Основы термической обработки сталей

2.4. Закалка стали

      Закалка - вид термической обработки состоящий в нагреве стали до определенных температур (доэвтектоидных на 30-40⁰ выше А₃, заэвтектоидных на 30-40⁰ выше А₁), выдержке и быстром охлаждении, со скоростью более верхней критической.

      Цель  закалки - повысить твердость, прочность, износоустойчивость.

Скорость  охлаждения при закалке обычно задают охлаждающей средой (вода, масло, специальные  среды). Верхняя критическая скорость закалки сильно зависит от содержания углерода (см.рис.1.5.) и легирующих элементов. Малоуглеродистые стали (<0,25%С) обычно закалке не подвергаются, так как V_вкз у них настолько велика, что не достигается даже при охлаждении в воде. Изменение структуры углеродистых сталей при закалке представлено в табл.1.

Таблица 1

Изменение структуры стали  при закалке

 

          

      Используются  несколько способов закалки, которые  классифицируются по методу охлаждения.          

 Закалка в одном охладителе (воде или масле)

      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 V_вкз 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. В области же мартенситного превращения (ниже 300⁰) скорость охлаждения при переносе детали в масло значительно меньше, 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 (350-400⁰), выдерживают небольшое время для выравнивания температуры по сечению, а затем охлаждают в масле или на воздухе.

      Твердость после такой закалки такая  же, как и в предыдущих способах, но напряжения и вероятность образования  трещин еще меньше.

      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 закалка проводится так же как и ступенчатая, но в расплаве щелочей детали выдерживают более длительное время (до полного распада аустенита на бейнит). 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.         

 Все  рассмотренные способы закалки  показаны на диаграмме распада переохлажденного аустенита на рис.16.

Закалка является наиболее ответственной операцией  термической обработки, так как  проводится в конце технологического цикла изготовления детали или инструмента. Возможные дефекты при закалке, пути их предупреждения или исправления указаны в табл.2.

2.5. Прокаливаемость  и закаливаемость  стали

      Прокаливаемость характеризует способность стали  закаливаться на определенную глубину. При охлаждении в процессе закалки  по сечению детали скорость охлаждения будет различна - чем дальше от поверхности тем она меньше. Поэтому и структура по сечению детали может быть различной (М, М+Т, Т, С, Ф+П).

      Прокаливаемость - расстояние от поверхности до того места, где в структуре 50% мартенсита и 50% тростита (полумартенситная зона). Прокаливаемость выражается в мм и зависит от состава стали, а точнее от величины верхней критической скорости закалки. С увеличением содержания углерода и легирующих элементов, верхняя критическая скорость закалки уменьшается и глубина прокаливаемости увеличивается. Прокаливаемость характеризуют также критическим диаметром закалки. Это такой диаметр прутка стали в центре которого при охлаждении в воде получается полумартенситная зона. Естественно, что критический диаметр закалки в 2 раза больше прокаливаемости.

      Прокаливаемость важнейшая характеристика стали, определяющая выбор марки стали в зависимости от размеров закаливаемой заготовки. Чем больше размер заготовки, тем более легированная сталь должна быть применена.

      Закаливаемость стали характеризует твердость правильно закаленной стали и измеряется в единицах твердости. Чем больше содержание в стали углерода, тем больше искажения решетки мартенсита и выше твердость. Легирующие элементы на закаливаемость влияют слабо.

      Закаливаемость  и прокаливаемость сталей определяют опытным путем. Значения этих характеристик для различных сталей приведены в справочниках.

Таблица 2

Дефекты закалки стали  и пути их исправления

2.6. Обработка стали холодом

      Обработку стали холодом применяют для  уменьшения количества остаточного  аустенита в закаленных высокоуглеродистых сталях (см.рис.6). При охлаждении до

-70..-190⁰  остаточный аустенит превращается в мартенсит.

      Обработку холодом проводят непосредственно после закалки путем погружения изделий в смесь авиационного бензина с жидким азотом на 1-1,5 часа.

