Материаловедение и технология конструкционных материалов
.pdf100 |
Раздел I. Материаловедение |
Рис. 4.11. Дефект «мягкие пятна»
При нагреве заэвтектоидных сталей на 30...50 °С выше тем пературы точки Асх перлит полностью превращается в аустенит, а часть вторичного цементита остается нерастворенной, следова тельно, структура нагретой стали состоит из аустенита и цемен тита:
П + Ц „ —H-a.rf °BAl- -> А + Цп -Jg»PWgP">-> м + Ц „.
Ее закалка приведет к превращению аустенита в мартенсит, зерна которого окаймлены частицами нерастворенного цементита (см. рис. 4.10, в). Такая сталь обладает повышенной твердостью и износостойкостью. Закалка заэвтектоидных сталей от темпе ратур выше А стснижает твердость стали из-за увеличения ко личества остаточного аустенита и, самое главное, может вызвать перегрев. Поэтому для заэвтектоидных сталей обычно применя ется неполная закалка.
Нагрев под закалку осуществляется в пе.чной атмосфере, рас плавленных солях или металлах (обычно свинец). На рис. 4.12 приведены схемы печей, применяемых для термической обра ботки деталей. Это камерные, толкательные, шахтные и конвей ерные печи.
По источнику теплоты печи подразделяются на электриче ские и топливные (газовые и, редко, мазутные).
4. Термическая обработка |
101 |
Скорость и время нагрева деталей зависят от температуры в печи, степени легирования стали, конфигурации деталей, мощ ности и типа печи, объема садки и способа укладки деталей.
Время выдержки исчисляется с момента достижения деталями заданной температуры и так же, как и время нагрева, зависит от многих факторов, влияющих на структурные превращения, происходящие в стали. Ориентировочные значения длительности нагрева на 1 мм толщины изделия составляют в электропечах 1...2 мин, в пламенных печах — 1, в соляных ваннах — 0,2...0,5, в свинцовой ванне — 0,2...0,15 мин. Время выдержки обычно составляет 15...25 % от времени нагрева.
Для предотвращения обезуглероживания и окисления метал ла рабочее пространство печи заполняют защитной атмосферой, состав которой постоянно контролируется. Обычно используют атмосферы из смеси метана, азота, водорода и оксидов углерода.
Наиболее ответственной операцией при закалке является охла ждение, которое должно осуществляться со скоростью, равной или выше критической (^кр), чтобы получить структуру мартенсита. Для углеродистых сталей VKpсоставляет 1400...400 °С/с. Такие скорости охлаждения достигаются погружением закаленных
102 |
Раздел I. Материаловедение |
деталей в холодную воду или в воду с добавками солей. Быстрое охлаждение необходимо только в интервале наименьшей устой чивости аустенита, а при дальнейшем понижении температур, особенно в мартенситном интервале, быстрое охлаждение не только не нужно, но и нежелательно, так как ведет к увеличе нию остаточных напряжений и образованию трещин.
Нежелательно и слишком медленное охлаждение в мартен ситном интервале, так как может произойти частичный отпуск мартенсита и возрасти количество остаточного аустенита из-за его стабилизации, что снижает твердость стали. Наилучшей зака лочной средой является та, которая быстро охлаждает в интер вале температур 550...650 °С (область температур наименьшей устойчивости аустенита) и медленно — ниже 200...300 °С (об ласть температур мартенситного превращения).
При закалке различают три периода охлаждения:
1)пленочное охлаждение — на поверхности детали образуется паровая рубашка, отделяющая поверхность от всей массы жидко сти и обусловливающая сравнительно небольшие скорости охла ждения;
2)пузырьковое кипение — наступает при низких температу рах охлаждаемой поверхности, когда паровая пленка разруша ется; в результате этого происходит быстрый отвод теплоты, так как на образование пузырьков пара расходуется большое ее коли чество;
3)конвективный теплообмен — наблюдается при понижении температуры поверхности ниже температуры кипения жидкости; отвод теплоты в этот период происходит с наименьшей скоростью.
Втабл. 4.2 приведены наиболее широко применяемые охла ждающие среды и обеспечиваемые ими скорости охлаждения.
