Практические вопросы термической обработки стали

Закалка стали состоит в нагреве до температуры аустенитизации, выдержке при этой температуре и охлаждении со скоростью не менее критической скорости закалки.

Температуру нагрева под закалку выбирают в соответствии с критическими точками данной марки стали. Для нелегированных сталей температуру нагрева можно в первом приближении определить по диаграмме состояния Fe-Fe₃C.

Для доэвтектоидных сталей оптимальная температура закалоч-ного нагрева равна t_з=: А_с3 + 30…50°. Таким образом, сталь должна быть полностью аустенитизирована. Если при нагреве в структуре стали останется некоторое количество феррита, то в результате закалки получится структура мартенсит и феррит. Присутствие феррита в структуре закаленной стали снижает её твердость и является дефектом термической обработки, который называется недогрев.

Для заэвтектоидной стали, напротив, оптимальным является нагрев под закалку в межкритическом интервале температур А_с3- А_с1, а именно: t_з= А_с1+ 30…50°. Для высокоуглеродистых сталей выполняют, так называемую, неполную закалку, в результате которой стараются получить структуру мартенсита с глобулярными включениями цементита. Такая структура соответствует принципу Шарпи и обладает высокой износостойкостью. Полная аустенитизация сталей с высоким содержанием углерода снижает твердость и износостойкость закаленных изделий вследствие роста действительного зерна аустенита и образования крупноигольчатого мартенсита с большим количеством остаточного аустенита.

Время нагрева под закалку включает продолжительность собственно прогрева изделия до заданной температуры, а также изотермическую выдержку для выравнивания состава аустенита по всему сечению металла: t_з=t_н+t_в.

Время нагрева (t_н) зависит от нагревательной способности среды, от размеров и формы деталей, от способа укладки деталей в печи. Время выдержки (t_в) определяется скоростью фазовых превращений, степенью перегрева и дисперсностью исходной структуры. Для крупных деталей t_н>>t_в.

В технической литературе существует множество справочных данных для назначения времени нагрева, приблизительно этот технологический параметр можно рассчитать по формуле:

где D – характеристический размер (минимальный размер максимального сечения), например для пластины это толщина сечения, мм;

К₁ – коэффициент нагревающей среды: для газа он равен 2, для расплава солей – 1, для расплава металла – 0,5;

К₂ – коэффициент формы детали: для шара он равен 1, для цилиндра – 2, для параллелепипеда – 2,5; для пластины – 4;

К₃ – коэффициент равномерности нагрева: в случае всестороннего нагрева он равен 1, для одностороннего – 4.

Приведенные значения этих эмпирических коэффициентов справедливы для расчета времени нагрева до температур 800…900 °С. Время прогрева детали до более высоких температур будет меньше расчетного, а до более низких температур прогрев будет идти медленнее.

Атмосфера нагревательной печи может взаимодействовать с материалом деталей, вызывая, во-первых, обезуглероживание её поверхностных слоев по реакции: [С] + О₂ ® СО₂, во-вторых окисление стали: 2[Fe] + O₂ ® 2[FeO].

Интенсивность окисления и обезуглероживания усиливается с повышением температуры, увеличением времени нагрева и окислительной способности печной атмосферы, а также она зависит от состава стали.

Для безокислительного (светлого) нагрева применяют контролируемые печные атмосферы, газовую смесь для которых приготавливают в специальных устройствах или непосредственно на входе в печное пространство.

Для безокислительного нагрева применяют также нагрев в расплавленных солях и металлах. Составы некоторых соляных ванн для нагрева под разные виды термической обработки приведены в таблице 2.

Таблица 2. Составы и характеристики соляных ванн для термической обработки сталей и сплавов.

