладителя можно первое время править, что является большим достоинством этого процесса. При размерах изделий свыше 10-12 мм горячая охлаждающая среда не сможет обеспечить быстрого охлаждения и они не закалятся до требуемой твёрдости.
На практике полностью себя оправдал следующий вид ступенчатой закалки:
Нагретое изделие охлаждают в масле или легкоплавкой соли с температурой 150-180 o до выравнивания температуры, а затем на воздухе. Хотя при этом способе править изделие невозможно из-за быстрого образования мартенсита, но по сравнению с обычной закалкой этот способ резко снижает брак из-за образования трещин и коробления. Наблюдениями (проведёнными на заводе «Фрезер») за партией свёрл из стали 9ХС, обработанных по этому способу, установлено, что из 80000 шт. закалённых свёрл 52000 не имели коробления, превышающего припуск на шлифование, а в остальных коробление было незначительное, легко исправимое.
В практике термической обработки инструментов иногда закалку совмещают с отпуском. Такая закалка применяется в основном для ударного инструмента, изготовленного из углеродистой стали, в котором твёрдость должна уменьшаться от рабочей части к хвостовику.
Процесс закалки с самоотпуском следует производить в таком порядке: нагреть инструмент до температуры закалки; опустить рабочую часть в воду до потемнения; вынуть и быстро зачистить рабочую часть наждачной бумагой, напильником и т. п. и при появлении требуемого цвета побежалости охладить инструмент в масле.
Закалка при температуре ниже нуля. Структура легированных и высокоуглеродистых сталей после закалки состоит в основном из мартенсита и некоторого количества неразложившегося остаточного аустенита. Превращение остаточного аустенита в мартенсит происходит при последующем отпуске или в результате естественного старения. В некоторых высоколегированных марках сталей (Х12, Х12М и т. п.) аустенит весьма устойчив и полностью превратить его в мартенсит, даже путём многократных отпусков, не удаётся. Хорошим средством для окончательного разложения аустенита является дополнительное охлаждение закалённых изделий до температур -70-80°. В результате этого процесса повышается твёрдость и стабилизируются размеры. Обработка при температурах ниже нуля впервые была исследована и предложена для внедрения в промышленность советским учёным-металловедом Л. П. Гуляевым.
Технологический процесс этого способа закалки следующий: 1) нагрев изделия до требуемой температуры; 2) закалка в обычном для данной стали охладителе; 3) дополнительное охлаждение до температуры -70-80°; 4) отпуск.
При охлаждении до низких температур возникают дополнительные внутренние напряжения, могущие вызвать появление трещин. Мерами, предупреждающими появление трещин, являются ступенчатая закалка и замедленное охлаждение при температурах ниже нуля. Во избежание появления трещин не следует погружать изделия непосредственно в охладитель, а необходимо предварительно завёртывать их в асбест или пользоваться холодильником с двойными стенками. В качестве охладителя применяют жидкий азот, жидкий кислород и т. п.
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:
τ н = 0,1К 1 К 2 К 3 D, мин, (6.1)
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:
τ О = τ Н + τ В (6.2)
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.
Таблица 6.1
Значения коэффициента K 3 в зависимости от расположения изделий в нагревательной печи
Закалка стали
Закалкой стали называется операция термической обработки, заключающаяся в нагреве её по крайней мере выше критической точки Ac1(T.e. до аустенито-ферритного, аустенитного или аустенито-цементитного), выдержке и последующем охлаждении в различных средах с целью получения при комнатной температуре неустойчивых продуктов распада аустенита, а следовательно, повышения твёрдости и прочности.
Для углеродистых сталей точка Ас1 соответствует линии на диаграмме «железо-цементит» и составляет 727°С, В связи с тем, что нагрев ниже этой температуры не приводит к изменению исходной отожженной структуры стали, последующее охлаждение с любой скоростью так же не изменяет ни структуры, ни свойств стали. Следовательно такая операция не является закалкой.
