Охлаждение при закалке. Методические указания к курсовой работе по дисциплине «Материаловедение и ткм Скорость охлаждения стали на воздухе град с. Определение скорости охлаждения при закалке стали

8 сентября 2011

Режим охлаждения при закалке должен прежде всего обеспечить необходимую глубину прокаливаемости. С другой стороны, режим охлаждения должен быть таким, чтобы не возникали сильные закалочные , приводящие к короблению изделия и образованию закалочных трещин.

Закалочные напряжения складываются из термических и структурных напряжений. При закалке всегда возникает перепад температур по сечению изделия. Разная величина термического сжатия наружных и внутренних слоев в период охлаждения обусловливает возникновение термических напряжений.

Мартенситное превращение связано с увеличением объема на несколько процентов. Поверхностные слои раньше достигают мартенситной точки, чем сердцевина изделия. Мартенситное превращение и связанное с ним увеличение объема происходит в разных точках сечения изделия не одновременно, что приводит к возникновению структурных напряжений.

Суммарные закалочные напряжения растут с увеличением температуры нагрева под закалку и с повышением скорости охлаждения, так как в обоих этих случаях возрастает перепад температур по сечению изделия. Увеличение перепада температур приводит к росту термических и структурных напряжений.

Для сталей наиболее вероятно возникновение закалочных напряжений в интервале температур ниже мартенситной точки, когда появляются структурные напряжения и образуется хрупкая фаза — мартенсит. Выше мартенситной точки возникают только термические напряжения, причем сталь находится в аустенитном состоянии, а аустенит пластичен.

Как показывает С-диаграмма, быстрое охлаждение необходимо в районе наименьшей устойчивости переохлажденного аустенита. Для большинства сталей этот район находится в интервале 660 — 400 °С. Выше и ниже этого интервала температур аустенит гораздо более устойчив против распада, чем около изгиба С-кривой, и изделие можно охлаждать относительно медленно.

Медленное охлаждение особенно важно проводить, начиная с температур 300 — 400 °С, при которых в большинстве сталей образуется мартенсит. При замедленном охлаждении выше изгиба С-кривой уменьшаются только термические напряжения, а в мартенситном интервале снижаются и термические, и структурные напряжения.

В качестве закалочных сред наиболее широко используют холодную воду, 10%-ный водный раствор NaOH или NaCl и масла.

Скорость охлаждения стали в различных средах

В таблице приведены значения скорости охлаждения небольших стальных образцов в двух температурных интервалах для различных сред. Пока не найдено такой закалочной жидкости, которая быстро охлаждала бы в перлитном интервале температур и медленно — в мартенситном.

Холодная вода — самый дешевый и весьма энергичный охладитель. Она быстро охлаждает и в перлитном, и в мартенситном интервалах температур. Высокая охлаждающая способность воды объясняется низкой температурой и громадной теплотой кипения, малой вязкостью и сравнительно большой теплоемкостью.

Добавки соли или щелочи увеличивают охлаждающую способность воды в перлитном интервале.

Главный недостаток воды — большая скорость охлаждения в мартенситном интервале.

Минеральное масло медленно охлаждает в мартенситном интервале (это его главное преимущество), но оно медленно охлаждает и в перлитном интервале (это его основной недостаток). Поэтому масло применяют для закалки сталей с хорошей прокаливаемостью.

Нагретая вода не может заменить масло, так как нагрев резко уменьшает скорость охлаждения в перлитном интервале, но почти не изменяет ее в мартенситном интервале.

«Теория термической обработки металлов»,
И.И.Новиков

Так как нет такой закаливающей среды, которая давала бы быстрое охлаждение в интервале температур 650 — 400 °С и медленное охлаждение выше и главным образом ниже этого интервала, то применяют различные способы закалки, обеспечивающие необходимый режим охлаждения. Закалка через воду в масло Закалка через воду в масло (закалка в двух средах): 1 — нормальный режим;…

Во многих сталях мартенситный интервал (Мн — Мк) простирается до отрицательных температур (смотрите рисунок Зависимость температур). В этом случае в закаленной стали содержится остаточный аустенит, который можно дополнительно превратить в мартенсит, охлаждая изделие до температур ниже комнатной. По существу такая обработка холодом (предложена в 1937 г. А. П. Гуляевым) продолжает закалочное охлаждение, прерванное при комнатной…

Многие изделия должны иметь высокую поверхностную твердость, высокую прочность поверхностного слоя и вязкую сердцевину. Такое сочетание свойств на поверхности и внутри изделия достигается поверхностной закалкой. Для поверхностной закалки стального изделия необходимо нагреть выше точки Аc3 только поверхностный слой заданной толщины. Этот нагрев должен совершаться быстро и интенсивно, чтобы сердцевина вследствие теплопроводности также не прогрелась до…

Сквозной нагрев под закалку Превращения в стали при нагревании описаны в Образовании аустенита при нагревании. Температуры нагрева под закалку углеродистых сталей можно выбрать по диаграмме состояния. Доэвтектоидные стали закаливают с температур, превышающих точку А3 на 30 — 50 °С. Наследственно мелкозернистая сталь допускает более высокий нагрев. При перегреве наследственно крупнозернистой стали закалка дает структуру крупноигольчатого…

Прокаливаемость и критическая скорость охлаждения При закалке на мартенсит сталь должна охлаждаться с закалочной температуры так, чтобы аустенит, не успев претерпеть распад на ферритокарбидную смесь, переохладился ниже точки Мн. Для этого скорость охлаждения изделия должна быть выше критической. Критическая скорость охлаждения (критическая скорость закалки) — это минимальная скорость, при которой аустенит еще не распадается на…

Термическая обработка стали позволяет придать изделиям, деталям и заготовкам требуемые качества и характеристики. В зависимости от того, на каком этапе в проводилась термическая обработка, у заготовок повышается обрабатываемость, с деталей снимаются остаточные напряжения, а у деталей повышаются эксплуатационные качества.

Технология термической обработки стали – это совокупность процессов: нагревания, выдерживания и охлаждения с целью изменения внутренней структуры металла или сплава. При этом химический состав не изменяется.

Так, молекулярная решетка углеродистой стали при температуре не более 910°С представляет из себя куб объемно-центрированный. При нагревании свыше 910°С до 1400°С решетка принимает форму гране-центрированного куба. Дальнейший нагрев превращает куб в объемно-центрированный.

Сущность термической обработки сталей – это изменение размера зерна внутренней структуры стали. Строгое соблюдение температурного режима, времени и скорости на всех этапах, которые напрямую зависят от количества углерода, легирующих элементов и примесей, снижающих качество материала. Во время нагрева происходят структурные изменения, которые при охлаждении протекают в обратной последовательности. На рисунке видно, какие превращения происходят во время термической обработки.

Назначение термической обработки

Термическая обработка стали проводится при температурах, приближенных к критическим точкам. Здесь происходит:

• вторичная кристаллизация сплава;
• переход гамма железа в состояние альфа железа;
• переход крупных частиц в пластинки.

Внутренняя структура двухфазной смеси напрямую влияет на эксплуатационные качества и легкость обработки.

Основное назначение термической обработки — это придание сталям:

• В готовых изделиях:
  1. прочности;
  2. износостойкости;
  3. коррозионностойкость;
  4. термостойкости.

• В заготовках:
  1. снятие внутренних напряжений после
     • литья;
     • штамповки (горячей, холодной);
     • глубокой вытяжки;
  2. увеличение пластичности;
  3. облегчение обработки резанием.

Термическая обработка применяется к следующим типам сталей:

1. Углеродистым и легированным.
2. С различным содержанием углерода, от низкоуглеродистых 0,25% до высокоуглеродистых 0,7%.
3. Конструкционным, специальным, инструментальным.
4. Любого качества.

Классификация и виды термообработки

Основополагающими параметрами, влияющими на качество термообработки являются:

• время нагревания (скорость);
• температура нагревания;
• длительность выдерживания при заданной температуре;
• время охлаждения (интенсивность).

Изменяя данные режимы можно получить несколько видов термообработки.

Виды термической обработки стали:

• Отжиг
  1. I – рода:
     • гомогенизация;
     • рекристаллизация;
     • изотермический;
     • снятие внутренних и остаточных напряжений;
  2. II – рода:
     • полный;
     • неполный;

• Закалка;
• Отпуск:
  1. низкий;
  2. средний;
  3. высокий.

• Нормализация.

Отпуск

Отпуск в машиностроении используется для уменьшения силы внутренних напряжений, которые появляются во время закалки. Высокая твердость делает изделия хрупкими, поэтому отпуском добиваются увеличения ударной вязкости и снижения жесткости и хрупкости стали.

1. Отпуск низкий

Для низкого отпуска характерна внутренняя структура мартенсита, которая, не снижая твердости повышает вязкость. Данной термообработке подвергаются измерительный и режущий инструмент. Режимы обработки:

• Нагревание до температуры – от 150°С, но не выше 250°С;
• выдерживание — полтора часа;
• остывание – воздух, масло.

2. Средний отпуск

Для среднего отпуска преобразование мартенсита в тростит. Твердость снижается до 400 НВ. Вязкость возрастает. Данному отпуску подвергаются детали, работающие со значительными упругими нагрузками. Режимы обработки:

• нагревание до температуры – от 340°С, но не выше 500°С;
• охлаждение – воздух.

3. Высокий отпуск

При высоком отпуске кристаллизуется сорбит, который ликвидирует напряжения в кристаллической решетке. Изготавливаются ответственные детали, обладающие прочностью, пластичностью, вязкостью.

Режимы обработки:

Нагревание до температуры – от 450°С, но не выше 650°С.

Отжиг

Применение позволяет получить однородную внутреннюю структуру без напряжений кристаллической решетки. Процесс проводят в следующей последовательности:

• нагревание до температуры чуть выше критической точки в зависимости от марки стали;
• выдержка с постоянным поддержанием температуры;
• медленное охлаждение (обычно остывание происходит совместно с печью).

1. Гомогенизация

Гомогенизация, по-иному отжиг диффузионный, восстанавливает неоднородную ликвацию отливок. Режимы обработки:

• нагревание до температуры – от 1000°С, но не выше 1150°С;
• выдержка – 8-15 часов;
• охлаждение:
  • печь – до 8 часов, снижение температуры до 800°С;
  • воздух.

2. Рекристаллизация

Рекристаллизация, по-иному низкий отжиг, используется после обработки пластическим деформированием, которое вызывает упрочнение за счет изменения формы зерна (наклеп). Режимы обработки:

• нагревание до температуры – выше точки кристаллизации на 100°С-200°С;
• выдерживание — ½ — 2 часа;
• остывание – медленное.

3. Изотермический отжиг

Изотермическому отжигу подвергаются легированные стали, для того чтобы произошел распад аустенита. Режимы термообработки:

• нагревание до температуры – на 20°С — 30°С выше точки;
• выдерживание;
• остывание:
  • быстрое – не ниже 630°С;
  • медленное – при положительных температурах.

