Режимы охлаждения металла. Скорость охлаждения стали в зависимости от закалочных сред

ЗАКАЛКА СТАЛИ В РАЗЛИЧНЫХ СРЕДАХ

Цель работы: оценить действие различных охлаждающих сред на превращение аустенита при закалке путем контроля твердости.

Приборы, материалы, инструменты:

1) электрическая муфельная печь МП-2У;

2) образцы из стали 50;

3) твердомер Роквелла;

4) охлаждающие баки с закалочными средами.

Охлаждение при закалке должно обеспечить получение структуры мартенсита в пределах заданного сечения изделия и не должно вызывать закалочных дефектов – трещин, короблений, остаточных напряжений в поверхностных слоях и т.д. При закалке для переохлаждения аустенита до температуры мартенситного превращения требуется быстрое охлаждение, но не на всем интервале температур, в котором аустенит менее всего устойчив. Выше 650ºС скорость превращения аустенита мала, и поэтому сталь при закалке можно охлаждать в данном интервале медленно, но не настолько, чтобы началось образование Ф+П. Интервал 650 ºС-400 ºС должен быть пройден очень быстро.

В момент погружения изделия в закалочную среду вокруг него образуется пленка перегретого пара; охлаждение происходит через слой этой паровой рубашки, т.е. медленно (пленочное кипение). При определенной температуре паровая рубашка разрывается, жидкость начинает кипеть на поверхности детали, охлаждение происходит быстро (пузырьковое кипение). Третий этап (конвективный теплообмен) начинается, когда жидкость кипеть уже не может. Закалочная среда тем эффективнее, чем шире интервал второго этапа.

Если интенсивность охлаждения воды в середине второго этапа принять за единицу, то для минерального масла она будет равна 0,3; для 10 % раствора NaCl в воде – 3; для 10 %- раствора NaОН в воде – 2,5.

При закалке углеродистой и некоторых низколегированных сталей в качестве охлаждающей среды применяют воду и водные растворы (8-12%-е) NaCl и NaОН. Вода, как охлаждающая среда, имеет недостаток. Высокая скорость охлаждения в области температур мартенситного превращения приводит к образованию закалочных дефектов. Растворы NaCl и NaОН обладают наиболее равномерной охлаждающей способностью; кроме того, щелочная среда не вызывает последующей коррозии остальных деталей. Масло, как закалочная среда, имеет преимущество: небольшую скорость охлаждения в интервале мартенситного превращения, что уменьшает возникновение закалочных дефектов. Недостатком является повышенная воспламеняемость.

Структура закаленной стали – мартенсит – получается при резком охлаждении аустенита при закалке. Рассматривая диаграммы изотермического превращения углеродистой и легированной стали (рис. 21), нетрудно убедиться, что линия начала превращения у легированной стали смещена вправо от оси ординат по сравнению с углеродистой сталью. Следовательно, устойчивость аустенита легированной стали, характеризующаяся расстоянием от оси ординат до точки К перегиба линии начала перлитного и промежуточного превращения, значительно выше, чем у углеродистой стали.

Если на диаграмме изотермического превращения изобразить скорость охлаждения при закалке в различных средах, они будут иметь вид кривых , , . Чем выше скорость охлаждения, тем круче кривая. По диаграмме, имеющей кривые скоростей охлаждения, можно судить о структурных превращениях, протекающих в детали из данной стали при закалке в определенной охлаждающей среде.

Пусть – скорость охлаждения в воде, – в масле, – на спокойном воздухе.

Рассмотрим превращение в стали при закалке. Углеродистая сталь имеет малую устойчивость аустенита. При охлаждении ее в воде кривая скорости охлаждения не пересекает линию начала мартенситного превращения. Аустенитная структура сохраняется полностью до начала мартенситного превращения и структура после окончания охлаждения – мартенсит закалки. При охлаждении ее в масле оказывается, что кривая скорости охлаждения пересекает линию начала превращения в области трооститного превращения, но не уходит за линию конца превращения, а в дальнейшем пересекает линии начала и конца мартенситного превращения. Следовательно, часть переохлажденного аустенита переходит в троостит закалки, а часть сохраняется до области мартенситного превращения, и структура стали после окончания охлаждения состоит из троостита закалки и мартенсита закалки. Это приводит к понижению твердости, и деталь идет в брак.

