Схема термообработки мартенситных нерж сталей

Поверхностная термообработка стали (части 1 2)
1. Поверхностная закалка

Поверхностная закалка применяется с целью получения высокой твердости в поверхностном слое детали с сохранением вязкой сердцевины.

Основные параметры при закалке — температура нагрева и скорость охлаждения. Температуру нагрева для сталей определяют по диаграммам состояния, скорость охлаждения — по диаграммам изотермического распада аустенита.

Доэвтектоидные стали нагревают до температуры выше критической точки Ас3 на 30-50 °С. Если такие стали нагреть до температуры между критическими точками Ас1 и Ас3 и охладить, то в структуре закаленной стали, кроме мартенсита, будет присутствовать феррит, что существенно ухудшает свойства. Такая закалка называется неполной. Заэвтектоидные стали при закалке нагревают до температуры Ас1+ (40,60 °С). После охлаждения с таких температур получают структуру мартенсита с включением вторичного цементита, который повышает твердость и износостойкость режущего инструмента. Если заэвтектоидную сталь нагреть выше критической точки Аст, то после закалки получится дефектная структура грубоигольчатого мартенсита. Время нагрева зависит от размеров детали и теплопроводности стали, и его обычно определяют экспериментально. Для определения времени нагрева в справочниках приведены также полуэмпирические формулы. В таблице 1 приведены значения скорости охлаждения стали в различных средах.


Продолжительность выдержки при температуре закалки выбирают такой, чтобы полностью произошла гомогенизация образовавшегося аустенита.

Для получения нужной структуры детали охлаждают с различной скоростью, которая зависит от охлаждающей среды, формы изделия и теплопроводности стали. Режим охлаждения при закалке должен исключать по возможности возникновение больших остаточных закалочных напряжений, но в то же время он должен обеспечить необходимую глубину закаленного слоя. Охлаждающую способность различных сред (табл. 1) оценивают скоростью охлаждения в области температур наименьшей устойчивости переохлажденного аустенита (650-550 °С) и в области мартенситного превращения (300-200 °С). В последнем интервале желательно замедленное охлаждение, так как в этом случае уменьшаются и термические, и структурные напряжения. Выбирая охлаждающие среды, следует учитывать закаливаемость и прокаливаемость данной стали.

Закаливаемость — способность стали принимать закалку, т.е. приобретать при закалке детали высокую твердость. Закаливаемость определяется содержанием углерода в стали. Низкоуглеродистые стали (до 0,20% С) практически не закаливаются, так как при закалке их твердость не повышается. Под прокаливаемостью понимают глубину прокаливания закаленной зоны. За глубину прокаленной зоны принято считать расстояние от поверхности до слоя, где в структуре будут примерно одинаковые объемы мартенсита и троостита. Чем медленнее происходит превращение аустенита в перлит, т.е. чем больше устойчивость переохлажденного аустенита, чем меньше критическая скорость закалки, тем больше прокаливаемость.

На рис. 1 приведены схемы, показывающие изменение скорости охлаждения по сечению изделия. Укрупнение зерен аустенита при нагреве под закалку также способствует увеличению прокаливаемости. Факторы, которые уменьшают устойчивость переохлажденного аустенита (нерастворимые частицы, неоднородность аустенита и др.), уменьшают прокаливаемость. Характеристикой прокаливаемости является критический диаметр —максимальное сечение, прокаливающееся в данном охладителе на глубину, равную радиусу изделия.
В этом случае и на поверхности изделия, и в его центре скорость охлаждения больше критической (рис. 2). Изделия, имеющие размеры меньше критического диаметра, прокаливаются в данном охладителе насквозь. Зная критический диаметр, можно правильно выбрать сталь для деталей определенных размеров и назначения. Прокаливаемость каждой стали определяют экспериментально. Наиболее простой способ - стандартный метод торцовой закалки. Прокаливаемость углеродистых сталей находится в прямой зависимости от содержания углерода.





Различные способы термической обработки; V1 — изотермический отжиг; V2 — нормализация; Vкр — критическая скорость охлаждения; V3 — закалка в одной среде; V4 — закалка в двух средах; V5 — ступенчатая закалка; V6 — изотермическая закалка; V7 — неполная закалка.

