ЗАКАЛКА СТАЛИ
1. Цель работы:
Ознакомиться с технологическим процессом термической обработки и получить практические навыки проведения закалки углеродистой стали.
2. Приборы и материалы:
- муфельная печь;
- прибор типа Роквелла;
- металлографический микроскоп;
-закалочные баки с водой и маслом.
- закаленные образцы углеродистой стали;
- клещи;
- шлифовальная бумага;
- эталоны микрошлифов стали (фотография);
- диаграммы изотермического распада аустенита.
3. Краткие теоретические сведения:
Закалкой называется нагрев стали до температуры выше фазовых превращений, выдержка при этой температуре и охлаждение со скоростью больше критической.
В результате закалки твердость, прочность, износостойкость повышаются, а пластичность снижается.
При закалке из аустенита образуется неустойчивая, метастабильная структура – мартенсит.
Высокая твердость мартенсита объясняется наличием углерода и большего числа нарушений кристаллического строения, возникающих в процессе его образования. Твердость мартенсита тем выше, чем больше в нем углерода (рис. 1).
Температура нагрева под закалку определяется положением критических точек АС1 АС3 (Асm). Доэвтектоидные стали при закалке нагревают до температуры на 30 50° С выше температуры верхней критической точки АС3 (рис. 2). Если нагрев производить до более низкой температуры, то исходная феррито-перлитная структура не полностью превратится в аустенит и в структуре будут наблюдаться аустенит и феррит.
В этом случае после охлаждения в структуре закаленной стали будет мартенсит и феррит. Такая закалка называется неполной.
Заэвтектоидные стали при закалке нагревают до температуры на 30 50° С выше нижней критической точки АС1 (727° С), т. е. до температуры 760 … 790° С. При таком нагреве исходная структура (перлит и цементит) не будет полностью превращаться в аустенит. После закалки структура стали будет состоять из мартенсита и цементита; закалка будет неполной.
Рис. 1. Твердость мартенсита в зависимости
от содержания углерода
Если неполная закалка заэвтектоидных сталей их свойства улучшает, то неполная закалка доэвтектоидных сталей ухудшает их. Наличие избыточного цементита в закаленной заэвтектоидной стали повышает твердость и износостойкость.
Быстрорежущие, нержавеющие и другие специальные высоколегированные стали закаливают с более высоких температур нагрева, чем углеродистые и низколегированные. Высокая температура нагрева под закалку в этом случае необходима для растворения избыточных карбидов хрома, вольфрама, ванадия и других элементов, входящих в состав стали, для получения легированного аустенита.
Закалочные среды. Закалочные среды должны обеспечивать высокую скорость охлаждения при температуре наименьшей устойчивости переохлажденного аустенита (550 650° С) для предотвращения его распада на феррито-цементитную смесь.
В интервале температур мартенситного превращения (~ 300° C) желательно замедленное охлаждение для уменьшения внутренних напряжений, коробления изделий и появления трещин.
В качестве закалочных сред применяют воду, водные растворы солей, кислот, щелочей и полимеров, масло, воздух, расплавленные металлы и соли, металлические плиты и различные комбинированные среды.
При погружении нагретой детали в среды, изменяющие свое агрегатное состояние (вода, масло), различают три стадии охлаждения: пленочное кипение, пузырьковое кипение и конвективный теплообмен (перенос тепла жидкостью).
Рис. 2. Оптимальный интервал температур закалки
для углеродистой стали
На первой стадии вокруг изделия образуется паровая пленка, через которую осуществляется отвод тепла. Скорость охлаждения в этот период невелика. На второй стадии происходит полное разрушение паровой пленки. Закаливаемое изделие непосредственно соприкасается с жидкостью, и охлаждение идет с большой скоростью. На третьей стадии, при охлаждении изделия ниже температуры кипения жидкости, парообразование прекращается и охлаждение протекает с небольшой скоростью, в основном за счет конвекции.
Скорость охлаждения стали в различных закалочных средах в интервале температур 550 650 ° С и 300 200° С приведена в таблице 1.
Вода имеет большую скорость охлаждения, но охлаждающая способность ее резко снижается при повышении температуры.
Увеличение циркуляции способствует росту охлаждающей способности воды. Скорость охлаждения в воде при увеличении скорости ее движения может быть повышена до 2000 2200 град/с.
Эмульсии (смесь воды и масла) имеют значительно более низкую охлаждающую способность, чем вода.
Таблица 1
Скорость охлаждения стали в различных закалочных средах
| Закалочная среда, ее температура, ° С | Скорость охлаждения в град/с в интервале температур, ° С | |
| 650 550 | 300 200 | |
| Вода: | ||
| дистиллированная, 20 | ||
| дистиллированная, 80 | ||
| 10%-ные водные растворы: | ||
| поваренной соли NaCl, 18 | ||
| едкого натра NaOH, 18 | ||
| соды Na2CO3, 18 | ||
| Индустриальное масло, 20 | ||
| Эмульсия (смесь масла и воды) | ||
| Трансформаторное масло | ||
| Медные плиты | ||
| Железные плиты | ||
| Воздух: | ||
| спокойный | ||
| под давлением |
Охлаждающая способность водных растворов солей, щелочей, соды в 1,5 2 раза выше охлаждающей способности воды.
Водные растворы полимеров по охлаждающей способности занимают промежуточное положение между водой и маслом. Смягчающее действие этих сред по сравнению с водой объясняется более высокой вязкостью и образованием на поверхности закаливаемого изделия равномерной пленки пластмассы, затрудняющей теплообмен. Эти растворы содержат антикоррозионные вещества, предохраняющие детали от окисления. При охлаждении в этих средах закалочных трещин не возникает.
