Закалка стали

Закалкой называют процесс термической обработки, заключающийся в нагреве стали до температуры выше критической, выдержке и последующем охлаждении со скоростью больше критической с целью получения неравновесной структуры.

Инструментальную сталь подвергают закалке для повышения твёрдости, износостойкости и прочности ,конструкционную для повышения твёрдости, прочности, достаточно высокой пластичности и вязкости, для ряда деталей и высокой износостойкости.

Закалка не является окончательной операцией термической обработки. Чтобы уменьшить хрупкость и напряжения, вызванные закалкой, получить требуемые механические свойства, сталь после закалки обязательно подвергают отпуску.

Выбор температуры закалки

Доэвтектоидные стали нагревают до температуры на 30-50⁰С выше т. Ас₃ (линия GS). Такая температура обеспечивает получение мелкозернистого аустенита при нагреве, а при охлаждении мелкозернистого мартенсита. Перегрев металла выше этой температуры

приводит к браку термической обработки перегреву или пережогу (к росту зерна аустенита). При нагреве доэвтектоидной стали до температуры между точками Ас₁ и Ас₃ в структуре образуется А и участки нерастворившегося Ф. Наличие кристаллов Ф в структуре М  после закалки будет давать мягкие пятна. Закалка же преследует цель получить максимальную твёрдость.

Для закалки заэвтектоидных сталей необходим нагрев выше т. Ас₁ на 30-50⁰С. Нагрев производится в межкритическую область Ас₁ – Ас_m. При этом структура будет состоять из А и Ц. Структура закалённой стали состоит из М и Ц. Наличие Ц увеличивает твёрдость и износостойкость закалённой стали, т.к. твёрдость Ц 750 НВ.

Для многих легированных сталей температура нагрева под закалку значительно превышает критические точки. Это определяется малой скоростью и степенью растворения карбидов, содержащих л.э. в аустените для получения нужной степени его легированности. Это увеличение температуры не ведёт к заметному росту зерна, т.к. нерастворённые частицы карбидов тормозят рост зерна А.

Нагрев сталей перед закалкой 

С точки зрения производительности нагрев осуществляют с максимальной скоростью. Это также уменьшает окалинообразование, обезуглероживание и рост зерна. Допускаемая скорость нагрева может быть тем выше, чем менее легирована сталь, однороднее её макро- и микроструктура, проще конфигурация и равномернее подвод тепла.

Для изделий из углеродистой стали ориентировочно выбирают скорость нагрева в печах 0,8…1 мин. на 1 мм сечения, в соляных ваннах в два раза меньше. Скорость нагрева легированных сталей меньше на 25-40%.

Продолжительность нагрева стали при аустенизации 

Для экономии времени нагрев стали необходимо вести по возможности быстро, однако не допуская образования дефектов. Продолжительность нагрева должна обеспечить прогрев изделия по сечению и завершение фазовых превращений, но не должна быть слишком большой, чтобы не вызвать роста зерна, уменьшить окалинообразование и обезуглероживание поверхностных слоёв стали.

Продолжительность нагрева состоит из времени нагрева и времени выдержки.

Время нагрева зависит от температуры нагрева, степени легированности, конфигурации деталей, величины садки, способа укладки и т.д.

Время изотермической выдержки определяется составом и исходным состоянием стали (15-25% от времени нагрева).

Детали сложных форм, инструмент подогревают в печи на 400-600⁰С.

Для предохранения от окисления и обезуглероживания вводят защитную газовую атмосферу (эндотермическая, экзотермическая, диссоциированный  аммиак, технический азот, аргон, гелий, водород, расплавленные соли (ВаСl_2,  NaCl₂) режущий инструмент, детали машин небольших размеров.

 Скорость охлаждения и характеристика охлаждающих сред

Охлаждение при закалке должно обеспечивать получение структуры М в пределах заданного сечения и не должно вызывать закалочных дефектов (трещин, деформаций, корабления).

Наиболее желательна высокая скорость охлаждения в интервале температур А₁-М_н для подавления распада переохлаждённого А в области перлитного и промежуточного превращений и замедленное охлаждение в интервале температур мартенситного превращения.

Высокая скорость охлаждения ведёт к резкому увеличению уровня остаточных напряжений и даже к образованию трещин. Однако слишком медленное охлаждение при М_н-М_к может привести к частичному отпуску М и увеличению содержания А_ост вследствие его стабилизации, что уменьшает твёрдость стали.

 Наиболее распространёнными закалочными средами являются: вода, водные растворы солей и щелочей, масла, воздух, расплавленные соли.

