Закалочные среды и способы закалки стали

Целью закалки является получение мартенситной структуры. Имея ввиду влияние режимов охлаждения на внутренние на­пряжения, необходимо сделать вывод, что оптимальным режи­мом охлаждения при закалке для стали с представленной на рис. 20 С-образной кривой превращения аустенита является режим 1.

Во избежание распада аустенита в области образования троостита скорость охлаждения в интервале температур 650-400°С должна быть высокой. Вместе с этим в интервале температур мартенситного превращения ниже Мн (300-200°С) скорость охлаждения должна быть низкой. Это необходимо для снижения фазовых напряжений и для предотвращения образования трещин от термических напряжений в хрупком мартен­сите.

 

 

Рис.20 Схема режимов охлаждения при различных способах закалки: 1- идеальный режим охлаждения; 2- непрерывная закалка в одном охладителе; 3- прерывистая закалка в двух средах; 4- ступенчатая закалка; 5- изотермическая закалка

 

Рассмотрим в какой степени наиболее распространенные охлаждающие среды (вода и масло) удовлетворяют поставлен­ным условиям.

Для жидкостей, температура кипения которых ниже темпе­ратуры охлаждаемого тела, при погружении в них нагретого тела различают три периода, которые характеризуются различ­ной интенсивностью охлаждения.

1) В первый период, после погружения нагретого тела в жидкость, вокруг него образуется паровая рубашка. Этот пе­риод называется пленочным кипением. Скорость охлаждения при пленочном кипении относительно мала.

2) Разрушение паровой рубашки создает контакт охлаждающей среды с металлом и интенсивное испарение жидкости, для чего затрачивается много тепла, и интенсивность охлаж­дения резко возрастает. Этот период пузырчатого кипения.

3) При охлаждении тела ниже температуры кипения жид­кости охлаждение осуществляется конвективным теплообменом, скорость охлаждения уменьшается.

Установлено, что пленочное кипение воды простирается на интервал температур 650-400°С и чистая вода охлаждает в этом интервале температур не с максимальной скоростью. Для ускорения охлаждения рекомендуется произ­водить перемещение изделия в воде, что улучшает теплообмен. При температурах 300-200°С происходит пузырчатое ки­пение и вода охлаждает слишком быстро. Установлено, что повышение температуры воды создает еще более неблагоприят­ные условия охлаждения при температурах 300-200°С. Небла­гоприятные условия при охлаждении в воде устраняются при использовании вод­ных растворов щелочей, солей и кислот. У этих жидкостей почти нет периода пленочного кипения, и скорость охлаждения при 300-200°С меньше, чем у чистой воды. Изменение темпе­ратуры водных растворов влияет на их охлаждающую способ­ность. Поэтому в ряде случаев рационально использовать в каче­стве закалочных сред не чистую воду, а водные растворы ще­лочей, солей или кислот.

Положительной особенностью масла является низкая ско­рость охлаждения при 300- 200°С. В ряде случаев (легиро­ванные стали) скорость охлаждении при закалке в масле при 650-400° С может быть достаточной для предотвращения рас­пада аустенита. Возможность использования масла при закалке обеспечивает уменьшение брака от трещин. Для углеродистых сталей скорость охлаждения в масле в интервале температур 650-400° С недостаточная для предотвращения распада аусте­нита.

Так как реальные охлаждающие жидкости имеют режимы охлаждения значительно отличающиеся от идеального режима (рис. 20,1) то приходится применять различные способы ох­лаждения стали при закалке, которые рассмотрены ниже.

1. Закалка в одном охладителе (простая не­прерывная закалка) режим 2, рис. 20. Этот метод наиболее прост и широко применяется. Для закалки мелких деталей сечением до 5 мм из углеродистых сталей и деталей большего диаметра из легированных сталей в качестве закалочной среды применяют масло. Для более крупных, но простых по форме деталей из углеродистой стали в качестве закаливающей среды применяют воду или водные растворы щелочей. В качестве закалочных сред при этом способе рекомендуется: в инструмен­тальном производстве 5... 15% растворы NаС1 в воде. Для изделий сложной формы, склонных к короблению и трещинообразованию рекомендуется 40...50%-ный раствор NаОН в воде. Эти растворы обеспечивают скорость охлаждения при температурах 750-550°С до 1400 град/сек. При температурах 300-200°С скорость их охлаждения приближается к скорости охлаждения в масле. 40-50% растворы NаОН рекомендуются для легированных сталей повышенной прокаливаемости[3]. Для сталей с пониженной прокаливаемоетью рекомендуются 5-15%-ные растворы NаОН.

