Основы термической обработки стали

В отличие от воды охлаждающая способность масла мало зависит от температуры, а скорость охлаждения в масле во много раз меньше, чем в воде. Поэтому, чтобы снизить напряжения и избежать образования закалочных трещин, для закалки легированных сталей с более низкой темплопроводностью, чем у углеродистых сталей, используют минеральное масло. При отсутствии масла применяют горячую воду (80єС).

Таблица 2.3 Скорость охлаждения стали.

Основные способы закалки стали - закалка в одном охладителе, в двух средах, струйчатая, с самоотпуском, ступенчатая и изотермическая.

Закалка в одном охладителе. Деталь, нагретую до температуры закалки, погружают в закалочную жидкость, где она находится до полного охлаждения. Этот способ используют при закалке несложных деталей, изготовленных из углеродистых и легированных сталей.

Детали из углеродистых сталей охлаждают в воде, а детали из легированных сталей - в масле этот способ используют и при механизированной закалке, когда детали автоматически поступают из агрегата в закалочную жидкость.

Высокоуглеродистые стали закаливают с подстуживанием, т.е. нагретую деталь перед охлаждением некоторое время выдерживают на воздухе. Это уменьшает внутренние напряжения в деталях и исключает образование трещин.

Закалка в двух средах (или прерывистая закалка).

Деталь сначала охлаждают в быстроохлаждающей среде-воде, а затем переносят её в медленно охлаждающую среду- масло; применяется при закалке инструмента, изготовленного из высокоуглеродистой стали.

Струйчатая закалка. Детали, нагретые до температуры закалки, охлаждают струей воды. Такой способ применяют для закалки внутренних поверхностей, высадочных штампов, матриц и другого инструмента, у которого рабочая поверхность должна иметь структуру мартенсита. При струйчатой закалке не образуется паровая рубашка, что обеспечивает более глубокую прокаливаемость, чем при простой закалке в воде.

Закалка с самоотпуском. Детали выдерживают в охлаждающей среде не до полного охлаждения, а до определенной стадии, чтобы сохранить в сердцевине детали тепло, необходимое для сомоотпуска.

Ступенчатая закалка. При этом способе закалки нагретые детали охлаждают сначала до температуры несколько выше точки М н (в горячем масле или расплавленной соли), затем после короткой выдержки при этой температуре (до начала промежуточных превращений) охлаждают на воздухе. На второй стадии охлаждения сталь принимает закалку.

Изотермическая закалка. Детали нагревают до заданной температуры и охлаждают в изотермической среде до 220є-350єС, что несколько превышает температуру начала мартенситного превращения. Выдержка деталей в закалочной среде должна быть достаточно для полного превращения аустенита в игольчатый троостит. После этого производится охлаждение на воздухе. При изотермической закалке выдержка значительно больше, чем при ступенчатой закалке.

Изотермическая закалка позволяет устранить большое различие в скоростях охлаждения поверхности и сердцевины деталей, которое является основной причиной образования термических напряжений и закалочных трещин. После изотермической закалки детали приобретают высокую или среднюю твердость, высокую вязкость и хорошую сопротивляемость ударным нагрузкам. Изотермическая закалка в ряде случаев исключают операцию отпуска, что сокращает на 35-40% цикл термической обработки.

Изотермической закалке подвергают детали и инструмент, изготовляемые из легированных сталей марок: 6ХС, 9ХС, 65Г, ХВГ и т.д.

Светлая закалка. При этом способе закалки детали нагревают в нейтральной безокислительной атмосфере или в расплавленных нейтральных солях. При светлой закалке нагрев деталей или инструмента осуществляют в жидких солях, не вызывающих окисления металла, с последующим охлаждением их в расплавленных едких щелочах; в нагревательных печах с применением контролируемой защитной газовой амтосферы, позволяющей регулировать взаимодействие печных газов со сталью при нагреве; в вакуумных (10 -1 -10 -4 мм рт.ст.) закалочных печах. В результате выполнения любого из этих процессов можно получать детали с чистой светло-серого цвета поверхностью.

Нагревательные печи. Для термической обработки применяемые печи в термических цехах подразделяются следующим образом.

1. По технологическим признакам, универсальные для отжига, норма­лизации и высокого отпуска, специального назначения для нагрева одно­типных деталей.

2. По принимаемой температуре: низкотемпературные (до 600°С), среднетемпературные (до 1000°С) и высокотемпературные (свыше 1000°С).

3. По характеру загрузки и выгрузки: печи с неподвижным подом, с выдвижным подом, элеваторные, колпаковые, многокамерные.

4. По источнику получения тепла: мазутные, газовые, электрические В последнее время получили распространение газовые и электрические пе­чи.

5. Печи-ванны, свинцовые, соляные и другие. Нагрев деталей в свин­цовых и соляных ваннах является равномерным и быстрым, чем в печах.

6. Нагревательные установки: для нагрева деталей ТВЧ, для электро- контактного нагрева и др.

