Поверхностная закалка

Этот способ применяется для изделий, у которых должна быть поверхность и вязкая сердцевина (шестерни, валы). При поверхностной закалке нагрев проводится не всей детали, а только её поверхности. После нагрева сразу проводится охлаждение. Поэтому структурные измерения затрагивают только поверхность. В зависимости от способов нагрева различают несколько видов поверхностей закалки:

1. Закалка погружением– разогрев поверхности ведется за счет кратковременного погружения детали в горячую среду. После нагрева детали охлаждают в воде или масле. Толщина закаленного слоя определяются временем выдержки в горячей среде. Недостаток – невозможность получения тонкого закаленного слоя.

2. Газопламенная закалка.Разогрев поверхности детали проводится за счет нагрева пламенем газовой горелки. Достоинство способа в его универсальности, недостаток – высокая температура пламени вызывает перегрев поверхности и как следствие - крупное зерно, выгорание углерода, легирующих элементов, резкий температурой градиент, возможно отслаивание закаленного слоя.

3. Закалка ТВЧ – токами высокой частоты (индукционная закалка).Разогрев детали производится за счет наведения в ней токов высокой частоты. Деталь помещается внутрь индуктора, подключенного к истокам токов высокой частоты. Достоинство способа – высокая производительность недостаток – потребность в сложном оборудовании, для каждой детали необходим свой индуктор, наличие вредных электромагнитных полей.

4. Закалка с нагревом поверхности лазером.При этом способе закалки разогрев поверхности осуществляется за счет воздействия на неё высокоэнергетического пучка излучения. Интенсивность энергии настолько велика, что поверхность в течении нескольких долей секунд может быть нагрета до расплавления. Охлаждение поверхности после нагрева происходит за счет теплоотвода вглубь детали. Дополнительное охлаждение водой не требуется. Перемещая луч лазера по поверхности можно закаливать как отдельные участки детали, так и всю её поверхность. Этим способом можно закаливать внутренние поверхности детали, не закаливая её наружную поверхность. Глубина закаленного слоя регулируется временем, освещая её лазером. При таком способе закалки она может меняться от нескольких микрон до десятков и сотен микрон.

Отпуск стали.

Состояние закаленных деталей отличаются очень сильной неравновесностью структуры. Это обусловлено повышенной концентрацией углерода в твердом растворе, высокой плотностью дефектов кристаллического строения, а также внутренними напряжениями, строениями и термическими. Из-за этого закаленная сталь хотя и обладают высокой прочностью и твердостью, одновременно с этим имеет практически нулевой запас вязкости. Ударные нагрузки могут вызвать быстрое разрушение деталей. Кроме того, переход неравновесной структуры закаленной стали в более стабильную может происходить с течением времени самопроизвольно под воздействием окружающей температуры или внешних нагрузок. Этот переход сопротивляется изменением объёма и поэтому такая ситуация недопустима для высокоточных деталей или для измерительного инструмента. Поэтому всегда закаливание детали подвергается дополнительной термообработке – отпуску.

Различают 3 вида отпуска по температуре: низкий, средний и высокий.

Низкий отпуск 150-220 градусов

Средний отпуск 350-450 градусов

Высокий отпуск 550-650 градусов

Низкий отпускприменяется для деталей, которые должны иметь высокую твердость и прочность. При низком отпуске мартенсит закалки превращается в мартенсит отпуска. Мартенсит отпуска отличается от мартенсита закалки отсутствием внутренних напряжений за счет выделения из него избытка углеводорода в виде мельчайших карбидов. Твердость мартенсита отпуска такая же или немного больше, чем у мартенсита закалки (58 – 62 HRC).

Средний отпускпроводится для деталей, в которых требуется максимальный предел упругости. При температурахсреднего отпуска происходит распад остаточного аустенита в мартенсит, и затем переход мартенсита в троостит. Троостит представляет собой игольчатую структуру феррита, вдоль игл которого расположены выделившиеся из твердого раствора мелкие карбиды. Такая структура обладает малым запасом вязкости, но зато высоким пределом упругости. Поэтому такой вид отпуска применяют для изготовления упругих деталей машин. Твердость 40 – 45НRС и очень маленькая ударная вязкость.

Высокий отпускприменяется для деталей, в которых необходимо сочетание высокой ударной вязкости и достаточной прочности – это детали машин, работающие с ударными и знакопеременными нагрузками. При этом образуется сорбит. Сорбит представляет собой зёрна феррита с огромным количеством точечных и округлых выделений карбидов, равномерно распределенных по объему стали. Твердость 20 –25 НRС.

Сочетание полной закалки и высокого отпуска называетсятермическим улучшением стали.Такой термообработке обычно подвергают стали содержащие 0,3=0,6 %С. Поэтому такие стали часто называютулучшаемыми.

Выбор того или иного вида отпуска зависит от назначения детали. Если деталь должна обладать максимальной твердостью и износостойкостью, то соответственно твердость поверхности должна быть максимальной и для такой детали всегда применяют закалку с низким отпуском. Если же на первое место по техническим условиям выходит максимальная вязкость, то применяют закалку с высоким отпуском. Средний отпуск в большинстве случаев используют при изготовлении пружины. В некоторых случаях при быстром охлаждении деталей после горячей деформации возникает эффект увеличения твердости за счет получения неравновесных структур типа троостит или бейнит. Такая сталь с трудом поддается обработке резанием, поэтому для снижения твердости её подвергают высокому отпуску при температуре600-700º Сс медленным охлаждением. Чаще всего это высокоуглеродистая сталь или сталь, содержащая легирующие элементы.