Для крупных изделий сложной формы, изготовленных из сталей с большой устойчивостью аустенита (с высокой прокаливаемостью), типичными закалочными средами являются чи­стые минеральные масла или их смеси, например 50%-ная смесь индустриальных масел 12 и 20.

2. Закалка в двух средах (прерывистая за­калка) режим 3, рис. 20. Этот метод заключается в пред­варительном охлаждении детали в более резком охладителе (например в воде) до температуры ~ 300° С с последующим охлаждением в более мягкой среде (например в масле).

Прерывистая закалка в двух средах обеспечивает прибли­жение к оптимальному режиму охлаждения 1, рис. 20. Недо­статком прерывистой закалки является трудность установления момента переноса изделия из одной среды в другую для раз­личных изделий, имеющих, как правило, различную толщину по сечению.

3. Ступенчатая закалка. Режим 4, рис. 20. При этом способе деталь после нагрева переносят в среду с темпе­ратурой несколько выше точки температуры начала мартенситного превращения М_н, выдерживают в ней до вы­равнивания температуры по всему сечению и дальнейшее ох­лаждение осуществляют на воздухе. Средой при ступенчатой закалке при 180-200°С широко используются специальные масла, обладающие высокой температурой вспышки, и рас­плавы солей. При ступенчатой закалке превращение А→М, ввиду предварительного выравнивания температуры по сече­нию изделия, протекает по всему сечению практически одно­временно. Вследствие этого фазовые напряжения имеют ма­лую величину и уменьшается склонность к образованию трещин, снижается деформация при закалке. Применение ступенчатой закалки ограничивается размерами деталей: до 10- 12 мм для деталей из углеродистой стали и до 20-30 мм для деталей из легированных сталей.

4. Изотермическая закалка. Режим 5 рис. 20. Отличием этого вида закалки от ступенчатой является длитель­ность выдержки выше точки температуры начала мартенситного превращения М_н в нижней части области про­межуточного превращения. Время выдержки должно быть до­статочно для превращения аустенита в нижний бейнит. Превра­щение А→Б углеродистых сталей идет практически до конца, и в результате превращения образуется структура нижнего бейнита. При промежуточном превращении легированных сталей наряду с бейнитом сохраняется остаточный аустенит (10-20%). Такая структура обеспечивает высокую прочность, пла­стичность и вязкость стали, т. е. высокую конструктивную проч­ность. Вместе с этим значительно снижается деформация изде­лий вследствие ликвидации термических напряжений. Фазовые (структурные) напряжения также уменьшаются в связи с тем, что превращение аустенита в бейнит происходит постепенно в течение длительного времени. Поэтому для легированных сталей изотермическая закалка находит довольно широкое приме­нение.

Средой для охлаждения при изотермической закалке обычно являются расплавленные соли и щелочи разного состава. Ох­лаждение в расплавах щелочей (если нагрев под закалку про­изводить в хлористых солях) позволяет получить чистую по­верхность после термообработки. Такой способ закалки назы­вается «светлой закалкой».

5. Для закалки инструмента типа зубил, молотков, кернов, которые должны сочетать высокую твердость и вязкость проводится закалка ссамоотпуском.

Сущность этого способа закалки заключается в том, что изделия выдерживают в закалочной ванне до неполного ох­лаждения. Их извлекают из охладителя, когда внутренние слои еще достаточно нагреты. За счет внутреннего тепла происходит нагрев поверхностных слоев изделия до нужной температуры, т. е. самоотпуск закаливаемого изделия.

Обработка стали холодом. Высокоуглеродистые и многие легированные стали имеют температуру конца мартенситного превращения М_к ниже 0°С. Поэтому после закалки в структуре стали наблюдается наряду с мар­тенситом остаточный аустенит, который снижает твердость и ряд других свойств стали. Для устранения остаточного аусте­нита проводят дополнительное охлаждение детали в области отрицательных температур до температуры несколько ниже М_к стали. Обычно для этого используется сухой лед.

Такая обработка называется обработкой стали холодом. Об­работку холодом необходимо проводить сразу после закалки, иначе аустенит стабилизируется и эффект обработки будет незначителен. Увеличение твердости после обработки холодом обычно составляет 1- 4 единицы НRС. После обработки хо­лодом дают низкий отпуск.

