Закалка стали

Закалка стали
Закалкой называется операция термической обработки, состоя¬щая из нагрева до температур выше верхней критической точки AC3 для доэвтектоидной стали и выше нижней критической точки АС1 для заэвтектоидной стали и выдержки при данной температуре с последующим быстрым охлаждением (в воде, масле, водных раство¬рах солей и пр.).
В результате закалки сталь получает структуру мартенсита и благодаря этому становится твердой.
Закалка повышает прочность конструкционных сталей, придает твердость и износостойкость инструментальным сталям.
Режимы закалки определяются скоростью и температурой на¬грева, длительностью выдержки при этой температуре и особенно скоростью охлаждения.

Выбор температуры закалки.
Температура нагрева стали для закалки зависит в основном от химического состава стали. При за¬калке доэвтектоидных сталей нагрев следует вести до температуры на 30 - 50° выше точки АС3. В этом случае сталь имеет структуру однородного аустенита, который при последующем охлаж¬дении со скоростью, превышающей критическую скорость закалки, превращается в мартенсит. Такая закалка называется полной. При нагреве доэвтектоидной стали до температур AC1 — АC3 в структуре мартенсита сохраняется некоторое количество оставше¬гося после закалки феррита, снижающего твердость закаленной ста¬ли. Такая закалка называется неполной.

Для заэвтектоидной ста¬ли наилучшая температура закалки — на 20—30° выше АС1 , т. е. неполная закалка. В этом случае сохранение цементита при нагреве и охлаждении будет способствовать повышению твердости, так как твердость цементита больше твердости мартенсита. Нагревать заэвтектоидную сталь до температуры выше Аст не следует, так как твердость получается меньшей, чем при закалке с температуры выше АС1,за счет растворения цементита и увеличения количества остаточного аустенита. Кроме того, при охлаждении с более высоких температур могут возникнуть большие внутренние напря-жения.

Скорость охлаждения.
Для получения структуры мартенсита требуется переохладить аустенит путем быстрого охлаждения ста¬ли,находящейся при температуре наименьшей устойчивости аусте¬нита, т. е.при 650—550° С.
В зоне температур мартенситного превращения, т. е,ниже 240°С, наоборот, выгоднее применять замедленное охлаждение, так как образующиеся структурные напряжения успевают выравняться, а твердость образовавшегося мартенсита практически не снижается.
Правильный выбор закалочной среды имеет большое значение для успешного проведения термической обработки.
Наиболее распространенные закалочные среды —вода, 5—10%-ный водный раствор едкого натра или поваренной соли и минераль¬ное масло. Для закалки углеродистых сталей можно рекомендовать воду с температурой 18° С; а для закалки большинства легирован¬ных сталей — масло.



Закаливаемость и прокаливаемость стали.
При закалке стали важно знать ее закаливаемость и прокаливаемость. Эти характерис-тики не следует смешивать.

Закаливаемость показывает способность стали к повы¬шению твердости при закалке. Некоторые стали обладают плохой закаливаемостью, т.е. имеют недостаточную твердость после за¬калки. О таких сталях говорят, что они «не принимают» закалку.
Закаливаемость стали зависит в основном от содержания в ней углерода. Это объясняется тем, что твердость мартенсита зависит от степени искажения его кристаллической решетки. Чем меньше в мартенсите углерода, тем меньше будет искажена его кристалли-ческая решетка и, следовательно, тем ниже будет твердость стали.
Стали, содержащие менее 0,3% углерода, имеют низкую зака¬ливаемость и поэтому, как правило, закалке не подвергаются.

Прокаливаемость стали характеризуется ее способ¬ностью закаливаться на определенную глубину. При закалке по¬верхность детали охлаждается быстрее, так как она непосредствен¬но соприкасается с охлаждающей жидкостью, отнимающей тепло. Сердцевина детали охлаждается гораздо медленнее, тепло из цент¬ральной части детали передается через массу металла к поверх¬ности и только на поверхности поглощается охлаждающей жидкостью.
Прокаливаемость стали зависит от критической скорости за¬калки: чем ниже критическая скорость, тем на большую глубину прокаливаются стальные детали. Например, сталь с крупным при¬родным зерном аустенита (крупнозернистая), которая имеет низ¬кую критическую скорость закалки, прокаливается на большую глу¬бину, чем сталь с мелким природным зерном аустенита (мелкозернистая), имеющая высокую критическую скорость закалки. Поэто¬му крупнозернистую сталь применяют для изготовления деталей, которые должны иметь глубокую или сквозную прокаливаемость, а мелкозернистую — для деталей с твердой поверхностной закален¬ной коркой и вязкой незакаленной сердцевиной. На глубину прокаливаемости влияют также исходная структура закаливаемой стали, температура нагрева под закалку и закалочная среда.
Прокаливаемость стали можно определить по излому, по микроструктуре и по твер-дости.