Если же мы будем охлаждать деталь из этой стали на воздухе, то окажется, что кривая скорости охлаждения пересекает линии начала и конца превращения в области перлитного и сорбитного превращения; структура стали после охлаждения состоит из перлита и сорбита закалки.

Таким образом, для получения структуры мартенсита закалки мы должны так подобрать охлаждающую среду, чтобы кривая скорости охлаждения не пересекла линии перлитного превращения.

Рис. 21. Диаграмма изотермического превращения аустенита
для стали с содержанием 0,8 % углерода.

Предельно низкая скорость охлаждения, кривая которой не пересекает линии перлитного превращения, а касается ее в точке К , называется критической скоростью закалки. Для каждой стали критическая скорость закалки есть величина постоянная, но отличная от критической скорости закалки другой стали. Зависит она от наименьшей устойчивости, т.е. от расстояния от оси ординат до точки К в месте изгиба кривой начала превращения. Критическая скорость закалки – наименьшая скорость охлаждения, достаточная для переохлаждения аустенита до начала мартенситного превращения, и, следовательно, для получения структуры мартенсита закалки. При выборе охлаждающей среды для закалки определенной марки стали подбирают среду, дающую скорость охлаждения несколько выше критической при осуществления закалки стали на полную глубину, определяемую прокаливаемостью стали. Излишне высокая скорость охлаждения нежелательна, так как она сопровождается образованием высоких остаточных напряжений и приводит к короблению детали и даже к образованию трещин.

Если выбранная скорость ниже критической, то это вызывает понижение твердости из-за образования троосто-мартенситной структуры, что нежелательно.

Порядок выполнения работы:

1. Произвести закалку образцов с температуры 820 0 Св воду, масло, 10 % раствор в воде NaCl и на воздухе.

2. Определить твердость образцов после каждого вида обработки.

3. Объяснить полученные результаты, заполнить табл. 5.

4. Составить отчет.

Таблица 5

Таблица зависимости свойств стали от охлаждающей среды

Вопросы для самопроверки:

1. Какие среды применяют для закалки углеродистых, легированных сталей?

2. Как влияет охлаждающая среда на твердость стали?

3. Какая структура получается в результате закалки углеродистой стали в воде, масле, расплавах солей, на воздухе?

Для закалки доэвтектоидную сталь нагревают на 20-30° выше Ас 3 , а эвтектоидную и заэвтектоидную на 20-30° выше Ас 1 и после выдержки быстро охлаждают. Охлаждение ведут в воде, масле или на воздухе, в зависимости от состава стали. После закалки сталь становится очень твёрдой и хрупкой. Структура закалённой стали состоит из мартенсита и остаточного аустенита. Заэвтектоидную сталь не следует нагревать для закалки выше Ас т, так как такая температура приведёт к перегреву и снизит качество изделия.

При нагреве в печах поверхностный слой изделия покрывается окалиной и обезуглероживается. Этот брак увеличивается с повышением температуры и увеличением продолжительности выдержки в печи.

Для деталей, не подвергающихся шлифованию или имеющих малый припуск для последующей обработки, этот брак неисправим. Мерами предохранения изделия от окалины и обезуглероживания являются: введение в печь специального газа, избегать также закалки в проточной воде и частой смены воды в баке.

В практике заводов, при закалке инструментов из углеродистой стали весьма сложной конфигурации, в качестве закалочной среды успешно применяют 50-процентный раствор каустической соды. Закалочная ванна с таким раствором должна быть оборудована вытяжной вентиляцией, так как пары раствора, образующиеся во время закалки, вредны для организма.

Для закалки легированной стали в основном применяют минеральные масла. Инструмент из углеродистой стали диаметром до 6-7 мм также охлаждают в масле. Как видно из табл. 6, скорость охлаждения в масле в интервале мартен-ситного превращения сравнительно небольшая (20-50° в минуту), что значительно уменьшает склонность к образованию трещин и деформаций. Большим достоинством охлаждения в масле является то, что масло охлаждает с одинаковой скоростью как при температуре 20°, так и при температуре 100-150°. Следует остерегаться попадания воды в масляную ванну, так как наличие воды может вызвать растрескивание инструмента. Закалка в масле, имеющем температуру свыше 100°, гарантирует от появления трещин по этой причине. Недостатком масла как закалочной среды является: выделение при закалке газов, вредных для здоровья, образование налёта на инструменте, способность масла воспламеняться, ухудшение со временем закаливаемой способности масла и др.

