книги / Технология термического производства. Способы наноструктурирования материалов

Окончание табл. 2.6

		Материал,			Контролируемые атмосферы для различных операций
			Светлый	Светлая	Светлая	Светлое ста-	Светлый	Газовая	Пайка	Спекание ме-
		из которого
		изготовлены	отжиг	норма-	или	рение и свет-	отпуск	цементация	медью и се-	таллов с вос-
		детали		лизация	чистая	лый низкий	и подогрев	и нитроце-	ребряным	становлением
					закалка	отжиг	до 700 °С	ментация	припоем	окислов
		Электротех-	ДА; Н2;	–	–	–	–	–	–	–
		нические	ПСА-08
		стали и транс-	вакуум
		форматорное	1·10–3
	41	железо	мм рт. ст
		Ковкий чугун	ПСО-06;	–	–	–	–	–	–	–
			ПСО-09;
			КГ-ВО
		Сплавы на	ПСО-09;	–	–	–	–	–	–	–
		медной основе	ПС-09
		Сплавы на	Вакуум	–	Вакуум	Вакуум	–	–	–	–
		основе титана	1·10–3		1·10–3	1·10–3
			мм рт. ст		мм рт. ст	мм рт. ст
			очищен-		очищен-	очищенный
			ный ар-		ный ар-	аргон, гелий
			гон, ге-		гон, ге-
			лий		лий

2.3. Охлаждение изделий при термической обработке

Охлаждение является важным этапом при термической обработке. Для различных видов термической обработки используют разные условия охлаждения, то есть медленное охлаждение в печах, охлаждение на воздухе или в других газообразных средах и в жидких охлаждающих средах (вода, масло, растворы солей и щелочей и др.). Тип охлаждающей среды и скорость охлаждения сами по себе не определяют однозначно вида термической обработки, для этого основным является характер фазовых и структурных превращений в металле, что зависит как от характера изменения температуры во времени при охлаждении, так и от состава стали. Поэтому в зависимости от состава стали одинаковая интенсивность охлаждения приводит к реализации различных видов термической обработки. Так, из схемы на рис. 2.16 видно, что охлаждение на воздухе соответствует нормализации углеродистой и низколегированной стали и закалке высоколегированной стали (например, быстрорежущей).

Рис. 2.16. Схема, иллюстрирующая возможность реализации различных видов термической обработки при одинаковой интенсивности охлаждения: 1–3 – кривые охлаждения в различных средах, условно соответствующие охлаждению в воде (1) в масле (2) и на воздухе (3); 4–6 – линии диаграммы распада переохлажденного аустенита, условно соответствующие углеродистой (4), низколеги-

рованной (5) к высоколегированной (6) стали

42

Задачей технологии термической обработки является выбор условий охлаждения для осуществления заданных превращений в металле с целью достижения требуемых свойств в поверхностных слоях и по сечению изделий. Основой для решения этой задачи является сопоставление температурного поля охлаждаемых изделий с устойчивостью переохлажденного аустенита данной стали, представляемой обычно в виде изотермических и термокинетических диаграмм. Изотермические диаграммы важны для операций термической обработки, осуществляемых с изотермическими выдержками на стадии охлаждения (при изотермическом отжиге, ступенчатой и изотермической закалке), термокинетические – для операций, выполняемых при непрерывном охлаждении (при обычном отжиге, нормализации, закалке с охлаждением в средах с температурой значительно ниже Мн).

На изменение температурного поля изделий в процессе охлаждения влияют следующие факторы:

–условия внешнего охлаждения, определяемые охлаждающей способностью среды и характеризуемые обычно значениями коэффициента теплоотдачи;

–тепловые свойства металла, характеризуемые коэффициентами его тепло- и температуропроводности;

–тепловые эффекты фазовых превращений в металле при охлаждении;

–форма и размеры охлаждаемых тел.

На условия теплопередачи от поверхности изделий в охлаждающую среду влияет также качество поверхности, в частности ее шероховатость и окисленность, но эти факторы в расчетах не учитывают.

