6.Технология закалки сталей
План лекции
1. Закалка стали
2. Способы нагрева и охлаждения
3. Закалочные среды: вода, масло, растворы, гетерофазные среды
4. Выбор и технологические расчеты охлаждения по данным о прокаливаемости сталей
Закалка стали – это в большинстве случаев получение мартенсита с максимальной прочностью и твердостью. Она включает в себя нагрев до температуры выше Ас1 или Ас3, выдержку при этой температуре для завершения структурных и фазовых превращений и последующее ускоренное охлаждение. При объемном (печном) нагреве различают следующие способы нагрева: с максимально возможной скоростью, когда температура в печи равна или выше температуры закалки, одно или двух ступенчатый нагрев для изделий, склонных к короблению или с низкой теплопроводностью. Первая ступень нагрева (первый подогрев) выполняется при температуре 500–600°С, когда сталь приобретает повышенную пластичность. Этот подогрев позволяет снизить уровень термических напряжений. Вторая ступень (второй подогрев) проводится при температуре ~850 оС, цель его снизить термические, фазовые и структурные напряжения, а также сократить время выдержки при окончательном высокотемпературном нагреве под закалку.
Время нагрева изделий до температуры закалки рассчитывают по программам, разработанным кафедрой МиТОМ ИЦМиЗ. Температуру нагрева под закалку для каждой марки стали определяют, исходя из ее химического состава. Так для углеродистых доэвтектоидных сталей нагрев ведется выше критической температуры точки Ас3, для эвтектоидной и заэвтектоидных – выше точки Ас1; стали, склонные к росту зерна аустенита, перегреваются выше критических точек на 30-50 °С, не склонные к росту зерна - на 50-150 °С. Определив температуры нагрева под закалку расчетом, проверяют ее правильность по справочникам. Время выдержки при температуре закалки зависит от химического состава стали, размера садки, среды нагрева, определяется по справочным данным или экспериментальным путем.
Основными способами охлаждения при закалке являются: охлаждение в одном охладителе (непрерывная закалка), в двух средах или окунанием (прерывистая закалка); охлаждение с подстуживанием; а также ступенчатое или изотермическое. Все способы охлаждения должны обеспечить охлаждение сталей со скоростью выше критической, для предупреждения распада аустенита на феррито-карбидную смесь.
Критическая скорость закалки (VКР) – это наименьшая скорость охлаждения, при которой происходит распад аустенита только на мартенсит. Она рассчитывается, исходя из кинетических С -кривых распада аустенита, по следующим формулам:
VКР= Ar1− tmin / τmin ,[°С/с] - для термокинетических С -кривых; (1), VКР= Ar1− tmin / 1,5·τmin [°С/с] - для изотермических С -кривых; (2), где Ar1 - температура критической точки стали А1, °С;
tmin – температура минимальной устойчивости переохлажденного аустенита °С;
τmin – время минимальной устойчивости переохлажденного аустенита, с.
Для обеспечения требуемой скорости закалки в практике термической обработки используются различные закалочные среды, которые должны отвечать следующим требованиям:
1. Охлаждать со скоростью выше критической;
2. Стабильность свойств при работе, в требуемом интервале температур и при хранении;
3. Инертность – отсутствие или весьма малое химическое взаимодействие с поверхностью охлаждаемых изделий;
4. Легкая удаляемость с поверхности изделий при промывке или очистке;
5. Небольшая вязкость, которая не затрудняет перекачку среды насосами от мест хранения к охлаждающим устройствам;
6. Безвредность и безопасность при работе, недефицитность, невысокая стоимость.
Идеальная закалочная среда должна обеспечить высокую скорость охлаждения в интервале температур минимальной устойчивости аустенита (450-550 °С) и медленное охлаждение в период мартенситного превращения для предупреждения образования закалочных трещин. По характеру охлаждения закалочные среды делятся на два вида:
1. Не испытывающие изменений агрегатного состояния во всем диапазоне температур охлаждения изделий;
2. Претерпевающие изменение агрегатного состояния в связи с кипением среды на поверхности закаливаемых изделий.
К первым относятся газовые среды (воздух, азот, инертные газы, вакуум), расплавы солей, щелочей и металлов, «кипящий» слой, металлические плиты. Наиболее широко при закалке применяют расплавы солей, щелочей, воздух. Например, 55% KNO3+45% NaNO3 (температура плавления – 137 °С, температура применения 155-550 °С), 35% NaOН+65% KOН (температура плавления – 155 °С, температура применения – 180-350 °С) и т.д. Охлаждающая способность солей при температуре ~200 °С примерно равна охлаждающей способности масла при 20 °С.
