Закаливаемость и прокаливаемость стали.

Под закаливаемостью понимают способность данной стали приобретать высокую твер­дость в результате закалки. Закаливаемость зависит в основном от содержания углерода в стали. Чем больше углерода в стали, тем выше ее твердость после закалки.

Под прокаливаемостью понимают способность стали образовы­вать мартенситную или трооститомартенситную структуру на опре­деленную глубину.

Прокаливаемость стали зависит от устойчивости переохлажден­ного аустенита, а следовательно, и от критической скорости охлаждения. Прокаливаемость тем выше, чем мень­ше критическая скорость охлаждения.

Прокаливаемость сталей оценивают глубиной закаленного слоя. За глубину закаленного слоя принимают расстоя­ние от поверхности до зоны, состоя­щей из 50% троостита закалки. Глуби­на расположения полумартенситной зоны определяется по твердости, ко­торая зависит в основном от содержа­ния углерода в стали.

Для измерения прокаливаемости используется характеристика, называемая критическим диаметром. Под критическим диаметром понимают максимальный диаметр детали, в центре которой после закалки получают полумартенситную зону.

Для определения прокаливаемости применяют метод торцевой закалки. Стандартный образец диаметром 25 мм и длиной 100 мм, нагретый до заданной температуры, охлаждается с торца на специальной установке; так как скорость охлаждения уменьша­ется по мере увеличения расстояния от торца, то изменяются струк­тура и твердость образца. Определив расстояние от торца до полумартенситной зоны данной марки стали, можно определить критический диаметр.

Углеродистые стали при закалке в воде имеют критический диа­метр 10—20 мм. Легированные стали при закалке в масле могут прокаливаться в сечении до 250-300 мм (это зависит от степени легирования стали).

Дефекты закалки. Одними из наиболее распространенных дефектов закалки яв­ляются деформация (так принято назы­вать изменение размеров детали), короб­ление (изменение формы детали - ее может изогнуть, завернуть пропеллером и т.д.) и появление трещин. Причина это­го — внутренние закалочные напряжения. Коробление происходит в том случае, если величина этих напряжений превос­ходит предел текучести, а трещины или полное разрушение детали - если они превышают предел прочности.

Внутренние напряжения, возникающие при закалке, делят на тепловые и структурные.

Тепловые напряжения возникают вследствие неравномерного ох­лаждения поверхности и сердцевины изделия, т.е. они вызваны перепадом температур по сечению изделия.

Структурные напряжения возникают в результате превращения аустенита в мартенсит.

При быстром охлаждении поверхностные слои сжимаются быс­трее, чем сердцевина. Однако сжатию поверхностных слоев пре­пятствуют внутренние слои. В результате в поверхностных слоях возникают временные (т. е. исчезающие после снятия нагрузки) ра­стягивающие, а в сердцевине — сжимающие напряжения. По мере охлаждения произойдет изменение знака напряжений на поверх­ности и в сердцевине. После охлаждения в поверхностных слоях получаются остаточные напряжения сжатия, а в сердцевине — ра­стяжения.

Возникновение структурных напряжений объясняется тем, что при охлаждении мартенсит образуется в первую очередь на поверхности, где температура понижается быст­рее, чем в сердцевине. Так как мартенсит имеет больший объем, чем аустенит, то в поверхностных слоях образуются временные сжимаю­щие напряжения, а во внутренних слоях — растягивающие. По мере развития превращения в поверхностных слоях образуются остаточ­ные напряжения растяжения, а в сердцевине — напряжения сжатия.

Тепловые и структурные напряжения возникают одновременно в процессе закалки, поэтому их суммируют.

В зависимости от соотношения между тепловыми и структурны­ми напряжениями на поверхности закаленного изделия могут быть остаточные растягивающие либо сжимающие напряжения.

Наиболее опасны растягивающие напряжения, которые возни­кают в основном за счет структурных напряжений.

Величина структурных напряжений тем больше, чем выше тем­пература закалки и скорость охлаждения. Для уменьшения структурных напряжений необходимо не до­пускать перегрева стали и уменьшать скорость охлаждения при тем­пературах ниже М_н. Склонность к образованию трещин возрастает с увеличением содержания углерода в стали, а также при наличии концентраторов напряжений. К ним относятся: резкое изменение сопряженных сечений изделия, наличие острых кромок и т. д.

Поэтому для предупреждения образования трещин рекоменду­ется при конструировании изделий избегать резких переходов от сечения к сечению и других концентраторов.

Коробление наблюдается при неравномерном и высоком нагре­ве под закалку, неправильном положении детали при охлаждении, высокой скорости охлаждения в интервале температур мартенситного превращения. Особенно сильно коробятся длинные и тонкие детали. Для уменьшения коробления детали охлаждают в штампах и приспособлениях.