При охлаждении в воде и масле, температура кипения которых ниже температуры охлаждаемых  деталей, скорость охлаждения различна и подразделяется на 3 стадии:

1) плёночное кипение. На поверхности стали образуется «паровая рубашка». При этом скорость охлаждения невелика.

2) пузырьковое кипение (при полном разрушении паровой плёнки, при охлаждении поверхности ниже критической температуры).Создаётся контакт жидкости с поверхностью металла. Происходит быстрый отвод теплоты.

3) конвективный теплообмен. Отвечает температурам ниже температуры кипения охлаждающей жидкости. Теплоотвод происходит с наименьшей скоростью.

Закалочная жидкость охлаждает тем интенсивнее, чем шире интервал пузырькового кипения, т.е. чем выше температура перехода от первой стадии ко второй и ниже температура перехода от второй стадии к первой.

Вода охлаждает быстрее, чем масло ( в 6 раз быстрее при 550-650⁰С, в 28 раз быстрее при 200⁰С). Поэтому в качестве охлаждающей среды применяют воду и водные растворы NaCl или NaОН для углеродистых и некоторых низколегированных сталей, имеющих малую устойчивость переохлаждённого аустенита, т.е. большую критическую скорость закалки.

 Растворение в воде различных солей, щелочей повышает скорость охлаждения. Наиболее высокой и равномерной охлаждающей способностью отличаются холодные 8-12% водные растворы NaCl и NаОН. При закалке в водных растворах паровая рубашка разрушается почти мгновенно и охлаждение происходит равномерно, в основном на стадии пузырькового кипения.

 Водные растворы обладают более высокой закаливающей способностью, в связи с расширением интервала пузырчатого кипения. При низких температурах в мартенситном интервале они охлаждают медленнее, чем вода. Охлаждающая способность воды резко снижается при повышении её те температуры. Охлаждающая способность водных растворов менее  чувствительна к колебаниям температуры.

Основным недостатком воды, как охладителя, является высокая скорость охлаждения в области образования мартенсита, что приводит к возникновению больших структурных напряжений и возникает опасность возникновения трещин.

Для легированных сталей, обладающих более высокой устойчивостью переохлаждённого аустенита (меньшей критической скоростью) при закалке применяют минеральное масло. Преимущество масла, как охладителя:

1) обладает небольшой скоростью охлаждения в области температур мартенситного превращения. При охлаждении в масле опасность возникновения трещин уменьшается.

2) закаливающая способность не изменяется с повышением температуры масла (150-200⁰С).

Недостатки масла: лёгкая воспламеняемость 165-300⁰С, пригорание к поверхности детали, низкая охлаждающая способность в области температур перлитного превращения, под влиянием высоких температур масло густеет и его закаливающая способность уменьшается, повышенная стоимость.

Температура масла при закалке 60-90⁰С.

Прокаливаемость стали

Это способность сталей закаливаться на определённую глубину. При закалке стали в зависимости от сечения детали и критической скорости закалки получается различная структура от края к сердцевине. Т.к. внутренние слои детали охлаждаются медленнее наружных, то в тех объёмах, где скорость охлаждения меньше критической, образуется Б, Т, С, П. Если сердцевина охлаждается со скоростью  больше критической, то по всему сечению детали образуется мартенситная структура. В соответствии с изменением скорости охлаждения и структуры от края к сердцевине изменяется и твёрдость.

Чем меньше критическая скорость закалки, тем больше прокаливаемость, и наоборот, чем больше критическая скорость закалки, тем меньше прокаливаемость.

Характеристикой глубины прокаливаемости принято считать расстояние от поверхности до слоя с полумартенситной структурой (50% М и 50% Т). Наиболее распространён метод торцоврй закалки для определения прокаливаемости (ГОСТ 5657-69).

Диаметр заготовки,  в центре которой после закалки в данной охлаждающей среде образуется полумартенситная структура, называют критическим диаметром. Критический диаметр определяет размер сечения изделия, прокаливающегося насквозь, т.е. получающего высокую твёрдость, а после отпуска и высокие механические свойства по всему сечению.

Легированные стали прокаливаются на большую глубину, чем углеродистые.

 Увеличивают прокаливаемость марганец, хром, молибден, бор, менее сильно никель и кремний.

 На прокаливаемость оказывают влияние скорость охлаждения (с увеличением скорости охлаждения прокаливаемость увеличивается), однородность структуры (при неполностью растворившихся карбидах прокаливаемость уменьшается), величина аустенитного зерна, повышение температуры нагрева (повышение температуры нагрева приводит к увеличению зерна, однородности структуры и повышению прокаливаемости), химический состав.