7. По зависимости от среды, в которой нагреваются детали, различа­ются печи с воздушной атмосферой (окислительные) и с контролируемой или защитной атмосферой (безокислительные). Контролируемые атмосферы - это газовые смеси, у которых газы во время нагрева нейтрализуют друг друга и тем самым предотвращают окисление деталей.

Температура нагрева играет главенствующую роль и для каждого вида термообработки в зависимости от химического состава определяется по диаграмме состояния железо - цементит (рис. 6.3). Практически темпера­туры нагрева выбирают из таблиц справочников.

Время нагрева (скорость нагревания) зависит от многих факторов: химического состава стали, величины и формы изделий, взаимного распо­ложения изделия в печи и др.

Чем больше в стали углерода и легирующих элементов, а также чем сложнее конфигурация изделия, тем медленнее должно быть нагревание При быстром нагревании из-за большого интервала температур поверхности и сердцевины в изделии возникают большие внутренние напряжения, кото­рые могут вызвать коробление детали и трещины.

Обычно изделия загружают в печь, разогретую до заданной темпера­туры. В этом случае время нагрева может быть определено по формуле проф. А.П. Гуляева:

τ н = 0,1К 1 К 2 К 3 D, мин, (6.1)

где D - минимальный размер максимального сечения в мм;

К 1 - коэффициент формы, имеющий следующие значения: для шара -1, для ци­линдра -2, параллелепипеда - 2,5, пластины – 4;

К 2 - коэффициент среды, который при нагреве в соли равен 1, в свинце - 0,5, в га­зовой среде - 2,

К 3 - коэффициент равномерности нагревания (табл. 6.1)

Рис.6.3. Температурные зоны для различных видов термообработки

Время выдержки. При любом виде термической обработки, после достижения изделием заданной температуры, необходима выдержка, чтобы полностью произошли структурные изменения. Время выдержки зависит от размеров деталей, способа нагрева, марки стали и вида термообработки. В таблице 6.2 приведены данные по определению времени выдержки для углеродистых сталей.

Полное время нагрева будет определяться по формуле:

τ О = τ Н + τ В (6.2)

где τ Н - время нагрева в мин; τ В - время выдержки в мин.

Кроме расчетного метода часто пользуются опытными данными Так на 1 мм се­чения или толщины изделия из доэвтектоидных сталей продолжительность нагрева в электропечах принимают τ Н = 45-75 с. Продолжительность выдержки при заданной тем­пературе часто принимают τ В = (0,15+0,25)τ Н. Для инструмента из углеродистой стали (0,7-1,3 % С) рекомендуется на 1 мм наименьшего сечения τ В =50-80 с, а из легирован­ной стали τ В =70-90 с.

Скорость охлаждения. В каждом виде термообработки конечной це­лью является получение соответствующей структуры. Это достигается ско­ростью охлаждения, которая определяется видом термообработки. В табли­це 6.3 приведены данные скорости охлаждения для различных видов термо­обработки.

Таблица 6.1

Значения коэффициента K 3 в зависимости от расположения изделий в нагревательной печи

Закалка стали

Закалкой стали называется операция термической обработки, заключающаяся в нагреве её по крайней мере выше критической точки Ac1(T.e. до аустенито-ферритного, аустенитного или аустенито-цементитного), выдержке и последующем охлаждении в различных средах с целью получения при комнатной температуре неустойчивых продуктов распада аустенита, а следовательно, повышения твёрдости и прочности.

Для углеродистых сталей точка Ас1 соответствует линии на диаграмме «железо-цементит» и составляет 727°С, В связи с тем, что нагрев ниже этой температуры не приводит к изменению исходной отожженной структуры стали, последующее охлаждение с любой скоростью так же не изменяет ни структуры, ни свойств стали. Следовательно такая операция не является закалкой.

В большинстве случаев основная цель закалки - повышение твёрдости и прочности - достигается превращением аустенита в одну из самых прочных структур - мартенсит. Его образование требует быстрого охлаждения с температуры закалки.

Выбор температуры закалки.

В зависимости от температуры нагрева закалка может быть полной и неполной.

В случае, если нагрев производится выше линии GSE диаграммы (точки асз и Аcm), то полученная при этом однофазная структура аустенита при охлаждении со скоростью больше некоторой критической превращается в чистый мартенсит. Такую закалку называют полной.

При неполной закалке нагрев стали осуществляется выше линии РSК(точка Ac1), но ниже линии GSE. При этом в доэвтектоидных сталях образуется структура аустенит + феррит, а в заэвтектоидных - аустенит + цементит. В таком случае даже охлаждение с очень высокой скоростью не может обеспечить чисто мартенситной структуры, так как избыточные фазы (феррит или цементит) сохраняются в структуре без изменений, В результате в доэвтектоидных сталях получается структура мартенсит + феррит, а в заэвтектоидных – мартенсит + цементит.

