Охлаждение заготовок. Скорость охлаждения при закалке К операциям термообработки относятся

Охлаждение заготовок при различных операциях термической обработки выполняется с разной скоростью. При отжиге охлаждение должно быть медленным, а при закалке некоторых сталей, напротив, очень быстрым. Скорость охлаждения регулируется применением различных охлаждающих сред.

Охлаждение заготовок с печью, т.е. весьма медленное, используют при отжиге. Для всех остальных операций термической обработки охлаждение выполняется с большей скоростью. Охлаждение на воздухе используют при нормализации, а также при закалке сталей с очень высокой прокаливаемостью (воздушно-закаливающиеся стали).

Минимально допустимая скорость охлаждения при закалке сталей (чем ниже скорость, тем меньше величина закалочных напряжений, см. 11.6 и рис. 11.16) определяется их прокаливаемостью. Чем выше прокаливаемость стали, тем медленнее можно производить закалочное охлаждение (см. рис. 5.22), поэтому для разных сталей используют закалочные жидкости, обеспечивающие различную скорость охлаждения.

Охлаждающая (закалочная) среда должна обеспечить высокую скорость охлаждения при температурах наименьшей устойчивости переохлажденного аустенита (650... ...550 °С, см. рис. 5.7), чтобы предотвратить его распад. Напротив, в интервале температур мартенситного превращения (Мн...Мк) целесообразно медленное охлаждение для уменьшения закалочных напряжений. Характеристики наиболее применяемых в практике термической обработки закалочных сред приведены в табл. 15.2.

Таблица 15.2

Скорость охлаждения в различных закалочных средах

				Скорость охлаждения, °С/с, при температуре, °С
			Эмульсия
			Масло машинное
			Масло трансформаторное
			Медные плиты
Раствор (10%) в воде			Железные плиты
			Воздух спокойный
			Воздух под давлением

Вода и водные растворы – это дешевые и широко распространенные охладители. Их достоинство – высокая скорость охлаждения в области минимальной устойчивости переохлажденного аустенита; недостаток – также высокая скорость охлаждения в области мартенситного превращения (см. табл. 15.2). Использование этих сред повышает прокаливаемость, но увеличивает вероятность появления деформаций и трещин. Воду используют при закалке углеродистых сталей.

При закалке в воде возможно появление пятнистой твердости (см. 5.2.2). Для предотвращения этого брака в качестве закалочных жидкостей используют водные растворы солей и щелочей, обладающие более высокой температурой парообразования. Но при этом резко повышается скорость охлаждения (см. табл. 15.2), что определяет бо́льшую величину закалочных напряжений.

Масла в интервале Мн...Мк обеспечивают по сравнению с водой значительное снижение скорости охлаждения, это ведет к снижению закалочных напряжений и деформаций. Однако охлаждение в интервале минимальной устойчивости переохлажденного аустенита замедляется (см. табл. 15.2), поэтому масла используют при закалке легированных сталей с более высокой прокаливаемостью.

Эмульсия масла в воде (эмульсии состоят из мельчайших взвешенных капель масла в воде) и вода с температурой 30...40 °С снижают скорость охлаждения в интервале 650-550 °С (см. табл. 15.2) и тем самым вероятность возникновения деформаций, одновременно уменьшая прокаливаемость. Эти среды используют при закалке ТВЧ, когда необходимо закалить только поверхность детали.

Для сталей, обладающих глубокой прокаливаемостью, в качестве закалочной среды используют воздух – спокойный, который обеспечивает очень низкую скорость охлаждения, или под давлением, когда необходимо охлаждать быстрее (см. табл. 15.2). В обоих случаях закалочные напряжения малы.

Охлаждение под металлическими плитами также происходит с низкими скоростями (см. табл. 15.2). Такая технология совмещает закалку с правкой (исправлением формы) и практически исключает деформации.

При закалке крупногабаритных деталей применяют водовоздушные смеси. Их подают на деталь через специальные форсунки. Охлаждающую способность смесей можно регулировать, изменяя количество в ней воды и давление воздуха.

