Способы закалки сталей

Целью закалки сплавов на основе железа является получение мартенситной структуры. Для получения мартенситной структуры необходимо переохладить аустенит до температуры мартенситного превращения, следовательно, скорость охлаждения должна превышать критическую скорость V_кр. Наибольшую скорость V_кр имеют углеродистые стали 400 – 1400 град/с. Мартенситное превращение в таких сталях достигается только в результате резкого переохлаждения (обычно в холодной воде или в воде с добавлением солей).

Большинство легированных сталей приобретают мартенситную структуру при охлаждении в холодных или подогретых маслах. Высоколегированные стали закаливаются на мартенсит даже при охлаждении на воздухе.

Существует несколько способов закалки:

1. Наиболее простой – закалка в одном охладителе, когда закаливаемое изделие помещается в жидкую среду, имеющую комнатную температуру (V₃, рис. 18.5). Способ применяется для закалки углеродистых сталей. В качестве закаливаемой среды применяют воду или водные растворы солей или щелочей (5 – 15% NаCl, 40 – 50% NаOH), которые обеспечивают скорость охлаждения до 1400 град/с.

Для легированных сталей повышенной прокаливаемости рекомендуется осуществлять охлаждение в 40 – 50% NаOH, а c пониженной прокаливаемостью – 5 – 15% NаOH.

Для крупных изделий сложной формы типичными закалочными средами являются минеральные масла или их смеси.

Для уменьшения деформации изделий и предотвращения трещин применяют закалку в двух средах, ступенчатую закалку, закалку с самоотпуском, поверхностную и изотермическую закалки. Основным источником напряжения служит увеличение объема при превращении аустенита в мартенсит.

2. Закалка в двух средах – после нагрева под закалку изделие погружается на определенное время в воду, в результате чего достигается быстрое прохождение температурного района минимальной устойчивости аустенита, а затем переносится в более мягкую охлаждающую среду (масло). Этот способ охлаждения требует точного расчета времени пребывания изделия в среде (V₄, рис. 15.5).

Рис. 15.5. Способы закалки стали: П – перлит; С – сорбит; Т – троостит; Б – бейнит, М – мартенсит, Ф – феррит, Ц – цементит, А_ост – остаточный аустенит

3. Ступенчатая закалка – изделие, нагретое до температуры закалки, переносят в жидкую среду, имеющую температуру на 50 – 100 °C выше мартенситной точки М_н для закаливаемой стали; выдерживают некоторое время, необходимое для выравнивания температуры по сечению, а затем окончательно охлаждают на воздухе (V₅, рис. 15.5).

Применение ступенчатой закалки ограничивается размерами деталей 10 – 12 мм для деталей из углеродистой стали и 10 – 30 мм – из легированных сталей. В качестве закалочной среды используются специальные масла, обладающие высокой температурой вспышки.

При ступенчатой закалке уменьшается склонность к образованию трещин и снижается деформация при закалке.

4. Изотермическая закалка – применяется в основном для легированных сталей в случае, если желательно получить структуру нижнего бейнита. Такая структура обеспечивает высокую прочность, пластичность и вязкость стали, т.е. высокую конструкционную прочность. При изотермической закалке изделие, нагретое под закалку, переносят в ванну с расплавленными солями, имеющими температуру на 50 – 100 °C выше мартенситной точки М_н, выдерживают при этой температуре до завершения превращения аустенита в бейнит и охлаждают на воздухе (V₆, рис. 15.5).

Для охлаждения при изотермической закалке обычно используют расплавленные соли и щелочи разного состава. Охлаждение в расплавах щелочей (если нагрев под закалку производился в хлористых солях) позволяет получить чистую поверхность после термообработки. Такую закалку называют светлой.

Для сочетания высокой твердости и вязкости иногда применяют закалку самоотпуском.

Сущность этой закалки заключается в том, что изделия после нагрева для закалки выдерживают в закалочной ванне до неполного охлаждения. Их извлекают из охладителя, когда внутренние слои еще нагреты. Из-за внутренней теплоты происходит нагрев поверхности слоев изделия до нужной температуры, т.е. самоотпуск закаливаемых изделий.

Обработка стали холодом. Высокоуглеродистые и многие легированные стали имеют температуру точки М_к ниже 0°C, в результате чего после закалки в структуре стали наряду с мартенситом сохраняется остаточный аустенит, снижающий ее твердость. Поэтому для устранения остаточного аустенита сразу же после закалки проводят охлаждение детали в области отрицательных температур Т < М_к. Для этого используются сухой лед или промышленные холодильники. После обработки холодом делают низкий отпуск.

Поверхностная закалка. При поверхностной закалке на некоторую заданную глубину закаливается только поверхностный слой, тогда как сердцевина изделия остается незакаленной. Она предназначена для повышения твердости износостойкости и предела выносливости обрабатываемого изделия. Сердцевина при этом остается вязкой и сопротивляется ударным нагрузкам. В практике в основном применяют поверхностную закалку с индукционным нагревом током высокой частоты, реже – закалку с газопламенным нагревом.

Выбор оптимальной толщины упрочняемого слоя определяется условиями работы детали. Когда изделие работает только на износ или в условиях усталости, толщину закаленного слоя принимают равной 1,5 – 3,0 мм. В условиях высококонтактных нагрузок толщина слоя достигает 4 – 5 мм. В случае особо больших контактных нагрузок, например, для валков холодной прокатки толщина закаленного слоя достигает 10 – 15 мм и выше.

Индукционный нагрев происходит вследствие теплового действия тока, индуцируемого в изделии, при помещении его в переменное магнитное поле. Для закалки токами высокой частоты обычно используют углеродистые мелкозернистые стали. Легированные стали с повышенной прокаливаемостью имеют большую толщину закаленного слоя, что нежелательно и даже вредно.

Преимущества индукционной закалки, по сравнению с обычной, следующие:

- большая экономичность, так как нет необходимости расходовать теплоту на нагрев всей детали;

- меньший брак по короблению и образованию закалочных трещин;

- отсутствие окалинообразования и выгорания углерода;

- более высокие механические свойства после закалки;

- регулируемость толщины закаленного слоя;

- высокая производительность.

К недостатку индукционной закалки следует отнести необходимость специализированного оборудования и сложных приспособлений.

Газопламенная закалка применяется для крупных изделий (прокатных валков, валов и т.д.). Поверхность детали нагревают газовым пламенем с температурой 2400 – 3150 °C. Последующее быстрое охлаждение обеспечивает закалку поверхностного слоя. В качестве горючего применяют ацетилен, природный газ, керосин. Толщина закаленного слоя обычно 2 – 4 мм. Газопламенная закалка вызывает меньше деформации, чем объемная. Для крупных деталей этот способ закалки более рентабелен, чем закалка с индукционным нагревом. Сложность заключается в трудности регулирования температуры нагрева и глубины закаленного слоя.