Твёрдость мартенсита, представляющего собой пересыщенный твёрдый раствор углерода в -железе, зависит от содержания в нём углерода (рис 1). В среднеуглеродистых и высокоуглеродистых сталях она составляет 55…65 НRС или 550…680НВ.

Феррит одна из самых мягких и малопрочных фаз в сталях. Его твёрдость не превышает 80...100 НВ. Цементит же - весьма твёрдая фаза (около 1000 HV или более 700 НВ). Следовательно присутствие избыточного феррита в структуре закалённой стали резко снижает её твёрдость, в то время как цементит способствует получению более высокой твёрдости.

Рис. 1 Зависимость твёрдости мартенсита от содержания углерода в стали.

Таким образом, для доэвтектоидных сталей целесообразно производить полную закалку на чистый мартенсит, а для заэвтектоидных - неполную, которая кроме мартенсита сохраняет в структуре некоторое количество цементита. Для эвтектоидной стали возможна только полная закалка.

Следует иметь в виду, что нагрев стали при закалке до температур, значительно превышающих критические точки Ac3 и Аcm, вообще не желателен, так как может привести к сильному обезуглероживанию и окислению поверхности деталей, укрупнению зерна аустенита и увеличению внутренних напряжений. В итоге после закалки с таких температур твёрдость поверхности оказывается заниженной, наблюдается повышенная деформация детали, получающийся мартенсит имеет грубое строение и обладает повышенной хрупкостью.

Всё это позволяет придти к выводу, что в зависимости от состава стали её нагрев под закалку целесообразно осуществлять до температур, лежащих на 30... 50 0С выше линии GSK (рис 2)

Рис. 2. Оптимальный интервал температур нагрева под закажу углеродистых сталей.

Скорость охлаждения при закалке

Структура и свойства закаленной стали в большей степени зависят не только от температуры нагрева, но и от скорости охлаждения. Получение закалочных структур обусловлено переохлаждением аустенита ниже линии PSK, где его состояние является неустойчивым. Увеличивая скорость охлаждения, можно обеспечивать его переохлаждение до весьма низких температур и превратить в различные структуры с разными свойствами. Превращение переохлажденного аустенита может идти как при непрерывном охлаждении, так и изотермически, в процессе выдержки при температурах ниже точки Ar1 (т.е. ниже линии PSK).

Влияние степени переохлаждения на устойчивость аустенита и скорость его превращения в различные продукты представляют графически в виде диаграмм в координатах «температура-время». В качестве примера рассмотрим такую диаграмму для стали эвтектоидного состава (рис 3). Изотермический распад переохлажденного аустенита в этой стали происходит в интервале температур от Ar1 (727 °С) до Мн (250 °С), где Мн -температура начало мартенситного превращения. Мартенситное превращение в большинстве сталей может идти только при непрерывном охлаждении.

Рис.3 Диаграмма распада аустенита для стали эвтектоидного состава.

На диаграмме (см. рис 3) нанесены две линии, имеющие форму буквы «С», так называемые «С-кривые». Одна из них (левая) указывает время начало распада переохлажденного аустенита при разных температурах, другая (правая) - время окончания распада, В области, расположенной левее линии начала распада, существует переохлажденный аустенит. Между С-кривыми имеется как аустенит, так и продукты его распада. Наконец, правее линии конца распада существуют только продукты превращения.

Превращение переохлажденного аустенита при температурах от Ar1 до 550 0С называют перлитным. Если аустенит переохлажден до температур 550...Mн, - его превращение называется промежуточным.

В результате перлитного превращения образуются пластинчатые структуры перлитного типа, представляющие собой феррито-цементитные смеси различной дисперсности. С увеличением степени переохлаждения в соответствии с общими законами кристаллизации возрастает число центров. Уменьшается размер образующихся кристаллов, т.е. возрастает дисперсность феррито-цементитной смеси. Так если превращение происходит при температурах, лежащих в интервале Ar1...650°C, образуется грубая феррито-цементитная смесь, которую называют собственно перлитом. Структура перлита является стабильной, т.е. неизменяемой с течением времени при комнатной температуре.

Все остальные структуры, образующиеся при более низких температурах, т.е. при переохлаждениях аустенита, относятся к метастабильным. Так при переохлаждении аустенита до температур 650...590°С он превращается в мелкую феррито-цементитную смесь, называемую сорбитом.

При ещё более низких температурах 590... 550 °С образуется тростит -весьма дисперсная феррито-цементитная смесь. Указанные деления перлитных структур в известной степени условно, так как дисперсность смесей монотонно возрастает с понижением температуры превращения. Одновременно с этим возрастают твёрдость и прочность сталей. Так твёрдость перлита в эвтектовдной стали составляет 180...22- НВ (8...19 HRC), сорбита - 250...350 НВ (25...38 НRС), тростита - 400...450 НВ (43...48HRC).