Использование в качестве охлаждающих жидкостей водных растворов полимеров позволяет менять скорость охлаждения в широких пределах – между скоростями охлаждения в воде и в масле. Их применяют при объемной и поверхностной закалке.

Для многих конструкционных сталей температуры Мн лежат в пределах 170-330 °С. Для их изотермической закалки (выполняется путем выдержки при температуре несколько выше точки Мн) используют расплавы солей. В частности, применяют уже рассмотренную выше смесь NaNO3 (45%) и KNO3(55%), работоспособную в интервале 160...650 °С.

В отличие от воды охлаждающая способность масла мало зависит от температуры, а скорость охлаждения в масле во много раз меньше, чем в воде. Поэтому, чтобы снизить напряжения и избежать образования закалочных трещин, для закалки легированных сталей с более низкой темплопроводностью, чем у углеродистых сталей, используют минеральное масло. При отсутствии масла применяют горячую воду (80?С).

Таблица 2.3 Скорость охлаждения стали.

Основные способы закалки стали - закалка в одном охладителе, в двух средах, струйчатая, с самоотпуском, ступенчатая и изотермическая.

Закалка в одном охладителе. Деталь, нагретую до температуры закалки, погружают в закалочную жидкость, где она находится до полного охлаждения. Этот способ используют при закалке несложных деталей, изготовленных из углеродистых и легированных сталей.

Детали из углеродистых сталей охлаждают в воде, а детали из легированных сталей- в масле этот способ используют и при механизированной закалке, когда детали автоматически поступают из агрегата в закалочную жидкость.

Высокоуглеродистые стали закаливают с подстуживанием, т.е. нагретую деталь перед охлаждением некоторое время выдерживают на воздухе. Это уменьшает внутренние напряжения в деталях и исключает образование трещин.

Закалка в двух средах (или прерывистая закалка).

Деталь сначала охлаждают в быстроохлаждающей среде-воде, а затем переносят её в медленно охлаждающую среду- масло; применяется при закалке инструмента, изготовленного из высокоуглеродистой стали.

Струйчатая закалка. Детали, нагретые до температуры закалки, охлаждают струей воды. Такой способ применяют для закалки внутренних поверхностей, высадочных штампов, матриц и другого инструмента, у которого рабочая поверхность должна иметь структуру мартенсита. При струйчатой закалке не образуется паровая рубашка, что обеспечивает более глубокую прокаливаемость, чем при простой закалке в воде.

Закалка с самоотпуском. Детали выдерживают в охлаждающей среде не до полного охлаждения, а до определенной стадии, чтобы сохранить в сердцевине детали тепло, необходимое для сомоотпуска.

Ступенчатая закалка. При этом способе закалки нагретые детали охлаждают сначала до температуры несколько выше точки М н (в горячем масле или расплавленной соли), затем после короткой выдержки при этой температуре (до начала промежуточных превращений) охлаждают на воздухе. На второй стадии охлаждения сталь принимает закалку.

Изотермическая закалка. Детали нагревают до заданной температуры и охлаждают в изотермической среде до 220?-350?С, что несколько превышает температуру начала мартенситного превращения. Выдержка деталей в закалочной среде должна быть достаточно для полного превращения аустенита в игольчатый троостит. После этого производится охлаждение на воздухе. При изотермической закалке выдержка значительно больше, чем при ступенчатой закалке.

Изотермическая закалка позволяет устранить большое различие в скоростях охлаждения поверхности и сердцевины деталей, которое является основной причиной образования термических напряжений и закалочных трещин. После изотермической закалки детали приобретают высокую или среднюю твердость, высокую вязкость и хорошую сопротивляемость ударным нагрузкам. Изотермическая закалка в ряде случаев исключают операцию отпуска, что сокращает на 35-40% цикл термической обработки.

Изотермической закалке подвергают детали и инструмент, изготовляемые из легированных сталей марок: 6ХС, 9ХС, 65Г, ХВГ и т.д.

