Химическое действие на металл нагревающей среды

Для нагрева изделий используют нагревательные печи, соляные ванны или ванны с расплавленным металлом, установки для нагрева токами промышленной и высокой частоты.

На большинстве предприятий нагрев изделий осуществляют в печах с газовой средой, оказывающей на сталь различное воздействие: окисляющее (О₂, CO₂, пар); восстанавливающее (CO, H₂, CH₄); обезуглероживающее (O₂, H₂, CO₂, H₂0); науглероживающее (CO, CH₄); нейтральное (N₂, инертные газы, вакуум).

В результате окисляющего воздействия газовой среды на поверхности детали образуется окалина, которая противодействует получению высокой и равномерной твердости изделий при закалке, приводит к изменению размеров изделий, увеличению припусков на механическую обработку. Для предотвращения окисления используют специально подобранные газовые смеси, в которых соотношение окисляющих компонентов оптимально.

Обезуглероживание или выгорание углерода в поверхностных слоях металла снижает сопротивление усталости деталей. Для борьбы с обезуглероживанием используют специальные контролируемые атмосферы, получаемые при сжигании углеродных газов с различным коэффициентом избытка воздуха.

В условиях серийного производства для предотвращения от окисления и обезуглероживания термообработка инструмента проводится в специально раскисленных соляных ваннах.

Закалочные среды

Для закалки обычно используют жидкости – воду, растворы солей и щелочей. При закалке в этих средах различают три периода:

1) пленочное кипение, когда на поверхности стали образуется «паровая рубашка», в этот период скорость охлаждения относительно невелика;

2) пузырьковое кипение, наступающее при полном разрушении паровой пленки (происходит быстрый отвод теплоты);

3) конвективный теплообмен при температуре ниже температуры кипения охлаждающей жидкости (отвод теплоты в этот период происходит с наименьшей скоростью);

Основным недостатком воды как охлаждающей среды является высокая скорость охлаждения, часто приводящая к образованию закалочных дефектов.

Наиболее высокой и равномерной охлаждающей способностью отличаются 8 – 12%-ные водные растворы NaCl и NaOH. При закалке в таких растворах паровая рубашка разрушается практически мгновенно и охлаждение происходит на стадии пузырькового кипения.

Преимуществом масла как закалочной среды является небольшая скорость охлаждения в мартенситном интервале температур. Это уменьшает вероятность возникновения закалочных дефектов. Недостатком является повышенная воспламеняемость, недостаточная стабильность, повышенная стоимость.

В качестве закалочных сред иногда применяют растворы моющих средств, содержащих поверхностно-активные вещества, жидкий силикат и синтетические вещества. Закалка в водных растворах полимеров и моющих средств приводит к уменьшению скорости охлаждения при температурах, меньших температуры начала мартенситного превращения, и исключению трещин и коробления.

Технологии закалки уделяют особое внимание, так как эта операция является наиболее ответственной. Выбор температуры закалки производится в зависимости от температуры критических точек (Ас₁, Ас₃, Ас_m).

Доэвтектоидные стали нагреваются выше температуры точки Ас₃ на 30 – 40°C. Не допускается нагрев этих сталей ниже Ас₃ (Ас₁ < t < Ас₃), так как при последующем охлаждении наряду с мартенситом закалки в структуре будет присутствовать феррит, из-за низкой твердости которого твердость стали после закалки будет существенно понижена и неоднородна.

Для заэвтектоидных сталей оптимальной является температура нагрева выше Ас₁ на 30 – 40°C. В этом случае при скоростях охлаждения V > V_кр образуется структура мартенсита закалки и вторичного цементита. Так как твердость цементита выше, чем твердость мартенсита соответственно (750НВ и 600НВ), то достигается максимальная твердость стали после закалки.

Однако это возможно лишь в том случае, если выделения вторичного цементита имеют зернистую форму. Выделение же цементита в виде сетки по границам зерен приводит к хрупкости стали. Поэтому заэвтектоидные стали для получения качественной исходной структуры перед закалкой обязательно подвергают отжигу.

Температуру нагрева под закалку легированных сталей берут из справочников. Критическую скорость закалки V_кр для конкретных сталей определяют по термокинетической диаграмме состояния. При больших скоростях охлаждения при закалке возникают внутренние напряжения, которые могут привести к короблению и растрескиванию деталей.