В большинстве случаев основная цель закалки - повышение твёрдости и прочности - достигается превращением аустенита в одну из самых прочных структур - мартенсит. Его образование требует быстрого охлаждения с температуры закалки.
Выбор температуры закалки.
В зависимости от температуры нагрева закалка может быть полной и неполной.
В случае, если нагрев производится выше линии GSE диаграммы (точки асз и Аcm), то полученная при этом однофазная структура аустенита при охлаждении со скоростью больше некоторой критической превращается в чистый мартенсит. Такую закалку называют полной.
При неполной закалке нагрев стали осуществляется выше линии РSК(точка Ac1), но ниже линии GSE. При этом в доэвтектоидных сталях образуется структура аустенит + феррит, а в заэвтектоидных - аустенит + цементит. В таком случае даже охлаждение с очень высокой скоростью не может обеспечить чисто мартенситной структуры, так как избыточные фазы (феррит или цементит) сохраняются в структуре без изменений, В результате в доэвтектоидных сталях получается структура мартенсит + феррит, а в заэвтектоидных – мартенсит + цементит.
Твёрдость мартенсита, представляющего собой пересыщенный твёрдый раствор углерода в -железе, зависит от содержания в нём углерода (рис 1). В среднеуглеродистых и высокоуглеродистых сталях она составляет 55…65 НRС или 550…680НВ.
Феррит одна из самых мягких и малопрочных фаз в сталях. Его твёрдость не превышает 80...100 НВ. Цементит же - весьма твёрдая фаза (около 1000 HV или более 700 НВ). Следовательно присутствие избыточного феррита в структуре закалённой стали резко снижает её твёрдость, в то время как цементит способствует получению более высокой твёрдости.
Рис. 1 Зависимость твёрдости мартенсита от содержания углерода в стали.
Таким образом, для доэвтектоидных сталей целесообразно производить полную закалку на чистый мартенсит, а для заэвтектоидных - неполную, которая кроме мартенсита сохраняет в структуре некоторое количество цементита. Для эвтектоидной стали возможна только полная закалка.
Следует иметь в виду, что нагрев стали при закалке до температур, значительно превышающих критические точки Ac3 и Аcm, вообще не желателен, так как может привести к сильному обезуглероживанию и окислению поверхности деталей, укрупнению зерна аустенита и увеличению внутренних напряжений. В итоге после закалки с таких температур твёрдость поверхности оказывается заниженной, наблюдается повышенная деформация детали, получающийся мартенсит имеет грубое строение и обладает повышенной хрупкостью.
Всё это позволяет придти к выводу, что в зависимости от состава стали её нагрев под закалку целесообразно осуществлять до температур, лежащих на 30... 50 0С выше линии GSK (рис 2)
Рис. 2. Оптимальный интервал температур нагрева под закажу углеродистых сталей.
Скорость охлаждения при закалке
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.
Закалкой стали называют такую операцию термической обработки, при которой стальные детали нагревают до температуры, несколько выше критической, выдерживают при этой температуре и затем быстро охлаждают в воде или масле.
Основное назначение закалки - получение стали с высокими твердостью, прочностью, износостойкостью и другими свойствами. Качество закалки зависит от температуры и скорости нагрева, времени выдержки и скорости охлаждения.
Температуру нагрева под закалку для большинства сталей, в том числе и легированных, определяют по положению критических точек А с1 и А с3 . Для углеродистых сталей температуру закалки можно легко установить по диаграмме железо - углерод .
Быстрорежущие, нержавеющие и другие специальные стали закаливают при более высоких температурах нагрева, чем углеродистые и низколегированные конструкционные и инструментальные. Например, для нержавеющей стали марки 4Х13 температура под закалку берется равной 1050 - 1100°С.
Скорость нагрева
Закалочные среды.
