Закалка и отпуск стали
Цель отпуска и закалки стали — улучшение ее особенностей. Операциям отпуска и закалки подвергается большое количество металлических подробностей, а в инструментальном производстве — все подробности.
Операция закалки основана на явлении перекристаллизации и пребывает в нагреве стали до температуры выше критической, выдержке при данной температуре и последующем стремительном охлаждении. Закалкой предотвращают превращение аустенита в перлит, и при обычной температуре приобретают состояния мартенсита, троостита либо сорбита; эти состояния являются неравновесными. Крайним неравновесным состоянием в стали есть переохлажденный аустенит, что в углеродистой стали неустойчив и в зависимости от степени переохлаждения переходит в одно из промежуточных состояний: мартенсит, троостит и сорбит.
Значительно чаще закалка осуществляется методом резкого охлаждения стали, в следствии чего в ней преобладает мартенсит. Для смягчения действия закалки производится отпуск, пребывающий в нагреве стали до температуры ниже точки Av При отпуске сталь из состояния мартенсита переходит в состояние троостита либо сорбита.
Рис. 1. Микроструктура зернистого перлита (Х500)
Температурный режим закалки. Температура нагрева стали при закалке та же, что и при полном отжиге: для доэвтектоидной стали на 30—50° выше точки Лс3, для заэвтектоидной — на 30—50° выше точки Асх.
При нагрева доэвтектоидной стали до температуры между точками Act и Ас3 (неполная закалка) в структуре скоро охлажденной стали, наровне с закаленными участками, будет находиться нерастворенный феррит, быстро снижающий прочность и твёрдость. Исходя из этого для доэвтектоидной стали необходима полная закалка (нагрев выше точки Ас3).
В заэвтектоидной стали излишней фазой есть цементит, что по твердости не уступает мартенситу а также превосходит его; исходя из этого сталь достаточно нагреть на 30—50° вьЛце точки Acv
Нагрев изделий (особенно больших) обязан производиться неспешно, дабы избежать трещин и напряжений, а время выдержки нагретого изделия должно быть достаточным, дабы целый процесс перехода перлита в аустенит окончательно завершен. Длительность выдержки в большинстве случаев устанавливается равной 25% неспециализированной длительности нагрева.
Охлаждение при закалке. Охлаждение подробностей при закалке — самый важный элемент данной операции. Скорость охлаждения обязана снабжать получение нужного для данной подробности состояния: мартенсита, троостита либо сорбита. Нам известно, при какой скорости охлаждения аустенита получаются эти состояния.
Скорость, снабжающая получение структуры мартенсита (с остаточным аустенитом, но Лез троостита), именуется критической скоростью закалки.
Так как С-образные кривые доэвтектоидной и заэвтектоидной сталей смещены влево если сравнивать с кривыми эвтектоидной стали, критическая скорость закалки их выше, и получение структуры мартенсита более затруднительно, а для некоторых марок стали нереально.
При скорости охлаждения меньше критической в структуре закаленной стали, наровне с мартенситом, будет пребывать троостит, а при предстоящем уменьшении»с^йрости получаются структуры троостита либо сорбита без мартенсита.
Степень резкости закалки (получение структуры мартенсита без троостита) зависит от температуры и природы охлаждающей среды. Охлаждение струей воздуха либо- холодными железными плитами дает не сильный закалку на сорбит. Самый распространенным есть охлаждение подробностей методом погружения их в жидкую среду: воду, растворы щелочей либо кислот, масло, расплавленный свинец и др.
Наряду с этим получается резкая либо умеренная закалка (на мартенсит либо троостит).
Охлаждающая свойство воды быстро изменяется в зависимости от ее температуры; в случае если эту свойство при 18° принять за единицу, то при 74° она будет иметь коэффициент 0,05.
К самые резким охладителям относится 10-процентный раствор NaOH в воде, имеющий при 18° коэффициент 2,0, к умеренным — минеральные масла с коэффициентом 0,2—0,25.
При закалке используются разные приемы охлаждения в зависимости от марки стали, формы и технических требований и размеров детали к готовой подробности.
Несложная закалка в одном охладителе выполняется методом погружения подробности в охладитель (значительно чаще в воду либо водные растворы), где она остается до полного охлаждения. При охлаждении нужно освобождаться от слоя пара (паровой рубахи), создавая энергичные перемещения подробности в ванне, поскольку данный слой сокращает скорость ее охлаждения. Таковой метод закалки самый распространен.
Для получения высокой твердости и громаднейшей глубины закалки углеродистой стали используют душевое охлаждение, которое содержится в интенсивном обрызгивании.
Прерывистая закалка — это такая закалка, при которой охлаждение производится в двух средах: первой средой есть охлаждающая жидкость (в большинстве случаев вода), второй — воздушное пространство либо масло. Резкость таковой закалки меньше, чем предыдущей.
