Закалка стали

Закалкой стали называют такую операцию термической обработки, при которой стальные детали нагревают до температуры, несколько выше критической, выдерживают при этой температуре и затем быстро охлаждают в воде или масле.

Основное назначение закалки - получение стали с высокими твердостью, прочностью, износостойкостью и другими свойствами. Качество закалки зависит от температуры и скорости нагрева, времени выдержки и скорости охлаждения.

Температуру нагрева под закалку для большинства сталей, в том числе и легированных, определяют по положению критических точек А_с1 и А_с3. Для углеродистых сталей температуру закалки можно легко установить по диаграмме железо - углерод .

Быстрорежущие, нержавеющие и другие специальные стали закаливают при более высоких температурах нагрева, чем углеродистые и низколегированные конструкционные и инструментальные. Например, для нержавеющей стали марки 4Х13 температура под закалку берется равной 1050 - 1100°С.

Быстрорежущую сталь Р18 закаливают при температуре 1260 - 1280°С (для инструмента диаметром 10 - 15 мм - сверл, разверток и т. д.) и 1280 - 1300°С (для инструмента простой формы - резцов). Такая высокая температура нагрева под закалку быстрорежущей стали необходима для того, чтобы полнее растворить избыточные карбиды и больше перевести их в твердый раствор хрома, вольфрама, ванадия и других легирующих элементов, входящих в состав стали.

Скорость нагрева. Нагрев стали определяется не только допустимой, но и возможно скоростью нагрева. Допустимая скорость должна быть такой, чтобы нагрев не вызывал больших напряжений, приводящих к образованию трещин в деталях.

Скорость нагрева зависит от формы детелей, типа нагревательных печей и нагревательной среды. Напрмер, шар нагревается в три раза, а цилиндр - в два раза медленнее, чем пластинка. С увеличением скорости нагрева производительность нагревательных печей и агрегатов тоже повышается.

Скорость нагрева зависит также от расположения деталей в печи. Если детали плотно распологаютя одна к другой и мешают необходимому доступу тепла, то потребуется больше времени для их прогрева.

Для расчета времени нагрева деталей термисты обычно пользуются технологическими картами.

В технологическую карту входит перечень всех операций обработки детали или группы деталей с указанием подробных данных по этим операциям (температура, время выдержки, среда и температура охлаждения и применяемые приспособления).

Среднее время нагрева деталей из углеродистых сталей под закалку в различных средах.

Время нагрева деталей под закалку в различных средах

Для проведения любого теплового процесса термической обработки нужно не только нагревать металл до заданной температуры, но и выдерживать при этой температуре до полных структурных превращений (растворения карбидов, гомогенизации аустенита) и полного прогрева деталей. Таким образом, общее время пребывания деталей в нагревательной среде состоит из времени нагрева и времени выдержки.

Закалочные среды.

Для охлаждения стальных деталей при закалке обычно применяют различные закалочные среды: воду, водные растворы солей, расплавленные соли, минеральные масла и т. д. Закалочные среды резко отличаются друг от друга по своим физическим свойствам, т. е. они с разной интенсивностью отнимают тепло от нагретых под закалку деталей.

Наилучшей закалочной средой считается та, которая быстро охлаждает сталь в интервале температур 650-500°С (область наименьшей устойчивости аустенита) и медленно - ниже 300-200°С (область мартенситного превращения). Однако единой, универсальной закалочной среды пока еще нет, поэтому на практике пользуются различными средами.

Скорость охлаждения стали в зависимости от закалочных сред

Из таблицы видно, что в 10-процентном водном растворе едкого натра или поваренной соли скорость охлаждения стали в области трооститных превращений (600-600°С) в два раза больше скорости охлаждения в пресной воде. В области мартенситных превращений (300-200°С) соленая и пресная вода охлаждают сталь почти одинаково. Это преимущество водных растворов солей используется в практике термической обработки. Однако термисты чаще всего применяют 5-10-процентный раствор поваренной соли, так как он не разъедает сталь и не действует на руки рабочих, как обезжиривающий едкий натр (каустик).

Для закалки инструмента из сталей У10, У12 водные растворы, чтобы уменьшить коробление стальных деталей, обычно подогревают до 30°С.

В отличие от воды закаливающая способность масла мало зависит от температуры, а скорость охлаждения в масле во много раз меньше, чем в воде. Поэтому, чтобы уменьшить напряжение и избежать образования закалочных трещин, для закалки легированных сталей с более низкой теплопроводностью, чем у углеродистых сталей, используют минеральное масло - веретенное № 2 и 3. При отсутствии масла рекомендуется применять горячую воду (80°С).