Максимально медленное и равномерное охлаждение (требования отжига) обеспечивают путем охлаждения изделий с печью с закрытой или открытой дверцей печи с полностью или частично выключенным нагревом до температур 500÷600 °С (температура должна быть ниже критической

43

точки Аr1). Рекомендуемые скорости охлаждения связаны, прежде всего, с химическим составом сплавов. Так, для углеродистых сталей рекомендуется скорость охлаждения 50–100 °С/ч, для малолегированных (например, 20Х, 40Х, 45Г2, 15ХФ, 38Х2МЮА и др.) от 15 до 50 °С/ч, для высокоуглеродистых легированных сталей (например, ХГ, ХВСГ, Х12М, Р18 и т.п.) скорость охлаждения не должна превышать 30 °С/ч, так как необходимо обеспечить выделение и коагуляцию карбидов для формирования структуры зернистого типа.

Наиболее сложной задачей является выбор охлаждающих сред при закалке. Охлаждение должно обеспечивать получение определенных структур по сечению изделия, т.е. определенную прокаливаемость, при отсутствии закалочных дефектов: трещин, коробления, деформации и повышенного уровня остаточных внутренних напряжений.

К закалочным средам предъявляют следующие основные требования: получение заданных физико-механических свойств изделий при закалке и последующем отпуске; высокая охлаждающая способность закалочной среды в интервале температур 650–550 °С (интервал наименьшей устойчивости аустенита) и пониженная охлаждающая способность при температурах ниже 300 °С (в интервале мартенситного превращения); отсутствие повреждения (разъедания) поверхности закаливаемых изделий; недефицитность и сравнительно невысокая стоимость закалочной среды, а также полная растворимость закалочных сред в процессе промывки изделий после закалки. Ниже приведены перечень и состав, мас.%, применяемых закалочных сред.

Вода и водные растворы

Вода Водяной душ

Водоструйная среда

44

Водо-воздушная среда Водный раствор едких щелочей:

5% NaОН и КОН

10% NaОН и КОН

50% NaОН и КОН Водный раствор глицерина:

20%-ный

40%-ный

60%-ный

40% глицерина + 20% КОН Технический глицерин Водный раствор NaС1:

10%-ный

25%-ный Водный раствор марганцовокислого калия 5–7%-ный.

Водный раствор поливинилового спирта

Масла

Л (велосит) Т (вазелин) Соляровое

Индустриальное 12 (веретенное 2) Индустриальное 20 (веретенное 3) Индустриальное 30 (машинное Л) Индустриальное 45 (машинное С)

Индустриальное выщелоченное 45В Индустриальное 50 (машинное СУ) Цилиндровое легкое 11 Цилиндровое легкое 24 (вискозин) Цилиндровое тяжелое 38 Цилиндровое тяжелое 52 (вапор) Трансформаторное Сурепное Авиационное МС-20

45

Расплавы солей и щелочей

Селитра натриевая (100% NaNО3) Селитра калиевая (100% КNО3)

Селитра калиевая+селитра натриевая (50% KNO3 + + 50% NaNO3)

Едкий натр (100% NaОН) Едкое кали (100% КОН)

Едкий натр-селитра калиевая (70%KNO3 + 30%NaОН) Едкий натр + поваренная соль (60%NaОН + 40%NaCl)

Карналлит (KCl · MgCl2 · 6H2O)

Расплавленные металлы

Свинец (100 %)

Олово (100 %)

Свинец+олово (37%Pb + 63%Sn) Ртуть (100 %)

Воздушные среды

Воздух спокойный Воздух под давлением

Прочие среды

Псевдоожиженный кипящий слой Металлические плиты

Свойства закалочных сред характеризуются их охлаждающей способностью в двух температурных интервалах:

1. В интервале температур от точки А1 (700–725 °С) до температуры минимальной устойчивости переохлажденного аустенита углеродистых и низколегированных сталей (500–550 °С). Это – интервал температур перлитного пре-

46

Рис. 2.17. Кривая идеального закалочного охлаждения (схема)

вращения, и закалочная среда должна обеспечить такую интенсивность охлаждения стали в этом интервале, чтобы предотвратить перлитный распад аустенита и переохладить его ниже температур порядка 500–550 °С, где устойчивость аустенита возрастает и замедление охлаждения уже не опасно. Если скорость охлаждения в перлитном интервале недостаточна, аустенит претерпевает перлитное превращение (хотя бы частично) и качественной закалки не произойдет.

2. В интервале температур мартенситного превращения (обычно используют интервалы 300–200 °С или 300–100 °С). Выбор этого интервала важен потому, что здесь основное количество аустенита превращается в мартенсит, что сопровождается возникновением внутренних напряжений и опасностью возникновения закалочных трещин.