При переохлаждении аустенита до температур 550...МН он распадается с образованием бейнита. Это превращение называется промежуточным, так как в отличие от перлитного оно частично идет по так называемому мартенситному механизму, приводя к образованию смеси цементита и несколько пересыщенного углеродом феррита. Бейнитная структура отличается высокой твёрдостью 450...550 НВ.

Рис.4 Диаграмма распада аустенита для доэвтектоидной (а) и заэвтектоидной (б) сталей.

На диаграммах распада аустенита для доэвтектоидных и заэвтектоидных сталей (рис.4.) имеется дополнительная линия, показывающая время начала выделения из аустенита избыточных кристаллов феррита или цементита. Выделение этих избыточных структур происходит только при небольших переохлаждениях. При значительном переохлаждении аустенит превращается без предварительного выделения феррита или цементита, В этом случае содержание углерода в образовавшейся смеси отличается от эвтектоидного.

В случае непрерывного охлаждения аустенита с различной скоростью его превращение развивается не при постоянной температуре, а в некотором интервале температур. Для того, чтобы определить структуры, получающиеся при непрерывном охлаждении, нанесём на диаграмму распада аустенита кривые скорости охлаждения образцов углеродистой эвтектоидной стали (рис.5.).

Из этой диаграммы видно, что при очень малой скорости охлаждения V1 которая обеспечивается охлаждением вместе с печью (например, при отжиге), получается структура перлита. При скорости V2 (на воздухе) превращение идёт при несколько более низких температурах. Образуется структура перлит, но более дисперсный. Такая обработка называется нормализацией и широко применяется для малоуглеродистых сталей (иногда и для среднеуглеродистых) взамен отжига в качестве смягчающей.

Рис.5. Кривые распада аустенита при непрерывном охлаждении эвтектоидной стали.

При скорости V3 (охлаждение в масле) превращение аустенита идёт при таких температурах, которые обеспечивают получение сорбитной структуры, а иногда и троститной.

Если аустенит охлаждать с очень большой скоростью (V4), то он переохлаждается до весьма низкой температуры, обозначенной на диаграммах, как Мн. Ниже этой температуры происходит бездиффузионное мартенситное превращение, приводящее к образованию структуры мартенсита. Для углеродистых сталей такую скорость охлаждения обеспечивает, например, вода

В общем случае минимальная скорость охлаждения, при которой весь аустенит переохлаждается до температуры Мн и превращается в мартенсит, называется критической скоростью закалки. На рис.5, она обозначена, как Vкр и является касательной к С-кривой. Критическая скорость закалки - важнейшая технологическая характеристика стали. Она определяет выбор охлаждающих сред для получения мартенситной структуры.

Величина критической скорости закалки зависит от химического состава стали и некоторых других факторов. Так, например, у некоторых легированных сталей даже охлаждение на воздухе обеспечивает скорость больше критической.

При закалке на мартенсит необходимо учитывать, что эта структура имеет большой удельный объём и её образование сопровождается как заметным увеличением объёма закаливаемого изделия, так и резким увеличением внутренних напряжений, которые в свою очередь приводят к деформации или даже к образованию трещин. Всё это в сочетании с повышенной хрупкостью мартенсита требует проведения дополнительной термической обработки закалённых деталей - операции отпуска.

Закалкой называется операция термической обработки, состоя-щая из нагрева до температур выше верхней критической точки A C 3 для доэвтектоидной стали и выше нижней критической точки А С1

для заэвтектоидной стали и выдержки при данной температуре с последующим быстрым охлаждением (в воде, масле, водных раство-рах солей и пр.).

В результате закалки сталь получает структуру мартенсита и благодаря этому становится твердой.

Закалка повышает прочность конструкционных сталей, придает твердость и износостойкость инструментальным сталям.

Режимы закалки определяются скоростью и температурой на-грева, длительностью выдержки при этой температуре и особенно скоростью охлаждения.

Выбор температуры закалки.

Температура нагрева стали для закалки зависит в основном от химического состава стали. При за-калке доэвтектоидных сталей нагрев следует вести до температуры на 30 - 50° выше точки А С3 . В этом случае сталь имеет структуру однородного аустенита, который при последующем охлаж-дении со скоростью, превышающей критическую скорость закалки, превращается в мартенсит. Такая закалка называется полной . При нагреве доэвтектоидной стали до температур A C 1 — А C 3 в структуре мартенсита сохраняется некоторое количество оставше-гося после закалки феррита, снижающего твердость закаленной ста-ли. Такая закалка называется неполной.

Для заэвтектоидной ста-ли наилучшая температура закалки — на 20—30° выше А С1 , т. е. неполная закалка. В этом случае сохранение цементита при нагреве и охлаждении будет способствовать повышению твердости, так как твердость цементита больше твердости мартенсита. Нагревать заэвтектоидную сталь до температуры выше А ст не следует, так как твердость получается меньшей, чем при закалке с температуры выше А С1 ,за счет растворения цементита и увеличения количества остаточного аустенита. Кроме того, при охлаждении с более высоких температур могут возникнуть большие внутренние напря-жения.