      Обработка холодом обычно применяется:

      1. Для инструмента из быстрорежущих  сталей и деталей 

шарикоподшипников с целью повышения твердости;

      2. Для улучшения свойств постоянных  магнитов;

      3. Для стабилизации размеров точного  измерительного инструмента (например, калибров)

2.7. Отпуск закаленной  стали

      Отпуск - вид термической обработки состоящий в нагреве закаленной стали до температур ниже А₁, выдержке и охлаждении в воде или на воздухе.

      Отпуску подвергают все закаленные стали  с целью уменьшения внутренних напряжений, повышения ударной вязкости при  некотором 

снижении  твердости и прочности.

      В зависимости от требований предъявляемых  к изделиям их подвергают отпуску при различных температурах.

      Низкий  отпуск (150-220⁰) проводится с целью чуть-чуть снизить остаточные напряжения без существенного снижения твердости. Применяется для металлорежущего инструмента из высокоуглеродистых сталей и деталей работающих на истирание (например, шестерни). Получаемая структура - отпущенный мартенсит.

      Средний отпуск (300-500⁰) проводят с целью более полно снять напряжения и повысить ударную вязкость за счет более значительного снижения твердости. Применяется для деревообрабатывающего инструмента, рессор, пружин, штампов. Получаемая структура - тростит отпуска.

      Высокий отпуск (500-680⁰) проводят обычно для деталей из легированных сталей с целью получить хорошее сочетание прочности и ударной вязкости. Получаемая структура - сорбит отпуска.

      Зависимость твердости от температуры отпуска  для некоторых углеродистых сталей представлена на рис.17.

      Термическую обработку, состоящую из закалки  с высоким отпуском, называют улучшением, а стали подвергаемые такой обработке  улучшаемыми сталями.

2.8.  Методы упрочнения поверхности деталей

      Основными методами упрочнения поверхности деталей  являются  химико-термическая обработка, поверхностная закалка и деформирование поверхности в холодном состоянии (поверхностный наклеп).

      Химико-термическая обработка состоит в насыщении поверхности детали каким-либо элементом с последующей термической обработкой. Наиболее распространенные виды химико-термической обработки цементация (насыщение поверхности углеродом) и азотирование (насыщение поверхности азотом).

      Цементация проводится с целью получения высокой твердости и износоустойчивости поверхности при сохранении более мягкой и вязкой сердцевины детали. Поэтому цементации всегда подвергают малоуглеродистые стали (0,2%С) или легированные с низким углеродом. Наиболее распространенные детали подвергаемые цементации - зубчатые колеса.

      Вещество, поставляющее углерод при цементации, называют карбюризатором. Различают  цементацию в твердом карбюризаторе (коксик или древесный уголь с  добавлением до 30% соды – Na₂CO₃) и в газовом (СО).

      Детали  выдерживают в карбюризаторе  от 6 до 12 часов (в зависимости от требуемой толщины не углероженного  слоя 2-4мм) при температуре 900-950⁰ (в аустенитной области). При этом содержание углерода в поверхностных слоях повышается до 1-1,2%.         

 Толщину  неуглероженного слоя контролируют  по специальному образцу-свидетелю,  который проходит цементацию  вместе с деталями.

      После цементации детали подвергают термической  обработке по одному из вариантов  представленных на рис.18. Наиболее часто применяю закалку с

низким  отпуском. Вариант с двумя закалками  делают для ответственных деталей (первая закалка от температуры 900⁰ для измельчения зерна и устранения сетки цементита в поверхностном слое, вторая от 760-790⁰ для получения оптимальной твердости поверхности).         

 Азотирование проводится в атмосфере аммиака, который   разлагаясь при температуре 500-550⁰ поставляет активный атомарный азот диффундирующий в поверхность детали. В отличии от цементации высокая твердость азотированной поверхности получается не за счет мартенсита, а за счет очень твердых нитридов. Поэтому для азотирования берут среднеуглеродистые стали содержащие сильные нитридообразующие элементы (Al, Cr, Mo). Классическая сталь для азотируемых деталей 38ХМЮА. Продолжительность азотирования составляет до 48 часов, толщина слоя 0,2-0,5 мм.