Особенности термической обработки легированной стали

Особенности термической обработки легированной стали

К

атегория:

Технология металлов

Особенности термической обработки легированной стали

Далее: Химико-термическая обработка стали

Для легированной стали применяют те же виды термической обработки, что и для углеродистой стали. Отличие термической обработки легированной стали от углеродистой состоит в выборе температур и скорости нагрева, длительности выдержки при этих температурах и способе охлаждения.

Нагрев легированных сталей при термической обработке должен быть более медленным, чем для углеродистых сталей, в связи с пониженной теплопроводностью легированных сталей и возможностью растрескивания при быстром нагреве. Особенно осторожно надо нагревать детали из стали, содержащей такие элементы, как вольфрам, который обладает низкой теплопроводностью.

Выбор температур термической обработки, как уже известно, производится в зависимости от критических точек стали. Все легирующие элементы можно разбить на две группы: элементы, повышающие критические точки ACl и АСз, а следовательно, и температуры нагрева при термической обработке, отжиге, нормализации и закалке, и легирующие элементы, понижающие критические точки.

К первой группе относятся хром (Сг), ванадий (V), вольфрам (W), кремний (Si) и др. В связи с этим отжиг, нормализация и закалка сталей, содержащих перечисленные элементы, производятся при более высоких температурах, чем углеродистых сталей.

Ко второй группе элементов относятся марганец (Мп), никель (Ni) и др.

Помимо критических точек, при выборе температуры термической обработки обращают внимание на склонность аустенитного зерна к росту. Если сталь склонна к росту аустенитного зерна, то во избежание получения крупнозернистой структуры температура термической обработки выбирается как можно ближе к критической точке стали. Однако это затрудняет более полное растворение легированных карбидов в аустените и получение после закалки легированного мартенсита, обладающего лучшими свойствами.

Все легирующие элементы, за исключением Мп, препятствуют росту аустенитного зерна при нагреве. Особенно сильное влияние на уменьшение роста аустенитного зерна оказывают элементы, образующие в сталях карбиды (химические соединения с углеродом — Cr, W, V). Карбиды располагаются по границам зерна и затрудняют его рост при нагреве. Таким образом, легированные стали (за исключением марганцовистых сталей) при термической обработке не склонны к перегреву и нагрев их может производиться до более высоких температур, чем для углеродистых сталей.

Время выдержки при термической обработке легированных сталей устанавливается несколько больше, чем для углеродистых сталей, так как легированная сталь обладает худшей теплопроводностью, чем углеродистая, и для полного прогрева детали требуется больше времени. Кроме этого, для получения лучших механических свойств необходима выдержка для более полного растворения легированных карбидов в аустените.

Скорость охлаждения при термической обработке устанавливается, как уже известно, в соответствии с величиной критической скорости закалки.

Все легирующие элементы, кроме кобальта (Со), уменьшают критическую скорость закалки.

Практически это приводит к тому, что большая часть легированных сталей закаливается на мартенсит в масле, т. е. при меньшей скорости охлаждения, чем углеродистая сталь. Некоторые высоколегированные стали способны закаливаться даже на воздухе.

Легированная сталь обладает большей прокаливаемостью, чем углеродистая. Среди легированных сталей имеются такие, которые прокаливаются насквозь даже в крупных сечениях.

Все легирующие элементы, ироме А1 и Со, увеличивают количество остаточного аус тенита в стали после закалки. При содержании в большом количестве таких элементов, как Ni, Мп,, аустенит в стали при комнатной температуре может сохраняться сколько угодно.

Присутствие легирующих элементов в стали вносит некоторые изменения и в практику проведения отпуска.

Карбидообразующие элементы (вольфрам, ванадий, хром) способствуют образованию устойчивого против распада, т. е. красностойкого мартенсита. Благодаря этому высокая твердость стали сохраняется до температур 450—550°, в то время как в углеродистой стали мартенсит начинает распадаться с температуры 200—250°, что вызывает снижение твердости стали. Высокая красностойкость является весьма ценным свойством для инструментальной стали. Инструмент в процессе резания нагревается, и если сталь не красностойка, то она теряет свою твердость и режущие свойства. Поэтому вольфрам, ванадий, хром широко используют в инструментальных сталях. Распад мартенсита в таких сталях при 450—550° сопровождается выделением легированных карбидов, вызывающих замедление падения твердости, а иногда и увеличение ее. Лишь при температурах 650— 700°, когда легированные карбиды сильно увеличиваются в размерах, происходит снижение твердости и прочности. Увеличение

твердости в пределах температур 450—550° за счет выделения карбидов называется вторичной твердостью.

Легированный остаточный аустенит обладает большой устойчивостью, и превращение его в мартенсит происходит при значительно более высоких температурах отпуска, чем в углеродистой стали. Так, в быстрорежущей стали, легированной хромом, вольфрамом, ванадием, превращение остаточного аусте-нита происходит лишь при температуре отпуска 550— 575°. Это превращение состоит в частичном выделении легирующих элементов в виде карбидов во время выдержки при отпуске и в превращении обедненного остаточного аустенита в мартенсит при охлаждении на воздухе. Такое превращение вызывает повышение твердости и называется вторичной закалкой стали.