В табл. 7 приведены данные о. применяемых маслах для закалки и отпуска стали.

Хорошей средой для охлаждения малолегированной стали и высокоуглеродистой стали небольших сечений является керосин, обладающий большей скоростью охлаждения, чем масло. Однако недостатком керосина является его горючесть. Поэтому необходимо следить, чтобы керосин не нагревался выше 35-38°. Детали, во избежание воспламенения керосина, необходимо опускать в него быстро. Ванна для закалки должна иметь крышку, обеспечивающую полное прекращение доступа воздуха в случае загорания.

Плоские шаблоны, дисковые фрезы и другие плоские изделия толщиной до 1 мм из углеродистой стали и до 3-4 мм из легированной стали можно закаливать между специально оборудованными полыми закалочными плитами, в которых циркулирует вода.

При пользовании сплошными плитами хороший результат даёт смазывание маслом соприкасающихся с закаливаемой деталью поверхностей и передвижение одной плиты относительно другой. Закалочные плиты надо помещать у самой дверки печи, чтобы изделие не успело остыть при переносе его из печи.

Для сталей с устойчивым аустенитом охлаждающей средой может служить воздух, подаваемый компрессором или вентилятором, а также спокойный воздух. При охлаждении воздухом, подаваемым компрессором или вентилятором, особенно в зимнее время, необходимо перед закалкой проверять, чтобы в воздухопроводе не было воды, так как попадание её на изделие может быть причиной появления трещин.

При применении изотермической или ступенчатой закалки в качестве охлаждающей среды пользуются горячим маслом или легкоплавкими солями. Ввиду того, что температура охлаждающей среды должна быть выше 200°, чаще всего применяют расплавленные легкоплавкие соли. В табл. 8 приведены составы солей, применяемых для соляных ванн.

При большом количестве закаливаемого инструмента закалочная ванна должна быть достаточной ёмкости для того, чтобы охлаждающая среда имела незначительные колебания температуры. В случае необходимости расплавленную соль можно охлаждать продувкой сухого воздуха.

Выбор способа закалки зависит от состава стали, сложности изделия и требуемых свойств.

Закалка в одном охладителе, в особенности углеродистых сталей, сопровождается наибольшим процентом брака из-за образования трещин и коробления. Поэтому этим способом закаливают изделия только несложной формы и цементованные.

Закалка более сложных изделий, изготовленных из углеродистых сталей, производится в двух охладителях: вначале в воде, примерно до температуры 150-180°, а затем в масле.

Продолжительность выдержки в воде до переноса в масло определяется калильщиком и для инструмента средних размеров равна примерно 2-5 сек., например, деталь из стали У8А размером 5 х 25 X 180 мм охлаждается в воде 2 сек., после чего переносится в масло. Твёрдость после закалки R c = 61 - 63. Охлаждение этой детали в воде в течение 5-6 сек. давало 50 -70% брака из-за образования трещин.

Для закалки изделий со сквозными и глухими отверстиями в основном применяется струйчатая закалка. Охлаждение производится в струе воды или водяным душем. После потемнения изделие во избежание самоотпуска охлаждается в масле.

При изотермической закалке нагретое изделие охлаждают в масле или расплавленной соли при температуре немного выше точки мартенситного превращения. После полного окончания превращения аустенита, изделия охлаждают на воздухе. В результате изотермической закалки в стали образуется

структура игольчатого тростита и изделие проиобретает твёрдость R 0 = 40-50 в сочетании с высокой вязкостью. При этом способе закалки резко снижаются случаи растрескивания и коробления. В инструментальном деле изотермическая закалка применяется редко из-за низкой твёрдости. В табл. 9 приведено время охлаждения цилиндров в солях с разной температурой.

