Технология закалки

Температуру закалки выбирают по отношению к критическим точкам (линиям) на диаграмме состояния – Ас₁, Ас₃, А_сm. Закалка от температур выше Ас₃ и А_сm называется полной закалкой, а закалка от температур в интервале Ас₁ – Ас₃ или Ас₁ – А_сm называется неполной закалкой.

К сталям доэвтектоидным применяют полную закалку, т.е. из аустенитной области. от температур выше А_с3 на 30 - 50ºС; к сталям заэвтектоидным применяют неполную закалку, т.е. из области «аустенит + цементит», от температур на 30 - 50ºС выше Ас₁ .

Скорость охлаждения при закалке для получения мартенсита выбирают в соответствии с термокинетической диаграммой (ТКД) распада переохлажденного аустенита. Скорость охлаждения при закалке должна исключить какое-либо равновесное превращение. Наименьшая скорость, при которой получается мартенсит, называется критической скоростью охлаждения при закалке V_крит (на рис. 1.33 это скорость V₄), поэтому их линии на ТКД должна находиться левее начала С - образной кривой распада (рис. 2.27).

Рис. 2.27. Схема скоростей охлаждения из аустенитной области, дающих в центре

Образца(Vц), перлитную структуру на поверхности(Vп) – мартенситную

Критическая скорость охлаждения сталей (V_крит) – минимальная скорость охлаждения, при которой аустенит превращается в мартенсит.

Для мартенситного превращения характерен определенный температурный интервал превращения: существуют температуры начала и конца превращения: М_н и М_к, находящиеся ниже выступа С-образной кривой диффузионного распада (рис. 2.27).

Прокаливаемость – одна из важнейших технологических характеристик при термической обработке стали.

Прокаливаемость определяется темпом, с каким температура во время быстрого охлаждения распространяется по сечению детали конкретного размера с конкретной теплопроводностью. При высокой скорости охлаждения обеспечить мартенситное превращение в интервале температур М_н и М_к, т.е. «прокалить» деталь, возможно только при небольших ее размерах. На деталях больших размеров охлаждение с критической скоростью успевает произойти только в приповерхностных слоях. А в глубинных слоях охлаждение происходит с меньшей, чем критическая, скоростью, что приводит к распаду аустенита уже не сдвиговому, а диффузионному механизму. Результатом различия скоростей охлаждения по сечению детали является различие в фазовом составе: в приповерхностном слое – мартенсит, а в центре – феррит + цементит.

Прокаливаемость – это свойство стали приобретать в результете закалки мартенситную или мартенсито - трооститную структуру с высокой твердостью в слое определенного размера. Количественно прокаливаемость характеризуется критическим диаметром.

Критический диаметр – максимальный диаметр детали, при котором в результате закалки получается мартенситная или полумартенситная (50 % мартенсита + 50 % троостита) структура. Критический диаметр обратно пропорционален критической скорости охлаждения:

d_кр = f (1/V_кр).

Для того, чтобы прокалить насквозь детали крупного сечения, их изготавливают их легированных сталей, потому что все легирующие элементы (кроме кобальта) снижают критическую скорость закалки.

Способы закалки разделяются по следующим признакам:

– по среде охлаждения (закалка в воде, масле, на воздухе, в полимерных средах);

– по объему детали, к которому применяется закалка, – объемная и поверхностная;

– по ступенчатости охлаждения (закалка в двух средах, ступенчатая закалка, изотермическая и др.).

Применение различных сред охлаждения при объемной закалке определяется критической скоростью охлаждения. Снижение критической скорости охлаждения сталей позволяет переходить к более «мягким» средам: от воды к маслу и далее к воздуху.

Применение объемной или поверхностной закалки диктуется требованиями, предъявляемыми к изделиям. Для большинства деталей применяют объемную закалку, когда мартенситная (мартенситно - трооститная) структура получается по всему сечению.

Поверхностную закалку применяют для деталей, в которых по условиям работы требуются высокая поверхностная твердость, износостойкость, а также высокий предел выносливости.

Применение ступенчатого охлаждения при объемной закалке вызвано стремлением к снижению того высокого уровня остаточных упругих напряжений, которые характерны для закаленных стальных деталей.

Для ослабления возникающих напряжений используют различные способы охлаждения (рис. 2.28).

«Тепловые» напряжения снижаются при понижении скорости охлаждения в интервале температур М_н - М_к (закалка в двух средах). Закалку в двух средах осуществляют при погружении детали сначала в воду – для быстрого прохождения температурного интервала минимальной устойчивости аустенита, а затем в масло – для охлаждения с меньшей скоростью в интервале мартенситного превращения.

а б

Рис. 2.28. Схемы различных способов объемной закалки сталей:

а – ступенчатая; б – изотермическая

«Тепловые» напряжения уменьшаются также при условии равномерности прогрева перед мартенситным превращением, что достигается при ступенчатой закалке (рис. 2.29).

а

б

в

г

Рис. 2.29. Схема изменения уровня остаточных напряжений при различных способах закалки: а – обычная; б – в двух средах; в – ступенчатая; г – изотермическая

При ступенчатой закалке деталь, нагретую до температуры закалки, переносят в жидкую среду с температурой на 50 - 100^оС выше точки М_н, делают выдержку для выравнивания температуры по сечению и охлаждают на воздухе.

При изотермической закалке сталь не испытывает мартенситного превращения. Выдержку проводят при температуре, когда протекает не мартенситное, а другое фазовое превращение – бейнитное. При изотермической закалке почти полностью устраняются «структурные» напряжения. Однако бейнитное превращение протекает не во всех сталях.