При закалке для охлаждения легированной стали используют

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Закалка – легированная сталь

Закалка легированных сталей протекает при меньших скоростях охлаждения вследствие снижения критических скоростей охлаждения. Решающим для первого вида термообработки является скорость охлаждения аустеппта, для второго – регулирование температуры и времени отпуска. Первый вид термообработки применяется для упрочнения углеродистых конструкционных сталей ( Ст. В зависимости от скорости охлаждения после закалки образуется дисперсная феррнто-карбидпая смесь, а при весьма больших скоростях охлаждения ( более 1000 в 1 сек. [1]

Закалка легированных сталей отличается рядом особенностей. [2]

При закалке легированных сталей применяют способы охлаждения в металлических штампах и водо-воздушных смесях, получаемых в специальных форсунках. [4]

При закалке легированной стали в ней остается больше остаточного аустенита, чем в углеродистой. При отпуске легирующие элементы оказывают существенное влияние на превращения, что часто делает необходимым проводить отпуск при более высоких температурах. [5]

В результате закалки легированных сталей получают структуру легированного мартенсита, который содержит не только углерод, но и легирующие элементы. Это оказывает существенное влияние на превращения, протекающие при отпуске. [6]

Критическая скорость закалки легированных сталей тем меньше, чем больше в них содержится легирующих элементов, чем выше, как говорят, степень их легированности. Следовательно, чем выше степень легированности, тем более глубокой прокаливаемо-стью обладают эти стали. [7]

В результате закалки легированных сталей получают структуру легированного мартенсита, который содержит не только углерод, но и легирующие элементы. [8]

Критическая скорость закалки легированной стали также зависит от того, растворен ли легирующий элемент в аустените или находится в виде карбидов. Критическая скорость закалки понижается только в том случае, если легирующий элемент растворен в аустените. При наличии карбидов, наоборот, критическая скорость закалки повышается. Так влияют все легирующие элементы, за исключением кобальта. Кобальт является единственным элементом, повышающим критическую скорость закалки. [9]

Следующая особенность закалки легированных сталей заключается в сохранении при комнатных температурах некоторого коли чества остаточного аустенита. Количество остаточного аустенитя возрастает с повышением содержания углерода, увеличением степе ни легированности аустенита и замедлением скорости охлаждения з мартенситном интервале. Остаточный аустенит, распадаясь во вре мя нагрева при отпуске, может вызвать или усилить явление низко температурной хрупкости. При низком отпуске сохранение остаточ ного аустенита повышает вязкость, но снижает твердость. [10]

Температура нагрева под закалку легированных сталей обычно выше, чем углеродистых. Диффузионные процессы в легированных сталях протекают медленнее, так как углерод образует твердые растворы внедрения, а легирующие элементы – замещения. Нагрев под закалку до более высокой температуры сопровождается более длительной выдержкой при этой температуре. Это способствует диссоциации карбидов и лучшей растворимости легирующих элементов в аустените. [11]

В качестве охлаждающей среды при закалке легированных сталей применяют масло или расплав солей. При изготовлении деталей из стали 7ХГ2ВМ закалка, как правило, осуществляется на воздухе. [12]

Чтобы уменьшить скорость охлаждения при закалке легированных сталей и снизить напряжение, эти стали подвергают медленному охлаждению в масле или струе воздуха. [14]

Всем термистам хорошо известно, что для закалки легированных сталей требуется меньшая скорость охлаждения, чем для закалки углеродистых. Большая часть легированных сталей закаливается в масле, а некоторые стали принимают закалку даже при охлаждении на воздухе. Это является большим преимуществом легированных сталей. [15]

Учебные материалы

Это вид термической обработки, при которой доэвтектоидные стали нагреваются на 30…50 0 С выше точек Ас3, а заэвтектоидные выше Ас1, выдерживаются при этой температуре и охлаждаются со скоростями выше критических (рисунок 42, б).

В результате образуется структура мартенсита, имеющая высокую твердость и прочность. Закалка является промежуточной термообработкой, так как при высоких скоростях охлаждения в металле возникают большие внутренние остаточные напряжения, повышается хрупкость. Для снятия остаточных напряжений и получения требуемых эксплуатационных свойств после закалки обязательно проводится отпуск.

Охлаждающие среды для закалки. Охлаждение при закалке должно обеспечить получение структуры мартенсита в пределах заданного сечения изделия и не должно вызывать закалочных дефектов: трещин, деформаций, коробления и высоких растягивающих остаточных напряжений в поверхностных слоях.

Читать еще:  Химическое пассивирование нержавеющих сталей

Наиболее желательна высокая скорость охлаждения (выше критической) в интервале температур А1 — Мн для подавления распада переохлажденного аустенита и замедленное охлаждение в интервале температур мартенситного превращения Мн — Мк.

