9.4. Способы закалки стали

Целью закалки является получение мартенситной структуры. Для по­лучения мартенситной структуры необходимо переохладить аустенит до тем­пературы мартенситного превращения, следовательно, скорость охлаждения должна превышать критическую скорость наибольшую скорость V _кр имеют углеродистые стали 400-1400 град/с. Мартенситное превращение в таких сталях достигается только в результате резкого переохлаждения (обыч­но в холодной воде или в воде с добавлением едкого натра).

Большинство легированных сталей приобретает мартенситную струк­туру при охлаждении в холодных или подогретых маслах. Высоколегиро­ванные стали закаливаются на мартенсит даже при охлаждении на воздухе. Существует несколько способов закалки:

1. Наиболее простой - закалка в одном охладителе, когда закаливае­мое изделие помещается в жидкую среду, имеющую комнатную температуру (рис. 9.2, V₃). Способ применяется для закалки углеродистых сталей. В качестве закаливаемой среды применяют воду или водные растворы ще­лочей 5-15% NaCL, 40-50% NaOH, которые обеспечивают скорость ох­лаждения 1400 град/с.

Для легированных сталей повышенной прокаливаемости рекоменду­ется 40-50% NaOH с пониженной прокаливаемостью 5-15% NaOH;

Для крупных изделий сложной формы типичными закалочными среда­ми являются минеральные масла или их смеси.

Для уменьшения деформации изделий и предотвращения трещин при­меняют закалку в двух средах, ступенчатую закалку и изотермическую за­калку. Основным источником напряжения служит увеличение объема при превращении аустенита в мартенсит.

2. Закалка в двух средах - после нагрева под закалку изделие погружа­ется на определенное время в воду в результате чего достигается быстрое прохождение температурного района минимальной устойчивости аустени­та, а затем переносится в более мягкую охлаждающую среду, обычно масло. Этот способ охлаждения требует точного расчета времени пребывания изде­лия в среде (Рис.9.2, У₄).

3. Ступенчатая закалка - при ступенчатой закалке изделие нагретое до температуры закалки переносят в жидкую среду, имеющую температуру на 50-100°С выше мартенситной точки М_н для закаливаемой стали; выдержива­ют некоторое время необходимое для выравнивания температуры по сече­нию, а затем окончательно охлаждают на воздухе (Рис.9.2, V_s).

Применение ступенчатой закалки ограничивается размерами деталей 10-12 мм для деталей из углеродистой стали и 10-30 мм для деталей из леги­рованных сталей. В качестве закалочной среды используются специальные масла, обладающие высокой температурой вспышки.

При ступенчатой закалке уменьшается склонность к образованию тре­щин и снижается деформация при закалке.

2. Изотермическая закалка - применяется в основном для легирован­ных сталей в случае, если желательно получить структуру нижнего бейнита.

Такая структура обеспечивает высокую прочность, пластичность и вязкость стали, т.е. высокую конструкционную прочность. При изотермической за­калке изделие нагретое под закалку переносят в ванну с расплавленными со­лями, имеющих температуру на 50-100°С выше мартенситной точки М_и вы­держивают при этой температуре до завершения превращения аустенита в бейнит и охлаждают на воздухе (Рис.9.2, У₆).

Для охлаждения при изотермической закалке обычно используют рас­плавленные соли и щелочи разного состава. Охлаждение в расплавах щело­чей (если нагрев под закалку производился в хлористых солях) позволяет получить чистую поверхность после термообработки. Такую закалку назы­вают светлой закалкой.

Для сочетания высокой твердости и вязкости иногда применяют закал­ку самоотпуском.

Сущность этой закалки заключается в том, что изделия выдерживают в закалочной ванне не до полного охлаждения. Их извлекают из охладителя, когда внутренние слои еще нагреты. За счет внутренней теплоты происходит нагрев поверхности слоев изделия до нужной температуры, т.е. самоотпуск закаливаемых изделий.

Обработка стали холодом. Высокоуглеродистые и многие легирован­ные стали имеют температуру точки М ниже 0°С, в результате чего после закалки в структуре стали наряду с мартенситом имеется остаточный аусте­нит, снижающий твердость стали. Поэтому для устранения остаточного аус­тенита сразу же после закалки проводят охлаждение детали в области отри­цательных температур Т<М_к. Для этого используется сухой лед. После обра­ботки холодом делают низкий отпуск.

