Способы закалки стали

Способы закалки стали

Выбор того или иного способа охлаждения при закалке определяется во-первых получением наибольшей прокаливаемости и во-вторых минимальным уровнем остаточных внутренних напряжений, чтобы уменьшить коробление деталей.

Используются несколько способов закалки, которые классифицируются по методу охлаждения:

1-закалка в одном охладителе;

2-закалка в двух охладителях;

Все рассмотренные способы закалки показаны на диаграмме распада переохлажденного аустенита на рис.45.

Закалка в одном охладителе (воде или масле). Это наиболее простой и распространенный способ. Однако некоторые стали при охлаждении в воде склонны к возникновению трещин. При охлаждении в масле скорость охлаждения меньше, но многие стали при таком охлаждении не закаливаются (скорость охлаждения меньше Vкр и мартенсит не образуется).

Закалка в двух охладителях (через воду в масло). При этом методе в верхнем интервале температур скорость охлаждения велика, но сталь достаточно пластична и значительных напряжений не возникает. При этом способе сталь быстро охлаждается в интервале температур 750–400°С, а затем деталь переносится в другую, более мягкую, охлаждающую среду, и в мартенситном интервале охлаждение происходит замедленно, что практически исключает образование трещин. Твердость при таком методе закалки такая же, как при закалке в воде. (рис.45, кривая 2). Это приводит к уменьшению внутренних напряжений и снижает вероятность появления трещин. Примером такой закалки может быть процесс с охлаждением вначале в воде, а затем в масле.

Ступенчатая закалка –заключается в том, что после нагрева детали переносят в печь-ванну с расплавом щелочей (обычно КОН+NaOH). Нагретую до температуры немного выше начала образования мартенсита (на 20-30° выше точки М_н т.е. до 350-400 0 С), выдерживают небольшое время для выравнивания температуры по сечению, а затем охлаждают в масле или на воздухе (рис.45, кривая 3). При этом обеспечивается быстрое охлаждение стали в верхней области температур, а затем делается выдержка, во время которой температура по сечению детали выравнивается, и термические напряжения уменьшаются.

Твердость после такой закалки такая же, как и в предыдущих способах, но напряжения и вероятность образования трещин еще меньше. В качестве жидких сред для ступенчатой закалки используют расплавы щелочей, селитры, легкоплавких металлов.

Ступенчатая закалка применяется только для мелких изделий (до 10мм) из углеродистых сталей. Для более крупных деталей ее не применяют, так как в расплаве щелочей скорость охлаждения внутри детали мала.

Для легированных сталей, обладающих высокой устойчивостью переохлажденного аустенита, такую закалку применять нецелесообразно, так как они обычно хорошо закаливаются в масле, которое достаточно медленно охлаждает при температурах образования мартенсита.

Изотермическая закалкапроводится так же как и ступенчатая, но в расплаве щелочей детали выдерживают более длительное время (до полного распада аустенита на бейнит (рис.45,кривая 4). При этом существенных напряжений не возникает, но твердость получается ниже, чем при других способах закалки. Преимуществом этого способа является то, что после него не требуется отпуска. Изотермическая закалка обычно применяется для деталей сложной формы, склонных к деформациям и образованию трещин.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

14.9. Способы закалки сталей. Дефекты, возникающие при закалке

Способы закалки сталей. Основные способы закалки стали – закалка в одном охладителе, в двух средах, струйчатая, с самоотпуском, ступенчатая и изотермическая.

Закалка в одном охладителе. Деталь, нагретую до температуры закалки, погружают в закалочную жидкость, где она находится до полного охлаждения. Детали из углеродистых сталей охлаждают в воде, а детали из легированных сталей – в масле. Высокоуглеродистые стали закаливают с подстуживанием, это уменьшает внутренние напряжения в деталях и исключает образование трещин.

Закалка в двух средах, или прерывистая закалка (рис. 4.27). Деталь сначала охлаждают в быстро охлаждающей среде – воде, а затем переносят её в медленно охлаждающую среду – масло. Такой способ применяется при закалке инструмента, изготовленного из высокоуглеродистой стали.

Рис. 4.27. Способы охлаждения при закалки сталей: 1 – непрерывное охлаждение; 2 – закалка в двух средах; 3 – ступенчатая закалка; 4 – изотермическая закалка

Струйчатая закалка. Детали, нагретые до температуры закалки, охлаждают струёй воды. Такой способ применяют для закалки внутренних поверхностей, высадочных штампов, матриц и другого инструмента, у которого рабочая поверхность должна иметь структуру мартенсита. При струйчатой закалке не образуется паровая рубашка, что обеспечивает более глубокую прокаливаемость, чем при простой закалке в воде.

Закалка с самоотпуском. Детали выдерживают в охлаждающей среде не до полного охлаждения, а до определённой стадии, чтобы сохранить в сердцевине детали тепло, необходимое для самоотпуска.

Ступенчатая закалка. При этом способе закалки нагретые детали охлаждают сначала до температуры несколько выше точки Мн (в горячем масле или расплавленной соли), затем после короткой выдержки при этой температуре (до начала промежуточных превращений) охлаждают на воздухе.

