О производстве литья

В этой статье вы узнаете что такое закалка стали и нюансы при ее проведении.

Закалка, суть и назначение закаливания стали

Закалка — это нагрев стали до температуры, превышающей фазовые превращения, выдержка при этой температуре и быстрое охлаждение со скоростью, превышающей критическую.

Минимальная скорость охлаждения, при которой аустенит превращается в мартенсит без структур перлитного типа, называется критической скоростью закалки. Когда кривые охлаждения объединяются с диаграммой изотермического преобразования, критическая скорость охлаждения отображается по касательной к С–образной кривой (рис.1).

  Когда происходит закалка, из аустенита образуется нестабильная, метастабильная мартенситная структура. Мартенсит представляет собой пересыщенный твердый раствор углерода в α – железе.

Содержание углерода в мартенсите такое же, как и в исходном аустените.  Из-за высокого содержания углерода кристаллическая решетка α-железа сильно искажена.

Мартенсит имеет четырехугольную кристаллическую решетку (рис.2),

в котором  параметр c больше параметра a. Отношение c/a >1 называется степенью тетрагональности.  С увеличением содержания углерода степень тетрагональности возрастает (рис.3).

При содержании мартенсита 1,5% C это соотношение составляет 1,06.

Мартенсит обладает высокой твердостью HV850. Твердость мартенсита тем выше, чем больше углерода он содержит (рис. 4).

Кроме того, такая высокая твердость объясняется также наличием большего количества нарушений кристаллической структуры, которые возникают при ее формировании.

Аустенит превращается в мартенсит, когда диффузионные процессы полностью подавляются, то есть становятся невозможными.

Мартенситное превращение не является диффузионным по своей природе, то есть оно не сопровождается перераспределением углерода.

Во время мартенситного превращения происходит только перестройка кубической гранецентрированной решетки аустенита в кубическую объемноцентрированную решетку α-железа без выделения углерода из раствора, что приводит к искажению кубической решетки до четырехугольной.

Превращение аустенита в мартенсит начинается при определенной температуре, называемой температурой начала мартенситного превращения и обозначаемой Mn. Для того чтобы мартенситное превращение продолжалось, необходимо непрерывное охлаждение аустенита ниже температуры Mn. Если охлаждение прекратить, то превращение аустенита в мартенсит прекратится.

При достижении определенной температуры дальнейшее превращение аустенита в мартенсит прекращается. Эта температура называется окончанием мартенситного превращения и обозначается Mn. Положение температур (точек) Mn и Mk не зависит от скорости охлаждения и определяется химическим составом стали. Чем больше углерода содержится в аустените, тем ниже эти температуры (рис.5.а). Все легирующие элементы, за исключением кобальта и алюминия, снижают значения Mn и Mk (рис.5.б).  Мартенситная трансформация характеризуется скоростью роста массы эмбрионов. Скорость роста находится в диапазоне 1000-7000 м/с.

Первые кристаллы мартенсита, представляющие собой пластины, обычно ориентированы друг относительно друга под углом 60 или 120 градусов. Следующие кристаллы расположены либо параллельно первому, либо в виде зигзагов (рис.6).

 Размеры мартенситных пластин определяются размером исходного зерна аустенита.  Чем крупнее зерно аустенита, тем крупнее мартенситные пластины. В плоскости прорези пластины имеют вид игл, поэтому в микроскоп видна игольчатая структура.

В структуре закаленных сталей и безуглеродистых сплавов на основе железа были обнаружены два типа мартенсита: реечный (серийный) и сдвоенный (пластинчатый). Реечный мартенсит (иногда также называемый массивным мартенситом без двойной связи) образуется в закаленных низкоуглеродистых и среднеуглеродистых сталях. Кристаллы этого мартенсита имеют форму одинаково ориентированных тонких пластин, уложенных одна на другую и образующих почти равноосный пакет.

