Подпишитесь на обновления сайта. Получайте новые статьи на почту:

Закалка стали

 

Требуется закалка деталей (стали) ? НТУ ХПИ выполняет все виды работ по  закалке металла. В головах наших заказчиков во всём мире мы ассоциируемся с термином «качество»

Далее более подробно изложено о самой закалке стали, её видах, закалочных средах и других её особенностях.

 

Введение  

В зависимости от исходного химического состава и температуры сплавы на основе системы железо – углерод могут находиться в различном фазовом и структурном состоянии (рис 1).

При этом к сталям относятся сплавы железо – углерод содержащие от 0 до 2,14 % углерода. В зависимости от равновесной структуры, определяемой содержанием углерода, стали подразделяются на доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные. К доэвтектоидным относят стали содержащие от 0 до 0,78 % углерода. К эвтектоидным – стали содержащие около 0,78% углерода. И к заэвтектоидным – стали содержащие от 0,78 до 2,14 % углерода.

диаграмма железо-углерод

 

Рис 1. Диаграмма состояния железо – углерод (железо – цементит).

  Закалка стали

Закалкой называется нагрев стали на 30 – 50 ºС выше температуры аустенизации (Ас3) для доэвтектоидных и эвтектоидных сталей, или выше температуры полного растворения перлита (Ас1) для заэвтектоидных сталей, выдержке при данной температуре для завершения фазовых превращений и последующем охлаждении со скоростью выше критической (рис 2).

Термокинетическая диаграмма превращения переохлажденного аустенита

Рис 2. Термокинетическая диаграмма превращения переохлажденного аустенита, где Vк – критическая скорость закалки, а Vз – оптимальная скорость закалки.

  Для углеродистых сталей критическая скорость охлаждения велика (400-1200 ºС/сек), поэтому охлаждение обычно проводят в воде или водных растворах. Для легированных сталей, аустенит которых более устойчив, критическая скорость охлаждения меньше, поэтому их охлаждают в масле и в других средах.

В большинстве случаев закалка металла не является окончательной операцией термической обработки. Чтобы уменьшить остаточные напряжения и хрупкость, вызванные закалкой, сталь после закалки подвергают отпуску. Достаточно часто при отпуске можно подкорректировать объемные изменения, вызванные закалкой, и стабилизировать размеры, что важно для прецизионных стальных деталей.

Инструментальную сталь, как правило, закаливают для повышения твердости, прочности и износостойкости. Конструкционную же сталь закаливают в первую очередь для повышения прочности, при сохранении высокой вязкости и пластичности. Некоторые виды сталей закаливают исключительно для придания высокой износостойкости.

Температура нагрева стали под закалку 

Выбор температуры нагрева для закалки деталей, в основном, определяется их химическим составом и конкретной целью закалки.  Как уже упоминалось выше, доэвтектоидные и эвтектоидные стали нагревают до температуры на 30 – 50 ºС выше температуры аустенизации (Ас3). При этом исходная структура (перлит + феррит) превращается в аустенит, который при последующем резком охлаждении превращается в мартенсит. Заэвтектоидные стали обычно нагревают на 40 – 80 ºС выше температуры полного растворения перлита (Ас1). В результате образуется аустенит и сохраняется определенное количество нерастворенного цементита (карбидов). После охлаждения такая сталь состоит из мартенсита и нерастворенных карбидов, и характеризуется повышенной твердостью. Верхний предел температуры при нагреве под закалку заэвтектоидной стали принято ограничивать, поскольку чрезмерное увеличение температуры вызывает рост зерна, охрупчивание закаленной стали, и усиливает коробление (рис 3).

Фрагмент диаграммы состояния железо – углерод

  Рис 3. Фрагмент диаграммы состояния железо – углерод (нанесены типичные температуры нагрева под закалку).