Обычно для закалки используют кипящие жидкости — воду, водные растворы щелочей и солей масла. При закалке в этих средах различают три периода:

  1. пленочное кипение, когда на поверхности стали образуется ”паровая рубашка”; в этот период скорость охлаждения сравнительно невелика;
  2. пузырьковое кипение, наступающее при полном разрушении паровой пленки, наблюдаемое при охлаждении поверхности до температуры ниже критической; в этот период происходит быстрый отвод тепла;
  3. конвективный теплообмен, который отвечает температурам ниже температуры кипения охлаждающей жидкости; теплоотвод в этот период происходит с наименьшей скоростью.

В таблице 4 приведены примерные температурные интервалы пузырькового кипения и относительная интенсивность охлаждения в середине этого интервала для различных охлаждающих сред.

При закалке углеродистой и некоторых низколегированных сталей, имеющих малую устойчивость переохлажденного аустенита, в качестве охлаждающей среды применяют воду и водные растворы NaCl или NaOH. Вода как охлаждающая среда имеет существенные недостатки. Высокая скорость охлаждения в области температур мартенситного превращения нередко приводит к образованию закалочных дефектов; с повышением температуры воды резко ухудшается ее закалочная способность.

Наиболее высокой и равномерной охлаждающей способностью отличаются холодные 8…12 % водные растворы NaCl и NaOH, которые хорошо зарекомендовали себя на практике. Для охлаждения крупногабаритных деталей, поковок, рельсов и т. д. применяют смесь воды и воздуха, которые из форсунок подаются к охлаждаемой поверхности.

По закаливающей способности такое охлаждение близко к охлаждению в масле, но в ряде случаев удобнее, например, для закалки изделий из легированных сталей при индукционном нагреве, когда охлаждение погружением в ванну в большинстве случаев невозможно. Регулировать охлаждающую способность смеси можно путем контролируемого изменения содержания воды, скорости истечения воды и воздуха, угла и расстояния от сопла до поверхности изделия.

Таблица 4 — Относительная интенсивность охлаждения закалочных сред

Охлаждающая среда в интервале температур пузырькового кипения
Вода

10%-ный раствор NaCl в воде

Раствор NaOH в воде:

Охлаждение погружением в масло является основным при закалке изделий из легированных сталей. Масло как закалочная среда имеет следующие преимущества: небольшую скорость охлаждения в мартенситном интервале температур, что уменьшает возникновение закалочных дефектов, и постоянство закаливающей способности. К недостаткам относятся повышенная воспламеняемость (температура вспышки 165…300 0 С), низкая охлаждающая способность в области температур перлитного превращения, а также повышенная стоимость. Масла с пониженной вязкостью обладают более высокой охлаждающей способностью. Долговечность индустриальных масел (марки И-12А, И-20А) при работе без защитной атмосферы составляет 400…1000 ч, в зависимости от массы закаленных изделий. В качестве охлаждающих сред применяются также машинное масло, трансформаторное, авиационное МС-20 и др.

В настоящее время в качестве охлаждающих сред применяют водные растворы полимеров и низкомолекулярных органических соединений. Они изменяют температуры кипения и испарения воды, ее вязкость, тем самым позволяют изменять охлаждающую способность воды в широком диапазоне скоростей.

Выбирая охлаждающие среды, следует учитывать закаливаемость и прокаливаемость стали.

Под закаливаемостью понимают способность стали повышать твердость в результате закалки.

Закаливаемость стали определяется в первую очередь содержанием в ней углерода. Чем больше в мартенсите углерода, тем больше степень тетрагональности кристаллической решетки, тем выше твердость. Низкоуглеродистые стали с содержанием углерода до 0,2 % практически не закаливаются.

Под прокаливаемостью понимают глубину проникновения закаленной зоны.

За глубину закаленной зоны принято считать расстояние от поверхности до слоя, где в структуре будут примерно одинаковые объемы мартенсита и троостита. Чем медленнее происходит превращение аустенита в перлит, тем больше прокаливаемость. Легирующие элементы (кроме кобальта) увеличивают прокаливаемость. Характеристикой прокаливаемости является критический диаметр — максимальное сечение, прокаливающееся в данном охладителе на глубину, равную радиусу изделия. В этом случае и на поверхности изделия, и в его центре скорость охлаждения больше критической. Зная критический диаметр, можно правильно выбрать сталь для деталей определенных размеров и назначения. Прокаливаемость каждой стали определяется экспериментально. Прокаливаемость углеродистых сталей зависит от содержания углерода (для стали с 0,8 % С это примерно 5…6 мм), размера изделия (с увеличением сечения толщина закаленной зоны уменьшается), скорости охлаждения (вид закалочной среды).

Способы закалки. В зависимости от формы изделия, марки стали и нужного комплекса свойств применяют различные способы объемной и поверхностной закалки.

Основными способами объемной закалки являются: закалка в одном охладителе, прерывистая закалка или закалка в двух средах, ступенчатая закалка, изотермическая закалка, с самоотпуском.

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.