Для получения стабильных результатов при закалке необходимо пользоваться одним сортом масла, периодически меняя его или освежая.

Следует отметить, что в процессе охлаждения при закалке в воде вокруг деталей образуется проводником тепла, то скорость охлаждения стали резко уменьшается. Кроме того, паровая рубашка ухудшает прокаливаемость стали, приводит к появлению мягких пятен на поверхности закаливаемых деталей, а иногда и трещин. Поэтому опытные термисты обычно закаливают детали в циркулирующей воде, непрерывно перемещая их в вертикальном или горизонтальном направлениях.

Внутренние напряжения.

В процессе термической обработки, вследствие неодновременности превращений и теплового расширения и сжатия, в разных точках обрабатываемой детали возникают внутренние напряжения. Напряжения могут превосходить не только предел упругости или предел текучести, но и сопротивление разрушению. В последнем случае внутренние напряжения образуют трещины или даже разрушают деталь.

Внутренние напряжения могут быть двух видов - термические и структурные. Термические внутренние напряжения возникают вследствие неравномерности, охлаждения поверхности детали и ее внутренних слоев.

Если деталь имеет сплошное сечение, то при любом охлаждении поверхность охлаждается быстрее, а сердцевина - медленнее. В результате во время охлаждения деталь будет иметь разные температуры и разный удельный объем в разных точках по сечению. Эта разность температур будет тем больше, чем больше отличаются скорость охлаждения на поверхности от скорости охлаждения в центре детали.

Стали, легированные хромом, молибденом, вольфрамом, обладают меньшей теплопроводностью, чем углеродистые, и при закалке скорость их охлаждения на поверхности детали и в центре будет весьма большая.

Для уменьшения скорости охлаждения при закалке и снижения напряжений в них такие детали из легированной стали подвергаются медленному охлаждению только в масле или струе воздуха.

Структурные внутренние напряжения, как и термические Напряжения, возникают вследствие неодновременности превращений во время охлаждения металла и вследствие различных структурных превращений в разных точках сечения детали.

Так, при охлаждении высокоуглеродистой стали, нагретой выше критической точки, аустенит превращается в мартенсит и эти превращения сопровождаются изменением объема (образование мартенсита всегда увеличивает объем). Поверхностные слои, где превращения заканчиваются рано, охлаждаясь, испытывают растягивающие напряжения от промежуточной зоны, в которой превращения продолжаются. С течением времени превращения охватывают все более глубокие слои в детали и доходят до сердцевины. Но этим превращениям в сердцевине препятствуют наружные остывшие слои. Следовательно, в сердцевине нарастают сжимающие напряжения, а с поверхности растягивающий момент наибольшей разности напряжений всегда опасен, так как часто вызывает появление в металле трещин. Установлено, что трещины вызывают не сжимающие напряжения, а растягивающие.

На величину остаточных напряжений влияет ряд факторов. Наиболее существенными из них являются: свойства стали (прокаливаемость, температура мартенситного превращения, коэффициент линейного расширения), среда и условия охлаждения, а также форма и размер детали.

Способы закалки.

Под способами закалки подразумевают способы охлаждения деталей в закалочном баке и выбор закалочного охлаждения для получения заданной структуры металла. Чем сложнее по форме деталь, тем серьезнее следует подходить к выбору ее охлаждения. Резкие переходы в сечениях деталей, способствуют различных способов закалки, концентрации внутренних напряжений. Поэтому нужно выбирать такой способ закалки, чтобы детали получались с хорошей твердостью, необходимой структурой и без трещин.

Закалка в одном охладителе-наиболее простой и распространенный способ. Деталь, нагретую до температуры закалки, погружают в закалочную жидкость, где она находится до полного охлаждения. Этот способ используют при закалке несложных деталей, изготовленных из углеродистых и легированных сталей. Детали из углеродистых сталей охлаждаются в воде (за исключением деталей диаметром не более 3-5 мм); а детали из легированных сталей - в масле. Можно использовать такой способ и при механизированной закалке, когда детали автоматически поступают из агрегата в закалочную жидкость.

Для высокоуглеродистых сталей такой способ закалки неприемлем, так как в процессе закалки создаются большие внутренние напряжения. Высокоуглеродистые стали закаливают с подстуживанием, т. е. нагретую деталь перед охлаждением некоторое время выдерживают на воздухе. Это уменьшает внутренние напряжения в деталях и гарантирует их от образования трещин.