Виды закалки стали.
Су¬ществует несколько способов закалки, применяемых в за¬висимости от состава стали, характера обрабатываемой де¬тали, твердости, которую не¬обходимо получить, и усло¬вий охлаждения.
Закалка в одной среде схематично показана на рис. 1 в виде кривой 1. Такую закалку проще выполнять, но ее можно применять не для каждой стали и не для любых деталей, так как быстрое охлаждение деталей переменного сечения в боль¬шом интервале температур способствует возникновению температур¬ной неравномерности и больших внутренних напряжений, что может вызвать коробление детали, а иногда и растрескивание (если вели¬чина внутренних напряжений превзойдет предел прочности).
Чем больше углерода в стали, тем больше объемные изменения и структурные напряжения, тем больше опасность возникновения трещин.



Рис. 1. Кривые охлаждения для различных способов закалки

Заэвтектоидные стали закаливают в одной среде, если детали имеют простую форму (шарики, ролики и т. д.). Если детали слож¬ной формы, применяют либо закалку в двух средах, либо ступенча¬тую закалку.
Закалку в двух средах (кривая 2)применяют для инструмента из высокоуглеродистой стали (метчики, плашки, фре¬зы). Сущность способа состоит в том, что деталь вначале замачива¬ют в воде, быстро охлаждая ее до 300—400° С, а затем переносят в масло, где оставляют до полного охлаждения.

Ступенчатую закалку (кривая 3) выполняют путем быстрого охлаждения деталей в соляной ванне, температура кото¬рой намного выше температуры начала мартенситного превращения (240—250° С). Выдержка при этой температуре должна обеспечить выравнивание температур по всему сечению детали. Затем детали охлаждают до комнатной температуры в масле или на спокойном воздухе, устраняя тем самым термические внутренние напряжения.
Ступенчатая закалка уменьшает внутренние напряжения, ко¬робление и возможность образования трещин.
Недостаток этого вида закалки в том, что горячие следы не мо¬гут обеспечить большую скорость охлаждения при температуре 400—600° С. В связи с этим ступенчатую закалку можно применять для деталей из углеродистой стали небольшого сечения (до 8—10 мм). Для легированных сталей, имеющих небольшую критическую ско¬рость закалки, ступенчатая закалка применима к деталям большого сечения (до 30 мм).

Изотермическую закалку (кривая 4)проводят так же, как ступенчатую, но с более длительной выдержкой при темпера¬туре горячей ванны (250—300° С), чтобы обеспечить полный распад аустенита. Выдержка, необходимая для полного распада аустенита, определяется по точкам а и b и по S-образной кривой (см. рис. 1). В результате такой закалки сталь приобретает структуру игольча¬того троостита с твердостью HRC45 55 и с сохранением необхо¬димой пластичности. После изотермической закалки охлаждать сталь можно с любой скоростью. В качестве охлаждающей среды ис¬пользуют расплавленные соли: 55% KNO3 + 45% NaNO2 (темпе¬ратура плавления 137° С) и 55% KNO3 + 45% NaNO3 (температура плавления 218° С), допускающие перегрев до необходимой темпера¬туры.
Изотермическая закалка имеет следующие преимущества перед обычной:
минимальное коробление стали и отсутствие трещин; большая вязкость стали.
В настоящее время широко используют ступенчатую и изотерми¬ческую светлую закалки.

Светлую закалку стальных деталей проводят в специ¬ально оборудованных печах с защитной средой. На некоторых инст¬рументальных заводах для получения чистой и светлой поверхности закаленного инструмента применяют ступенчатую закалку с ох-лаждением в расплавленной едкой щелочи. Перед закалкой инстру¬мент нагревают в соляной ванне из хлористого натрия при темпера¬туре на 30—50° С выше точки АС1 и охлаждают при 180—200° С в ванне, состоящей из смеси 75% едкого калия и 25% едкого натра сдобавлением 6—8% воды (от веса всей соли). Смесь имеет тем¬пературу плавления около 145° С и, благодаря тому что в ней находится вода, обладает очень высокой закаливающей способ¬ностью.

При ступенчатой закалке стали с переохлажде¬нием аустенита в расплавленной едкой щелочи с последующим окон¬чательным охлаждением на воздухе детали приобретают чистую светлую поверхность серебристо-белого цвета; в этом случае отпа¬дает необходимость в пескоструйной очистке деталей и достаточна промывка их в горячей воде.

Закалка с самоотпуском широко применяется в инструментальном производстве. Сущность ее состоит в том, что детали не выдерживают в охлаждающей среде до полного охлажде¬ния, а в определенный момент извлекают из нее, чтобы сохранить в сердцевине изделия некоторое количество тепла, за счет которого производится последующий отпуск. После достижения требуемой температуры отпуска за счет внутреннего тепла деталь окончатель¬но охлаждают в закалочной жидкости.
Проконтролировать отпуск можно по цветам побежалости (см. рис. 2), появляющимся на зачищенной поверхности стали при 220—330° С.


Рис. 2. Цвета побежалости при отпуске

Закалку ссамоотпуском применяют для зубил, кувалд, слесарных молотков, кернеров и другого инструмента, требующего высокой твердости на поверхности и сохранения вязкой сердцевины.