Для сталей с 0,8 % С это примерно 5-6 мм. Легирующие элементы, увеличивая устойчивость переохлажденного аустенита, уменьшают критическую скорость Vкр закалки (исключение составляет кобальт). Поэтому некоторые легированные стали в результате охлаждения на воздухе приобретают структуру мартенсита. С уменьшением Vкр снижаются внутренние напряжения и вероятность появления брака. Однако понижение температуры мартенситного превращения способствует увеличению количества остаточного аустенита в стали после закалки.

С введением в сталь легирующих элементов закаливаемость и прокаливаемость возрастают. Особенно сильно увеличивают прокаливаемость молибден и бор (кобальт и в этом случае действует противоположно). Карбидообразующие элементы повышают прокаливаемость только в том случае, если они при нагреве растворились в аустените. В противном случае указанные элементы являются центрами распада аустенита и прокаливаемость будет даже ухудшаться. Температура нагрева легированных сталей под закалку по сравнению с углеродистыми сталями выше. Это объясняется, во-первых, тем, что большинство легирующих элементов повышает температуру критических точек Аc1 и Ac3. Во-вторых, диффузионные процессы в легированных сталях протекают значительно медленнее, так как легирующие элементы образуют твердые растворы замещения, а углерод - внедрения.

Поэтому температуру закалки обычно выбирают на 50-60 °С выше точки Ас3 этих сталей и увеличивают продолжительность выдержки при температуре закалки. Такой нагрев способствует также диссоциации карбидов и лучшей растворимости легирующих элементов в аустените. В результате закалки легированных сталей получают структуру легированного мартенсита, который содержит не только углерод, но и легирующие элементы. Это оказывает существенное влияние на превращения, протекающие при отпуске. Нагрев легированных сталей при закалке до более высоких температур не приводит к росту зерна, так как все легирующие элементы (кроме марганца и бора) уменьшают склонность к росту зерна. Элементы, образующие слабо диссоциирующие при нагреве карбиды, способствуют измельчению зерна аустенита.

Легированные стали обладают пониженной теплопроводностью, поэтому для уменьшения перепада температуры по сечению их следует нагревать медленно. Это уменьшает внутренние напряжения, которые могут вызвать коробление или образование трещин при нагреве. Вследствие низкой теплопроводности увеличивается и продолжительность выдержки при заданной температуре.

2. Способы закалки стали

В зависимости от формы изделия, марки стали и нужного комплекса свойств применяют различные способы закалки. На рис. 3 приведены кривые охлаждения, соответствующие разным способам закалки, нанесенные на диаграмму изотермического превращения аустенита. Закалку в одном охладителе (рис. 3, скорость V3) применяют для деталей простой формы. Нагретую до температуры закалки деталь быстро переносят в охладитель, которым может быть вода, масло и др. Недостаток этого способа закалки заключается в том, что вследствие неравномерного охлаждения по сечению в детали возникают большие термические напряжения. Прерывистую закалку или закалку в двух средах (рис. 3, скорость V4) используют для деталей более сложной формы. В этом случае нагретую деталь вначале опускают в воду, а затем переносят для окончательного охлаждения в масло (закалка через воду — в масло). Уменьшая скорость охлаждения в области мартенситного превращения, тем самым стремятся уменьшить структурные напряжения. Этот способ часто используют при закалке инструментов из углеродистой стали. Однако точное время пребывания детали в каждой из сред определить трудно.



Ступенчатая закалка (рис. 3, скорость V5) по сравнению с предыдущими способами является более совершенной. Нагретую до температуры закалки деталь быстро переносят в охладитель, имеющий температуру на 30-50 °С выше мартенситной точки, и выдерживают в течение времени, необходимого для выравнивания температуры по всему сечению изделия. Время изотермической выдержки должно быть меньше времени устойчивости аустенита при этой температуре. После изотермической выдержки (в расплаве солей или металлов) деталь охлаждают с небольшой скоростью, что способствует уменьшению закалочных напряжений. Этот способ применим только для закалки небольших деталей, имеющих диаметр 10-30 мм.
При изотермической закалке (рис. 3, скорость V6) нагретую до закалочных температур деталь быстро переносят в закалочную среду, имеющую температуру несколько выше температуры начала мартенситного превращения (например, 250-300°С для углеродистых сталей), и выдерживают в течение времени, необходимого для полного превращения переохлажденного аустенита. В результате получается структура нижнего бейнита.