В то же время для многих видов сталей температура нагрева под закалку намного превышает указанные выше значения, что вызвано специальным легированием. Например, нагрев под закалку высокохромистых инструментальных и нержавеющих сталей содержащих 11 – 14 % Cr ведут до температур на 150 – 250 ºС выше температуры аустенизации (Ас3). В противном случае в их структуре останется слишком большое количество не растворившихся карбидов, что приведет к снижению твердости и прочности закаленной стали.

Продолжительность нагрева при закалке стали  

Продолжительность нагрева стали под закалку определяется следующими факторами:

1. Необходимо обеспечить прогрев изделия по всему сечению;

2. Должно быть учтено время необходимое для завершения фазовых превращений;

3. Длительность нагрева не должна быть излишне большой, чтобы предотвратить рост зерна и поверхностное обезуглероживание.

Продолжительность нагрева в пламенных и электропечах обычно вычисляют из расчета 1 мин на 1 мм сечения детали плюс время, необходимое для завершения фазовых превращений. Прецизионные детали и детали сложных форм при нагреве под закалку рекомендуется предварительно подогревать в печи при температуре 400 – 600 ºС для уменьшения коробления.

Охлаждающие среды для закалки стали

  Охлаждение при закалке стали должно обеспечивать получение мартенсита в заданном сечении детали, и не должно при этом вызывать дефекты: коробление, трещины, излишне высокие остаточные напряжения и т.п.

Высокая скорость охлаждения при закалке предпочтительна в температурном интервале от точки аустенизации вплоть до начала мартенситного превращения (Ас3 – Мн, или Ас1 – Мн). Это позволяет подавить промежуточный перлитный распад переохлажденного аустенита и обеспечить наиболее полное мартенситное превращение. Однако когда мартенситное превращение уже пошло (Мн – Мк) предпочтительной является пониженная скорость охлаждения. Сохранение высокой скорости охлаждения в температурном интервале мартенситного превращения нежелательно, поскольку может привести к росту остаточных напряжений вплоть до растрескивания изделий.

Следует отметить, что слишком медленное охлаждение (медленнее 50 – 100 ºС/час) в интервале температур (Мн – Мк) также бывает нежелательно, поскольку может вызвать частичный отпуск мартенсита и увеличение количества остаточного аустенита в закаленной стали. В результате, твердость такой стали окажется пониженной.

В качестве охлаждающих сред для закалки стали обычно используют кипящие жидкости: воду, водные растворы солей и щелочей, керосин, и наиболее часто – закалочные минеральные масла. При закалке в этих средах различают три основных периода охлаждения (рис 4):

Скорость охлаждения стали в различных охлаждающих средах при закалке

Рис 4. Скорость охлаждения стали в различных охлаждающих средах при закалке: 1 – вода; 2 – 10%-ный водный раствор NaОН; 3 – 10%-ный водный раствор NaCl; 4 – минеральное масло.

1. Пленочное охлаждение: на поверхности закаливаемой детали образуется так называемая “паровая рубашка”. В этот период скорость охлаждения невелика из-за отсутствия стабильного контакта охлаждающей среды с поверхностью закаливаемой детали.

2. Пузырьковое кипение: при разрушении “паровой рубашки” обеспечивается прямой контакт поверхности закаливаемой детали с охлаждающей средой и наступает наиболее интенсивный отвод теплоты.

3. Конвективный теплообмен: при завершении кипения охлаждающей среды на поверхности закаливаемой детали наступает стадия конвективного теплообмена, при которой подогретые слои жидкости, расширяясь, устремляются в верхнюю зону закалочного бака, а на их место поступает охлаждающая среда из более холодных центральных и нижних зон.  В этот период теплоотвод характеризуется наименьшей интенсивностью.

Относительная скорость охлаждения для различных закалочных сред и типичный температурный интервал в режиме пузырькового кипения приведены в таблице 1.

Таблица 1. Относительная охлаждающая способность закалочных сред.

Охлаждающая среда и ее исходная температура.

