Закалка. Вид термообработки

Закалка. Вид термообработки.

Основные параметры при закалке — температура нагрева и скорость охлаждения. Температуру нагрева для сталей определяют по диаграммам состояния, скорость охлаждения — по диаграммам изотермического распада аустенита .

Температура закалки. Доэвтектоидные стали нагревают до температуры выше критической точки Ас3 на 30—50 °С. Если такие стали нагреть до температуры между критическими точками Ас1 и Ас3 и охладить, то в структуре закаленной стали, кроме мартенсита, будет присутствовать феррит, что существенно ухудшает свойства. Такая закалка называется неполной. Заэвтектоидные стали при закалке нагревают до температуры Ас1+ (40,60 °С). После охлаждения с таких температур получают структуру мартенсита с включением вторичного цементита, который повышает твердость и износостойкость режущего инструмента. Если заэвтектоидную сталь нагреть выше критической точки Аст, то после закалки получится дефектная структура грубоигольчатого мартенсита. Время нагрева зависит от размеров детали и теплопроводности стали, и его обычно определяют экспериментально. Для определения времени нагрева в справочниках приведены также полуэмпирические формулы.

Продолжительность выдержки при температуре закалки выбирают такой, чтобы полностью произошла гомогенизация образовавшегося аустенита.
Охлаждение при закалке. Для получения нужной структуры детали охлаждают с различной скоростью, которая зависит от охлаждающей среды, формы изделия и теплопроводности стали.Режим охлаждения при закалке должен исключать по возможности возникновение больших остаточных закалочных напряжений, но в то же время он должен обеспечить необходимую глубину закаленного слоя. Охлаждающую способность различных сред (табл. 1) оценивают скоростью охлаждения в области температур наименьшей устойчивости переохлажденного аустенита (650—550 °С) и в области мартенситного превращения (300—200 °С). В последнем интервале желательно замедленное охлаждение, так как в этом случае уменьшаются и термические, и структурные напряжения.Выбирая охлаждающие среды, следует учитывать закаливаемость и прокаливаемость данной стали.

Закаливаемость — способность стали принимать закалку, т.е. приобретать при закалке детали высокую твердость. Закаливаемость определяется содержанием углерода в стали. Низкоуглеродистые стали (до 0,20 % С) практически не закаливаются, так как при закалке их твердость не повышается. Под прокаливаемостью понимают глубину прокаливания закаленной зоны. За глубину прокаленной зоны принято считать расстояние от поверхности до слоя, где в структуре будут примерно одинаковые объемы мартенсита и троостита. Чем медленнее происходит превращение аустенита в перлит, т.е. чем больше устойчивость переохлажденного аустенита, чем меньше критическая скорость закалки, тем большепрокаливаемость. На рис. 1 приведены схемы, показывающие изменение скорости охлаждения по сечению изделия. Укрупнение зерен аустенита при нагреве под закалку такжеспособствует увеличению прокаливаемости. Факторы, которые уменьшают устойчивость переохлажденного аустенита (нерастворимые частицы, неоднородность аустенита и др.), уменьшают прокаливаемость.

Характеристикой прокаливаемости является критический диаметр—максимальное сечение, прокаливающееся в данном охладителе на глубину, равную радиусу изделия.

В этом случае и на поверхности изделия, и в его центре скорость охлаждения больше критической (рис. 2). Изделия, имеющие размеры меньше критического диаметра, прокаливаются в данном охладителе насквозь. Зная критический диаметр, можно правильно выбрать сталь для деталей определенных размеров и назначения.Прокаливаемость каждой стали определяют экспериментально. Наиболее простой способ —стандартный метод торцовой закалки. Прокаливаемость углеродистых сталей находится в прямой зависимости от содержания углерода. Для сталей с 0,8 % С это примерно 5—6 мм. Легирующие элементы, увеличивая устойчивость переохлажденного аустенита, уменьшают критическую скорость Vкр закалки (исключение составляет кобальт). Поэтому некоторые легированные стали в результате охлаждения на воздухе приобретают структуру мартенсита. С уменьшением Vкр снижаются внутренние напряжения и вероятность появления брака. Однако понижение температуры мартенситного превращения способствует увеличению количества остаточного аустенита в стали после закалки.