Кроме перечисленных явлений, происходящих при отпуске легированных сталей, наблюдается иной, по сравнению с углеродистой сталью, характер изменения ударной вязкости в зависимости от температуры отпуска. В углеродистых сталях ударная вязкость с повышением температуры отпуска непрерывно возрастает, вплоть до температуры 600—650°. В некоторых легированных сталях после отпуска в интервале температур 270—400° и 500— 600° наблюдается резкое снижение ударной вязкости. До настоящего времени нет способа устранения хрупкости в интервале 270—400° и поэтому этот вид хрупкости называют неустранимой отпускной хрупкостью, или отпускной хрупкостью первого рода.

Хрупкость в интервале 500—550° называется отпускной хрупкостью второго рода, она может быть устранена быстрым охлаждением после отпуска.

Рис. 1. Изменение ударной вязкости хромоникелевой стали в зависимости от температуры отпуска

Стали, склонные к отпускной хрупкости, не подвергаются отпуску в интервале температур 270—400° и охлаждаются после отпуска в интервале 500—550° ускоренно.

Термическая обработка инструмента из быстрорежущей стали. Инструмент из быстрорежущей стали подвергается термической обработке с целью получения красностойкой и износоустойчивой структуры.

Термическая обработка быстрорежущей стали состоит из закалки и многократного отпуска; иногда с промежуточной обработкой холодом.

Рис. 2. Схема термической обработки быстрорежущей стали

Быстрорежущая сталь содержит большое количество карбидов (до 30—35%). Для более полного растворения этих карбидов в аустените и получения красностойкого мартенсита закалку быстрорежущей стали производят при температурах, близких к температуре плавления. В связи с тем что такой высокий нагрев стали будет вызывать большое окисление и обезуглероживание, нагрев стали производят обычно в соляных ваннах. Лучше нагревать сталь с предварительным подогревом при температуре 900—950° во избежание растрескивания.

Подогрев инструмента из быстрорежущей стали может производиться в камерных или шахтных печах. Окончательный нагрев производят в электродных печах-ваннах.

При окончательном нагреве под закалку резцы из быстрорежущей стали нагревают до температуры 1280—1310°.

Выдержка при температуре закалки зависит от сечения инструмента и составляет доли минуты. Высокая температура закалки и нагрев в жидкой среде обеспечивают полный прогрев изделия и возможно более полное растворение карбидов. Однако полного растворения карбидов не происходит.

Охлаждение инструмента из быстрорежущей стали ведется в масле. Инструмент малого сечения из быстрорежущих сталей закаливается прямо на воздухе.

После закалки в быстрорежущей стали сохраняется большое количество остаточного аустенита (до 40%). Это снижает твердость стали. Для разложения остаточного аустенита применяют либо обработку холодом с последующим отпуском, либо многократный отпуск. Обработку холодом производят путем охлаждения закаленных деталей до —80°.

Отпуск быстрорежущей стали осуществляют при сравнительно высоких температурах (550—540°), что объясняется высокой красностойкостью мартенсита и большой устойчивостью аустенита. Во время выдержки при отпуске из остаточного аустенита выделяются карбиды легирующих элементов. При последующем охлаждении стали на воздухе обедненный легирующими элементами аустенит превращается в мартенсит отпуска, что повышает твердость стали (вторичная закалка). Многократный отпуск дается с целью более полного превращения остаточного аустенита в мартенсит.

Примеры термической обработки некоторых деталей

1. Сверла—длинные и тонкие, деформация которых при закалке должна быть незначительной, изготовляются из стали 9ХС. После механической обработки сверло подвергают закалке и низкому отпуску, чтобы повысить твердость и износостойкость.

Рис. 3. Эскиз сверла

Нагрев под закалку ведется в электрической печи-ванне. Жидкая среда ванны обеспечивает минимальное окисление поверхности, что не потребует последующей глубокой шлифовки. Температура закалки 840—860°. Выдержка 3 мин. Охлаждение в масле.

Отпуск проводят в масляной шахтной муфельной печи при температуре 180—190° в течение 1 часа.

При закалке и отпуске сверло погружается вертикально во избежание деформации. При погружении в масло при закалке хвостовик остается снаружи и не закаливается. В результате этого хвостовик будет иметь более низкую твердость, чем режущая часть сверла, но более высокие пластические свойства, что предохранит его от поломок.

2. Протяжка, наибольший диаметр которой 20 мм, а длина 500 мм, изготовляется из стали Р-18. После предварительной механической обработки протяжку подвергают термической обработке, которая состоит в закалке с последующим трехкратным отпуском.

Нагрев под закалку производится с предварительным подогревом во избежание растрескивания до температур 800—850°. Для подогрева можно использовать камерные печи. Окончательный нагрев ведут в электродных печах-ваннах до температур 1260—1280°. Выдержка 1,5 мин. Охлаждение при закалке производится в масле. После закалки протяжке дается трехкратный отпуск при 550—560° по одному часу. Отпуск можно проводить в шахтной печи с воздушной средой.