Скорость охлаждения.

Для получения структуры мартенсита требуется переохладить аустенит путем быстрого охлаждения ста-ли,находящейся при температуре наименьшей устойчивости аусте-нита, т. е.при 650—550° С.

В зоне температур мартенситного превращения, т. е,ниже 240°С, наоборот, выгоднее применять замедленное охлаждение, так как образующиеся структурные напряжения успевают выравняться, а твердость образовавшегося мартенсита практически не снижается.

Правильный выбор закалочной среды имеет большое значение для успешного проведения термической обработки.

Наиболее распространенные закалочные среды —вода, 5—10%-ный водный раствор едкого натра или поваренной соли и минераль-ное масло. Для закалки углеродистых сталей можно рекомендовать воду с температурой 18° С; а для закалки большинства легирован-ных сталей — масло.

Закаливаемость и прокаливаемость стали.

При закалке стали важно знать еезакаливаемость и прокаливаемость. Эти характерис-тикине следует смешивать.

Закаливаемость показывает способность стали к повы-шению твердости при закалке. Некоторые стали обладают плохой закаливаемостью, т. е.имеют недостаточную твердость после за-калки. О таких сталях говорят, что они «не принимают» закалку.

Закаливаемость стали зависит восновном от содержания в ней углерода. Это объясняется тем, что твердость мартенсита зависит отстепени искажения его кристаллической решетки. Чем меньше вмартенсите углерода, тем меньше будет искажена его кристалли-ческая решетка и, следовательно, тем ниже будет твердость стали.

Прокаливаемость стали характеризуется ееспособ-ностью закаливаться на определенную глубину. При закалке по-верхность детали охлаждается быстрее, так как она непосредствен- носоприкасается с охлаждающей жидкостью, отнимающей тепло. Сердцевина детали охлаждается гораздо медленнее, тепло из цент-ральной части детали передается через массу металла к поверх-ности итолько на поверхности поглощается охлаждающей жидкостью.

Прокаливаемость стали зависит от критической скорости за-калки: чем ниже критическая скорость, тем на большую глубину прокаливаются стальные детали. Например, сталь с крупным при-родным зерном аустенита (крупнозернистая), которая имеет низ-кую критическую скорость закалки, прокаливается на большую глу-бину, чем сталь с мелким природным зерном аустенита (мелкозернистая), имеющая высокую критическую скорость закалки. Поэто-му крупнозернистую сталь применяют для изготовления деталей, которые должны иметь глубокую или сквозную прокаливаемость, амелкозернистую — для деталей с твердой поверхностной закален-ной коркой и вязкой незакаленной сердцевиной.

На глубину прокаливаемости влияют также исходная структура закаливаемой стали, температура нагрева под закалку и закалочная среда.

Прокаливаемость стали можно определить по излому, по микроструктуре и по твер-дости.

Виды закалки стали .

Су-ществует несколько способов закалки, применяемых в за-висимости от состава стали, характера обрабатываемой де-тали, твердости, которую не-обходимо получить, и усло-вий охлаждения.

Закалка в одной среде схематично показана на рис. 1 в виде кривой 1 . Такую закалку проще выполнять, но ее можно применять не для каждой стали и не для любых деталей, так как быстрое охлаждение деталей переменного сечения в боль-шом интервале температур способствует возникновению температур-ной неравномерности и больших внутренних напряжений, что может вызвать коробление детали, а иногда и растрескивание (если вели-чина внутренних напряжений превзойдет предел прочности).

Чем больше углерода в стали, тем больше объемные изменения и структурные напряжения, тем больше опасность возникновения трещин.

Рис. 1

Заэвтектоидные стали закаливают в одной среде, если детали имеют простую форму (шарики, ролики и т. д.). Если детали слож-ной формы, применяют либо закалку в двух средах, либо ступенча-тую закалку.

Закалку в двух средах (кривая 2)применяют для инструмента из высокоуглеродистой стали (метчики, плашки, фре-зы). Сущность способа состоит в том, что деталь вначале замачива-ют в воде, быстро охлаждая ее до 300—400° С, а затем переносят в масло, где оставляют до полного охлаждения.

Ступенчатую закалку (кривая 3) выполняют путем быстрого охлаждения деталей в соляной ванне, температура кото-рой намного выше температуры начала мартенситного превращения (240—250° С). Выдержка при этой температуре должна обеспечить выравнивание температур по всему сечению детали. Затем детали охлаждают до комнатной температуры в масле или на спокойном воздухе, устраняя тем самым термические внутренние напряжения.

Ступенчатая закалка уменьшает внутренние напряжения, ко-робление и возможность образования трещин.

Недостаток этого вида закалки в том, что горячие следы не мо-гут обеспечить большую скорость охлаждения при температуре 400—600° С. В связи с этим ступенчатую закалку можно применять для деталей из углеродистой стали небольшого сечения (до 8—10 мм). Для легированных сталей, имеющих небольшую критическую ско-рость закалки, ступенчатая закалка применима к деталям большого сечения (до 30 мм).