Температура пузырькового кипения ºС.

Относительная интенсивность охлаждения в интервале пузырькового кипения.

Вода 20 ºС

400 – 100

1,0

Вода 40 ºС

350 – 100

0,7

Вода 80 ºС

250 – 100

0,2

10%-ный водный раствор NaCl, 20 ºС

650 – 100

3,0

10%-ный водный раствор NaОН, 20 ºС

650 – 100

2,0

Минеральное масло, 20 – 200 ºС

500 – 250

0,3

Для закалки углеродистой и отдельных видов низколегированных сталей чаще всего применяют воду и водные растворы NaCl и NaОН, поскольку устойчивость переохлажденного аустенита у этих сталей невелика.

Вода как закалочная среда имеет определенные недостатки:

1. Слишком высокая скорость охлаждения в области температур мартенситного превращения, что часто становится причиной дефектов и выбраковки части закаленных деталей.

2. С повышением температуры воды ее закалочная способность стремительно снижается, в связи с чем необходим строгий контроль за температурой воды в закалочном баке.

Для закалки легированных сталей, устойчивость переохлажденного аустенита у которых высока, наибольшее распространение в качестве охлаждающей среды получили минеральные масла.

Минеральные масла как закалочная среда имеют определенные преимущества:

1. Постоянство закаливающей способности в широком интервале температур (40 – 150 ºС, и даже 20 – 200 ºС).

2. Невысокая скорость охлаждения в температурном интервале мартенситного превращения, что позволяет полностью избежать или свести к минимуму появление закалочных дефектов.

Следует отметить, что несмотря на стабильность охлаждающей способности в широком интервале температур, все-же рекомендуется поддерживать температуру закалочного масла в диапазоне 60 – 90 ºС, когда его вязкость минимальна.

Закаливаемость и прокаливаемость стали 

Закаливаемостью называют способность стали увеличивать твердость при закалке. Основным фактором влияющим на закаливаемость стали является содержание углерода (чем больше в мартенсите углерода, тем выше твердость). Остальные легирующие элементы изменяют закаливаемость незначительно.

Прокаливаемость – это способность стали получать закаленный слой с мартенситной структурой и высокой твердостью на определенную глубину. Прокаливаемость, косвенным индикатором которой является критическая скорость охлаждения, сильнее всего зависит от легирования (добавки Mn, Cr, Ni, Mo, W, V и т.д.), и незначительно зависит от содержания  углерода (рис 5, 7).

Прокаливаемость стали в ограниченных сечениях можно определить по распределению твердости по сечению образцов (рис 5).

В общем случае прокаливаемость определяют методом торцовой закалки. Цилиндрический образец стандартных размеров и формы (рис 6), нагретый под закалку по стандартному режиму, охлаждают с торца водой на специальной установке. Когда охлаждение образца завершено, измеряют твердость по его длине (высоте). Поскольку скорость охлаждения по мере удаления от торца убывает, то закономерно уменьшается и твердость. Результаты измерений отображают на графике в координатах: твердость – расстояние от торца.

Распределение твердости по сечению закаленной стали

Рис 5. Распределение твердости по сечению закаленной стали в зависимости от состава: а) – сталь с 0,4 % С; б) – сталь с 0,4 % С, 0,85 % Mn и 1,0 % Cr; в) – сталь с 0,4 % С, 3,5 % Ni и 1,5 % Cr. Цифрой 1 показана твердость полумартенситной зоны (50 % мартенсита) в HRC.

  Прокаливаемость стали, даже одной и той же марки, может изменяться в значительных пределах из-за неоднородности химического состава, размера и формы детали, величины зерна, предыстории термической (и термомеханической) обработки и других технологических факторов. Поэтому прокаливаемость каждой марки стали описывают не кривой, а так называемой полосой прокаливаемости, которая точнее отражает прокаливаемость стали в изделии. Определение прокаливаемости методом торцовой закалки

 Рис 6. Определение прокаливаемости методом торцовой закалки: а) – изменение твердости по длине образца; б) – схема торцовой закалки; 1) – охлаждение в масле; 2) – охлаждение в воде.