При закалке в воде из-за высоких скоростей охлаждения
вобласти температур мартенситного превращения возникают большие структурные напряжения, что создает опасность воз никновения трещин. При использовании горячей воды снижа ется скорость охлаждения в интервале температур 550...650 °С,
аскорость охлаждения в области мартенситного превращения остается высокой и вероятность образования трещин не умень шается. Наиболее высокой и равномерной охлаждающей способ
ностью обладают 8 ...12%-ные водные растворы NaCl и NaOH. В интервале температур мартенситного превращения эти рас творы охлаждают быстрее, чем вода.
4. Термическая обработка |
103 |
|
Охлаждающие среды |
Таблица 4.2 |
|
|
|
||
|
Температура |
Скорость охлаждения |
|
Охлаждающая среда |
охлаждающей |
в интервале температур, °С/с |
|
|
среды, °С |
650...550 °С |
300...320 °С |
Вода |
18 |
600 |
270 |
|
25 |
500 |
270 |
|
50 |
100 |
270 |
|
75 |
30 |
270 |
10% -ный водный раствор: |
|
|
|
NaCl |
20 |
1200 |
300 |
NaOH |
20 |
1100 |
300 |
5% -ный раствор марган |
20 |
450 |
10 |
цовокислого калия |
|
|
|
Масло минеральное |
20 |
120 |
40...60 |
Масло охлаждает значительно медленнее, чем вода, и обеспе чивает небольшую скорость охлаждения в области температур мартенситного превращения. Это объясняется тем, что темпера тура кипения масла (250...300 °С) повышает температуру перехода от стадии пузырчатого кипения к конвективному теплообмену и, как следствие, обеспечивает уменьшение скорости охлажде ния в области температур мартенситного превращения.
Закалку углеродистых и некоторых низколегированных ста лей проводят в воде и водных растворах NaCl и NaOH. Для леги рованных сталей применяют минеральное масло.
В практике термической обработки сталей наряду с непрерыв ной закалкой широкое применение находят закалка в двух средах и ступенчатая закалка. Закалка в двух средах состоит в преры вистом охлаждении изделия — сначала в воде да температуры 300 °С, а затем в масле или на воздухе до 20 °С. Такой режим закалки обеспечивает быстрое прохождение температурного ин тервала минимальной устойчивости аустенита при охлаждении в воде, а перенос изделия на воздух или в масло уменьшает внут ренние напряжения, которые возникли бы при быстром охлаж дении.
Ступенчатая закалка включает охлаждение нагретого из делия сначала в расплавленных солях, имеющих температуру на 180...250 °С выше М И(см. рис. 4.6, б), непродолжительную
104 |
Раздел I. Материаловедение |
выдержку для выравнивания температуры по всему сечению изделия, а затем охлаждение на воздухе. Образование мартенсита происходит в этом случае при охлаждении на воздухе. При таком методе закалки получение мартенсита возможно в легированных сталях с высокой устойчивостью переохлажденного аустенита в интервале температур перлитного превращения и в изделиях небольшого сечения (10...12 мм) из низко- и среднеуглероди стых сталей. После такой закалки уровень внутренних напряже ний и склонность к образованию трещин меньше.
Закалка с обработкой холодом предусматривает продолжение охлаждения закаленной стали до температур ниже нуля. В струк туре закаленных сталей, у которых точка М к лежит в области минусовых температур, всегда присутствует значительное ко личество остаточного аустенита (см. рис. 4.6, б и рис. 4.13). Об работку холодом проводят для уменьшения его количества. Это особенно важно для сталей, которые используются для изготов ления мерительного инструмента, пружин и деталей подшип ников качения. В результате самопроизвольного превращения аустенита в мартенсит понижаются твердость, износостойкость, нередко изменяются размеры деталей, работающих при низких температурах.
Обработку холодом выполняют сразу после закалки, а затем проводят низкий отпуск. Выдержка в течение 3...6 ч стабили зирует аустенит и уменьшает эффект обработки холодом.
Рис. 4.13. Между иглами мартенсита отчетливо выделяются светлые аустенитные участки
4. Термическая обраб |
105 |
4.2.3. Закаливаемость и прокаливаемость стали
Важными характеристиками стали, необходимыми для на значения технологических режимов закалки, являются закали ваемость и прокаливаемость.