4. Отжиг для устранения напряжений

Снятие внутренних и остаточных напряжений отжигом используется после сварочных работ, литья, механической обработки. С наложением рабочих нагрузок детали подвергаются разрушению. Режимы обработки:

• нагревание до температуры – 727°С;
• выдерживание – до 20 часов при температуре 600°С — 700°С;
• остывание — медленное.

5. Отжиг полный

Отжиг полный позволяет получить внутреннюю структуру с мелким зерном, в составе которой феррит с перлитом. Полный отжиг используют для литых, кованных и штампованных заготовок, которые будут в дальнейшем обрабатываться резанием и подвергаться закалке.

Режимы обработки:

• температура нагрева – на 30°С-50°С выше точки;
• выдержка;
• охлаждение до 500°С:
  • сталь углеродистая – снижение температуры за час не более 150°С;
  • сталь легированная – снижение температуры за час не более 50°С.

6. Неполный отжиг

При неполном отжиге пластинчатый или грубый перлит преобразуется в ферритно-цементитную зернистую структуру, что необходимо для швов, полученных электродуговой сваркой, а также инструментальные стали и стальные детали, подвергшиеся таким методам обработки, температура которых не провоцирует рост зерна внутренней структуры.

Режимы обработки:

• нагревание до температуры – выше точки или, выше 700°С на 40°С — 50°С;
• выдерживание – порядка 20 часов;
• охлаждение — медленное.

Закалка

Сталей применяют для:

• Повышения:
  1. твердости;
  2. прочности;
  3. износоустойчивости;
  4. предела упругости;

• Снижения:
  1. пластичности;
  2. модуля сдвига;
  3. предела на сжатие.

Суть закалки – это максимально быстрое охлаждение прогретой насквозь детали в различных средах. Каление производится с полиморфными изменениями и без них. Полиморфные изменения возможны только в тех сталях, в которых присутствуют элементы способные к преобразованию.

Такой сплав подвергается нагреву до той температуры, при которой кристаллическая решетка полиморфного элемента терпит изменения, за счет чего увеличивается растворяемость легирующих материалов. При снижении температуры решетка изменяет структуру из-за избытка легирующего элемента и принимает игольчатую структуру.

Невозможность полиморфных изменений при калении обусловлено ограниченной растворимостью одного компонента в другом при быстрой скорости охлаждения. Для диффузии мало времени. В итоге получается раствор с избытком нерастворенного компонента (метастабильтный).

Для увеличения скорости охлаждения стали используются такие среды как:

• вода;
• соляные растворы на основе воды;
• техническое масло;
• инертные газы.

Сравнивая скоростной режим охлаждения стальных изделий на воздухе, то охлаждение в воде с 600°С происходит в шесть раз быстрее, а с 200°С в масле в 28 раз. Растворенные соли повышают закаливающую способность. Недостатком использования воды считается появление трещин в местах образования мартенсита. Техническое масло используется для закалки легирующих сплавов, но оно пригорает к поверхности.

Металлы, использующиеся при изготовлении изделий медицинской направленности не должны иметь пленки из оксидов, поэтому охлаждение происходит в среде разряженного воздуха.

Чтобы полностью избавиться от аустенита, из-за которого у стали наблюдается высокая хрупкость, изделия подвергаются дополнительному охлаждению при температурах от — 40°С и до -100°С в специальной камере. Также можно использовать углекислую кислоту в смеси с ацетоном. Такая обработка повышает точность деталей, их твердость, магнитные свойства.

Если деталям не требуется объемная термообработка, проводится каление только поверхностного слоя на установках ТВЧ (токами высокой частоты). При этом глубина термообработки составляет от 1 мм до 10 мм, а охлаждение происходит на воздухе. В итоге поверхностный слой становится износоустойчивым, а середина вязкая.

Процесс закалки предполагает прогревание и выдержку стальных изделий при температуре, достигающей порядка 900°С. При такой температуре стали с содержанием углерода до 0,7% имеют структуру мартенсита, который при последующей термообработке перейдет в требуемую структуру с появлением нужных качеств.

Нормализация

Формирует структуру с мелким зерном. Для низкоуглеродистых сталей — это структура феррит-перлит, для легированных – сорбитоподобная. Получаемая твердость не превышает 300 НВ. Нормализации подвергаются горячекатаные стали. При этом у них увеличивается:

• сопротивление излому;
• производительность обработки;
• прочность;
• вязкость.

Режимы обработки:

• происходит нагрев до температуры – на 30°С-50°С выше точки;
• выдерживание в данном температурном коридоре;
• охлаждение – на открытом воздухе.

Преимущества термообработки

Термообработка стали – это технологический процесс, который стал обязательным этапом получения комплектов деталей из стали и сплавов с заданными качествами. Этого позволяет добиться большое разнообразие режимов и способов термического воздействия. Термообработку используют не только применительно к сталям, но и к цветным металлам и сплавам на их основе.

Стали без термообработки используются лишь для возведения металлоконструкций и изготовления неответственных деталей, срок службы которых невелик. К ним не предъявляются дополнительные требования. Повседневная же эксплуатация наоборот диктует ужесточение требований, именно поэтому применение термообработки предпочтительно.

В термически необработанных сталях абразивный износ высок и пропорционален собственной твердости, которая зависит от состава химических элементов. Так, незакаленные матрицы штампов хорошо сочетаются при работе с калеными пуансонами.

На чтение 8 мин.

Термообработка металла изменяет его характеристики. Закалка стали делает ее тверже, прочнее. В отдельных случаях термообработку проводят для измельчения зерна, выравнивания структуры. Простую технологию нагрева и быстрого охлаждения для мелких деталей можно осуществить в домашних условиях. Необходимо знать марку стали и ее температуру нагрева для закалки.

Закалка стали

Что такое закалка металла?

Один из видов термообработки - закалка металла. Она состоит из нескольких этапов, выполняемых в определенной последовательности:

1. Нагрев металла до определенной температуры. Выдержка для выравнивания по всей глубине детали.
2. Быстрое охлаждение.
3. Отпуск для снятия напряжений и коррекции твердости до заданного значения.

В процессе изготовления сложные детали могут проходить несколько закалок разного вида.

По глубине обработки закалка делится на два вида:

• объемная;
• поверхностная.

В основном в машиностроении применяется объемная термообработка, когда деталь прогревается на всю глубину. В результате резкого охлаждения, после завершения термообработки твердость внутри и снаружи отличается всего на несколько единиц.

Поверхностная закалка применяется для деталей, которые должны быть твердые сверху и пластичные внутри. Индуктор прогревает сталь на глубину 3–20 мм и сразу за ним расположен спрейер, поливающий горячий металл водой.

Сталь нагревается до состояния аустенита. Для каждой марки своя температура, определяемая по таблице состояния сплавов железо-углерод. При резком охлаждении углерод остается внутри зерна, не выходит в межкристаллическое пространство. Превращение структуры не успевает происходить, и внутреннее строение содержит перлит и феррит. Зерно становится мельче, сам металл тверже.

Какие стали можно закаливать?

При нагреве и быстром охлаждении внутренние изменения структуры происходят во всех сталях. Твердость повышается только при содержании углерода более 0,4%. Ст 35 по ГОСТ имеет его 0,32 – 0,4%, значит может «подкалиться» - незначительно изменить твердость, если углерод расположен по верхнему пределу.

Закаливаемыми считаются стали, начиная от СТ45 и выше по содержанию углерода. В то же время закалка нержавеющей стали с низким содержанием углерода типа 3Х13 возможна. Хром и некоторые другие легирующие элементы заменяют его в кристаллической решетке и повышают прокаливаемость металла.

Высоколегированные углеродистые стали содержат вещества, ускоряющие процесс охлаждения и повышающие способность стали к закалке. Для них требуется сложная ступенчатая система охлаждения и высокотемпературный отпуск.

Температура и скорость нагрева

Температура нагрева под закалку повышается с содержанием в стали углерода и легирующих веществ. Для Ст45 она, например, 630–650⁰, Ст 90ХФ - более 800⁰.

Высокоуглеродистые и высоколегированные стали при быстром нагреве могут «потрещать» - образовать на поверхности и внутри мелкие трещины. Их нагревают в несколько этапов. При температурах 300⁰ и 600⁰ делают выдержку. Кроме выравнивания температуры по всей глубине, происходит структурное изменение кристаллической решетки и переход к другим видам внутреннего строения.

Свойства стали после закалки

После закалки деталей происходят структурные изменения, влияющие на технические характеристики металла:

• увеличивается твердость и прочность;
• уменьшается зерно;
• снижается гибкость и пластичность;
• повышается хрупкость;
• увеличивается устойчивость к стиранию;
• уменьшается сопротивление на излом.

На поверхности каленой детали легко получить высокий класс чистоты. Сырая сталь не шлифуется, тянется за кругом.

Виды закалки стали

Основные параметры для закалки стали: температура нагрева и скорость охлаждения. Они полностью зависят от марки стали - содержания углерода и легирующих веществ.

Закаливание в одной среде

При закаливании стали среда определяет скорость охлаждения. Наибольшая твердость получается при окунании детали в воду. Так можно калить среднеуглеродистые низколегированные стали и некоторые нержавейки.

Если металл содержит более 0,5% углерода и легирующие элементы, то при охлаждении в воде деталь потрещит - покроется трещинами или полностью разрушится.

Высоколегированные стали повышают свою твердость даже при охлаждении на воздухе.

При закалке на воде легированная сталь подогревается до 40–60⁰. Холодная жидкость будет отскакивать от горячей поверхности, образуя паровую рубашку. Скорость охлаждения значительно снизится.

Ступенчатая закалка

Закалка сложных по составу сталей может производиться в несколько этапов. Для ускорения охлаждения крупных деталей из высоколегированных сталей, их сначала окунают в воду. Время пребывания детали определяется несколькими минутами. После этого закалка продолжается в масле.

Вода быстро охлаждает металл на поверхности. После этого деталь окунается в масло и остывает до критической температуры структурных преобразований 300–320⁰. Дальнейшее охлаждение проводится на воздухе.

Если калить массивные детали только в масле, температура изнутри затормозит остывание и значительно снизит твердость.

Изотермическая закалка

Закалить металл с высоким содержанием углерода сложно, особенно изделия из инструментальной стали - топоры, пружины, зубила. При быстром охлаждении в нем образуются сильные напряжения. Высокотемпературный отпуск снимает часть твердости. Закалка производится поэтапно:

1. Нормализация для улучшения структуры.
2. Нагрев до температуры закалки.
3. Опускание в ванну с селитрой, прогретой до 300–350⁰, и выдержка в ней.

После закалки в селитровой ванне отпуск не нужен. Напряжения снимаются во время медленного остывания.

Изотермическая закалка

Светлая закалка

Технического термина «светлая закалка» не существует. Когда производится закалка легированных сталей, включая нагрев, в вакууме или инертных газах, металл не темнеет. Закалка в среде защитных газов дорогостоящая и требует специального оборудования отдельно на каждый тип деталей. Она применяется только при массовом изготовлении однотипной продукции.

В вертикальной печи деталь нагревается, проходя через индуктор, и сразу же опускается ниже - в соляную или селитровую ванну. Оборудование должно быть герметично. После каждого цикла с него откачивается воздух.

