Способы закалки

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 через воду в масло (закалка в двух средах):

1 — нормальный режим;
2 — недодержка в воде;
3 — передержка в воде.


Для уменьшения скорости охлаждения в мартенситном интервале применяют закалку в двух средах. Вначале деталь погружают в воду и после короткой выдержки в воде переносят в масло. Поэтому такой способ закалки называют закалкой через воду в масло.

Быстрое охлаждение вводе предотвращает перлитное превращение, а последующее замедленное охлаждение в масле уменьшает закалочные напряжения в мартенситном интервале.

Наиболее ответственный момент
— выдержка в воде, продолжительность которой устанавливают для каждого конкретного изделия. И передержка, и недодержка в воде могут привести к браку.

При недодержке в воде происходит частичный или полный распад аустенита и получается заниженная твердость, а при передержке возникают более сильные закалочные напряжения, которые могут привести к короблению и образованию трещин.

Несмотря на указанные недостатки, закалку через воду в масло широко применяют в производстве режущего инструмента из углеродистой стали (углеродистая сталь обладает небольшой прокаливаемостью, и режущий инструмент из нее нельзя закаливать в масле).


Закалка в воде и горячих средах

Закалка в воде и горячих средах

Закалка в воде и горячих средах:

1 — закалка в воде;
2 — ступенчатая закалка;
3 — изотермическая закалка.


Другой способ уменьшения скорости охлаждения в мартенситном интервале — ступенчатая закалка. Нагретое до температуры закалки изделие быстро погружают в ванну с горячей средой, а затем после некоторой выдержки выдают на воздух или погружают в холодное масло. Впервые закалка в горячей среде была описана Д. К. Черновым.

В 1885 г. в известном докладе «О приготовлении стальных бронепробивающих снарядов» Д. К. Чернов сообщил, что снарядная сталь при закалке в расплаве свинца с оловом приобретает такую же твердость, как и при закалке в холодной воде.

При выборе режима ступенчатой закалки помогает С-диаграмма.
Температуру горячей среды (температуру «ступеньки») выбирают вблизи мартенситной точки (на 20 — 30 °C выше нее) в области высокой устойчивости переохлажденного аустенита.

Время выдержки в горячей среде (длина «ступеньки») должно быть меньше инкубационного периода при соответствующей температуре. Ступенчатая закалка более проста в исполнении, чем закалка через воду в масло, и дает более стабильные результаты.

Другое важное преимущество ступенчатой закалки — выравнивание температуры по сечению изделия при выдержке в горячей среде. Мартенситное превращение после этой выдержки происходит при медленном охлаждении и одновременно по всему объему, в результате чего уменьшаются закалочные напряжения.

Наконец, весьма существенное преимущество — то, что сталь при температуре «ступеньки» находится в аустенитном состоянии. После извлечения из горячей среды изделие некоторое время пластично, и его можно править для устранения коробления.

Это особенно ценно для тонких и длинных изделий, при закалке которых даже в горячей среде неизбежно коробление. Часто используют правку вручную, но наилучшие результаты дает правка под прессом. Правка может продолжаться при охлаждении ниже точки Мн, так как непосредственно в момент мартенситного превращения (но не после его окончания) пластичность повышена.

Основной недостаток ступенчатой закалки — малая скорость охлаждения в горячей среде. Поэтому применение ступенчатой закалки к углеродистым сталям ограничено изделиями небольшого сечения (до 8 — 10 мм толщиной).

Изделие большого сечения охлаждается в горячей среде медленно, и аустенит успевает претерпеть эвтектоидный распад. Изделия из легированных сталей, у которых меньше критическая скорость охлаждения, проще подвергать ступенчатой закалке. Так, например, ступенчатой закалкой широко пользуются при обработке инструментов и деталей машин из хромистой стали (ШХ16, ХВГ и 9ХС).

Разновидностью ступенчатой закалки является закалка в горячей среде, температура которой несколько ниже мартенситной точки. Более низкая температура «ступеньки» обеспечивает большую прокаливаемость, а так как количество мартенсита еще невелико, то основные преимущества ступенчатой закалки сохраняются. Но править изделие при этом уже нельзя.

При ступенчатой закалке используют три группы горячих сред: минеральные масла, расплавы селитр и расплавы щелочей.

Если длина «ступеньки», находящейся в температурном интервале бейнитного превращения, больше времени изотермического распада аустенита, то операцию термообработки называют изотермической или бейнитной закалкой. Бейнитное превращение является промежуточным между перлитным и мартенситным (смотрите Бейнитное превращение).

Сталь со структурой нижнего бейнита по механическим свойствам ближе к закаленной на мартенсит, чем к стали с перлитной структурой. При бейнитном превращении происходит мартенситная γ → α-перестройка. По способу практического осуществления рассматриваемый процесс мало отличается от ступенчатой закалки. Поэтому его относят к закалке с полиморфным превращением.

Изотермическую закалку проводят в тех же горячих средах, что и ступенчатую. Время выдержки в горячей среде должно быть больше времени изотермического превращения аустенита, и его можно ориентировочно выбрать, руководствуясь С-диаграммой. Изотермической закалке можно подвергать изделия небольшого сечения, так как в горячей среде охлаждение идет медленно.

При выдержке в горячей среде температура по сечению изделия успевает выровняться еще в большей степени, чем при ступенчатой закалке.

Резкое уменьшение закалочных напряжений и коробления — важное преимущество изотермической закалки.

Кроме уменьшения закалочных напряжений, у изотермической закалки есть и другое преимущество. При одинаковой твердости вязкость нижнего бейнита больше, чем у стали, отпущенной после закалки на мартенсит.

Одной из причин этого считают более однородное распределение карбидных частиц в бейните. При бейнитном превращении в некоторых легированных сталях сохраняется большое количество остаточного аустенита, который не превращается в мартенсит при охлаждении после изотермической выдержки.

Изотермическая закалка таких сталей обеспечивает высокую ударную вязкость, резко уменьшает чувствительность к надрезу и перекосам по сравнению с закаленной на мартенсит и отпущенной сталью. Следовательно, изотермическая закалка позволяет повысить конструктивную прочность стали.

Ниже сравниваются свойства стали 30ХГС после обычной закалки с отпуском и изотермической закалки:

  σв, кгс/мм2 σ0,2, кгс/мм2 ан, кгс * м/см2
Закалка с 880 °С в воде + отпуск при 520 °С 110 85 4,5
Изотермическая закалка с 880°С в селитре при 300 °С 165 130 6

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

Охлаждение при закалке

Режим охлаждения при закалке должен прежде всего обеспечить необходимую глубину прокаливаемости. С другой стороны, режим охлаждения должен быть таким, чтобы не возникали сильные закалочные напряжения, 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…

Закалка с обработкой холодом

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…

Поверхностный нагрев под закалку

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…

Нагрев и охлаждение при закалке сталей

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 сталей

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…