Закалка в двух средах, или прерывистая закалка, - это способ, при котором деталь сначала охлаждают в одной закалочной быстроохлаждающей среде - воде, а затем переносят ее в медленноохлаждающую среду - масло. Он применяется при закалке инструмента, изготовленного из высокоуглеродистой стали.

Недостаток прерывистой закалки заключается в том, что трудно установить время пребывания детали в первой охлаждающей жидкости, так как оно очень незначительно (1 сек. на каждые 5-6 мм диаметра или толщины детали). Излишняя выдержка в воде ведет к увеличению коробления и появлению трещин.

Применение прерывистой закалки требует от термиста высокой квалификации и опыта.

Струйчатая закалка осуществляется охлаждением деталей, нагретых до температуры закалки, струей воды. Такой способ применяют для закалки внутренних поверхностей, высадочных штампов, матриц и другого штампового инструмента, у которого рабочая поверхность должна иметь структуру мартенсита.

При струйчатой закалке паровая рубашка не образуется, что обеспечивает более глубокую прокаливаемость, чем при простой закалке в воде. Скорость охлаждения при этом зависит от температуры, напора воды, диаметра и количества отверстий в брызгале и от угла, образованного струей воды с охлаждаемой поверхностью детали.

Закалка с самоотпуском - это способ, заключающийся в том, что детали выдерживают в охлаждающей среде не до полного охлаждения, т. е. в определенный момент охлаждение прекращают, чтобы сохранить в сердцевине детали тепло, необходимое для самоотпуска. Этот момент устанавливается опытным путем, поэтому качество термической обработки будет во многом зависеть от мастерства термиста.

Контроль за температурой отпуска при этом способе закалки осуществляется по цветам побежалости, возникающим на светлой поверхности детали. Появление цветов побежалости при температуре 200-300°С объясняется образованием на поверхности стали тонкой пленки окисла, цвет которого зависит от его толщины. Например, за небольшой промежуток времени при 220°С сталь покрывается слоем окисла, толщиной 400-450 ангстрем, который придает поверхности светло-желтый цвет.

Закалку с самоотпуском применяют только для закалки ударного инструмента - зубил, бородков, кернов и т.. д., так как у такого инструмента твердость должна равномерно и постепенно понижаться (от рабочей части к хвостовой).

Ступенчатая закалка - это такой способ, при котором нагретые детали охлаждают в медленно охлаждающей закалочной среде (например, расплавленная соль, горячее масло), имеющей температуру для данной стали выше мартенситной точки М_н. За время короткой выдержки в горячей среде (масле) температура выравнивается, причем это происходит раньше, чем начинается мартенситное превращение. После этого осуществляется окончательное, обычно медленное охлаждение, во время которого деталь закаливается.

Ступенчатая закалка способствует уменьшению внутренних напряжений, происходящих благодаря незначительной скорости охлаждения. В результате уменьшается деформация деталей и почти полностью исключается возможность появления закалочных трещин.

Ступенчатую закалку широко применяют в массовом производстве, особенно при изготовлении инструмента. Она позволяет править и рихтовать детали в горячем состоянии, так как в момент превращения сталь обладает большой пластичностью.

Для ступенчатой закалки целесообразнее всего использовать глубоко прокаливающиеся углеродистые и легированные стали марок 9ХС, ХГ, ХВГ и др.

Изотермическая закалка - это способ, состоящий в нагреве деталей до заданной температуры и охлаждении в изотермической среде до 220-350°С, что несколько превышает температуру начала мартенситного превращения.

Выдержка деталей в закалочной среде при такой закалке должна быть достаточной для полного превращения аустенита в игольчатый троостит. После этого производится охлаждение на воздухе. При изотермической закалке выдержка при температуре ступеньки значительно больше, чем при ступенчатой закалке.

Закалочные среды для изотермической закалки те же, что и для ступенчатой. После изотермической закалки сталь приобретает высокую твердость и более высокую вязкость.

При изотермической закалке необходима достаточно высокая и равномерная скорость охлаждения, что достигается применением ванн с интенсивно перемешивающейся закалочной средой.

Изотермическую закалку используют при термической обработке, когда нужно получить детали с максимальной прочностью, достаточной пластичностью и вязкостью. Наиболее целесообразно применять изотермическую закалку для тех сталей, которые имеют небольшую устойчивость аустенита в области изотермической выдержки.

