Рис. 5.6. Структурные превращения в заэвтектоидной стали при закалке: а — неполная закалка; б — полная закалка

Название учебной дисциплины: ОП. 05 ОСНОВЫ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ ОБЩЕСЛЕСАРНЫХ РАБОТ

Группа: ТРМ 21-1
Форма и дата занятия: дистанционное занятие 09. 02. 2022 г.
ФИО преподавателя: Чанбаев Зиннур Асхатович https: //vk. com/id154408688; tmtzin@yandex. ru Viber, WhatsApp № 89526896768

Тема: Закалка и отпуск стали.

Контрольные вопросы:

1. Какие физико-мехнические свойства стали могут быть изменены термической обработкой?

2. Назовите виды термической обработки стали и объясните их назначение

3. Какие дефекты могут быть при закалке? Как их предупредить и устранить?

4. Как определяют температуру нагрева стали при закалке?

Закалка и отпуск стали

Наиболее распространенным видом упрочняющей термической обработки углеродистых сталей, содержащих углерода более 0, 3%, является закалка с последующим отпуском.

Закалка — процесс нагрева стали выше точки А_с. (полная закалка) или А_с (неполная) на 30—50 °С с последующим быстрым охлаждением. Цель закалки — получение высокой твердости и заданных физико-механических свойств. Способность стали принимать закалку возрастает с увеличением содержания в ней углерода. При содержании углерода менее 0, 2% сталь практически не закаливается. Под закаливаемостью понимают способность стали приобретать высокую твердость после закалки. Прокаливаемость — способность стали закаливаться на определенную глубину. Прокаливаемость зависит от химического состава стали, размеров детали и условий охлаждения. Чем больше устойчивость переохлажденного аустенита, тем больше прокаливаемость. Характеристикой прокаливаемое™ является критический диаметр, т. е. максимальный диаметр цилиндрического прутка, который прокаливается полностью в охлаждающей среде. Так, для углеродистых сталей при закалке в воде критический диаметр составляет 10—20 мм. Легированные стали при закалке в масле в зависимости от степени легирования могут прокаливаться в сечении до 250—300 мм.

На рис. 5. 4 приведена диаграмма интервалов температур для закалки железоуглеродистых сталей.

Рис. 5. 4. Диаграмма интервалов закалочных температур

Доэвтектоидные стали подвергают полной закалке. После охлаждения закаленной детали в воде при комнатной температуре в структуре образуется мелкоигольчатый мартенсит и небольшое количество остаточного аустенита (1—2%). Нагрев стали при закалке значительно выше критической точки Д, (на 150—200 °С) приводит к ее перегреву. В результате получается крупноигольчатый мартенсит и сталь приобретает пониженную ударную вязкость. Нагрев доэв- тектоидной стали выше точки А, но ниже точки А приводит к неполной закалке. В структуре такой стали наряду с мартенситом присутствуют участки феррита. Эта сталь имеет пониженную твердость. На рис. 5. 5 приведено схематическое изображение структурных превращений для доэвтектоидных сталей, имеющих место при полной закалке {а) — нагрев до температуры выше точки Д и неполной закалке (б) — нагрев до температуры выше точки А.

Рис. 5. 5. Структурные превращения в доэвтектоидной стали при закалке: а — полная закалка; б — неполная закалка

Рис. 5. 6. Структурные превращения в заэвтектоидной стали при закалке: а — неполная закалка; б — полная закалка

На рис. 5. 6 приведена схема структурных превращений, происходящих при закалке заэвтектоидной стали. Если заэвтектоидную сталь нагреть выше точки А. , то в структуре ее будет крупноигольчатыи мартенсит с повышенным количеством остаточного аустенита (рис. 5. 6, б), что приведет к снижению твердости стали. Поэтому все заэвтектоидные стали подвергают неполной закалке (рис. 5. 6, а). Структура этих сталей состоит из мартенсита и цементита. Скорость нагрева и время выдержки деталей зависят от размеров, массы деталей, их конфигурации, химического состава материала деталей, от типа печей и нагревательных сред. При закалке в качестве охлаждающей среды чаще всего используют воду, иногда с добавками солей, щелочей. Для увеличения охлаждающей способности применяют также масла, расплавленные соли и металлы. Для закалки существенное значение имеет скорость охлаждения в интервале температур, где аустенит менее всего устойчив (650—550 °С). Этот интервал температур при закалке надо пройти быстро. Важное значение имеет скорость охлаждения и в интервале температур 300—200 °С, когда во многих сталях происходит образование мартенсита. В этом интервале температур требуется медленное охлаждение во избежание возникновения напряжений и закалочных трещин.

Существуют следующие способы закалки.