Для закалки изделий небольших размеров (до 10-12 мм) применяется ступенчатая закалка, отличающаяся от изотермической закалки временем пребывания изделия в охлаждающей среде. При этой закалке изделие находится в охладителе с температурой 220-250° только до выравнивания температуры по всему сечению, после чего охлаждается на воздухе. Во время охлаждения на воздухе происходит превращение аустенита в мартенсит. Изделие после выгрузки из охладителя можно первое время править, что является большим достоинством этого процесса. При размерах изделий свыше 10-12 мм горячая охлаждающая среда не сможет обеспечить быстрого охлаждения и они не закалятся до требуемой твёрдости.

На практике полностью себя оправдал следующий вид ступенчатой закалки:

Нагретое изделие охлаждают в масле или легкоплавкой соли с температурой 150-180 o до выравнивания температуры, а затем на воздухе. Хотя при этом способе править изделие невозможно из-за быстрого образования мартенсита, но по сравнению с обычной закалкой этот способ резко снижает брак из-за образования трещин и коробления. Наблюдениями (проведёнными на заводе «Фрезер») за партией свёрл из стали 9ХС, обработанных по этому способу, установлено, что из 80000 шт. закалённых свёрл 52000 не имели коробления, превышающего припуск на шлифование, а в остальных коробление было незначительное, легко исправимое.

В практике термической обработки инструментов иногда закалку совмещают с отпуском. Такая закалка применяется в основном для ударного инструмента, изготовленного из углеродистой стали, в котором твёрдость должна уменьшаться от рабочей части к хвостовику.

Процесс закалки с самоотпуском следует производить в таком порядке: нагреть инструмент до температуры закалки; опустить рабочую часть в воду до потемнения; вынуть и быстро зачистить рабочую часть наждачной бумагой, напильником и т. п. и при появлении требуемого цвета побежалости охладить инструмент в масле.

Закалка при температуре ниже нуля. Структура легированных и высокоуглеродистых сталей после закалки состоит в основном из мартенсита и некоторого количества неразложившегося остаточного аустенита. Превращение остаточного аустенита в мартенсит происходит при последующем отпуске или в результате естественного старения. В некоторых высоколегированных марках сталей (Х12, Х12М и т. п.) аустенит весьма устойчив и полностью превратить его в мартенсит, даже путём многократных отпусков, не удаётся. Хорошим средством для окончательного разложения аустенита является дополнительное охлаждение закалённых изделий до температур -70-80°. В результате этого процесса повышается твёрдость и стабилизируются размеры. Обработка при температурах ниже нуля впервые была исследована и предложена для внедрения в промышленность советским учёным-металловедом Л. П. Гуляевым.

Технологический процесс этого способа закалки следующий: 1) нагрев изделия до требуемой температуры; 2) закалка в обычном для данной стали охладителе; 3) дополнительное охлаждение до температуры -70-80°; 4) отпуск.

При охлаждении до низких температур возникают дополнительные внутренние напряжения, могущие вызвать появление трещин. Мерами, предупреждающими появление трещин, являются ступенчатая закалка и замедленное охлаждение при температурах ниже нуля. Во избежание появления трещин не следует погружать изделия непосредственно в охладитель, а необходимо предварительно завёртывать их в асбест или пользоваться холодильником с двойными стенками. В качестве охладителя применяют жидкий азот, жидкий кислород и т. п.

Закалкой называется операция термической обработки, состоя-щая из нагрева до температур выше верхней критической точки A C 3 для доэвтектоидной стали и выше нижней критической точки А С1

для заэвтектоидной стали и выдержки при данной температуре с последующим быстрым охлаждением (в воде, масле, водных раство-рах солей и пр.).

В результате закалки сталь получает структуру мартенсита и благодаря этому становится твердой.

Закалка повышает прочность конструкционных сталей, придает твердость и износостойкость инструментальным сталям.

Режимы закалки определяются скоростью и температурой на-грева, длительностью выдержки при этой температуре и особенно скоростью охлаждения.

Выбор температуры закалки.

Температура нагрева стали для закалки зависит в основном от химического состава стали. При за-калке доэвтектоидных сталей нагрев следует вести до температуры на 30 - 50° выше точки А С3 . В этом случае сталь имеет структуру однородного аустенита, который при последующем охлаж-дении со скоростью, превышающей критическую скорость закалки, превращается в мартенсит. Такая закалка называется полной . При нагреве доэвтектоидной стали до температур A C 1 — А C 3 в структуре мартенсита сохраняется некоторое количество оставше-гося после закалки феррита, снижающего твердость закаленной ста-ли. Такая закалка называется неполной.