Состав соляной ванны	Температура плавления соляной смеси, t_пл, °С	Рабочая температура соляной ванны, °С	Область применения
BaCl₂		1000-1300	Нагрев под закалку быстро-режущих и нержавеющих сталей
78% BaCl₂+ 22%NaCl		750-900	Нагрев под закалку угле-родистых и низколегирован-ных сталей
NaNO₃		400-550	Отпуск, охлаждение при ступенчатой закалке
50%NaNO₃+ 50%KNO₃		300-400

Охлаждение при закалке сталей производят в различных закалочных средах с разной охлаждающей способностью. Правильно выбранная закалочная среда, с одной стороны, должна обеспечить на заданном расстоянии от поверхности скорость охлаждения не менее критической скорости закалки для данной марки стали. С другой стороны, в интервале температур затрудненной пластической деформации, где термические и фазовые напряжения не могут релаксировать и возникает опасность закалочных трещин, интенсивность охлаждения должна снижаться. Таким образом, оптимальная кривая охлаждения должна выглядеть следующим образом:

Вокруг нагретой детали при погружении её в закалочную жидкость образуется паровой слой, начинается стадия пленочного кипения жидкости. Паровая рубашка затрудняет теплоотвод от поверхности детали и снижает интенсивность её охлаждения. По мере снижения температуры детали характер кипения окружающей её закалочной жидкости сменяется жидкости на пузырчатое кипение. Паровая рубашка вокруг детали разрывается, у её поверхности происходит активное перемешивание жидкости, и как следствие, интенсивность охлаждения резко увеличивается. Когда температура детали снижается ниже точки кипения жидкости, наступает следующий этап конвективного теплоотвода, характеризующийся малой интенсивностью охлаждения. Закалочные среды характеризуются разной интенсивностью охлаждения, и пузырьковое кипение у них развивается в разных температурных интервалах. Характеристики основных закалочных сред приведены в таблице.

Таблица 3. Характеристики закалочных сред

Закалочная среда	Температурный интервал пузырькового кипения, °С	Относительная интенсивность охлаждения в интервале пузырькового кипения
Вода, 20 °С	400-100
Горячая вода, 80 °С	250-100	0,2
1%-й водный раствор NaCl	500-100	1,5
10 %-й водный раствор NaCl	600-100	3,0
Минеральное масло, 20…200°С	500-250	0,3

Из данных, приведенных в таблице, видно, что достаточно высокая охлаждающая способность воды может быть в несколько раз увеличена путем растворения в ней соли или также значительно снижена при подогреве. При этом подсаливание воды значительно расширяет температурный интервал пузырькового кипения в сторону повышенных температур, обеспечивая критическую скорость закалки для большинства сталей. Но нижняя температурная граница этой интенсивной стадии кипения и в чистой, и в соленой, и даже в подогретой воде не поднимается выше 100°С, что вызывает опасность образования закалочных трещин, особенно в деталях сложной геометрии из легированных сталей с высоким содержанием углерода.

Для закалки таких изделий используют минеральное масло, которое имеет оптимальный интервал пузырькового кипения и обеспечивает скорость охлаждения выше критической, не вызывая коробления деталей и образования трещин.

Для обеспечения качественной закалки деталей сложной формы используют различные способы, различающиеся схемами охлаждения, рис. 36.

1- закалка в одной охлаждающей среде (для деталей сечением >2…5 мм из углеродистых сталей – вода; при меньшем сечении и для деталей из легированных сталей – масло);

2 – прерывистая закалка поочередно в двух средах, например до температуры »300…350°С охлаж-дение в воде, затем - в масле. Такой способ закалки снижает уровень закалочных напряжений и опасность трещинообразования;

3- ступенчатая закалка, при которой деталь помещают в соляную ванну с температурой на 30…50°С, где она быстро охлаждается до температуры ванны во всех точках своего сечения, затем охлаждение в любой среде с низкой интенсивностью теплоотвода, например, на воздухе, во время которого происходит мартенситное превращение переохлажденного аустенита;

4 – изотермическая закалка, нагретая деталь помещается в соляную ванну с температурой 250…350°С, где выдерживается до полного превращения аустенита в верхний или нижний бейнит. Твердость стали после изотермической закалки на бейнит несколько ниже, чем у стали с мартенситной структурой, выше ударная вязкость, что повышает эксплуатационные свойства изделия.