Закалка в одном охладителе заключается в том, что нагретую под закалку деталь погружают в закалочную среду (вода, масло и т. д. ), в которой она находится до полного охлаждения. Применяют для несложных деталей из углеродистой и легированных сталей. При закалке в двух средах (прерывистая закалка) деталь сначала погружают в быстроохлаждающую среду (воду), а затем быстро переносят в другую среду (масло, селитру или на воздух), где она охлаждается до комнатной температуры. Такую закалку применяют обычно для обработки инструмента из высоколегированной стали. При ступенчатой закалке нагретая деталь охлаждается в среде при температуре 230—250 °С (например, в горячем масле, расплавленной соли и др. ), а затем после небольшой выдержки охлаждается на воздухе. Изотермическая закалка производится так же, как и ступенчатая, но выдержка в закалочной среде более продолжительная. При такой выдержке происходит изотермический распад аустенита с образованием бейнита (высокодисперсная смесь феррита и карбида железа). Закалка с обработкой холодом заключается в охлаждении закаленной стали, содержащей остаточный аустенит, до температур ниже 0 °С. Обычно эта температура около —70 °С. Обработка холодом производится немедленно после закалки, после чего весь остаточный аустенит переходит в мартенсит. Применяется для высокоуглеродистых (углерода более 0, 6%) и специальных сталей (инструментальных, шарикоподшипниковых и др. ). К основным дефектам закалки относятся: недогрев, перегрев, пережог, обезуглероживание, коробление, трещины и др. Если нагрев стали был ниже критической точки, то говорят о закалке с недогревом. Этот дефект исправимый, для чего сталь подвергают отжигу, а затем проводят закалку в соответствии с технологическими рекомендациями.

Перегрев имеет место тогда, когда сталь нагревают до температуры, намного превышающей критическую. Перегрев также можно исправить отжигом с последующей закалкой. Пережог стали возникает при значительном перегреве стали перед закалкой. При этом сталь становится очень хрупкой, что является неисправимым дефектом (браком). Обезуглероживание и окисление поверхности происходят при нагреве в пламенных или электрических печах без контролируемой атмосферы. Чтобы избежать этих дефектов, надо нагрев выполнять в специальных печах с защитной (контролируемой) атмосферой, нейтральной по отношению к стали. Закалка стали сопровождается увеличением ее объема, что приводит к значительным внутренним напряжениям, которые являются причиной образования трещин и коробления. Трещины являются неисправимым дефектом, а коробления можно устранить последующей рихтовкой или правкой. По указанным выше причинам закаленные изделия и инструмент подвергают отпуску.

Отпуском называют нагрев стали до температуры ниже точки А_с, с выдержкой при данной температуре и последующим охлаждением с заданной скоростью (обычно охлаждают на воздухе). Цель отпуска — уменьшение закалочных напряжений, снижение твердости и получение необходимых механических свойств. Основное превращение при отпуске — распад мартенсита, т. е. выделение углерода из перенасыщенного твердого раствора в виде мельчайших кристалликов карбида железа. Распад мартенсита завершается при температуре около 400 °С, образовавшуюся ферритоцементитную высокодисперсную механическую смесь называют трооститом отпуска. При более высокой температуре нагрева происходит коагуляция кристаллов карбида железа, дисперсность ферритоцементной смеси снижается, и при температуре 500—650 °С образуется сорбит отпуска. Помимо описанных превращений в интервале температур 200—300 °С происходит распад остаточного аустенита с образованием отпущенного мартенсита. В зависимости от температуры нагрева различают три вида отпуска. Низкий отпуск производится при 120— 150 °С (отпуск на отпущенный мартенсит). Его применяют после закалки инструментов, цементованных и цианированных изделий, а также после поверхностной закалки. При низком отпуске уменьшаются остаточные закалочные напряжения, твердость практически не снижается. Средний отпуск (отпуск на троостит) происходит при нагреве до температур 350—450 °С. При этом снижается твердость. Средний отпуск рекомендуется для пружин и рессор. Высокий отпуск (отпуск на сорбит) выполняют при температуре 500—650 °С. Применяют в машиностроении для изделий из конструкционной стали с целью обеспечения достаточной прочности, вязкости и пластичности. Сочетание закалки с высоким отпуском на сорбит называется улучшением. Эту операцию применяют для среднеуглеродистых сталей (0, 35—0, 6% С). После закалки (при охлаждении в воде) углеродистой стали (0, 4% С) и отпуска при 300 °С о_в = 1300 МПа, 5 = 12%, [/ = 35%, а при отпуске 600 °С а_в = 620 МПа, 5 = 22%, |/ = 45%.

Для повышения твердости, предела выносливости и износостойкости детали машин подвергают поверхностному упрочнению. Обычно для этих целей применяют поверхностную закалку — газопламенную закалку, закалку с индукционным нагревом токами высокой частоты и другие виды поверхностного упрочнения. При таком виде обработки сердцевина изделия остается вязкой и воспринимает ударные нагрузки. Нагрев поверхности детали производится до температуры выше точки Л_С} с последующим быстрым охлаждением. Газопламенная закалка заключается в нагреве поверхности стальных изделий ацетиленокислородным пламенем, температура которого составляет 2400—3150 °С; при этом поверхность изделия быстро нагревается до температуры закалки, а сердцевина не успевает нагреться. Быстрое охлаждение обеспечивает закалку поверхностного слоя. Толщина закаленного слоя 2—4 мм, твердость достигает HRC 50—56. Газопламенную обработку применяют в мелкосерийном и единичном производстве. Индукционный нагрев токами высокой частоты (ТВЧ) — наиболее распространенный производительный и прогрессивный метод поверхностного упрочнения. Преимуществом его является возможность автоматизации процесса, отсутствие выгорания углерода и других элементов, а также окисления поверхности изделия. Сущность способа состоит в том, что под действием электродвижущей силы (ЭДС) в металле возникают электрические вихревые токи (токи Фуко), которые нагревают металл до нужной температуры. Твердость поверхностного слоя при нагреве ТВЧ несколько выше, чем твердость, получаемая при обычной закалке. Закалку с использованием ТВЧ применяют для сталей с содержанием углерода более 0, 4%, чтобы получить заданную твердость. Сейчас применяется также поверхностная обработка с использованием нагрева лазером.