Закалка с самоотпуском

При быстром охлаждении в процессе закалки стали внутри детали остается тепло, которое постепенно выходит и отпускает материал - снимает напряжения. Делать самоотпуск могут только специалисты, которые знают, насколько можно сократить время пребывания детали в охлаждающей жидкости.

Самоотпуск можно производить дома, если нужно незначительно увеличить твердость крепежа или мелких деталей. Необходимо уложить их на теплоизолирующий материал и сверху накрыть асбестом.

Способы охлаждения при закаливании

Широко используемые в промышленности способы охлаждения металла при закалке на воду и в масле. Самый древний состав для закалки мечей и других тонкостенных предметов - соляной раствор. Закалку производили кузнецы, используя нагрев под ковку и тепло, выделяемое деформацией.

Красные сабли, мечи, ножи опускали в мочу рыжих парней. В Европе их просто вонзали в тела живых рабов. Коллоидный состав, содержащий соли и кислоты, позволял с оптимальной скоростью охладить сталь и не создавать лишних напряжений и поводки.

В настоящее время используют различные солевые натриевые растворы, селитру и даже пластиковую стружку.

Как закалить сталь в домашних условиях

Решение о том, как калить металл, принимается исходя из нескольких параметров:

• марки стали;
• требуемой твердости;
• режима работы детали;
• габаритов.

Не все способы термообработки доступны любителям. Следует выбирать наиболее простые. Чаще всего в домашних условиях приходится закаливать нержавейку при изготовлении ножей и другого домашнего режущего инструмента.

Температура закалки хромсодержащих сталей 900–1100⁰C. Проверять нагрев следует визуально. Металл должен иметь светло оранжевый – темно желтый цвет, равномерный по всей поверхности.

Окунать тонкую нержавейку можно в горячую воду, поднимая на воздух и вновь опуская. Чем выше содержание углерода, тем больше времени сталь проводит на воздухе. Один цикл длится примерно 5 секунд.

Простые свариваемые стали греют до вишневого цвета и охлаждают в воде. Среднелегированные материалы должны перед окунанием в воду иметь красный цвет. После 10–30 секунд перекладываются в масло, затем укладываются в печь.

При закалке получают максимальную твердость, которую дает сталь при данной технологии. Затем высокотемпературным отпуском понижают ее до требуемой.

Закалка в домашних условиях

Оборудование

Нагрев металла производится различными способами. Нужно только помнить, что температура горения дерева не может обеспечить нагрев металла.

Если требуется улучшить качество 1 детали, достаточно развести костер. Его надо по периметру обложить кирпичами и после укладки заготовки частично закрыть сверху, оставив щели для доступа воздуха. Лучше жечь уголь.

Отдельный участок и небольшую по размерам деталь греют газовой и керосиновой горелкой, постоянно водя пламенем и прогревая со всех сторон.

Изготовление муфельной печи требует много времени и ресурсов. Ее целесообразно строить при постоянном использовании.

Охлаждающая жидкость может находиться в ведре и любой другой емкости, которая обеспечит полное погружение детали с толщиной масла в 5 наибольших сечений детали:

• одна часть под закаливаемым изделием;
• две сверху.

Деталь необходимо медленно двигать в охлаждающей жидкости. В противном случае образуется паровая рубашка.

Самостоятельное изготовление камеры для закаливания металла

Наипростейшее подобие муфельной печи делается из огнеупорного кирпича, шамотной глины и асбеста:

1. На оправку навить медную проволоку. Для домашнего напряжения подойдет сечение 0,8 мм. Оставить длинные концы.
2. Расположить спираль внутри кирпичей и зафиксировать глиной, обмазав всю внутреннюю поверхность.
3. Внутри сделать поддон - площадку для расположения заготовок. Для этого нужно смешать глину с асбестом.
4. Теплоизолирующий материал можно расположить и снаружи, уменьшая теплоотдачу стенок.
5. Подключить концы проволоки к проводам с вилкой.
6. Сзади герметично заделать отверстие между кирпичами.
7. Впереди соорудить крышку, которая будет открываться.

Высыхать все материалы должны при комнатной температуре. На это уйдет несколько дней. Затем можно укладывать деталь на изоляционный материал и греть.

Дефекты при закаливании стали

При закаливании стали возникают 2 группы дефектов:

• исправимые;
• неисправимые.

Первые связаны с неравномерной, пятнистой закалкой и несоответствием полученной твердости требованиям в чертеже. Вызваны такие дефекты в основном неправильным охлаждением или некачественно проведенной термообработкой.

К неисправимым относятся сколы, трещины, полное разрушение деталей. Причина чаще всего заключается в некачественном металле.

Закалка значительно изменяет структуру и эксплуатационные качества металла. Делать ее самостоятельно можно на простых деталях. Необходимо точно знать марку стали, температуру ее закалки и охлаждающую среду.

/ 11.08.2019

Скорость охлаждения стали на воздухе град с. Определение скорости охлаждения при закалке стали

Oхлаждающая способность сред в большой мере определяется тем, изменяется или не изменяется их агрегатное состояние в процессе охлаждения изделий.
В зависимости от температуры кипения охлаждающие среды разделяют на две группы. Первая группа - это среды, агрегатное состояние которых изменяется в период охлаждения. К ней относится вода, водные растворы солей, щелочи, жидкий азот, а также масла, водные растворы эмульсин и т. п., температура кипения которых ниже температуры охлаждаемого изделия. Ко второй группе относятся среды, агрегатное состояние которых не изменяется в процессе охлаждения изделий. Их температура кипения превышает температуру охлаждающихся изделий. Это расплавленные металлы, соли, щелочи и их смеси. К этой же группе следует отнести воздух и гелий, также не меняющие своего агрегатного состояния.
В зависимости от охлаждающей способности сред их делят на три группы:
1. Сильнодействующие охладители: растворы в воде 5% NaOH, 2% K4Fe(CN)6*3H2O1 10-15% NaOH и вода при 15-30° С, в особенности при интенсивном движении, жидкий азот, гелий.
2. Среднедействующие охладители: расплавленные соли, щелочи и металлы, растительные и минеральные масла, мазут, водные растворы силикатов натрия, горячие водные растворы солей и т.п.
3. Слабодействующие охладители: струн сухого воздуха и паровоздушных смесей, вода при 80-90° С, мыльная вода и др.
Охлаждающая способность охладителя зависит от его скрытой теплоты испарения, теплоемкости, теплопроводности и вязкости. На скорость охлаждения в рассматриваемом охладителе влияют количество охладителя и гидродинамический режим его движения.
При погружении изделия с высокой температурой в охлаждающую среду с низкой температурой кипения наблюдаются следующие процессы. В первоначальный момент из-за повышенного парообразования все изделие покрывается паровой пленкой, которая устойчиво держится на поверхности металла. Она - плохой проводник тепла, и поэтому охлаждение на этой стадии, называемой стадией пленочного кипения, замедленно.
По мере понижения температуры изделия количество выделяющегося тепла становится недостаточным поддержания па поверхности сплошной паровой пленки Разрушение паровой пленки приводит к тому, что поверхность изделия начинает соприкасаться с охлаждающей жидкостью. При этом интенсивно образуются пузырьки пара, а интенсивность охлаждения резко возрастает, так как на образование пузырьков пара, быстро отрывающихся от поверхности, расходуется большое количество тепла, и температура металла быстро снижается до температуры кипения охлаждающем среды. Соответствующий период охлаждения носит название пузырькового кипения
При последующем охлаждении парообразование практически не наблюдается, и тепло передается конвекцией от поверхности изделия к охлаждающей среде. Интенсивность теплообмена в третьем периоде невелика, и соответственно малы скорости охлаждения.
Требования к идеальной охлаждающей среде при закалке состоят в том, что она должна обеспечивать охлаждение со скоростями выше критических в некоторой области температур. При более низких температурах скорость охлаждения не должна быть высокой, так как это приводит к возникновению больших остаточных напряжений и короблению изделий. Так, например, при закалке алюминиевых сплавов необходимы высокие скорости охлаждения при температурах 500-300° С для фиксации пересыщенного твердого раствора. Oxлаждение же в интервале температур 200-20° С желательно проводить со значительно меньшей интенсивностью для уменьшения остаточных напряжений.
Охлаждение в воде. Для оценки охлаждающей способности сред по экспериментальным данным строят зависимости коэффициентов теплоотдачи α от температуры поверхности изделия Как уже отмечалось ранее, охлаждающая способность зависит и от условии движения жидкости относительно поверхности изделия.
На рис. 1 приведены значения коэффициентов теплоотдачи для спокойной и циркулирующей воды. Видно, что в зависимости от температуры коэффициенты теплоотдачи изменяются пи кривым с максимумом. При высоких температурах коэффициенты α имеют небольшие значения, что соответствует пленочному режиму кипения. По мере развития пузырькового кипения коэффициенты α резко возрастают, а затем снижаются при таких температурах поверхности при переходе к конвективному теплообмену.

Кривые зависимости коэффициентов теплоотдачи α от температуры поверхности не дают однозначного представления о скоростях охлаждения при различных температурах, так как количество отводимого от изделия тепла пропорционально α и перепаду температур tп-tводы. Скорость охлаждения для «тонких» в термическом смысле тел определяется формулой

где с и ρ - удельная теплоемкость и плотность металла соответственно; V - объем охлаждаемого тела
Из уравнения (I) следует, что для оценки охлаждающей способности среды можно использовать параметр k=α(tп-tводы), который при заданных физических свойствах металла и размерах изделия однозначно определяет скорости охлаждения. На рис. 2 приведены зависимости параметра k от температуры поверхности построенные по данным рис. 1.
Как видно из данных рис. 2. скорости охлаждения изделий в воде в зависимости от температуры охлаждаемой поверхности также изменяются по кривой с максимумом. При температуре воды 20°С этот максимум находится в области температур поверхности 200-300°С. С повышением температуры воды скорости охлаждения снижаются, а максимум смещается в область более низких температур поверхности. Следует отметить, что в области температур поверхности 100-200°С скорости охлаждения при применении воды с повышенной температурой больше, чем для воды с температурой 20°С. Повышение скоростей охлаждения в области низких температур приводит к увеличению остаточных напряжении, и поэтому перегрев воды в закалочных баках ограничивается температурами 25-45° С. Циркуляция воды повышает скорости охлаждения в области высоких температур.

