Конструкционные стали подвергают закалке и отпуску для повышения прочности и твердости, получения высокой пластичности, вязкости и высокой износостойкости, а инструментальные – для повышения твердости и износостойкости.
Верхний предел температур нагрева для заэвтектоидных сталей ограничивается, так как приводит к росту зерна, что снижает прочность и сопротивление хрупкому разрушению.
Основными параметрами являются температура нагрева и скорость охлаждения. Продолжительность нагрева зависит от нагревательного устройства, по опытным данным на 1 мм сечения затрачивается: в электрической печи – 1,5…2 мин.; в пламенной печи – 1 мин.; в соляной ванне – 0,5 мин.; в свинцовой ванне – 0,1…0,15 мин.
По температуре нагрева различают виды закалки:
– полная, с температурой нагрева на 30…50 o С выше критической температуры А3
.
Применяют её для доэвтектоидных сталей. Изменения структуры стали при нагреве и охлаждении происходят по схеме:
.
Неполная закалка доэвтектоидных сталей недопустима, так как в структуре остается мягкий феррит. Изменения структуры стали при нагреве и охлаждении происходят по схеме:
– неполная с температурой нагрева на 30…50 o С выше критической температуры А1
Применяется для заэвтектоидных сталей. Изменения структуры стали при нагреве и охлаждении происходят по схеме:
.
После охлаждения в структуре остается вторичный цементит, который повышает твердость и износостойкость режущего инструмента.
После полной закалки заэвтектоидных сталей получают дефектную структуру грубоигольчатого мартенсита.
Заэвтектоидные стали перед закалкой обязательно подвергают отжигу – сфероидизации, чтобы цементит имел зернистую форму.
Охлаждение при закалке.
Для получения требуемой структуры изделия охлаждают с различной скоростью, которая в большой степени определяется охлаждающей средой, формой изделия и теплопроводностью стали.
Режим охлаждения должен исключить возникновение больших закалочных напряжений. При высоких скоростях охлаждения при закалке возникают внутренние напряжения, которые могут привести к короблению и растрескиванию.
Внутренние напряжения, уравновешиваемые в пределах макроскопических частей тела, называются напряжениями I рода. Они ответственны за искажение формы (коробление) и образование трещин при термообработке. Причинами возникновения напряжений являются:
· различие температуры по сечению изделия при охлаждении;
· разновременное протекание фазовых превращений в разных участках изделия.
Для предупреждения образования трещин необходимо избегать растягивающих напряжений в поверхностных слоях изделия. На характер распределения напряжений при закалке, помимо режима охлаждения, оказывает влияние и температура нагрева под закалку. Перегрев содействует образованию закалочных трещин, увеличивает деформации.
Режим охлаждения должен также обеспечить необходимую глубину закаленного слоя.
Оптимальный режим охлаждения: максимальная скорость охлаждения в интервале температур А1 – MН, для предотвращения распада переохлажденного аустенита в области перлитного превращения, и минимальная скорость охлаждения в интервале температур мартенситного превращения MН – MК, с целью снижения остаточных напряжений и возможности образования трещин. Очень медленное охлаждение может привести к частичному отпуску мартенсита и увеличению количества аустенита остаточного, а следовательно к снижению твердости.
В качестве охлаждающих сред при закалке используют воду при различных температурах, технические масла, растворы солей и щелочей, расплавленные металлы.
Вода имеет существенный недостаток: высокая скорость охлаждения в интервале мартенситного превращения приводит к образованию закалочных дефектов. С повышением температуры воды ухудшается ее закалочная способность.
Наиболее высокой и равномерной охлаждающей способностью отличаются холодные 8…12 %-ные водные растворы NaCl и NaOH. Они мгновенно разрушают паровую рубашку и охлаждение происходит более равномерно и на стадии пузырькового кипения.
Увеличения охлаждающей способности достигают при использовании струйного или душевого охлаждения, например, при поверхностной закалке.
Для легированных сталей с высокой устойчивостью аустенита используют минеральное масло (нефтяное). Обеспечивающее небольшую скорость охлаждения в интервале температур мартенситного превращения и постоянство закаливающей способности. Недостатками минеральных масел являются повышенная воспламеняемость, низкая охлаждающая способность в интервале температур перлитного превращения, высокая стоимость.
При выборе охлаждающей среды необходимо учитывать закаливаемость и прокаливаемость стали.