Скорость охлаждения стали в зависимости от закалочных сред
Из таблицы видно, что в 10-процентном водном растворе едкого натра или поваренной соли скорость охлаждения стали в области трооститных превращений (600-600°С) в два раза больше скорости охлаждения в пресной воде. В области мартенситных превращений (300-200°С) соленая и пресная вода охлаждают сталь почти одинаково. Это преимущество водных растворов солей используется в практике термической обработки. Однако термисты чаще всего применяют 5-10-процентный раствор поваренной соли, так как он не разъедает сталь и не действует на руки рабочих, как обезжиривающий едкий натр (каустик).
Для закалки инструмента из сталей У10, У12 водные растворы, чтобы уменьшить коробление стальных деталей, обычно подогревают до 30°С.
В отличие от воды закаливающая способность масла мало зависит от температуры, а скорость охлаждения в масле во много раз меньше, чем в воде. Поэтому, чтобы уменьшить напряжение и избежать образования закалочных трещин, для закалки легированных сталей с более низкой теплопроводностью, чем у углеродистых сталей, используют минеральное масло - веретенное № 2 и 3. При отсутствии масла рекомендуется применять горячую воду (80°С).
Для получения стабильных результатов при закалке необходимо пользоваться одним сортом масла, периодически меняя его или освежая.
Следует отметить, что в процессе охлаждения при закалке в воде вокруг деталей образуется проводником тепла, то скорость охлаждения стали резко уменьшается. Кроме того, паровая рубашка ухудшает прокаливаемость стали, приводит к появлению мягких пятен на поверхности закаливаемых деталей, а иногда и трещин. Поэтому опытные термисты обычно закаливают детали в циркулирующей воде, непрерывно перемещая их в вертикальном или горизонтальном направлениях.
Внутренние напряжения.
В процессе термической обработки, вследствие неодновременности превращений и теплового расширения и сжатия, в разных точках обрабатываемой детали возникают внутренние напряжения. Напряжения могут превосходить не только предел упругости или предел текучести, но и сопротивление разрушению. В последнем случае внутренние напряжения образуют трещины или даже разрушают деталь.
Внутренние напряжения могут быть двух видов - термические и структурные. Термические внутренние напряжения возникают вследствие неравномерности, охлаждения поверхности детали и ее внутренних слоев.
Если деталь имеет сплошное сечение, то при любом охлаждении поверхность охлаждается быстрее, а сердцевина - медленнее. В результате во время охлаждения деталь будет иметь разные температуры и разный удельный объем в разных точках по сечению. Эта разность температур будет тем больше, чем больше отличаются скорость охлаждения на поверхности от скорости охлаждения в центре детали.
Стали, легированные хромом, молибденом, вольфрамом, обладают меньшей теплопроводностью, чем углеродистые, и при закалке скорость их охлаждения на поверхности детали и в центре будет весьма большая.
Для уменьшения скорости охлаждения при закалке и снижения напряжений в них такие детали из легированной стали подвергаются медленному охлаждению только в масле или струе воздуха.
Структурные внутренние напряжения, как и термические Напряжения, возникают вследствие неодновременности превращений во время охлаждения металла и вследствие различных структурныхпревращений в разных точках сечения детали.
Так, при охлаждении высокоуглеродистой стали, нагретой выше критической точки, аустенит превращается в мартенсит и эти превращения сопровождаются изменением объема (образование мартенсита всегда увеличивает объем). Поверхностные слои, где превращения заканчиваются рано, охлаждаясь, испытывают растягивающие напряжения от промежуточной зоны, в которой превращения продолжаются. С течением времени превращения охватывают все более глубокие слои в детали и доходят до сердцевины. Но этим превращениям в сердцевине препятствуют наружные остывшие слои. Следовательно, в сердцевине нарастают сжимающие напряжения, а с поверхности растягивающий момент наибольшей разности напряжений всегда опасен, так как часто вызывает появление в металле трещин. Установлено, что трещины вызывают не сжимающие напряжения, а растягивающие.
На величину остаточных напряжений влияет ряд факторов. Наиболее существенными из них являются: свойства стали (прокаливаемость, температура мартенситного превращения, коэффициент линейного расширения), среда и условия охлаждения, а также форма и размер детали.