Изотермическую закалку (кривая 4)проводят так же, как ступенчатую, но с более длительной выдержкой при темпера-туре горячей ванны (250—300° С), чтобы обеспечить полный распад аустенита. Выдержка, необходимая для полного распада аустенита, определяется по точкам а и b и по S-образной кривой (см. рис. 1). В результате такой закалки сталь приобретает структуру игольча-того троостита с твердостью HRC45 55 и с сохранением необхо-димой пластичности. После изотермической закалки охлаждать сталь можно с любой скоростью. В качестве охлаждающей среды ис-пользуют расплавленные соли: 55% KNO 3 + 45% NaNO 2 (темпе-ратура плавления 137° С) и 55% KNO 3 + 45% NaNO 3 (температура плавления 218° С), допускающие перегрев до необходимой темпера-туры.

Изотермическая закалка имеет следующие преимущества перед обычной:

минимальное коробление стали и отсутствие трещин; большая вязкость стали.

В настоящее время широко используют ступенчатую и изотерми-ческую светлую закалки.

Светлую закалку стальных деталей проводят в специ-ально оборудованных печах с защитной средой. На некоторых инст-рументальных заводах для получения чистой и светлой поверхности закаленного инструмента применяют ступенчатую закалку с ох-лаждением в расплавленной едкой щелочи. Перед закалкой инстру-мент нагревают в соляной ванне из хлористого натрия при темпера-туре на 30—50° С выше точки А С1 и охлаждают при 180—200° С в ванне, состоящей из смеси 75% едкого калия и 25% едкого натра сдобавлением 6—8% воды (от веса всей соли). Смесь имеет тем-пературу плавления около 145° С и, благодаря тому что в ней находится вода, обладает очень высокой закаливающей способ-ностью.

При ступенчатой закалке стали с переохлажде-нием аустенита в расплавленной едкой щелочи с последующим окон-чательным охлаждением на воздухе детали приобретают чистую светлую поверхность серебристо-белого цвета; в этом случае отпа-дает необходимость в пескоструйной очистке деталей и достаточна промывка их в горячей воде.

Закалка с самоотпуском широко применяется в инструментальном производстве. Сущность ее состоит в том, что детали не выдерживают в охлаждающей среде до полного охлажде-ния, а в определенный момент извлекают из нее, чтобы сохранить в сердцевине изделия некоторое количество тепла, за счет которого производится последующий отпуск. После достижения требуемой температуры отпуска за счет внутреннего тепла деталь окончатель-но охлаждают в закалочной жидкости.

Проконтролировать отпуск можно по цветам побежалости (см. рис. 2), появляющимся на зачищенной поверхности стали при 220—330° С.

Рис. 2. Ц вета побежалости при отпуске

Закалку ссамоотпуском применяют для зубил, кувалд, слесарных молотков, кернеров и другого инструмента, требующего высокой твердости на поверхности и сохранения вязкой сердцевины.

Способы охлаждения при закалке.

Быстрое охлаждение стальных деталей при закалке является причиной возникновения в них боль-ших внутренних напряжений. Эти напряжения иногда приводят к короблению деталей, а в наиболее тяжелых случаях — к трещинам. Особенно большие и опасные внутренние напряжения возни-кают при охлаждении в воде. Поэтому там, где можно, следует ох-лаждать детали в масле. Однако в большинстве случаев для деталей из углеродистой стали это невозможно, так как скорость охлаждения в масле значительно меньше критической скорости, необходи-мой для превращения аустенита в мартенсит. Следовательно, мно-гие детали из углеродистых сталей рекомендуется закаливать с ох-лаждением в воде, но при этом уменьшать неизбежно возникающие внутренние напряжения. Для этого пользуются некоторыми из описанных способов закалки, в частности, закалкой в двух средах, закалкой с самоотпуском и т. д.

Внутренние напряжения зависят также от способа погружения деталей в закалочную среду. Необходимо придерживаться следую-щих основных правил:

детали, имеющие толстую и тонкую части, погружать в закалоч-ную среду сначала толстой частью;

детали, имеющие длинную вытянутую форму (метчики, сверла развертки), погружать в строго вертикальном положении, иначе они покоробятся (рис. 3).

Рис. 3. Правильное погружение деталей и инструментов в за-каливающую среду

Иногда по условиям работы должна быть закалена не вся деталь, а лишь часть ее. В этом случае применяют местную закалку: деталь нагревают не полностью, а в закалочную среду погружают целиком. В этом случае закаливается только нагретая часть детали.

Местный нагрев мелких деталей производят в соляной ванне, погружая в нее только ту часть детали, которую требуется закалить; так закаливают, например, центры токарных станков. Можно по-ступать и так: нагреть деталь полностью, а охладить в закалочной среде только ту часть, которая должна быть закалена.

Дефекты, возникающие при закалке стали.

