Закаливаемость и прокаливаемость стали

Свойства стали после закалки зависят от закаливаемости и прокаливаемости стали.

Закаливаемость – способность стали повышать твердость при закалке (образовывать в структуре мартенсит)

Закаливаемость зависит от содержания углерода в стали. Сталь с содержанием углерода до ~0,3 % практически не закаливается.

Прокаливаемость – глубина закаленной зоны со структурой мартенсита или троостомартенсита по сечению.

Прокаливаемость стали зависит от критической скорости охлаждения и определяется ее составом.

V_кр1>критическая скорость охлаждения всего сечения, что определяет сквозную прокаливаемость; по всему сечению структура мартенсит.

V_кр2-расстояние а – глубина прокаливаемости, т.е. зона со структурой мартенсит.

V_кр3-расстояние б – глубина прокаливаемости.

Чем меньше критическая скорость

Характеристики прокаливаемости – критический диаметр Д_кр – наибольший размер цилиндра из данной стали, который после закалки имеет структуру мартенсит по всему сечению (Д_99,9). Д_кр зависит от критической скорости охлаждения V_кр и охлаждающей среды. Допускается полумартенситная структура (50% мартенсита и 50 % троостита в центре образца (Д₅₀)).

Состав стали одной и той же марки, размер зерна, форма изделия могут меняться в широких пределах, поэтому прокаливаемость каждой стали характеризуют полосой (а не кривой) прокаливаемости.

Легирование хромом увеличивает прокаливаемость с 7 мм (а) до 30 мм при 1,5% Cr в стали.

Отпуск

Эта обработка проводится после закалки с полиморфным превращением и является окончательной операцией термической обработки стали.

Цель отпуска – снятие закалочных напряжений и придание стали заданных свойств прочности, твердости и пластичности. Правильное выполнение отпуска в значительной степени определяет качество закаленной детали. Темпе­ратура отпуска варьируется в широких пределах - от 150 до 700°С в зависимости от его цели (рис.).

Различают низкий, средний и высокий отпуск.

Низкий отпуск характеризуется нагревом в интервале 150-250°С, выдержкой при этой температуре до 2,5 час и последующим охлаждением на воздухе (мартенсит закалки превращается в мартенсит отпуска). М₃®М_от. Снимаются закалочные макронапряжения, повышается вязкость, твердость практически не снижается. Применение: для режущего и измерительного инструмента инструментальных сталей, стали после упрочнения поверхности изделия (цементации).

Средний отпуск производится при температурах 300 - 500°С для получения структуры троостита отпуска. Структура троостит отпуска обеспечивает высокий предел упругости и выносливости, релаксационную стойкость. Применение: для рессорно-пружинных сталей, штамповых сталей.

Высокий отпуск выполняется при температурах 500-680°С. В процессе высокого отпуска мартенсит распада­ется с образованием структуры сорбита отпуска. Эта структура обеспечивает лучшее сочетание прочности и пластичности стали. Применение: изделия из среднеуглеродистых конструкционных сталей (0,3 – 0,5%С), работающих при ударных нагрузках. Закалку стали с последующим высо­ким отпуском называют улучшением. Конструкционные стали 35, 45, 40Х в результате улучшения получают более высокие механические свойства. Отпуск закаленных де­талей проводят непосредственно после закалки, так как возникшие в них внутренние напряжения могут вызвать образование трещин. Недогрев, ведущий к недоотпуску, получается при заниженных температурах отпуска или недостаточном времени выдержки.

 

Поверхностна закалка

Цель обработки – сочетание высокой твердости и прочности поверхностного слоя изделия с вязкой сердцевиной. В аустенитное состояние переводится только поверхностный слой заданной толщины, поэтому нагрев должен быть очень быстрым.

Поверхностная закалка током высокой частоты – закалка ТВЧ – нагрев детали в индукторе, частота тока 10^-3 -10^-5Гц.рис., 1- деталь;2- индуктор; 3- магнитные силовые линии. Переменное магнитное поле индуктора индуцирует ток, который разогревает поверхностный слой детали. Скорость нагрева на 2-4 порядка выше, чем в печи. Охлаждение через душевое устройство, помещенное в индуктор (спрейер), сразу после нагрева.

Преимущества этого вида обработки: выше твердость, мельче зерно, сокращение длительности обработки, уменьшение коробления. Обработку легко применить при серийном автоматизированном производстве.

Применение: для деталей пониженной и регламентированной прокаливаемости, работающих на износ среднеуглеродистых сталей.

 

Дефекты при закалке

В процессе нагрева под закалку и при закалке могут появляться следующие дефекты: трещины, деформация и коробление, обезуглероживание, мягкие пятна и низкая твердость.

Закалочные трещины — это неисправимый брак, об­разующийся в процессе термической обработки. Они яв­ляются следствием возникновения больших внутренних напряжений. В штампах крупных размеров закалочные трещины могут появляться даже при закалке в масле. По­этому штампы целесообразно охлаждать до 150—200°С с быстрым последующим отпуском. Трещины возникают при неправильном нагреве (перегреве) и большой скоро­сти охлаждения в деталях, конструкция которых имеет резкие переходы поверхностей, грубые риски, оставши­еся после механической обработки, острые углы, тонкие стенки и т. д.

Деформация и коробление деталей происходят в резуль­тате неравномерных структурных и связанных с ними объемных превращений, обусловливающих возникнове­ние внутренних напряжений в металле при нагреве и ох­лаждении. При закалке стали коробление деталей может происходить и без значительных объемных изменений в результате неравномерного нагрева и охлаждения.

Окисление и обезуглероживание происходят в основ­ном при нагреве под закалку от взаимодействия печных газов или расплавленных солей с поверхностными слоя­ми детали. Этот дефект особенно опасен на режущем ин­струменте, так как он в несколько раз снижает его стой­кость.

Мягкие пятна — это участки на поверхности детали или инструмента с пониженной твердостью. Такие де­фекты образуются при закалке в процессе охлаждения в закалочной среде, когда на поверхности детали имелись окалина, следы загрязнений и участки с обезуглерожен-ной поверхностью, а также в случае недостаточно быст­рого движения детали в закалочной среде и образования на поверхности детали паровой рубашки.

Низкая твердость чаще всего наблюдается при закал­ке инструмента. Причинами низкой твердости являются недостаточно быстрое охлаждение в закалочной среде, низкая температура закалки, а также недостаточная вы­держка при нагреве под закалку. Для исправления этого дефекта деталь следует подвергнуть высокому отпуску и снова закалить.

Перегрев деталей под закалку увеличивает зернистость металла и, следовательно, ухудшает его механические свойства. Металл приобретает повышенную хрупкость.

Для повторной закалки деталей их следует подвергнуть отжигу для измельчения зерна.

Недогрев получается в том случае, если температура за­калки была ниже критической точки. Недогрев исправ­ляют отжигом, после которого деталь снова закаливают.