Ширина пластин в пакете лежит  в пределах  от нескольких микрон до долей микрона.  Плотность дислокаций в реечном мартенсите составляет 10¹¹-10¹² см^-2.

Пластинчатый мартенсит (иногда называемый игольчатым, двойным) образуется в высокоуглеродистых сталях. Соседние пластины не параллельны друг другу. Когда закалка закончится,  остаточный аустенит сохраняется между мартенситными пластинами при комнатной температуре. Плотность дислокаций в пластинчатом мартенсите значительно меньше, чем в реечном, и составляет 109-1010 см-2. На рисунке 7 показано, как положение точки Mn, количество реечного мартенсита и количество остаточного аустенита изменяются с увеличением содержания углерода. Следует отметить, что реечный мартенсит более пластичен, чем пластинчатый мартенсит.

Закалка выбор температуры 

Закалка  во многом зависят от правильного выбора температуры нагрева для закалки.

Производится закалка  эвтектоидной стали  при  температуре на 30-50°C выше Ac3 (рис. 8).

В этом случае сталь с исходной структурой перлит+феррит нагревают до аустенитного состояния и при охлаждении со скоростью, превышающей критическую, получают мартенсит. Такое отверждение называется полным. Если доэвтектоидную сталь нагревать выше Ac1, но не ниже Ac3, то после закалки в ее структуре наряду с мартенситом появятся ферритные участки. Присутствие феррита в качестве мягкого компонента снижает твердость стали после закалки. Такое отверждение называется неполным.  Следовательно, все доэвтектоидные стали подвергаются полному упрочнению.

Закалка заэфтектоидных сталей  производится при температуре на 50-70°C выше Ac1. При таких температурах цементит присутствует в стали наряду с аустенитом.  Следовательно, когда закалка закончится, в структуре эвтектоидных сталей будет присутствовать мартенсит с цементитом и небольшим количеством остаточного аустенита. Остаточный аустенит, как структурный компонент, характерен для всех закаленных заэвтектоидных сталей.

Если эвтектоидную сталь нагревать для закалки выше Astp, то в ее структуре будет присутствовать крупноигольчатый мартенсит с повышенным количеством остаточного аустенита. Наличие остаточного аустенита в структуре стали снижает ее твердость.

Все трансэвтектоидные стали подвергаются неполному упрочнению.

Время нагрева деталей зависит от нагревательного устройства. При нагреве в электровоздушных печах скорость нагрева составляет 0,8-1 мин на 1 мм поперечного сечения.  Скорость нагрева в соляной ванне в два раза выше, чем в электропечи, а в расплавленном металле (свинце) в три-четыре раза.

При достижении заданной температуры проводят выдержку для полного прогрева деталей по поперечному сечению, завершения всех фазовых превращений и выравнивания состава аустенита по объему.  Чем выше температура нагрева, тем короче время выдержки.  Часто предполагается, что время выдержки равно 1/5 времени нагрева.

Закалка- закалочная среда для ее проведения   

В то время, когда происходит закалка,  охлаждающая среда должна обеспечивать высокую скорость охлаждения при температурах с наименьшей стабильностью переохлажденного аустенита (650-550°C), чтобы предотвратить его разложение в ферритно-цементитную смесь.

В температурном диапазоне мартенситного превращения (Mn-Mk) рекомендуется медленное охлаждение для уменьшения внутренних напряжений.

Закалка, влияние на нее закалочных сред

Закалка водой и различные водные растворы используются в качестве закалочной среды для углеродистых сталей с высокой критической скоростью охлаждения, а масло и воздух — для легированных сталей с низкой критической скоростью охлаждения.

Когда нагретая деталь погружается в воду или масло, различают три стадии охлаждения (рис.9).