При закалке с самоотпуском охлаждение проводят в одном охладителе и прерывают, когда сердцевина изделия имеет еще значительное количество тепла (не совсем охладилась). За счет этого тепла поверхностные слои изделия вновь нагреваются, и таким образом происходит отпуск. Закалку с самоотпуском применяют для местной термической обработки в мелкосерийном производстве, а также при изготовлении зубил, кернов и других инструментов. Поверхностная закалка является одним из способов увеличения твердости поверхностных слоев изделия. Одновременно повышаются сопротивление истиранию, предел выносливости и т. п. Общим для всех способов поверхностной закалки является нагрев поверхностного слоя детали до температуры закалки с последующим быстрым охлаждением. Эти способы различаются методами нагрева изделий. Толщина закаленного слоя при поверхностной закалке определяется глубиной нагрева, прокаливаемость играет второстепенную роль или вообще не имеет значения.

Использование токов высокой частоты (ТВЧ) для нагрева металлов впервые предложил В. П. Вологдин в 1923 г. Закалку стали с нагревом ТВЧ начали применять с 1935 г. Теоретические основы термической обработки с нагревом ТВЧ были разработаны в последующие годы И. Н. Кидиным, Н. В. Гевелингом, М. Г. Лозинским. Чем больше частота тока, тем тоньше получается закаленный слой.

Индукторы изготавливают из медных трубок, внутри которых непрерывно циркулирует вода, благодаря чему они сами не нагреваются. Форма индукторов соответствует внешней форме изделия, при этом необходимо соблюдать постоянное расстояние между индуктором и поверхностью изделия. Каждая установка имеет комплект индукторов. Нагрев детали ТВЧ происходит за 3-5 с. После нагрева в индукторе деталь быстро перемещается в специальное охлаждающее устройство — спрейер, через отверстия которого на нагретую поверхность разбрызгивается закалочная жидкость (иногда нагретые детали сбрасываются в закалочные баки). Высокая скорость нагрева смещает фазовые превращения в область более высоких температур. Кроме того, вследствие непродолжительных выдержек диффузия углерода не успевает произойти и в образовавшемся аустените наблюдается неоднородность его распределения. Чтобы ускорить диффузионные процессы, повышают температуру нагрева. Поэтому температура закалки при нагреве ТВЧ для одной и той же стали должна быть выше, чем при обычном нагреве.

При правильном режиме получается мелкоигольчатый или бесструктурный мартенсит, имеющий меньшую хрупкость и повышенную прочность. Твердость повышается на 2-3 единицы по сравнению с обычной закалкой, а также возрастает износостойкость и предел выносливости, который может увеличиваться в 1,5-2 раза.

Поскольку при нагреве ТВЧ сердцевина изделия нагревается ниже Ас1 перед закалкой для улучшения свойств его подвергают нормализации. Наиболее целесообразно использовать этот метод для нагрева изделий из углеродистых сталей, содержащих более 0,40 % С. Для легированных сталей нагрев ТВЧ, как правило, редко применяют, так как одно из их преимуществ — глубокая прокаливаемость легированных сталей — при таком методе не используется.

Преимущества метода ТВЧ — высокая производительность, отсутствие обезуглероживания и окисления поверхности детали, возможность регулирования и контроля режима термической обработки, а также полной автоматизации всего процесса. Закалочные агрегаты можно устанавливать непосредственно в поточной линии механического цеха. Поэтому закалку ТВЧ применяют для деталей массового производства (пальцы, валики, шестерни и др.). Чтобы избежать возможного хрупкого разрушения зубьев шестерен, их изготавливают из специальных углеродистых сталей пониженной прокаливаемости 55 ПП (0,55 %С), содержащих марганца < 0,2% и кремния 0,1-0,3%. Зубья шестерен прогревают насквозь, но закаливается только поверхностный слой толщиной 1-2 мм.

Нагрев ТВЧ позволяет проводить закалку отдельных участков деталей — шейки коленчатых валов, кулачков распределительных валов, головки рельсов и др.

metallicheckiy-portal.ru/marki_metallov/search/