Отпуск стали

Отпуск является заключительной операцией термической обработки. При отпуске формируется окончательная структура и свойства изделия. Уменьшаются или устраняются внутренние закалочные напряжения, повышается вязкость и пластичность.

В зависимости от температуры нагрева различают отпуск низкотемпературный, среднетемпературный и высокотемпера­турный.

Низкотемпературный (низкий) отпуск проводят с нагревом до 150-200°С. При низком отпуске несколько снижаются внут­ренние напряжения. Твердость остается высокой (58... 62 НRС). Структура стали после низкого отпуска состоит из мартенсита отпуска. Этот вид отпуска применяется в основном для инструментов и для изделий подвергаемых поверхностной закалке, цементации, нитроцементации.

Среднетемпературный (средний) отпуск проводят при 350— 500°С после закалки пружин и рессор. Структура троостита от­пуска обеспечивает высокий предел упругости, твердость 40- 50 HRС.

Высокотемпературный (высокий) отпуск проводят при 550-600°С. После отпуска структура состоит из сорбита от­пуска, (с зернистым строением FезС), имеющего высокий комп­лекс механических свойств (максимальную вязкость). Высокий отпуск применяется для нагруженных конструкционных деталей. Закалка с высоким отпуском называется улучшением. Часто длительность нагрева при отпуске 1-1,5 часа. Во избежание возникновения термических напряжений рекомендуется после­дующее медленное охлаждение, за исключением сталей, под­верженных обратимой отпускной хрупкости, которые от темпе­ратуры высокого отпуска охлаждают в воде или в масле.

Практическая часть

В теоретической части были разобраны различные виды термической обра­ботки стали. Знание этого материала необходимо, чтобы уметь обеспечить как оптимальные технологические свойства мате­риала, так и механические свойства готовых изделий.

Порядок выполнения работы

Для выполнения задания необходимо:

1. Получить у преподавателя номер варианта индивидуального задания и выписать марку стали (таблица 7).

2. Определить виды термической обработки, применяемой к данному сплаву.

3. Определить параметры термической обработки: оптимальную температуру, рекомендуемую среду охлаждения.

4. Написать название структуры после термической обработки, и изобразить микроструктуру сплава.

5. Указать возможную область применения данного сплава.

6. Выбрать по справочным данным механические свойства материала.

7. Написать практическую часть отчета о работе в соответ­ствии с вышеуказанными пунктами задания.

Таблица 7

Индивидуальные задания для выполнения расчетов

 

№ вар.
Марка стали	10пс			40Х				18Х2Н4МА

 

 

№ вар.
Марка стали	У7	У8А	09Г2ФБ	У10А	У11А	У12А	У13А	30ХГСА	Х18	18Г2 АФ

 

2.2.Пример выполнения задания.

Задание: сталь 40.

Среднеуглеродистая сталь 40 качественная конструкционная доэвтектоидная с равновесной структурой ферритно-перлитной.

Химический состав стали 40

Химический элемент %

Кремний (Si) 0.17-0.37

Марганец (Mn) 0.50-0.80

Медь (Cu), не более 0.25

Мышьяк (As), не более 0.08

Никель (Ni), не более 0.25

Сера (S), не более 0.04

Углерод (C) 0.37-0.45

Фосфор (P), не более 0.035

Хром (Cr), не более 0.25

Применяется после нормализации, улучшения (закалка + высокий отпуск) и поверхностной закалки (в силу небольшой прокаливаемости).

Термическая обработка заключается в нагреве, выдержке и охлаждении (рис.21) по соответствующим режимам. При нагреве должно быть исключено химическое воздействие нагревательной среды, выражающееся в обезуглероживании, окалинообразовании. Поэтому нагрев необходимо производить в пространстве с контролируемой атмосферой в муфельных, шахтных или трубчатых печах.

Рисунок 21. Схема собственно термической обработки (СТО

 

При предварительной обработке таких сталей необходимо, помимо измельчения феррита, достичь более равномерного распределения углерода. Поэтому после нагрева выше А_С3 сталь выдерживают обычно 1,5-2 часа, при этом происходит диффузия углерода и выравнивается её состав. Эта выдержка характерна для операции отжига. Затем следует охлаждение на воздухе, т.е. нормализация. Таким образом, обработка этих сталей включает элементы отжига и нормализации и может быть названа комбинированной. Структура стали после нормализации – феррит + сорбит.

Технологические режимы улучшения.