   На первом этапе А,  вокруг нагреваемой детали образуется паровая рубашка, через которую отводится тепло. Скорость вывода средств в этом случае невелика.  Первая стадия называется стадией кипячения пленки;

На втором этапе В,  паровая рубашка разрушается, и жидкость вступает в контакт с нагреваемой деталью, образуя пузырьки на ее поверхности.  Охлаждение в этот период происходит с высокой скоростью. Эта стадия называется стадией пузырькового кипения;

При дальнейшем охлаждении ниже точки кипения тепло отводится за счет конвекции на низкой скорости – стадия С.

Охлаждающая жидкость охлаждается тем интенсивнее, чем шире интервал кипения пузырьков, т.е. чем выше температура перехода от первой стадии охлаждения ко второй и чем ниже температура перехода от второй стадии к третьей.

В таблице 1 показан диапазон температур пузырькового кипения и относительная скорость охлаждения в середине этого интервала для различных сред.

Вода как закалочная среда обладает высокой скоростью охлаждения, но у нее есть недостатки: охлаждающая способность воды снижается с повышением ее температуры (см. табл.1), вода обладает высокой скоростью охлаждения при температурах мартенситообразования.

Добавление в воду солей, соды и щелочей изменяет ее твердеющую способность. В таких растворах диапазон кипения пузырьков расширяется, охлаждение в этом диапазоне ускоряется и становится более равномерным. Охлаждающая способность водных растворов солей и щелочей менее чувствительна к колебаниям температуры.

Таблица 1   Характеристика различных  охлаждающих сред

Минеральное масло охлаждается медленнее и более равномерно, чем вода и водные растворы. Он используется для охлаждения стали в диапазоне температур мартенситного превращения. Охлаждающая способность масла не меняется при повышении температуры от 20 до 150°C, поэтому закалка стали происходит более спокойно и равномерно.

К недостаткам масла относятся его огнеопасность  и загущение с течением времени, что ухудшает его  закаливающую способность.  Кроме того,  масло пригорает к поверхности детали и образует налет (пригар).

Способы закалки

Оптимальный способ закалки выбирают в зависимости от  состава стали, формы и размеров детали. Чем больше углерода в стали, тем больше объемные изменения, тем при более низкой температуре происходит  превращение аустенита в мартенсит, тем больше  вероятность образования  трещин, тем тщательнее нужно выбирать  способ охлаждения.

Чем сложнее деталь, тем  больше  различие в сечениях  детали, больше величина внутренних  напряжений, возникающих при охлаждении.

Существуют следующие способы закалки (рис. 10).

Закалка в одном охладителе  а  получила  наиболее широкое применение. Нагретую до  определенной температуры  деталь погружают  в закалочную  среду, где она остается до  полного охлаждения. Этот способ  применяют для деталей простой формы из углеродистых  и легированных сталей. Детали из углеродистых сталей  диаметром  более 5 мм охлаждаются в воде, а менее – в масле. Легированные стали  охлаждают в масле.

С целью уменьшения внутренних напряжений детали иногда перед погружением в закалочную жидкость  некоторое время охлаждают на воздухе, подстуживают.  Такой способ закалки называется  закалкой с  подстуживанием. При подстуживании необходимо, чтобы  температура детали не  опускалась ниже  точки  А_к3 для конструкционных  сталей и ниже точки А_r1 для инструментальных. Цель этого способа  закалки – уменьшение  внутренних  напряжений и  коробления деталей,  особенно цементованных.

   При закалке в двух средах  б нагретую деталь  сначала  охлаждают  в воде до температуры несколько выше М_н а затем  быстро  переносят в другую среду (масло, селитру или на воздух), где она  охлаждается  до 20ᴼ С. Во второй  закалочной среде  уменьшаются  внутренние напряжения, связанные  с превращением  аустенита в мартенсит.  Этот способ применяется при  закалке  высокоуглеродистых сталей и требует от  калильщика  высокой квалификации, так как трудно  установить и отрегулировать время  выдержки детали в воде. Обычно оно очень мало и исчисляется секундами (3-4 сек).

