Технология ТО / 3_ЗАКАЛКА

Рис.13.18. Интервал температур нагрева под закалку углеродистых сталей (схема)

Выдержка при температуре нагрева должна обеспечить не только выравнивание температуры по сечению изделия, но и гомогенизацию аустенита. При этом чрезмерное увеличение длительности выдержки нежелательно, так как это может привести к росту аустенитного зерна. Более высокий нагрев тоже нецелесообразен, так как может произойти существенный рост зерна аустенита. Тогда при закалке будет образовываться структура крупноигольчатого мартенсита, характеризующаяся повышенной склонностью к хрупкому разрушению. Нагрев до температур, лежащих ниже А_с3, также неоптимален, так как при этом в структуре закаленной стали, кроме мартенсита, будут присутствовать участки феррита, т.е. произойдет неполная закалка. Так как феррит намного мягче мартенсита, то он снизит твердость закаленной стали и отрицательно повлияет на другие механические свойства закаленной стали после окончательного отпуска.

Для заэвтектоидных углеродистых сталей температура нагрева под закалку превышает точку А_с1 на 30...50 °С. Так как при этом нагрев осуществляется в интервале А_с1–А_сm, то часть цементита остается нерастворенной. В принципе такая закалка является неполной. Перед закалкой заэвтектоидные стали подвергаются сфероидизирующему отжигу и имеют структуру зернистого перлита. Поэтому для не растворившихся при нагреве под закалку цементитных частиц характерна глобулярная форма. Такие карбиды в структуре закаленных заэвтектоидных сталей, используемых для изготовления инструмента, полезны, так как повышают износостойкость.

При повышении температуры нагрева заэвтектоидных сталей выше оптимального уровня происходит более полное растворение карбидов, что сопровождается увеличением содержания углерода в аустените, снижением точки М_н и увеличением количества остаточного аустенита при закалке. Последнее может привести к значительному снижению твердости закаленной стали, несмотря на повышение твердости мартенсита. Уменьшение количества нерастворившихся карбидов при повышении температуры аустенитизации способствует также росту зерна аустенита. Особенно интенсивно этот процесс развивается при нагреве выше точки А_сm. Кроме того, с повышением температуры нагрева возрастают и внутренние напряжения, возникающие при закалке.

Температура нагрева под закалку легированных сталей заметно выше, чем углеродистых. Наличие в стали карбидобразующих элементов замедляет процессы гомогенизации аустенита. Для многих доэвтектоидных среднелегированных сталей температура нагрева превышает точку Ас₃ на 50... 100 °С.

Высоколегированные стали с большим содержанием карбидобразующих элементов нагревают до более высоких температур, чтобы вследствие растворения большего количества специальных карбидов обеспечить необходимую концентрацию углерода и легирующих элементов в аустените. Так, штамповые стали 4Х5МФС, 4Х4ВМФС и 5ХЗВЗМФС закаливают с температур 1000…1020, 1050...1070 и 1120...1140 °С соответственно. Для каждой конкретной стали температурные интервалы нагрева под закалку можно найти в справочниках и, если это необходимо, уточнить экспериментальным путем.

Сл.21. Охлаждение при закалке. Охлаждение должно обеспечить получение мартенситной структуры в нужной толщине изделия. В то же время охлаждение при закалке не должно вызывать появление высоких внутренних напряжений, приводящих к короблению и образованию трещин.

Охлаждение необходимо осуществлять со скоростью большей, чем верхняя критическая скорость закалки. Однако для получения мартенситной структуры не обязательно охлаждение с высокой скоростью во всем температурном интервале. Более того, такое охлаждение нецелесообразно, так как возникают сильные внутренние напряжения. Высокая скорость охлаждения, большая чем V_ВK3, должна быть в температурном интервале минимальной устойчивости переохлажденного аустенита. В мартенситном интервале ее желательно уменьшить, чтобы снизить возникающие внутренние напряжения. При этом следует учитывать, что слишком медленное охлаждение может привести к самоотпуску мартенсита, а также к увеличению количества остаточного аустенита вследствие эффекта термической стабилизации. Кроме того, допустимо некоторое уменьшение скорости охлаждения при температурах, лежащих выше температурного интервала интенсивного развития диффузионного превращения. Идеальная кривая охлаждения при закалке показана на рис. 13.19.