Отпускная хрупкость.

Отпускной хрупкостьюназывают уменьшение вязкости стали после отпуска в определенном интервале температур. Отпускная хрупкость разделяется на 2 вида:

1. Наблюдается после отпуска в температурном интервале 250-350º С– это отпускная хрупкость Iрода или необратимая хрупкость.

2. Наблюдается в интервале температур 500-600º С. Это отпускная хрупкость IIрода или обратимая.

Хрупкость Iрода характерна для простых углеродистых сталей, содержащих от 0,3-0,6%С. Она проявляется при отпуске в температурном диапазоне 250-350º С.Причина её появления – выделение карбидов по границам зёрен. Это вызывает хрупкость границ и соответственно хрупкость всей детали. Увеличение температуры отпуска вызывает распад мартенсита по всему объему детали и соответственно выравнивание структуры, что вызывает повышение вязкости. Таким образом, если сталь, находящуюся в состоянии отпускной хрупкости I рода, нагреть до более высокой температуры, то её вязкость восстановится и повторный нагрев после охлаждения в температурном интервале 250-350º Сотпускной хрупкости больше не вызовет. Поэтому такая отпускная хрупкость называется необратимой.

Хрупкость IIрода характерна для среднеуглеродистой стали, содержащей легирующие элементы: Si; Мn; Сr. Причем проявляется эта отпускная хрупкость только при медленном охлаждении с температурой высокого отпуска. Если детали охлаждать быстро на воздухе или в воде, то хрупкость IIрода не проявляется. Если сталь имеет уже отпускную хрупкость IIрода, то для её устранения необходимо снова нагреть деталь до температуры отпуска и быстро охладить. Вязкость восстанавливается, но если снова нагреть и медленно охлаждать хрупкость снова появится. Поэтому такая хрупкость называется обратимой.

Повышает склонность сталей к отпускной хрупкости IIрода наличие примесей, особенно фосфора. Поэтому чтобы сделать сталь нечувствительной к отпускной хрупкости IIрода необходимо, во-первых, снижать количество вредных примесей, особенно фосфора, а во-вторых, добавлять в сталь молибден или вольфрам.

Отпускная хрупкость Iрода часто совпадает по температуре со средним отпуском, поэтому пружины и рессоры характеризуются минимальным запасом вязкости.

Прокаливаемость сталей.

Под прокаливаемостьюпонимают способность сталей закаливаться на максимальную глубину.

Для ответственных деталей для обеспечения максимальной надежности требуется максимальная, а лучше сквозная прокаливаемость. Увеличение прокаливаемости возможно разными способами, так повышает прокаливаемость увеличение размеров зерна аустенита, повышение температуры нагрева под закалку, уменьшение содержания вредных примесей, повышение химической однородности. Но сильнее всего увеличивает прокаливаемость введение в сталь легирующих элементов. Большинство из них сдвигают с-образные кривые вправо. Увеличивая устойчивость аустенита против перлитного распада, легирующие элементы уменьшают критическую скорость охлаждения, приближая её к скорости охлаждения сердцевины. Сильнее всех в этом направлении действует хром, а также Ni, Mo, Mn. В большинстве случаев при проектировании детали конструктор должен знать величину критического диаметра для данной марки стали. Критический диаметр– это максимально возможный диаметр для данной марки стали, закаливающейся в данном охладителе насквозь. Самый простой метод определения критического диаметра – способ пробной закалки.Для этого от прутка отрезают кусок, нагревают, закаливают и измеряют твердость по диаметру. Если твердость меняется мало, то деталь прокаливается насквозь.

Наиболее часто для определения критического диаметра применяется способ торцевой закалки.Для этого из исследуемой стали изготовляют цилиндрический образец с длиной цилиндра 100 мм и диаметром 25.

Образец нагревается в печи, а затем охлаждается струей воды, направленной в торец. После полного охлаждения производится замер твердости, начиная от торца до тех пор, пока твердость не перестанет изменяться. Границу закаленной зоны определяют по величине закаливаемости стали. Закаливаемость– это способность стали закаливаться на максимальную твердость. Закаливаемость зависит прежде всего от содержания углерода. Чем больше углерода, тем выше твердость, тем выше закаливаемость. А также от содержания карбидообразующих легирующих элементов.

Резкое падение закаливаемости происходит тогда, когда в её структуре становится менее 50% мартенсита.

Твердость полумартенситной зоны зависит от содержания углерода.

Таким образом, зная содержание углерода в данной стали, по специальному экспериментальному построенному графику определяется твердость полумартенситной зоны. После этого на экспериментально полученном графике изменение твердости от торца получаем величину а. После этого по специальной номограмме Блантера определяется критический диаметр для данной марки стали. Для этого величину а откладываем на верхней масштабной линейке, и отпускаем линию вниз до пересечения с линией соответствий индивидуальной скорости охлаждения. От точки пересечения откладываем горизонталь до используемой охлаждающей среды: вода, масло или воздух. Найдя точку пересечения опускаем вниз на шкалу критических диаметров.