С введением в сталь легирующих элементов закаливаемость и прокаливаемость возрастают. Особенно сильно увеличивают прокаливаемость молибден и бор (кобальт и в этом случае действует противоположно). Карбидообразующие элементы повышают прокаливаемость только в том случае, если они при нагреве растворились в аустените. В противном случае указанные элементы являются центрами распада аустенита и прокаливаемость будет даже ухудшаться. Температура нагрева легированных сталей под закалку по сравнению с углеродистыми сталями выше. Это объясняется, во-первых, тем, что большинство легирующих элементов повышает температуру критических точек А1 и A3. Во-вторых, диффузионные процессы в легированных сталях протекают значительно медленнее, так как легирующие элементы образуют твердые растворы замещения, а углерод — внедрения.

Рис.2 . Закаленный слой (заштрихован) в цилиндрических образцах различных сечений ( D кр — критический диаметр).

Поэтому температуру закалки обычно выбирают на 50—60 °С выше точки Ас3 этих сталей и увеличивают продолжительность выдержки при температуре закалки. Такой нагрев способствует также диссоциации карбидов и лучшей растворимости легирующих элементов в аустените.В результате закалки легированных сталей получают структуру легированного мартенсита, который содержит не только углерод, но и легирующие элементы. Это оказывает существенное влияние на превращения, протекающие при отпуске.Нагрев легированных сталей при закалке до более высоких температур не приводит к росту зерна, так как все легирующие элементы (кроме марганца и бора) уменьшают склонность к росту зерна. Элементы, образующие слабо диссоциирующие при нагреве карбиды, способствуют измельчению зерна аустенита.
Легированные стали обладают пониженной теплопроводностью, поэтому для уменьшения перепада температуры по сечению их следует нагревать медленно. Это уменьшает внутренние напряжения, которые могут вызвать коробление или образование трещин при нагреве. Вследствие низкой теплопроводности увеличивается и продолжительность выдержки при заданной температуре.

8.2. Закалка стали

Закалка является одним из основных видов упрочняющей термической обработки. Она производится для повышения твердости, износостойкости и упругости сталей. После закалки наряду с высокой твердостью стали приобретают одновременно и наибольшую хрупкость. Главным отличием закалки от других операций термической обработки является высокая скорость охлаждения, достигаемая применением различных закалочных сред.

Температуру, до которой нагревают углеродистую и низколегированную сталь под закалку, выбирают в соответствии с диаграммой железо-углерод. Зона закалочных температур для сталей на диаграмме приведена на рис.26. Температура нагрева под закалку доэвтектоидных сталей на 30…50?С выше линии GS. При этом сталь переходит в состояние аустенита.

В зависимости от скорости охлаждения сталь после закалки может иметь структуру мартенсита, сорбита и троостита, существенно влияющую на свойства стали. При резком, сильном охлаждении диффузионный распад аустенита становится невозможным. В процессе охлаждения атомы железа из решетки Fe? перестраиваются в решетку Fe?. Как известно, (раздел 5), аустенит представляет собой твердый раствор внедрения углерода в Fe?. В зависимости от марки стали, аустенит может растворять до 2% углерода. Максимальная растворимость углерода в Fe? при нормальных условиях не превышает 0,002%. При резком охлаждении нагретой стали углерод не успевает выделится из кристаллической решетки железа и образовать частички цементита. В результате образуется пересыщенный твердый раствор углерода в Fe?, называемый мартенситом.

Температура нагрева под закалку заэвтектоидных сталей на 30…50?С выше линии PSK (рис.26). Нагрев этих сталей выше линии SE приводит к укрупнению зерен аустенита и росту закалочных напряжений, что отрицательно сказывается на свойствах закаленных сталей (увеличивается хрупкость).

Скорость охлаждения, которая обеспечивает при закалке получение мартенситной структуры, называется критической скоростью закалки. Охлаждение со скоростью меньше критической приводит к образованию сорбитной, трооститной и перлитной структуры. Для образования мартенсита скорость охлаждения должна превышать критическую, т.е. примерно свыше 1500С/с, что не позволяет углероду выделиться из решетки аустенита.

Структура перлита, получаемая при медленном охлаждении стали, является равновесной. Структуры сорбита, троостита и мартенсита являются неравновесными. Причем из-за значительного количества углерода кристаллическая решетка в мартенсите искажается и становится тетрагональной (вместо гранецентрированной кубической у аустенита).