Для заэвтектоидной ста-ли наилучшая температура закалки — на 20—30° выше А С1 , т. е. неполная закалка. В этом случае сохранение цементита при нагреве и охлаждении будет способствовать повышению твердости, так как твердость цементита больше твердости мартенсита. Нагревать заэвтектоидную сталь до температуры выше А ст не следует, так как твердость получается меньшей, чем при закалке с температуры выше А С1 ,за счет растворения цементита и увеличения количества остаточного аустенита. Кроме того, при охлаждении с более высоких температур могут возникнуть большие внутренние напря-жения.

Скорость охлаждения.

Для получения структуры мартенсита требуется переохладить аустенит путем быстрого охлаждения ста-ли,находящейся при температуре наименьшей устойчивости аусте-нита, т. е.при 650—550° С.

В зоне температур мартенситного превращения, т. е,ниже 240°С, наоборот, выгоднее применять замедленное охлаждение, так как образующиеся структурные напряжения успевают выравняться, а твердость образовавшегося мартенсита практически не снижается.

Правильный выбор закалочной среды имеет большое значение для успешного проведения термической обработки.

Наиболее распространенные закалочные среды —вода, 5—10%-ный водный раствор едкого натра или поваренной соли и минераль-ное масло. Для закалки углеродистых сталей можно рекомендовать воду с температурой 18° С; а для закалки большинства легирован-ных сталей — масло.

Закаливаемость и прокаливаемость стали.

При закалке стали важно знать еезакаливаемость и прокаливаемость. Эти характерис-тикине следует смешивать.

Закаливаемость показывает способность стали к повы-шению твердости при закалке. Некоторые стали обладают плохой закаливаемостью, т. е.имеют недостаточную твердость после за-калки. О таких сталях говорят, что они «не принимают» закалку.

Закаливаемость стали зависит восновном от содержания в ней углерода. Это объясняется тем, что твердость мартенсита зависит отстепени искажения его кристаллической решетки. Чем меньше вмартенсите углерода, тем меньше будет искажена его кристалли-ческая решетка и, следовательно, тем ниже будет твердость стали.

Прокаливаемость стали характеризуется ееспособ-ностью закаливаться на определенную глубину. При закалке по-верхность детали охлаждается быстрее, так как она непосредствен- носоприкасается с охлаждающей жидкостью, отнимающей тепло. Сердцевина детали охлаждается гораздо медленнее, тепло из цент-ральной части детали передается через массу металла к поверх-ности итолько на поверхности поглощается охлаждающей жидкостью.

Прокаливаемость стали зависит от критической скорости за-калки: чем ниже критическая скорость, тем на большую глубину прокаливаются стальные детали. Например, сталь с крупным при-родным зерном аустенита (крупнозернистая), которая имеет низ-кую критическую скорость закалки, прокаливается на большую глу-бину, чем сталь с мелким природным зерном аустенита (мелкозернистая), имеющая высокую критическую скорость закалки. Поэто-му крупнозернистую сталь применяют для изготовления деталей, которые должны иметь глубокую или сквозную прокаливаемость, амелкозернистую — для деталей с твердой поверхностной закален-ной коркой и вязкой незакаленной сердцевиной.

На глубину прокаливаемости влияют также исходная структура закаливаемой стали, температура нагрева под закалку и закалочная среда.

Прокаливаемость стали можно определить по излому, по микроструктуре и по твер-дости.

Виды закалки стали .

Су-ществует несколько способов закалки, применяемых в за-висимости от состава стали, характера обрабатываемой де-тали, твердости, которую не-обходимо получить, и усло-вий охлаждения.

Закалка в одной среде схематично показана на рис. 1 в виде кривой 1 . Такую закалку проще выполнять, но ее можно применять не для каждой стали и не для любых деталей, так как быстрое охлаждение деталей переменного сечения в боль-шом интервале температур способствует возникновению температур-ной неравномерности и больших внутренних напряжений, что может вызвать коробление детали, а иногда и растрескивание (если вели-чина внутренних напряжений превзойдет предел прочности).

