3. Технология термической обработки стали. Закалка, выбор температуры закалки.

Закалка заключается в нагреве стали на 30-50ºС выше линии GS для доэвтектоидных сталей или PSK для заэвтектоидных сталей, выдержке и последующем охлаждении со скоростью выше критической.

Инструментальную сталь в основном подвергают закалке и отпуску для повышения твердости, износостойкости и прочности; а конструкционную сталь – для повышения твердости и прочности, получения высокой пластичности и вязкости.

При нагреве доэвтектоидной стали, с исходной структурой перлита и феррита сталь приобретает аустенитную структуру, которая при быстром охлаждении превращается в мартенсит.

При нагреве заэвтектоидной стали выше линии PSK образуется аустенит и некоторое количество вторичного цементита. После охлаждения структура такой стали будет состоять из мартенсита и нерастворенных частиц карбидов.

Верхний предел температуры закалки для заэвтектоидных сталей ограничивают, так как чрезмерное повышение температуры связано с ростом зерна, что приводит к снижению прочности и сопротивлению хрупкому разрушению.

Для многих сталей температура закалки значительно превышает критические точки. Характерно это явление для легированных сталей, содержащих карбидообразующие элементы. Повышение температуры у таких сталей не приводит к росту зерна аустенита, так как нерастворенные частицы карбидов тормозят рост зерна аустенита.

В связи с этим, для растворения карбидов и повышения легированности аустенита эти стали закаливают в интервале температур на 150-250ºС выше линии GS. Чрезмерное повышение температуры нагрева приводит к растворению карбидов и укрупнению зерна аустенита, что приводит к повышению устойчивости аустенита. После закалки при чрезмерно высоких температурах остается большое количество остаточного аустенита, что снижает твердость стали и увеличивает деформацию обрабатываемых изделий.

4. Технология термической обработки стали. Продолжительность нагрева деталей для закалки, охлаждающие среды.

Продолжительность нагрева должна обеспечить прогрев изделия по сечению и завершение фазовых превращений, но не должна быть слишком высокой, чтобы не вызывать роста зерна и обезуглероживания поверхностных слоев.

Общая продолжительность нагрева обусловлена формой и размером изделия, их расположением, составом и свойствами стали. Продолжительность выдержки зависит только от состава стали. Данная продолжительность должна быть минимальной, но должна обеспечить завершение фазовых превращений и необходимую концентрацию углерода и легирующих элементов в аустените. Продолжительность выдержки для деталей машин часто принимают 15-25% от продолжительности сквозного прогрева.

Охлаждение при закалке должно обеспечить получение структуры мартенсита и не должно вызывать закалочных дефектов (трещин, коробления, высоких остаточных напряжений). Наиболее желательна высокая скорость охлаждения в интервале температур до начала мартенситного превращения для подавления распада переохлажденного аустенита. Замедленное охлаждение желательно в интервале температур М_н—М_к, чтобы избежать появления закалочных трещин и резкого увеличения внутренних напряжений.

Обычно для закалки используют кипящие жидкости: воду, водные растворы солей и щелочей, масла. При закалке в этих средах различают три периода:

1. Пленочное кипение, когда на поверхности стали образуется «паровая рубашка». В этот период скорость охлаждения невелика.

2. Пузырьковое кипение. Оно наступает при разрушении паровой пленки. В данный период поверхность охлаждается до температуры ниже критической и происходит быстрый отвод тепла.

3. Конвективный теплообмен, который соответствует температурам ниже температуры кипения охлаждающей жидкости.

При закалке углеродистой и низколегированной стали в качестве охлаждающей среды применяют воду и водные растворы NaCl и NaOH. Вода, как охлаждающая среда, имеет ряд недостатков:

• высокую скорость охлаждения в интервале температур М_н—М_к, которая может привести к возникновению трещин;

• с повышением температуры воды резко ухудшается закалочная способность.

Наиболее высокой и равномерной охлаждающей способностью отличаются холодные растворы NaCl и NaOH. При закалке в такой среде «паровая рубашка» разрушается практически мгновенно и охлаждение происходит равномерно, в основном в области пузырькового кипения. Поэтому вероятность образования трещин в такой среде меньше, чем в воде.

Для легированных сталей, обладающих высокой устойчивостью переохлажденного аустенита, при закалке применяют минеральное масло. Такая охлаждающая среда имеет ряд преимуществ:

• небольшую скорость охлаждения в интервале температур М_н—М_к, что уменьшает возникновение закалочных дефектов;

• перепад температур между поверхностью и сердцевиной изделия меньше, чем при охлаждении в воде.

К недостаткам можно отнести повышенную воспламеняемость масла, его низкую охлаждающую способность в области перлитного превращения. Температуру масла при закалке необходимо поддерживать в интервале 60-90ºС, когда его вязкость минимальна. Для уменьшения деформации деталей при закалке в масле их охлаждают в специальных приспособлениях.

Также применяют охлаждение в среде азота, водорода, аргона (под давлением), водных растворов полимеров.