Закаливаемость – способность стали приобретать высокую твердость при закалке.
Закаливаемость определяется содержанием углерода. Стали с содержанием углерода менее0,20 % не закаливаются.
Прокаливаемость – способность получать закаленный слой с мартенситной и троосто-мартенситной структурой, обладающей высокой твердостью, на определенную глубину.
За глубину закаленной зоны принимают расстояние от поверхности до середины слоя, где в структуре одинаковые объемы мартенсита и троостита.
Чем меньше критическая скорость закалки, тем выше прокаливаемость. Укрупнение зерен повышает прокаливаемость.
Если скорость охлаждения в сердцевине изделия превышает критическую то сталь имеет сквозную прокаливаемость.
Нерастворимые частицы и неоднородность аустенита уменьшают прокаливаемость.
Характеристикой прокаливаемости является критический диаметр.
Критический диаметр – максимальное сечение, прокаливающееся в данном охладителе на глубину, равную радиусу изделия.
С введением в сталь легирующих элементов закаливаемость и прокаливаемость увеличиваются (особенно молибден и бор, кобальт – наоборот).
В большинстве случаев при закалке желательно получить структуру наивысшей твердости, т.е. мартенсит, при последующем отпуске которого можно понизить твердость и повысить пластичность стали.
Доэвтектоидные стали, как правило, подвергают полной закалке, при этом оптимальной температурой нагрева является температура
Ас3+ (30—50 °С). Такая температура обеспечивает получение при нагреве мелкозернистого аустенита и соответственно после охлаждения — мелкокристаллического мартенсита. Недогрев до температуры Ас3 приводит к сохранению в структуре кристаллов феррита, что при некотором уменьшении прочности обеспечивает повышенную пластичность закаленной стали (рис. 3.3).
Рис. 3.3. Оптимальные температуры нагрева под закалку для сталей:
а — доэвтектоидных, заэвтектоидных; б — высоколегированных ледебуритных
Заэвтектоидные стали подвергают неполной закалке. Оптимальная температура нагрева углеродистых и низколегированных сталей — температура Ас1 + (30—50 °С).
После закалки заэвтектоидная сталь приобретает структуру, состоящую из мартенсита и цементита. Кристаллы цементита тверже кристаллов мартенсита, поэтому при неполной закалке заэвтектоидные стали имеют более высокую твердость, чем при полной закалке. Высоколегированные инструментальные стали ледебуритного класса (рис. 3.3) для повышения теплостойкости нагревают при закалке до очень высоких температур (область 1), близких к эвтектической. При этом происходит распад всех вторичных карбидов, аустенит обогащается не только углеродом, но и легирующими элементами, содержащимися в карбидах. В результате получается высоколегированный, а следовательно, и теплостойкий мартенсит.
Для получения мартенситной структуры необходимо переохладить аустенит до температуры мартенситного превращения, при этом скорость охлаждения должна превышать критическую скорость )кр.
Продолжительность нагрева. Скорость нагрева и время выдержки при температуре нагрева для закалки зависят от химического состава стали и размеров обрабатываемых деталей. Чем больше размеры и сложнее конфигурация закаливаемых деталей или инструмента, тем медленнее происходит нагрев. Чем больше в стали углерода, легирующих элементов, тем менее она теплопроводна. Нагревают детали из высокоуглеродистых и легированных сталей медленно, равномерно и с повышенной выдержкой нагрева. Величина напряжений должна быть всегда ниже допустимой величины, в противном случае в изделии при нагреве могут образоваться трещины. Выдержка при термической обработке необходима для того, чтобы изделия полностью прогрелись после достижения заданной температуры и произошли структурные превращения в металле. Время выдержки зависит в основном от структуры металла и равно 1 мин для углеродистых сталей и 1,5—2,0 мин для сталей, легированных на 1 мм диаметра.
Время нагрева определяют для каждого вида деталей или инструмента (табл. 3.1).
Охлаждающие среды после закалки. Для охлаждения стальных деталей при закалке в качестве закалочных сред применяют воду, водные растворы солей, расплавленные соли и минеральные масла.
Закалочные среды с разной интенсивностью отводят тепло от нагретых под закалку деталей. При выборе закалочной среды учитывают химический состав стали и степень допустимой деформации. Единой универсальной среды для закалки стали не имеется, поэтому пользуются различными средами (табл. 3.2).