Светлая закалка. При этом способе закалки детали нагревают в нейтральной безокислительной атмосфере или в расплавленных нейтральных солях. При светлой закалке нагрев деталей или инструмента осуществляют в жидких солях, не вызывающих окисления металла, с последующим охлаждением их в расплавленных едких щелочах; в нагревательных печах с применением контролируемой защитной газовой амтосферы, позволяющей регулировать взаимодействие печных газов со сталью при нагреве; в вакуумных (10 -1 -10 -4 мм рт.ст.) закалочных печах. В результате выполнения любого из этих процессов можно получать детали с чистой светло-серого цвета поверхностью.

8 сентября 2011

Режим охлаждения при закалке должен прежде всего обеспечить необходимую глубину прокаливаемости. С другой стороны, режим охлаждения должен быть таким, чтобы не возникали сильные закалочные , приводящие к короблению изделия и образованию закалочных трещин.

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.

Мартенситное превращение связано с увеличением объема на несколько процентов. Поверхностные слои раньше достигают мартенситной точки, чем сердцевина изделия. Мартенситное превращение и связанное с ним увеличение объема происходит в разных точках сечения изделия не одновременно, что приводит к возникновению структурных 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.

Для сталей наиболее вероятно возникновение закалочных напряжений в интервале температур ниже мартенситной точки, когда появляются структурные напряжения и образуется хрупкая фаза — мартенсит. Выше мартенситной точки возникают только термические напряжения, причем сталь находится в аустенитном состоянии, а аустенит пластичен.

Как показывает С-диаграмма, быстрое охлаждение необходимо в районе наименьшей устойчивости переохлажденного аустенита. Для большинства сталей этот район находится в интервале 660 — 400 °С. Выше и ниже этого интервала температур аустенит гораздо более устойчив против распада, чем около изгиба С-кривой, и изделие можно охлаждать относительно медленно.

Медленное охлаждение особенно важно проводить, начиная с температур 300 — 400 °С, при которых в большинстве сталей образуется мартенсит. При замедленном охлаждении выше изгиба С-кривой уменьшаются только термические напряжения, а в мартенситном интервале снижаются и термические, и структурные напряжения.

В качестве закалочных сред наиболее широко используют холодную воду, 10%-ный водный раствор NaOH или NaCl и масла.

Скорость охлаждения стали в различных средах

В таблице приведены значения скорости охлаждения небольших стальных образцов в двух температурных интервалах для различных сред. Пока не найдено такой закалочной жидкости, которая быстро охлаждала бы в перлитном интервале температур и медленно — в мартенситном.

Холодная вода — самый дешевый и весьма энергичный охладитель. Она быстро охлаждает и в перлитном, и в мартенситном интервалах температур. Высокая охлаждающая способность воды объясняется низкой температурой и громадной теплотой кипения, малой вязкостью и сравнительно большой теплоемкостью.

Добавки соли или щелочи увеличивают охлаждающую способность воды в перлитном интервале.

Главный недостаток воды — большая скорость охлаждения в мартенситном интервале.

Минеральное масло медленно охлаждает в мартенситном интервале (это его главное преимущество), но оно медленно охлаждает и в перлитном интервале (это его основной недостаток). Поэтому масло применяют для закалки сталей с хорошей прокаливаемостью.

Нагретая вода не может заменить масло, так как нагрев резко уменьшает скорость охлаждения в перлитном интервале, но почти не изменяет ее в мартенситном интервале.

«Теория термической обработки металлов»,
И.И.Новиков

Так как нет такой закаливающей среды, которая давала бы быстрое охлаждение в интервале температур 650 — 400 °С и медленное охлаждение выше и главным образом ниже этого интервала, то применяют различные способы закалки, обеспечивающие необходимый режим охлаждения. Закалка через воду в масло Закалка через воду в масло (закалка в двух средах): 1 — нормальный режим;…

Во многих сталях мартенситный интервал (Мн — Мк) простирается до отрицательных температур (смотрите рисунок Зависимость температур). В этом случае в закаленной стали содержится остаточный аустенит, который можно дополнительно превратить в мартенсит, охлаждая изделие до температур ниже комнатной. По существу такая обработка холодом (предложена в 1937 г. А. П. Гуляевым) продолжает закалочное охлаждение, прерванное при комнатной…