 Закаливаемость стали 

Способность стали увеличивать твёрдость в результате закалки. Она определяется содержанием углерода. Чем больше в мартенсите С, тем больше его твёрдость. Легирующие элементы оказывают небольшое влияние на закаливаемость.

Поверхностная закалка сталей 

При поверхностной закалке на некоторую заданную глубину закаливается только поверхностный слой, тогда как сердцевина изделия остаётся незакалённой.

Цель: повышение твёрдости, износостойкости и предела выносливости обрабатываемого изделия. Сердцевина остаётся вязкой и воспринимает ударные нагрузки.

В практике наиболее часто применяют поверхностную закалку с индукционным нагревом токами высокой частоты (ТВЧ), а для крупных деталей закалку с нагревом газовым пламенем.

Закалка с индукционного нагрева.

Для нагрева изделие устанавливают в индуктор, представляющий собой один или несколько витков пустотелой водоохлаждаемой медной трубки. Переменный ток, протекая через индуктор создаёт переменное магнитное поле. В результате явления индукции в поверхностном поле возникают вихревые токи и происходит выделение тепла. Ток проходит в основном в поверхностном слое проводника.

Чем больше частота переменного тока, тем меньше глубина закалённого слоя. Для крупногабаритных деталей толщина закалённого слоя обычно составляет 2-3 мм до 5-8 мм и более.

При больших скоростях нагрева превращение ПА сдвигается в область высоких температур. Поэтому температура закалки при индукционном нагреве выше, чем при нагреве в печах.

Охлаждающую жидкость: воду, эмульсию для закалки подают через душевое устройство (спрейер).

После закалки изделие подвергают низкому отпуску на 160-200⁰С.

Для поверхностной индукционной закалки подвергают стали с содержанием С 0,4-0,5%  (40, 45, 40Х, 45Х, 40ХН и др.), которые после закалки имеют высокие твёрдость (55-60 НRС), сопротивление износу и не склонны к хрупкому разрушению.

СПОСОБЫ ЗАКАЛКИ 

Способ закалки	Режим	Применение	Примечания
Закалка в одном охладителе (непрерывная)		Несложные по форме детали из углеродистых или легированных  сталей	Для углеродистых сталей  диаметром более 5 мм закалочной средой является вода, для меньших размеров и для легированных сталей закалочной средой является масло. При закалке изделий сложной формы в воде у них могут появиться трещины и коробление.
Закалка в двух средах (прерывистая) в воде (до 300 – 4000С) и в масле	Охлаждают до температуры несколько выше т.Мн	Режущий инструмент из углеродистой и высоколегированной сталей Закалки высокоуглеродистых сталей	Уменьшаются внутренние напряжения в стали в момент перехода аустенита в мартенсит. Необходимо точно выдерживать время пребывания изделия в воде (3-4 сек)
Ступенчатая закалка	Изотермическая выдержка в расплаве солей и щелочей температура которых немного выше т. Мн для данной стали (150 – 3500С) 3-5 мин. При охлаждении на воздухе происходит превращение А в М. 230-250, 180-250	Для изделий  диаметром не более 10 – 12 мм из углеродистых сталей, до 20 – 30 мм из легированных сталей	Изотермическая выдержка осуществляется в расплаве солей. Возможна правка инструмента в специальных приспособлениях после изотермической выдержки. Метод не используется для изделий крупных сечений
Изотермическая закалка	250-400 250-350	Конструкционные легированные стали с содержанием 0,3 – 0,5%С	Наиболее прогрессивный метод термической обработки, обеспечивающий получение однородной структуры изделий с минимальными внутренними напряжениями. Длительность изотермической выдержки 30 – 60 мин. и более пока не закончится распад А.
Закалка с самоотпуском	Охлаждение изделия в закалочной среде прерывают,с тем чтобы в сердцевине изделия сохранилось достаточное количество теплоты. Под бействием теплообмена температура в вболее сильно охлаждающихся поверхностных слоях  повышается и сравнивается с температурой сердцевины. Происходит отпуск поверхности стали (саиоотпуск).	Зубила, кувалды, слесарные молотки, керны, которые работают с ударными нагрузками и должны сочетать высокую твёрдость на поверхности с повышенной вязкостью в сердцевине.
Закалка с обработкой холодом		Измерительный инструмент, детали подшипников качения, цементированные детали из легированных сталей. Для сталей при содержании углерода более 0,6%.	Повышается твёрдость, увеличивается объём, стабилизируются размеры деталей.