Особенности термической обработки легированной стали

Различие в термической обработке легированной и углеродистой сталей состоит в выборе различных температур и скорости нагрева, длительности выдержки при этих температурах и способе охлаж­дения.

Легированные стали менее теплопро­водны по сравнению с углеродистыми. Это необходимо учитывать и особенно осторожно нагревать детали из стали, содержащей такие элементы, как вольфрам.

Критические температуры у одних легированных сталей выше, у других — ниже; выбор температур термической обработки про­изводится в зависимости от содержания в стали легирующих эле­ментов.

Все легирующие элементы можно разбить на две группы: эле­менты, повышающие критические точки АС1 и А С3,а следователь­но, и температуры нагрева при термической обработке и элементы, понижающие критические точки. К первой группе от­носятся Сu, V, W, Si, Mo, Ti, Nb и др. В связи с этим от­жиг, нормализация и закалка сталей, содержащих перечис­ленные элементы, производят­ся при более высоких тем­пературах, чем отжиг, нор­мализация и закалка углеро­дистых сталей. Ко второй группе элементов относятся Mn, Niи др. При выборе тем­пературы термической обра­ботки имеет значение склон­ность аустенитного зерна к росту.

Все легирующие элементы, за исключением Μn, препятствуют росту аустенитного зерна при нагреве. Особенно сильное влияние на уменьшение роста аустенитного зерна оказывают элементы, обра­зующие в сталях карбиды (Сr, Mo, W, V, Ti): карбиды располагают­ся по границам зерна и затрудняют его рост при нагреве. Таким образом, легированные стали (за исключением марганцевистых) при термической обработке не склонны к перегреву; нагревать их можно до более высоких температур, чем углеродистые стали.

Время выдержки устанавливается несколько большее, чем для углеродистых сталей, так как легированная сталь обладает худшей теплопроводностью и полный прогрев изделия требует боль­шего времени. Кроме того, для получения лучших механических свойств необходима выдержка, чтобы полностью растворились леги­рованные карбиды в аустените.

Скорость охлаждения при термической обработке устанавливается в соответствии с устойчивостью переохлажденного аустенита и величиной критической скорости закалки. Практически это приводит к тому, что многие легированные стали закаливаются на мартенсит в масле, т. е. при меньшей скорости охлаждения, чем углеродистая сталь.

Легированная сталь обладает большей прокаливаемостью, чем выше степень легированности сталей, тем более глубокой прокаливаемостью они обладают (рис. 1). Легирующие элементы в стали влияют на устойчивость мар­тенсита при отпуске

Рис. 1. Зависимость прокаливае­мости от содержания в стали леги­рующих элементов:

1— стали низкой прокаливаемости (углеро­дистые),

2 — стали средней прокаливаемости (например, хромистые),

3 — стали повышен­ной прокаливаемости (например, хромоникелевые),

4 — стали высокой прокаливаемости (хромомарганцевокремниевые и другие сложнолегированные); закаленный слой заштрихован

Например, в инструментальных быстрорежущих сталях карбидообразующие элементы W, Mo, V, Сг способствуют образованию красностойкого мартенсита. Благодаря этому высокая твердость стали сохраняется до температур 560—600° С, тогда как мартенсит углеродистой стали начинает распадаться при 200—240° С, что снижает твердость стали. Высокая красностойкость — весьма цен­ное свойство инструментальной стали. Инструмент в процессе реза­ния нагревается, и, если сталь не красностойка, она теряет твер­дость и режущие свойства.

Кроме перечисленных особенностей, при отпуске легированной стали можно наблюдать явление отпускной хрупкости, т. е. пони­жение ударной вязкости, происходящее несмотря на уменьшение твердости. Причиной отпускной хрупкости является выделение хрупких фаз по границам зерен у таких широко распространенных сталей, как хромистые, хромоникелевые и др. Можно полностью избежать отпускной хрупкости, охлаждая такую сталь после отпус­ка не на воздухе, а в масле (крупные детали — даже в воде), а также применяя хорошо раскисленную сталь или другие марки стали, содержащие молибден или вольфрам, препятствующие выделению хрупких фаз.

Отметим, наконец, еще одну важную особенность термической обработки легированной стали. При закалке большинства сталей часть зерен высоколегированного аустенита мартенситного превра­щения не претерпевает, и в структуре стали сохраняется некоторое количество остаточного аустенита. Так как аустенит имеет невысо­кую твердость (НВ 170 — 220), закаленная сталь обладает несколь­ко меньшей твердостью и пониженной износоустойчивостью. Значи­тельного превращения остаточного аустенита в мартенсит отпуском у не удается добиться. Исследования, проведенные советскими уче­ными, показали, что превращения остаточного аустенита в мартенсит можно достигнуть глубоким охлаждением до минус 65 —минус 70° С. После выдержки изделий при низких температурах в течение 1—2 часов в их структуре происходит полное превращение остаточ­ного аустенита в мартенсит, и твердость, а вместе с ней и износоус­тойчивость изделий повышаются.

