3.2.2 Закалка сталей

Закалка – основной вид упрочняющей термической обработки сталей и чугунов. При закалке детали нагревают выше критических точек и затем охлаждают со скоростью, превышающей критическую. Критическая скорость закалки – минимальная скорость охлаждения, обеспечивающая бездиффузионное превращение аустенита в мартенсит. При этом получается неравновесная структура с высокой твердостью, износостойкостью и прочностью. После закалки обычно следует отпуск для снятия термических напряжений и оптимизации структуры.

Закалка может быть:

1. полная – нагрев на 30…50 ⁰С выше Ас₃.

2. неполная – нагрев на 30…50 ⁰С выше Ас₁.

Перегрев выше указанных температур приводит к росту аустенитного зерна и ухудшению структуры. Для легированных сталей, содержащих карбиды, нагрев ведут на 150…250 ⁰С выше Ас₃ и Ас₁ для полного растворения карбидов перед закалкой.

Температура закалки выбирается в зависимости от температуры критических точек с учетом химического состава стали по рис. 3.9,а.

Рис. 3.9 Температурные области нагрева (а), схемы закалки и структуры доэвтектоидной (б) и заэвтектоидной (в) сталей.

1. Доэвтектоидные стали подвергают полной закалке (рис. 3.9, б), т.к. при этих температурах обеспечивается полное превращение феррито-перлитной структуры в структуру мелкозернистого аустенита, а после охлаждения – мелкокристаллического мартенсита.

2. Эвтектоидные стали подвергают неполной закалке, т.к. нагрев выше температуры Аст снижает твердость стали из-за увеличения остаточного аустенита и вызывает перегрев.

3. Заэвтектоидные стали подвергают неполной закалке (рис. 3.9, в), т.к. при этом перлит полностью превращается в аустенит, а часть вторичного цементита остается нерастворенной, следовательно, структура нагретой стали состоит из аустенита и цементита, а закалка приведет к превращению аустенита в мартенсит, зерна которого окаймлены частицами нерастворенного цементита.

При закалке деталь нагревают, выдерживают и охлаждают.

1. Нагрев под закалку осуществляется в печной атмосфере, расплавленных солях или металлах (обычно свинец).

На рис. 3.10 приведены схемы печей, применяемых для термической обработки деталей. Это камерные, толкательные, шахтные и конвейерные печи.

Рис. 3.10 Печи для термической обработки деталей:

а – камерная, б – толкательная, в – шахтная, г – конвейерная.

По источнику теплоты печи делятся на:

1. электрические;

2. топливные (газовые и мазутные).

Скорость и время нагрева деталей зависят от:

а) температуры и печи,

б) степени легирования стали,

в) объема садки,

г) способа укладки деталей.

Ориентировочно длительность нагрева на 1 мм толщины изделия составляет:

а) в электропечах – 1…2 мин;

б) в пламенных печах – 1 мин;

в) в соляных ваннах – 0,2…0,5 мин;

г) в свинцовой ванне – 0,2…0,15 мин;

2. Время выдержки исчисляется с момента достижения деталями заданной температуры и обычно составляет 15…25 % от времени нагрева.

Для предотвращения обезуглероживания и окисления металла рабочее пространство печи заполняют защитной атмосферой, состав которой постоянно контролируется. Это атмосферы из смеси метана, азота, водорода и оксидов углерода.

3. Охлаждение – наиболее ответственная операция при закалке. Она должна осуществляться со скоростью равной или выше критической скорости (Vкр), чтобы получить структуру мартенсита – 1400…400 ⁰С.

Наилучшая закалочная среда та, которая быстро охлаждает в интервале температур 550…650 ⁰С (область наименьшей устойчивости аустенита) и медленно – ниже 200…300 ⁰С (область мартенситного превращения).

При закалке различают 3 периода охлаждения:

1. пленочное охлаждение – на поверхности детали образуется паровая рубашка, отделяющая поверхность от всей массы жидкости и обуславливающая сравнительно небольшие скорости охлаждения;

2. пузырьковое кипение – наступает при низких температурах охлаждаемой поверхности, когда паровая пленка разрушается, в результате чего происходит быстрый отвод теплоты, т.к. на образование пузырьков пара расходуется большое ее количество;

3. конвективный теплообмен – наблюдается при понижении температуры поверхности ниже температуры кипения жидкости, отвод теплоты в этот период происходит с наименьшей скоростью.

В табл. 3.2 приведены наиболее широко применяемые охлаждающие среды и обеспечиваемые ими скорости охлаждения.

Таблица 3.2

При закалке в воде из-за высоких скоростей охлаждения в области температур мартенситного превращения возникают большие структурные напряжения, что создает опасность возникновения трещин. 8..12 % водные растворы NaCl и NaOH в интервале температур мартенситного превращения охлаждают медленнее, чем вода.

Масло охлаждает значительно медленнее, чем вода, и обеспечивает небольшую скорость охлаждения в области температур мартенситного превращения, т.к. температура кипения масла (250..300 0С) повышает температуру перехода от стадии пузырчатого кипения к конвективному теплообмену и обеспечивает уменьшение скорости охлаждения в области мартенситного превращения.

Закалку углеродистых и некоторых низколегированных сталей проводят в воде и водных растворах NaCl и NaOH. Для легированных сталей применяют минеральное масло.

На практике термической обработки сталей наряду с непрерывной закалкой применяют закалку в двух средах, ступенчатую закалку, закалку с обработкой холодом.

1. Закалка в двух средах – состоит в прерывистом охлаждении изделия:

а) сначала в воде до температуры 300 ⁰С,

б) затем в масле или на воздухе до 20 ⁰С.

Такая закалка обеспечивает быстрое прохождение температурного интервала минимальной устойчивости аустенита при охлаждении в воде, а перенос изделия на воздух или масло уменьшает внутренние напряжения, которые возникли бы при быстром охлаждении.

2. Ступенчатая закалка – состоит в прерывистом охлаждении изделия:

а) сначала в расплавленных солях, имеющих температуру на 180…250 ⁰С выше М_н (рис.3.7,б);

б) затем непродолжительная выдержка для выравнивания температуры по всему сечению изделия;

в) охлаждение на воздухе.

Образование мартенсита происходит в этом случае при охлаждении на воздухе.

Этот метод обеспечивает получение мартенсита в легированных сталях с высокой устойчивостью аустенита в интервале температур перлитного превращения и в изделиях небольшого сечения (10…12 мм) из низко- и среднеуглеродистых сталей. После закалки уровень внутренних напряжений и склонность к образованию трещин меньше.

3. Закалка с обработкой холодом – предусматривает продолжение охлаждения закаленной стали до температур ниже нуля. В структуре закаленных сталей, у которых точка М_к лежит в области минусовых температур (рис. 3.8, б) всегда присутствует значительное количество остаточного аустенита. Обработку холодом проводят для уменьшения его количества. Если останется аустенит, то он в результате самопроизвольного превращения в мартенсит понижает твердость, износостойкость, приводит к изменению размеров деталей работающих при низких температурах.

Такая закалка проводится для мерительного инструмента, пружин и деталей подшипников качения. Обработку холодом выполняют сразу после закалки, а затем проводят низкий отпуск. Выдержка в течение 3…6 ч стабилизирует аустенит и уменьшает эффект обработки холодом.