Закаливаемость и прокаливаемость стали

Закалкой называется нагрев стали выше критических точек, изотермическую выдержку и охлаждение с высокой скоростью в специальной среде – охладителе ( вода, водные растворы солей или щелочей, индустриальное масло ). Цель закалки – получение максимальной прочности и твердости. Различают полную и неполную закалку. Температура нагрева доэвтектоидной стали под закалку соответствует температуре полного отжига, а заэвтектоидной стали – температуре неполного отжига. В последнем случае сознательно оставляют в структуре нагретой стали цементит, как твердую фазу, конкурирующую по твердости с мартенситом (основной структурой закалки).

Закаливаемость — способность стали получать высокую твердость при закалке, что обеспечивается получением структуры мартенсита. Закаливаемость измеряется в единицах твердости и зависит, главным образом, от содержания углерода (рис. 1). Твердость мартенсита зависит от содержания в нем углерода. Твердость закаленной стали увеличивается пропорционально содержанию в ней углерода, но, начиная с 0,7 % С, твердость закаленной стали остается постоянной (HRC 63 — 65). Это объясняется тем, что закалка всех заэвтектоидных сталей производится с одной температуры (780°С), а поэтому у всех заэвтектоидных сталей состав аустенита при температуре закалки и состав мартенсита после закалки будет одинаков. У заэвтектоидных сталей с увеличением содержания углерода увеличивается количество вторичного цементита после закалки, что должно бы способствовать повышению твердости, но одновременно с этим увеличивается количество остаточного аустенита после закалки, а это ведет к снижению твердости. Поэтому твердость всех закаленных заэвтектоидных сталей практически остается постоянной.

Рис. 1. Влияние содержания углерода на закаливаемость стали:

а— твердость закаленной стали; б— твердость мартенсита

Прокаливаемость — способность стали воспринимать закалку на большую или меньшую глубину, которая определяется твердостью полумартенситной зоны (рис. 2). Прокаливаемость измеряется в единицах длины (мм) и зависит от критической скорости закалки. Чем меньше критическая скорость закалки, тем больше прокаливаемость стали. Все факторы, которые увеличивают устойчивость переохлажденного аустенита, следовательно, уменьшают критическую скорость закалки, способствуют увеличению прокаливаемости. Наличие легирующих элементов и примесей, растворяющихся при нагреве в аустените, увеличение содержания углерода до 0,8 %, а также рост размера зерна аустенита повышают прокаливаемость стали. Легирующие элементы при температуре закалки в виде карбидов, интерметаллидов и других фаз, создающих неоднородность аустенита, уменьшают прокаливаемость стали.

Рис. 2. Твердость углеродистой стали, имеющей в структуре после закалки 50% мартенсита и 50% троостита

Из диаграмм изотермического распада аустенита углеродистой и легированной стали (рис. 3) видно, что при одинаковых скоростях охлаждения, сквозную закалку приобретает легированная сталь. Свойства ее по сечению после закалки одинаковые.

Рис. 3. Влияние прокаливаемости на механические свойства углеродистой (а) и легированной (б) стали (схема):

1 — распределение твердости по сечению образца после закалки;
2 — распределение механических свойств у тех же образцов стали после улучшения (закалки и высокого отпуска)

Несквозная прокаливаемость является следствием того, что сердцевина детали охлаждается со скоростью, меньше критической. Поэтому в сердцевине аустенит распадается на феррито-цементитную смесь. В сечениях же, где скорость охлаждения выше критической, аустенит превратится в мартенсит. Свойства по сечению такой закаленной стали неодинаковые.

Прокаливаемость является весьма важным фактором, определяющим свойства и область применения стали. Высокая прокаливаемость позволяет получить высокие механические свойства стали в массивных сечениях детали после термической обработки. Это особенно важно для ответственных деталей и конструкций, которые подвергаются термическому улучшению, т.е. закалке и высокому отпуску.

Количественной характеристикой прокаливаемости является критический (реальный) диаметр. Реальным или действительным критическим диаметром называют тот наибольший диаметр образца, при котором конструкционная сталь в данном охладителе прокаливается полностью, т.е. в центре образца твердость соответствует твердости полумартенситной зоны (зоны, состоящей из 50% мартенсита и 50% троостита). Критический диаметр, кроме критической скорости закалки стали, зависит от закаливающей среды.