Поверхностная закалка. При поверхностной закалке на некоторую за­данную глубину, закаливается только поверхностный слой, тогда как сердце­вина изделия остается незакаленной. Она предназначена для повышения твер­дости износостойкости и предела выносливости обрабатываемого изделия. Сердцевина при этом остается вязкой и воспринимает ударные нагрузки. В практике в основном применяют поверхностную закалку с индукционным нагревом током высокой частоты реже закалку с газопламенным нагревом.

Выбор оптимальной толщины упрочняемого слоя определяется усло­виями работы детали. Когда изделие работает только на износ или в услови­ях усталости, толщину закаленного слоя принимают равной 1,5-3,0 мм. В условиях высококонтактных нагрузок толщина слоя достигает 4-5 мм. В слу­чае особо больших контактных нагрузок, например, для валов холодной прокатки толщина закаленного слоя достигает 10-15 мм и выше.

Индукционный нагрев происходит вследствие теплового действия тока индуцируемого в изделии при помещении его в переменное магнитное поле.

Для закалки токами высокой частоты обычно используют углеродистые мел­козернистые стали с величиной зерна не более N5. Легированные стали с повышенной прокаливаемостью имеют большую толщину закаленного слоя, что нежелательно и даже вредно.

Преимущества индукционной закалки по сравнению с обычной следу­ющие:

1. большая экономичность, так как нет необходимости расходовать теплоту на нагрев всей детали;

2. меньший брак по короблению и образованию закалочных трещин;

3. отсутствие окалинообразования и выгорания углерода;

4. более высокие механические свойства после закалки;

5. регулируемость толщины закаленного слоя;

6. высокая производительность.

К недостатку индукционной закалки следует отнести необходимость специализированного оборудования и сложных приспособлений.

Газопламенная закалка применяется для крупных изделий (прокатных валков, валов и т.д.). Поверхность детали нагревают газовым пламенем с температурой 2400-3150°С. Последующее быстрое охлаждение обеспечивает закалку поверхностного слоя. В качестве горючего применяют ацетилен, природный газ, керосин. Толщина закаленного слоя обычно 2 – 4 мм. Газо­пламенная закалка вызывает меньше деформации, чем объемная закалка. Для крупных деталей этот способ закалки более рентабелен, чем закалка с индук­ционным нагревом. Сложность заключается в трудности регулирования тем­пературы нагрева и глубины закаленного слоя.

9.5. ЗАКАЛИВАЕМОСТЬ И ПРОКАЛИВАЕМОСТЬ СТАЛИ

Закаливаемость - способность стали повышать твердость в результате закалки. Она зависит, главным образом, от содержания в стали углерода. Чем выше в мартенсите углерода, тем выше его твердость. Легирующие эле­менты оказывают небольшое влияние на закаливаемость.

Прокаливаемость - способность стали получать закаленный слой с мар­тенситной и полумартенситной структурой (50% мартенсита и 50% троостита) на ту или иную глубину. Прокаливаемость определяется критической скоростью охлаждения, зависящей от состава стали. Если скорость охлажде­ния в сердцевине будет меньше V , то изделие прокалится только на некото­рую глубину, т.е. прокаливаемость будет неполной.

Условно за глубину закаленного слоя принимаются расстояние от по­верхности до полумартенситной зоны (50% мартенсита и 50% троостита). Полумартенситную зону принимают в качестве критерия прокаливаемости, по­тому что ее легко определить по микроструктуре, но еще проще по твердости.

Чем меньше критическая скорость закалки, тем выше прокаливаемость стали. Легированные стали вследствие меньшей критической скорости за­калки прокаливаются на большую глубину, чем углеродистые. Сильно по­вышают прокаливаемость стали Mg, Сr, Мо, В. Снижают прокаливаемость Со, наличие нерастворимых частиц, карбиды титана, оксиды, а также умень­шение размера зерна стали. Прокаливаемость стали в общем случае опреде­ляют методом торцевой закалки.

Для машиностроительных деталей ответственного назначения работа­ющих в жестких условиях нагружения, а также для деталей типа пружин, рес­сор и подавляющего большинства инструментов требуется, чтобы после за­калки структура по всему сечению состояла из 100% мартенсита. Это обеспе­чивает однородную структуру и высокие свойства после отпуска.

Для деталей машин работающих в условиях менее жесткого нагруже­ния (в основном на изгиб и кручение) за критерий прокаливаемости прини­мается 100% мартенсит на глубине 0,5 радиуса детали.