Под закаливаемостью понимают способность стали полу чать максимальную твердость при закалке. Главным фактором, определяющим закаливаемость, является содержание углерода в стали. Закаливаемость оценивают по твердости поверхностно го слоя стального образца после закалки, поскольку на поверх ности скорость охлаждения максимальна.
Под прокаливавмостъю понимают глубину закаленного слоя с мартенситной или трооститно-мартенситной структурой. Оце нивается прокаливаемость расстоянием от поверхности изделия до слоя, в котором содержится не менее 50 % мартенсита.
На возможность образования различных структур по сече нию деталей после закалки указывает схема (рис. 4.14, а), где представлено распределение скоростей охлаждения по сечению
а б
+- h
h
О 3
Диаметр сквозной закалки, мм
Рис. 4.14. Прокаливаемость сталей:
а — схема зависимости прокаливаемости деталей от скорости закалки; б — кривые изменения твердости и влияния легирующих элементов на прока ливаемость
106 Раздел I. Материаловедение
цилиндрического прутка. Скорости охлаждения отличаются вследствие разных условий теплоотвода на поверхности и в объ еме прутка.
В данном случае кривые расположены так, что при указан ных условиях охлаждения на поверхности образца и на половине радиуса от нее будет образовываться преимущественно мартенситная структура, а в центре — смесь перлита с бейнитом. Естест венно, что твердость по сечению детали, не имеющей сквозной прокаливаемости, будет неодинакова.
Диаметр заготовки, в центре которой после закалки образу ется полумартенситная структура, называется критическим диаметром. Для экспериментального определения прокаливае мости применяется способ торцевой закалки. Цилиндрический образец диаметром 0,025 м и длиной 0,1 м, нагретый до темпера туры закалки, охлаждают с торца струей воды на специальной установке. После охлаждения измеряют твердость по образую щей цилиндра и строят график изменения твердости по длине образца (рис. 4.14, б).
Прокаливаемость определяется критической скоростью охла ждения стали. Если действительная скорость охлаждения в серд цевине изделия будет превышать критическую скорость закал ки FKp, то сталь получит мартенситную структуру по всему сечению и изделие будет иметь сквозную прокаливаемость.
На прокаливаемость оказывают влияние не только скорость охлаждения, но и однородность структуры, температура нагрева, исходная структура и химический состав стали. Заметно повы шают прокаливаемость марганец, хром и молибден, меньше влияют никель и кремний. При одновременном введении в сталь несколь ких легирующих элементов их влияние может усиливаться. Более высокая прокаливаемость легированных сталей по сравнению с углеродистыми объясняется большей устойчивостью переохла жденного аустенита и, соответственно, меньшей критической скоростью охлаждения. С увеличением скорости охлаждения прокаливаемость сталей увеличивается. При наличии неодно родности структуры прокаливаемость снижается, так как нерастворившиеся карбиды и неметаллические включения являются центрами кристаллизации, облегчающими образование перлита.
4. Термическая обработка |
107 |
4.2.4. Поверхностная закалка
Как отмечалось выше, закалка повышает твердость, проч ность, износостойкость стали, но снижает ее пластичность. Од нако для многих деталей, работающих в условиях циклических нагрузок (валы, шестерни), требуется не только высокая изно состойкость поверхности, но и высокая вязкость и пластичность внутренних слоев. Достичь этого можно применением поверх ностной закалки.
Поверхностной закалкой называют процесс термической обработки, заключающийся в нагреве поверхностного слоя из делия до температуры выше Ас3 для доэвтектоидных и Асх для заэвтектоидных сталей с последующим охлаждением с целью полу чения структуры мартенсита в поверхностном слое (рис. 4.15, а).
б
Рис. 4.15. Кривые распределения температуры и твердости после закалки по сечению изделия (а) и схема индукционного нагрева (<?)
Наиболее распространены следующие методы поверхностной закалки: с индукционным нагревателем (нагрев токами высокой частоты — ТВЧ), газоплазменная поверхностная и в электролите. Все способы поверхностной закалки основаны на быстром на греве поверхностного слоя выше точек фазовых превращений и последующем охлаждении, приводящем к тому, что слой I,
108 Раздел I. Материаловедение
нагретый выше температуры Ас3, закалится полностью, слой II — частично, а слой III останется незакаленным. В результате Обеспечивается высокая прочность я износостойкость поверхно стных слоев в сочетании с пластичностью и вязкостью сердце вины изделия.