Чтобы прокаливаемость не ставить в зависимость от способа (среды) охлаждения, вводится теоретическое понятие об идеальном критическом диаметре. Идеальный критический диаметр — это такой диаметр образца, у которого в центре при закалке в идеально охлаждающей жидкости получается полумартенситная структура. Идеально охлаждающая жидкость — это жидкость, отнимающая тепло с поверхности с бесконечно большой скоростью. Идеальный критический диаметр находится методом торцевой закалки.

Закаливаемость – это способность сталей повышать поверхностную твердость, что возможно при закалке на мартенсит. Данная характеристика измеряется в единицах прироста твердости для закаленных сталей по сравнению с отожженным состоянием, определяется обычно твердость по Роквеллу. Закаливаемость зависит от содержания углерода в сталях (рис. 4), условий охлаждения. Повышение концентрации углерода до

0,8% ведет к росту твердости до 60-62 HRC. Практически на закаливаемость не влияет содержание легирующих элементов в сталях.

Прокаливаемость – глубина проникновения закаленного слоя, то есть имеющего структуру мартенсита. Определяется по торцевой пробе согласно ГОСТ 5657-90, показателем глубины закаленного слоя является расстояние от поверхности вглубь до слоя со структурой

90% мартенсита (сквозная закалка) или слоя со структурой 50% мартенсита + 50% троостита (полумартенситная зона). Твердость полумартенситной зоны при различном содержании углерода в сталях представлена в табл. 8. Сквозная прокаливаемость необходима для таких изделий, как пружины, рессоры, тормозные колодки, инструмент, шарики и ролики подшипников.

Влияние углерода на твердость полумартенситной зон

Прокаливаемость — технологическая характеристика материала измеряется, как правило, в миллиметрах. Она определяет технологичность изделий, технологию их производства и эксплуатационные свойства. По этой причине ее следует учитывать при выборе сталей как конструкционных материалов. Путем выбора стали с оптимальной прокаливаемостью, соответствующей технологии термической обработки можно при сравнительно малых затратах повысить эксплуатационную надежность и долговечность изделий.

Для характеристики прокаливаемости введено понятие критический диаметр, которое позволяет устранить влияние размеров изделий на глубину прокаливаемости. Критический диаметр – это максимальное сечение цилиндра, который закаливается насквозь при охлаждении в данной закалочной среде. Связь между результатами торцевой закалки, размерами деталей простой геометрической формы и критической скоростью закалки отражена в номограммах для определения сквозной прокаливаемости. По номограмме можно установить: прокаливаемость при заданной критической скорости закалки, критическую скорость закалки для определенной формы детали, прокаливаемость по данным торцевой закалки.

Справочной характеристикой прокаливаемости сталей являются полосы прокаливаемости (рис. 5), которые характеризует изменение твердости в зависимости от расстояния с поверхности вглубь детали, или связь значений твердости со средой закалки, глубиной слоя или количеством мартенсита закалки (табл. 9).

Прокаливаемость стали 40, ГОСТ 1050-74. (Закалка с температуры 850 о С).

Рис. 4. Твердость стали в зависимости от содержания углерода и температура нагрева под закалку: а – нагрев выше критической точки А_с1; б – нагрев до аустенитного состояния

При закалке стали важно знать еезакаливаемость и прокаливаемость. Эти характерис­тикине следует смешивать.

Закаливаемость показывает способность стали к повы­шению твердости при закалке. Некоторые стали обладают плохой закаливаемостью, т. е.имеют недостаточную твердость после за­калки. О таких сталях говорят, что они «не принимают» закалку.

Закаливаемость стали зависит восновном от содержания в ней углерода. Это объясняется тем, что твердость мартенсита зависит отстепени искажения его кристаллической решетки. Чем меньше вмартенсите углерода, тем меньше будет искажена его кристалли­ческая решетка и, следовательно, тем ниже будет твердость стали.

Стали, содержащие менее 0,3% углерода, имеют низкую зака­ливаемость и поэтому, как правило, закалке не подвергаются.