Рис. 7.1. Схема диаграмм состояния железо — легирующий элемент

В аустенитных сталях матричной (основной) фазой является аустенит

(γ), имеющий ГЦК – решетку и обладающий парамагнитизмом («немагнитен»). Ферритные стали в качестве матричной фазы имеют
феррит
(α) с ОЦК – решеткой, который при температуре ниже точки Кюри (для железа — 768°С) обладает ферромагнетизмом («магнитен»).
Влияние легирующих элементов на кинетику распада аустенита.
В первом приближении, влияние легирующих элементов заключается, во-первых, в повышении устойчивости аустенита к распаду с образованием перлита и, во-вторых, в понижении (кроме кремния) температуры начала мартенситного превращения.

Это позволяет разделить все многообразие легирующих сталей на три класса, исходя из характера структуры получаемой при охлаждении на воздухе:

— перлитный класс; при охлаждении на воздухе образуется перлит(рис. 7.2.а);

— мартенситный класс; при охлаждении на воздухе образуется мартенсит, так как критическая скорость закалки ниже скорости охлаждения на воздухе, а температура начала мартенситного превращения находится выше комнатной температуры (рис. 7.2.б);

• аустенитный класс; при охлаждении на воздухе аустенит остается не превращенным, так как мартенситное превращение начинается при пониженных температурах (рис.7.2.в).

Рис. 7.2. Диаграммы распада аустенита сталей разных классов Повышение устойчивости аустенита при введении легирующих элементов ведет к увеличению прокаливаемости
стали (способность стали закаливаться на определенную глубину).

Прокаливаемость стали является важной характеристикой, особенно конструкционных сталей, используемых в машиностроении. Повышенная прокаливаемость стали, оцениваемая по расстоянию от поверхности закаленного образца до полумартенситной зоны (50% мартенсита и 50% троостита) или критическим диаметром (наибольший диаметр цилиндрического образца, в сердцевине которого в результате закалки на мартенсит получают не более 50% троостита), позволяет даже при закалке массивных деталей получить сквозную мартенситную структуру, обеспечивающую равномерность механических свойств по сечению изделия после отпуска.

Прокаливаемость стали может быть особенно увеличена при совместном легировании несколькими элементами: для конструкционных сталей типично сочетание хрома и никеля; для инструментальных – хрома, вольфрама и молибдена. Так из рис.7.3. видно, что легирование инструментальной стали хромом в количестве 1% (сталь 90Х) уменьшает критическую скорость закалки в пять раз, а дополнительное введение 4% вольфрама позволяет получать мартенситную структуру, охлаждая сталь на воздухе.

Рис.7.3. Влияние легирующих элементов (Cr и W) на характер

диаграммы изотермического распада аустенита.

а – сталь У8; б – сталь 90Х; в – сталь 90ХВ4
Образование легирующими элементами самостоятельных фаз.
При введении в сталь легирующие элементы могут быть растворены в феррите и аустените, повышая их прочность, коррозионостойкость (хром. никель), износостойкость (марганец) и жаростойкость (хром, молибден). Некоторые элементы, например, хром и марганец, могут находиться в составе цементита, также повышая его прочность.

Однако значительно большее влияние на свойства стали легирующие элементы оказывают, образуя самостоятельные карбидные фазы, такие как – Cr7C3, Cr23C6, Мо2C, W2C, VC, NbC, ТiC и др. Образование дисперсных карбидных фаз приводит к дополнительному повышению прочности улучшаемых сталей, возрастает их износостойкость, что особенно заметно проявляется при использовании инструмента из стали, легированной вольфрамом и молибденом.

В сталях с значительным (несколько процентов) содержанием двух и более легирующих элементов высокий уровень механических характеристик достигается благодаря образованию интерметаллидных фаз – химических соединений, образованных металлами (например: Ni3

Ti, Ni
3
Al).

1. Маркировка и классификация легированных сталей

Маркировка.
Обозначения марок сталей состоят из небольшого числа цифр и букв, указывающих на примерный состав стали.

Каждый легирующий элемент обозначается буквой: Н – никель, Х – хром, Г – марганец, С – кремний, М – молибден, В – вольфрам, Т – титан, Ф – ванадий, Б – ниобий.

Первые цифры в марке конструкционных сталей показывают среднее содержание углерода в сотых долях процента; в марке инструментальных сталей – в десятых долях процента (при содержании углерода 1% цифра может упускаться). Цифра, идущая после буквы, указывает на примерное содержание данного легирующего элемента в процентах (при содержании элемента менее или около 1% цифра отсутствует).

Пример: 30ХГС – 0,28…0,35% С, 0,8…1,1% Сr, 0,9…1,2% Mn, 0,8…1,2% Si.

Высококачественная легированная сталь (P и S менее 0.025% каждого) в конце обозначения марки стали имеет букву А. Классификация.

По суммарному
содержанию
легирующих элементов стали делят на три группы:

• малолегированные (до 3% );
• среднелегированные (от 3 до 10%);
• высоколегированные (более 10%).

По структуре
, получаемой при нормализации (охлаждение на воздухе), легированные стали, как отмечалось выше, подразделяются на три класса:

• перлитный класс (например, сталь 18Г2Ф);
• мартенситный класс (30Х13);
• аустенитный класс (12Х18Н10Т).