Способы закалки.
Под способами закалки подразумевают способы охлаждения деталей в закалочном баке и выбор закалочного охлаждения для получения заданной структуры металла. Чем сложнее по форме деталь, тем серьезнее следует подходить к выбору ее охлаждения. Резкие переходы в сечениях деталей, способствуют различных способов закалки, концентрации внутренних напряжений. Поэтому нужно выбирать такой способ закалки, чтобы детали получались с хорошей твердостью, необходимой структурой и без трещин.
Основными способами закалки стали являются: закалка в одном охладителе, в двух средах, струйчатая, с самоотпуском, ступенчатая и изотермическая закалки.
Закалка в одном охладителе -наиболее простой и распространенный способ. Деталь, нагретую до температуры закалки, погружают в закалочную жидкость, где она находится до полного охлаждения. Этот способ используют при закалке несложных деталей, изготовленных из углеродистых и легированных сталей. Детали из углеродистых сталей охлаждаются в воде (за исключением деталей диаметром не более 3-5 мм); а детали из легированных сталей - в масле. Можно использовать такой способ и при механизированной закалке, когда детали автоматически поступают из агрегата в закалочную жидкость.
Для высокоуглеродистых сталей такой способ закалки неприемлем, так как в процессе закалки создаются большие внутренние напряжения. Высокоуглеродистые стали закаливают с подстуживанием, т. е. нагретую деталь перед охлаждением некоторое время выдерживают на воздухе. Это уменьшает внутренние напряжения в деталях и гарантирует их от образования трещин.
Закалка в двух средах, или прерывистая закалка , - это способ, при котором деталь сначала охлаждают в одной закалочной быстроохлаждающей среде - воде, а затем переносят ее в медленноохлаждающую среду - масло. Он применяется при закалке инструмента, изготовленного из высокоуглеродистой стали.
Недостаток прерывистой закалки заключается в том, что трудно установить время пребывания детали в первой охлаждающей жидкости, так как оно очень незначительно (1 сек. на каждые 5-6 мм диаметра или толщины детали). Излишняя выдержка в воде ведет к увеличению коробления и появлению трещин.
Применение прерывистой закалки требует от термиста высокой квалификации и опыта.
Струйчатая закалка осуществляется охлаждением деталей, нагретых до температуры закалки, струей воды. Такой способ применяют для закалки внутренних поверхностей, высадочных штампов, матриц и другого штампового инструмента, у которого рабочая поверхность должна иметь структуру мартенсита.
При струйчатой закалке паровая рубашка не образуется, что обеспечивает более глубокую прокаливаемость, чем при простой закалке в воде. Скорость охлаждения при этом зависит от температуры, напора воды, диаметра и количества отверстий в брызгале и от угла, образованного струей воды с охлаждаемой поверхностью детали.
Закалка с самоотпуском - это способ, заключающийся в том, что детали выдерживают в охлаждающей среде не до полного охлаждения, т. е. в определенный момент охлаждение прекращают, чтобы сохранить в сердцевине детали тепло, необходимое для самоотпуска. Этот момент устанавливается опытным путем, поэтому качество термической обработки будет во многом зависеть от мастерства термиста.
Контроль за температурой отпуска при этом способе закалки осуществляется по цветам побежалости, возникающим на светлой поверхности детали. Появление цветов побежалости при температуре 200-300°С объясняется образованием на поверхности стали тонкой пленки окисла, цвет которого зависит от его толщины. Например, за небольшой промежуток времени при 220°С сталь покрывается слоем окисла, толщиной 400-450 ангстрем, который придает поверхности светло-желтый цвет.
Закалку с самоотпуском применяют только для закалки ударного инструмента - зубил, бородков, кернов и т.. д., так как у такого инструмента твердость должна равномерно и постепенно понижаться (от рабочей части к хвостовой).