Изотермическая закалка. Детали нагревают до заданной температуры и охлаждают в изотермической среде до 220–350°С, что несколько превышает температуру начала мартенситного превращения. Выдержка деталей в закалочной среде должна быть достаточной для полного превращения аустенита в игольчатый троостит. После этого производится охлаждение на воздухе. При изотермической закалке выдержка значительно больше, чем при ступенчатой.

Изотермическая закалка позволяет устранить большое различие в скоростях охлаждения поверхности и сердцевины деталей, которое является основной причиной образования термических напряжений и закалочных трещин. Изотермическая закалка в ряде случаев исключает операцию отпуска, что сокращает на 35–40 % цикл термической обработки.

Светлая закалка. При этом способе закалки детали нагревают в нейтральной безокислительной атмосфере или в расплавленных нейтральных солях. При светлой закалке нагрев деталей или инструмента осуществляют в жидких солях, не вызывающих окисление металла, с последующим охлаждением их в расплавленных едких щелочах.

Дефекты, возникающие при закалке. Основными видами брака являются: образование трещин, деформация и коробление, обезуглероживание и окисление, изменение размеров, появление мягких пятен, низкая твёрдость, перегрев.

Закалочные трещины. В крупных деталях, например в матрицах и ковочных штампах, закалочные трещины могут появляться даже при закалке в масле. Поэтому такие детали целесообразно охлаждать до 150–200 °С с быстрым последующим отпуском.

Чтобы уменьшить скорость охлаждения при закалке легированных сталей и снизить напряжение, эти стали подвергают медленному охлаждению в масле или струе воздуха.

Деформация и коробление. Этот вид брака деталей образуется в результате неравномерных структурных и связанных с ними объёмных превращений и возникновения внутренних напряжений при охлаждении.

Обезуглероживание инструмента при нагреве в электрических печах и жидких средах (соляных ваннах) – серьёзный дефект при закалке, т.к. он в несколько раз снижает стойкость инструмента.

Мягкие пятна. При закалке на поверхности детали или инструмента образуются участки с пониженной твёрдостью. Причинами такого дефекта могут быть наличие на поверхности деталей окалины и загрязнении, участки с обезуглероженной поверхностью или недостаточно быстрое движение деталей в закалочной среде (паровая рубашка). Мягкие пятна полностью устраняются при струйчатой закалке и в подсоленной воде.

Причинами низкой твёрдости являются недостаточно быстрое охлаждение в закалочной среде, низкая температура закалки, а также малая выдержка при нагреве под закалку. Чтобы исправить этот дефект, детали или инструмент сначала подвергают высокому отпуску при температуре 600–625 °С, а затем – закалке.

Перегрев приводит к образованию крупнозернистой структуры, что ухудшает механические свойства стали. Для измельчения зерна и подготовки структуры для повторной закалки перегретую сталь необходимо подвергать отжигу.

Недогрев. Если температура закалки была ниже критических точек Ас₃ (для доэвтектоидных сталей) и Ас1 (для заэвтектоидных сталей), то структура закаленной стали будет состоять из мартенсита и зерен феррита, который имеет низкую твёрдость. Недогрев можно исправить отжигом с последующей закалкой.

СПОСОБЫ ЗАКАЛКИ

В зависимости от состава стали, формы, размеров и требуемых от термически обработанной детали свойств следует выбирать способ закалки.

Основными способами закалки являются следующие.

1. Закалка в одном охладителе. Это наиболее простой способ. Нагретую до заданной температуры деталь погружают в закалочную жидкость, где она остается до полного охлаждения. Применяют при закалке несложных деталей из углеродистых и легированных сталей. Для деталей из углеродистых сталей диаметром более 2—5 мм закалочной жидкостью служит вода, а для деталей меньших размеров и для многих легированных сталей — минеральное масло. Этот способ применяют и при механизированной закалке.

Для уменьшения внутренних напряжений деталь иногда не сразу погружают в жидкость, а некоторое время охлаждают на воздухе — подстуживают (закалка с подстуживанием).