Ко второму виду закалочных сред относятся вода, водные растворы солей, щелочей, полимеров, низкомолекулярных органических соединений, водо-воздушная смесь, различные марки масел. В этих средах в связи с их кипением интенсивность охлаждения изменяется с понижением температуры поверхности изделий. В них при закалке изделий различают три периода охлаждения.
В первый (начальный) период охлаждения жидкость кипит, при этом интенсивность образования пузырьков пара (газа) превышает скорость их удаления с поверхности закаливаемого изделия – это стадия пленочного кипения. При этом на поверхности детали образуется сплошная паровая пленка, скорость охлаждения на данном этапе небольшая. Во второй период при снижении температуры поверхности изделий скорость удаления пузырьков начинает превышать скорость их образования, пленка разрушается, и скорость охлаждения возрастает. Это стадия пузырькового кипения. Третий период наступает тогда, когда температура поверхности охлаждаемого изделия становится равной температуре кипения закалочной жидкости, кипение прекращается, и скорость охлаждения резко падает. Дальнейший теплоотвод осуществляется конвекцией, это - стадия конвективного теплообмена (рис. 3).
Вода применяется для закалки изделий из углеродистых сталей и иногда низколегированных, но всегда есть опасность образования закалочных трещин. Это связано с тем, что первая стадия при охлаждении в воде наблюдается в интервале 800-400 ｰС, вторая – 400-100 ｰС, третья – <100 ｰС, эти интервалы даны для спокойной воды при ее температуре равной 20 ｰС. С повышением температуры воды скорость охлаждения уменьшается на первой стадии, но не изменяется на второй и третьей. Повышает скорость охлаждения циркуляция воды или интенсивное ее перемешивание, но только на первой стадии.
Охлаждение в масле является основным способом при закалке изделий из легированных сталей. Процесс охлаждения в масле характеризуется теми же стадиями, что и в воде (см. рис. 3), только вместо паровой пленки образуется газовая. Переход от пленочного к пузырьковому кипению проходит при температурах 500-400 °С, а температура начала конвективного теплообмена лежит в пределах 400-200 °С в зависимости от марки масла. При температуре изделий 200 °С скорость охлаждения в масле в ~25 раз меньше скорости охлаждения в воде, то есть в интервале мартенситного превращения в масле идет медленное охлаждение и трещины, как правило, не образуются. Охлаждающая способность масел почти не зависит от их температуры. Марки масел и их свойства представлены в табл. 7 .
Основным недостатком масла является медленное охлаждение в верхнем перлитном интервале температур 700-500 °С, что не обеспечивает скорость охлаждения выше критической для углеродистых и низколегированных сталей, исключение составляют тонкие менее 5-8 мм изделия. Кроме того масло имеет более высокую стоимость, чем вода, пожароопасно, повышает загазованность помещений (дым при закалке), требует обязательной промывки деталей после закалки перед отпуском.
При работе масло окисляется, густеет и при повышении вязкости более чем на 40% от первоначального значения масло следует заменить. Долговечность масел в обычных условиях составляет 400-1 000 ч в зависимости от массы закаливаемых изделий. Лучшие сорта масел закалочные модифицированные (МЗМ) марок: МЗМ-16, МЗМ-26, МЗМ-120, ВЗ-вакуумное, закалочное, МГЗ – (горячее, закалочное) для ступенчатой закалки при 160-180 °С в агрегатах.
В настоящее время ведутся исследования по поиску закалочных сред, которые бы заменили масло. К ним относятся водные растворы органических полимеров, среди которых наиболее известны ЗСП-1, ЗСП-2, ЗСП-3, ПК-2 и др. Закалочные среды типа ЗСП – это водные растворы полиакриламида, а ПК-2 1-2% раствор полимера – железосодержащей полиакриловой кислоты.
Все эти жидкие охладители дешевле масла, не требуют последующей очистки, пожаробезопасны, не токсичны, Однако их закаливающая способность очень сильно зависит от температуры, концентрации, и они не являются такими универсальными, как масло.
Рис. 3. Фазы теплового обмена в жидких закаливающих средах: 1 – пленочного кипения – «паровая рубашка»; 2 – пузырчатого кипения; 3 – конвективного теплообмена
Механизм охлаждения в растворах полимеров основан на их влиянии, на вязкость воды, а также на повышение или снижение растворимости полимеров при изменении температуры среды в контакте с охлаждаемым металлом. На поверхности стали с понижением ее температуры в процессе охлаждения образуется пленка полимера, которая стабилизирует паровую рубашку, а в конце охлаждения оседает на детали, замедляя охлаждение в нижнем интервале температур мартенситного превращения. Такое охлаждение способствует понижению структурных и фазовых напряжений при закалке сталей.