9.3. Способы закалки

В зависимости от состава стали, формы и размеров детали и требуемых в термически обработанной детали свойств выбирают оптимальный способ закалки, наиболее просто осуществимый и одновременно обеспечивающий нужные свойства.

Чем сложнее форма термически обрабатываемой детали, тем тщательнее следует выбирать условия охлаждения, потому что чем сложнее деталь, тем больше различие в сечениях детали, тем бớльшие внутренние напряжения возникают в ней при охлаждении.

Чем больше углерода содержит сталь, тем больше объёмные изменения при превращении, тем при более низкой температуре происходит превращение аустенита в мартенсит, тем больше опасность возникновения деформаций, трещин, напряжений и других закалочных пороков, тем тщательнее следует выбирать условия закалочного охлаждения для такой стали.

К основным способам закалки относятся:

1. Закалка в одном охладителе (рис. 9.3, кривая 1) – наиболее простой способ. Нагретую до определенных температур деталь погружают в закалочную жидкость, где она остается до полного охлаждения. Применяют этот способ при закалке несложных деталей из углеродистых и легированных сталей. При этом для углеродистых сталей диаметром более 2-5 мм закалочной средой служит вода, а для меньших размеров и для многих легированных сталей – масло.

Для уменьшения внутренних напряжений деталь иногда не сразу погружают в закалочную жидкость, а некоторое время охлаждают на воздухе, «подстуживают». Такой способ закалки называется закалкой с подстуживанием (рис. 9.3, кривая 5).

Рисунок 9.3 - Схема режимов охлаждения при различных способах закалки: 1 – непрерывная закалка в одном охладителе; 2- прерывистая закалка, или закалка в двух средах; 3 - ступенчатая закалка; 4 - изотермическая закалка; 5 – закалка с подстуживанием

2. Прерывистая закалка или закалка в двух средах (рис.9.3, кривая 2) используется для деталей сложной формы. Нагретую до температуры закалки деталь (инструмент из углеродистой стали) охлаждают сначала в быстро охлаждающей среде, а затем в медленно охлаждающей. Обычно первое охлаждение проводят в воде, а затем деталь переносят в масло, или охлаждают на воздухе. В мартенситном интервале сталь охлаждается медленно, что способствует уменьшению внутренних напряжений.

3. Ступенчатая закалка (рис.9.3, кривая 3).

Режим ступенчатой закалки: деталь нагревают до температуры закалки .А_с3 + (30-50 ^оС), выдерживают и быстро переносят в охладитель с температурой на 110-150 ^оС выше мартенситной точки (М_н); выдерживают а нем короткое время (расчетное), затем изделие охлаждают до комнатной температуры на воздухе, но это не должно вызвать превращения аустенита в бейнит.

Преимущества ступенчатой закалки:

• уменьшаются объемные изменения, вследствие присутствия большого количества остаточного аустенита и возможности самоотпуска мартенсита;

• уменьшается коробление в результате того, что мартенситное превращение протекает почти одновременно во всех участках изделия;

• меньше опасность появления трещин;

• во время фазовых превращений (мартенситного) снижается прочность стали и повышается пластичность.

Горячие, а следовательно, сравнительно медленно охлаждающие среды не позволяют достигнуть критической скорости закалки для более или менее крупных сечений. Поэтому ступенчатая закалка для углеродистой стали применима лишь для деталей диаметром не более 10-12 мм, а для легированных сталей до 20-30 мм.

4. Изотермическая закалка (рис.9.3, кривая 4). В отличие от ступенчатой при изотермической закалке необходимо выдерживать сталь в закалочной среде столько времени, чтобы успело закончиться изотермическое превращение аустенита.

Режим изотермической закалки: нагрев до температуры закалки A₃ + (30-50 ^оС ), выдержка и быстрый перенос в закалочную среду, температура которой выше точки М_н на 100-150 ^оС, затем дается длительная выдержка, чтобы полностью прошли превращения переохлажденного аустенита. При выдержке происходит распад аустенита с образованием структуры нижнего бейнита с хорошим коплексом механических свойств.