Охлаждение в водных растворах и эмульсиях. Исследования показали, что даже незначительное количество примесей существенно изменяет охлаждающую способность воды. Установлено, что это связано с влиянием примесей на устойчивость паровой пленки на поверхности охлаждаемого изделия. При этом растворимые примеси уменьшают, а нерастворимые, наоборот, увеличивают стабильность паровой пленки. Это свойство воды было использовано для разработки закалочных сред с высокой и пониженной охлаждающей способностью.
Повышение охлаждающей способности воды достигается растворением в ней кислот, щелочей и солей. Такие хорошо растворимые соединения, как KCl, NaCl, CaCl2, Na2CO3, К2CO3, Na2SO4, H2SO4, NaOH, КОН, снижают устойчивость паровой пленки и повышают температуру перехода от пленочного режима кипения к пузырьковому.
Наоборот, присадка нерастворимых и слаборастворимых веществ, образующих в воде эмульсию (масла, жиры, нефтепродукты, мыла и др.), увеличивает стабильность паровой пленки и понижает температуру смены режимов кипения. Охлаждающая способность воды с присадкой этих веществ в области высоких температур существенно понижается.
В практике термической обработки широкое применение нашли водные растворы 5-15% NaCl Они обладают большей по сравнению с водой охлаждающей способностью при повышенных температурах, а при температурах ниже 200-250° С охлаждают примерно с тон же скоростью, что и вода.
Меньшее применение нашли растворы щелочей, которые по охлаждающей способности аналогичны растворам NaCl Растворы кислот не используют в качестве закалочных сред из-за их агрессивности и выделения при закалке вредных паров. Суспензии и эмульсии характеризуются пониженной скоростью охлаждения при высоких и средних температурах, а при низких - охлаждают так же, как чистая вода.
На рис. 3 приведены значения коэффициентов теплоотдачи в зависимости от температуры поверхности для различных растворов и эмульсий позволяющие по лучить количественные характеристики их охлаждающей способности.

В последнее время в качестве закалочных сред начинают применять водные растворы полимерок, обеспечивающие пониженную скорость охлаждения при закалке и соответственно меньшее коробление. В зарубежной практике используют водные растворы полиалкиленгликоля, а в нашей стране водное растворы полиэтиленгликоля. При температурах выше 70-77° С эти вещества нерастворимы в воде, и поэтому при закалочном охлаждении молекулы полимере в покрывают поверхность изделия тонкой пленкой, которая замедляет охлаждение. При достаточно низких температурах полимерная пленка переходит в водный раствор и затормаживающее действие пленки устраняется Поэтому при закалке в водных растворах полимеров нет того колоссального различия в скоростях охлаждения в интервале высоких, средних и низких температур, которое свойственно воде.
Вязкость раствора, в значительной мере определяющая его охлаждающую способность, зависит от концентрации полимера. Так, изменение концентрации полиэтиленгликоля от 30 до 70% увеличивает кинематическую вязкость раствора почти в 30 раз, что позволяет осуществлять резкую закалку в растворах малой концентрации и закалку с умеренной скоростью охлаждения в растворах высокой концентрации (рис. 4).

При закалке алюминиевых сплавов в растворах полиэтиленгликоля с концентрацией выше 50% коробление может быть уменьшено на 85 95%. При этом существенно не снижаются механические свойства и коррозионная стойкость сплавов Наиболее целесообразно использовать эти среды в условиях машиностроительных заводов, где часто возникает необходимость проведения повторных закалок.
Охлаждение в маслах. В настоящее время для закалки применяют исключительно дистиллятные минеральные масла. Температуры кипения масел на 150-300° С выше, чем воды. Максимально допустимую температуру перегрева масел выбирают на 25-30° С ниже температуры вспышки. По сравнению с водой масла характеризуются значительно более низкой охлаждающей способностью особенно на стадии конвективного теплообмена. Скорости охлаждения в масле при повышенных температурах в 5-8 раз меньше, чем при охлаждении в воде.
Охлаждающая способность масел слабо зависит от их циркуляции и температуры, в тех пределах, которые встречаются на практике (25-65° С).
Для проведения закалочных операций в практике термообработки применяют масла с пониженной, нормальной, повышенной и высокой вязкостью. Чаще всего используют масла марок 20 и 20В, имеющие нормальную вязкость.
Масла пониженной вязкости обладают более высокой охлаждающей способностью по сравнению с маслами повышенной и высокой вязкости и имеют низкую температуру вспышки. Масла повышенной и высоком вязкости имеют высокую температуру вспышки, что позволяет подогревать их до 160-200° С для снижения вязкости. Их используют для изотермической и ступенчатой закалки.
Недостаток минеральных масел - их старение, приводящее к загустеванию и потере охлаждающей способности. Состаренное масло подвергают регенерации, состоящей из отстаивания, фильтрации от загрязнений и добавки некоторого количества свежего масла.
Закалка в расплавленном свинце, солях и щелочах. Для ступенчатой и изотермической закалки используют охлаждающие среды, которые при проведении термообработки не меняют своего агрегатного состояния К ним относятся расплавленные свинец, азотнокислые соли и щелочи.
Расплавленный свинец удовлетворяет предъявляемым с теплотехнической точки зрения требованиям, но дефицитен, а испарения его вредны для обслуживающего персонала. Поэтому свинец заменяют другими средами.
Расплавленные соли и щелочи и их смеси имею ряд преимуществ перед свинцом. Во-первых, они легко отмываются с поверхности изделий. Поверхность после закалки в щелочах не окислена, что позволяет обожгись без операции очистки деталей после термической обработки. Во-вторых, использование соляных и щелочных ванн позволяет осуществить внутренний электрический обогрев, легко автоматизировать регулирование температуры и просто решать проблемы перемешивания расплава. Исследования показывают, что охлаждающая способность соляных и щелочных сред несколько нише, чем у свинца. Однако при работе со щелочными средами следует принимать меры предосторожности против ожогов от брызг.
Составы смесей, рекомендуемых в качестве закалочных сред, приведены в табл. 3.

Охлаждающая способность расплавленных сред зависит от вязкости: чем ниже вязкость, тем выше охлаждающая способность. С увеличением температуры расплава и соответствующим уменьшением вязкости коэффициенты теплоотдачи возрастают, достигают максимума, а затем падают (рис. 5).
Добавки воды сильно влияют на охлаждающую способность солей и щелочей. Вода повышает жидко-текучесть и увеличивает охлаждающую способность расплавленной среды. С этой целью в расплавы солей вводят 2-10%, а в расплавы щелочей 8-15% воды.

После закалки в расплавам щелочей изделия необходимо тщательно промывать и пассивировать для предотвращения коррозии
Охлаждение на воздухе. При охлаждении на воздухе тепло передается излучением и конвекцией и коэффициент теплоотдачи α складывается из конвективной αк и лучистой αл составляющих.
При охлаждении в спокойной воздушной среде для определения αк используют следующие формулы:

где Δr=tп-tвозд - разность средней температуры поверхности изделия и температуры воздуха; l - характерный размер, м, принимается для шара и горизонтального цилиндра (трубы) равным их диаметру; для вертикального цилиндра и вертикальной пластины - высоте охлаждаемого участка, для горизонтальной плиты - ее наименьшей длине.
Для плиты, обращенной поверхностью теплообмена вверх, значения αк увеличиваются на 30%, а для плиты, обращенной поверхностью теплообмена вниз, уменьшаются на 30% по сравнению с вычисленными по формулам (2) и (3).
Значения коэффициентов В, А1, и А2 определяются в зависимости от средней температуры t=1/2(tп+tвозд) и приведены в табл. 4.

Интенсивность конвективного теплообмене при вынужденном движении воздуха или газа зависит от скорости движения газа, его физических свойств и геометрии нагреваемых или охлаждаемых изделий.
Для вынужденного движения поверхности αк определяется по формулам Юргеса:
а) при скорости движения воздуха w0≤4,65 м/c:
для полированной поверхности

при прокатанной поверхности

для шероховатой поверхности

б) при скорости движения газов w0≥4,65 м/с:
для полированной поверхности

для прокатанной поверхности

для шероховатой поверхности

Здесь W0 - приведенная (0°С; 0,1 мПа) скорость движения воздуха. Если известна скорость движения w при температуре t, то

При проведении термической обработки часто требуется охлаждение с регламентированной скоростью. Поэтому возникает необходимость расчета процессов охлаждения, которое может проводиться в любой из описанных выше сред.
Расчет процессов охлаждения в различных условиях в принципе ничем не отличается от расчета процессов нагрева. Просто в формулах, приведенных в литературе по теплопередаче, вместо температуры печи t1, необходимо подставить значение температуры охлаждающей среди Для расчета охлаждения массивных тел, например, можно использовать графики Д. В Будрина и т.п.

Термическая обработка сталей - одна из самых важных операций в машиностроении, от правильного проведения которой зависит качество выпускаемой продукции. Закалка и отпуск сталей являются одними из разнообразных видов термообработки металлов.

Тепловое воздействие на металл меняет его свойства и структуру. Это позволяет повысить механические свойства материала, долговечность и надежность изделий, а также уменьшить размеры и массу механизмов и машин. Кроме того, благодаря термообработке, для изготовления различных деталей можно применять более дешевые сплавы.

Как закалялась сталь

Термообработка стали заключается в тепловом воздействии на металл по определенным режимам ля изменения его структуры и свойств.

К операциям термообработки относятся:

• отжиг;
• нормализация;
• старение;
• закалка стали и отпуск стали (и пр.).

Термообработка стали: закалка отпуск - зависит от следующих факторов:

• температуры нагрева;
• времени (скорости) нагрева;
• продолжительности выдержки при заданной температуре;
• скорости охлаждения.

Закалка

Закалка стали - это процесс термообработки, суть которого заключается в нагреве стали до температуры выше критической с последующим быстрым охлаждением. В результате этой операции повышаются твердость и прочность стали, а пластичность снижается.

При нагреве и охлаждении сталей происходит перестройка атомной решетки. Критические значения температур у разных марок сталей неодинаковы: они зависят от содержания углерода и легирующих примесей, а также от скорости нагрева и охлаждения.

После закалки сталь становится хрупкой и твердой. Поверхностный слой изделий при нагреве в термических печах покрывается окалиной и обезуглероживается тем более, чем выше температура нагрева и время выдержки в печи. Если детали имеют малый припуск для дальнейшей обработки, то брак этот является неисправимым. Режимы закалки закалки стали зависят от ее состава и технических требований к изделию.

Охлаждать детали при закалке следует быстро, чтобы аустенит не успел превратиться в структуры промежуточные (сорбит или троостит). Необходимая скорость охлаждения обеспечивается посредством выбора охлаждающей среды. При этом чрезмерно быстрое охлаждение приводит к появлению трещин или короблению изделия. Чтобы этого избежать, в интервале температур от 300 до 200 градусов скорость охлаждения надо замедлять, применяя для этого комбинированные методы закалки. Большое значение для уменьшения коробления изделия имеет способ погружения детали в охлаждающую среду.

Нагрев металла

Все способы закалки стали состоят из:

• нагрева стали;
• последующей выдержки для достижения сквозного прогрева изделия и завершения структурных превращений;
• охлаждения с определенной скоростью.

Изделия из углеродистой стали нагревают в камерных печах. Предварительный подогрев в этом случае не требуется, так как эти марки сталей не подвергаются растрескиванию или короблению.

Сложные изделия (например, инструмент, имеющий выступающие тонкие грани или резкие переходы) предварительно подогревают:

• в соляных ваннах путем двух-или трехкратного погружения на 2 – 4 секунды;
• в отдельных печах до температуры 400 – 500 градусов по Цельсию.

Нагрев всех частей изделия должен протекать равномерно. Если это невозможно обеспечить за один прием (крупные поковки), то делаются две выдержки для сквозного прогрева.