Мартенсит имеет характерное игольчатое строение, что хорошо видно под микроскопом (рис.27). Он отличается высокой твердостью, прочностью и хрупкостью. Поэтому чем больше аустенита превращается в мартенсит, тем сталь после закалки будет более твердой. В связи с этим температура нагрева стали под закалку должна быть такой, чтобы сталь полностью перешла в аустенитное состояние.

Большинство конструкционных сталей под закалку нагревают до температур 800. 880?С (рис.26). Температура нагрева под закалку инструментальных заэвтектоидных сталей составляет 760. 780?С.

Длительность нагрева определяется многими факторами. Основными из них являются температура закалки, теплопроводность стали, способ нагрева, тип печи, форма и размеры детали. Наибольшая скорость нагрева достигается при индукционном нагреве, а наименьшая – в пламенных печах. Для конкретных условий закалки при выборе длительности нагрева обычно пользуются опытными данными. Ориентировочно для углеродистых сталей, например, при нагреве в электрических печах время нагрева до 790. 850?С принимают равным 1. 2 мин на каждый миллиметр толщины детали. После достижения заданной температуры изделие выдерживается в печи в течение некоторого времени для полного прогрева по сечению и завершения структурных превращений. Обычно время выдержки принимают равным 15. 25% от длительности нагрева.

Следует иметь в виду, что необходимые структурные превращения в стали начинаются при температуре около 700?С. С повышением температуры нагрева и увеличением длительности выдержки наблюдается интенсивное увеличение зернистости стали, которая затем фиксируется быстрым охлаждением. Поэтому, желая иметь в структуре стали больше аустенита чтобы затем весь его перевести в мартенсит и получить более твердую сталь, мы вынуждены как можно дольше держать сталь при температуре структурных превращений. Это создает благоприятные условия для роста зерна и способствует тем самым увеличению хрупкости закаленной стали.

Большинство легирующих элементов, особенно титан, цирконий и ванадий, тормозят рост зерна аустенита. Марганец и фосфор увеличивают склонность зерна аустенита к росту.

Скорость охлаждения при закалке, определяющая строение и свойства термообработанной стали, зависит от охлаждающей среды, формы изделия, теплопроводности стали, а также от технологической схемы охлаждения. Наилучшей охлаждающей средой может считаться та, которая обеспечивает высокую скорость охлаждения в интервале температур 550. 650?С, т.е. в интервале минимальной устойчивости аустенита. Минимальная скорость охлаждения должна быть при температурах 200. 300?С, когда возникает наибольшая опасность появления трещин вследствие образования мартенсита.

Наиболее распространенными закалочными средами являются вода, водные растворы солей или щелочей (например, 10% раствор NaCl или 10. 15% раствор NaOH), минеральные масла, расплавленные металлы, соли и др.

Для закалки сравнительно простых по конфигурации деталей из углеродистых и низколегированных сталей чаще всего используют наиболее простой способ охлаждения в одной закалочной среде. При этом применение сред с небольшой скоростью охлаждения, например, машинного масла, позволяет существенно снизить опасность образования трещин или коробления деталей при закалке. Однако высокая твердость в этом случае может быть получена лишь у легированных сталей. Недостаток этого способа закалки заключается в том, что вследствие неравномерного охлаждения по сечению в детали возникают большие термические напряжения.

Для углеродистых сталей снизить закалочные напряжения и одновременно получить высокую твердость можно, применяя различные технологические приемы. Эти приемы должны обеспечить оптимальные условия охлаждения деталей при закалке. В частности, для деталей более сложной формы используют так называемую прерывистую закалку (закалку в двух средах). В этом случае нагретую деталь вначале опускают в воду, а затем для окончательного охлаждения перебрасывают в масло. Это позволяет снизить скорость охлаждения в области мартенситного превращения и тем самым уменьшить структурные напряжения. Этот способ обычно используют при закалке инструментальн ых углеродистых сталей. Однако точное время переноса делали из воды в масло определить трудно.

