Закалка сталей

Закалка является основным видом упрочняющей термической обра­ботки сталей и чугунов. При закалке детали нагревают выше критиче­ских температур, а затем охлаждают со скоростью, превышающей критическую. Под критической скоростью закалки понимают мини­мальную скорость охлаждения, обеспечивающую бездиффузионное превращение аустенита в мартенсит. Это позволяет получить неравно­весную структуру с высокой твердостью, износостойкостью и прочно­стью. После закалки стали обычно следует отпуск, позволяющий снять термические напряжения и оптимизировать ее свойства.

Температуру закалки (рис. 3.8, а) выбирают в зависимости от тем­пературы критических точек с учетом химического состава сталей. Для углеродистых сталей температура закалки определяется по левой ниж­ней части диаграммы Fe-Fe3C. В зависимости от температуры нагрева закалка бывает полной и неполной. При полной закалке изделия нагре­вают на 30...50 °С выше линии Ас , а при неполной - на 30...50 °С выше линии Ас^. Перегрев выше указанных температур приводит к ухудше­нию структуры углеродистых сталей из-за роста аустенитного зерна. Для легированных сталей, содержащих специальные карбиды, нагрев ведут на 150...250 °С выше критических точек для полного растворения карбидов перед закалкой.

Рис. 3.8. Температурные области нагрева (а), схемы закалки и структуры доэвтектоидной (б) и заэвтектоидиой (в) сталей

Доэвтектоидные стали, как правило, подвергают полной закал­ке {Ас + 30...50 °С), так как при этих температурах обеспечивается полное превращение ферритно-перлитнои структуры в структуру мелкозернистого аустенита, а соответственно, после охлаждения - мелкокристаллического мартенсита (рис. 3.8, б). Неполная закалка с межкритических температур приводит к сохранению в структуре закаленной стали кристаллов доэвтектоидного феррита. Из-за низ­кой твердости феррита твердость стали после закалки будет неодно­родна и существенно понижена, поэтому неполная закалка доэвтек-тоидных сталей применяется редко.

При нагреве заэвтектоидных сталей на 30...50 °С выше температуры точки Д, перлит полностью превращается в аустенит, а часть вторично­го цементита остается нерастворенной, следовательно, структура на­гретой стали состоит из аустенита и цементита. Ее закалка приведет к превращению аустенита в мартенсит, зерна которого окаймлены час­тицами нерастворенного цементита (рис. 3.8, в). Такая сталь обладает повышенной твердостью и износостойкостью. Закалка заэвтектоид­ных сталей от температур выше Лет снижает твердость стали из-за уве­личения количества остаточного аустенита и, самое главное, может вызвать перегрев. Поэтому для заэвтектоидных сталей обычно при­меняется неполная закалка.

Нагрев под закалку осуществляется в печной атмосфере, расплав­ленных солях или металлах (обычно свинец). На рис. 3.9 приведены схемы печей, применяемых для термической обработки деталей. Это камерные, толкательные, шахтные и конвейерные печи.

Puc. 3.9. Печи для термической обработки деталей: а - камерная; б - толкательная; в - шахтная; г - конвейерная

По источнику теплоты печи подразделяются на электрические и топливные (газовые и редко мазутные).

Скорость и время нагрева деталей зависят от температуры в печи, степени легирования стали, конфигурации деталей, мощности и типа печи, объема садки и способа укладки деталей.

Время выдержки исчисляется с момента достижения деталями за­данной температуры и так же, как и время нагрева, зависит от мно­гих факторов, влияющих на структурные превращения, происходя­щие в стали. Ориентировочные значения длительности нагрева на 1 мм толщины изделия составляют в электропечах 1...2 мин, в пла­менных печах - 1, в соляных ваннах - 0,2...0,5, в свинцовой ван­не - 0,2...0,15 мин. Время выдержки обычно составляет 15.,.25 % от времени нагрева.