Если в печь помещается только одна деталь, то время нагрева сокращается. Так, например, одна дисковая фреза толщиной 24 мм нагревается в течение 13 минут, а десять таких изделий – в течение 18 минут.

Защита изделия от окалины и обезуглероживания

Для изделий, поверхности которых после термообработки не шлифуются, выгорание углерода и образование окалины недопустимо. Защищают поверхности от подобного брака применением, подаваемых в полость электропечи. Разумеется, такой прием возможен только в специальных герметизированных печах. Источником подаваемого в зону нагрева газа служат генераторы защитного газа. Они могут работать на метане, аммиаке и других углеводородных газах.

Если защитная атмосфера отсутствует, то изделия перед нагревом упаковывают в тару и засыпают отработанным карбюризатором, стружкой (термисту следует знать, что древесный уголь не защищает инструментальные стали от обезуглероживания). Чтобы в тару не попадал воздух, ее обмазывают глиной.

Соляные ванны при нагреве не дают металлу окисляться, но от обезуглероживания не защищают. Поэтому на производстве их раскисляют не менее двух раз в смену бурой, кровяной солью или борной кислотой. Соляные ванны, работающие на температурах 760 – 1000 градусов Цельсия, весьма эффективно раскисляются древесным углем. Для этого стакан, имеющий множество отверстий по всей поверхности, наполняют просушенным углем древесным, закрывают крышкой (чтобы уголь не всплыл) и после подогрева опускают на дно соляной ванны. Сначала появляется значительное количество языков пламени, затем оно уменьшается. Если в течение смены таким способом трижды раскислять ванну, то нагреваемые изделия будут полностью защищены от обезуглероживания.

Степень раскисления соляных ванн проверяется очень просто: обычное лезвие, нагретое в ванне в течение 5 – 7 минут в качественно раскисленной ванне и закаленное в воде, будет ломаться, а не гнуться.

Охлаждающие жидкости

Основной охлаждающей жидкостью для стали является вода. Если в воду добавить небольшое количество солей или мыла, то скорость охлаждения изменится. Поэтому ни в коем случае нельзя использовать закалочный бак для посторонних целей (например, для мытья рук). Для достижения одинаковой твердости на закаленной поверхности необходимо поддерживать температуру охлаждающей жидкости 20 – 30 градусов. Не следует часто менять воду в баке. Совершенно недопустимо охлаждать изделие в проточной воде.

Недостатком водяной закалки является образование трещин и коробления. Поэтому таким методом закаливают изделия только несложной формы или цементированные.

• При закалке изделий сложной конфигурации из конструкционной стали применяется пятидесятипроцентный раствор соды каустической (холодный или подогретый до 50 – 60 градусов). Детали, нагретые в соляной ванне и закаленные в этом растворе, получаются светлыми. Нельзя допускать, чтобы температура раствора превышала 60 градусов.

Режимы

Пары, образующиеся при закалке в растворе каустика, вредны для человека, поэтому закалочную ванну обязательно оборудуют вытяжной вентиляцией.

• Закалку легированной стали производят в минеральных маслах. Кстати, тонкие изделия из углеродистой стали также проводят в масле. Главное преимущество масляных ванн заключается в том, что скорость охлаждения не зависит от температуры масла: при температуре 20 градусов и 150 градусов изделие будет охлаждаться с одинаковой скоростью.

Следует остерегаться попадания воды в масляную ванну, так как это может привести к растрескиванию изделия. Что интересно: в масле, разогретом до температуры выше 100 градусов, попадание воды не приводит к появлению трещин в металле.

Недостатком масляной ванны является:

1. выделение вредных газов при закалке;
2. образование налета на изделии;
3. склонность масла к воспламеняемости;
4. постепенное ухудшение закаливающей способности.

• Стали с устойчивым аустенитом (например, Х12М) можно охлаждать воздухом, который подают компрессором или вентилятором. При этом важно не допускать попадания в воздухопровод воды: это может привести к образованию трещин на изделии.
• Ступенчатая закалка выполняется в горячем масле, расплавленных щелочах, солях легкоплавких.
• Прерывистая закалка сталей в двух охлаждающих средах применяется для обработки сложных деталей, изготовленных из углеродистых сталей. Сначала их охлаждают в воде до температуры 250 – 200 градусов, а затем в масле. Изделие выдерживается в воде не более 1 – 2 секунд на каждые 5 – 6 мм толщины. Если время выдержки в воде увеличить, то на изделии неизбежно появятся трещины. Перенос детали из воды в масло следует выполнять очень быстро.

В зависимости от требуемой температуры отпуск производится:

• в масляных ваннах;
• в селитровых ваннах;
• в печах с принудительной воздушной циркуляцией;
• в ваннах с расплавленной щелочью.

Температура отпуска зависит от марки стали и требуемой твердости изделия, например, инструмент, для которого необходима твердость HRC 59 – 60, следует отпускать при температуре 150 – 200 градусов. В этом случае внутренние напряжения уменьшаются, а твердость снижается незначительно.

Быстрорежущая сталь отпускается при температуре 540 – 580 градусов. Такой отпуск называют вторичным отвердением, так как в результате твердость изделия повышается.

Изделия можно отпускать на цвет побежалости, нагревая их на электроплитах, в печах, даже в горячем песке. Окисная пленка, которая появляется в результате нагрева, приобретает различные цвета побежалости, зависящие от температуры. Прежде чем приступать к отпуску на один из цветов побежалости, надо очистить поверхность изделия от окалины, нагара масла и т. д.

Обычно после отпуска металл охлаждают на воздухе. Но хромоникелевые стали следует охлаждать в воде или масле, так как медленное охлаждение этих марок приводит к отпускной хрупкости.

В результате закалки сталь получает мартенситную структуру, весьма твердую (свыше 6000 НВ) и хрупкую. Мартенсит представляет собой пересыщенный твердый раствор углерода в α-Fe. Превращение аустенита в мартенсит является бездиффузионным процессом: при быстром охлаждении (со скоростью более 150 0 С/с) кристаллическая гранецентрированная решетка аустенита превращается в решетку α-Fe. Диффузия атомов углерода при этом не успевает произойти, и они сохраняют прежние положения. В результате этого создается напряженное состояние кристаллической решетки, что приводит к высокой твердости и хрупкости закаленной стали.

Для уменьшения хрупкости после закалки всегда проводят отпуск, в результате которого уменьшаются внутренние напряжения и сталь приобретает необходимые физико-механические свойства.

Отпуск закаленной стали осуществляют путем нагрева до температуры ниже критических точек Ас 1 , выдержки при этой температуре и последующего медленного или быстрого охлаждения. Быстрое охлаждение в воде рекомендуется при отпуске легированных сталей во избежание отпускной хрупкости. Углеродистые стали охлаждают на воздухе.

Условно различают низкий, средний и высокий отпуск. Низкий отпуск производится при нагреве до 200 __ 300 0 С. Получаемая при этом структура – отпущенный мартенсит, твердость свыше 5000 НВ. Низкому отпуску подвергаются режущие инструменты, калибры и т.п.

Средний отпуск осуществляется при нагреве от 300 до 500 0 С. В результате среднего отпуска сталь приобретает структуру троостита отпуска, для которого свойственна твердость около 4 000 НВ. Отпуск на троостит применяется при обработке пружин, рессор, штампов, ударного инструмента и т.п. При промежуточном нагреве получаются структуры троосто-мартенсита или троосто-сорбита.

Высокий отпуск производится при нагреве 550-650 0 С. Получаемая при этом структура – сорбит отпуска, твердость около 3 000 НВ. Высокому отпуску подвергаются коленчатые валы, полуоси, шатуны, шатунные болты и многие другие детали машин.

Таким образом, по мере повышения температуры отпуска снижаются характеристики прочности, повышаются характеристики пластичности и ударная вязкость. Для различных марок стали величины этих характеристик будут разные, но общая тенденция их изменения остается одинаковой. Наилучшее сочетание свойств прочности и пластичности имеет сталь после закалки и высокого отпуска (структура сорбита).

Порядок выполнения работы

Работа выполняется группой в 10-12 человек. Каждые два студента производят нормализацию, закалку, низкий и высокий отпуск образца стали.

Определить температуру закалки стали, пользуясь для этого нижней частью диаграммы железо-цементит. Для среднеуглеродистых, доэвтектоидных сталей (марок 40, 45, 50) нормальной температурой закалки является температура на 30-50 0 С выше линии GS, т.е. Ас 3 + (30-50) 0 С.

Определить время нагрева и выдержки образцов, пользуясь данными, приведенными в табл. 5.2.

Определить скорость охлаждения в различных средах. Для этого взять наиболее распространенные закалочные среды, охлаждающие с различной скоростью: воду (скорость охлаждения 600 0 С/с) и масло (скорость охлаждения 150 0 С/с).

Образцы поместить в печь, нагретую до температуры закалки для стали данной марки, и выдержать в печи требуемое время. При нагревании до температуры закалки образцов из стали 40, исходная феррито-перлитная структура превратится в структуру аустенита.

Произвести закалку образца в воде. Для этого необходимо: а) быстро перенести щипцами образец в закалочную ванну с водой во избежание охлаждения образца ниже температуры Ас 3 и получения неполной закалки; б) энергично перемещать образец в ванне с целью устранения образующейся паровой рубашки, которая замедляет процесс охлаждения.

Образцы, охлажденные в масле, обтереть тряпкой, оба торца зачистить на шлифовальной бумаге. Определить твердость закаленных образцов по НRС.

Определить температуру отпуска стали. Поскольку при отпуске происходит изменение структуры и свойств стали и тем в большей степени, чем выше температура отпуска, следует применить различную температуру отпуска от низкой (200 0 С) до высокой (600 0 С).

Определить время выдержки при температуре отпуска из расчета 2-3 мин на 1 мм толщины образца и записать в соответствующую графу протокола.

Определить условия охлаждения. Обычно охлаждение после отпуска производится на воздухе, но можно охлаждать и в воде, и в масле, так как скорость охлаждения не влияет на твердость и структуру стали. Для ускорения работы образцы после отпуска следует охлаждать в воде.

Измерить твердость образцов после каждого вида отпуска, записывая результаты измерений в рабочий журнал и устанавливая по ним примерное значение предела прочности по зависимости

12.В отчете привести график и все необходимые данные режима термической обработки, дать наименование полученной микроструктуры и объяснить влияние термообработки на механические свойства стали.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5

ЗАКАЛКА СТАЛИ В РАЗЛИЧНЫХ СРЕДАХ

Цель работы: оценить действие различных охлаждающих сред на превращение аустенита при закалке путем контроля твердости.

Приборы, материалы, инструменты:

1) электрическая муфельная печь МП-2У;

2) образцы из стали 50;

3) твердомер Роквелла;

4) охлаждающие баки с закалочными средами.

