1.2. Закалка стали
Качество закаленных изделий зависит от температуры нагрева, времени выдержки изделий в печи и скорости охлаждения. Правильный выбор этих параметров обеспечивает получение изделий без закалочных дефектов.
1. Температура нагрева зависит от содержания углерода в стали. Изделия изготовленные из доэвтектоидных сталей, нагревают на 30…50ºС выше температуры АС3 для перевода феррито-перлитной структуры в аустенитную (tзак.= AС3 + 30…50ºС), а из эвтектоидных сталей на 30…50ºС выше АС1 (т.е. tзак. = АС1 + 30…50ºС) (рисунок 3)
Рисунок 3 - Оптимальный интервал закалочных температур углеродистых сталей:
2. Общая продолжительность выдержки в печи (зак.) определяется суммарным временем: временем нагрева (Н) и временем выдержки (В):
зак. = Н + В
Ориентировочно для изделий из углеродистых сталей время нагрева определяют из расчёта 1 мин на 1мм сечения (например, для прутка диаметром 20мм tН=20мин.); для легированных сталей – 2 мин на 1 мм сечения. При нагреве в соляных ваннах время нагрева уменьшается в 2 раза.
Время выдержки (В) принимают равным 1/4 от времени нагрева – для углеродистых и 1/3 для легированных сталей (т.е. для нашего примера зак. = 20 + (20 × 1/4) = 25мин.)
3. Скорость охлаждения при закалке.
Наиболее ответственной операцией при закалке является охлаждение, которое должно осуществляться со скоростью больше критической (Vкр) для получения структуры мартенсита в пределах заданного сечения изделия и не должно вызывать закалочных дефектов: трещин, деформаций, коробления и высоких растягивающих остаточных напряжений в поверхностных слоях.
Для каждой стали своя величина критической скорости, и зависит она от химического состава. Чем больше в стали углерода и легирующих элементов, тем меньше значение Vкр и больше прокаливаемость стали. Так углеродистые стали закаливаются на мартенсит только в резких средах (вода, раствор щелочи), а легированные в масле. Требуемая скорость охлаждения обеспечивается подбором охлаждающей среды. Следует стремиться охлаждать сталь с меньшей скоростью, но больше критической. Чтобы получить мартенсит с меньшими напряжениями и деформациями, а также избежать трещин. Твёрдость стали после закалки в основном зависит от содержания углерода. Чем больше углерода в стали, тем выше твёрдость мартенсита (рисунок 4).
Рисунок 4 - Зависимость твердости мартенсита от содержания углерода в стали
Для снижения напряжений при закалке и уменьшения деформаций и коробления применяют различные способы охлаждения (рисунок 5).
Рисунок 5 - Способы закалки стали:
V1 – в одном охладителе; V2 – в двух средах; V3 – ступенчатая; V4 – изотермическая
При непрерывной закалке (V1) в воде или щелочи напряжения максимальные. Закалку в одном охладителе применяют для деталей простых форм.
В результате прерывистой закалки(V2) через воду в масло, внутренние напряжения уменьшаются. Такой способ закалки часто применяют для инструмента из углеродистой стали.
Ступенчатая закалка (V3), в результате выдержки при температуре выше МН, приводит к снижению напряжений, коробления и деформаций и уменьшению опасности образования трещин. При выполнении закалки по этому способу сталь после нагрева до температуры закалки охлаждают в среде, имеющей температуру несколько выше точки МН (обычно 180…250ºС), и выдерживают в ней сравнительно короткое время. Затем изделие охлаждают до комнатной температуры на воздухе. Этот способ применяют для закалки деталей из легированных сталей, а также деталей небольших сечений (до 10 мм) из углеродистых сталей. Недостаток этого метода в том, что горячие, медленно охлаждающиеся среды не позволяют получить необходимые скорости охлаждения для крупных деталей.
При изотермической закалке (V4) более длительная выдержка, чем при V3, приводит к образованию бейнита и повышению конструктивной прочности деталей. Закалку по этому способу выполняют в основном так же, как и ступенчатую, но в данном случае, предусматривается более длительная выдержка выше точки МН. Изотермическую закалку целесообразно применять для деталей, склонных к короблению и образованию трещин. В качестве охлаждающей среды при ступенчатой и изотермической закалке чаще применяют расплавленные соли в интервале температур 150…500ºС, например 55% KNO3 и 45% NaNO2 (или NaNO3), а также расплавленные щелочи (20% NaOH и 80% КОН). Охлаждение в расплавах едких щелочей, если предварительно детали нагревались в жидких солях (т.е. солях, не вызывающих окисления), позволяет получить чистую поверхность светло-серого цвета. Закалку по этому способу называют светлой.