Способы закалки металлов. Технологические разновидности и дефекты, возникающие при закалке

       Введение

       Современная технология металлов состоит из трех основных видов:

- Металлургия — получение металла заданного состава;

- Механическая технология — получение из металла изделий заданной

внешней формы;

- Термическая обработка — получение заданных свойств;

       Трудно переоценить значение термической обработки в современной

технике, основанной на использовании металлов. Изменение свойств металлов при термической обработке очень велико. Изменение свойств сплава, которое создается термической обработкой, должно быть остаточным, иначе в термической обработке не было бы никакого смысла.

       К одним из основных видов термической обработки стали относится закалка. Закалкой называют такую термическую операцию, состоящую в нагреве выше температуры превращения с последующим достаточно быстрым охлаждением для получения структурно неустойчивого состояния сплава.

       Закалка это нагрев выше критической точки Ас₃ с последующим быстрым охлаждением. При медленном охлаждении аустенит распадается на феррит + цементит при Аг₁. С увеличением скорости охлаждения превращение происходит при более низких температурах. Феррита-цементитная смесь по мере снижения Аг₁  становится все более мелко-зернистой и твердой. Если же скорость охлаждения была так велика и переохлаждение было так значительно, что распад аустенита с выделением цементита и феррита не произошел, то распада твердого раствора не происходит и аустенит (γ-твердый раствор) превращается в мартенсит (твердый раствор углерода в α-фазе). Неполная закалка — термическая операция, при которой нагрев производится до температуры, лежащей выше Ас₁  но ниже Ас₃.

       Закалка стали основана на  явлении перекристаллизации, поэтому  нагрев осуществляется до температуры  выше критической. Закалкой предотвращается  распад аустенита в перлит и при нормальной температуре сохраняется метастабильная структура сорбита, троостита или мартенсита, обеспечивающая значительное повышение твердости стали. Закалке обычно подвергают ударный, режущий и измерительный инструмент, а так же различные детали машин.

       Нагрев под закалку обычно  осуществляют в пламенных и  электрических печах, в расплавленных  солях, в расплавленном металле  (обычно в свинце). В жидкой  среде (соли, металл) изделия нагревают  быстро и равномерно, при этом термические напряжения отсутствуют. Иногда нагрев под закалку осуществляют в пламенных и электрических печах, в рабочее пространство которых подают защитные атмосферы, в качестве которых используют:

1. Бедную экзотермическую атмосферу ПСО-09 ( с очисткой и сушкой) среднего состава: 2 % СО, 2 % Н₂ и 96 % N₂ (ее применяют при нагреве низкоуглеродистых конструкционных и инструментальных сталей)
2. Богатую экзотермическую атмосферу ПСО-06 среднего состава: 10 % СО, 15…16 % Н₂, 0,05…1,5 % СН₄ и 68…72 % N₂ (эту атмосферу применяют при нагреве для отжига, нормализации и закалки легируемых, инструментальных и конструкционных сталей.

       Нагрев под защитой атмосферы  предохраняет поверхность металла  от окисления и обезуглероживания. 
 
 
 
 
 
 
 
 

       1. Способы закалки

       В зависимости от состава стали, формы и размеров детали и требуемых в термически обработанной детали свойств следует выбирать оптимальный способ закалки, наиболее просто осуществимый и одновременно обеспечивающий нужные свойства.

       Рассмотрим существующие способы охлаждения уже нагретой под закалку детали, их преимущества, недостатки и условия применения. Чем сложнее форма термически обрабатываемой детали, тем тщательнее надо выбирать условия охлаждения, потому что чем сложнее деталь, чем больше различие в сечениях детали, тем большие внутренние напряжения возникают в ней при охлаждении. Чем больше сталь содержит углерода, тем больше объемные изменения при превращении, тем при более низкой температуре происходит превращение аустенита в мартенсит, тем больше опасность возникновения деформаций, трещин, напряжений и других закалочных пороков, тем тщательнее надо выбирать условия закалочного охлаждения для такой стали.

