Закалка стали

полная и неполная ЗАКАЛКА. (ЗАДАЧИ, СУЩНОСТЬ ПРОЦЕССА, РЕЖИМЫ, СТАЛИ, СТРУКТУРА, СВОЙСТВА)

Закалкой называется операция термической обработки, состоящая в нагреве до температур выше (Рис. 56. ) верхней критической точки Ас₃ доэвтектоидной стали и выше нижней критической точки Ас₁ заэвтектоидной стали и выдержки при данной температуре с последующим быстрым охлаждением (в воде, масле, водных растворах солей и пр. ). Закалкой можно считать такую термообработку, при которой сталь приобретает неравновесную структуру (сорбит, троостит, бейнит, мартенсит) что, прежде всего, выражается в повышении твердости стали. Закалкой достигается повышение прочности конструкционных сталей и придание режущей способности инструментальной стали. Температура нагрева стали перед закалкой зависит в основном от химического состава стали. При закалке доэвтектоидных сталей нагрев следует вести до температуры, лежащей на 30-50 º С выше точки Ас₃. В этом случае сталь имеет структуру однородного аустенита, который при последующем охлаждении со скоростью, превышающей критическую скорость закалки, превращается в мартенсит. Такая закалка называется полной. Максимальная скорость охлаждения, при которой аустенит превращается в мартенсит без структур перлитного типа, называется критической скоростью закалки.

ОХЛАЖДЕНИЕ ПРИ ЗАКАЛКЕ

Для каждой стали существует критическая скорость закалки, чем ниже эта скорость, тем легче закалить сталь. Фактическая скорость охлаждения при закалке должна быть меньше критической, иначе мартенсит в структуре стали либо не образуется совсем, либо образуется частично, тогда структура стали будет состоять в основном из троостита или сорбита. Однако не следует охлаждать сталь со скоростью, значительно превышающей критическую. При таком охлаждении сталь будет иметь структуру мартенсита, но чрезмерно резкая закалка может привести к весьма значительным внутренним напряжениям и трещинам. Различна скорость охлаждения изделий при закалке достигается за счет применения охлаждающих жидкостей: воды, масла, растворов солей в воде и др. При охлаждении в жидкости изделие отдает часть своей теплоты соприкасающейся с ним жидкости, превращающейся в пар. Теплота, расходуемая на образование пара, называется скрытой теплотой парообразования. Чем выше теплота парообразования, тем выше закаливающая способность жидкости, так как изделие, отдавая большое количество тепла на образование пара, будет быстрее охлаждаться.

ЗАКАЛОЧНЫЕ СРЕДЫ И ИХ СВОЙСТВА, ВЫБОр ЗАКАЛОЧНОЙ СРЕДЫ.

Самая распространенная закалочная среда – вода. Ее охлаждающая способность зависит от температуры. Чем выше температура воды, тем меньше ее закалочная способность. Обычно при закалке применяется вода с температурой 20-30 º С. Так же в качестве закалочной жидкости используют 5-10-процентный раствор едкого натра или поваренной соли в воде. Вода, в которой растворены хлористый натрий или едкий натр, имеет более высокую скрытую теплоту парообразования. Частицы соли, соприкасаясь с раскаленным металлом, взрываются и разрушают паровую рубашку, тем самым, увеличивая закаливающую способность воды. Широкое распространение в качестве охлаждающей среды получило минеральное масло, преимущественно индустриальное. Масло, подогретое до 50-60 º С, обладает более высокой закаливающей способностью, чем холодное. Это объясняется тем, что при нагреве масло становится менее вязким, его паровая рубашка разрушается быстрее. Закалочная способность масла при 550-650 º С в 4 - 5 раз меньше, чем холодной воды, однако при 200-300 º С масло охлаждает изделие в 10 раз медленнее, чем вода, поэтому при закалке изделий в масле значительно уменьшается опасность их коробления и появления трещин.