По назначению
легированные стали подразделяются на:

• конструкционные: цементуемые (18ХГТ), улучшаемые (30ХГСА), пружинные (60С2А), шарикоподшипниковые (ШХ15), строительные (09Г2Ф) и др.;
• инструментальные: для режущего инструмента (ХВГ), штампов (4ХВ2С), прокатных валков (60Х2СМФ) и др.;
• стали с особыми физическими свойствами: нержавеющие (30Х13, 12Х18Н10Т), жаропрочные (15Х11МФ), износостойкие (110Г13) и др.

Все эти классификации при характеристике легированных сталей используют совместно. Например, сталь 12Х18Н10Т –высоколегированная нержавеющая сталь аустенитного класса; сталь 50ХФА – малолегированная пружинная сталь перлитного класса.

1. Режимы термической обработки легированных сталей

Конструкционные стали.
Ответственные детали из
улучшаемых
легированных сталей подвергаются закалке с отпуском. температура отпуска существенно влияет на уровень механических характеристик. Это хорошо иллюстрирует, на примере хромоникелевой стали с различным содержанием углерода, рис.7.4. Рис.7.4. Влияние температуры отпуска на механические свойства

(σв

и ψ) хромоникелевой стали;

а – малоуглеродистая сталь; б – среднеуглеродистая сталь Типичным режимом термической обработки для получения лучшего комплекса механических свойств (сочетание прочности и пластичности) являются: для малоуглеродистых легированных сталей – закалка от 900°С в масле с низким отпуском при 150…200°С (структура – отпущенный мартенсит); для среднеуглеродистых легированных сталей – закалка от 850°С в масле с высоким отпуском при 550…600°С (структура – сорбит отпуска). Сочетание закалки с высоким отпуском называется операцией «улучшение».

Марки улучшаемых сталей: 40Х, 40ХНМ, 30ХГС, 38ХН3МФ и др.
Цементуемые
легированные стали после закалки от 780…800°С подвергают низкому отпуску при 180…200°С, что обеспечивает сохранение после закалки высокой твердости поверхностного слоя цементованной детали.

Марки цементуемых сталей: 20ХН, 18ХГТ, 12Х2Н4, 18Х2Н4В и др.

Низкий отпуск при температуре 120…160°С проводят и на деталях из шарикоподшипниковой

стали (ШХ9, ШХ15), обеспечивая высокую их износостойкость.

Благоприятное сочетание прочностных и упругих свойств пружинных

сталей (например, сталь 60С2) достигается путем проведения после закалки от 870°С в масле среднего отпуска при температуре 460°С.
Инструментальные стали.Режущий
инструмент из легированных сталей, кроме быстрорежущих, (9ХС, ХВГ, ХГСВФ, ХВ5 и др.), предназначенный для обработки древесины и металла в легких условиях резания, подвергается термообработке по схеме: закалка от 800…830°С в масле с низким отпуском при температуре 150…200°С.

Режущий инструмент по металлу в тяжелых условиях резания изготавливается из быстрорежущих сталей

, содержащих в обязательном порядке 6…18% вольфрама, а также хром, ванадий, кобальт, молибден (Р18, Р9, Р9К5, Р9Ф5, Р6М5 и др.). Окончательная термообработка такого инструмента включает закалку от 1250°С и 2…4-х кратный отпуск при 580°С. Иногда после закалки инструмент подвергают обработке холодом (- 80°С). после чего проводят однократный отпуск.

При термической обработке штампового

инструмента, благодаря повышенной стойкости к отпуску по причине присутствия 2 % вольфрама (например 4ХВ2С, 6ХВ2С), после закалки от 860…900°С (масло) применяют средний отпуск при температуре 420…440°С.

Механические свойства некоторых марок конструкционных и инструментальных сталей после термообработки приведены в таблице 7.1.
Нержавеющая (коррозионностойкая) сталь.
Вид и режим термической обработки нержавеющей стали зависит от ее класса.

Нержавеющие стали аустенитного

класса (например, классическая хромоникелевая «нержавейка»: 12Х18Н10Т) подвергают закалке от 1050…1100°С без отпуска. Хромоникелевая сталь после закалки имеет повышенную коррозионную стойкость и высокую пластичность.

Нержавеющие стали мартенситного

класса (30Х13) подвергают упрочняющей закалке от 1000…1050°С (воздух) с последующим низким или высоким отпуском.

Среди нержавеющих сталей особо благоприятным комплексом свойств обладают малоуглеродистые стали сложного состава с аустенито-мартенситной структурой, так называемые мартенситостареющие

стали (например, 03Х10Н11МД2Т). Данные стали после закалки от 950°С (воздух) имеют высокую пластичность, но в процессе последующего нагрева (в данном случае — старения) при температуре 400..500°С они упрочняются за счет выделения интерметаллидных фаз (при наличии алюминия – NiAl, Ni
3
Al, при наличии титана – NiTi, Ni
3
Ti), сохраняя при этом высокую коррозионную стойкость.
Ферритные
стали (08Х17Т) подвергают только нормализации от 780°С.