Рис. 13.19. Идеальная кривая охлаждения при закалке (схема)

Сл.22. На скорость охлаждения влияют охлаждающая способность среды, теплопроводность охлаждаемого металла, размеры и геометрическая форма изделия, качество его поверхности. Охлаждающие среды, используемые при закалке, можно разделить на две группы: неиспытывающие и претерпевающие изменения агрегатного состояния в процессе охлаждения.

К первой группе относятся газовые среды, расплавы солей, щелочей и металлов, кипящий слой и металлические плиты. При закалке в этих средах скорость охлаждения максимальна в начальный период, когда существует наибольшая разница между температурами поверхности изделия и охлаждающей среды, затем она постепенно падает по мере понижения температуры поверхности изделия (рис. 13.20, а).

Рис. 13.20. Кривые охлаждения в средах, не претерпевающих (а) и претерпевающих (б) изменение агрегатного состояния при охлаждении (схема). Стадии: 1 – пленочного кипения, II – пузырчатого кипения; III – конвективного теплообмена

Ко второй группе относятся вода, водные растворы солей, щелочей и полимеров, минеральные масла. Охлаждение в этих жидких средах протекает в несколько стадий (рис. 13.20, б). При погружении нагретого до высокой температуры изделия в жидкость у его поверхности начинается интенсивное испарение, что сопровождается резким снижением температуры поверхности. Однако эти изменения температуры невелики, так как пар быстро покрывает плотным и тонким слоем поверхность охлаждаемого изделия. Образовавшаяся паровая оболочка, имея низкую теплопроводность, затрудняет отвод тепла от поверхности изделия. Скорость охлаждения на этой стадии, называемой стадией пленочного кипения, относительно невелика.

По мере понижения температуры поверхности интенсивность парообразования снижается, паровая оболочка становится тоньше, а затем начинает разрушаться. При этом улучшается контакт жидкости с поверхностью изделия. На кипение жидкости у поверхности затрачивается большое количество тепла, и скорость охлаждения существенна возрастает. Наступает так называемая стадия пузырчатого кипения.

Когда температура поверхности изделия станет ниже температуры кипения жидкости, теплоотвод будет осуществляться конвекцией и интенсивность охлаждения резко снизится. Это стадия конвективного теплообмена.

Сл.23. Наиболее широко в качестве охлаждающих сред при закалке используют воду и минеральные масла. Дадим краткую характеристику этих сред.

Вода обладает высокой охлаждающей способностью, что связано в основном с большой теплотой парообразования.

Достоинство воды как закалочной среды, заключается в том, что она обеспечивает высокую скорость охлаждения в температурном интервале диффузионного превращения (650...400 °С). Это позволяет использовать воду для закалки углеродистых и малолегированных сталей, имеющих малую устойчивость переохлажденного аустенита.

Охлаждающая способность воды существенно зависит от содержания в ней примесей. Нерастворимые твердые и жидкие вещества, образуя взвеси и эмульсии, способствуют повышению стойкости паровой оболочки у поверхности изделий и снижают температуру ее исчезновения, что приводит к уменьшению интенсивности охлаждения. Подобным образом, хотя и слабее, действуют растворенные в воде газы. Соли и щелочи, растворяясь в воде, повышают ее охлаждающую способность. Такое их влияние обусловлено снижением устойчивости паровой оболочки; стадия пленочного кипения уменьшаетсяили полностью исчезает. На практике для интенсификации охлаждения обычно в воду добавляют поваренную соль (NaCl) или щелочь (NaOH) в количестве 5...15 %.

Увеличению охлаждающей способности воды способствует ее циркуляция. Она облегчает удаление пара от поверхности изделия и делает паровую оболочку более тонкой. Еще в большей мере охлаждение ускоряется при использовании душевого способа подачи воды. В этом случае при разбрызгивании воды через спрейерные или душирующие устройства паровая рубашка легко разрушается и теплоотвод интенсифицируется.