Чем больше углерода в стали, тем больше объемные изменения и структурные напряжения, тем больше опасность возникновения трещин.

Рис. 1

Заэвтектоидные стали закаливают в одной среде, если детали имеют простую форму (шарики, ролики и т. д.). Если детали слож-ной формы, применяют либо закалку в двух средах, либо ступенча-тую закалку.

Закалку в двух средах (кривая 2)применяют для инструмента из высокоуглеродистой стали (метчики, плашки, фре-зы). Сущность способа состоит в том, что деталь вначале замачива-ют в воде, быстро охлаждая ее до 300—400° С, а затем переносят в масло, где оставляют до полного охлаждения.

Ступенчатую закалку (кривая 3) выполняют путем быстрого охлаждения деталей в соляной ванне, температура кото-рой намного выше температуры начала мартенситного превращения (240—250° С). Выдержка при этой температуре должна обеспечить выравнивание температур по всему сечению детали. Затем детали охлаждают до комнатной температуры в масле или на спокойном воздухе, устраняя тем самым термические внутренние напряжения.

Ступенчатая закалка уменьшает внутренние напряжения, ко-робление и возможность образования трещин.

Недостаток этого вида закалки в том, что горячие следы не мо-гут обеспечить большую скорость охлаждения при температуре 400—600° С. В связи с этим ступенчатую закалку можно применять для деталей из углеродистой стали небольшого сечения (до 8—10 мм). Для легированных сталей, имеющих небольшую критическую ско-рость закалки, ступенчатая закалка применима к деталям большого сечения (до 30 мм).

Изотермическую закалку (кривая 4)проводят так же, как ступенчатую, но с более длительной выдержкой при темпера-туре горячей ванны (250—300° С), чтобы обеспечить полный распад аустенита. Выдержка, необходимая для полного распада аустенита, определяется по точкам а и b и по S-образной кривой (см. рис. 1). В результате такой закалки сталь приобретает структуру игольча-того троостита с твердостью HRC45 55 и с сохранением необхо-димой пластичности. После изотермической закалки охлаждать сталь можно с любой скоростью. В качестве охлаждающей среды ис-пользуют расплавленные соли: 55% KNO 3 + 45% NaNO 2 (темпе-ратура плавления 137° С) и 55% KNO 3 + 45% NaNO 3 (температура плавления 218° С), допускающие перегрев до необходимой темпера-туры.

Изотермическая закалка имеет следующие преимущества перед обычной:

минимальное коробление стали и отсутствие трещин; большая вязкость стали.

В настоящее время широко используют ступенчатую и изотерми-ческую светлую закалки.

Светлую закалку стальных деталей проводят в специ-ально оборудованных печах с защитной средой. На некоторых инст-рументальных заводах для получения чистой и светлой поверхности закаленного инструмента применяют ступенчатую закалку с ох-лаждением в расплавленной едкой щелочи. Перед закалкой инстру-мент нагревают в соляной ванне из хлористого натрия при темпера-туре на 30—50° С выше точки А С1 и охлаждают при 180—200° С в ванне, состоящей из смеси 75% едкого калия и 25% едкого натра сдобавлением 6—8% воды (от веса всей соли). Смесь имеет тем-пературу плавления около 145° С и, благодаря тому что в ней находится вода, обладает очень высокой закаливающей способ-ностью.

При ступенчатой закалке стали с переохлажде-нием аустенита в расплавленной едкой щелочи с последующим окон-чательным охлаждением на воздухе детали приобретают чистую светлую поверхность серебристо-белого цвета; в этом случае отпа-дает необходимость в пескоструйной очистке деталей и достаточна промывка их в горячей воде.

Закалка с самоотпуском широко применяется в инструментальном производстве. Сущность ее состоит в том, что детали не выдерживают в охлаждающей среде до полного охлажде-ния, а в определенный момент извлекают из нее, чтобы сохранить в сердцевине изделия некоторое количество тепла, за счет которого производится последующий отпуск. После достижения требуемой температуры отпуска за счет внутреннего тепла деталь окончатель-но охлаждают в закалочной жидкости.

Проконтролировать отпуск можно по цветам побежалости (см. рис. 2), появляющимся на зачищенной поверхности стали при 220—330° С.