Недостаточ-ная твердость закаленной детали — следствие низкой тем-пературы нагрева, малой выдержки при рабочей температуре или недостаточной скорости охлаждения.

Исправление де-фекта: нормализация или отжиг с последующей закалкой; при-менение более энергичной закалочной среды.

Перегрев связан с нагревом изделия до температуры, значительно превышающей необходимую температуру нагрева под закалку. Перегрев сопровождается образованием крупнозернистой структуры, в результате чего повышается хрупкость стали.

И справление дефекта : отжиг (нормализация) и последущая закалка с необходимой температуры.

Пережог возникает при нагреве стали до весьма высоких температур, близких к температуре плавления (1200—1300° С) в окислительной атмосфере. Кислород проникает внутрь стали, и по границам зерен образуются окислы. Такая сталь хрупка и исправить ее невозможно.

Окисление и обезуглероживание стали ха-рактеризуются образованием окалины (окислов) на поверхности дета-лей и выгоранием углерода в поверхностных слоях. Этот вид брака термической обработкой неисправим. Если позволяет припуск на механическую обработку, окисленный и обезуглероженный слой нужно удалить шлифованием. Чтобы предупредить этот вид брака, детали рекомендуется нагревать в печах с защитной атмосфе-рой.

Коробление и трещины — следствия внутренних напряжений. Во время нагрева и охлаждения стали наблюдаются объемные изменения, зависящие от температуры и структурных пре-вращений (переход аустенита в мартенсит сопровождается увеличе-нием объема до 3%). Разновременность превращения по объему за-каливаемой детали вследствие различных ее размеров и скоростей охлаждения по сечению ведет к развитию сильных внутренних нап-ряжений, которые служат причиной трещин и коробления деталей в процессе закалки.

Образование трещин обычно наблюдается при температурах ниже 75—100° С, когда мартенситное превращение охватывает значительную часть объема стали. Чтобы предупредить образова-ние трещин, при конструировании деталей необходимо избегать резких выступов, заостренных углов, резких переходов от тонких сечений к толстым; следует также медленно охлаждать сталь в зоне образования мартенсита (закалка в масле, в двух средах, ступенча-тая закалка). Трещины являются неисправимым браком, коробле-ние же можно устранить последующей рихтовкой или правкой.

Охлаждение – заключительный этап термической обработки-закалки и поэтому наиболее важный. От скорости охлаждения зависит образование структуры, а значит, и свойства образца.

Если раньше переменным фактором была температура нагрева под закалку, то теперь скорость охлаждения будет разная (в воде, в соленой воде, на воздухе, в масле и с печью).

С увеличением скорости охлаждения растет и степень переохлаждения аустенита, понижается температура распада аустенита, число зародышей увеличивается, но вместе с тем замедляется диффузия углерода. Поэтому феррито-цементитная смесь становится более дисперсной, а твердость и прочность повышаются. При медленном охлаждении (с печью) получается грубая смесь Ф+Ц, т.е. перлит, это отжиг второго рода, с фазовой перекристаллизацией. При ускоренном охлаждении (на воздухе) – более тонкая смесь Ф+Ц – сорбит. Такая обработка называется нормализацией.

Закалка в масле дает тростит – высокодисперсную смесь Ф+Ц.

Твердость этих структур растет с дисперсностью смеси (НВ=2000÷4000 МПа). Эти структуры можно получить и способом изотермической закалки.

Рассматривая термокинетическую диаграмму, т.е. диаграмму изотермического распада аустенита вместе с векторами скоростей охлаждения, видим, что увеличивая скорость охлаждения, можно получить тростит вместе с мартенситом закалки. Если скорость охлаждения больше критической, получим мартенсит закалки и остаточный аустенит, избавиться от которого можно, если охладить сталь до температуры ниже линии окончания мартенситного превращения (М к).

У мартенсита объем больше, чем у аустенита, поэтому при закалке на мартенсит появляются не только термические, но и структурные напряжения. Форма детали может исказиться, в ней могут появиться микро- и макротрещины. Коробление и трещины неисправимый брак, поэтому сразу же после закалки на мартенсит следует производить нагрев детали для снятия напряжений и стабилизации структуры, такая операция термической обработки называется отпуском.

После закалки образцов, изучения микроструктур и определения твердости строятся графики зависимости твердости от содержания углерода. Чем больше углерода в аустените стали перед закалкой, тем более искаженной получается решетка мартенсита (с большей степенью тетрагональности) и поэтому выше твердость

Сталь с содержанием 0,2%С не принимает закалку, так как кривые изотермического распада аустенита вплотную приближаются к оси ординат. Даже очень большая скорость охлаждения не дает мартенсита, так как аустенит начнет раньше распадаться на смесь Ф+Ц. Поэтому сталь закаливают, если углерода более 0,3%С, поскольку углерод сдвигает вправо кривые изотермического распада аустенита, уменьшая тем самым критическую скорость закалки.