Многие изделия должны иметь высокую поверхностную твердость, высокую прочность поверхностного слоя и вязкую сердцевину. Такое сочетание свойств на поверхности и внутри изделия достигается поверхностной закалкой. Для поверхностной закалки стального изделия необходимо нагреть выше точки Аc3 только поверхностный слой заданной толщины. Этот нагрев должен совершаться быстро и интенсивно, чтобы сердцевина вследствие теплопроводности также не прогрелась до…

Сквозной нагрев под закалку Превращения в стали при нагревании описаны в Образовании аустенита при нагревании. Температуры нагрева под закалку углеродистых сталей можно выбрать по диаграмме состояния. Доэвтектоидные стали закаливают с температур, превышающих точку А3 на 30 — 50 °С. Наследственно мелкозернистая сталь допускает более высокий нагрев. При перегреве наследственно крупнозернистой стали закалка дает структуру крупноигольчатого…

Прокаливаемость и критическая скорость охлаждения При закалке на мартенсит сталь должна охлаждаться с закалочной температуры так, чтобы аустенит, не успев претерпеть распад на ферритокарбидную смесь, переохладился ниже точки Мн. Для этого скорость охлаждения изделия должна быть выше критической. Критическая скорость охлаждения (критическая скорость закалки) — это минимальная скорость, при которой аустенит еще не распадается на…

На чтение 8 мин.

Термообработка металла изменяет его характеристики. Закалка стали делает ее тверже, прочнее. В отдельных случаях термообработку проводят для измельчения зерна, выравнивания структуры. Простую технологию нагрева и быстрого охлаждения для мелких деталей можно осуществить в домашних условиях. Необходимо знать марку стали и ее температуру нагрева для закалки.

Закалка стали

Что такое закалка металла?

Один из видов термообработки - закалка металла. Она состоит из нескольких этапов, выполняемых в определенной последовательности:

1. Нагрев металла до определенной температуры. Выдержка для выравнивания по всей глубине детали.
2. Быстрое охлаждение.
3. Отпуск для снятия напряжений и коррекции твердости до заданного значения.

В процессе изготовления сложные детали могут проходить несколько закалок разного вида.

По глубине обработки закалка делится на два вида:

• объемная;
• поверхностная.

В основном в машиностроении применяется объемная термообработка, когда деталь прогревается на всю глубину. В результате резкого охлаждения, после завершения термообработки твердость внутри и снаружи отличается всего на несколько единиц.

Поверхностная закалка применяется для деталей, которые должны быть твердые сверху и пластичные внутри. Индуктор прогревает сталь на глубину 3–20 мм и сразу за ним расположен спрейер, поливающий горячий металл водой.

Сталь нагревается до состояния аустенита. Для каждой марки своя температура, определяемая по таблице состояния сплавов железо-углерод. При резком охлаждении углерод остается внутри зерна, не выходит в межкристаллическое пространство. Превращение структуры не успевает происходить, и внутреннее строение содержит перлит и феррит. Зерно становится мельче, сам металл тверже.

Какие стали можно закаливать?

При нагреве и быстром охлаждении внутренние изменения структуры происходят во всех сталях. Твердость повышается только при содержании углерода более 0,4%. Ст 35 по ГОСТ имеет его 0,32 – 0,4%, значит может «подкалиться» - незначительно изменить твердость, если углерод расположен по верхнему пределу.

Закаливаемыми считаются стали, начиная от СТ45 и выше по содержанию углерода. В то же время закалка нержавеющей стали с низким содержанием углерода типа 3Х13 возможна. Хром и некоторые другие легирующие элементы заменяют его в кристаллической решетке и повышают прокаливаемость металла.

Высоколегированные углеродистые стали содержат вещества, ускоряющие процесс охлаждения и повышающие способность стали к закалке. Для них требуется сложная ступенчатая система охлаждения и высокотемпературный отпуск.

Температура и скорость нагрева

Температура нагрева под закалку повышается с содержанием в стали углерода и легирующих веществ. Для Ст45 она, например, 630–650⁰, Ст 90ХФ - более 800⁰.