Ступенчатая закалка - это такой способ, при котором нагретые детали охлаждают в медленно охлаждающей закалочной среде (например, расплавленная соль, горячее масло), имеющей температуру для данной стали выше мартенситной точки М н. За время короткой выдержки в горячей среде (масле) температура выравнивается, причем это происходит раньше, чем начинается мартенситное превращение. После этого осуществляется окончательное, обычно медленное охлаждение, во время которого деталь закаливается.
Ступенчатая закалка способствует уменьшению внутренних напряжений, происходящих благодаря незначительной скорости охлаждения. В результате уменьшается деформация деталей и почти полностью исключается возможность появления закалочных трещин.
Ступенчатую закалку широко применяют в массовом производстве, особенно при изготовлении инструмента. Она позволяет править и рихтовать детали в горячем состоянии, так как в момент превращения сталь обладает большой пластичностью.
Для ступенчатой закалки целесообразнее всего использовать глубоко прокаливающиеся углеродистые и легированные стали марок 9ХС, ХГ, ХВГ и др.
Изотермическая закалка - это способ, состоящий в нагреве деталей до заданной температуры и охлаждении в изотермической среде до 220-350°С, что несколько превышает температуру начала мартенситного превращения.
Выдержка деталей в закалочной среде при такой закалке должна быть достаточной для полного превращения аустенита в игольчатый троостит. После этого производится охлаждение на воздухе. При изотермической закалке выдержка при температуре ступеньки значительно больше, чем при ступенчатой закалке.
Закалочные среды для изотермической закалки те же, что и для ступенчатой. После изотермической закалки сталь приобретает высокую твердость и более высокую вязкость.
При изотермической закалке необходима достаточно высокая и равномерная скорость охлаждения, что достигается применением ванн с интенсивно перемешивающейся закалочной средой.
Изотермическую закалку используют при термической обработке, когда нужно получить детали с максимальной прочностью, достаточной пластичностью и вязкостью. Наиболее целесообразно применять изотермическую закалку для тех сталей, которые имеют небольшую устойчивость аустенита в области изотермической выдержки.
Дефекты, возникающие при закалке. В процессе закалки при охлаждении стали в результате структурных превращений и изменения объема металла появляются внутренние напряжения. Эти напряжения приводят к следующим дефектам: образованию трещин, деформации и короблению, изменению объема стали, обезуглероживанию и окислению, появлению мягких пятен, низкой твердости и перегреву.
Закалочные трещины - это неисправимый брак, образующийся в процессе термической обработки. В крупных деталях, например в матрицах и ковочных штампах, закалочные трещины могут появляться даже при закалке в масле. Поэтому такие детали целесообразно охлаждать до 150-200°С с быстрым последующим отпуском.
Трещины возникают при неправильном нагреве (перегреве), большой скорости охлаждения и при несоответствии химического состава стали.
Закалочные трещины возникают также при неправильной конструкции деталей, резких переходах, грубых рисках, оставшихся после механической обработки, острых углах, тонких стенках и т. д.
Закалочные трещины образуются чаще всего при слишком резком охлаждении или нагреве в результате возникающих в деталях внутренних напряжений. Это часто наблюдается при закалке легированных сталей. Поэтому детали из этих сталей нагревают медленнее, чем из углеродистых, и более равномерно.
Закалочные трещины обычно располагаются в углах деталей и имеют дугообразный или извилистый вид.
В заводской практике часто встречаются поверхностные трещины, которые обычно располагаются в виде сплошной или разорванной сетки. Такие трещины возникают в процессе поверхностной закалки при нагреве токами высокой частоты или газопламенной закалки, когда охлаждение ведется слишком холодной водой, а также при перегреве металла.
Поверхностные трещины могут возникать не только в процессе термообработки, но и при шлифовании закаленных деталей, если они были неправильно отпущены.
Равномерный отпуск после закалки и правильные режимы шлифования полностью устраняют возникновение трещин.