Способы охлаждения при закалке.
Быстрое охлаждение стальных деталей при закалке является причиной возникновения в них боль¬ших внутренних напряжений. Эти напряжения иногда приводят к короблению деталей, а в наиболее тяжелых случаях — к трещинам. Особенно большие и опасные внутренние напряжения возни¬кают при охлаждении в воде. Поэтому там, где можно, следует ох¬лаждать детали в масле. Однако в большинстве случаев для деталей из углеродистой стали это невозможно, так как скорость охлаждения в масле значительно меньше критической скорости, необходи¬мой для превращения аустенита в мартенсит. Следовательно, мно¬гие детали из углеродистых сталей рекомендуется закаливать с ох-лаждением в воде, но при этом уменьшать неизбежно возникающие внутренние напряжения. Для этого пользуются некоторыми из описанных способов закалки, в частности, закалкой в двух средах, закалкой с самоотпуском и т. д.
Внутренние напряжения зависят также от способа погружения деталей в закалочную среду. Необходимо придерживаться следую¬щих основных правил:
детали, имеющие толстую и тонкую части, погружать в закалоч¬ную среду сначала толстой частью;
детали, имеющие длинную вытянутую форму (метчики, сверла развертки), погружать в строго вертикальном положении, иначе они покоробятся (рис. 3).


Рис. 3. Правильное погружение деталей и инструментов в за¬каливающую среду

Иногда по условиям работы должна быть закалена не вся деталь, а лишь часть ее. В этом случае применяют местную закалку: деталь нагревают не полностью, а в закалочную среду погружают целиком. В этом случае закаливается только нагретая часть детали.
Местный нагрев мелких деталей производят в соляной ванне, погружая в нее только ту часть детали, которую требуется закалить; так закаливают, например, центры токарных станков. Можно по¬ступать и так: нагреть деталь полностью, а охладить в закалочной среде только ту часть, которая должна быть закалена.

Дефекты, возникающие при закалке стали.
Недостаточная твердость закаленной детали — следствие низкой темепературы нагрева, малой выдержки при рабочей температуре или недостаточной скорости охлаждения.
Исправление дефекта: нормализация или отжиг с последующей закалкой; при¬менение более энергичной закалочной среды.

Перегрев связан с нагревом изделия до температуры, значительно превышающей необходимую температуру нагрева под закалку. Перегрев сопровождается образованием крупнозернистой структуры, в результате чего повышается хрупкость стали.
И справление дефекта: отжиг (нормализация) и последущая закалка с необходимой температуры.

Пережог возникает при нагреве стали до весьма высоких температур, близких к температуре плавления (1200—1300° С) в окислительной атмосфере. Кислород проникает внутрь стали, и по границам зерен образуются окислы. Такая сталь хрупка и исправить ее невозможно.
Окисление и обезуглероживание стали ха¬рактеризуются образованием окалины (окислов) на поверхности дета¬лей и выгоранием углерода в поверхностных слоях. Этот вид брака термической обработкой неисправим. Если позволяет припуск на механическую обработку, окисленный и обезуглероженный слой нужно удалить шлифованием. Чтобы предупредить этот вид брака, детали рекомендуется нагревать в печах с защитной атмосфе¬рой.
Коробление и трещины — следствия внутренних напряжений. Во время нагрева и охлаждения стали наблюдаются объемные изменения, зависящие от температуры и структурных пре¬вращений (переход аустенита в мартенсит сопровождается увеличе¬нием объема до 3%). Разновременность превращения по объему за¬каливаемой детали вследствие различных ее размеров и скоростей охлаждения по сечению ведет к развитию сильных внутренних нап¬ряжений, которые служат причиной трещин и коробления деталей в процессе закалки.
Образование трещин обычно наблюдается при температурах ниже 75—100° С, когда мартенситное превращение охватывает значительную часть объема стали. Чтобы предупредить образова¬ние трещин, при конструировании деталей необходимо избегать резких выступов, заостренных углов, резких переходов от тонких сечений к толстым; следует также медленно охлаждать сталь в зоне образования мартенсита (закалка в масле, в двух средах, ступенча¬тая закалка). Трещины являются неисправимым браком, коробле-ние же можно устранить последующей рихтовкой или правкой.




Основные превращения в железоуглеродистых сплавах при медленном нагревании и охлаждении
Линия на диаграмме Температура превращения, °С Описание превращения Обозначение критических точек
PSK 723 Превращение перлита в аустенит. Превращение аустенита в перлит Ac1, Ar1
MO 768 Потери магнитных свойств для сталей с содержанием углерода до 0,5%. Возникновение магнитных свойств для тех же сталей. Ac2, Ar2
GS 723-910 Окончание растворения феррита в аустените в доэвтектоидных сталях. Начало выделения феррита из аустенита в доэвтектоидных сталях. Ac3, Ar3
SE 723-1130 Окончание растворения цементита в аустените в заэвтектоидных сталях. Начало выделения цементита из аустенита в заэвтектоидных сталях. Acm, Arm
IE - Начало плавления стали при нагреве. Окончание затвердевания стали при охлаждении -
ECF - Начало плавления чугуна при нагреве. Окончание затвердевания чугуна при охлаждении -




Источник:
Остапенко Н.Н.,Крапивницкий Н.Н. Технология металлов. М. Высшая школа,1970г.