Закалочные температуры для поверхностной закалки выби раются более высокими (на 100...200 °С), чем для обычной, так как при нагреве с высокими скоростями превращение перлита в аустенит происходит в области более высоких температур. По скольку перегрев тонкого поверхностного слоя осуществляется с очень большой скоростью и выдержка при температуре закал ки отсутствует, он не приводит к ухудшению структуры за счет роста зерна аустенита. Глубина закалки составляет 1,5... 15 мм и определяется условиями работы деталей. Так, детали, подвер гающиеся усталостному изнашиванию, закаливаются на глу бину 1,5...3 мм, при особо высоких контактных нагрузках — 10...15 мм.
При закалке ТВЧ изделия помещают в специальный индук тор (катушку), состоящий из одного или нескольких витков мед ной трубки (рис. 4.15, б). Для равномерного нагрева поверхности изделий различной формы применяют индукторы, по форме и размерам соответствующие деталям. Через индуктор 1 пропус кают переменный ток высокой частоты (500...15 000 Гц). При этом вокруг индуктора возникает магнитное поле, а в детали 2 генерируются вихревые токи, которые и нагревают поверхность детали до температуры закалки, после чего следует резкое охла ждение водой и низкий отпуск.
Скорость нагрева колеблется от 100 до 1000 °С/с. Время нагре ва зависит отскорости нагрева и находится в пределах 1,5...40 с. Толщина закаленного слоя зависит от частоты тока, которая оп ределяет глубину проникновения индуцируемых в деталях вих ревых токов. Закалка ТВЧ позволяет получить структуру стали с твердостью на 3...5 HRC,, выше, чем при обычной закалке, с более мелким зерном (на 2...4 балла) и меньшим браком по коробле нию и образованию закалочных трещин. При нагреве ТВЧ не происходит окалинообразования и выгорания углерода. Кроме того, обеспечивается высокая производительность труда. Этот вид закалки используют для сталей, содержащих 0,4...0,5 % углерода (40, 45, 40Х, 45Х, 40ХН и др.), которые после закалки
4. Термическая обработка |
109 |
имеют высокие твердость (50...60 HRCJ, сопротивляемость из нашиванию и не ёклонны к хрупкому разрушению.
Газоплазменная поверхностная закалка заключается в на греве поверхностного слоя детали пламенем сгорающего газа, имеющего температуру 2400...3000 °С, и последующем охлаж дении водой. Толщина закаленного слоя 2...4 мм, твердость 50. ..56 HRC3, структура состоит из мартенсита и феррита. При меняется газоплазменная закалка в основном для крупных из делий, таких как коленчатые валы особо мощных двигателей, прокатные валы и т.п. При этом в крупных деталях создаются меньшие напряжения, чем при обычной объемной закалке.
Закалка в электролите основана на том, что при пропуска нии тока через электролит (5... 10%-ный раствор кальцинирован ной соды) на катоде, которым является закаливаемая деталь, образуется газовая рубашка водорода. Ток при этом сильно воз растает и деталь нагревается, после чего, отключив ток, можно сразу закалить ее в том же электролите. Способ применяется для закалки небольших деталей в условиях массового производства.
4.2.5. Отпуск сталей
Отпуском называют финишную термическую обработку, за ключающуюся в нагреве закаленной стали до температур ниже Аси выдержке при заданной температуре и последующем охла ждении с определенной скоростью (рис. 4.16, а). Отпуск проводят для снижения или полного устранения внутренних напряжений, уменьшения хрупкости закаленной стали и получения требуемой структуры и механических свойств. В зависимости от темпера туры отпуск делят на низкий, средний и высокий.
Низкий отпуск проводят при нагреве до 250-°С, после чего следует выдержка в течение 1... 1,5 ч в зависимости от размеров детали и охлаждение. Применяют его для режущего и измери тельного инструмента, деталей, подвергаемых поверхностной закалке, цементации, нитроцементации (более подробно см. гла ву 5). После низкого отпуска снижаются закалочные напряже ния, мартенсит закалки (рис. 4.16, б) превращается в мартенсит отпуска (рис. 4.16, в), повышается прочность и несколько — вязкость. Твердость остается высокой (58...63 HRC3) и почти не снижается по сравнению с закаленной сталью.