21. Закалочные напряжения складываются из термических и структурных напряжений. При закалке всегда возникает перепад температур по сечению изделия. Разная величина термического сжатия наружных и внутренних слоев в период охлаждения обусловливает возникновение термических напряжений.

Суммарные закалочные напряжения растут с увеличением температуры нагрева под закалку и с повышением скорости охлаждения, так как в обоих этих случаях возрастает перепад температур по сечению изделия. Увеличение перепада температур приводит к росту термических и структурных напряжений

1. Закалка в одном охладителе (V₁).

Нагретую до нужной температуры деталь переносят в охладитель и полностью охлаждают. В качестве охлаждающей среды используют:

· воду – для крупных изделий из углеродистых сталей;

· масло – для небольших деталей простой формы из углеродистых сталей и изделий из легированных сталей.

Основной недостаток – значительные закалочные напряжения.

2. Закалка в двух сферах или прерывистая (V₂).

Нагретое изделие предварительно охлаждают в более резком охладителе (вода) до температуры

300 0 C и затем переносят в более мягкий охладитель (масло).

Прерывистая закалка обеспечивает максимальное приближение к оптимальному режиму охлаждения.

Применяется в основном для закалки инструментов.

Недостаток: сложность определения момента переноса изделия из одной среды в другую.

3. Ступенчатая закалка (V₃).

Нагретое до требуемой температуры изделие помещают в охлаждающую среду, температура которой на 30 – 50 o С выше точки М_Н и выдерживают в течении времени, необходимого для выравнивания температуры по всему сечению. Время изотермической выдержки не превышает периода устойчивости аустенита при заданной температуре.

В качестве охлаждающей среды используют расплавленные соли или металлы. После изотермической выдержки деталь охлаждают с невысокой скоростью.

Способ используется для мелких и средних изделий.

4. Изотермическая закалка (V₄).

Отличается от ступенчатой закалки продолжительностью выдержки при температуре выше М_Н, в области промежуточного превращения. Изотермическая выдержка обеспечивает полное превращение переохлажденного аустенита в бейнит.При промежуточном превращении легированных сталей кроме бейнита в структуре сохраняется аустенит остаточный. Образовавшаяся структура характеризуется сочетанием высокой прочности, пластичности и вязкости. Вместе с этим снижается деформация из-за закалочных напряжений, уменьшаются и фазовые напряжения.

В качестве охлаждающей среды используют расплавленные соли и щелочи.

Применяются для легированных сталей.

5. Закалка с самоотпуском.

Нагретые изделия помещают в охлаждающую среду и выдерживают до неполного охлаждения. После извлечения изделия, его поверхностные слои повторно нагреваются за счет внутренней теплоты до требуемой температуры, то есть осуществляется самоотпуск. Применяется для изделий, которые должны сочетать высокую твердость на поверхности и высокую вязкость в сердцевине (инструменты ударного действия: мототки, зубила).

Прока́ливаемость стали — способность стали приобретать при закалке мартенситную структуру в слое. Прокаливаемость оценивается по глубине проникновения закаленного слоя в объем закаливаемого изделия.

22. Прерывистая закалка в двух средах — этот способ применяют при закалке высокоуглеродистых сталей. Деталь сначала быстро охлаждают в быстро охлаждающей среде (например воде), а затем в медленно охлаждающей (масло).

Ступенчатая закалка — закалка, при которой деталь охлаждается в закалочной среде, имеющей температуру выше мартенситной точки для данной стали. При охлаждении и выдержке в этой среде закаливаемая деталь должна приобрести во всех точках сечения температуру закалочной ванны. Затем следует окончательное, обычно медленное, охлаждение, во время которого и происходит закалка, то есть превращение аустенита в мартенсит.

Изотермическая закалка. В отличие от ступенчатой при изотермической закалке необходимо выдерживать сталь в закалочной среде столько времени, чтобы успело закончиться изотермическое превращение аустенита.

23.О́тпуск — технологический процесс, заключающийся в термической обработке закалённого на мартенсит сплава или металла, при которой основными процессами являются распад мартенсита, а также полигонизация и рекристаллизация.

Отпуск проводят с целью получения более высокой пластичности и снижения хрупкости материала при сохранении приемлемого уровня его прочности. Для этого изделие подвергается нагреву в печи до температуры от 150—260 °C до 370—650 °C с последующим медленным остыванием.