Окисление и обезуглероживание поверхности происходят при на­греве в пламенных или электрических печах без контролируемых атмосфер. Поэтому увеличивают припуск на шлифование, что удо­рожает и усложняет технологию изготовления деталей.

Для устранения окисления или обезуглероживания необходимо применять защитные контролируемые атмосферы.

Нагревы в соляных ваннах или расплавленном металле (свин­це) предохраняют поверхность детали от окисления и обезугле­роживания.

Передержка и перегрев проявляются в укрупнении зерна аустениита, а следовательно, после закалки в укрупнении игл мартенсгита и получении крупнозернистого излома. Это приводит к хруп­кости закаленных деталей, и в них при закалке могут образовать­ся трещины. При обработке мелких деталей нужно обращать особое внимание на предотвращение перегрева и передержки. В этих слу­чаях особенно опасна загрузка печи большим количеством мелких зкаливаемых деталей, так как при этом неизбежны неодинаковые условия нагрева. Передержка и перегрев устраняются повтор­ной закалкой.

Недостаточная твердость закаленной стали может быть вызвана недогревом (низкая температура закалки, слишком короткая вы­держка при правильной температуре печи) или недостаточно ин­тенсивным охлаждением, т.е. охлаждением со скоростью меньше критической.

При недогреве мартенсит не обладает достаточной твердостью, гак как не насыщен углеродом, а при низкой скорости охлажде­ния структура состоит из продуктов перлитного типа (сорбита, троостита).

Для устранения дефекта необходимо повысить температуру печи или увеличить время выдержки, а также применять более интен­сивное охлаждение, т.е. энергично перемещать деталь в закалочной жидкости или заменить закалочную жидкость.

Образование мягких пятен вызвано неравномерным охлаждени­ем детали из-за образования в отдельных местах пузырьков пара (паровой рубашки), сохранения приставшей окалины, захвата за­калочными клещами и т.д. Для предотвращения этого дефекта не­обходимо закалочную жидкость подводить к деталям под давлени­ем или энергично перемещать деталь в закалочной жидкости; сле­дует удалять окалину перед охлаждением; закалочные клещи должны иметь острые губки, чтобы не препятствовать охлаждению в месте захвата изделия.

 

Отпуск стали.

Отпуск — окончательная операция тер­мической обработки, формирующая свойства металла.

Отпуск — это нагрев стали до температуры ниже Ас1, выдер­жка при заданной температуре и последующее охлаждение с за­данной скоростью (обычно на воздухе). При отпуске достигают­ся уменьшение внутренних напряжений и получение более рав­новесной структуры.

Напряжения в закаленных изделиях снимаются тем полнее, чем выше температура отпуска.

Скорость охлаждения при отпуске также влияет на величину ос­таточных напряжений. С уменьшением скорости охлаждения вели­чина остаточных напряжений понижается. Быстрое охлаждение в воде с температуры 600°С и более создает новые тепловые напря­жения. Охлаждение при отпуске на воздухе способствует возникновению напряжений в 7 раз меньше, а охлаждение в масле в 2,5 раза меньше, чем при охлаждении в воде. Поэтому сложные детали обыч­но при отпуске охлаждают на воздухе. С повышением температуры отпуска твердость и прочность снижаются, а показатели пластич­ности и ударная вязкость увеличиваются.

Различают три вида отпуска .

Низкотемпературный отпуск (низкий) осуществляется в ин­тервале температур 80—200°С. При этом отпуске уменьшается степень тетрагональности кристаллической решетки мартенсита вследствие выделения из нее углерода в виде карбида. Кристал­лическая решетка карбида когерентно связана с решеткой мар­тенсита, т.е. отдельные кристаллографические плоскости у них являются общими. В связи с когерентной связью твердость стали при этом не снижается, а внутренние напряжения уменьшаются. В результате низкотемпературного отпуска мартенсит закалки пре­вращается в мартенсит отпуска, имеющий повышенную удар­ную вязкость и пластичность по сравнению с мартенситом за­калки. При этом сталь сохраняет высокую твердость. Поэтому низ­котемпературному отпуску подвергают режущий и мерительный инструмент из углеродистых и низколегированных сталей, а так­же детали после поверхностной закалки, цементации и т.д. Обыч­но продолжительность отпуска составляет 1—2,5 ч. Мерительный инструмент с целью стабилизации размеров подвергают отпуску с более длительными выдержками.

Чаще всего низкотемпературный отпуск осуществляют в распла­ве, содержащем 50% КNО₃ + 50% NaNО₂, или в масляных ваннах, что обеспечивает быстрый и равномерный нагрев, а также точное регулирование температуры.