Рис. 2. Ц вета побежалости при отпуске

Закалку ссамоотпуском применяют для зубил, кувалд, слесарных молотков, кернеров и другого инструмента, требующего высокой твердости на поверхности и сохранения вязкой сердцевины.

Способы охлаждения при закалке.

Быстрое охлаждение стальных деталей при закалке является причиной возникновения в них боль-ших внутренних напряжений. Эти напряжения иногда приводят к короблению деталей, а в наиболее тяжелых случаях — к трещинам. Особенно большие и опасные внутренние напряжения возни-кают при охлаждении в воде. Поэтому там, где можно, следует ох-лаждать детали в масле. Однако в большинстве случаев для деталей из углеродистой стали это невозможно, так как скорость охлаждения в масле значительно меньше критической скорости, необходи-мой для превращения аустенита в мартенсит. Следовательно, мно-гие детали из углеродистых сталей рекомендуется закаливать с ох-лаждением в воде, но при этом уменьшать неизбежно возникающие внутренние напряжения. Для этого пользуются некоторыми из описанных способов закалки, в частности, закалкой в двух средах, закалкой с самоотпуском и т. д.

Внутренние напряжения зависят также от способа погружения деталей в закалочную среду. Необходимо придерживаться следую-щих основных правил:

детали, имеющие толстую и тонкую части, погружать в закалоч-ную среду сначала толстой частью;

детали, имеющие длинную вытянутую форму (метчики, сверла развертки), погружать в строго вертикальном положении, иначе они покоробятся (рис. 3).

Рис. 3. Правильное погружение деталей и инструментов в за-каливающую среду

Иногда по условиям работы должна быть закалена не вся деталь, а лишь часть ее. В этом случае применяют местную закалку: деталь нагревают не полностью, а в закалочную среду погружают целиком. В этом случае закаливается только нагретая часть детали.

Местный нагрев мелких деталей производят в соляной ванне, погружая в нее только ту часть детали, которую требуется закалить; так закаливают, например, центры токарных станков. Можно по-ступать и так: нагреть деталь полностью, а охладить в закалочной среде только ту часть, которая должна быть закалена.

Дефекты, возникающие при закалке стали.

Недостаточ-ная твердость закаленной детали — следствие низкой тем-пературы нагрева, малой выдержки при рабочей температуре или недостаточной скорости охлаждения.

Исправление де-фекта: нормализация или отжиг с последующей закалкой; при-менение более энергичной закалочной среды.

Перегрев связан с нагревом изделия до температуры, значительно превышающей необходимую температуру нагрева под закалку. Перегрев сопровождается образованием крупнозернистой структуры, в результате чего повышается хрупкость стали.

И справление дефекта : отжиг (нормализация) и последущая закалка с необходимой температуры.

Пережог возникает при нагреве стали до весьма высоких температур, близких к температуре плавления (1200—1300° С) в окислительной атмосфере. Кислород проникает внутрь стали, и по границам зерен образуются окислы. Такая сталь хрупка и исправить ее невозможно.

Окисление и обезуглероживание стали ха-рактеризуются образованием окалины (окислов) на поверхности дета-лей и выгоранием углерода в поверхностных слоях. Этот вид брака термической обработкой неисправим. Если позволяет припуск на механическую обработку, окисленный и обезуглероженный слой нужно удалить шлифованием. Чтобы предупредить этот вид брака, детали рекомендуется нагревать в печах с защитной атмосфе-рой.

Коробление и трещины — следствия внутренних напряжений. Во время нагрева и охлаждения стали наблюдаются объемные изменения, зависящие от температуры и структурных пре-вращений (переход аустенита в мартенсит сопровождается увеличе-нием объема до 3%). Разновременность превращения по объему за-каливаемой детали вследствие различных ее размеров и скоростей охлаждения по сечению ведет к развитию сильных внутренних нап-ряжений, которые служат причиной трещин и коробления деталей в процессе закалки.

Образование трещин обычно наблюдается при температурах ниже 75—100° С, когда мартенситное превращение охватывает значительную часть объема стали. Чтобы предупредить образова-ние трещин, при конструировании деталей необходимо избегать резких выступов, заостренных углов, резких переходов от тонких сечений к толстым; следует также медленно охлаждать сталь в зоне образования мартенсита (закалка в масле, в двух средах, ступенча-тая закалка). Трещины являются неисправимым браком, коробле-ние же можно устранить последующей рихтовкой или правкой.