  • Для изделий сложной формы применяют 50% раствор каустической соды, который нагревают до +60°C. При использовании такого состава для охлаждения сталь приобретает светлый оттенок. Пары каустической соды вредны для здоровья человека.
  • Для тонкостенных деталей, изготовленных из углеродистых и легированных сталей, применяются минеральные масла, обеспечивающие постоянную температуру охлаждения, не зависящую от температуры окружающей среды. Главное условие, которое необходимо соблюдать при охлаждении сталей после закалки, – отсутствие воды в минеральных маслах. Недостатки процесса: выделение вредных для человека паров, возможность возгорания масла, образование налета, постепенная потеря эффективности охлаждающего состава.
  • 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

    Охлаждающие среды для закалки

    СОДЕРЖАНИЕ

    Охлаждающие среды для закалки

    Охлаждение при закалке должно обеспечить получение структуры мартенсита в пределах заданного сечения изделия (определенную прокаливаемость) и не должно вызывать зака-лочных дефектов: трещин, деформации, коробления и высоких растягивающих остаточных напряжений в поверхностных слоях.

    Наиболее желательна высокая скорость охлаждения (выше: критической скорости закалки) в интервале температур A1Мн для подавления распада переохлажденного аустенита в области перлитного и промежуточного превращений и замедленное охлаждение в интервале температур мартенситного превращения МнМк. Высокая скорость охлаждения в мартенситном интервале температур нежелательна, так как ведет к резкому увеличению уровня остаточных напряжений и даже к образованию трещин. В то же время слишком медленное охлаждение в интервале температур МнМк может привести к частичному отпуску мартенсита и увеличению количества остаточного аустенита вследствие его стабилизации, что снижает твердость стали.

    Обычно для закалки используют кипящие жидкости – воду, водные растворы солей и щелочей, масла. При закалке в этих средах различают три периода:

    1) пленочное кипение, когда на поверхности стали образуется «паровая рубашка»; в этот период скорость охлаждения сравнительно невелика;

    2) пузырьковое кипение, наступающее при полном разрушении паровой пленки, наблюдаемое при охлаждении поверхности до температуры ниже критической; в этот период происходит быстрый отвод теплоты;

    3) конвективный теплообмен, который отвечает температурам ниже температуры кипения охлаждающей жидкости; теплоотвод в этот период происходит с наименьшей скоростью.

    В таблице 2 приведен примерный температурный интервал пузырькового кипения и относительная скорость охлаждения в середине этого интервала для различных охлаждающих сред.

    При закалке углеродистой и некоторых низколегированных сталей, имеющих малую устойчивость переохлажденного аустенита, в качестве охлаждающей среды применяют воду и водные растворы NaCl или NaOH.

    Вода как охлаждающая среда имеет существенные недостатки. Высокая скорость охлаждения в области температур, мартенситного превращения нередко приводит к образованию закалочных дефектов; с повышением температуры резко ухудшается закалочная способность (таблица 1). При закалке изделий в горячей воде вследствие их медленного охлаждения при высоких и быстрого охлаждения при низких температурах тепловые напряжения получаются низкими, а наиболее опасные структурные – высокими, что и может вызвать образование трещин. Наиболее высокой и равномерной охлаждающей способностью отличаются холодные 8–12 %-ные водные растворы NaCl и NaOH, которые хорошо зарекомендовали себя на практике.

    При закалке в водных растворах паровая рубашка разрушается почти мгновенно, и охлаждение происходит более равномерно и в основном протекает на стадии пузырькового кипения. Увеличение охлаждающей способности достигается при использовании струйного или душевого охлаждения, широко применяемого, например, при поверхностной закалке.

    Дальнейшим усовершенствованием методов охлаждения явилось применение смесей воды с воздухом, подаваемых через форсунки. Водовоздушные среды применяют для охлаждения крупных поковок, рельсов и т. д.

    Для легированных сталей, обладающих высокой устойчивостью переохлажденного аустенита при закалке, применяют минеральное масло (чаще нефтяное).

    Масло как закалочная среда имеет следующие преимущества: небольшую скорость охлаждения в мартенситном интервале температур, что уменьшает возникновение закалочных дефектов и постоянство закаливающей способности в широком интервале температур среды (20–150°).

    К недостаткам следует отнести повышенную воспламеняемость (температуры вспышки 165–300 °С), недостаточную стабильность и низкую охлаждающую способность в области температур перлитного превращения, а также повышенную стоимость.

    Температуру масла при закалке поддерживают в пределах 60–90 °С, когда его вязкость оказывается минимальной.

    В последние годы вместо воды или масла начинают применять водные растворы моющих средств, содержащих поверхностно-активные вещества, жидкого силиката, и особенно синтетических веществ, например аква-пласт.

    Аква-пласт представляет собой концентрат в воде высоковязкой про¬зрачной жидкости, содержащей растворимую в воде пластмассу и коррозионно-защитный ингибитор. Концентрация раствора 0,5–0,7 %,

    Закалка в водных растворах полимеров и моющих средств приводят к уменьшению скорости охлаждения при температурах ниже Мн, а как следствие этого исключается образование трещин и уменьшаются коробления.

    Ссылка на основную публикацию
    Adblock
    detector