Во избежание бравсе участки (части) деталей, на которыхобычно появляются трещины, обматывают асбестовым шнуром и замазывают огнеупорной глиной. Строгое выполнение технологических режимов закалки может сократить количество бракованных деталей до минимума.
Деформация и коробление деталей происходят в результате неравномерных структурных и связанных с ними объемных превращений и возникновения внутренних напряжений при охлаждении.
При закалке стали, коробление во многих случаях происходит и без значительных объемных изменений, в результате неравномерного нагрева и охлаждения деталей. Если, например, деталь небольшого сечения и большой длины нагревать только с одной стороны, то она изгибается, нагретая сторона при этом удлиняется благодаря тепловому расширению и становится выпуклой, а противоположная - вогнутой. При одностороннем охлаждении в процессе закалки (особенно в воде) быстро охлажденная сторона детали за счет теплового сжатия станет вогнутой, а обратная сторона - выпуклой. Следовательно, нагревать и охлаждать детали при закалке следует равномерно.
На деформацию особенно большое влияние оказывает способ охлаждения. Поэтому при погружении деталей и инструмента в закалочную среду надо учитывать их форму и размеры. Например, детали, имеющие толстые и тонкие части, погружают в закалочную среду сначала толстой частью, длинные осевые детали (ходовые винты, штоки, протяжки, сверла, метчики и т. д.) - в строго вертикальном положении, а тонкие плоские детали (диски, отрезные фрезы, пластинки и др.) - ребром.
Очень большое значение для уменьшения деформаций и коробления деталей имеют правильно выбранные и изготовленные приспособления.
При газовой цементации и нитроцементации зубчатых колес, шлицевых и шестеренных валиков, поршневых пальцев, крестовин и других деталей простой и сложной конфигурации применяются специальные и универсальные приспособления.
Для цементации рессорных пальцев используются приспособления с отверстиями.
Шестеренные валики обычно подвергаются химико-термической обработке в универсальных приспособлениях.
При массовом производстве для каждой детали изготовляются специальные приспособления. Стоимость их изготовления быстро окупается. При серийном производстве, когда обрабатываются большие партии разнообразных деталей, более экономично иметь универсальные приспособления.
Приспособления изготовляются литые и сварные из жароупорного сплава Х18Н25С2.
Многие детали - зубчатые колеса, диски, плиты во избежание коробления закаливаются в специальных прессах в штампах.
Обезуглероживание происходит в основном при нагреве в электрических печах и жидких средах (соляных ваннах). Обезуглероживание инструмента - самый серьезный дефект при закалке, так как он в несколько раз снижает стойкость инструмента. Однако заметить такой дефект на готовом инструменте трудно.
На деталях из конструкционных сталей окисление и обезуглероживание легко обнаружить при изготовлении микрошлифа.
Мягкие пятна - это участки на поверхности детали или инструмента с пониженной твердостью. Причинами такого дефекта могут быть наличие на поверхности деталей окалины и загрязнений, вызванных соприкосновением деталей друг с другом в процессе охлаждения в закалочной среде, участки с обезуглероженной поверхностью или недостаточно быстрое движение деталей в закалочной среде (паровая рубашка). Мягкие пятна полностью устраняются при струйчатой закалке и в подсоленной воде.
Низкая твердость чаще всего наблюдается при закалке инструмента. Причинами низкой твердости являются недостаточно быстрое охлаждение в закалочной среде, низкая температура закалки, а также малая выдержка при нагреве под закалку. Чтобы исправить этот дефект, детали или инструмент сначала подвергают высокому отпуску при температуре 600-625°С, а затем - нормальной закалке.
Перегрев при закалке вызывает крупнозернистую структуру с блестящим изломом и, следовательно, ухудшает механические свойства стали. Для измельчения зерна и подготовки структуры для повторной закалки перегретую сталь необходимо подвергать отжигу.
Недогрев получается в том случае, если температура закалки была ниже критической точки А С3 -для доэвтектоидных сталей и А с - заэвтектоидных сталей.