Охлаждение при закалке должно обеспечить получение структуры мартенсита в пределах заданного сечения изделия и не должно вызывать закалочных дефектов – трещин, короблений, остаточных напряжений в поверхностных слоях и т.д. При закалке для переохлаждения аустенита до температуры мартенситного превращения требуется быстрое охлаждение, но не на всем интервале температур, в котором аустенит менее всего устойчив. Выше 650ºС скорость превращения аустенита мала, и поэтому сталь при закалке можно охлаждать в данном интервале медленно, но не настолько, чтобы началось образование Ф+П. Интервал 650 ºС-400 ºС должен быть пройден очень быстро.

В момент погружения изделия в закалочную среду вокруг него образуется пленка перегретого пара; охлаждение происходит через слой этой паровой рубашки, т.е. медленно (пленочное кипение). При определенной температуре паровая рубашка разрывается, жидкость начинает кипеть на поверхности детали, охлаждение происходит быстро (пузырьковое кипение). Третий этап (конвективный теплообмен) начинается, когда жидкость кипеть уже не может. Закалочная среда тем эффективнее, чем шире интервал второго этапа.

Если интенсивность охлаждения воды в середине второго этапа принять за единицу, то для минерального масла она будет равна 0,3; для 10 % раствора NaCl в воде – 3; для 10 %- раствора NaОН в воде – 2,5.

При закалке углеродистой и некоторых низколегированных сталей в качестве охлаждающей среды применяют воду и водные растворы (8-12%-е) NaCl и NaОН. Вода, как охлаждающая среда, имеет недостаток. Высокая скорость охлаждения в области температур мартенситного превращения приводит к образованию закалочных дефектов. Растворы NaCl и NaОН обладают наиболее равномерной охлаждающей способностью; кроме того, щелочная среда не вызывает последующей коррозии остальных деталей. Масло, как закалочная среда, имеет преимущество: небольшую скорость охлаждения в интервале мартенситного превращения, что уменьшает возникновение закалочных дефектов. Недостатком является повышенная воспламеняемость.

Структура закаленной стали – мартенсит – получается при резком охлаждении аустенита при закалке. Рассматривая диаграммы изотермического превращения углеродистой и легированной стали (рис. 21), нетрудно убедиться, что линия начала превращения у легированной стали смещена вправо от оси ординат по сравнению с углеродистой сталью. Следовательно, устойчивость аустенита легированной стали, характеризующаяся расстоянием от оси ординат до точки К перегиба линии начала перлитного и промежуточного превращения, значительно выше, чем у углеродистой стали.

Если на диаграмме изотермического превращения изобразить скорость охлаждения при закалке в различных средах, они будут иметь вид кривых , . Чем выше скорость охлаждения, тем круче кривая. По диаграмме, имеющей кривые скоростей охлаждения, можно судить о структурных превращениях, протекающих в детали из данной стали при закалке в определенной охлаждающей среде.

Пусть – скорость охлаждения в воде, – в масле, – на спокойном воздухе.

Рассмотрим превращение в стали при закалке. Углеродистая сталь имеет малую устойчивость аустенита. При охлаждении ее в воде кривая скорости охлаждения не пересекает линию начала мартенситного превращения. Аустенитная структура сохраняется полностью до начала мартенситного превращения и структура после окончания охлаждения – мартенсит закалки. При охлаждении ее в масле оказывается, что кривая скорости охлаждения пересекает линию начала превращения в области трооститного превращения, но не уходит за линию конца превращения, а в дальнейшем пересекает линии начала и конца мартенситного превращения. Следовательно, часть переохлажденного аустенита переходит в троостит закалки, а часть сохраняется до области мартенситного превращения, и структура стали после окончания охлаждения состоит из троостита закалки и мартенсита закалки. Это приводит к понижению твердости, и деталь идет в брак.

Если же мы будем охлаждать деталь из этой стали на воздухе, то окажется, что кривая скорости охлаждения пересекает линии начала и конца превращения в области перлитного и сорбитного превращения; структура стали после охлаждения состоит из перлита и сорбита закалки.

Таким образом, для получения структуры мартенсита закалки мы должны так подобрать охлаждающую среду, чтобы кривая скорости охлаждения не пересекла линии перлитного превращения.

Рис. 21. Диаграмма изотермического превращения аустенита
для стали с содержанием 0,8 % углерода.

Предельно низкая скорость охлаждения, кривая которой не пересекает линии перлитного превращения, а касается ее в точке К , называется критической скоростью закалки. Для каждой стали критическая скорость закалки есть величина постоянная, но отличная от критической скорости закалки другой стали. Зависит она от наименьшей устойчивости, т.е. от расстояния от оси ординат до точки К в месте изгиба кривой начала превращения. Критическая скорость закалки – наименьшая скорость охлаждения, достаточная для переохлаждения аустенита до начала мартенситного превращения, и, следовательно, для получения структуры мартенсита закалки. При выборе охлаждающей среды для закалки определенной марки стали подбирают среду, дающую скорость охлаждения несколько выше критической при осуществления закалки стали на полную глубину, определяемую прокаливаемостью стали. Излишне высокая скорость охлаждения нежелательна, так как она сопровождается образованием высоких остаточных напряжений и приводит к короблению детали и даже к образованию трещин.

Если выбранная скорость ниже критической, то это вызывает понижение твердости из-за образования троосто-мартенситной структуры, что нежелательно.

Порядок выполнения работы:

1. Произвести закалку образцов с температуры 820 0 Св воду, масло, 10 % раствор в воде NaCl и на воздухе.

2. Определить твердость образцов после каждого вида обработки.

3. Объяснить полученные результаты, заполнить табл. 5.

4. Составить отчет.

Таблица 5

Таблица зависимости свойств стали от охлаждающей среды

Вопросы для самопроверки:

1. Какие среды применяют для закалки углеродистых, легированных сталей?

2. Как влияет охлаждающая среда на твердость стали?

3. Какая структура получается в результате закалки углеродистой стали в воде, масле, расплавах солей, на воздухе?

Технологии придания большей твердости металлам и сплавам совершенствовались в течение долгих веков. Современное оборудование позволяет проводить термическую обработку таким образом, чтобы значительно улучшать свойства изделий даже из недорогих материалов.

Закалка (мартенситное превращение) - основной способ придания большей твердости сталям. В этом процессе изделие нагревают до такой температуры, что железо меняет кристаллическую решетку и может дополнительно насытиться углеродом. После выдержки в течение определенного времени, сталь охлаждают. Это нужно сделать с большой скоростью, чтобы не допустить образования промежуточных форм железа.
В результате быстрого превращения получается перенасыщенный углеродом твердый раствор с искаженной кристаллической структурой. Оба эти фактора отвечают за его высокую твердость (до HRC 65) и хрупкость.
Большинство углеродистых и инструментальных сталей при закаливании нагревают до температуры от 800 до 900С, а вот быстрорежущие стали Р9 и Р18 калятся при 1200-1300С.

Микроструктура быстрорежущей стали Р6М5: а) литое состояние; б) после ковки и отжига;
в) после закалки; г) после отпуска. ×500.

Режимы закалки

• Закалка в одной среде

Нагретое изделие опускают в охлаждающую среду, где оно остается до полного остывания Это самый простой по исполнению метод закалки, но его можно применять только для сталей с небольшим (до 0,8%) содержанием углерода либо для деталей простой формы. Эти ограничения связаны с термическими напряжениями, которые возникают при быстром охлаждении - детали сложной формы могут покоробиться или даже получить трещины.

• Ступенчатая закалка

При таком способе закалки изделие охлаждают до 250-300С в соляном растворе с выдержкой 2-3 минуты для снятия термических напряжений, а затем завершают охлаждение на воздухе. Это позволяет не допускать появления трещин или коробления деталей. Минус этого метода в сравнительно небольшой скорости охлаждения, поэтому его применяют для мелких (до 10 мм в поперечнике) деталей из углеродистых или более крупных - из легированных сталей, для которых скорость закалки не столь критична.

• Закалка в двух средах

Начинается быстрым охлаждением в воде и завершается медленным - в масле. Обычно такую закалку используют для изделий из инструментальных сталей. Основная сложность заключается в расчете времени охлаждения в первой среде.

• Поверхностная закалка (лазерная, токами высокой частоты)

Применяется для деталей, которые должны быть твердыми на поверхности, но иметь при этом вязкую сердцевину, например, зубья шестеренок. При поверхностной закалке внешний слой металла разогревается до закритических значений, а затем охлаждается либо в процессе теплоотвода (при лазерной закалке), либо жидкостью, циркулирующей в специальном контуре индуктора (при закалке током высокой частоты)

Отпуск

Закаленная сталь становится чрезмерно хрупкой, что является главным недостатком этого метода упрочнения. Для нормализации конструкционных свойств производят отпуск - нагрев до температуры ниже фазового превращения, выдержку и медленное охлаждение. При отпуске происходит частичная «отмена» закалки, сталь становится чуть менее твердой, но более пластичной. Различают низкий (150-200С, для инструмента и деталей с повышенной износостойкостью), средний (300-400С, для рессор) и высокий (550-650, для высоконагруженных деталей) отпуск.