Высокоуглеродистые и высоколегированные стали при быстром нагреве могут «потрещать» - образовать на поверхности и внутри мелкие трещины. Их нагревают в несколько этапов. При температурах 300⁰ и 600⁰ делают выдержку. Кроме выравнивания температуры по всей глубине, происходит структурное изменение кристаллической решетки и переход к другим видам внутреннего строения.

Свойства стали после закалки

После закалки деталей происходят структурные изменения, влияющие на технические характеристики металла:

• увеличивается твердость и прочность;
• уменьшается зерно;
• снижается гибкость и пластичность;
• повышается хрупкость;
• увеличивается устойчивость к стиранию;
• уменьшается сопротивление на излом.

На поверхности каленой детали легко получить высокий класс чистоты. Сырая сталь не шлифуется, тянется за кругом.

Виды закалки стали

Основные параметры для закалки стали: температура нагрева и скорость охлаждения. Они полностью зависят от марки стали - содержания углерода и легирующих веществ.

Закаливание в одной среде

При закаливании стали среда определяет скорость охлаждения. Наибольшая твердость получается при окунании детали в воду. Так можно калить среднеуглеродистые низколегированные стали и некоторые нержавейки.

Если металл содержит более 0,5% углерода и легирующие элементы, то при охлаждении в воде деталь потрещит - покроется трещинами или полностью разрушится.

Высоколегированные стали повышают свою твердость даже при охлаждении на воздухе.

При закалке на воде легированная сталь подогревается до 40–60⁰. Холодная жидкость будет отскакивать от горячей поверхности, образуя паровую рубашку. Скорость охлаждения значительно снизится.

Ступенчатая закалка

Закалка сложных по составу сталей может производиться в несколько этапов. Для ускорения охлаждения крупных деталей из высоколегированных сталей, их сначала окунают в воду. Время пребывания детали определяется несколькими минутами. После этого закалка продолжается в масле.

Вода быстро охлаждает металл на поверхности. После этого деталь окунается в масло и остывает до критической температуры структурных преобразований 300–320⁰. Дальнейшее охлаждение проводится на воздухе.

Если калить массивные детали только в масле, температура изнутри затормозит остывание и значительно снизит твердость.

Изотермическая закалка

Закалить металл с высоким содержанием углерода сложно, особенно изделия из инструментальной стали - топоры, пружины, зубила. При быстром охлаждении в нем образуются сильные напряжения. Высокотемпературный отпуск снимает часть твердости. Закалка производится поэтапно:

1. Нормализация для улучшения структуры.
2. Нагрев до температуры закалки.
3. Опускание в ванну с селитрой, прогретой до 300–350⁰, и выдержка в ней.

После закалки в селитровой ванне отпуск не нужен. Напряжения снимаются во время медленного остывания.

Изотермическая закалка

Светлая закалка

Технического термина «светлая закалка» не существует. Когда производится закалка легированных сталей, включая нагрев, в вакууме или инертных газах, металл не темнеет. Закалка в среде защитных газов дорогостоящая и требует специального оборудования отдельно на каждый тип деталей. Она применяется только при массовом изготовлении однотипной продукции.

В вертикальной печи деталь нагревается, проходя через индуктор, и сразу же опускается ниже - в соляную или селитровую ванну. Оборудование должно быть герметично. После каждого цикла с него откачивается воздух.

Закалка с самоотпуском

При быстром охлаждении в процессе закалки стали внутри детали остается тепло, которое постепенно выходит и отпускает материал - снимает напряжения. Делать самоотпуск могут только специалисты, которые знают, насколько можно сократить время пребывания детали в охлаждающей жидкости.

Самоотпуск можно производить дома, если нужно незначительно увеличить твердость крепежа или мелких деталей. Необходимо уложить их на теплоизолирующий материал и сверху накрыть асбестом.

Способы охлаждения при закаливании

Широко используемые в промышленности способы охлаждения металла при закалке на воду и в масле. Самый древний состав для закалки мечей и других тонкостенных предметов - соляной раствор. Закалку производили кузнецы, используя нагрев под ковку и тепло, выделяемое деформацией.