       Основные способы закалки:

       1. Закалка в одном охладителе (рис. 218, кривая а) — наиболее простой способ. Нагретую до определенных температур деталь погружают в закалочную жидкость, где она остается до полного охлаждения. Этот способ применяется при закалке несложных деталей из углеродистых и легированных сталей. При этом для углеродистых сталей диаметром более 2—5 мм закалочной средой служит вода, а для меньших размеров и для многих легированных сталей закалочной средой является масло. Этот способ применяется и при механизированной закалке, когда детали из печи автоматически поступают в закалочную жидкость.

        Для более сложных деталей следует применять другие способы закалки.

Для уменьшения внутренних напряжений деталь иногда не сразу погружают в закалочную жидкость, а некоторое время охлаждают на воздухе, «подстуживают». Такой способ закалки называется закалкой с подсуживанием.

       2. Прерывиста я закалка , или закалка в двух средах (кривая б на рис. 1). Деталь охлаждают сначала в быстро охлаждающей среде, а затем в медленно охлаждающей. Обычно первое охлаждение проводят в воде, а затем деталь переносят в масло, или охлаждают на воздухе. Мартенситный интервал проходится при сравнительно медленном охлаждении, что способствует уменьшению внутренних напряжений. Этот способ применяется при закалке инструмента из высокоуглеродистых сталей.                             

       Применяя этот способ, трудно установить и отрегулировать время пребывания деталей в первой жидкости, тем более что это время очень мало и исчисляется секундами. Этот способ требует от калильщика достаточной квалификации.

Рис 1. Кривые охлаждения для различных способов закалки нанесенные

на диаграмму  изотермического распада аустенита 

       3. Струйчатая закалка.

       Заключается в обрызгивании детали интенсивной струей воды и обычно применяется личных способов закалки, нанесенные на диаграмму изотермического распада тогда, когда требуется закалить часть детали. При этом способе не образуется паровая «рубашка» что обеспечивает более глубокую прокаливаемость, чем простая закалка в воде.

       4. Закалка с самоотпуском.

       При обычном отпуске,

когда вся деталь нагревается до одинаковой температуры, она, пройдя одинаковые условия закалки и отпуска, обладает во всех точках Одинаковыми твердостью и вязкостью. Для ударного инструмента (зубила, кузнечный инструмент и т. д.) такое распределение твердости нецелесообразно. Инструмент обладает высокой стойкостью тогда, когда твердость постепенно и равномерно понижается от рабочей (режущей) части к центру и к хвостовой (крепежной) части инструмента. Такое распределение твердости может быть достигнуто, если отпускать инструмент по цветам побежалости, хотя в этом случае приходится удовлетворяться менее точным

контролем температур отпуска.

       Появление цветов побежалости при отпуске в интервале 200—300° С объясняется тем, что при этих температурах на чистой (полированной, шлифованной) металлической поверхности возникают тонкие слои окислов. Цвет слоя окисла зависит от его толщины; уже за короткое время пребывания стали при 220° С она покрывается слоем толщиной 0,04 мк.

       Этот слой придает поверхности, стали светло-желтый цвет. Данные об изменении цвета поверхности в зависимости от толщины слоя и температуры приведены в табл. 1.

       Отпуск по цветам побежалости проводят двумя способами. Можно охладить в воде при закалке только рабочую часть инструмента и, вынув ее из воды, дождаться определенного ее нагрева (определяемого по цвету побежалости) теплом той части инструмента, которая не погружалась в воду. Это собственно и будет закалка с самоотпуском. Можно поступить несколько иначе: закалить всю деталь, затем отпустить в соляной или свинцовой ванне при высокой температуре только нерабочую часть и, используя теплопроводность, разогреть и рабочую часть инструмента.

       Заданная степень разогрева и в этом случае определится по цвету побежалости. Нагрев прерывают немедленным охлаждением всей детали в воде.