При ступенчатой закалке  в  нагретая деталь охлаждается в закалочной среде, имеющей  температуру  несколько выше точки М_н (обычно  230-250ᴼ С),  и выдерживается в ней до выравнивания температуры по  всему сечению. Выдержка не должна быть  очень длительной, чтобы не вызвать   превращения аустенита в бейнит. Затем следует окончательное охлаждение на воздухе, во время которого происходит  превращение аустенита в мартенсит. При ступенчатой закалке уменьшаются  объемные изменения, коробление и опасность  возникновения трещин.

Правку и рихтовку изделий, склонных к короблению,  осуществляют в период охлаждения на воздухе.

Ступенчатая закалка для углеродистых сталей применима  лишь для изделий диаметром не более 10-12 мм, а для легированных сталей – до 20-30 мм.

Изотермическая закалка г  выполняется так же, как и ступенчатая, но выдержка в закалочной  среде более продолжительна. При такой  выдержке  происходит  изотермический распад аустенита с  образованием бейнита. Продолжительность выдержки в закалочной  среде зависит от устойчивости  переохлажденного  аустенита  при температурах выше М_н и определяется  по диаграмме  изотермического превращения аустенита для  каждой марки стали.  В основном изотермической  закалке подвергают  легированные стали.

В качестве  охлаждающих сред при ступенчатой  и изотермической закалке применяют  расплавленные соли (например, 55% KNO₃ и 45% NaNo₂) или расплавленные  щелочи  (20%NaOH и 80% КОН).  Добавка 5-10% воды в расплав щелочей и солей  увеличивает  скорость  охлаждения.

При закалке с самоотпуском  нагретую деталь рабочей частью погружают в воду и вынимают  после  кратковременной выдержки. За счет тепла той части  детали, которая не погружалась в воду,  рабочая часть  изделия  нагревается. Температуру нагрева определяют  по цветам побежалости.  Дальнейший нагрев прерывают   немедленным охлаждением всей детали в воде.

Появление цветов побежалости при отпуске в  интервале 200-300ᴼ С объясняется тем, что на чистой (полированной, шлифованной) поверхности возникают  тонкие слои окислов. Цвет слоя окислов зависит  от его толщины.

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  троотомартенситную структуру на определенную глубину.

Прокаливаемость стали зависит от  устойчивости  переохлажденного аустенита, а следовательно, и от  критической скорости охлаждения.

Если действительная скорость охлаждения  сердцевины изделия будет больше критической скорости  охлаждения, то сталь будет иметь  сквозную прокаливаемость, т.е. по  всему  сечению стали  будет структура мартенсит (рис.   11).

Но если действительная скорость  охлаждения в сердцевине будет  меньше критической  скорости, то в  этом случае  в сердцевине произойдет распад  аустенита на ферритно-цементитную смесь (троостит,  сорбит или перлит).  Значит,  прокаливаемость тем выше,  чем меньше критическая скорость  охлаждения.

Устойчивость переохдажденного аустенита и критическая скорость  закалки  взаимосвязаны. Чем больше  устойчивость  переохлажденного  аустенита, тем меньше  критическая скорость закалки (рис.12).

Величина критической скорости закалки у стали ׀ меньше, чем  у стали ׀׀,  а устойчивость переохлажденного аустенита у стали ׀ больше, чем у стали ׀׀. Следовательно,  чем выше  устойчивость  переохлажденного аустенита, тем  больше прокаливаемость.

Рассмотрим основные  факторы, влияющие на устойчивость  переохлажденного аустенита.

Химический состав стали.  Все легирующие элементы, растворимые в аустените ( за исключением  кобальта), повышают  устойчивость переохлажденного аустенита, а следовательно,  повышают прокаливаемость. Поэтому все легированные стали обладают более высокой прокаливаемостью, чем углеродистые.

