Закалка

Закалка

Это вид термической обработки, при которой доэвтектоидные стали нагреваются на 30...50 0С 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.

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
 Температура, 0С охлаждающей
среды
 Относительная интенсивность охлаждения
пузырькового
кипения
 в интервале температур пузырькового кипения
 Вода



Дистиллированная вода

10%-ный раствор NaCl в воде

Раствор NaOH в воде:

10%-ный

50%-ный

50%-ный

Масло минеральное

 20

40

80

20


20



20

20

96

20 - 200

 400 - 100

350 - 100

250 - 100

350 - 100


650 - 100



650 - 100

650 - 100

650 - 100

500 - 250

 1,0

0,7

0,2

0,5


3,0



2,0

2,0

1,0

0,3

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 0С), 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.