ПРОКАЛИВАЕМОСТЬ

Способность стали воспринимать закалку. Характеризуется глубиной проникновения закалочного(мартенситного или полумартенситного) слоя в объем закаливаемого изделия. Прокаливаемостьопределяется критической скоростью закалки, зависящей от состава стали. Легированные стали вследствиеболее высокой устойчивости переохлажденного аустенита и, соответственно, меньшей критической скоростиохлаждения прокаливаются на большую глубину, чем углеродистые. Сильно повышают прокаливаемость Mn, Mo, Cr, Ni и малые присадки В. Прокаливаемость особенно возрастает при одновременном введении в стальнескольких легирующих элементов, например Сг и Ni. Существует несколько методик оценкипрокаливаемости, наибольшее применение из которых до настоящего времени имеет метод торцевой закалки, при котором определяют твердость стали как функцию расстояния от торца охлажденной струей закалочнойжидкости цилиндра с изолированной боковой поверхностью.

СПОСОБЫ ЗАКАЛКИ

Закалка в одном охладителе (воде или масле). Это наиболее простой и распространенный способ. Однако некоторые стали при охлаждении в воде склонны к возникновению трещин. При охлаждении в масле скорость охлаждения меньше, но многие стали при таком охлаждении не закаливаются (скорость охлаждения меньше Vкр и мартенсит не образуется). Закалка в двух охладителях (через воду в масло). При этом методе в верхнем интервале температур скорость охлаждения велика, но сталь достаточно пластична и значительных напряжений не возникает. При этом способе сталь быстро охлаждается в интервале температур 750–400°С, а затем деталь переносится в другую, более мягкую, охлаждающую среду, и в мартенситном интервале охлаждение происходит замедленно, что практически исключает образование трещин. Твердость при таком методе закалки такая же, как при закалке в воде. Ступенчатая закалка -заключается в том, что после нагрева детали переносят в печь-ванну с расплавом щелочей (обычно КОН+NaOH). Нагретую до температуры немного выше начала образования мартенсита (на 20-30° выше точки Мн т. е. до 350-4000С), выдерживают небольшое время для выравнивания температуры по сечению, а затем охлаждают в масле или на воздухе (рис. 45, кривая 3). При этом обеспечивается быстрое охлаждение стали в верхней области температур, а затем делается выдержка, во время которой температура по сечению детали выравнивается, и термические напряжения уменьшаются.

Твердость после такой закалки такая же, как и в предыдущих способах, но напряжения и вероятность образования трещин еще меньше. В качестве жидких сред для ступенчатой закалки используют расплавы щелочей, селитры, легкоплавких металлов. Ступенчатая закалка применяется только для мелких изделий (до 10мм) из углеродистых сталей. Для более крупных деталей ее не применяют, так как в расплаве щелочей скорость охлаждения внутри детали мала. Для легированных сталей, обладающих высокой устойчивостью переохлажденного аустенита, такую закалку применять нецелесообразно, так как они обычно хорошо закаливаются в масле, которое достаточно медленно охлаждает при температурах образования мартенсита. Изотермическая закалкапроводится так же как и ступенчатая, но в расплаве щелочей детали выдерживают более длительное время (до полного распада аустенита на бейнит (рис. 45, кривая 4). При этом существенных напряжений не возникает, но твердость получается ниже, чем при других способах закалки. Преимуществом этого способа является то, что после него не требуется отпуска. Изотермическая закалка обычно применяется для деталей сложной формы, склонных к деформациям и образованию трещин.

ЗАКАЛКА КОНЦЕНТРИРОВАННЫМИ ИСТОЧНИКАМИ ЭНЕРГИИ.