Полосы прокаливаемости сталей различного состава

  Рис 7. Полосы прокаливаемости сталей различного состава. Цифрой 1 указана твердость полумартенситной зоны (50 % мартенсита) в HRC.

Типичные полосы прокаливаемости для углеродистой и легированных конструкционных сталей содержащих 0,4 % С приведены на рис 7. Рис 7 также наглядно демонстрирует влияние легирующих элементов на прокаливаемость стали.

Основные виды объемной закалки

Непрерывная закалка

  Непрерывной закалкой называют закалку в одном охладителе. Это самый распространенный вид закалки подходящий для большинства марок сталей и деталей относительно простой геометрии. Все остальные виды закалки, как правило, применяются для деталей сложной формы, деталей с переменными сечениями, а также для случаев, когда частично можно пожертвовать твердостью закаленной детали ради достижения максимальной конструктивной прочности и вязкости.

Прерывистая закалка.

  Прерывистой закалкой называют последовательную закалку в двух охлаждающих средах. Наиболее часто применяемый вид прерывистой закалки заключается в предварительном охлаждении в воде (или водных растворах) до температуры несколько выше Мн, а затем в быстром переносе в менее интенсивный охладитель (чаще всего в масло), в котором деталь остывает окончательно. Второй, также распространенный вид прерывистой закалки, это прерывистая закалка в масле с последующим охлаждением на воздухе в интервале (Мн – Мк). Этот вид закалки часто применяется для высоколегированных высокопрочных сталей эксплуатируемых в сложнонапряженном состоянии. Основным достоинством прерывистой закалки является уменьшение внутренних напряжений и увеличение конструктивной прочности закаленной стали.

Ступенчатая закалка 

При ступенчатой закалке сталь подвергают охлаждению, как только она нагревается до заданной температуры, и исключают дополнительную выдержку для завершения фазовых превращений. Такой вид закалки подходит только для нелегированных и некоторых низколегированных сталей, фазовые превращения в которых протекают с высокой скоростью. Для остальных классов сталей такая закалка не применима. Выигрыш, которого позволяет достичь ступенчатая закалка, заключается в уменьшении коробления и фазовых напряжений.

Неполная изотермическая закалка

  Неполная изотермическая закалка заключается в быстром охлаждении до температуры чуть выше Мн, а затем в кратковременной (5 – 15 мин) выдержке при этой температуре, с последующим спокойным охлаждением, как правило, проводимым на воздухе. Температура промежуточной выдержки при неполной изотермической закалке в основном зависит от марки стали и температуры Мн, и обычно лежит в пределах 225 – 360 ºС. Неполная изотермическая закалка частично стабилизирует переохлажденный аустенит, в результате чего твердость закаленной стали уменьшается, а вязкость – возрастает.

Полная изотермическая закалка 

Полная изотермическая закалка отличается от неполной тем, что выдержка при температуре чуть выше Мн, значительно более длительная (45 – 60 мин и более). Температура, при которой производится промежуточная изотермическая выдержка также чуть выше (275 – 400 ºС) и граничит с областью бейнитного превращения переохлажденного аустенита. Далее следует спокойное окончательное охлаждение. Структура стали подвергнутой полной изотермической закалке преимущественно состоит из бейнита и остаточного аустенита. На окончательном этапе охлаждения может образоваться мартенсит, количество которого невелико. В результате полной изотермической закалки можно получить максимальные значения конструктивной прочности и вязкости закаленной стали. Однако твердость при полной изотермической закалке обычно не превышает 60 – 70 % от максимально достижимой для стали данной марки.

Понравилась статья? Расскажите друзьям.
Общайтесь с нами:

Добавить комментарий