Таблица температур закалки и отпуска сталей

№ п/п	Марка стали	Твёрдость (HRCэ)	Температ. закалки, град.С	Температ. отпуска, град.С	Температ. зак. ТВЧ, град.С	Температ. цемент., град.С	Температ. отжига, град.С	Закал. среда	Прим.
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
1	Сталь 20	57…63	790…820	160…200		920…950		Вода
2	Сталь 35	30…34	830…840	490…510				Вода
		33…35		450…500
		42…48		180…200	860…880
3	Сталь 45	20…25	820…840	550…600				Вода
		20…28		550…580
		24…28		500…550
		30…34		490…520
		42…51		180…220					Сеч. до 40 мм
		49…57		200…220	840…880
							780…820		С печью
4	Сталь 65Г	28…33	790…810	550…580				Масло	Сеч. до 60 мм
		43…49		340…380					Сеч. до 10 мм (пружины)
		55…61		160…220					Сеч. до 30 мм
5	Сталь 20Х	57…63	800…820	160…200		900…950		Масло
		59…63		180…220	850…870	900…950		Водный раствор	0,2…0,7% поли-акриланида
		«-					840…860
6	Сталь 40Х	24…28	840…860	500…550				Масло
		30…34		490…520
		47…51		180…200					Сеч. до 30 мм
		47…57			860…900			Водный раствор	0,2…0,7% поли-акриланида
		48…54							Азотирование
							840…860
7	Сталь 50Х	25…32	830…850	550…620				Масло	Сеч. до 100 мм
		49…55		180…200					Сеч. до 45 мм
		53…59		180…200	880…900			Водный раствор	0,2…0,7% поли-акриланида
							860…880
8	Сталь 12ХН3А	57…63	780…800	180…200		900…920		Масло
		50…63		180…200	850…870			Водный раствор	0,2…0,7% поли-акриланида
							840…870		С печью до 550…650
9	Сталь 38Х2МЮА	23…29	930…950	650…670				Масло	Сеч. до 100 мм
				650…670					Нормализация 930…970
		HV > 670							Азотирование
10	Сталь 7ХГ2ВМ						770…790		С печью до 550
		28…30	860…875	560…580				Воздух	Сеч. до 200 мм
		58…61		210…230					Сеч. до 120 мм
11	Сталь 60С2А						840…860		С печью
		44…51	850…870	420…480				Масло	Сеч. до 20 мм
12	Сталь 35ХГС						880…900		С печью до 500…650
		50…53	870…890	180…200				Масло
13	Сталь 50ХФА	25…33	850…880	580…600				Масло
		51…56	850…870	180…200					Сеч. до 30 мм
		53…59		180…220	880…940			Водный раствор	0,2…0,7% поли-акриланида
14	Сталь ШХ15						790…810		С печью до 600
		59…63	840…850	160…180				Масло	Сеч. до 20 мм
		51…57		300…400
		42…51		400…500
15	Сталь У7, У7А	НВ					740…760		С печью до 600
		44…51	800…830	300…400				Вода до 250, масло	Сеч. до 18 мм
		55…61		200…300
		61…64		160…200
		61…64		160…200				Масло	Сеч. до 5 мм
16	Сталь У8, У8А	НВ					740…760		С печью до 600
		37…46	790…820	400…500				Вода до 250, масло	Сеч. до 60 мм
		61…65		160…200
		61…65		160…200				Масло	Сеч. до 8 мм
		61…65		160…180	880…900			Водный раствор	0,2…0,7% поли-акриланида
17	Сталь У10, У10А	НВ					750…770
		40…48	770…800	400…500				Вода до 250, масло	Сеч. до 60 мм
		50…63		160…200
		61…65		160…200				Масло	Сеч. до 8 мм
		59…65		160…180	880…900			Водный раствор	0,2…0,7% поли-акриланида
18	Сталь 9ХС						790…810		С печью до 600
		45…55	860…880	450…500				Масло	Сеч. до 30 мм
		40…48		500…600
		59…63		180…240					Сеч. до 40 мм
19	Сталь ХВГ						780…800		С печью до 650
		59…63	820…850	180…220				Масло	Сеч. до 60 мм
		36…47		500…600
		55…57		280…340					Сеч. до 70 мм
20	Сталь Х12М	61…63	1000…1030	190…210				Масло	Сеч. до 140 мм
		57…58		320…350
21	Сталь Р6М5	18…23					800…830		С печью до 600
		64…66	1210…1230	560…570 3-х кратн.				Масло, воздух	В масле до 300…450 град., воздух до 20
		26…29		780…800					Выдержка 2…3 часа, воздух
22	Сталь Р18	18…26					860…880		С печью до 600
		62…65	1260…1280	560…570 3-х кратн.				Масло, воздух	В масле до 150…200 град., воздух до 20
23	Пружин. сталь Кл. II			250…320					После холодной навивки пружин 30-ть минут
24	Сталь 5ХНМ, 5ХНВ	>= 57	840…860	460…520				Масло	Сеч. до 100 мм
		42…46							Сеч. 100..200 мм
		39…43							Сеч. 200..300 мм
		37…42							Сеч. 300..500 мм
		НV >= 450							Азотирование. Сеч. св. 70 мм
25	Сталь 30ХГСА	19…27	890…910	660…680				Масло
		27…34		580…600
		34…39		500…540
		«-					770…790		С печью до 650
26	Сталь 12Х18Н9Т		1100…1150					Вода
27	Сталь 40ХН2МА, 40ХН2ВА	30…36	840…860	600…650				Масло
		34…39		550…600
28	Сталь ЭИ961Ш	27…33	1000…1010	660…690				Масло	13Х11Н2В2НФ
		34…39		560…590					При t>6 мм вода
29	Сталь 20Х13	27…35	1050	550…600				Воздух
		43,5…50,5		200
30	Сталь 40Х13	49,5…56	1000…1050	200…300				Масло

Термообработка цветных металлов

Сплавы на основе других металлов не отвечают на закалку столь же ярко, как стали, но их твердость тоже можно повысить термообработкой. Обычно используют сочетание закалки и предварительного отжига (нагрева выше точки фазового превращения с медленным охлаждением).

• Бронзы (сплавы меди) подвергают отжигу при температуре чуть ниже температуры плавления, а потом закалке с охлаждением водой. Температура закалки от 750 до 950С в зависимости от состава сплава. Отпуск при 200-400С производят в течение 2-4 часов. Наибольшие показатели твердости, до HV300 (около HRC 34) можно при этом получить для изделий из бериллиевых бронз.
• Твердость серебра можно повысить отжигом до температуры, близкой к температуре плавления (тусклый красный цвет) с последующей закалкой.
• Различные сплавы никеля подвергают отжигу при 700-1185С, такой широкий диапазон определяется разнообразием их составов. Для охлаждения используют соляные растворы, частички которых потом удаляют водой либо защитные газы, препятствующие окислению (сухой азот, сухой водород).

Оборудование и материалы

Для нагрева металла при термообработке используются 4 основных типа печей:
- соляная электродная ванна
- камерная печь
- печь непрерывного горения
- вакуумная печь

В качестве закалочных сред, в которых происходит охлаждение, используются жидкости (вода, минеральное масло, специальные водополимеры (Термат), растворы солей), воздух и газы (азот, аргон) и даже легкоплавкие металлы. Сам агрегат, где происходит охлаждение, называется закалочная ванна и представляет собой емкость, в которой происходит ламинарное перемешивание жидкости. Важной характеристикой закалочной ванны является качество удаления паровой рубашки.

Старение и другие методы повышения твердости

Старение - еще один вид термообработки, позволяющий повысить твердость сплавов алюминия, магния, титана, никеля и некоторых нержавеющих сталей, которые подвергают предварительной закалке без полиморфного превращения. В процессе старения увеличиваются твердость и прочность, а пластичность понижается.

• Сплавы алюминия, например, дуралюмины (4-5% меди) и сплавы с добавлением никеля и железа выдерживают в пределах часа при температуре 100-180С
• Сплавы никеля подвергают старению в 2-3 этапа, что в сумме занимает от 6 до 30 часов при температурах от 595 до 845С. Некоторые сплавы подвергают предварительной закалке при 790-1220С. Детали из никелевых сплавов помещают в дополнительный контейнеры, чтобы предохранить от контакта с воздухом. Для нагрева используют электрические печи, для мелких деталей могут применяться соляные электродные ванны.
• Мартенситно-стареющие стали (высоколегированные безуглеродистые сплавы железа) стареют около 3 часов при 480-500С после предварительного отжига при 820С

Химико-термическая обработка - насыщение поверхностного слоя легирующими элементами,

• неметаллическими: углеродом (цементация) и азотом (азотирование) применяются для повышения износостойкости колен, валов, шестерней из низкоуглеродистых сталей
• металлическими: например, кремнием (силицирование) и хромом помогает повысить износо- и коррозионную стойкость деталей

Цементирование и азотирование производят в шахтных электропечах. Существуют также универсальные агрегаты, позволяющие проводить весь спектр работ по термохимической обработке стальных изделий.

Обработка давлением (наклеп) - увеличение твердости в результате пластической деформации при относительно низких температурах. Таким образом происходит упрочнение низкоуглеродистых сталей при холодной объемной штамповке, а также чистых меди и алюминия.

В процессе термической обработки изделия из стали могут претерпевать поразительные превращения, приобретая износостойкость и твердость, в разы большую чем у исходного материала. Диапазон изменения твердости сплавов из цветных металлов при термической обработке гораздо меньше, но их уникальные свойства зачастую и не требуют масштабного улучшения.

Нагревательные печи. Для термической обработки применяемые печи в термических цехах подразделяются следующим образом.

1. По технологическим признакам, универсальные для отжига, норма­лизации и высокого отпуска, специального назначения для нагрева одно­типных деталей.

2. По принимаемой температуре: низкотемпературные (до 600°С), среднетемпературные (до 1000°С) и высокотемпературные (свыше 1000°С).

3. По характеру загрузки и выгрузки: печи с неподвижным подом, с выдвижным подом, элеваторные, колпаковые, многокамерные.

4. По источнику получения тепла: мазутные, газовые, электрические В последнее время получили распространение газовые и электрические пе­чи.

5. Печи-ванны, свинцовые, соляные и другие. Нагрев деталей в свин­цовых и соляных ваннах является равномерным и быстрым, чем в печах.

6. Нагревательные установки: для нагрева деталей ТВЧ, для электро- контактного нагрева и др.

7. По зависимости от среды, в которой нагреваются детали, различа­ются печи с воздушной атмосферой (окислительные) и с контролируемой или защитной атмосферой (безокислительные). Контролируемые атмосферы — это газовые смеси, у которых газы во время нагрева нейтрализуют друг друга и тем самым предотвращают окисление деталей.

Температура нагрева играет главенствующую роль и для каждого вида термообработки в зависимости от химического состава определяется по диаграмме состояния железо — цементит (рис. 6.3). Практически темпера­туры нагрева выбирают из таблиц справочников.

Время нагрева (скорость нагревания) зависит от многих факторов: химического состава стали, величины и формы изделий, взаимного распо­ложения изделия в печи и др.

Чем больше в стали углерода и легирующих элементов, а также чем сложнее конфигурация изделия, тем медленнее должно быть нагревание При быстром нагревании из-за большого интервала температур поверхности и сердцевины в изделии возникают большие внутренние напряжения, кото­рые могут вызвать коробление детали и трещины.

Обычно изделия загружают в печь, разогретую до заданной темпера­туры. В этом случае время нагрева может быть определено по формуле проф. А.П. Гуляева:

где D — минимальный размер максимального сечения в мм;

К 1 — коэффициент формы, имеющий следующие значения: для шара -1, для ци­линдра -2, параллелепипеда — 2,5, пластины – 4;

К 2 — коэффициент среды, который при нагреве в соли равен 1, в свинце — 0,5, в га­зовой среде — 2,

К 3 — коэффициент равномерности нагревания (табл. 6.1)

Рис.6.3. Температурные зоны для различных видов термообработки

Время выдержки. При любом виде термической обработки, после достижения изделием заданной температуры, необходима выдержка, чтобы полностью произошли структурные изменения. Время выдержки зависит от размеров деталей, способа нагрева, марки стали и вида термообработки. В таблице 6.2 приведены данные по определению времени выдержки для углеродистых сталей.

Полное время нагрева будет определяться по формуле:

где τ Н — время нагрева в мин; τ В — время выдержки в мин.

Кроме расчетного метода часто пользуются опытными данными Так на 1 мм се­чения или толщины изделия из доэвтектоидных сталей продолжительность нагрева в электропечах принимают τ Н = 45-75 с. Продолжительность выдержки при заданной тем­пературе часто принимают τ В = (0,15+0,25)τ Н. Для инструмента из углеродистой стали (0,7-1,3 % С) рекомендуется на 1 мм наименьшего сечения τ В =50-80 с, а из легирован­ной стали τ В =70-90 с.

Скорость охлаждения. В каждом виде термообработки конечной це­лью является получение соответствующей структуры. Это достигается ско­ростью охлаждения, которая определяется видом термообработки. В табли­це 6.3 приведены данные скорости охлаждения для различных видов термо­обработки.