Закалка для доэвтектоидной углеродистой стали проводится с нагревом до температуры А_С3+30-50°С. Температура зависит от состава стали. Определяем температуру А_С3 по рис. 15 (С=0,4%) или по справочным таблицам. Она составляет 800°С. Следовательно, t_нопт.=850°С. Время выдержки в печи определяем по размерам детали: для деталей круглого сечения на 1 мм – 1 мин. выдержки. Выдержка необходима для прогрева изделия, завершения структурных превращений и выравнивания состава за счёт диффузионных процессов. При нагреве в стали формируется структура мелкозернистого аустенита. Затем сталь охлаждается со скоростью, большей чем критическая скорость закалки. Для стали 40 Vкр=250 °С/с, скорость охлаждения в воде 20 °С > Vкр и составляет ~ 450 °С/с. Охлаждение осуществляется путем погружения детали в воду. Структура стали после закалки – мартенсит закалки мелкоигольчатый. Эта структура характеризуется высокими значением твердости HRC=60-62 и концентрацией внутренних напряжений.

Следующей после закалки является операция отпуска. Отпуск снимает внутренние закалочные напряжения и формирует окончательные свойства стали. Температура нагрева не превышает А_с1. Время выдержки определяется размерами и формой детали. Скорость охлаждения углеродистой стали после отпуска практически не влияет на конечные структуру и свойства.

Низкий отпуск (t_н=150-200°С) позволяет сохранить наибольшую твердость и износостойкость поверхности, при формировании структуры мартенсит отпуска. Для стали 40 как правило не используется, т.к. применяется чаще к деталям из инструментальных сталей и цементованных. Средний отпуск (t_н=350-400°С) формирует в стали структуру троостит отпуска и обеспечивает высокие упругие свойства и достаточную пластичность металла. Применяется этот вид отпуска для сталей с большим содержанием углерода (С=0,6-0,8%). Для стали 40 применяется, как правило, высокий отпуск. При этом формируются в стали свойства повышенной ударной вязкости сочетающейся с повышенной прочностью, что позволяет деталям работать в тяжёлых условиях динамического или переменного нагружения. Структура в стали 40 после высокого отпуска – сорбит отпуска зернистого строения.

Поверхностная закалка. Сущность поверхностного нагрева токами высокой частоты состоит в следующем. В детали, помещенной в переменное магнитное поле, создаваемое индуктором, возбуждаются вихревые токи. Эти токи под действием магнитного поля оттесняются к поверхности изделия. С увеличением частоты тока эффект оттеснения токов к поверхностным слоям, а следовательно, и плотность тока в них возрастают. В результате теплового действия вихревых токов за 3…5 с поверхностные слои нагреваются до температуры закалки, после чего детали охлаждаются в воде, масле или эмульсии. Детали, прошедшие поверхностную закалку, подвергаются низкому отпуску при температуре 180…200°С в масляных ваннах с электрическим подогревом. Время выдержки деталей при этих температурах определяют из расчета 1 ч на 1 см радиуса детали. Окончательная обработка деталей (шлифование и доводка) производится после термообработки, обеспечивающей требуемую твердость и структуру металла.

Применение. После улучшения — коленчатые валы, шатуны, зубчатые венцы, маховики, зубчатые колеса, болты, оси и другие детали; после поверхностного упрочнения с нагревом ТВЧ — детали средних размеров, к которым предъявляются требования высокой поверхностной твердости и повышенной износостойкости при малой деформации (длинные валы, ходовые валики, зубчатые колеса).

Механические свойства стали 40 после ТО выписываются в таблицу 8.

 

 

Таблица 8.

Параметры ТО и механические свойства стали 40.

 

марка стали	Хим состав, % (ср. сод.)	Вид ТО*	Параметры ТО	Механические свойства	Струк- тура	Применение
Топт, °С.	Среда охл.	sв, МПа (кгс/мм^2)	KCU, МДж/м^2(кгс×м/ см^2)	НВ	s0,2, МПа (кгс/ мм^2)	δ, %
	С - 0,4 Mn-0,8 Si –0,37 S – 0,035 P – 0,035	Отжиг		печь						ф+п
Нормализа- ция		воздух		0,6				ф+с	Прокат листы
Закалка		вода						М м/иг
Отпуск	низкий		вода		0,29				М отп.
средний		вода		0,88				Т отп.
высокий		вода		1,67				С отп.

* Виды ТО, применяемые к заданной марке стали, включая химико-термическую (цементация, азотирование и др.), термо-механическую, объёмную, поверхностную, изотермическую, ступенчатую и т.д.

Практическое занятие №5