Сл.24. В качестве закалочной среды иногда используют 40...50 %-ный водный раствор NaOH с температурой 80... 100 °С. Скорость охлаждения такой среды при высоких температурах примерно такая же, как у воды, а в температурном интервале мартенситного превращения заметно меньше, что способствует уменьшению внутренних напряжений. Кроме того, данная среда способствует удалению окалины и получению светлой поверхности закаленных изделий (светлая закалка).

Сл.25. Минеральное масло охлаждает медленней, чем вода, во всем температурном диапазоне охлаждения поверхности изделий при закалке, что обусловлено меньшей теплотой парообразования и большей вязкостью масла. В зависимости от сорта масла переход от пленочного к пузырчатому кипению наблюдается при температурах 500…400 °С, а температура начала стадии конвективного теплообмена колеблется в пределах от 400 до 200 °С.

Достоинство масла заключается в том, что оно обеспечивает сравнительно небольшую скорость охлаждения в мартенситном интервале, уменьшая тем самым уровень внутренних напряжений и вероятность возникновения закалочных дефектов. Основной недостаток масла – невысокая охлаждающая способность в температурном интервале диффузионного превращения. Поэтому подвергать закалке в масле можно лишь легированные стали с высокой устойчивостью переохлажденного аустенита. Перемешивание масла эффективно повышает скорость и равномерность охлаждения. В процессе работы масло окисляется, густеет и его охлаждающая способность уменьшается. Поэтому его периодически приходится заменять. Другие недостатки масла – легкая загораемость (температура вспышки 160...300 °С), необходимость дополнительной очистки поверхности закаленных в масле изделий.

Сл.26. Многие изделия при закалке целесообразно охлаждать со скоростями, промежуточными между скоростями охлаждения в воде и масле. Кроме того, часто исходя из требований экономического и экологического характера желательно не использовать масло при проведении закалки. В связи с этим были разработаны и нашли достаточно широкое применение новые закалочные среды – водные растворы полимеров (поливиниловый спирт, полиакриламид, соли полиакрилой кислоты и т. д.). Эти закалочные среды безвредны, непожароопасны и дешевы. Изменяя концентрацию полимеров в воде, можно в широких пределах варьировать охлаждающую способность среды. При малых концентрациях полимеров она близка к охлаждающей способности воды, при больших – к охлаждающей способности масла.

Сл.27. При проведении некоторых видов закалки (ступенчатой, изотермической) охлаждение изделий осуществляют в расплавах солей и щелочей. Эти закалочные среды в температурном интервале охлаждения изделий не изменяют агрегатного состояния. На практике наиболее широко применяют смеси нитратов и нитритов натрия и калия (селитр) или щелочей КОН и NaOH (табл. 13.1). В температурном интервале диффузионного превращения скорость охлаждения относительно невысока и поэтому закалке в расплавах можно подвергать лишь изделия малых сечений. С повышением температуры расплавов интенсивность охлаждения уменьшается. Их охлаждающую способность можно увеличить, используя интенсивную циркуляцию и небольшие добавки воды.

Таблица 13.1

Соли и щелочи, применяемые в качестве охлаждающих сред

Состав среды, масс. %		Температурный интервал применения, °С
NaNO3	308	320–550
KNO3	334	350–550
45 % NaNO2+ 55 % KNO3	137	155–550
50 % NaNO3 + 50 % KNO3	150	160–550
50 % NaNO2 + 50 % KNO3	225	280–550
NaOH	328	350–700
KOH	360	400–650
25 % NaOH + 75 % KOH	170	200–350
20 % NaOH + 80 % KOH
с добавкой 6 % H2O	130	150–250

Сл.28. В качестве максимально допустимой для расплавленных селитр принята температура 550 °С. При более высоких температурах они быстро разлагаются и возникает опасность взрыва Расплавленные щелочи по сравнению с селитрами более безопасные Их использование позволяет получить чистую поверхность закаливаемых изделий. К недостаткам щелочей относятся невысокая эксплуатационная долговечность, малая стабильность свойств и повышенная вредность.