Лабораторная работа № 9

Закалка

Это один из видов термической обработки. Как и любой процесс термообработки, она состоит из последовательности операций: нагрев до температуры закалки (t_зак) – выдержка при t_зак – быстрое охлаждение со скоростью большей или равной критической, т.е. u_охл ³ u_кр.

Цель закалки стали – получить очень твердую, износостойкую структуру, которая называется «мартенсит» (пересыщенный твердый раствор углерода и других элементов в Fe_α). Для этого необходимо точно и строго выполнять перечисленные выше операции.

Рассмотрим последовательно каждую из них.

Нагрев стали для закалки (рис.1).

Рисунок 1 – Структура закаленной стали в зависимости от температуры закалки

По температуре нагрева различают два вида закалки: полную (t_зак = Ас₃ + 50ºС) и неполную (t_зак = Ас₁ + 50ºС).

Запомните:

• наилучшие результаты закалки получаются, если стали с содержанием углерода С < 0,8% закаливать полной, а стали с содержанием углерода С > 0,8% - неполной закалкой.

• стали с содержанием углерода С < 0,3% нет смысла закаливать, так как мала твёрдость после закалки.

Необходимая температура нагрева назначается согласно линиям диаграммы (по критическим температурам (точкам) Ас₁ и Ас₃.

Таблица 1 - Температура (ºС) критических точек некоторых марок конструкционной и инструментальной стали

Марка стали	Ас1 нагрев	Аr1 охлаждение	Ас3 нагрев	Аr3 охлаждение	Марка стали	Ас1 нагрев	Аr1 охлаждение	Ас3 нагрев	Аr3 охлаждение
10	730	680	875	855	20	735	680	854	835
30	735	675	812	796	35	730	691	802	791
40	727	688	788	727	45	725	690	780	730
50	720	690	760	730	65	727	690	752	721
65Г	724	694	750	730	40Х	743	693	782	701
40ХН	735	660	769	720	У8	730		730
У10	730		800		У12	730		820

Время нагрева для закалки зависит от метода нагрева, размеров и формы детали, марки стали, многих других факторов и может составлять от одной секунде до нескольких часов. Для электрических печей с нагревательными элементами в виде спирали или стержней ориентировочное время для закалки углеродистых сталей 1 мин на 1 мм толщины наибольшего сечения, для легированных - 2 мин плюс 25% этого времени для углеродистых сталей и 33% для легированных.

Таблица 2 - Нормы нагрева стали при термической обработке в лабораторных электрических печах для углеродистых сталей (форма изделия круг)

Температура нагрева, ºС	Продолжительность нагрева
600-650 700-750 750-840 850-900 1000	2 1,5 1,0 0,8 0,4

Скорость охлаждения при закалке должна быть больше или равна критической, т.е. u_охл ³ u_кр. Критическая скорость охлаждения для каждой стали имеет своё конкретное значение, но необходимое условие закалки u_охл > u_кр легко выполняется для целых групп сталей при охлаждении их в одном охладителе.

Таблица 3 - Скорость охлаждения стали в различных средах

Характеристика закаливающей среды	Скорость охлаждения, град/с, в интервале температур наименьшей устойчивости аустенита
Вода при 18ºС 10% NaOH в воде при 18ºC Минеральное машинное масло Воздух спокойный	600 1200 150 15

ЗАПОМНИТЕ! Как правило, углеродистые стали при закалке охлаждают в воде, легированные – в жидком индустриальном (машинном) масле или в специальных закалочных минеральных маслах.

Определение критической скорости закалки

Закалка происходит только при охлаждении со скоростью u_охл ³ u_кр.

u_кр – минимальная скорость охлаждения, при которой ужé образуется структура «мартенсит», т.е. происходит закалка. Величина u_кр (см. рис. 5) зависит от химического состава стали; её можно определить расчётом по формуле

, (1)

где t_зак – температура закалки;

t_min – температура минимальной устойчивости аустенита;

t_min – время минимальной устойчивости аустенита.

Все данные для расчета берём с рис. 1, 2, 3, 4, 5 (t_зак можно выбрать по рис. 1 или табл. 1. После определения u_кр для закаливания сталей выбираем охлаждающую среду для них по табл. 3.

Задание студенту

1. Выбрать режим закалки (t_закºС, время нагрева и выдержки в печи) для образцов из разных марок сталей, используя рис. 1, табл. 1 и 2, таблицу критических точек для сталей.

2. Измерить твёрдость образцов до закалки в единицах HRB и перевести их в единицы НВ.

3. Загрузить образцы в нагретые печи. Следить за температурой и временем нахождения образцов в печах.

4. Определить u_кр для закаливаемых сталей и выбрать охлаждающие среды, которые должны обеспечить закалку данных сталей (см. табл. 3).

5. Ознакомиться по плакату или пособию со скоростями охлаждения, которые обеспечивают самые распространённые охлаждающие среды, назначить охлаждающие среды для образцов, предположить ожидаемый результат.

6. Охладить образцы в назначенных охлаждающих средах, измерить их твёрдость в единицах HRC и перевести в единицы НВ, оценить полученный результат, сравнить его с ожидаемым. Сделать вывод.

7. Для образцов из стали 45 построить график в координатах «твёрдость HRC – скорость охлаждения град/с», сделать вывод по данному графику.

8. Для образцов из разных марок стали и максимальной твёрдости, достигнутой при их закалке, построить график в координатах «твёрдость HRC – содержание углерода в стали в %», сделать вывод о закаливаемости сталей.

9. Сравнить и объяснить результаты полной и неполной закалки стали 45. Сделать выводы (см. рис. 6).

10. Рассмотреть в металлографический микроскоп и зарисовать микроструктуру сталей после закалки, определить и оценить каждую из них (см. рис. 6 и плакат «Полная и неполная закалка стали»).