Низкотемпературный: Проводят при температурах до 250 °C. Закалённая сталь сохраняет высокую износостойкость, однако такое изделие (если оно не имеет вязкой сердцевины) не выдержит высоких динамических нагрузок. Такому отпуску подвергают режущие и измерительные инструменты из углеродистых и низколегированных сталей.

Среднетемпературный: Проводят при температурах 350—500 °C и применяют, главным образом, для пружин и рессор, а также для штампов. Ускоряются диффузионные процессы, происходит выделение избыточных атомов углерода в виде цементита, то есть мартенсит распадается на феррито-цементитную смесь. После среднего отпуска структура состоит из равновесного феррита и дисперсных включений цементита, такая структура называется зернистый троостит отпуска. Такой отпуск обеспечивает высокие пределы упругости и выносливости, а также релаксационную стойкость. Охлаждение после отпуска проводят при температурах 400—500 °C в воде, после чего возникают сжимающие остаточные напряжения, которые увеличивают предел выносливости пружин.

Высоктемператрный: Проводят при температурах 500—680 °C. При этом остаётся высокая прочность и пластичность, а также максимальная вязкость. Высокому отпуску подвергают детали, воспринимающие ударные нагрузки (зубчатые колёса, валы).

24.Химико-термическая обработка металлов — нагрев и выдержка металлических (а в ряде случаев и неметаллических) материалов при высоких температурах в химически активных средах (твердых, жидких, газообразных). В подавляющем большинстве случаев химико-термическую обработку проводят с целью обогащения поверхностных слоев изделий определенными элементами. Их называют насыщающими элементами или компонентами насыщения. В результате ХТО формируется диффузионный слой, т.е. изменяется химический состав, фазовый состав, структура и свойства поверхностных слоев. Изменение химического состава обуславливает изменения структуры и свойств диффузионного слоя.

Цементация стали — поверхностное диффузионное насыщение малоуглеродистой стали углеродом с целью повышения твёрдости, износоустойчивости.Цементации подвергают низкоуглеродистые (обычно до 0.25 % C) и легированные стали, процесс в случае использования твёрдого карбюризатора проводится при температурах 900—950 °С, при газовой цементации (газообразный карбюризатор) — при 850—900 °С.После цементации изделия подвергают термообработке, приводящей к образованию мартенситной фазы в поверхностном слое изделия (закалка на мартенсит) с последующим отпуском для снятия внутренних напряжений.

· в твёрдом карбюризаторе

· в газовом карбюризаторе

· в растворах электролитов

Диффузионное насыщение металлами — поверхностное насыщение стали алюминием, хромом, цинком, кремнием и другими элементами. Один из методов упрочнения материалов.Изделия, обогащённые этими элементами, приобретают ценные свойства, к числу которых относятся высокая жаростойкость, коррозионная стойкость, повышенная износостойкость и твёрдость.

Борирование — процесс химико-термической обработки, диффузионного насыщения поверхности металлов и сплавов бором при нагреве и выдержке в химически активной среде. Борирование приводит к упрочнению поверхности.Борирование проводят преимущественно с целью повышения износостойкости (в условиях сухого трения, скольжения со смазкой и без смазки, абразивного изнашивания, фреттинг-коррозии и т.п.). Борирование повышает также коррозийную стойкость железо-углеродистых сплавов во многих агрессивных средах и жаростойкость при температурах ниже 850 °C и жаростойка до 800 °С. Борирование можно проводить всеми известными методами и способами. Промышленное применение получили: борирование в порошковых смесях, электролизное борирование, жидкостное безэлектролизное борирование, ионное борирование [1] и борирование из обмазок (паст) . Борирование чаще всего проводят при электролизе расплавленной буры (Na₂B₄O₇). Изделие служит катодом. Температура насыщения 930—950 °C, выдержка 2 — 6 часов.

Борирование можно проводить при отливке деталей. В этом случае на поверхность литейной формы наносится слой специальной борсодержащей массы (пасты). При использовании выжигаемых моделей из пенопластов борсодержащая паста наносится на поверхность модели. Способ отличается производительностью и простотой.

Дата добавления: 2017-03-12 ; просмотров: 737 | Нарушение авторских прав