Нагревательные печи. Для термической обработки применяемые печи в термических цехах подразделяются следующим образом.

1. По технологическим признакам, универсальные для отжига, норма­лизации и высокого отпуска, специального назначения для нагрева одно­типных деталей.

2. По принимаемой температуре: низкотемпературные (до 600°С), среднетемпературные (до 1000°С) и высокотемпературные (свыше 1000°С).

3. По характеру загрузки и выгрузки: печи с неподвижным подом, с выдвижным подом, элеваторные, колпаковые, многокамерные.

4. По источнику получения тепла: мазутные, газовые, электрические В последнее время получили распространение газовые и электрические пе­чи.

5. Печи-ванны, свинцовые, соляные и другие. Нагрев деталей в свин­цовых и соляных ваннах является равномерным и быстрым, чем в печах.

6. Нагревательные установки: для нагрева деталей ТВЧ, для электро- контактного нагрева и др.

7. По зависимости от среды, в которой нагреваются детали, различа­ются печи с воздушной атмосферой (окислительные) и с контролируемой или защитной атмосферой (безокислительные). Контролируемые атмосферы - это газовые смеси, у которых газы во время нагрева нейтрализуют друг друга и тем самым предотвращают окисление деталей.

Температура нагрева играет главенствующую роль и для каждого вида термообработки в зависимости от химического состава определяется по диаграмме состояния железо - цементит (рис. 6.3). Практически темпера­туры нагрева выбирают из таблиц справочников.

Время нагрева (скорость нагревания) зависит от многих факторов: химического состава стали, величины и формы изделий, взаимного распо­ложения изделия в печи и др.

Чем больше в стали углерода и легирующих элементов, а также чем сложнее конфигурация изделия, тем медленнее должно быть нагревание При быстром нагревании из-за большого интервала температур поверхности и сердцевины в изделии возникают большие внутренние напряжения, кото­рые могут вызвать коробление детали и трещины.

Обычно изделия загружают в печь, разогретую до заданной темпера­туры. В этом случае время нагрева может быть определено по формуле проф. А.П. Гуляева:

τ н = 0,1К 1 К 2 К 3 D, мин, (6.1)

где D - минимальный размер максимального сечения в мм;

К 1 - коэффициент формы, имеющий следующие значения: для шара -1, для ци­линдра -2, параллелепипеда - 2,5, пластины – 4;

К 2 - коэффициент среды, который при нагреве в соли равен 1, в свинце - 0,5, в га­зовой среде - 2,

К 3 - коэффициент равномерности нагревания (табл. 6.1)

Рис.6.3. Температурные зоны для различных видов термообработки

Время выдержки. При любом виде термической обработки, после достижения изделием заданной температуры, необходима выдержка, чтобы полностью произошли структурные изменения. Время выдержки зависит от размеров деталей, способа нагрева, марки стали и вида термообработки. В таблице 6.2 приведены данные по определению времени выдержки для углеродистых сталей.

Полное время нагрева будет определяться по формуле:

τ О = τ Н + τ В (6.2)

где τ Н - время нагрева в мин; τ В - время выдержки в мин.

Кроме расчетного метода часто пользуются опытными данными Так на 1 мм се­чения или толщины изделия из доэвтектоидных сталей продолжительность нагрева в электропечах принимают τ Н = 45-75 с. Продолжительность выдержки при заданной тем­пературе часто принимают τ В = (0,15+0,25)τ Н. Для инструмента из углеродистой стали (0,7-1,3 % С) рекомендуется на 1 мм наименьшего сечения τ В =50-80 с, а из легирован­ной стали τ В =70-90 с.

Скорость охлаждения. В каждом виде термообработки конечной це­лью является получение соответствующей структуры. Это достигается ско­ростью охлаждения, которая определяется видом термообработки. В табли­це 6.3 приведены данные скорости охлаждения для различных видов термо­обработки.

Таблица 6.1

Значения коэффициента K 3 в зависимости от расположения изделий в нагревательной печи