Механические свойства некоторых нержавеющих сталей приведены в таблице 7.1.

Таблица 7.1

40ХНМ

УлучшаемаяЗак.830°С(масло)
+ отпуск 550°С12005860С2ПружиннаяЗак.870°С(масло)
+ отпуск 460°С150040

Инструмен-

тальнаясталь9ХСРежущий
инструментЗак.840°С(масло)
+ отпуск 160°СHRC 626ХСШтамповаяЗак.860°С(масло)
+ отпуск 160°СHRC 534ХВ2СШтамповаяЗак.880°С(масло)
+ отпуск 420°СHRC 46Коррозион-ностойкаясталь

12Х18Н10Т

Аустенитный
классЗак.1050°С(вода)8006530Х13Мартенситный
классЗак.1000°С(воз-
дух) + отп.600°С70055

03Х10Н11МД2Т

Мартенситоста-

реющая стальЗак.950°С(воз-
дух) + отп.425°С22005408Х17ТФерритнаяНормализ.780°С50050

В целом, изменение свойств при проведении термической обработки определяется классом стали и процессами протекающими при нагреве и охлаждении стали, В таблице 7.2 показано качественно изменение твердости сталей различных классов после закалки в одной и той же среде и отпуска, а также приведены результаты магнитной пробы.

Таблица 7.2

Охлаждающие среды для закалки

СОДЕРЖАНИЕ

Охлаждающие среды для закалки

Охлаждение при закалке должно обеспечить получение структуры мартенсита в пределах заданного сечения изделия (определенную прокаливаемость) и не должно вызывать зака-лочных дефектов: трещин, деформации, коробления и высоких растягивающих остаточных напряжений в поверхностных слоях.

Наиболее желательна высокая скорость охлаждения (выше: критической скорости закалки) в интервале температур A

1 –
М
н для подавления распада переохлажденного аустенита в области перлитного и промежуточного превращений и замедленное охлаждение в интервале температур мартенситного превращения
М
н –
М
к. Высокая скорость охлаждения в мартенситном интервале температур нежелательна, так как ведет к резкому увеличению уровня остаточных напряжений и даже к образованию трещин. В то же время слишком медленное охлаждение в интервале температур
М
н –
М
к может привести к частичному отпуску мартенсита и увеличению количества остаточного аустенита вследствие его стабилизации, что снижает твердость стали.

Обычно для закалки используют кипящие жидкости – воду, водные растворы солей и щелочей, масла. При закалке в этих средах различают три периода:

1) пленочное кипение, когда на поверхности стали образуется «паровая рубашка»; в этот период скорость охлаждения сравнительно невелика;

2) пузырьковое кипение, наступающее при полном разрушении паровой пленки, наблюдаемое при охлаждении поверхности до температуры ниже критической; в этот период происходит быстрый отвод теплоты;

3) конвективный теплообмен, который отвечает температурам ниже температуры кипения охлаждающей жидкости; теплоотвод в этот период происходит с наименьшей скоростью.

В таблице 2 приведен примерный температурный интервал пузырькового кипения и относительная скорость охлаждения в середине этого интервала для различных охлаждающих сред.

При закалке углеродистой и некоторых низколегированных сталей, имеющих малую устойчивость переохлажденного аустенита, в качестве охлаждающей среды применяют воду и водные растворы NaCl или NaOH.

Вода как охлаждающая среда имеет существенные недостатки. Высокая скорость охлаждения в области температур, мартенситного превращения нередко приводит к образованию закалочных дефектов; с повышением температуры резко ухудшается закалочная способность (таблица 1). При закалке изделий в горячей воде вследствие их медленного охлаждения при высоких и быстрого охлаждения при низких температурах тепловые напряжения получаются низкими, а наиболее опасные структурные – высокими, что и может вызвать образование трещин. Наиболее высокой и равномерной охлаждающей способностью отличаются холодные 8–12 %-ные водные растворы NaCl и NaOH, которые хорошо зарекомендовали себя на практике.

При закалке в водных растворах паровая рубашка разрушается почти мгновенно, и охлаждение происходит более равномерно и в основном протекает на стадии пузырькового кипения. Увеличение охлаждающей способности достигается при использовании струйного или душевого охлаждения, широко применяемого, например, при поверхностной закалке.

Дальнейшим усовершенствованием методов охлаждения явилось применение смесей воды с воздухом, подаваемых через форсунки. Водовоздушные среды применяют для охлаждения крупных поковок, рельсов и т. д.

Для легированных сталей, обладающих высокой устойчивостью переохлажденного аустенита при закалке, применяют минеральное масло (чаще нефтяное).

Масло как закалочная среда имеет следующие преимущества: небольшую скорость охлаждения в мартенситном интервале температур, что уменьшает возникновение закалочных дефектов и постоянство закаливающей способности в широком интервале температур среды (20–150°).

К недостаткам следует отнести повышенную воспламеняемость (температуры вспышки 165–300 °С), недостаточную стабильность и низкую охлаждающую способность в области температур перлитного превращения, а также повышенную стоимость.