ЛАЗЕРНАЯ ЗАКАЛКА, ЗАКАЛКА ТВЧ. ОБОРУДОВАНИЕ, РЕЖИМЫ, СТАЛИ для закалки. ОСОБЕННОСТИ ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ и ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ ПРИ СКОРОСТНОМ НАГРЕВЕ

Лазерная закалка (термическое упрочнение лазерным излучением) металлов и сплавов лазерным излучением основано на локальном нагреве участка поверхности под воздействием излучения и последующем охлаждении этого поверхностного участка со сверхкритической скоростью в результате теплоотвода теплоты во внутренние слои металла. В отличие от известных процессов термоупрочнения закалкой токами высокой частоты, электронагревом, закалкой из расплава и другими способами нагрев при лазерной закалке является не объемным, а поверхностным процессом. При этом время нагрева и время охлаждения незначительны, практически отсутствует выдержка при температуре нагрева. Эти условия обеспечивают высокие скорости нагрева и охлаждения обрабатываемых поверхностных участков. Вследствие указанных особенностей формирование структуры, при лазерной термообработке имеет свои специфические особенности.
Основной целью лазерного термоупрочнения сталей, чугунов и цветных сплавов является повышение износостойкости деталей, работающих в условиях трения. В результате лазерной закалки достигаются высокая твердость поверхности, высокая дисперсность структуры, уменьшение коэффициента трения, увеличение несущей способности поверхностных слоев и другие параметры. Лазерная закалка обеспечивает наименьшие износ и коэффициент трения, а закалка в печи – наибольшие. Наряду с этим лазерная закалка характеризуется очень малой приработкой (всего два-три цикла), уменьшением верхних значений числа импульсов акустического излучения и малым интервалом изменения числа импульсов. Это происходит вследствие увеличения однородности микроструктуры поверхностного участка после лазерной закалки.

СУЩНОСТЬ ПЛАЗМЕННОЙ И ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ ЗАКАЛКИ

Сущность плазменной закалки состоит в высокоскоростном нагреве потоком плазмы поверхностного слоя металла и быстром его охлаждении в результате передачи тепла в глубинные слои материала детали. Цель плазменной закалки - изготовление деталей и инструмента с упрочненным поверхностным слоем толщиной до нескольких миллиметров при неизменном общем химическом составе материала и сохранении во внутренних слоях первоначальных свойств исходного металла.

Электродуговой называют сварку, при которой для расплавления кромок соединяемых деталей используют теплоту электрической дуги, питаемой постоянным или переменным током. Тепло электрической дуги расплавляет кромки свариваемых деталей и конец электрода, при этом металл электрода заполняет углубление между деталями и образует шов. Электроды, применяемые при электродуговой сварке, представляют собой металлические стержни со специальным покрытием (обмазкой). Покрытие в процессе плавления электрода способствует ионизации газового промежутка дуги, а также защищает шов от окисления и выгорания углерода и металла.

ОБЩИЕ ПРЕИМУЩЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОЙ ЗАКАЛКИ КОНЦЕНТРИРОВАННЫМИ ИСТОЧНИКАМИ ЭНЕРГИИ. ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ ЗАКЛЕННЫХ СЛОЕВ ПРИ ЛАЗЕРНАЯ, плазменной ЗАКАЛКе и ЗАКАЛКе ТВЧ

. Способ закалки с нагревом ТВЧ заключается в следующем. В переменное электромагнитное поле, создаваемое электрическим током высокой частоты, помещают металлическую деталь. В поверхностном слое детали индуцируются вторичные вихревые токи Фуко, вызывающие нагрев поверхностного слоя детали. При поверхностной закалке с использованием индукционного нагрева можно получить твердость HRC больше на 3 – 5 единиц, чем при закалке после нагрева в печи. Предварительное улучшение или нормализация, при которых можно получить мелкодисперсную исходную структуру, и использование высоких скоростей нагрева (500 – 1000°С/с) при аустенитизации позволяют получить особо мелкое зерно аустенита (балл 14 – 15) и очень тонкий мартенсит. Сталь с таким зерном обладает высокой прочностью (σ _в ≤ 250 кгс/мм²) и пластичностью (ψ ≤ 20%). При поверхностной закалке, в том числе и с глубинным нагревом, сильно повышается сопротивление усталостному разрушению.

ЦЕМЕНТАЦИЯ СТАЛИ (ЗАДАЧИ, СУЩНОСТЬ ПРОЦЕССА, РЕЖИМЫ, СТАЛИ, СТРУКТУРА, СВОЙСТВА)