При недогреве структура закаленной стали состоит из мартенсита и зерен феррита, который, как известно, имеет низкую твердость.
Недогрев можно исправить отжигом с последующей нормальной закалкой.
Быстрорежущие, нержавеющие и другие специальные стали закаливают при более высоких температурах нагрева, чем углеродистые и малолегированные конструкционные и инструментальные. Например, для нержавеющей стали марки 4Х13 температура под закалку берется равной 1050 - 1100°С.
Быстрорежущую сталь Р18 закаливают при температуре 1260 - 1280°С (для инструмента диаметром 10 - 15 мм - сверл, разверток и т. д.) и 1280 - 1300°С (для инструмента простой формы - резцов). Такая высокая температура нагрева под закалку быстрорежущей стали необходима для того, чтобы полнее растворить избыточные карбиды и больше перевести их в твердый раствор хрома, вольфрама, ванадия и других легирующих элементов, входящих в состав стали.
Скорость нагрева . Нагрев стали определяется не только допустимой, но и возможно скоростью нагрева. Допустимая скорость должна быть такой, чтобы нагрев не вызывал больших напряжений, приводящих к образованию трещин в деталях.
Скорость нагрева зависит от формы детелей, типа нагревательных печей и нагревательной среды. Напрмер, шар нагревается в три раза, а цилиндр - в два раза медленнее, чем пластинка. С увеличением скорости нагрева производительность нагревательных печей и агрегатов тоже повышается.
Скорость нагрева зависит также от расположения деталей в печи. Если детали плотно распологаютя одна к другой и мешают необходимому доступу тепла, то потребуется больше времени для их прогрева.
Для расчета времени нагрева деталей термисты обычно пользуются технологическими картами.
В технологическую карту входит перечень всех операций обработки детали или группы деталей с указанием подробных данных по этим операциям (температура, время выдержки, среда и температура охлаждения и применяемые приспособления).
Среднее время нагрева деталей из углеродистых сталей под закалку в различных средах.
Время нагрева деталей под закалку в различных средах
Для проведения любого теплового процесса термической обработки нужно не только нагревать металл до заданной температуры, но и выдерживать при этой температуре до полных структурных превращений (растворения карбидов, гомогенизации аустенита) и полного прогрева деталей. Таким образом, общее время пребывания деталей в нагревательной среде состоит из времени нагрева и времени выдержки.
Закалочные среды. Для охлаждения стальных деталей при закалке обычно применяют различные закалочные среды: воду, водные растворы солей, расплавленные соли, минеральные масла и т. д. Закалочные среды резко отличаются друг от друга по своим физическим свойствам, т. е. они с разной интенсивностью отнимают тепло от нагретых под закалку деталей.
Наилучшей закалочной средой считается та, которая быстро охлаждает сталь в интервале температур 650-500°С (область наименьшей устойчивости аустенита) и медленно - ниже 300-200°С (область мартенситного превращения). Однако единой, универсальной закалочной среды пока еще нет, поэтому на практике пользуются различными средами.
В результате закалки сталь получает мартенситную структуру, весьма твердую (свыше 6000 НВ) и хрупкую. Мартенсит представляет собой пересыщенный твердый раствор углерода в α-Fe. Превращение аустенита в мартенсит является бездиффузионным процессом: при быстром охлаждении (со скоростью более 150 0 С/с) кристаллическая гранецентрированная решетка аустенита превращается в решетку α-Fe. Диффузия атомов углерода при этом не успевает произойти, и они сохраняют прежние положения. В результате этого создается напряженное состояние кристаллической решетки, что приводит к высокой твердости и хрупкости закаленной стали.
Для уменьшения хрупкости после закалки всегда проводят отпуск, в результате которого уменьшаются внутренние напряжения и сталь приобретает необходимые физико-механические свойства.