Температуру масла при закалке поддерживают в пределах 60–90 °С, когда его вязкость оказывается минимальной.

В последние годы вместо воды или масла начинают применять водные растворы моющих средств, содержащих поверхностно-активные вещества, жидкого силиката, и особенно синтетических веществ, например аква-пласт.

Аква-пласт представляет собой концентрат в воде высоковязкой про¬зрачной жидкости, содержащей растворимую в воде пластмассу и коррозионно-защитный ингибитор. Концентрация раствора 0,5–0,7 %,

Закалка в водных растворах полимеров и моющих средств приводят к уменьшению скорости охлаждения при температурах ниже М

н, а как следствие этого исключается образование трещин и уменьшаются коробления.

Оценка статьи:

При закалке для охлаждения легированной стали используютСсылка на основную публикацию

Похожие публикации

Марка нержавеющей стали для пищевой промышленности Как плавить сталь в домашних условиях Отличие булата от дамасской стали Из какой стали делают напильники Трубы стальные водопроводные типовые размеры Марка электродов для сварки нержавеющей стали Классификация сталей по свариваемости Ферромагнитная нержавеющая сталь Гофротруба из нержавеющей стали Твердость стали 95х18 по роквеллу Свойства стали х12мф Полировка стали до зеркального блеска

Технология закалки

Режим закалки определяется температурой, временем выдержки, скоростью охлаждения, используемой охлаждающей средой.

Способы закалки стали:

• в одном охладителе – применяется при работе с деталями несложной конфигурации из углеродистых и легированных сталей;
• прерывистый в двух средах – востребован для обработки высокоуглеродистых марок, которые сначала остужают в быстро охлаждающей среде (воде), а затем в медленно охлаждающей (масле);
• струйчатый – обычно востребован при частичной закалке изделия, осуществляется в установках ТВЧ и индукторах обрызгиванием детали мощной струей воды;
• ступенчатый – процесс, при котором деталь остывает в закалочной среде, приобретая во всех точках сечения температуру закалочной ванны, окончательное охлаждение осуществляют медленно;
• изотермический – похож на предыдущий вид закалки стали, отличается от него временем пребывания в закалочной среде.

Типы охлаждающих сред

От правильного выбора охлаждающей среды во многом зависит конечный результат процесса.

Для поверхностной закалки и работы с изделиями простой конфигурации, предназначенными для дальнейшей обработки, применяется в основном вода. Она не должна содержать соли и примеси моющих средств, оптимальная температура +30°C.

Внимание! Использовать этот способ охлаждения для деталей сложной конфигурации не рекомендуется из-за риска появления трещин.

• Для изделий сложной формы применяют 50% раствор каустической соды, который нагревают до +60°C. При использовании такого состава для охлаждения сталь приобретает светлый оттенок. Пары каустической соды вредны для здоровья человека.
• Для тонкостенных деталей, изготовленных из углеродистых и легированных сталей, применяются минеральные масла, обеспечивающие постоянную температуру охлаждения, не зависящую от температуры окружающей среды. Главное условие, которое необходимо соблюдать при охлаждении сталей после закалки, – отсутствие воды в минеральных маслах. Недостатки процесса: выделение вредных для человека паров, возможность возгорания масла, образование налета, постепенная потеря эффективности охлаждающего состава.

Внимание! Для работы с изделиями из углеродистых сталей со сложным химическим составом используют комбинированное охлаждение. Оно состоит из двух этапов. Первый – охлаждение детали в воде, второй, после +200°C, – в масляной ванне. Перемещение из одной охлаждающей среды в другую должно производиться очень быстро.

Закалка легированной и углеродистой стали

Температуры нагрева при закалке и твердость после закалки различных марок углеродистой и легированной инструментальной стали приведены в табл. 33.
Температуры закалки, указанные в табл. 33, должны быть взяты по нижнему пределу (и даже несколько ниже), если сталь имеет перед закалкой структуру тонкопластинчатого или точечного перлита и по верхнему пределу (и даже на 5—10° выше), если закаливается крупный инструмент или если сталь имеет структуру неоднородного крупнозернистого перлита.

Инструмент сложной формы и большого размера перед окончательным нагревом необходимо предварительно подогреть при. температуре 350—450°.

Окончательный нагрев инструмента можно производить в различных средах: в печи, пламенной или электрической, и в жидких ваннах (в, свинце или в соли). Если по условиям работы инструмента из легированной стали ему нужно сообщить высокую твердость в поверхностном рабочем слое, например, в зубцах, и более низкую твердость и повышенную вязкость в нижележащих слоях, то в качестве нагревательной среды лучше выбрать свинцовую ванну: она дает наиболее быстрый нагрев, и поэтому при короткой выдержке (1—2 мин.) можно получить требуемую высокую твердость в поверхностном слое глубиной до 10—15 мм и значительно более низкую в сердцевине.