• 2. Прерывистая закалка, или закалка в двух средах. Деталь сначала охлаждают в быстроохлаждающей среде (обычно в воде), а затем медленно охлаждают (деталь переносят в минеральное масло или охлаждают на воздухе). Мартенситный интервал происходит при сравнительно медленном охлаждении, что способствует уменьшению внутреннего напряжения. Этот способ применяют при закалке инструмента из высокоуглеродистых сталей. Практически трудно установить и отрегулировать время пребывания деталей в первой жидкости, так как оно исчисляется секундами.
• 3. Струйчатая закалка. Обрызгивание детали интенсивной струей воды обычно применяют тогда, когда требуется закалить части детали. При этом способе не образуется паровой рубашки, что обеспечивает более глубокую прокаливаемость, чем при простой закалке в воде.
• 4. Закалка с самоотпуском. В этом случае охлаждение изделия в закалочной среде прерывают, с тем чтобы в сердцевине изделия сохранилось еще некоторое количество теплоты. Под действием теплообмена температура в более сильно охлаждающихся поверхностных слоях повышается и сравнивается с температурой сердцевины. В результате происходит отпуск поверхности стали (самоот- пуск). Эту закалку применяют, например, для таких инструментов, которые работают с ударными нагрузками и должны сочетать высокую твердость на поверхности с повышенной вязкостью в сердце- вине (зубила, кувалды, молотки, керны и т.п.).
• 5. Ступенчатая закалка. Сталь после нагрева до температуры закалки охлаждают в среде, имеющей температуру выше точки М_н(180—250 °С), и выдерживают сравнительно короткое время. Затем изделие охлаждают до комнатной температуры на воздухе. В результате выдержки в закалочной среде достигается выравнивание температуры по сечению изделия до температуры закалочной ванны. Затем следует обычное медленное охлаждение, во время которого происходит закалка, то есть превращение аустенита в мартенсит, но менее полное, чем при непрерывной закалке. Сталь сохраняет большое количество остаточного аустенита. При ступенчатой закалке уменьшаются объемные изменения и возможность образования трещин.

Однако применение ступенчатой закалки ограничено предельным размером сечения детали — не более 8—10 мм. Сравнительно медленное охлаждение среды не позволяет достигнуть критической скорости закалки для более крупных деталей, и аустенит распадается при высоких температурах.

6. Изотермическая закалка. В отличие от ступенчатой при изотермической закалке необходимо выдерживать сталь в закалочной среде столько времени, чтобы успело закончиться изотермическое превращение аустенита.

Обычно температура изотермического распада аустенита лежит в интервале 250—300 °С. В результате изотермической закалки с распадом аустенита в этом пределе температур сталь обладает меньшей твердостью при любых способах закалки, но, как правило, повышенной вязкостью. В результате получается структура бейнита.

Зачем нужна и как проводится закалка стали?

Закалкой называют вид термической обработки металлов, который заключается в нагреве выше критической температуры с последующим резким охлаждением (обычно) в жидких средах. Критической называют температуру, при которой происходит изменение типа кристаллической решетки, то есть осуществляется полиморфное превращение. Она определяется она по диаграмме «железо-углерод». фото

Свойства стали после закалки

После закалки увеличивается твердость и прочность стали, но при этом повышаются внутренние напряжения и возрастает хрупкость, провоцирующие разрушение материала при резких механических воздействиях. На поверхности изделия появляется толстый слой окалины, который необходимо учитывать при определении припусков на обработку.

Внимание! Некоторые изделия закаляются частично, например, это может быть только режущая кромка инструмента или холодного оружия. В этом случае на поверхности изделия можно наблюдать четкую границу, разделяющую закаленную и незакаленную части. Закаленную часть на клинках называют «хамон», что в переводе на современный язык металлургии означает «мартенсит».

Определение! Мартенсит – основная составляющая структуры стали после закалки. Вид этой микроструктуры – игольчатый или реечный.

Для уменьшения внутренних напряжений и роста пластичности осуществляют следующий этап термообработки – отпуск. При отпуске происходит некоторое снижение твердости и прочности.

Технология закалки

Режим закалки определяется температурой, временем выдержки, скоростью охлаждения, используемой охлаждающей средой.

Способы закалки стали:

• в одном охладителе – применяется при работе с деталями несложной конфигурации из углеродистых и легированных сталей;
• прерывистый в двух средах – востребован для обработки высокоуглеродистых марок, которые сначала остужают в быстро охлаждающей среде (воде), а затем в медленно охлаждающей (масле);
• струйчатый – обычно востребован при частичной закалке изделия, осуществляется в установках ТВЧ и индукторах обрызгиванием детали мощной струей воды;
• ступенчатый – процесс, при котором деталь остывает в закалочной среде, приобретая во всех точках сечения температуру закалочной ванны, окончательное охлаждение осуществляют медленно;
• изотермический – похож на предыдущий вид закалки стали, отличается от него временем пребывания в закалочной среде.

Типы охлаждающих сред

От правильного выбора охлаждающей среды во многом зависит конечный результат процесса.

Для поверхностной закалки и работы с изделиями простой конфигурации, предназначенными для дальнейшей обработки, применяется в основном вода. Она не должна содержать соли и примеси моющих средств, оптимальная температура +30°C.

Внимание! Использовать этот способ охлаждения для деталей сложной конфигурации не рекомендуется из-за риска появления трещин.

Внимание! Для работы с изделиями из углеродистых сталей со сложным химическим составом используют комбинированное охлаждение. Оно состоит из двух этапов. Первый – охлаждение детали в воде, второй, после +200°C, – в масляной ванне. Перемещение из одной охлаждающей среды в другую должно производиться очень быстро.

Какие стали можно закаливать?

Процедурам закалки и отпуска не подвергается прокат и изделия из него, изготовленные из малоуглеродистых сталей типа 10, 20, 25. Этот вид термообработки эффективен для углеродистых сталей (45, 50) и инструментальных, у которых в результате твердость увеличивается в три-четыре раза.

Таблица режимов закалки и областей применения для некоторых видов инструментальных сталей