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

Наиболее ответственной операцией при закалке является охлажде­ние, которое должно осуществляться со скоростью, равной или выше критической (V^), чтобы получить структуру мартенсита. Для углероди­стых сталей FKp составляет 1400...400 °С/с. Такие скорости охлаждения достигаются погружением закаленных деталей вхолодную воду или в воду с добавками солей. Быстрое охлаждение необходимо только в интервале наименьшей устойчивости аустенита, а при дальнейшем понижении температур, особенно в мартенситном интервале, быстрое охлаждение не только не нужно, но и нежелательно, так как ведет к увеличению остаточных напряжений и образованию трещин.

Нежелательно и слишком медленное охлаждение в мартенситном интервале, так как может произойти частичный отпуск мартенсита и возрасти количество остаточного аустенита из-за его стабилизации, что снижает твердость стали. Наилучшей закалочной средой является та, которая быстро охлаждает в интервале температур 550...650 °С (об­ласть температур наименьшей устойчивости аустенита) и медленно - ниже 200...300 °С (область температур мартенситного превращения).

При закалке различают три периода охлаждения:

1) пленочное охлаждение - на поверхности детали образуется па­ровая рубашка, отделяющая поверхность от всей массы жидкости и обусловливающая сравнительно небольшие скорости охлаждения;

2) пузырьковое кипение - наступает при низких температурах ох­лаждаемой поверхности, когда паровая пленка разрушается; в резуль­тате этого происходит быстрый отвод теплоты, так как 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.

При закалке в воде из-за высоких скоростей охлаждения в области температур мартенситного превращения возникают большие струк­турные напряжения, что создает опасность возникновения трещин. При использовании горячей воды снижается скорость охлаждения в интервале температур 550...650 °С, а скорость охлаждения в области мартенситного превращения остается высокой и вероятность образо­вания трещин не уменьшается. Наиболее высокой и равномерной ох­лаждающей способностью обладают 8...12%-ные водные растворы NaCl и NaOH. В интервале температур мартенситного превращения эти растворы охлаждают медленнее, чем вода.

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

Охлаждающие среды

Таблица 3.2

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

В практике термической обработки сталей наряду с непрерывной закалкой широкое применение находят закалка в двух средах и ступен­чатая закалка. Закалка в двух средах состоит в прерывистом охлажде­нии изделия - сначала в воде до температуры 300 °С, а затем в масле или на воздухе до 20 °С. Такой режим закалки обеспечивает быстрое прохождение температурного интервала минимальной устойчивости аустенита при охлаждении в воде, а перенос изделия на воздух или в масло уменьшает внутренние напряжения, которые возникли бы при быстром охлаждении.

Ступенчатая закалка включает охлаждение нагретого изделия сначала в расплавленных солях, имеющих температуру на 180...250 °С выше МИ (см. рис. 3.6, б), непродолжительную выдержку для выравнивания температуры по всему сечению изделия, а затем охлаждение на воздухе. Образование мартенсита происходит в этом случае при охлаждении на воздухе. При таком методе закалки получение мартен­сита возможно в легированных сталях с высокой устойчивостью пе­реохлажденного аустенита в интервале температур перлитного пре­вращения и в изделиях небольшого сечения (10... 12 мм) из низко- и среднеуглеродистых сталей. После такой закалки уровень внутренних напряжений и склонность к образованию трещин меньше.

Закалка с обработкой холодом предусматривает продолжение ох­лаждения закаленной стали до температур ниже нуля. В структуре закаленных сталей, у которых точка Мк лежит в области минусовых температур, всегда присутствует значительное количество остаточ­ного аустенита (см. рис. 3.6, б). Обработку холодом проводят для уменьшения его количества. Это особенно важно для сталей, которые используются для изготовления мерительного инструмента, пружин и деталей подшипников качения. Аустенит в результате самопроиз­вольного превращения в мартенсит понижает твердость, износостой­кость, нередко приводит к изменению размеров деталей, работающих при низких температурах.

Обработку холодом выполняют сразу после закалки, а затем про­водят низкий отпуск. Выдержка в течение 3...6 ч стабилизирует аусте­нит и уменьшает эффект обработки холодом.