Известным дефектом нагрева в свинцовой ванне является налипание свинца на поверхности инструмента, затрудняющее его последующую шлифовку. Для уменьшения такого налипания следует на поверхность свинцовой ванны дать небольшой слой соли и древесного угля. Жидкая соль, смачивающая поверхность инструмента, препятствует налипанию свинца. Кроме того, при выдаче инструмента из свинцовой ванны его следует «встряхивать».

Хорошие результаты дает также нагрев инструмента в расплавленной соли составв 28, 29 и 30. Применение их позволяет выполнять так называемую «светлую закалку» и полностью защитить поверхность инструмента от окисления и обезуглероживания, в особенности при введении желтой кровяной соли или карборунда в состав соли. Ванна, содержащая карборунд, образует, кроме того, защитную пленку на поверхности инструмента, предохраняющую его от окисления при переносе из ванны в охлаждающую среду (воду или масло). Эта пленка отскакивает при замочке в воде или же хорошо растворяется при последующей промывке инструмента. Поверхность такого инструмента получается после закалки чистой и светлой, что позволяет уменьшить допуск на последующую шлифовку или доводку.

Образование на инструменте пленки карборунда или соли замедляет скорость охлаждения стали. Поэтому для получения требуемых высокой твердости и структуры надо замачивать инструмент в воде, а затем переносить в масло или температуры нагрева ванны для светлой закалки принимать на 10—20° выше указанных в табл. 33.

Однако надо учитывать, что нагрев в соли, содержащей карборунд или повышенный процент кровяной соли (более 10—15%), вызывает науглероживание поверхностного слоя инструмента. Поэтому при необходимости избежать излишнего науглероживания выдержка инструмента в соли не должна превышать 1—2 мин. Некоторые заводы успешно применяют такие ванны также для закалки напильников.

При расчете продолжительности выдержки для получения сплошного прогрева инструмента можно придерживаться ориентировочных норм, указанных в табл. 34. Меньшую продолжительность выдержки надо применять для углеродистой стали, а большую — для легированной.

Скорость нагрева инструмента в пламенной печи должна исчисляться экспериментально в зависимости от типа печи, ее мощности и условий нагрева.

Охлаждение инструмента, изготовленного из стали У8, У9, У10 и У12 и имеющего резкие переходы, во избежание образования трещин надо производить в воде только до потемнения поверхности, а затем передавать его в масло. Длительность замочки в воде обычно составляет 5—8 сек. для инструмента сечением до 25 мм и несколько больше для крупного инструмента.

Охлаждение массивного и сложного по форме инструмента из стали 9ХС, ХВГ, Х12 и Х12М надо производить в расплавленной соли. Температура жидкой соли должна составлять 450—500° при охлаждении инструмента из стали Xl2 и Х12М и 150—160° при охлаждении инструмента, изготовленного из остальных марок стали. Составы солей, обладающих различными температурами плавления, приведены в гл. XVI. Охлаждение в жидкой соли значительно уменьшает деформацию инструмента.

После высокого отпуска

Твер-
достьмагнит-
ная

пробаТвер-достьмагнит-
ная

проба30ХГСАПерлитный
класс↑+↓+30Х13Мартенситный
класс↑↑+↓+12Х18Н10ТАустенитный
классО_О_08Х17ТФерритная
стальО+О+

03Х10Н11МД2Т

Мартенсито-
стареющая

сталь О + ↑↑ +

Примечание: ↑ – увеличение; ↑↑ − сильное увеличение; ↓ – уменьшение; О − без изменения; + «магнитится»; – «не магнитится»

Видно, что отсутствие фазовых превращений в аустенитной и ферритной стали не вызывает заметных изменений свойств при термообработке. Данные стали отличаются\ одна от другой реакцией на магнитное поле: образец ферритной стали притягивается магнитом («магнитится»), а аустенитной стали не притягивается («не магнитится»).

В процессе закалки (масло) сталь перлитного класса отличается образованием, кроме закалочных структур, продуктов диффузионного превращения, что проявляется в меньшем увеличении твердости, по сравнению со сталью мартенситного класса, обладающей более высокой прокаливаемостью.

В мартенситостареющей стали в процессе закалки образуется пластичный мартенсит, однако при последующем нагреве, благодаря процессам «старения», наблюдается существенное повышение твердости.

Сведения, приведенные в таблице 7.2, можно использовать при проведении экспертизной работы. по получению предварительной информации о легированных сталях. ЗАДАНИЕ

1. Изучить и освоить теоретическую часть.
2. Для пяти марок легированных сталей (таблица 7.2) провести закалку от одной температуры (1000°С), измерить твердость (НRC) и провести магнитную пробу закаленных образцов.
3. После закалки провести отпуск с охлаждением на воздухе при температуре 500°С, измерить твердость и провести магнитную пробу образцов сталей после отпуска.
4. Результаты, полученные в пп 2 и 3, занести в таблицу:

Таблица 1

Зачем нужна и как проводится закалка стали?

Закалкой называют вид термической обработки металлов, который заключается в нагреве выше критической температуры с последующим резким охлаждением (обычно) в жидких средах. Критической называют температуру, при которой происходит изменение типа кристаллической решетки, то есть осуществляется полиморфное превращение. Она определяется она по диаграмме «железо-углерод». фото