Технология термической обработки
Закалка
1
Внутренние напряжения, возникающие при закалке
К закалочным напряжениям относятся:
термические (тепловые) напряжения; структурные (фазовые) напряжения.
После окончания охлаждения распределение остаточных внутренних напряжений по сечению заготовки в принципе соответствует эпюре в правой части
Схема возникновения термических напряжений при охлаждении заготовки диаметром 100 мм в воде без учета фазовых превращений.
Р, R – поверхность и центр изделия
соответственно
2
Чем выше температура нагрева и чем интенсивнее охлаждение, тем выше уровень термических напряжений.
Увеличение размеров сечения изделия и усложнение его формы сопровождаются тем же эффектом.
На величину термических напряжений влияют свойства стали. С увеличением ее теплопроводности и уменьшением температурного коэффициента объемного расширения уровень термических напряжений снижается.
Термические напряжения уменьшаются и при снижении предела текучести, так как облегчается их релаксация путем пластической деформации.
3
Возникновение структурных напряжений в условиях полной прокаливаемости. В процессе охлаждения при закалке
поверхностные слои раньше достигают мартенситного интервала. Мартенситное превращение сопровождается увеличением объема.
Но этому будут препятствовать центральные слои. В поверхностных слоях возникают сжимающие напряжения, а в центральных –
растягивающие.
Через некоторое время мартенситное превращение начнется в центральных слоях. Увеличению их объема будут препятствовать
поверхностные слои. При этом знак напряжений изменится: в поверхностных слоях появятся растягивающие напряжения, а в центральных – сжимающие.
Когда мартенситное превращение получает развитие только в поверхностных слоях, частичная релаксация напряжений может происходить путем пластической деформации внутренних слоев с аустенитной структурой. При образовании мартенсита в сердцевине релаксация напряжений затрудняется. В условиях малопластичной мартенситной структуры и наличия в поверхностных слоях наиболее опасных растягивающих напряжений возрастает
вероятность образования закалочных трещин. |
4 |
Величина структурных напряжений зависит от перепада температур по сечению изделия.
На уровень структурных напряжений влияет содержание в стали углерода и легирующих элементов.
Снижение температурного интервала мартенситного превращения приводит к увеличению структурных напряжений. Чем больше остаточного аустенита, тем в меньшей мере изменяется объем при закалке, а следовательно, ниже уровень структурных напряжений.
При неполной прокаливаемости также возникают высокие структурные напряжения. Это обусловлено тем, что удельные объемы бейнита и феррито-карбидных структур больше, чем аустенита.
Термические и структурные напряжения могут суммироваться или взаимно вычитаться. Поэтому после окончания охлаждения часто имеет место сложный характер распределения остаточных напряжений по сечению изделия. В поверхностных слоях могут действовать как сжимающие, так и растягивающие напряжения.
5
СПОСОБЫ ОБЪЕМНОЙ ЗАКАЛКИ
Непрерывная закалка. Закалка с подстуживанием. Закалка в двух средах. Ступенчатая закалка. Закалка с самоотпуском. Закалка с купанием. Струйчатая закалка. Закалка на воздухе.
Схемы закалки в двух средах (1) и ступенчатой закалки (2)
6
ЗАКАЛКА С ОБРАБОТКОЙ ХОЛОДОМ
У многих сталей после закалки с охлаждением до комнатной температуры сохраняется повышенное количество остаточного аустенита. Уменьшить его количество можно дополнительно
охладив закаленную сталь ниже комнатной температуры. Такая обработка, получила название обработки холодом.
При выборе температуры охлаждения для обработки холодом следует учитывать положение мартенситной точки Мк. Охлаждение стали ниже этой точки нецелесообразно, так как оно не приводит к дополнительному мартенситному превращению. Для многих промышленных сталей оптимальная температура охлаждения находится не ниже -70…-80 °С, у некоторых сталей даже при охлаждении в проточной воде до 5... 10 °С.
Уменьшение количества остаточного аустенита при обработке холодом сопровождается ростом твердости закаленной стали, что позволяет повысить износостойкость инструмента и цементированных изделий. Обработка холодом используется также для стабилизации размеров высокоточных изделий.
7
БЕЗДЕФОРМАЦИОННАЯ ЗАКАЛКА
Изменение удельных объемов ферррито- карбидной структуры (1), аустенита (2) и мартенсита
(3) в зависимости от содержания С.
Основы бездеформационной закалки:
Можно подобрать такое количественное соотношение между мартенситом и остаточным аустенитом, при котором их средний удельный объем станет равным удельному объему феррито-карбидной структуры. В этом случае закалка не приведет к изменению размеров изделия. Но, для осуществления такой закалки необходимо иметь в структуре закаленной стали очень много остаточного аустенита. Например, чтобы избежать изменений размеров при закалке стали с 0.8 % С, следует получить в ней 35 % остаточного аустенита. При обычной закалке этой стали количество остаточного аустенита не превышает нескольких процентов.
8
БЕЗДЕФОРМАЦИОННАЯ ЗАКАЛКА
Другой путь уменьшения изменений размеров изделий при закалке
– использование замедленного охлаждения в мартенситном интервале, чтобы получить существенное развитие процессов самоотпуска мартенсита. Это приводит к снижению содержания углерода в мартенсите и уменьшению его удельного объема.
(А.П. Гуляев) Для уменьшения изменений размеров изделий из высокоуглеродистых легированных сталей температуру закалки необходимо повысить, чтобы более полно растворить карбиды. Это приводит к увеличению содержания углерода и легирующих элементов в аустените, что вызовет рост количества остаточного аустенита.
Но одновременно повышается содержание углерода в мартенсите, и удельный объем последнего становится больше. Для получения нужного эффекта следует дополнительно осуществить при закалке замедленное охлаждение в районе мартенситного интервала, чтобы произошел самоотпуск мартенсита и содержание углерода в нем снизилось.
9
Пример:
Если сталь, содержащую 1.22% С, 0.59 % Cr и 1.44 % Mn, подвергнуть обычной закалке с 800 °С в масле, то в ней будет получено 18% остаточного аустенита, а изменение линейных размеров ∆L составит +0,11%.
После закалки по режиму: аустенитизация при 890 °С, охлаждение в селитре до 200 °С с последующей 30-минутной выдержкой количество остаточного аустенита увеличивается до 32%, а ∆L уменьшается до +0,01 %.
10