Одним из наиболее распространенных способов термообработки металлов является закалка стали. Именно при помощи закаливания формируются требуемые характеристики готового изделия, а ее неправильное выполнение может привести к излишней мягкости металла (непрокаливание) или к его чрезмерной хрупкости (перекаливание). В нашей статье речь пойдет о том, что такое правильная закалка и что нужно сделать, чтобы ее выполнить.
Какой бывает закалка металла
О том, что воздействие высокой температуры на металл может изменить его структуру и свойства, знали еще древние кузнецы и активно использовали это на практике. В дальнейшем уже научно было установлено, что закалка изделий, изготовленных из стали, предполагающая нагрев и последующее охлаждение металла, позволяет значительно улучшать механические характеристики готовых изделий, значительно увеличивать срок их службы и даже в итоге уменьшать их вес за счет увеличения прочности детали. Что примечательно, закалка деталей из недорогих сортов стали позволяет придать им требуемые характеристики и успешно использовать вместо более дорогостоящих сплавов.
Смысл процесса, который называется закалка изделий из стальных сплавов, заключается в нагреве металла до критической температуры и его последующем охлаждении. Основная цель, которая преследуется такой технологией термообработки, заключается в повышении твердости и прочности металла с одновременным уменьшением его пластичности.
Существуют различные виды закалки и последующего отпуска, отличающиеся режимами проведения, которые и определяют конечный результат. К режимам закалки относятся температура нагрева, время и скорость его выполнения, время выдержки детали в нагретом до заданной температуры состоянии, скорость, с которой осуществляется охлаждение.
Наиболее важным параметром при является температура нагрева, при достижении которой происходит перестройка атомной решетки. Естественно, что для сталей разных сортов значение критической температуры отличается, что зависит, в первую очередь, от уровня содержания в их составе углерода и различных примесей.
После выполнения закалки повышается как твердость, так и хрупкость стали, а на ее поверхности, потерявшей значительное количество углерода, появляется слой окалины. Толщину этого слоя обязательно следует учитывать для расчета припуска на дальнейшую обработку детали.
При выполнении закалки изделий из стальных сплавов, очень важно обеспечить заданную скорость охлаждения детали, в противном случае, уже перестроенная атомная структура металла может перейти в промежуточное состояние. Между тем, слишком быстрое охлаждение тоже нежелательно, так как оно может привести к появлению на детали трещин или к ее деформации. Для того, чтобы избежать образования таких дефектов, скорость охлаждения после падения температуры нагретого металла до 200 градусов Цельсия, несколько замедляют.
Для нагрева деталей, изготовленных из углеродистых сталей, используют камерные печи, которые могут прогреваться до 800 градусов Цельсия. Для закалки отдельных марок стали критическая температура может составлять 1250–1300 градусов Цельсия, поэтому детали из них нагреваются в печах другого типа. Удобство закалки сталей таких марок заключается в том, что изделия из них не подвержены растрескиванию при охлаждении, что исключает необходимость в их предварительном прогреве.
Очень ответственно следует подходить к закалке деталей сложной конфигурации, имеющих тонкие грани и резкие переходы. Чтобы исключить растрескивание и коробление таких деталей в процессе нагрева, его следует проводить в два этапа. На первом этапе такую деталь предварительно прогревают до 500 градусов Цельсия и лишь затем доводят температуру до критического значения.
Для качественной закалки сталей важно обеспечить не только уровень нагрева, но и его равномерность. Если деталь отличается массивностью или сложной конфигурацией, обеспечить равномерность ее нагрева можно только в несколько подходов. В таких случаях нагревание производится с двумя выдержками, которые необходимы для того, чтобы достигнутая температура равномерно распределилась по всему объему детали. Увеличивается суммарное время нагревания и в том случае, если в печь одновременно помещаются сразу несколько деталей.
Как избежать образования окалины и обезуглероживания при закалке
Многие детали из стали проходят закалку уже после того, как была выполнена их финишная обработка. В таких случаях недопустимо, чтобы поверхность деталей была обезуглерожена или на ней образовалась окалина. Существуют способы закалки изделий из стали, которые позволяют избежать таких проблем. Закалка, выполняемая в среде защитного газа, который нагнетается в полость нагревательной печи, может быть отнесена к наиболее передовому из таких способов. Следует иметь в виду, что используют такой метод лишь в том случае, если печь для нагрева полностью герметична.