Размер наследственного зерна. Аустенит при  нагреве стали может иметь  крупное или мелкое  зерно.  При закалке стали по границам  зерен аустенита  появляются центры превращения. Суммарная  протяженность  границ зерен на единицу объема  в крупнозернистой стали меньше, чем в мелкозернистой, а следовательно, центров распада  в крупнозернистой стали будет  меньше, а устойчивость аустенита выше.  Вследствие  этого прокаливаемость  крупнозернистой стали выше, чем   мелкозернистой.

Однако,  несмотря на более высокую прокаливаемость крупнозернистой стали, на практике для  ответственных деталей  применяют  наследственно мелкозернистые стали, обладающие более высокой  ударной вязкостью. Для повышения прокаливаемости в них вводят хром,  марганец, кремний; а также бор в количестве 0,003 – 0,005%.

Включения, нерастворенные в аустените. К таким  включениям относят карбиды, оксиды, неметаллические включения и интерметаллы. Так как  названные включения представляют собой дополнительные центры превращения аустенита, то при значительном количестве они способствуют  понижению устойчивости  переохлажденного аустенита, а значит, и понижению  прокаливаемости стали. В связи  с тем, что  заэвтектоидные стали для закалки нагревают выше А_с1 и в структуре имеется аустенит и цементит вторичный, прокаливаемость их ниже  эвтектоидной стали.

При сквозной закалке  механические свойства стали по всему  сечению одинаковы.  При несквозной закалке  изменение структуры стали по сечению  влечет за собой  изменение  механических свойств.

Влияние прокаливаемости на структуру  и механические свойства стали  показаны на рис .13.  При несквозной  прокаливаемости твердость после закалки  уменьшается от поверхности к сердцевине (рис. 13, а, б).

После высокотемпературного отпуска  различия в значениях  твердости и пределов прочности  могут быть  уменьшены (рис. 13, в, г). Однако предел текучести,  ударная вязкость и  относительное сужение  в сердцевине  образца  остаются  низкими (рис 13,в).   Это объясняется  разным характером строения ферритно-цементитной смеси.  После отпуска мартенсита закалки в закаленном слое образуется ферритно- цементитная  смесь, имеющая  зернистое строение цементита, а в сердцевине – пластинчатое строение цементита. Ферритно- цементитные смеси с  пластинчатым строением цементита менее пластичны, чем ферритно-цементитные смеси с зернистым строением цементита. Поэтому для получения одинаковых  механических свойств  по сечению необходимо стремиться  получать при закалке  сквозную  прокаливаемость.

За глубину закаленного слоя принимают  расстояние от  поверхности до зоны, состоящей из 50%  мартенсита  закалки и 50%  тростита закалки. Глубина расположения  полумартенситной зоны определяется  по твердости, которая зависит  в основном от  содержания  углерода  в стали (табл.2).

Таблица 2   Зависимость твердости полумартенситной зоны

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  торцовой закалки. Стандартный образец (рис.14)

диаметром  25 мм и длиной 100мм,  нагретый до заданной  температуры,  охлаждается с торца на специальной  установке; так как скорость  охлаждения уменьшается  по мере  увеличения расстояния от торца, то  изменяется  структура и твердость образца. Изменение твердости по длине образца показывается на кривых  прокаливаемости  (рис.15),

построенных в координатах «твердость – расстояние» от торца. Так как  прокаливаемость одной и той же стали может колебаться в широких пределах в  зависимости от колебаний химического состава и величины  зерна, то  прокаливаемость каждой марки стали  характеризуется кривой, а полосой прокаливаемости.  На рис 16.,

приведены полосы прокаливаемости для  углеродистых и легирующих сталей.

Определив с помощью полосы прокаливаемости  расстояние от торца до  полумартенситной зоны длиной  марки стали, по  номограмме (рис. 17) 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).

Используемая литература:

«Термическая обработка металлов»  В.М. Зуев.

Понравилась статья? Пишите в комментариях, делитесь ссылкой на статью с друзьями.