Ступенчатая закалка по сравнению с предыдущими способами является более совершенной. В этом случае детали охлаждают в расплавленных солях, подогретом масле или других средах, нагретых до температур 300. 350?С, т.е. несколько выше мартенситной температурной точки для данной стали. После выдержки в этой среде до выравнивания температуры по всему сечению деталь извлекают из охлаждающей среды и охлаждают на воздухе. Этот способ лишен недостатков прерывистой закалки и позволяет достигнуть минимальных напряжений при закалке, избежать появления горячих трещин и чрезмерных деформаций. Чаще всего ступенчатую закалку применяют при термической обработке инструмента диаметром (толщиной) 8. 10 мм.

Аналогичным образом производится и изотермическая закалка, однако в этом случае выдержка при температуре выше мартенситной точки назначается с таким расчетом, чтобы произошел полный распад аустенита. Образующаяся при этом структура (игольчатый троостит) обусловливает несколько пониженную твердость закаленной стали, однако полностью устраняются структурные напряжения и значительно уменьшаются термические напряжения. Изотермическая закалка как и ступенчатая возможна лишь для небольших изделий, сечение которых быстро прогревается до температуры горячей ванны.

Выбирая охлаждающие среды, следует учитывать закаливаемость и прокаливаемость данной стали.

Закаливаемость – это способность стали принимать закалку, т.е. приобретать после закалки детали высокую твердость. Закаливаемость определяется содержанием углерода в стали. Низкоуглеродистые стали (до 0,3% углерода) практически не закаливаются, так как при закалке их механические свойства не изменяются.

Одной из важнейших характеристик, позволяющих оценивать способность стали подвергаться закалке, является ее прокаливаемость. Под прокаливаемостью понимают глубину проникновения закаленной зоны. В связи с тем, что действительная скорость охлаждения не одинакова по сечению детали и убывает от периферии к центру, то сердцевина детали может не получить мартенситной структуры и твердость ее окажется пониженной.

Существенное влияние на прокаливаемость стали оказывает ее химический состав, температура и длительность нагрева. Легирующие элементы (кроме кобальта) увеличивают прокаливаемость. Диаметр максимального сечения, прокаливающегося в данном охладителе насквозь, называется критическим диаметром. Например, критический диаметр стали 45 при закалке в воде не превышает 12,5 мм. Повышение содержания марганца в этой стали до 1,7% увеличивает критический диаметр вдвое.

Нагрев сталей под закалку проводят в печах различной конструкции с электрическим или пламенным обогревом. Для предотвращения обезуглероживания и окисления металла требуется контролировать атмосферу печи, в которой ведется нагрев и выдержка изделий. Нагрев можно вести также в расплавах стекла и солей.

В закаленных сталях всегда присутствует остаточный аустенит, который снижает твердость, прочность и износостойкость изделий. Для снижения количества остаточного аустенита закаленные изделия обрабатывают холодом. Снижение температуры до – 80?С для большинства сплавов вызывает превращение остаточного аустенита в мартенсит и приводит к повышению твердости. Обработке холодом подвергают детали шарикоподшипников, точных механизмов, измерительный инструмент, штампы и др. Обработка холодом не уменьшает внутренних напряжений, поэтому после такой обработки обязательно проводят отпуск.

критическая скорость закалки

скорость химической реакции — [reaction rate] величина, характеризизующая интенсивность химической реакции. Скоростью образования продукта реакции называют количество этого продукта в результате реакции за единицу времени в единице объема (если реакция гомогенна) или на… … Энциклопедический словарь по металлургии

скорость волочения — [drawing speed] линейная скорость движения металла на выходе из волоки, м/с. На современных волочильных машинах скорость волочения достигает 50 80 м/с. Однако даже при волочении проволоки скорость, как правило, не превышает 30 40 м/с. При… … Энциклопедический словарь по металлургии

скорость спекания — [sintering rate] скорость движения вертикально вниз по слою зоны горения твёрдого топлива при агломерации руд и концентратов, мм/мин. В общем случае скорость спекания прямо пропорциональная количеству воздуха, просасываемого через 1 м2 плоскости… … Энциклопедический словарь по металлургии

скорость деформации — [strain rate] приращение степени деформации во времени. Скорость линейной деформации обычно обозначается ε или ξ, скорость сдвигоовй деформации γ или η: ξ = dε/dt, η = dγ/dt, где ε степень линейной деформации (линейная деформация), γ степень… … Энциклопедический словарь по металлургии

скорость нагрева — [heating rate] характеристика нестационарного процесса теплопроводности в виде изменении температуры нагревания тела в единицу времени. Скорость нагрева зависит от физических свойств материала, определяемых коэффициентом температуропроводности,… … Энциклопедический словарь по металлургии