На фото виден момент гидросбива на стане горячей прокатки — удаление окалины
Более простым способом, позволяющим избежать обезуглероживания поверхности металла при закалке, является применение чугунной стружки и отработанного карбюризатора. Для того чтобы защитить поверхность детали при нагревании, ее помещают в специальную емкость, в которую предварительно засыпаны эти компоненты. Для предотвращения попадания в такую емкость окружающего воздуха, который может вызвать процессы окисления, снаружи ее тщательно обмазывают глиной.
Если после закалки металла его охлаждают не в масле, а в соляной ванне, ее следует регулярно раскислять (не менее двух раз за смену), чтобы избежать обезуглероживания поверхности детали и появления на ней окисла. Для раскисления соляных ванн могут быть использованы борная кислота, бурая соль или древесный уголь. Последний обычно помещают в специальный стакан с крышкой, в стенках которого имеется множество отверстий. Опускать такой стакан в соляную ванну следует очень осторожно, так как в этот момент на ее поверхности вспыхивает пламя, которое затухает через некоторое время.
Существует простой способ, позволяющий проверить качество раскисления соляной ванны. Для этого в такой ванне нескольких минут (3–5) нагревают обычное лезвие из нержавеющей стали. После соляной ванны лезвие помещают в воду для охлаждения. Если после такой процедуры лезвие не гнется, а ломается, то раскисление ванны прошло успешно.
Охлаждение стали при закалке
Основу большинства охлаждающих жидкостей, используемых при закалке изделий из сталей, составляет вода. При этом важно, чтобы такая вода не содержала в своем составе примесей солей и моющих средств, которые могут значительно повлиять на скорость охлаждения. Емкость, в которой содержится вода для закалки изделий из металла, не рекомендуется использовать в других целях. Важно также учитывать и то, что для охлаждения металла в процессе закалки, нельзя использовать проточную воду. Оптимальной для охлаждающей жидкости считается температура в 30 градусов Цельсия.
Закалка изделий из стали с использованием для их охлаждения обычной воды, имеет ряд существенных недостатков. Самый главный из них - это растрескивание и коробление деталей после их охлаждения. Как правило, таким способом охлаждения пользуются, когда выполняется цементирование металла, поверхностная закалка стали или термическая обработка деталей простой конфигурации, которые в дальнейшем будут подвергаться финишной обработке.
Для изделий сложной формы, изготовленных из конструкционных сталей, применяют другой тип охлаждающей жидкости – 50%-й раствор каустической соды, нагретый до температуры 60 градусов Цельсия. После охлаждения в таком растворе закаленная сталь приобретает светлый оттенок.
Очень важно при работе с каустической содой соблюдать технику безопасности, обязательно использовать вытяжку, размещаемую над ванной. При опускании раскаленной детали в раствор образуются пары, очень вредные для здоровья человека.
Лучшей охлаждающей жидкостью для тонкостенных деталей из углеродистых сталей и изделий, выполненных из легированных сплавов, являются минеральные масла, которые обеспечивают постоянную (изотермическую) температуру охлаждения, вне зависимости от условий окружающей среды. Главное, чего следует избегать при использовании такой технической жидкости, - это попадания в нее воды, что может привести к растрескиванию деталей в процессе их охлаждения. Однако, если в такую охлаждающую жидкость все же попала вода, ее можно легко удалить из нее, нагрев масло до температуры, превышающей температуру кипения воды.
У закалки стали с использованием масла в качестве охлаждающей жидкости есть ряд существенных недостатков, о которых обязательно стоит знать. При контакте масла с раскаленной деталью выделяются пары, вредные для человеческого здоровья, кроме того, масло в этот момент может загореться. У масляной ванны есть и такое свойство: после ее использования на детали остается налет, а сама охлаждающая жидкость со временем теряет свою эффективность.
Все эти факторы следует учитывать при выполнении закалки металлов в масляной среде и принимать следующие меры безопасности:
- погружать детали в масляную ванну при помощи щипцов с длинными ручками;
- все работы выполнять в специальной маске из закаленного стекла и в перчатках, изготовленных из толстой ткани с огнеупорными свойствами или из грубой кожи;
- надежно защищать плечи, шею, грудь рабочей одеждой, изготовленной из толстой огнеупорной ткани.