       Твердость рабочей части определится при данном содержании углерода в стали цветом отпуска. Синий цвет отпуска (побежалости) характеризует более низкую твердость, чем фиолетовый; фиолетовый — более низкую, чем

оранжевый, и т. д. Старинный способ закалки  с самоотпуском находит сейчас

очень широкое применение в механизированном поточном производстве. В этом случае точно задаются все условия закалки (температура нагрева изделия, температура закалочной среды, время погружения и т. п.), то позволяет сохранять внутри изделий определенный запас тепла, необходимый для последующего самоотпуска закаленных слоев.

       5. Ступенчата я закалка (кривая  в на рис. 1).

       Как уже указывалось, при прерывистой закалке в тот момент, когда деталь переносят из воды в масло, более топкие части ее сечения охладились больше, т. е. до более низких температур. Кроме того, трудно отрегулировать

процесс и обеспечить постоянное, определенное и притом очень короткое время пребывания детали в воде.

       Способ ступенчатой закалки лишен этих недостатков. Деталь охлаждается в закалочной среде, имеющей температуру выше мартенситной

точки для данной стали. При охлаждении и выдержке в этой среде закаливаемая деталь должна приобрести во всех точках сечения температуру

закалочной  ванны. Затем следует окончательное, обычно медленное, охлаждение, во время которого собственно и происходит закалка, т. е. превращение аустенита в мартенсит. Разбивка охлаждения на две ступени уменьшает внутренние напряжения первого рода, поэтому уменьшается и закалочная деформация.

       При ступенчатой закалке рихтовку и правку склонных к короблению изделий осуществляют после извлечения их из закалочной ванны, т. е. тогда, когда сталь проходит интервал мартенситного превращения. Как было показано, металлы в момент протекания фазовых превращений обладают аномально высокой пластичностью, что и используется в процессах правки после ступенчатой закалки.

       Однако применение ступенчатой закалки ограничено предельным размером сечения детали. Горячие, а следовательно, сравнительно медленно охлаждающие среды не позволяют достигнуть критической скорости закалки для более или менее крупных сечений. Поэтому ступенчатая закалка для углеродистой стали применима лишь для деталей диаметром не более 10—12 мм, а для легированных сталей — до 20—30 мм.

       В качестве закаливающей среды применяют расплавленные соли (селитры, щелочи,). В зависимости от температуры «ступеньки» выбирают ту или иную соль или смесь солей.

        Добавка 3—5% воды в расплав, состоящий из щелочей или селитр

значительно увеличивает скорость охлаждения при  закалке. 

       6. Изотермическая закалка (кривая г на рис. 1).

       В отличие от ступенчатой, при изотермической закалке необходим, выдерживать сталь в закалочной среде столько времени, чтобы успел закончиться изотермическое превращение аустенита.

       Обычно температура изотермического распада аустенита лежит в интервале 250—350° С. В результате изотермической закалки с распадом аустенита в этом районе температур сталь обладает меньшей твердостью чем при других способах закалки, но обычно повышенной вязкостью.

       Продолжительность выдержки в закалочной среде определяется временем превращения аустенита при данной температуре (ее находят по

диаграмме изотермического распада аустенита для данной стали). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       2. Дефекты, возникающие при закалке

       Неправильно проведенная закалка может вызвать различные дефекты.

Наиболее  распространенные из них: недостаточная твердость, мягкие пятна, повышенная хрупкость, обезуглероживание и окисление поверхности, и наконец, коробление, деформации и трещины. 

     Рис. 2. Правильная (а) и неправильная (б) конструкции детали. 

        Деформация, коробление и трещины являются следствием внутренних напряжений, причину возникновения которых мы рассмотрели выше.

       Медленное охлаждение при закалке в районе мартенситного превращения — самый эффективный способ уменьшения напряжений и устранения дефектов этого вида. Мелкие детали, так же как и простые, но форме, без острых углов и резких переходов, менее склонны к короблению.                 Поэтому при конструировании придание детали технологичной формы является важным способом уменьшения этого вида дефекта.