скорость деформирования — [deformation velocity] линейная скорость перемещения рабочего инструмента в направлении основной деформации (например, высотного обжатия при осаждении, растяжении или сжатии при механических испытаниях и т. п.); Смотри также: Скорость скорость… … Энциклопедический словарь по металлургии

скорость тепловой волны — [thermal wave velocity] скорость разогрева газовоздушной смеси, пропорциональной разности между скоростями тепловыделения и теплоотвода; Смотри также: Скорость скорость химической реакции скорость спекания … Энциклопедический словарь по металлургии

Скорость — [speed, velocity; rate]: Смотри также: скорость химической реакции скорость спекания скорость деформирования … Энциклопедический словарь по металлургии

конструкционная сталь — общее название сталей, предназначенных для изготовления строительных конструкций и деталей машин или механизмов. * * * КОНСТРУКЦИОННАЯ СТАЛЬ КОНСТРУКЦИОННАЯ СТАЛЬ, общее название сталей (см. СТАЛЬ), предназначенных для изготовления строительных… … Энциклопедический словарь

неполная прокаливаемость — [incomplete hardenability] прокаливаемость, при которой не обеспечивается закалка сердцевины изделия, так, как в ней не достигается критическая скорость закалки. Смотри также … Энциклопедический словарь по металлургии

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Наименьшая скорость охлаждения , при которой аустенит переохлаждается до мартен-ситной точки М и превращается в мартенсит, называется критической скоростью закалки VKp. Критическая скорость закалки в углеродистых сталях колеблется в пределах от 150 до 300 / сек и имеет большое значение в практике термической обработки стали.  [2]

Критической скоростью закалки называют наименьшую скорость охлаждения , при которой в структуре стали получается чистый мартенсит.  [3]

Наиболее полого идет прямая, соответствующая отжигу ( наименьшая скорость охлаждения ), несколько более круто — прямая нормализации, еще круче — прямая закалки в масле, а самая крутая прямая соответствует закалке в воде.  [4]

Верхней критической скоростью отбеливания, как указывалось выше, является наименьшая скорость охлаждения , при которой еще не образуется графито-аусте-нитная эвтектика. Наибольшая скорость охлаждения, при которой еще не образуется цементито-аустенитная эвтектика, называется нижней критической скоростью отбеливания.  [5]

Как видно из приведенного примера, наивысшая температура кристаллизации совпадает с наименьшей скоростью охлаждения , т.е. с повышением скорости охлаждения понижается температура образования кристаллов льда.  [7]

Эта линия определяет охлаждение с критической скоростью. Критическая скорость охлаждения-это та наименьшая скорость охлаждения , при которой в структуре стали получается только один мартенсит и не получается вовсе феррито-цементит-ной смеси. Если, допустим, для какой-нибудь стали критическая скорость закалки равна 200 / сек.  [8]

Скорость охлаждения оказывает решающее влияние на результаты закалки. Для каждой стали существует так называемая критическая скорость закалки, под которой понимается наименьшая скорость охлаждения , необходимая для переохлаждения аустенита до температуры мартенситиого превращения.  [9]

Химические индивиды, как известно, обладают наибольшей скоростью превращения, а для твердых растворов эта скорость уменьшается. Например, при быстром охлаждении органических клк металлических систем образуются непрерывные твердые растворы, а при наименьшей скорости охлаждения образуются соединения с ограниченными твердыми растворами.  [10]

Химические индивиды, как известно, обладают наибольшей скоростью превращения, а для твердых растворов эта скорость уменьшается. Например, при быстром охлаждении органических или металлических систем образуются непрерывные твердые растворы, а при наименьшей скорости охлаждения образуются соединения с ограниченными твердыми растворами.  [11]

Здесь кривые охлаждения показывают, что, чем больше скорость охлаждения, тем более неравновесными получаются структуры. Уменьшение скорости охлаждения происходит слева направо. При наименьших скоростях охлаждения реализуется перлитная структура, а при максимальных — мартенситная.  [13]

В связи с этим при изучении термической обработки следует ознакомиться с понятием критическая скорость закалки. Критической скоростью закалки называют наименьшую скорость охлаждения , при которой в структуре стали получается чистый мартенсит.  [14]