Для закалки сталей отдельных марок охлаждение осуществляют при помощи потока воздуха, создаваемого специальным компрессором. Очень важно, чтобы охлаждающий воздух был совершенно сухим, так как содержащаяся в нем влага может вызвать растрескивание поверхности металла.
Существуют способы закалки стали, при которых используют комбинированное охлаждение. К ним обращаются для охлаждения деталей из углеродистых сталей, имеющих сложный химический состав. Суть таких способов закалки заключается в том, что сначала нагретую деталь помещают в воду, где за короткое время (несколько секунд) ее температура снижается до 200 градусов, дальнейшее охлаждение детали проводят уже в масляной ванне, куда ее следует переместить очень оперативно.
Выполнение закалки и отпуска стальных деталей в домашних условиях
Термическая обработка металлических изделий, в том числе поверхностная закалка стали, не только увеличивает твердость и прочность сплава, но и значительно повышает внутренние напряжения в его структуре. Чтобы снять эти напряжения, способные в процессе эксплуатации детали привести к ее поломке, необходимо отпустить изделие из стали.
Следует иметь в виду, что такая технологическая операция приводит к некоторому снижению твердости стали, но увеличивает ее пластичность. Для выполнения отпуска, суть которого состоит в постепенном уменьшении температуры нагретой детали и ее выдерживании при определенном температурном режиме, используются печи, соляные и масляные ванны.
Температуры, при которых выполняется отпуск, отличаются для различных сортов стали. Так, отпуск быстрорежущих сплавов проводится при температуре 540 градусов Цельсия, а для сталей с твердостью на уровне HRC 59-60 достаточно и 150 градусов. Что характерно, при отпуске быстрорежущих сплавов их твердость даже возрастает, а во втором случае ее уровень понижается, но значительно повышается показатель пластичности.
Закалка и отпуск изделий из стали, в том числе и нержавеющих сортов, вполне допустима (и, более того, часто практикуется) и в домашних условиях, если в этом возникла необходимость. В таких случаях для нагрева изделий из стали можно использовать электроплиты, духовки и даже раскаленный песок. Температуры, до которых следует нагревать стальные изделия в таких случаях, можно подобрать по специальным таблицам. Перед закалкой или отпуском стальных изделий, их необходимо тщательно очистить, на их поверхности не должно содержаться грязи, следов масла и ржавчины.
После очистки изделие из стали следует нагреть так, чтобы оно равномерно раскалилось докрасна. Для того чтобы раскалить его до такого состояния, необходимо выполнять нагрев в несколько подходов. После того, как требуемое состояние достигнуто, нагреваемое изделие следует охладить в масле, а затем сразу поместить в духовку, предварительно разогретую до 200 градусов Цельсия. Затем необходимо постепенно снизить температуру в духовке, доведя ее до отметки в 80 градусов Цельсия.
Данный процесс занимает обычно час. Дальнейшее охлаждение следует проводить на открытом воздухе, исключение составляют лишь изделия из хромоникелевых сталей, для снижения температуры которых используются масляные ванны. Обусловлено это тем, что стали таких марок при медленном охлаждении могут приобрести так называемую отпускную хрупкость.
(голосов: 5
, средняя оценка: 4,20
из 5)
Закалка стали
Закалкой стали называется операция термической обработки, заключающаяся в нагреве её по крайней мере выше критической точки Ac1(T.e. до аустенито-ферритного, аустенитного или аустенито-цементитного), выдержке и последующем охлаждении в различных средах с целью получения при комнатной температуре неустойчивых продуктов распада аустенита, а следовательно, повышения твёрдости и прочности.
Для углеродистых сталей точка Ас1 соответствует линии на диаграмме «железо-цементит» и составляет 727°С, В связи с тем, что нагрев ниже этой температуры не приводит к изменению исходной отожженной структуры стали, последующее охлаждение с любой скоростью так же не изменяет ни структуры, ни свойств стали. Следовательно такая операция не является закалкой.