Определение свойств и структуры стали после отпуска

Полученный после закалки мартенсит обладает большой твердостью и прочностью, но низкой пластичностью и вязкостью. Это объясняется большими внутренними напряжениями, которые бывают термическими (перепад температуры, резкое охлаждение) и структурными (объем мартенсита больше, чем аустенита, сорбита, тростита и перлита). После закалки необходимо сразу производить отпуск, т.е. нагрев до определенных температур, выдержку и охлаждение. При этом снижаются напряжения, меняется структура и свойства стали. Температура отпуска выбирается ниже А с 1 ,чтобы сохранить эффект упрочнения при закалке. Различаются низкий отпуск (150-200 0 С), средний (350-450 0 С) и высокий (500-650 0 С).

Если при низком отпуске снижаются напряжения, уменьшается искаженность (тетрагональность) решетки мартенсита и она снова становится кубической, остаточной аустенит переходит в мартенсит кубический, то при среднем и высоком отпуске происходит распад мартенсита на смесь Ф+Ц.

После низкого отпуска твердость и прочность остаются на высоком уровне (НRC 58-63). Режущий и измерительный инструмент, детали после химико-термической обработки (цементации) подвергают низкому отпуску.

1. Определение наилучшей температуры закалки для стали с содержанием 0,4% углерода – доэвтектоидная сталь – и с содержанием 1,0% углерода – заэвтектоидная сталь.

Таблица 2.1

Протокол испытаний на твердость после закалки в воду

Рис. 2.1 График зависимости твердости стали от Т о закалки и % сод. углерода

2.Определение наилучшей скорости охлаждения стали с содержанием углерода 0,4%.

Скорости охлаждения в разных средах (перевод в lg координаты)

V печь =1 0 С/с; lg1=0;

V воздух =15 0 С/с; lg15=1,2;

V масло =150 0 С/с; lg150=2,2;

V вода =600 0 C/c; lg600=2,8;

V солен..вода =1000 0 С; lg1000=3.

Таблица 2.2

Протокол испытаний твердости после охлаждения

в различных средах. Схема микроструктур

НВ

Рис. 2.2 График зависимости твердости

от скорости охлаждения в разных средах

3.Определение структуры и твердости стали с содержанием углерода 0,4% от темп. отпуска, после закалки в воде с температуры 840 0 С.

Таблица 2.3

Схемы структур и твердость

НВ

t 0 C отпуска

Рис. 2.3 График зависимости твердости

от температуры отпуска стали

Лабораторная работа №3

Изучение конструкции и определение геометрических параметров токарных резцов.

Развитие техники привело к необходимости изготовления более точных поверхностей сопряженных деталей с минимальной шероховатостью. Эти требования могут быть выполнены только обработкой резанием, несмотря на прогресс в литейном производстве, обработке давлением, сварке и наплавке, получении все более точных заготовок. Чаще всего заключительной операцией технологического процесса изготовления или ремонта детали является резание с помощью металлорежущих инструментов. Общим для всех инструментов является клин - заостренная рабочая часть - непосредственно отделяющий слой металла. Другая часть инструмента - это державка, хвостовик, связка, с помощью которых инструмент закрепляется в резцедержателе, патроне, на валу и Т.П.

Токарный резец наиболее показателен как в отношении конструкции, так и по своей геометрии. К геометрическим параметрам токарного проходного резца относятся поверхности - передняя, главная и вспомогательная задние, главная и вспомогательная режущие кромки, вершина резца. Резец затачивают под определенными углами, расположенными в прямоугольной системе координат, где различают плоскости - основную, резания, а также секущие - главную и вспомогательную. На заготовке различают поверхности - обработанную, обрабатываемую и резания.

Углы определяют, когда ось резца перпендикулярна линии центров станка, а вершина резца расположена на этой линии. Геометрия токарного проходного резца соответствует геометрическим параметрам любого другого режущего инструмента и играет роль в достижении необходимого качества обработки. Помимо этого, углы резца влияют на процесс резания и долговечность инструмента.

Резец работает при одновременном воздействии статических и динамических нагрузок, высокой температуры, трения и изнашивания. Поэтому к нему предъявляют требования по прочности при изгибе, растяжении, сжатии, кручении, ударной вязкости, тепло - и износостойкости. Твердость рабочей части резца должна значительно превосходить твердость заготовки. В зависимости от условий работы применяют разные инструментальные материалы - углеродистые и легиpoванныe стали, твердые сплавы на основе карбидов вольфрама, титана и тантала, композиционные на основе нитрида бора, керамические на основе оксида алюминия, а также абразивные - естественные (наждак, алмаз, корунд, кварц) и искусственные (химические соединения - электрокорунд, карбиды бора, кремния, оксид хрома, синтетический алмаз). При конструировании инструментов стали применять механическое крепление цельных двухслойных круглых и многогранных режущих пластин. Поликристаллы алмаза впаивают во вставки и закрепляют их механическим способом в инструментах.