Значения коэффициента K 3 в зависимости от расположения изделий в нагревательной печи

Время выдержки при термообработке

Скорости охлаждения при различных видах термообработки для углеродистых сталей

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Студент — человек, постоянно откладывающий неизбежность. 10179 — | 7217 — или читать все.

Зака́лка - вид термической обработки материалов (металлы, сплавы металлов, стекло), заключающийся в их нагреве выше критической точки (температуры изменения типа кристаллической решетки, то есть полиморфного превращения, либо температуры, при которой в матрице растворяются фазы, существующие при низкой температуре), с последующим быстрым охлаждением. Закалку металла для получения избытка вакансий не следует смешивать с обычной закалкой, для проведения которой необходимо, чтобы были возможные фазовые превращения в сплаве. Чаще всего охлаждение осуществляется в воде или масле, но существуют и другие способы охлаждения: в псевдокипящем слое твёрдого теплоносителя, струёй сжатого воздуха, водяным туманом, в жидкую полимерную закалочную среду и тд. Материал, подвергшийся закалке, приобретает бо́льшую твёрдость, но становится хрупким, менее пластичным и менее вязким, если сделать большее количество повторов нагревание-охлаждение. Для снижения хрупкости и увеличения пластичности и вязкости после закалки с полиморфным превращением применяют отпуск. После закалки без полиморфного превращения применяют старение. При отпуске имеет место некоторое снижение твёрдости и прочности материала .

Внутренние напряжения снимаются отпуском материала. В некоторых изделиях закалка выполняется частично, например при изготовлении японских катан, закалке подвергается только режущая кромка меча.

Существенный вклад в развитие способов закалки внёс Чернов Дмитрий Константинович. Он обосновал и экспериментально доказал, что для получения стали высокого качества решающим фактором является не ковка, как это предполагалось ранее, а термическая обработка. Он определил влияние термической обработки стали на её структуру и свойства. В 1868 году Чернов открыл критические точки фазовых превращений стали, названные точками Чернова. В 1885 году он открыл, что закалку можно производить не только в воде и масле, но и в горячих средах. Это открытие послужило началом применения ступенчатой закалки, а затем исследованию изотермического превращения аустенита .

Типы закалок [ править | править код ]

По полиморфному превращению

• Закалка с полиморфным превращением, для сталей
• Закалка без полиморфного превращения, для большинства цветных металлов.

По температуре нагрева Полная - материал нагревают на 30 - 50°С выше линии GS для доэвтектоидной стали и эвтектоидной, заэвтектоидная линия PSK , в этом случае сталь приобретает структуру аустенит и аустенит + цементит. Неполная - производят нагрев выше линии PSK диаграммы, что приводит к образованию избыточных фаз по окончании закалки. Неполная закалка, как правило, применяется для инструментальных сталей.

Закалочные среды [ править | править код ]

При закалке для переохлаждения аустенита до температуры мартенситного превращения требуется быстрое охлаждение, но не во всём интервале температур, а только в пределах 650-400 °C, то есть в том интервале температур, в котором аустенит менее всего устойчив и быстрее всего превращается в ферритно-цементитную смесь. Выше 650 °C скорость превращения аустенита мала, и поэтому смесь при закалке можно охлаждать в этом интервале температур медленно, но, конечно, не настолько, чтобы началось выпадение феррита или превращение аустенита в перлит.

Механизм действия закалочных сред (вода, масло, водополимерная закалочная среда, а также охлаждение деталей в растворах солей) следующий. В момент погружения изделия в закалочную среду вокруг него образуется плёнка перегретого пара, охлаждение происходит через слой этой паровой рубашки, то есть относительно медленно. Когда температура поверхности достигает некоторого значения (определяемого составом закаливающей жидкости), при котором паровая рубашка разрывается, то жидкость начинает кипеть на поверхности детали, и охлаждение происходит быстро.

Первый этап относительно медленного кипения называется стадией плёночного кипения, второй этап быстрого охлаждения - стадией пузырькового кипения. Когда температура поверхности металла ниже температуры кипения жидкости, жидкость кипеть уже не может, и охлаждение замедлится. Этот этап носит название конвективного теплообмена.

Способы закалки [ править | править код ]

• Закалка в одном охладителе - нагретую до определённых температур деталь погружают в закалочную жидкость, где она остаётся до полного охлаждения. Этот способ применяется при закалке несложных деталей из углеродистых и легированных сталей.
• Прерывистая закалка в двух средах - этот способ применяют при закалке высокоуглеродистых сталей. Деталь сначала быстро охлаждают в быстро охлаждающей среде (например воде), а затем в медленно охлаждающей (масло).
• Струйчатая закалка заключается в обрызгивании детали интенсивной струёй воды и обычно её применяют тогда, когда нужно закалить часть детали. При этом способе не образуется паровая рубашка, что обеспечивает более глубокую прокаливаемость, чем простая закалка в воде. Такая закалка обычно производится в индукторах на установках ТВЧ.
• Ступенчатая закалка - закалка, при которой деталь охлаждается в закалочной среде, имеющей температуру выше мартенситной точки для данной стали. При охлаждении и выдержке в этой среде закаливаемая деталь должна приобрести во всех точках сечения температуру закалочной ванны. Затем следует окончательное, обычно медленное, охлаждение, во время которого и происходит закалка, то есть превращение аустенита в мартенсит.
• Изотермическая закалка . В отличие от ступенчатой при изотермической закалке необходимо выдерживать сталь в закалочной среде столько времени, чтобы успело закончиться изотермическое превращение аустенита.
• Лазерная закалка . Термическое упрочнение металлов и сплавов лазерным излучением основано на локальном нагреве участка поверхности под воздействием излучения и последующем охлаждении этого поверхностного участка со сверхкритической скоростью в результате теплоотвода теплоты во внутренние слои металла. В отличие от других известных процессов термоупрочнения (закалкой токами высокой частоты, электронагревом, закалкой из расплава и другими способами) нагрев при лазерной закалке является не объёмным, а поверхностным процессом.
• Закалка ТВЧ (индукционная) - закалка токами высокой частоты - деталь помещают в индуктор и разогревают за счет наведения в ней токов высокой частоты.

Дефекты [ править | править код ]

Дефекты, возникающие при закалке стали.

• Недостаточ­ная твердость закаленной детали - следствие низкой тем­пературы нагрева, малой выдержки при рабочей температуре или недостаточной скорости охлаждения. Исправление де­фекта: нормализация или отжиг с последующей закалкой; при­менение 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. Исправление дефекта : отжиг (нормализация) и последующая закалка с необходимой температурой.
• 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 ха­рактеризуются образованием окалины (окислов) на поверхности дета­лей 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 атмосфе­рой.
• Коробление и трещины - следствия внутренних напряжений. Во время нагрева и охлаждения стали наблюдаются объемные изменения, зависящие от температуры и структурных пре­вращений (переход аустенита в мартенсит сопровождается увеличе­нием объема до 3%). Разновременность превращения по объему за­каливаемой детали вследствие различных ее размеров и скоростей охлаждения по сечению ведет к развитию сильных внутренних нап­ряжений, которые служат причиной трещин и коробления деталей в процессе закалки.

Охлаждение – заключительный этап термической обработки-закалки и поэтому наиболее важный. От скорости охлаждения зависит образование структуры, а значит, и свойства образца.

Если раньше переменным фактором была температура нагрева под закалку, то теперь скорость охлаждения будет разная (в воде, в соленой воде, на воздухе, в масле и с печью).

С увеличением скорости охлаждения растет и степень переохлаждения аустенита, понижается температура распада аустенита, число зародышей увеличивается, но вместе с тем замедляется диффузия углерода. Поэтому феррито-цементитная смесь становится более дисперсной, а твердость и прочность повышаются. При медленном охлаждении (с печью) получается грубая смесь Ф+Ц, т.е. перлит, это отжиг второго рода, с фазовой перекристаллизацией. При ускоренном охлаждении (на воздухе) – более тонкая смесь Ф+Ц – сорбит. Такая обработка называется нормализацией.

Закалка в масле дает тростит – высокодисперсную смесь Ф+Ц.

Твердость этих структур растет с дисперсностью смеси (НВ=2000÷4000 МПа). Эти структуры можно получить и способом изотермической закалки.

Рассматривая термокинетическую диаграмму, т.е. диаграмму изотермического распада аустенита вместе с векторами скоростей охлаждения, видим, что увеличивая скорость охлаждения, можно получить тростит вместе с мартенситом закалки. Если скорость охлаждения больше критической, получим мартенсит закалки и остаточный аустенит, избавиться от которого можно, если охладить сталь до температуры ниже линии окончания мартенситного превращения (М к).

У мартенсита объем больше, чем у аустенита, поэтому при закалке на мартенсит появляются не только термические, но и структурные напряжения. Форма детали может исказиться, в ней могут появиться микро- и макротрещины. Коробление и трещины неисправимый брак, поэтому сразу же после закалки на мартенсит следует производить нагрев детали для снятия напряжений и стабилизации структуры, такая операция термической обработки называется отпуском.

После закалки образцов, изучения микроструктур и определения твердости строятся графики зависимости твердости от содержания углерода. Чем больше углерода в аустените стали перед закалкой, тем более искаженной получается решетка мартенсита (с большей степенью тетрагональности) и поэтому выше твердость

Сталь с содержанием 0,2%С не принимает закалку, так как кривые изотермического распада аустенита вплотную приближаются к оси ординат. Даже очень большая скорость охлаждения не дает мартенсита, так как аустенит начнет раньше распадаться на смесь Ф+Ц. Поэтому сталь закаливают, если углерода более 0,3%С, поскольку углерод сдвигает вправо кривые изотермического распада аустенита, уменьшая тем самым критическую скорость закалки.

Определение свойств и структуры стали после отпуска

Полученный после закалки мартенсит обладает большой твердостью и прочностью, но низкой пластичностью и вязкостью. Это объясняется большими внутренними напряжениями, которые бывают термическими (перепад температуры, резкое охлаждение) и структурными (объем мартенсита больше, чем аустенита, сорбита, тростита и перлита). После закалки необходимо сразу производить отпуск, т.е. нагрев до определенных температур, выдержку и охлаждение. При этом снижаются напряжения, меняется структура и свойства стали. Температура отпуска выбирается ниже А с 1 ,чтобы сохранить эффект упрочнения при закалке. Различаются низкий отпуск (150-200 0 С), средний (350-450 0 С) и высокий (500-650 0 С).

Если при низком отпуске снижаются напряжения, уменьшается искаженность (тетрагональность) решетки мартенсита и она снова становится кубической, остаточной аустенит переходит в мартенсит кубический, то при среднем и высоком отпуске происходит распад мартенсита на смесь Ф+Ц.

После низкого отпуска твердость и прочность остаются на высоком уровне (НRC 58-63). Режущий и измерительный инструмент, детали после химико-термической обработки (цементации) подвергают низкому отпуску.

1. Определение наилучшей температуры закалки для стали с содержанием 0,4% углерода – доэвтектоидная сталь – и с содержанием 1,0% углерода – заэвтектоидная сталь.

Протокол испытаний на твердость после закалки в воду