В большинстве случаев основная цель закалки - повышение твёрдости и прочности - достигается превращением аустенита в одну из самых прочных структур - мартенсит. Его образование требует быстрого охлаждения с температуры закалки.
Выбор температуры закалки.
В зависимости от температуры нагрева закалка может быть полной и неполной.
В случае, если нагрев производится выше линии GSE диаграммы (точки асз и Аcm), то полученная при этом однофазная структура аустенита при охлаждении со скоростью больше некоторой критической превращается в чистый мартенсит. Такую закалку называют полной.
При неполной закалке нагрев стали осуществляется выше линии РSК(точка Ac1), но ниже линии GSE. При этом в доэвтектоидных сталях образуется структура аустенит + феррит, а в заэвтектоидных - аустенит + цементит. В таком случае даже охлаждение с очень высокой скоростью не может обеспечить чисто мартенситной структуры, так как избыточные фазы (феррит или цементит) сохраняются в структуре без изменений, В результате в доэвтектоидных сталях получается структура мартенсит + феррит, а в заэвтектоидных – мартенсит + цементит.
Твёрдость мартенсита, представляющего собой пересыщенный твёрдый раствор углерода в -железе, зависит от содержания в нём углерода (рис 1). В среднеуглеродистых и высокоуглеродистых сталях она составляет 55…65 НRС или 550…680НВ.
Феррит одна из самых мягких и малопрочных фаз в сталях. Его твёрдость не превышает 80...100 НВ. Цементит же - весьма твёрдая фаза (около 1000 HV или более 700 НВ). Следовательно присутствие избыточного феррита в структуре закалённой стали резко снижает её твёрдость, в то время как цементит способствует получению более высокой твёрдости.
Рис. 1 Зависимость твёрдости мартенсита от содержания углерода в стали.
Таким образом, для доэвтектоидных сталей целесообразно производить полную закалку на чистый мартенсит, а для заэвтектоидных - неполную, которая кроме мартенсита сохраняет в структуре некоторое количество цементита. Для эвтектоидной стали возможна только полная закалка.
Следует иметь в виду, что нагрев стали при закалке до температур, значительно превышающих критические точки Ac3 и Аcm, вообще не желателен, так как может привести к сильному обезуглероживанию и окислению поверхности деталей, укрупнению зерна аустенита и увеличению внутренних напряжений. В итоге после закалки с таких температур твёрдость поверхности оказывается заниженной, наблюдается повышенная деформация детали, получающийся мартенсит имеет грубое строение и обладает повышенной хрупкостью.
Всё это позволяет придти к выводу, что в зависимости от состава стали её нагрев под закалку целесообразно осуществлять до температур, лежащих на 30... 50 0С выше линии GSK (рис 2)
Рис. 2. Оптимальный интервал температур нагрева под закажу углеродистых сталей.
Скорость охлаждения при закалке
Структура и свойства закаленной стали в большей степени зависят не только от температуры нагрева, но и от скорости охлаждения. Получение закалочных структур обусловлено переохлаждением аустенита ниже линии PSK, где его состояние является неустойчивым. Увеличивая скорость охлаждения, можно обеспечивать его переохлаждение до весьма низких температур и превратить в различные структуры с разными свойствами. Превращение переохлажденного аустенита может идти как при непрерывном охлаждении, так и изотермически, в процессе выдержки при температурах ниже точки Ar1 (т.е. ниже линии PSK).
Влияние степени переохлаждения на устойчивость аустенита и скорость его превращения в различные продукты представляют графически в виде диаграмм в координатах «температура-время». В качестве примера рассмотрим такую диаграмму для стали эвтектоидного состава (рис 3). Изотермический распад переохлажденного аустенита в этой стали происходит в интервале температур от Ar1 (727 °С) до Мн (250 °С), где Мн -температура начало мартенситного превращения. Мартенситное превращение в большинстве сталей может идти только при непрерывном охлаждении.
Рис.3 Диаграмма распада аустенита для стали эвтектоидного состава.
На диаграмме (см. рис 3) нанесены две линии, имеющие форму буквы «С», так называемые «С-кривые». Одна из них (левая) указывает время начало распада переохлажденного аустенита при разных температурах, другая (правая) - время окончания распада, В области, расположенной левее линии начала распада, существует переохлажденный аустенит. Между С-кривыми имеется как аустенит, так и продукты его распада. Наконец, правее линии конца распада существуют только продукты превращения.