Красные сабли, мечи, ножи опускали в мочу рыжих парней. В Европе их просто вонзали в тела живых рабов. Коллоидный состав, содержащий соли и кислоты, позволял с оптимальной скоростью охладить сталь и не создавать лишних напряжений и поводки.

В настоящее время используют различные солевые натриевые растворы, селитру и даже пластиковую стружку.

Как закалить сталь в домашних условиях

Решение о том, как калить металл, принимается исходя из нескольких параметров:

• марки стали;
• требуемой твердости;
• режима работы детали;
• габаритов.

Не все способы термообработки доступны любителям. Следует выбирать наиболее простые. Чаще всего в домашних условиях приходится закаливать нержавейку при изготовлении ножей и другого домашнего режущего инструмента.

Температура закалки хромсодержащих сталей 900–1100⁰C. Проверять нагрев следует визуально. Металл должен иметь светло оранжевый – темно желтый цвет, равномерный по всей поверхности.

Окунать тонкую нержавейку можно в горячую воду, поднимая на воздух и вновь опуская. Чем выше содержание углерода, тем больше времени сталь проводит на воздухе. Один цикл длится примерно 5 секунд.

Простые свариваемые стали греют до вишневого цвета и охлаждают в воде. Среднелегированные материалы должны перед окунанием в воду иметь красный цвет. После 10–30 секунд перекладываются в масло, затем укладываются в печь.

При закалке получают максимальную твердость, которую дает сталь при данной технологии. Затем высокотемпературным отпуском понижают ее до требуемой.

Закалка в домашних условиях

Оборудование

Нагрев металла производится различными способами. Нужно только помнить, что температура горения дерева не может обеспечить нагрев металла.

Если требуется улучшить качество 1 детали, достаточно развести костер. Его надо по периметру обложить кирпичами и после укладки заготовки частично закрыть сверху, оставив щели для доступа воздуха. Лучше жечь уголь.

Отдельный участок и небольшую по размерам деталь греют газовой и керосиновой горелкой, постоянно водя пламенем и прогревая со всех сторон.

Изготовление муфельной печи требует много времени и ресурсов. Ее целесообразно строить при постоянном использовании.

Охлаждающая жидкость может находиться в ведре и любой другой емкости, которая обеспечит полное погружение детали с толщиной масла в 5 наибольших сечений детали:

• одна часть под закаливаемым изделием;
• две сверху.

Деталь необходимо медленно двигать в охлаждающей жидкости. В противном случае образуется паровая рубашка.

Самостоятельное изготовление камеры для закаливания металла

Наипростейшее подобие муфельной печи делается из огнеупорного кирпича, шамотной глины и асбеста:

1. На оправку навить медную проволоку. Для домашнего напряжения подойдет сечение 0,8 мм. Оставить длинные концы.
2. Расположить спираль внутри кирпичей и зафиксировать глиной, обмазав всю внутреннюю поверхность.
3. Внутри сделать поддон - площадку для расположения заготовок. Для этого нужно смешать глину с асбестом.
4. Теплоизолирующий материал можно расположить и снаружи, уменьшая теплоотдачу стенок.
5. Подключить концы проволоки к проводам с вилкой.
6. Сзади герметично заделать отверстие между кирпичами.
7. Впереди соорудить крышку, которая будет открываться.

Высыхать все материалы должны при комнатной температуре. На это уйдет несколько дней. Затем можно укладывать деталь на изоляционный материал и греть.

Дефекты при закаливании стали

При закаливании стали возникают 2 группы дефектов:

• исправимые;
• неисправимые.

Первые связаны с неравномерной, пятнистой закалкой и несоответствием полученной твердости требованиям в чертеже. Вызваны такие дефекты в основном неправильным охлаждением или некачественно проведенной термообработкой.

К неисправимым относятся сколы, трещины, полное разрушение деталей. Причина чаще всего заключается в некачественном металле.

Закалка значительно изменяет структуру и эксплуатационные качества металла. Делать ее самостоятельно можно на простых деталях. Необходимо точно знать марку стали, температуру ее закалки и охлаждающую среду.