Дефекты, возникающие при закалке. В процессе закалки при охлаждении стали в результате структурных превращений и изменения объема металла появляются внутренние напряжения. Эти напряжения приводят к следующим дефектам: образованию трещин, деформации и короблению, изменению объема стали, обезуглероживанию и окислению, появлению мягких пятен, низкой твердости и перегреву.

Закалочные трещины - это неисправимый брак, образующийся в процессе термической обработки. В крупных деталях, например в матрицах и ковочных штампах, закалочные трещины могут появляться даже при закалке в масле. Поэтому такие детали целесообразно охлаждать до 150-200°С с быстрым последующим отпуском.

Трещины возникают при неправильном нагреве (перегреве), большой скорости охлаждения и при несоответствии химического состава стали.

Закалочные трещины возникают также при неправильной конструкции деталей, резких переходах, грубых рисках, оставшихся после механической обработки, острых углах, тонких стенках и т. д.

Закалочные трещины образуются чаще всего при слишком резком охлаждении или нагреве в результате возникающих в деталях внутренних напряжений. Это часто наблюдается при закалке легированных сталей. Поэтому детали из этих сталей нагревают медленнее, чем из углеродистых, и более равномерно.

Закалочные трещины обычно располагаются в углах деталей и имеют дугообразный или извилистый вид.

В заводской практике часто встречаются поверхностные трещины, которые обычно располагаются в виде сплошной или разорванной сетки. Такие трещины возникают в процессе поверхностной закалки при нагреве токами высокой частоты или газопламенной закалки, когда охлаждение ведется слишком холодной водой, а также при перегреве металла.

Поверхностные трещины могут возникать не только в процессе термообработки, но и при шлифовании закаленных деталей, если они были неправильно отпущены.

Равномерный отпуск после закалки и правильные режимы шлифования полностью устраняют возникновение трещин.

Во избежание бравсе участки (части) деталей, на которыхобычно появляются трещины, обматывают асбестовым шнуром и замазывают огнеупорной глиной. Строгое выполнение технологических режимов закалки может сократить количество бракованных деталей до минимума.

Деформация и коробление деталей происходят в результате неравномерных структурных и связанных с ними объемных превращений и возникновения внутренних напряжений при охлаждении.

При закалке стали, коробление во многих случаях происходит и без значительных объемных изменений, в результате неравномерного нагрева и охлаждения деталей. Если, например, деталь небольшого сечения и большой длины нагревать только с одной стороны, то она изгибается, нагретая сторона при этом удлиняется благодаря тепловому расширению и становится выпуклой, а противоположная - вогнутой. При одностороннем охлаждении в процессе закалки (особенно в воде) быстро охлажденная сторона детали за счет теплового сжатия станет вогнутой, а обратная сторона - выпуклой. Следовательно, нагревать и охлаждать детали при закалке следует равномерно.

На деформацию особенно большое влияние оказывает способ охлаждения. Поэтому при погружении деталей и инструмента в закалочную среду надо учитывать их форму и размеры. Например, детали, имеющие толстые и тонкие части, погружают в закалочную среду сначала толстой частью, длинные осевые детали (ходовые винты, штоки, протяжки,, сверла, метчики и т. д.) - в строго вертикальном положении, а тонкие плоские детали (диски, отрезные фрезы, пластинки и др.) - ребром.

Очень большое значение для уменьшения деформаций и коробления деталей имеют правильно выбранные и изготовленные приспособления.

При газовой цементации и нитроцементации зубчатых колес, шлицевых и шестеренных валиков, поршневых пальцев, крестовин и других деталей простой и сложной конфигурации применяются специальные и универсальные приспособления.

Для цементации рессорных пальцев используются приспособления с отверстиями.

Шестеренные валики обычно подвергаются химико-термической обработке в универсальных приспособлениях.

При массовом производстве для каждой детали изготовляются специальные приспособления. Стоимость их изготовления быстро окупается. При серийном производстве, когда обрабатываются большие партии разнообразных деталей, более экономично иметь универсальные приспособления.

Приспособления изготовляются литые и сварные из жароупорного сплава Х18Н25С2.

Многие детали - зубчатые колеса, диски, плиты во избежание коробления закаливаются в специальных прессах в штампах.

Обезуглероживание происходит в основном при нагреве в электрических печах и жидких средах (соляных ваннах). Обезуглероживание инструмента - самый серьезный дефект при закалке, так как он в несколько раз снижает стойкость инструмента. Однако заметить такой дефект на готовом инструменте трудно.