Превращение переохлажденного аустенита при температурах от Ar1 до 550 0С называют перлитным. Если аустенит переохлажден до температур 550...Mн, - его превращение называется промежуточным.
В результате перлитного превращения образуются пластинчатые структуры перлитного типа, представляющие собой феррито-цементитные смеси различной дисперсности. С увеличением степени переохлаждения в соответствии с общими законами кристаллизации возрастает число центров. Уменьшается размер образующихся кристаллов, т.е. возрастает дисперсность феррито-цементитной смеси. Так если превращение происходит при температурах, лежащих в интервале Ar1...650°C, образуется грубая феррито-цементитная смесь, которую называют собственно перлитом. Структура перлита является стабильной, т.е. неизменяемой с течением времени при комнатной температуре.
Все остальные структуры, образующиеся при более низких температурах, т.е. при переохлаждениях аустенита, относятся к метастабильным. Так при переохлаждении аустенита до температур 650...590°С он превращается в мелкую феррито-цементитную смесь, называемую сорбитом.
При ещё более низких температурах 590... 550 °С образуется тростит -весьма дисперсная феррито-цементитная смесь. Указанные деления перлитных структур в известной степени условно, так как дисперсность смесей монотонно возрастает с понижением температуры превращения. Одновременно с этим возрастают твёрдость и прочность сталей. Так твёрдость перлита в эвтектовдной стали составляет 180...22- НВ (8...19 HRC), сорбита - 250...350 НВ (25...38 НRС), тростита - 400...450 НВ (43...48HRC).
При переохлаждении аустенита до температур 550...МН он распадается с образованием бейнита. Это превращение называется промежуточным, так как в отличие от перлитного оно частично идет по так называемому мартенситному механизму, приводя к образованию смеси цементита и несколько пересыщенного углеродом феррита. Бейнитная структура отличается высокой твёрдостью 450...550 НВ.
Рис.4 Диаграмма распада аустенита для доэвтектоидной (а) и заэвтектоидной (б) сталей.
На диаграммах распада аустенита для доэвтектоидных и заэвтектоидных сталей (рис.4.) имеется дополнительная линия, показывающая время начала выделения из аустенита избыточных кристаллов феррита или цементита. Выделение этих избыточных структур происходит только при небольших переохлаждениях. При значительном переохлаждении аустенит превращается без предварительного выделения феррита или цементита, В этом случае содержание углерода в образовавшейся смеси отличается от эвтектоидного.
В случае непрерывного охлаждения аустенита с различной скоростью его превращение развивается не при постоянной температуре, а в некотором интервале температур. Для того, чтобы определить структуры, получающиеся при непрерывном охлаждении, нанесём на диаграмму распада аустенита кривые скорости охлаждения образцов углеродистой эвтектоидной стали (рис.5.).
Из этой диаграммы видно, что при очень малой скорости охлаждения V1 которая обеспечивается охлаждением вместе с печью (например, при отжиге), получается структура перлита. При скорости V2 (на воздухе) превращение идёт при несколько более низких температурах. Образуется структура перлит, но более дисперсный. Такая обработка называется нормализацией и широко применяется для малоуглеродистых сталей (иногда и для среднеуглеродистых) взамен отжига в качестве смягчающей.
Рис.5. Кривые распада аустенита при непрерывном охлаждении эвтектоидной стали.
При скорости V3 (охлаждение в масле) превращение аустенита идёт при таких температурах, которые обеспечивают получение сорбитной структуры, а иногда и троститной.
Если аустенит охлаждать с очень большой скоростью (V4), то он переохлаждается до весьма низкой температуры, обозначенной на диаграммах, как Мн. Ниже этой температуры происходит бездиффузионное мартенситное превращение, приводящее к образованию структуры мартенсита. Для углеродистых сталей такую скорость охлаждения обеспечивает, например, вода
В общем случае минимальная скорость охлаждения, при которой весь аустенит переохлаждается до температуры Мн и превращается в мартенсит, называется критической скоростью закалки. На рис.5, она обозначена, как Vкр и является касательной к С-кривой. Критическая скорость закалки - важнейшая технологическая характеристика стали. Она определяет выбор охлаждающих сред для получения мартенситной структуры.
