Закалка, скорость нагрева, закалочные среды, способы закалки.

Закалкой называют такую операцию термической обработки, при которой сталь нагревают до температуры, несколько выше критической, выдерживают при температуре и затем быстро охлаждают в воде, масле, водных растворах солей и др.

Цель закалки – получение стали с высокими твёрдостью, прочностью, износоустойчивостью и другими важными свойствами, повышающими эксплуатационную надёжность и долговечность обрабатываемых деталей и инструмента. Качество закалки зависит от температуры и скорости нагрева, времени выдержки и скорости охлаждения.

Температуры нагрева. При закалке конструкционные стали нагревают на 20-40ºС выше линии GS (точки ), а инструментальные стали – на 30-50ºС выше линии PSK (точки ), выдерживают в течение времени, необходимого для выравнивания температуры по всему сечению детали, и быстро охлаждают.

Быстрорежущие, нержавеющие и другие высоколегированные стали закаливают при более высоких температурах нагрева: быстрорежущую сталь Р18 закаливают при температуре 1260-1280ºС, а нержавеющую сталь (например, 4Х13) – при температуре 1050-1100ºС.

При выборе режимов закалки пользуются специальными справочниками.

Допускаемая скорость нагрева металла при его термической обработке зависит от типа нагревательного устройства, массы одновременно нагреваемого металла, его химического состава, теплопроводности, степени однородности и чистоты, а также формы, размеров деталей и температуры нагрева.

Увеличение скорости нагрева сокращает длительность термической обработки, повышает производительность оборудования, уменьшается угар металла и т.д.

Чем больше в стали углерода и легирующих элементов, чем сложнее форма и больше размеры детали, тем медленнее должен осуществляться нагрев во избежание возникновения больших внутренних напряжений, которые вызовут коробление и даже образование трещин в деталях.

Для медленного нагрева детали загружают в холодную печь (медленный нагрев вместе с печью). При загрузке деталей в печь, имеющую температуру заданного режима термообработки, достигается высокая скорость нагрева. Таким методом главным образом нагревают мелкие детали – пружины, шпильки, гайки и т.п.

Медленно нагревают детали до температуры 500-600ºС, затем процесс нагрева ускоряют, так как внутренние напряжения в деталях из-за разности температур уже не будут возникать. Время нагрева инструментальных углеродистых и среднелегированных сталей больше, чем конструкционных углеродистых сталей, на 25-50%, а высоколегированных на 50-100%.

После нагрева до заданной температуры детали выдерживают в течение определённого промежутка времени для выравнивания температуры по всему сечению детали и завершению структурных превращений.

Закалочные среды применяют следующие: воду, водные растворы солей, расплавленные соли и минеральные масла (веретенные 2 и 3; машинное Л, С, СУ и трансформаторное).

Закалочную среду выбирают с учётом химического состава стали. Нужно иметь в виду, что единой универсальной среды для закалки стали нет, поэтому пользоваться следует различными средами. В качестве закалочных сред используют также 5-10%-ный раствор едкого натра или поваренной соли, при этом скорость охлаждения стали в два раза больше.

Способы закалки. Основными способами закалки стали являются: закалка в одном охладителе, в двух средах, ступенчатая, с подстуживанием, самоотпуском и изотермическая.

Закалка в одном охладителе состоит в погружении нагретых изделий в жидкость (вода для углеродистых сталей, масло для легированных), где оставляют их до полного охлаждения. Такой способ закалки применяется для закалки изделий простой формы.

Недостаток его заключается в том, что в результате большой разницы в температурах нагретого металла и охлаждающей среды в деталях возникают большие внутренние напряжения, называемые термическими, которые вызывают трещины и коробления и другие дефекты.

Закалка в двух средах, или прерывистая закалка, состоит в следующем. Нагретые детали сначала быстро охлаждают в воде до температуры 300-400ºС, а затем быстро переносят для полного охлаждения в масло. Такую закалку применяют обычно для высокоуглеродистых инструментальных сталей. Недостаток прерывистой закалки состоит в том, что трудно установить время пребывания детали в первой среде, так как оно очень мало (1 сек на каждые 5-6 мм сечения детали). Излишняя выдержка в воде вызывает коробление и появление трещин.