При ступенчатой закалке подробность скоро охлаждают в расплавленной соли до температуры немного выше Мн, делают маленькую выдержку и потом охлаждают на воздухе. Выдержка снабжает сердцевины температуры детали и выравнивание поверхности, что сокращает величину напряжений при мартенситном превращении.
Метод погружения подробностей в закалочную ванну должен быть таким, дабы при закалке подробности как возможно меньше деформировались (коробились). Подробности с громадным отношением длины к диаметру либо ширине (напильники, сверла и др.) направляться погружать в охладитель вертикально.
Изотермическая закалка. Изотермическая закалка (закалка в тёплых средах) основана на изотермическом распадении аустенит; она отличается тем, что охлаждение ведется не до комнатной температуры, а до температуры немного выше начала мартенситного превращения (200—300°, в зависимости от марки стали). В качестве охладителя берутся расплавленные соли либо нагретое до 200—250° масло.
При температуре тёплой ванны подробность выдерживается продолжительное время, пока пройдут распадение аустенита и инкубационный период; в следствии получается структура игольчатого троостита, по твердости близкого к мартенситу, но более вязкого и прочного.
Последующее охлаждение до комнатной температуры производится на воздухе.
При изотермическои закалке сначала требуется стремительное охлаждение со скоростью не меньше критической, дабы избежать распадения аустенита в месте перегиба С-образной кривой.
Следовательно, по этому способу возможно закаливать лишь маленькие (в среднем, диаметром до 8 мм) подробности из углеродистой стали, поскольку запас теплоты в более массивных подробностях не разрешит взять нужной скорости охлаждения. Это не относится, но, к практически всем марок легированной стали, которая имеет намного меньшую критическую скорость закалки.
Громадным преимуществом изотермической закалки есть возможность рихтовки (исправление искривлений) изделий на протяжении инкубационного периода распадения аустенита (что продолжается пара мин.), в то время, когда сталь еще мягка и пластична. По окончании изотермической закалки подробности свободны от внутренних напряжений и не имеют трещин.
Виды поверхностной закалки. При поверхностной закалке выше критической температуры нагревается лишь узкий поверхностный слой подробности, а внутренняя масса металла не нагревается и не закаливается. Исходя из этого получаются подробности с жёстким вязкой и поверхностным слоем сердцевиной.
Кислородно-ацетиленовое пламя газовой горелки, имеющее температуру около 3200°, направляется на поверхность закаливаемой подробности и скоро нагревает ее до температуры выше критической. За горелкой из трубки на поверхность подробности направляется струя воды, в следствии чего нагретый слой стали закаливается. Этим методом достигается громадная поверхностная твердость при вязкой сердцевине; он с успехом используется, к примеру, для закалки рабочих поверхностей зубьев громадных шестерен, подверженных сильному износу.
Закалка токами высокой частоты по способу В. П. Вологдина отыскала весьма широкое использование в индустрии, поскольку отличается высокой производительностью, легко поддается регулированию и снабжает хорошее уровень качества.
Закаливаемая подробность помещается в особый индуктор (катушку), по которому пропускается ток высокой частоты. Ток поступает через трансформатор от машинного генератора, приводимого во вращение электродвигателем. Индуктирующийся (возбуждаемый) наряду с этим в подробности ток имеет громаднейшую плотность у поверхности и создаёт сильный и стремительный нагрев поверхности подробности.
В то время, когда нагрев закончен, на поверхность подробности подается вода из индуктора, коюрый для этого делается полым и имеет отверстия, направленные к подробности. Для улучшения коэффициента мощности установки включены конденсаторы.
Регулируя время выдержки и мощность тока, возможно взять нагрев на толщину от долей миллиметра до десятков миллиметров.
Машинные генераторы в большинстве случаев используются для закалки на глубину более чем 2 мм они генерируют ток частотой до 10 000 гц . При закалке на глубину меньше 2 мм используются высокочастотные ламповые генераторы, создающие ток высокой частоты, которая может регулироваться в зависимости от изюминок закаливаемых подробностей.
Обработка холодом. Обработка холодом — новый вид термической обработки. Данный способ создан в Советском Альянсе (работы С. С. Штейнберга, А. П. Гуляева и Н. А. Минкевича).
Рис. 2. Схема заАлки посредством газовой горелки
Обработка холодом используется для углеродистой стали, содержащей более 0,5% С, у которой точка Мк находится ниже 0°, и для легированной стали, к примеру, быстрорежущей.
Отпуск стали. Целью .операции отпуска есть смягчение действия закалки — уменьшение либо снятие остаточных напряжений, увеличение вязкости, хрупкости стали и уменьшение твёрдости. Отпуск производится методом нагрева подробностей, закаленных на мартенсит, до температуры ниже критической. Наряду с этим в зависимости от температуры нагрева смогут быть взяты состояния мартенсита, троостита либо сорбита отпуска.