Замедленное охлаждение в указанном интервале приводит к релаксации внутренних напряжений и частичному самоотпуску мартенсита в процессе его образования и в результате предотвращает образование трещин.

На основе этих представлений было введено понятие о кривой идеального закалочного охлаждения (рис. 2.17), с быстрым понижением температуры в верхнем интервале и медленным –

внижнем.

Впоследние годы уста-

новлено, что при очень интенсивном охлаждении сильным водяным душем или бы-

стродвижущимся потоком воды под давлением образования трещин также не происходит, что связывают с равномерностью охлаждения различных участков поверхности деталей сложной формы.

47

Ранее в качестве охлаждающих сред в основном применяли воду, масло и воздух. Недостаток воды – высокая охлаждающая способность в интервале температур мартенситного превращения и опасность возникновения трещин. Недостатки масла – недостаточная для закалки изделий из углеродистых сталей охлаждающая способность в интервале температур перлитного превращения, высокая стоимость, пожароопасность, загазованность помещений и т.п.

Скорости охлаждения стали в различных закалочных средах приведены в табл. 2.7.

Как следует из табл. 2.7 и данного ранее перечня закалочных сред, охлаждение при закалке может быть в средах, не претерпевающих агрегатных изменений (воздух, расплавы солей, щелочей и металлов, кипящий слой, металлические плиты), и охлаждение в средах, изменяющих агрегатное состояние вследствие кипения их на горячей поверхности охлаждаемых изделий (вода, водные растворы солей, щелочей, масло). В первом случае, в период всего охлаждения, теплообмен осуществляется излучением, которое при высоких температурах преобладает. Конвекция и теплопроводность существенны при низких температурах. Коэффициенты теплопроводности при этом снижаются плавно, особенно при охлаждении на воздухе. Скорость охлаждения на воздухе можно резко увеличить за счет применения струи сжатого воздуха, характер ее при этом не изменится, т.е. в начальный момент она максимальна и падает по мере понижения температуры поверхности изделия. Следовательно, процесс охлаждения с достаточной для практики точностью может быть рассчитан по формуле Ньютона

Q = α F (tизд −tсреды ),

где α – коэффициент теплопередачи, усредненный для всего температурного интервала охлаждения, Вт/(м2·К); F – пло-

48

щадь поверхности (м2); (tизд – tсреды) – разница температур охлаждаемой поверхности и среды охлаждения.

Таблица 2.7 Скорость охлаждения стали в различных закалочных средах

	Скорость охлаждения, °С/с,
Закалочная среда	в интервале температур, °С
	650–500	300–200
Дистиллированная вода	250	200
Вода при температуре °С
18	600	270
28	500	270
55	100	270
74	30	200
Вода, насыщенная углекислотой	150	200
Водные растворы 10%-ные при
18 °С:
едкого натра	1200	300
поваренной соли	1100	300
соды	800	270
серной кислоты	750	300
Водный раствор марганцевокис-	450	100
лого калия 5%-ный
Глицерин	135	175
Эмульсия масла в воде	70	200
Мыльная вода	30	200
Минеральное машинное масло	150	30
Трансформаторное масло	120	25
Сплав 75 % олова и 25 % кадмия	450	50
(температура расплава 175 °С)
Медные плиты	60	30
Железные плиты	35	15
Воздух:
спокойный	3	1
под давлением	30	10

49

Расплавы солей и щелочей широко применяют при ступенчатой и изотермической закалке деталей и инструмента (рис. 2.18, 2.19). Выбор состава горячей закалочной среды определяется температурой плавления солей и их смесей.

Рис. 2.18. Схема ступенчатой	Рис. 2.19. Схема изотермической
закалки	закалки

В качестве таких сред применяют преимущественно смеси селитр KNO3 и NаNO2 и щелочей NaOH и KOH. Рекомендуемые составы приведены в табл. 2.8.

Если нагрев проводят в расплавах хлористых солей, то при охлаждении в расплавах селитр происходит окисление охлаждаемой поверхности и необходима последующая ее очистка.

Расплавы щелочей химически нейтральны по отношению к охлаждаемому металлу, поверхность которого остается чистой и последующая очистка не требуется (светлая закалка).

Расплавы щелочей при эксплуатации поглощают углекислоту из атмосферы, загрязняются окислами металлов и хлоридами, заносимыми из соляных ванн нагрева, поэтому периодически ванны следует очищать от осадков и вводить свежие порции щелочи.

50