Ступенчатая закалка, предложенная русским ученым-металлургом Д. К. Черновым, заключается в том, что нагретые детали сначала охлаждают в расплавленной соли или в масле (температура которых должна быть 240-250ºС), выдерживают в этой среде, а затем переносят для окончательного охлаждения на воздух.

Ступенчатую закалку широко применяют в массовом производстве, особенно при изготовлении инструмента с небольшим сечением, требующего высокой твёрдости. Этот способ даёт закалку с минимальными внутренними напряжениями, а следовательно, уменьшает опасность коробления и образования трещин.

Наиболее хорошо поддаются ступенчатой закалке глубоко прокаливающиеся углеродистые и легированные стали 9ХС, ХГ, ХВГ и др.

Закалка с подстуживанием применяется для уменьшения разницы в температурах металла и закалочной среды, если нагрев детали проведён до температуры, значительно превышающей температуру закалки данной стали.

Нагретую деталь перед погружением в закалочную среду выдерживают (подстуживают) некоторое время на воздухе. При подстуживании необходимо, чтобы температура детали не опускалась ниже точки и для инструментальных. Цель этого способа закалки – уменьшение внутренних напряжений и коробления деталей, особенно цементованных.

Закалка самоотпуском состоит в том, что нагретую деталь выдерживают в охлаждающей среде не до полного охлаждения; иногда в закалочную среду погружают только часть детали, для которой требуется высокая твёрдость.

В некоторый момент охлаждение прерывают, чтобы сохранить в сердцевине детали тепло, за счёт которого осуществляется отпуск. Этот момент устанавливается опытным путём, качество закалки в этом случае зависит от мастерства термиста.

Контроль за температурой отпуска при этом способе закалки осуществляется по так называемым цветам побежалости, возникающим на поверхности детали при температуре 220-330ºС.

Закалку с самоотпуском применяют только для обработки ударного инструмента – зубил, бородков, кернеров и др., так как у такого инструмента твёрдость должна равномерно и постепенно понижаться от рабочей части к хвостовой.

Изотермическая закалка – наиболее прогрессивный способ закалки, его применяют в том случае, когда нужно изготовить деталь с максимальной прочностью, достаточной пластичностью и вязкостью. Сталь, нагретую на 20-30ºС выше линии GSK (точка , быстро охлаждают в соляной ванне, имеющей температуру 250-300ºС, выдерживают в этой горячей среде (изотермическая выдержка), а затем сталь охлаждают на воздухе.

Этот способ закалки позволяет снизить термические напряжения, так как после изотермической выдержки структурные изменения в стали уже не происходят. Изотермическую закалку применяют для пружин, рессор, болтов, труб и других изделий из легированных сталей 6ХС, 9ХС, ХВГ и др.

Патентирование стали состоит в нагреве деталей до температуры 800-900ºС, выдержке и охлаждении в ваннах с расплавленным свинцом (500-600ºС) и последующей обработке давлением. После патентирования сталь приобретает высокую прочность, обладает высокой упругостью и хорошей пластичностью.

При обычном охлаждении закаливаемых деталей необходимо соблюдать следующие правила: количество охлаждающей жидкости должно быть достаточным, чтобы температура её мало изменялась во время охлаждения закаливаемых деталей; перед погружением нагретой детали охлаждающую среду (воду, масло) необходимо тщательно перемешать для выравнивания температуры; для удаления образующейся вокруг погружаемой в жидкость детали паровой рубашки, препятствующей свежему притоку воздуха, обрабатываемую деталь следует перемещать в вертикальном и горизонтальном направлениях; тонкие длинные детали во избежание коробления нельзя охлаждать, опуская в жидкость плашмя, так как нижние слои металла, охлаждаясь, не сжимаются. Детали с неодинаковым сечением следует погружать более толстой частью вниз.

На образование трещин оказывает влияние форма углов у детали. Поэтому углы, особенно острые, необходимо закруглять и тщательно обрабатывать.

Угольник с прямым углом после закалки образует трещины, если не просверлить во внутреннем углу отверстия и не сделать подрезки.

Зубья шлицевого валика охлаждаются быстрее сердцевины и уменьшаются в объёме быстрее, чем стержень. Поэтому в углах зубьев создаются сильные напряжения, вызывающие трещины.