Отпуск закаленной стали осуществляют путем нагрева до температуры ниже критических точек Ас 1 , выдержки при этой температуре и последующего медленного или быстрого охлаждения. Быстрое охлаждение в воде рекомендуется при отпуске легированных сталей во избежание отпускной хрупкости. Углеродистые стали охлаждают на воздухе.
Условно различают низкий, средний и высокий отпуск. Низкий отпуск производится при нагреве до 200 __ 300 0 С. Получаемая при этом структура – отпущенный мартенсит, твердость свыше 5000 НВ. Низкому отпуску подвергаются режущие инструменты, калибры и т.п.
Средний отпуск осуществляется при нагреве от 300 до 500 0 С. В результате среднего отпуска сталь приобретает структуру троостита отпуска, для которого свойственна твердость около 4 000 НВ. Отпуск на троостит применяется при обработке пружин, рессор, штампов, ударного инструмента и т.п. При промежуточном нагреве получаются структуры троосто-мартенсита или троосто-сорбита.
Высокий отпуск производится при нагреве 550-650 0 С. Получаемая при этом структура – сорбит отпуска, твердость около 3 000 НВ. Высокому отпуску подвергаются коленчатые валы, полуоси, шатуны, шатунные болты и многие другие детали машин.
Таким образом, по мере повышения температуры отпуска снижаются характеристики прочности, повышаются характеристики пластичности и ударная вязкость. Для различных марок стали величины этих характеристик будут разные, но общая тенденция их изменения остается одинаковой. Наилучшее сочетание свойств прочности и пластичности имеет сталь после закалки и высокого отпуска (структура сорбита).
Порядок выполнения работы
Работа выполняется группой в 10-12 человек. Каждые два студента производят нормализацию, закалку, низкий и высокий отпуск образца стали.
Определить температуру закалки стали, пользуясь для этого нижней частью диаграммы железо-цементит. Для среднеуглеродистых, доэвтектоидных сталей (марок 40, 45, 50) нормальной температурой закалки является температура на 30-50 0 С выше линии GS, т.е. Ас 3 + (30-50) 0 С.
Определить время нагрева и выдержки образцов, пользуясь данными, приведенными в табл. 5.2.
Определить скорость охлаждения в различных средах. Для этого взять наиболее распространенные закалочные среды, охлаждающие с различной скоростью: воду (скорость охлаждения 600 0 С/с) и масло (скорость охлаждения 150 0 С/с).
Образцы поместить в печь, нагретую до температуры закалки для стали данной марки, и выдержать в печи требуемое время. При нагревании до температуры закалки образцов из стали 40, исходная феррито-перлитная структура превратится в структуру аустенита.
Произвести закалку образца в воде. Для этого необходимо: а) быстро перенести щипцами образец в закалочную ванну с водой во избежание охлаждения образца ниже температуры Ас 3 и получения неполной закалки; б) энергично перемещать образец в ванне с целью устранения образующейся паровой рубашки, которая замедляет процесс охлаждения.
Образцы, охлажденные в масле, обтереть тряпкой, оба торца зачистить на шлифовальной бумаге. Определить твердость закаленных образцов по НRС.
Определить температуру отпуска стали. Поскольку при отпуске происходит изменение структуры и свойств стали и тем в большей степени, чем выше температура отпуска, следует применить различную температуру отпуска от низкой (200 0 С) до высокой (600 0 С).
Определить время выдержки при температуре отпуска из расчета 2-3 мин на 1 мм толщины образца и записать в соответствующую графу протокола.
Определить условия охлаждения. Обычно охлаждение после отпуска производится на воздухе, но можно охлаждать и в воде, и в масле, так как скорость охлаждения не влияет на твердость и структуру стали. Для ускорения работы образцы после отпуска следует охлаждать в воде.
Измерить твердость образцов после каждого вида отпуска, записывая результаты измерений в рабочий журнал и устанавливая по ним примерное значение предела прочности по зависимости
12.В отчете привести график и все необходимые данные режима термической обработки, дать наименование полученной микроструктуры и объяснить влияние термообработки на механические свойства стали.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5