Эти состояния пара отличаются от соответственных состояний закалки по свойствам и структуре: при закалке цементит (в троостите и сорбите) получается в форме удлиненных пластинок, как в пластинчатом перлите, а при отпуске он получается в форме зернышек, либо точек, как в зернистом перлите. Преимущества точечной структуры заключаются в более благоприятном сочетании прочностных и пластических особенностей. При однообразном одинаковой твёрдости и химическом составе точечная структура имеет намного более высокое относительное сужение (4) и ударную вязкость (ан), повышенное удлинение (6) и предел текучести (стг) если сравнивать с пластинчатой структурой.
Рис. 3. Схема индукционной закалки
Мартенсит закалки имеет неустойчивую тетрагональную решетку, а мартенсит отпуска — устойчивую центрированную кубическую решетку а-железа.
Отпуск разделяют на низкий, средний и большой в зависимости от температуры нагрева.
При низком отпуске (нагрев до температуры 200—300°) в структуре стали по большей части остается мартенсит, что, но, изменяет решетку. Помимо этого, начинается выделение карбидов железа из жёсткого раствора углерода в а-железе и начальное скопление их в маленькие группы, что влечет за собой увеличение и некоторое уменьшение твёрдости пластических и вязких особенностей стали, и уменьшение внутренних напряжений в подробностях.
Низкий отпуск в большинстве случаев создают в масляных либо соляных ваннах, где подробности выдерживаются в течение определенного времени. В случае если низкий отпуск производится в воздух воздуха, то для контроля температуры нагрева довольно часто пользуются цветами, появляющимися на поверхности подробности. Появление этих цветов связано с интерференцией белого света в пленках окислов железа, появляющихся на поверхности подробности при ее нагреве.
В промежутке температур от 220 до 330° в зависимости от толщины пленки цвет изменяется от светло-желтого до серого.
Низкий отпуск используется для режущего, измерительного инструмента, шестеренок.
При среднем (нагрев в пределах 300—500°) и высоком (500—700°) отпуске сталь из состояния мартенсита переходит соответственно в состояние троостита либо сорбита. Чем выше отпуск, тем меньше твердость отпущенной стали и тем больше ее вязкость и пластичность. Происходящее наряду с этим изменение особенностей стали возможно проследить по кривым диаграммы, приведенной на рис. 83.
При высоком отпуске сталь приобретает наилучшее сочетание механических особенностей — повышенные прочность, вязкость и пластичность, исходя из этого большой отпуск стали по окончании закалки ее на мартенсит именуют улучшением стали.
Средний отпуск используется при производстве кузнечных штампов, пружин, рессор; большой — для многих подробностей, подверженных действию высоких напряжений (к примеру, осей машин, шатунов двигателей).
Для некоторых марок стали отпуск создают по окончании нормализации. Это относится к мелкозернистой легированной доэвтектоидной стали (особенно никелевой), имеющей высокую вязкость и исходя из этого нехорошую обрабатываемость режущим инструментом.
Для улучшения обрабатываемости создают нормализацию стали при повышенной температуре (до 950—970°), в следствии чего она получает большую структуру (определяющую лучшую обрабатываемость) и одновременно повышенную твердость (ввиду малой критической скорости закалки никелевой стали). С целью уменьшения твердости создают большой отпуск данной стали.
Недостатки закалки. Недостатками закалки являются трещины, поводка либо обезуглероживание и коробление.
поводки и Главная причина трещин — неравномерное изменение количества подробности при нагреве и особенно при резком охлаждении; вторая обстоятельство — повышение количества при закалке на мартенсит.
Трещины результат того, что напряжения, появляющиеся при неравномерном трансформации количества в отдельных местах подробности, превышают прочность металла в этих местах.
самый эффективным методом уменьшения напряжений есть медленное охлаждение у точки мартенситного превращения (точка Мн). При конструировании подробностей нужно учитывать, что наличие острых резких изменений и углов сечения увеличивает внутренние напряжения* вызываемые закалкой.
Коробление (либо поводка) появляется кроме этого от напряжений в следствии неравномерного охлаждения и Проявляется в искривлениях подробностей. В случае если эти искривления малы, они смогут быть исправлены предстоящей обработкой (шлифованием). Трещины и коробление смогут быть предотвращены предварительным отжигом подробностей, равномерным и постепенным нагревом их, и применением ступенчатой и изотермической закалки.
Обезуглероживание стали с поверхности — итог выгорания углерода при высоком и продолжительном нагреве подробности в окислительной среде. Для предотвращения обезуглероживания нагрев подробностей необходимо создавать в восстановительной либо нейтральной среде (восстановительное пламя, муфельные печи, нагрев в жидких средах).