5. Закалка с самоотпуском.

Режим закалки: нагрев до температуры закалки А₃ + (30-50 ^оС), выдержка и охлаждение в одном охладителе; прерывание охлаждения с тем, чтобы сердцевина сохранила запас тепла. Под действием теплообмена за счет внутреннего тепла снова нагревается поверхность. Тем самым происходит отпуск поверхности стали (самоотпуск). Сталь приобретает сочетание высокой твердости на поверхности детали с повышенной вязкостью в сердцевине. Примененяется такая закалка для изготовления зубил, кернов, кувалд и слесарных молотков.

6. Поверхностная закалка.

Конструкционная прочность многих деталей машин зависит от состояния материала в поверхностных слоях деталей.

Долговечность деталей, работающих в условиях изнашивания (валы, шестерни), зависит от сопротивления поверхности износу.

Разрушение деталей, работающих при изгибающих нагрузках в условиях циклических нагружений, начинается в поверхностных слоях детали. В этих случаях делают поверхностную закалку (при сохранении вязкой сердцевины), либо химико-термическую обработку (ХТО).

При поверхностной закалке нагрев только поверхности можно проводить :

- в расплавленных металлах или солях;

- пламенем ацетелено-кислородной или газовой горелки;

- в электролитах;

- лучом лазера;

- электротоком, индуцируемым в поверхностных слоях детали. Такая закалка называется индукционной или высокочастотной закалкой.

Режим поверхностной закалки: нагрев поверхностного слоя детали до температуры закалки (выше A_с3), быстрое охлаждение в закалочной среде (в воде). В результате такой обработки увеличивается твердость поверхностного слоя детали и повышается его сопротивление истиранию.

Толщина закаленного слоя определяется глубиной нагрева (рис. 9.4).

Рис. 9.4. Изменение температуры по сечению детали к моменту закалки

Участок I, нагретый выше А_с3, получает полную закалку. Участок II , нагретый между А_с1 и А_с3, получает неполную закалку. Участок III не нагревается и не получает закалки.

Схема индукционного нагрева для закалки токами высокой частоты (ТВЧ) представлена на рис.9.5.

Рис. 9.5.Схема индукционного нагрева: а – распределение магнитного потока в индукторе; б – напрвление токов в индукторе и детали;

1 – нагреваемая деталь; 2 – виток индуктора; 3 – магнитные силовые линии; 4 – направление тока в индукторе; 5 – направление тока в детали

Толщина закаленного слоя при поверхностной закалке определяется по формуле:

δ = 500 √ ρ / μ * f,

где ρ - удельное сопротивление детали, Ом*см;

μ - магнитная проницаемость, Г_с/э;

f - частота тока, Гц.

Для нагрева детали используют специальные машинные генераторы (с частотой тока от 500 до 15 000 Гц) или ламповые генераторы (с частотой тока до 10 000 000 Гц).

Время нагрева при поверхностной закалке составляет 3-5 с. После нагрева следует охлаждение в закалочной среде (в воде).

В результате быстрого душеобразного охлаждения (закалки) получают мелкоигольчатый мартенсит с малой хрупкостью и повышенной прочностью. Для закалки ТВЧ используют углеродистые стали с содержанием углерода более 0,40 % С. Температура нагрева при ТВЧ выше, чем в обычных случаях и при такой обработке получается мелкое действительное зерно аустенита.

К преимуществам закалки ТВЧ относятся:

- высокая производительность;

- отсутствие окисления поверхности;

- мелкозернистая структура (тонкий мартенсит) в поверхностном слое;

- автоматизация процесса;

- выборочная закалка элементов детали.

Недостатками закалки ТВЧ являются высокая стоимость оборудования и применение только в крупносерийном производстве.