Величина критической скорости закалки зависит от химического состава стали и некоторых других факторов. Так, например, у некоторых легированных сталей даже охлаждение на воздухе обеспечивает скорость больше критической.
При закалке на мартенсит необходимо учитывать, что эта структура имеет большой удельный объём и её образование сопровождается как заметным увеличением объёма закаливаемого изделия, так и резким увеличением внутренних напряжений, которые в свою очередь приводят к деформации или даже к образованию трещин. Всё это в сочетании с повышенной хрупкостью мартенсита требует проведения дополнительной термической обработки закалённых деталей - операции отпуска.
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?
Следующая страница>>2. ОХЛАЖДЕНИЕ ПРИ ЗАКАЛКЕ
Выбор охлаждающей среды при закалке. Вода, масло.
Наиболее часто в качестве охлаждающей жидкости при закалке используются вода и масло. Строго говоря, ни то ни другое полностью не соответствуют необходимым требованиям, к которым относятся:
1) быстрое охлаждение в интервале температур минимальной устойчивости аустенита — 650—550°С (см. с. 19);
2) охлаждение с умеренной скоростью в интервале температур мартенситного превращения — 300—200°С. Последнее обусловлено тем, что мартенситное превращение происходит не одновременно по всему объему детали: раньше оно начинается у поверхности, в результате чего появляются внутренние напряжения и возможны трещины. При меньшей скорости охлаждения такие напряжения также будут меньшими.
В первый период, в интервале температур 800—400°С, вода охлаждает со скоростью примерно 200°С/с. Этого вполне достаточно, чтобы предотвратить распад аустенита в углеродистой стали и обеспечить закалку. Во второй период, в интервале температур 400—100°С, скорость охлаждения в воде резко возрастает (до 400— 800°С/с). А надо было бы как раз наоборот, чтобы в этот период скорость уменьшилась, с тем чтобы снизить напряжения при образовании твердой, но хрупкой мартенситной структуры.
Существует неправильное представление о том, будто бы нагрев воды существенно уменьшает опасность образования трещин. При нагреве воды до 40—50°С скорость охлаждения в первый период снижается до 100°С/с и ниже, в то время как во второй период она, хотя также снижается, но остается все же сравнительно высокой — 350—550°С/с.
При закалке в масле скорость охлаждения получается значительно меньшая, чем в воде. В первый период, при температуре 650—550°С, масло охлаждает со скоростью примерно в 6 раз меньшей, чем циркулирующая вода. Этого уже недостаточно для закалки углеродистых сталей, но вполне подходит для легированных. Зато во второй период, при температуре 200°С, скорость охлаждения в масле в 28 раз ниже, чем в воде. Это значительно уменьшает закалочные напряжения и опасность образования трещин. Такое преимущество масла позволяет закаливать в нем крупные детали сложной формы, не опасаясь возникновения трещин.
Закаливающая способность масел мало зависит от температуры. Так, при нагреве до 120—150°С скорость охлаждения в масле изменяется всего на 50°С/с. Практически это не влияет на результаты закалки. Не следует, однако, с учетом противопожарной безопасности допускать, чтобы температура закалочного масла была более 80—90°С. Перегретое масло слегка дымит. Это опасный признак. В случае вспышки масла бак следует немедленно закрыть крышкой или листами железа.
Закаливающая способность различных масел при одной и той же температуре зависит от их вязкости. В процессе работы вязкость масла постепенно повышается, и, следовательно, закаливающая способность его падает. Это происходит в основном по двум причинам: во-первых, вследствие насыщения масла продуктами его термического разложения и, во-вторых, благодаря попаданию в масло механических примесей (окалины и пр.).
Масло становится непригодным для закалки и подлежит замене, если одна или несколько его характеристик, устанавливаемых при контроле, превосходят следующие предельные нормы:
1) повышение вязкости более чем на 40% по сравнению с исходной;
4) кислотность более 2—2,5 мг КОН/г.
Промышленностью освоен выпуск специальных закалочных масел серии МЗМ. Они содержат присадки, повышающие стойкость против окисления, улучшающие моющие свойства и снижающие пенообразование. В зависимости от марки такие масла можно использовать при температурах от 70 до 175°С.