В отличие от воды охлаждающая способность масла практически не зависит от температуры, а скорость охлаждения в масле значительно меньше, чем в воде. Масло по сравнению с водой охлаждает более равномерно во всем интервале температур. Циркуляция масла в закалочных баках повышает скорость охлаждения и обеспечивает получение более однородной структуры.
В качестве горячих закалочных сред применяют расплавы металлов, солей, щелочей и различные масла с высокими температурами вспышки. Эти среды применяются при изотермической и ступенчатой закалке.
Масла обладают рядом недостатков: воспламеняемость, пригорание масла к поверхности детали, а также постепенное загустение, что понижает закаливающую способность.
Закаливаемость и прокаливаемость стали. Под закаливаемостью понимают способность стали к получению максимальной твердости при закалке. Под прокаливаемостью понимают способность стали закаливаться на определенную глубину.
Закаливаемость стали определяется в основном содержанием в ней углерода: чем больше углерода, тем выше ее твердость после закалки. Легирующие элементы оказывают незначительное влияние на закаливаемость стали.
Прокаливаемость зависит от многих факторов: от содержания углерода и легирующих элементов в стали, от температуры нагрева под закалку, от величины зерна стали, от размера сечения детали и от действия различных охлаждающих сред.
Легирующие элементы в сталях повышают устойчивость переохлажденного аустенита, уменьшают критическую скорость охлаждения, увеличивают прокаливаемость стали.
Критическая скорость охлаждения в легированных сталях может снижаться до нескольких градусов в секунду (до 3 5 град/с и менее). В этом случае сталь закаливается на воздухе. Сильно повышают прокаливаемость марганец, бор, хром, молибден; слабее никель и кремний.
Прокаливаемость увеличивается также с повышением температуры нагрева и скорости охлаждения. Прокаливаемость определяется расстоянием от поверхности до слоя с полумартенситной структурой, т. е. до слоя, состоящего из 50% мартенсита и 50% троостита закалки.
Внутренние напряжения в закаленной стали. При закалке деталей возникают внутренние напряжения термические и структурные.
Термические напряжения возникают от неравномерного охлаждения поверхности и сердцевины детали. Поверхностные слои охлаждаются быстрее, чем сердцевина. Сжатию поверхностных слоев препятствуют внутренние слои. В результате в поверхностных слоях возникают временные растягивающие напряжения, а в сердцевине сжимающие напряжения. В процессе дальнейшего охлаждения происходит перераспределение напряжений, и после окончания охлаждения поверхностные слои будут испытывать напряжение сжатия, а сердцевина напряжение растяжения.
Структурные напряжения возникают в результате неодновременного превращения аустенита в мартенсит на поверхности и в сердцевине изделия.
При охлаждении мартенсит образуется сначала на поверхности. Так как мартенсит имеет больший объем, чем аустенит, то в поверхностных слоях образуются временные сжимающие напряжения, а во внутренних слоях растягивающие.
Затем мартенситное превращение протекает во внутренних слоях, и знак напряжений на поверхности и в сердцевине изменится.
Термические структурные напряжения в процессе закалки возникают одновременно, поэтому их суммируют.
Знак остаточных напряжений будет определяться соотношением абсолютных величин растягивающих и сжимающих напряжений.
Наиболее опасными являются напряжения растяжения на поверхности, которые способствуют образованию трещин. Так как растягивающие напряжения на поверхности возникают вследствие структурных напряжений, то нужно стремиться к уменьшению структурных напряжений. Для этого необходимо уменьшать скорость охлаждения в температурном интервале мартенситного превращения и избегать перегрева стали.
Способы закалки стали выбирают в зависимости от состава стали, формы и размеров детали. Существуют следующие способы закалки (рис. 3).
Закалка в одной среде (кривая 1). Деталь нагревают по температуры закалки и охлаждают в одной среде (вода, масло). Этот распространенный способ применяется для деталей простой формы из углеродистых и легированных сталей.
Детали из углеродистых сталей диаметром более 5 мм охлаждают в воде, а менее в масле. Легированные стали охлаждают в масле.
С целью уменьшения внутренних напряжений, коробления деталей и образования трещин применяют закалку с подстуживанием. Подстуживание производится до температуры не ниже точки Аr1 для инструментальных и не ниже точки Аr3 для конструкционных сталей. Для равномерной закалки и уменьшения коробления применяют специальные закалочные машины и прессы.
Рис. 3. Кривые охлаждения при различных способах закалки,
нанесенные на диаграмму изотермического распада аустенита
Закалка в двух средах (кривая 2) это способ, при котором деталь сначала охлаждают в быстроохлаждающей среде воде (до температур несколько выше начала мартенситного превращения Мн), а затем переносят ее в медленно охлаждающую среду (масло, воздух, селитра). При этом уменьшаются внутренние напряжения. Этот способ применяется при закалке инструмента, изготовленного из высокоуглеродистой стали.
При закалке с самоотпуском детали выдерживают в охлаждающей среде не до полного охлаждения, а до определенной температуры, чтобы сохранить в сердцевине детали тепло, необходимое для самоотпуска. Повышение температуры поверхности за счет этого тепла определяют по цветам побежалости и при помощи термокрасок и термокарандашей. Появление цветов побежалости (табл. 3) при отпуске в интервале
200…330° С объясняется образованием на поверхности стали тонкой пленки окисла. Закалка с самоотпуском применяется для слесарного инструмента, который работает с ударными нагрузками.
Таблица 2