На деталях из конструкционных сталей окисление и обезуглероживание легко обнаружить при изготовлении микрошлифа.

Мягкие пятна - это участки на поверхности детали или инструмента с пониженной твердостью. Причинами такого дефекта могут быть наличие на поверхности деталей окалины и загрязнений, вызванных соприкосновением деталей друг с другом в процессе охлаждения в закалочной среде, участки с обезуглероженной поверхностью или недостаточно быстрое движение деталей в закалочной среде (паровая рубашка). Мягкие пятна полностью устраняются при струйчатой закалке и в подсоленной воде.

Низкая твердость чаще всего наблюдается при закалке инструмента. Причинами низкой твердости являются недостаточно быстрое охлаждение в закалочной среде, низкая температура закалки, а также малая выдержка при нагреве под закалку. Чтобы исправить этот дефект, детали или инструмент сначала подвергают высокому отпуску при температуре 600-625°С, а затем - нормальной закалке.

Перегрев при закалке вызывает крупнозернистую структуру с блестящим изломом и, следовательно, ухудшает механические свойства стали. Для измельчения зерна и подготовки структуры для повторной закалки перегретую сталь необходимо подвергать отжигу.

Недогрев получается в том случае, если температура закалки была ниже критической точки А _С3 -для доэвтектоидных сталей и А_с - заэвтектоидных сталей.

При недогреве структура закаленной стали состоит из мартенсита и зерен феррита, который, как известно, имеет низкую твердость.

Недогрев можно исправить отжигом с последующей нормальной закалкой.

Быстрорежущие, нержавеющие и другие специальные стали закаливают при более высоких температурах нагрева, чем углеродистые и малолегированные конструкционные и инструментальные. Например, для нержавеющей стали марки 4Х13 температура под закалку берется равной 1050 - 1100°С.

Быстрорежущую сталь Р18 закаливают при температуре 1260 - 1280°С (для инструмента диаметром 10 - 15 мм - сверл, разверток и т. д.) и 1280 - 1300°С (для инструмента простой формы - резцов). Такая высокая температура нагрева под закалку быстрорежущей стали необходима для того, чтобы полнее растворить избыточные карбиды и больше перевести их в твердый раствор хрома, вольфрама, ванадия и других легирующих элементов, входящих в состав стали.

Скорость нагрева. Нагрев стали определяется не только допустимой, но и возможно скоростью нагрева. Допустимая скорость должна быть такой, чтобы нагрев не вызывал больших напряжений, приводящих к образованию трещин в деталях.

Скорость нагрева зависит от формы детелей, типа нагревательных печей и нагревательной среды. Напрмер, шар нагревается в три раза, а цилиндр - в два раза медленнее, чем пластинка. С увеличением скорости нагрева производительность нагревательных печей и агрегатов тоже повышается.

Скорость нагрева зависит также от расположения деталей в печи. Если детали плотно распологаютя одна к другой и мешают необходимому доступу тепла, то потребуется больше времени для их прогрева.

Для расчета времени нагрева деталей термисты обычно пользуются технологическими картами.

В технологическую карту входит перечень всех операций обработки детали или группы деталей с указанием подробных данных по этим операциям (температура, время выдержки, среда и температура охлаждения и применяемые приспособления).

Среднее время нагрева деталей из углеродистых сталей под закалку в различных средах.

Время нагрева деталей под закалку в различных средах

Для проведения любого теплового процесса термической обработки нужно не только нагревать металл до заданной температуры, но и выдерживать при этой температуре до полных структурных превращений (растворения карбидов, гомогенизации аустенита) и полного прогрева деталей. Таким образом, общее время пребывания деталей в нагревательной среде состоит из времени нагрева и времени выдержки.

Закалочные среды. Для охлаждения стальных деталей при закалке обычно применяют различные закалочные среды: воду, водные растворы солей, расплавленные соли, минеральные масла и т. д. Закалочные среды резко отличаются друг от друга по своим физическим свойствам, т. е. они с разной интенсивностью отнимают тепло от нагретых под закалку деталей.

Наилучшей закалочной средой считается та, которая быстро охлаждает сталь в интервале температур 650-500°С (область наименьшей устойчивости аустенита) и медленно - ниже 300-200°С (область мартенситного превращения). Однако единой, универсальной закалочной среды пока еще нет, поэтому на практике пользуются различными средами.