Среднее время нагрева деталей из углеродистых сталей под закалку в различных средах
Температура нагрева, °С
Время нагрева (с) 1 мм диаметра или толщины деталей с сечением
Ещё один сайт на WordPress
Рубрики
Свежие записи
Архивы
Закалка доэвтектоидных и заэвтектоидкых сталей
До сих пор, говоря о закалке, мы имели в виду эвтектоидную сталь, содержащую 0,8-0,9% С, причем неоднократно замечали, что углерод оказывает существенное влияние на результаты. Рассмотрим теперь, как сказывается влияние углерода на закалку в сталях доэвтектоидного и заэвтектоидного состава.
Прежде всего в этих сталях, по сравнению с эвтектоидной, должно сказываться их положение по диаграмме состояний: наличие вторых превращений, кроме эвтектоидного, в точках А3 и Аст.
В связи с этим в доэвтектоидных и заэвтектоидных сталях может быть закалка двоякого вида: полная и неполная.
Полной закалкой называют такую, которая производится, исходя из состояния сплошного аустенита, когда нагрев стали для закалки осуществляется выше верхних критических точек.
Если же нагреть сталь ниже указанных точек, но выше точки Aclt то будем находиться в области, где, кроме аустенита, находятся избыточные фазы — феррит (Ф) или цементит (Ц).
Очевидно, при закалке, т. е. последующем быстром охлаждении, аустенитные участки переохладятся и перейдут в соответствующие закаленные участки, а Ф и Ц останутся неизмененными (равновесными) участками. Такая закалка называется неполной. Присутствие равновесных избыточных фаз, наряду с закаленными участками, должно изменять результаты закалки. Поэтому для выяснения влияния углерода на закалку сперва будем исходить из полной закалки стали.
Сравнивая результаты полной закалки сталей с различным содержанием углерода, можно установить, что процесс распадения аустенита и образования соответствующих переходных состояний (мартенсита, троостита и сорбита) идет аналогично эвтектоидной стали, но в зависимости от содержания углерода наблюдаются следующие отклонения.
Относительно кривых изотермического распадения установлено, что изменения содержания углерода как в доэвтектоидную сторону, так и в заэвтектоидную смещают С-образные кривые влево (ближе к начальной ординате), по сравнению с кривыми эвтектоидной стали .
Это значит, что эвтектоидная сталь наиболее устойчива, а уменьшение и увеличение содержания углерода против 0,83% вызывает ускорение как начала распадения переохлажденного аустенита, так и завершения превращения.
Что же касается температурных пределов расположения минимума устойчивости (перегиба на С-образных кривых в верхней части), то существенного отличия от эвтектоидной стали здесь не наблюдается, и ход С-образных кривых в общем у всех аналогичен. Различие в виде кривых изотермического превращения между эвтектоидной и внеэвтектоидными сталями сказывается еще и в том, что, кроме кривой перлитного превращения, в них присутствует еще ветвь, отвечающая верхним превращениям: выделению избыточного феррита (в точках Агъ) или цементита (Arcm).
Приведены кривые изотермического превращения доэвтектоидной стали и здесь видна ветвь, соответствующая точкам выделения избыточного феррита Лг3; эти точки по мере ускорения охлаждения получаются все ниже-ближе к точкам Агх — до совпадения с последними близ С-образной кривой. Это значит, что при больших скоростях закалки (близких к критической и выше) оба превращения сливаются в одно и дают закаленные структуры без присутствия избыточных фаз.
Различие в связи с содержанием углерода особенно сказывается в нижней части диаграммы, на положении горизонтали точки М, определяющей начало образования мартенсита (и ограничивающей распространение С-образных кривых). Выше было замечено, что как верхняя, так и нижняя границы области мартенситного превращения зависят от состава стали и, особенно, от содержания углерода. Приведены кривые зависимости точек начала (М) и конца (Мк) 1 мартенситного превращения от содержания углерода в стали; здесь видно, что углерод резко понижает эти точки, причем
Из этих же кривых видно, что для малоуглеродистых, весьма мягких сталей точки мартенситного превращения расположены так высоко, что если мартенсит и образуется в них на момент, то остаться таковым не может и должен перейти в более устойчивые стадии распадения. Поэтому закалка таких сталей на мартенсит практически неосуществима.
Кроме углерода, на положение мартенситных точек оказывают существенное влияние и прочие легирующие примеси, о чем подробнее сказано.