Хорошие результаты получаются при использовании для закалки водовоздушной смеси. С этой целью применяют форсунки, в которых вода распыляется с помощью сжатого воздуха. Регулируя соотношение воды и воздуха, а также давление смеси, можно изменять скорость охлаждения. Это особенно важно при закалке крупных деталей, когда охлаждение в воде может вызвать трещины, а охлаждение в масле не обеспечивает получения необходимой твердости. При давлении воздуха 3 ат и расходе воды 100 л/ч скорость охлаждения получается примерно такой же, как и в масле.
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.
Таблица 2.1
Протокол испытаний на твердость после закалки в воду
Рис. 2.1 График зависимости твердости стали от Т о закалки и % сод. углерода
2.Определение наилучшей скорости охлаждения стали с содержанием углерода 0,4%.
Скорости охлаждения в разных средах (перевод в lg координаты)
V печь =1 0 С/с; lg1=0;
V воздух =15 0 С/с; lg15=1,2;
V масло =150 0 С/с; lg150=2,2;
V вода =600 0 C/c; lg600=2,8;
V солен..вода =1000 0 С; lg1000=3.
Таблица 2.2
Протокол испытаний твердости после охлаждения
в различных средах. Схема микроструктур
НВ
Рис. 2.2 График зависимости твердости
от скорости охлаждения в разных средах
3.Определение структуры и твердости стали с содержанием углерода 0,4% от темп. отпуска, после закалки в воде с температуры 840 0 С.
Таблица 2.3
Схемы структур и твердость
НВ
t 0 C отпуска
Рис. 2.3 График зависимости твердости
от температуры отпуска стали
Лабораторная работа №3
Изучение конструкции и определение геометрических параметров токарных резцов.
Развитие техники привело к необходимости изготовления более точных поверхностей сопряженных деталей с минимальной шероховатостью. Эти требования могут быть выполнены только обработкой резанием, несмотря на прогресс в литейном производстве, обработке давлением, сварке и наплавке, получении все более точных заготовок. Чаще всего заключительной операцией технологического процесса изготовления или ремонта детали является резание с помощью металлорежущих инструментов. Общим для всех инструментов является клин - заостренная рабочая часть - непосредственно отделяющий слой металла. Другая часть инструмента - это державка, хвостовик, связка, с помощью которых инструмент закрепляется в резцедержателе, патроне, на валу и Т.П.
Токарный резец наиболее показателен как в отношении конструкции, так и по своей геометрии. К геометрическим параметрам токарного проходного резца относятся поверхности - передняя, главная и вспомогательная задние, главная и вспомогательная режущие кромки, вершина резца. Резец затачивают под определенными углами, расположенными в прямоугольной системе координат, где различают плоскости - основную, резания, а также секущие - главную и вспомогательную. На заготовке различают поверхности - обработанную, обрабатываемую и резания.
Углы определяют, когда ось резца перпендикулярна линии центров станка, а вершина резца расположена на этой линии. Геометрия токарного проходного резца соответствует геометрическим параметрам любого другого режущего инструмента и играет роль в достижении необходимого качества обработки. Помимо этого, углы резца влияют на процесс резания и долговечность инструмента.
Резец работает при одновременном воздействии статических и динамических нагрузок, высокой температуры, трения и изнашивания. Поэтому к нему предъявляют требования по прочности при изгибе, растяжении, сжатии, кручении, ударной вязкости, тепло - и износостойкости. Твердость рабочей части резца должна значительно превосходить твердость заготовки. В зависимости от условий работы применяют разные инструментальные материалы - углеродистые и легиpoванныe стали, твердые сплавы на основе карбидов вольфрама, титана и тантала, композиционные на основе нитрида бора, керамические на основе оксида алюминия, а также абразивные - естественные (наждак, алмаз, корунд, кварц) и искусственные (химические соединения - электрокорунд, карбиды бора, кремния, оксид хрома, синтетический алмаз). При конструировании инструментов стали применять механическое крепление цельных двухслойных круглых и многогранных режущих пластин. Поликристаллы алмаза впаивают во вставки и закрепляют их механическим способом в инструментах.