       На рис. 2 приведены примеры правильного и неправильного конструирования деталей. Более сложные по форме детали, целесообразнее изготавливать из легированных, закаливаемых в масле сталей, чем из углеродистых, закаливаемых в воде.

       Недостаточная твердость закаленной детали, объясняется недогревом (низкая температура в печи, недостаточная выдержка при правильной температуре в печи) или недостаточно интенсивным охлаждением. В первом случае мартенсит не обладает достаточной твердостью (не содержит достаточно углерода); во втором не переохлаждается до мартенситного превращения, и структура полностью или частично состоит из продуктов перлитного распада аустенита (тростит, сорбит).

       Повышение температуры печи или удлинение выдержки в первом случае устраняет пониженную твердость закаленных деталей. Во втором случае следует применять более интенсивное охлаждение, т. е. во время закалки энергично перемещать деталь в закалочной жидкости или применять вместо простой воды соленую или подкисленную.

       Образование мягких пятен также является следствием недостаточного прогрева или недостаточно интенсивного охлаждения. Методы устранения — те же, какие указаны выше.

       Иногда мягкие пятна появляются из-за неоднородности исходной структуры, например скоплений феррита. В этих местах при нагреве до температуры закалки может сохраниться феррит или получиться аустенит с недостаточной концентрацией углерода. Естественно, что в этих местах даже при правильно проведенной закалке твердость недостаточная.          Предварительная терметическая обработка (нормализация), создающая более однородную структуру, устраняет этот дефект.

       Повышенная хрупкость — дефект, обычно появляющийся в результате закалки от излишне высоких температур (более высоких, чем это требуется), при которых произошел значительный рост зерен аустенита. Дефект обнаруживается механическими испытаниями по излому, или по микроструктуре. Устраняют дефект повторной закалкой от нормальных для данной стали температур.

       Окисление и обезуглероживание поверхности часто происходит при нагреве в пламенных или электрических печах без контролируемой атмосферы. Поэтому дают припуск на шлифование, что удорожает и усложняет технологию изготовления термически обрабатываемых деталей. Контролируемая искусственная атмосфера в термических печах является радикальным способом устранения или уменьшения этого дефекта. Нагрев в солях также способствует уменьшению окисления и обезуглероживания.

       Поверхностная закалка позволяет  избежать многих из указанных  выше дефектов. Закалка обеспечивает  высокую твердость поверхностного слоя изделия и сохраняет вязкость его внутренних слоев, что способствует повышению общей прочности за счет увеличения предела усталости.

       В настоящее время применяют  различные способы поверхностной  закалки: закалки с нагревом  токами высокой частоты, нагревом газовой горелкой, контактным электронагревом, лазерным нагревом, индукционным нагревом др.

       При нагреве токами высокой  частоты поверхность изделия  остается почти не окисленной, что является большим преимуществом  этого вида закалки.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       Приложение 

Критические точки обозначаются буквой А.

 Рис. 3 Стальной» участок диаграммы  железо — углерод

       Нижняя критическая точка, обозначаемая А₁  лежит на линии PSK и соответствует превращению аустенит ↔ перлит. Верхняя критическая точка Аз лежит на линии GSE и соответствует началу выпадения или концу растворения феррита в доэвтектоидных сталях или цементита (вторичного) в заэвтектоидных сталях.

       Чтобы отличить критическую точку при нагреве от критической точки

при охлаждении, рядом с буквой А ставят букву с в первом случае r —

во втором.

       Следовательно, критическая точка превращения аустенита в перлит обозначается Аг, а перлита в аустенит — Ас; начало выделения феррита из аустенита обозначается Аг₃ ; конец растворения феррита в аустените — Ас₃. Начало выделения вторичного цементита из аустенита обозначается  также Аг₃ , а конец; растворения вторичного цементита в аустените — Ас₃.

Список  используемых источников 
 

1. Гуляев  А.П. «Металловедение». Москва. «Металлургия», 1977.
2. Жадан В.Т., Полухин П.И. и др. «Материаловедение и технология материалов». Москва. «Металлургия», 1994.