Среднетемпературный отпуск (средний) проводят при темпера­туре 350—500 °С. При температу­ре свыше 300ºС из мартенсита выделяется цементит. Образова­ние цементита и его коагуляция (укрупнение) сопровождаются снижением твердости и повыше­нием вязкости и пластичности. При среднетемпературном отпуске образуется дисперсная ферритно-цементитная смесь, имеющая зернистое строение це­ментита. Эта структура называет­ся трооститом отпуска. Твер­дость троостита 450-500 НВ. Ди­аметр частиц цементита в троостите составляет 0,3* 10~⁵ мм. Среднетемпературному отпуску подвергают рессоры, пружины, штампы и т. д. Среднетемпературный отпуск можно проводить в расплавах солей и воздушных электрических печах.

Высокотемпературный отпуск (высокий) осуществляется при тем­пературе 500—600ºС. При этом происходят полное снятие внутрен­них напряжений и коагуляция частиц цементита. В результате от­пуска понижается твердость закаленной стали, но значительно уве­личиваются пластичность и ударная вязкость.

При высокотемпературном отпуске образуется структура, кото­рая называется сорбит отпуска. Сорбит отпуска состоит из ферритной основы, пронизанной частичками цементита. Твердость сорбита - 300 НВ. Диаметр частиц цементита в сорбите 1 х 10~⁵ мм.

Высокотемпературному отпуску подвергают детали, которые испытывают в работе высокие напряжения и ударные нагрузки. Высокий отпуск можно проводить в расплаве солей и воздушных электрических печах.

После закалки с высоким отпуском сталь имеет более высокие показатели прочности ( _в, _т), пластичности ( %, %) и ударную вязкость (а_н), чем после отжига.

Термическая обработка, состоящая из закалки и высокотемпе­ратурного отпуска, называется улучшением.

Старение — это процесс изменения свойств сплавов без замет­ного изменения микроструктуры. Известно два вида старения: тер­мическое и деформационное.

Термическое старение протекает в результате изменения раство­римости углерода в -железе в зависимости от температуры. При быстром охлаждении с 650—700 °С в низкоуглеродистых сталях вы­деление углерода в виде цементита третичного может быть задер­жано, в результате чего и получают пересыщенный твердый ра­створ. В процессе вылеживания этот углерод выделяется в виде це­ментита третичного. При этом твердость и прочность возрастают, а характеристики пластичности и ударная вязкость падают.

Если изменение твердости, прочности и пластичности осуще­ствляется при комнатной температуре, то такое старение называ­ется естественным.

Если же процесс протекает при повышенной температуре, то старение называется искусственным.

С повышением темпера­туры нагрева увеличивает­ся скорость диффузионных процессов, протекающих при старении, что значи­тельно сокращает длитель­ность процесса.

Деформационное (ме­ханическое) старение про­текает после холодной пластической деформации. Этот процесс развивается в течении 15—16 сут и бо­лее при комнатной темпе­ратуре и в течение минут при 200-350 ºС.

При пластической деформации отдельные объемы -железа пере­сыщаются углеродом и азотом, а в процессе выдержки происходит выделение нитридов и карбидов. Кроме того, в сталях возможно од­новременное протекание термического и деформационного старения.

Из-за протекания процесса деформационного старения ухуд­шается штампуемость листовой стали. Поэтому многие углеродис­тые стали подвергают испытаниям на склонность к деформаци­онному старению.

 

Обработка холодом.

У многих марок промышленных сталей тем­пература окончания мартенситного превращения (точка М_к) ле­жит ниже 0ºС, а следовательно, после закалки в структуре имеет­ся остаточный аустенит. Чем ниже расположена точка конца мар­тенситного превращения, тем больше остаточного аустенита в структуре закаленной стали.

С целью уменьшения количества остаточного аустенита сталь после закалки охлаждают до отрицательных температур, т.е. прово­дят обработку холодом. В результате происходит возобновление мар­тенситного превращения.

Увеличение количества мартенсита за счет превращения оста­точного аустенита вызывает повышение твердости, стабилизацию размеров, увеличение объема, повышение ферромагнитных ха­рактеристик.

Обработка холодом целесооб­разна для сталей, у которых тем­пература конца мартенситного превращения лежит ниже комнат­ной температуры. Сюда относятся углеродистые стали, содержащие свыше 0,6% С, и легированные стали.

На практике обработка холодом применяется в следующих случаях: для стабилизации размеров калибров, колец шарикоподшипников и других особо точных изделий; для повышения маг характеристик стальных магнитов.

Рекомендуется обработку холодом проводить немедленно после закалки.

Технологически режим термической обработки холодом складывается из закалки, обработки холодом и последующего отпуска.

⇐ Предыдущая78910111213141516Следующая ⇒

Поделиться: