Охлаждение – заключительный этап термической обработки-закалки и поэтому наиболее важный. От скорости охлаждения зависит образование структуры, а значит, и свойства образца.

Если раньше переменным фактором была температура нагрева под закалку, то теперь скорость охлаждения будет разная (в воде, в соленой воде, на воздухе, в масле и с печью).

С увеличением скорости охлаждения растет и степень переохлаждения аустенита, понижается температура распада аустенита, число зародышей увеличивается, но вместе с тем замедляется диффузия углерода. Поэтому феррито-цементитная смесь становится более дисперсной, а твердость и прочность повышаются. При медленном охлаждении (с печью) получается грубая смесь Ф+Ц, т.е. перлит, это отжиг второго рода, с фазовой перекристаллизацией. При ускоренном охлаждении (на воздухе) – более тонкая смесь Ф+Ц – сорбит. Такая обработка называется нормализацией.

Закалка в масле дает тростит – высокодисперсную смесь Ф+Ц.

Твердость этих структур растет с дисперсностью смеси (НВ=2000÷4000 МПа). Эти структуры можно получить и способом изотермической закалки.

Рассматривая термокинетическую диаграмму, т.е. диаграмму изотермического распада аустенита вместе с векторами скоростей охлаждения, видим, что увеличивая скорость охлаждения, можно получить тростит вместе с мартенситом закалки. Если скорость охлаждения больше критической, получим мартенсит закалки и остаточный аустенит, избавиться от которого можно, если охладить сталь до температуры ниже линии окончания мартенситного превращения (М к).

У мартенсита объем больше, чем у аустенита, поэтому при закалке на мартенсит появляются не только термические, но и структурные напряжения. Форма детали может исказиться, в ней могут появиться микро- и макротрещины. Коробление и трещины неисправимый брак, поэтому сразу же после закалки на мартенсит следует производить нагрев детали для снятия напряжений и стабилизации структуры, такая операция термической обработки называется отпуском.

После закалки образцов, изучения микроструктур и определения твердости строятся графики зависимости твердости от содержания углерода. Чем больше углерода в аустените стали перед закалкой, тем более искаженной получается решетка мартенсита (с большей степенью тетрагональности) и поэтому выше твердость

Сталь с содержанием 0,2%С не принимает закалку, так как кривые изотермического распада аустенита вплотную приближаются к оси ординат. Даже очень большая скорость охлаждения не дает мартенсита, так как аустенит начнет раньше распадаться на смесь Ф+Ц. Поэтому сталь закаливают, если углерода более 0,3%С, поскольку углерод сдвигает вправо кривые изотермического распада аустенита, уменьшая тем самым критическую скорость закалки.

Определение свойств и структуры стали после отпуска

Полученный после закалки мартенсит обладает большой твердостью и прочностью, но низкой пластичностью и вязкостью. Это объясняется большими внутренними напряжениями, которые бывают термическими (перепад температуры, резкое охлаждение) и структурными (объем мартенсита больше, чем аустенита, сорбита, тростита и перлита). После закалки необходимо сразу производить отпуск, т.е. нагрев до определенных температур, выдержку и охлаждение. При этом снижаются напряжения, меняется структура и свойства стали. Температура отпуска выбирается ниже А с 1 ,чтобы сохранить эффект упрочнения при закалке. Различаются низкий отпуск (150-200 0 С), средний (350-450 0 С) и высокий (500-650 0 С).

Если при низком отпуске снижаются напряжения, уменьшается искаженность (тетрагональность) решетки мартенсита и она снова становится кубической, остаточной аустенит переходит в мартенсит кубический, то при среднем и высоком отпуске происходит распад мартенсита на смесь Ф+Ц.

После низкого отпуска твердость и прочность остаются на высоком уровне (НRC 58-63). Режущий и измерительный инструмент, детали после химико-термической обработки (цементации) подвергают низкому отпуску.

1. Определение наилучшей температуры закалки для стали с содержанием 0,4% углерода – доэвтектоидная сталь – и с содержанием 1,0% углерода – заэвтектоидная сталь.

Таблица 2.1

Протокол испытаний на твердость после закалки в воду

Рис. 2.1 График зависимости твердости стали от Т о закалки и % сод. углерода

2.Определение наилучшей скорости охлаждения стали с содержанием углерода 0,4%.

Скорости охлаждения в разных средах (перевод в lg координаты)

V печь =1 0 С/с; lg1=0;

V воздух =15 0 С/с; lg15=1,2;

V масло =150 0 С/с; lg150=2,2;

V вода =600 0 C/c; lg600=2,8;

V солен..вода =1000 0 С; lg1000=3.

Таблица 2.2

Протокол испытаний твердости после охлаждения

в различных средах. Схема микроструктур

НВ

Рис. 2.2 График зависимости твердости

от скорости охлаждения в разных средах

3.Определение структуры и твердости стали с содержанием углерода 0,4% от темп. отпуска, после закалки в воде с температуры 840 0 С.

Таблица 2.3

Схемы структур и твердость

НВ

t 0 C отпуска

Рис. 2.3 График зависимости твердости

от температуры отпуска стали

Лабораторная работа №3

Изучение конструкции и определение геометрических параметров токарных резцов.

Развитие техники привело к необходимости изготовления более точных поверхностей сопряженных деталей с минимальной шероховатостью. Эти требования могут быть выполнены только обработкой резанием, несмотря на прогресс в литейном производстве, обработке давлением, сварке и наплавке, получении все более точных заготовок. Чаще всего заключительной операцией технологического процесса изготовления или ремонта детали является резание с помощью металлорежущих инструментов. Общим для всех инструментов является клин - заостренная рабочая часть - непосредственно отделяющий слой металла. Другая часть инструмента - это державка, хвостовик, связка, с помощью которых инструмент закрепляется в резцедержателе, патроне, на валу и Т.П.

Токарный резец наиболее показателен как в отношении конструкции, так и по своей геометрии. К геометрическим параметрам токарного проходного резца относятся поверхности - передняя, главная и вспомогательная задние, главная и вспомогательная режущие кромки, вершина резца. Резец затачивают под определенными углами, расположенными в прямоугольной системе координат, где различают плоскости - основную, резания, а также секущие - главную и вспомогательную. На заготовке различают поверхности - обработанную, обрабатываемую и резания.

Углы определяют, когда ось резца перпендикулярна линии центров станка, а вершина резца расположена на этой линии. Геометрия токарного проходного резца соответствует геометрическим параметрам любого другого режущего инструмента и играет роль в достижении необходимого качества обработки. Помимо этого, углы резца влияют на процесс резания и долговечность инструмента.

Резец работает при одновременном воздействии статических и динамических нагрузок, высокой температуры, трения и изнашивания. Поэтому к нему предъявляют требования по прочности при изгибе, растяжении, сжатии, кручении, ударной вязкости, тепло - и износостойкости. Твердость рабочей части резца должна значительно превосходить твердость заготовки. В зависимости от условий работы применяют разные инструментальные материалы - углеродистые и легиpoванныe стали, твердые сплавы на основе карбидов вольфрама, титана и тантала, композиционные на основе нитрида бора, керамические на основе оксида алюминия, а также абразивные - естественные (наждак, алмаз, корунд, кварц) и искусственные (химические соединения - электрокорунд, карбиды бора, кремния, оксид хрома, синтетический алмаз). При конструировании инструментов стали применять механическое крепление цельных двухслойных круглых и многогранных режущих пластин. Поликристаллы алмаза впаивают во вставки и закрепляют их механическим способом в инструментах.

ЗАКАЛКА СТАЛИ В РАЗЛИЧНЫХ СРЕДАХ

Цель работы: оценить действие различных охлаждающих сред на превращение аустенита при закалке путем контроля твердости.

Приборы, материалы, инструменты:

1) электрическая муфельная печь МП-2У;

2) образцы из стали 50;

3) твердомер Роквелла;

4) охлаждающие баки с закалочными средами.

Охлаждение при закалке должно обеспечить получение структуры мартенсита в пределах заданного сечения изделия и не должно вызывать закалочных дефектов – трещин, короблений, остаточных напряжений в поверхностных слоях и т.д. При закалке для переохлаждения аустенита до температуры мартенситного превращения требуется быстрое охлаждение, но не на всем интервале температур, в котором аустенит менее всего устойчив. Выше 650ºС скорость превращения аустенита мала, и поэтому сталь при закалке можно охлаждать в данном интервале медленно, но не настолько, чтобы началось образование Ф+П. Интервал 650 ºС-400 ºС должен быть пройден очень быстро.

В момент погружения изделия в закалочную среду вокруг него образуется пленка перегретого пара; охлаждение происходит через слой этой паровой рубашки, т.е. медленно (пленочное кипение). При определенной температуре паровая рубашка разрывается, жидкость начинает кипеть на поверхности детали, охлаждение происходит быстро (пузырьковое кипение). Третий этап (конвективный теплообмен) начинается, когда жидкость кипеть уже не может. Закалочная среда тем эффективнее, чем шире интервал второго этапа.

Если интенсивность охлаждения воды в середине второго этапа принять за единицу, то для минерального масла она будет равна 0,3; для 10 % раствора NaCl в воде – 3; для 10 %- раствора NaОН в воде – 2,5.

При закалке углеродистой и некоторых низколегированных сталей в качестве охлаждающей среды применяют воду и водные растворы (8-12%-е) NaCl и NaОН. Вода, как охлаждающая среда, имеет недостаток. Высокая скорость охлаждения в области температур мартенситного превращения приводит к образованию закалочных дефектов. Растворы NaCl и NaОН обладают наиболее равномерной охлаждающей способностью; кроме того, щелочная среда не вызывает последующей коррозии остальных деталей. Масло, как закалочная среда, имеет преимущество: небольшую скорость охлаждения в интервале мартенситного превращения, что уменьшает возникновение закалочных дефектов. Недостатком является повышенная воспламеняемость.

Структура закаленной стали – мартенсит – получается при резком охлаждении аустенита при закалке. Рассматривая диаграммы изотермического превращения углеродистой и легированной стали (рис. 21), нетрудно убедиться, что линия начала превращения у легированной стали смещена вправо от оси ординат по сравнению с углеродистой сталью. Следовательно, устойчивость аустенита легированной стали, характеризующаяся расстоянием от оси ординат до точки К перегиба линии начала перлитного и промежуточного превращения, значительно выше, чем у углеродистой стали.

Если на диаграмме изотермического превращения изобразить скорость охлаждения при закалке в различных средах, они будут иметь вид кривых , , . Чем выше скорость охлаждения, тем круче кривая. По диаграмме, имеющей кривые скоростей охлаждения, можно судить о структурных превращениях, протекающих в детали из данной стали при закалке в определенной охлаждающей среде.

Пусть – скорость охлаждения в воде, – в масле, – на спокойном воздухе.

Рассмотрим превращение в стали при закалке. Углеродистая сталь имеет малую устойчивость аустенита. При охлаждении ее в воде кривая скорости охлаждения не пересекает линию начала мартенситного превращения. Аустенитная структура сохраняется полностью до начала мартенситного превращения и структура после окончания охлаждения – мартенсит закалки. При охлаждении ее в масле оказывается, что кривая скорости охлаждения пересекает линию начала превращения в области трооститного превращения, но не уходит за линию конца превращения, а в дальнейшем пересекает линии начала и конца мартенситного превращения. Следовательно, часть переохлажденного аустенита переходит в троостит закалки, а часть сохраняется до области мартенситного превращения, и структура стали после окончания охлаждения состоит из троостита закалки и мартенсита закалки. Это приводит к понижению твердости, и деталь идет в брак.

Если же мы будем охлаждать деталь из этой стали на воздухе, то окажется, что кривая скорости охлаждения пересекает линии начала и конца превращения в области перлитного и сорбитного превращения; структура стали после охлаждения состоит из перлита и сорбита закалки.

Таким образом, для получения структуры мартенсита закалки мы должны так подобрать охлаждающую среду, чтобы кривая скорости охлаждения не пересекла линии перлитного превращения.

Рис. 21. Диаграмма изотермического превращения аустенита
для стали с содержанием 0,8 % углерода.

Предельно низкая скорость охлаждения, кривая которой не пересекает линии перлитного превращения, а касается ее в точке К , называется критической скоростью закалки. Для каждой стали критическая скорость закалки есть величина постоянная, но отличная от критической скорости закалки другой стали. Зависит она от наименьшей устойчивости, т.е. от расстояния от оси ординат до точки К в месте изгиба кривой начала превращения. Критическая скорость закалки – наименьшая скорость охлаждения, достаточная для переохлаждения аустенита до начала мартенситного превращения, и, следовательно, для получения структуры мартенсита закалки. При выборе охлаждающей среды для закалки определенной марки стали подбирают среду, дающую скорость охлаждения несколько выше критической при осуществления закалки стали на полную глубину, определяемую прокаливаемостью стали. Излишне высокая скорость охлаждения нежелательна, так как она сопровождается образованием высоких остаточных напряжений и приводит к короблению детали и даже к образованию трещин.

Если выбранная скорость ниже критической, то это вызывает понижение твердости из-за образования троосто-мартенситной структуры, что нежелательно.

Порядок выполнения работы:

1. Произвести закалку образцов с температуры 820 0 Св воду, масло, 10 % раствор в воде NaCl и на воздухе.

2. Определить твердость образцов после каждого вида обработки.

3. Объяснить полученные результаты, заполнить табл. 5.

4. Составить отчет.

Таблица 5

Таблица зависимости свойств стали от охлаждающей среды

Вопросы для самопроверки:

1. Какие среды применяют для закалки углеродистых, легированных сталей?

2. Как влияет охлаждающая среда на твердость стали?

3. Какая структура получается в результате закалки углеродистой стали в воде, масле, расплавах солей, на воздухе?

Режим охлаждения при закалке должен прежде всего обеспечить необходимую глубину прокаливаемости. С другой стороны, режим охлаждения должен быть таким, чтобы не возникали сильные закалочные , 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 и внутренних слоев в период охлаждения обусловливает возникновение термических напряжений.

Мартенситное превращение связано с увеличением объема на несколько процентов. Поверхностные слои раньше достигают мартенситной точки, чем сердцевина изделия. Мартенситное превращение и связанное с ним увеличение объема происходит в разных точках сечения изделия не одновременно, что приводит к возникновению структурных напряжений.

Суммарные закалочные напряжения растут с увеличением температуры нагрева под закалку и с повышением скорости охлаждения, так как в обоих этих случаях возрастает перепад температур по сечению изделия. Увеличение перепада температур приводит к росту термических и структурных напряжений.

Для сталей наиболее вероятно возникновение закалочных напряжений в интервале температур ниже мартенситной точки, когда появляются структурные напряжения и образуется хрупкая фаза — мартенсит. Выше мартенситной точки возникают только термические напряжения, причем сталь находится в аустенитном состоянии, а аустенит пластичен.

Как показывает С-диаграмма, быстрое охлаждение необходимо в районе наименьшей устойчивости переохлажденного аустенита. Для большинства сталей этот район находится в интервале 660 — 400 °С. Выше и ниже этого интервала температур аустенит гораздо более устойчив против распада, чем около изгиба С-кривой, и изделие можно охлаждать относительно медленно.

Медленное охлаждение особенно важно проводить, начиная с температур 300 — 400 °С, при которых в большинстве сталей образуется мартенсит. При замедленном охлаждении выше изгиба С-кривой уменьшаются только термические напряжения, а в мартенситном интервале снижаются и термические, и структурные напряжения.

В качестве закалочных сред наиболее широко используют холодную воду, 10%-ный водный раствор NaOH или NaCl и масла.

Скорость охлаждения стали в различных средах

В таблице приведены значения скорости охлаждения небольших стальных образцов в двух температурных интервалах для различных сред. Пока не найдено такой закалочной жидкости, которая быстро охлаждала бы в перлитном интервале температур и медленно — в мартенситном.

Холодная вода — самый дешевый и весьма энергичный охладитель. Она быстро охлаждает и в перлитном, и в мартенситном интервалах температур. Высокая охлаждающая способность воды объясняется низкой температурой и громадной теплотой кипения, малой вязкостью и сравнительно большой теплоемкостью.

Добавки соли или щелочи увеличивают охлаждающую способность воды в перлитном интервале.

Главный недостаток воды — большая скорость охлаждения в мартенситном интервале.

Минеральное масло медленно охлаждает в мартенситном интервале (это его главное преимущество), но оно медленно охлаждает и в перлитном интервале (это его основной недостаток). Поэтому масло применяют для закалки сталей с хорошей прокаливаемостью.

Нагретая вода не может заменить масло, так как нагрев резко уменьшает скорость охлаждения в перлитном интервале, но почти не изменяет ее в мартенситном интервале.

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

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 в двух средах): 1 — нормальный режим;…

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…

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…

Oхлаждающая способность сред в большой мере определяется тем, изменяется или не изменяется их агрегатное состояние в процессе охлаждения изделий.
В зависимости от температуры кипения охлаждающие среды разделяют на две группы. Первая группа - это среды, агрегатное состояние которых изменяется в период охлаждения. К ней относится вода, водные растворы солей, щелочи, жидкий азот, а также масла, водные растворы эмульсин и т. п., температура кипения которых ниже температуры охлаждаемого изделия. Ко второй группе относятся среды, агрегатное состояние которых не изменяется в процессе охлаждения изделий. Их температура кипения превышает температуру охлаждающихся изделий. Это расплавленные металлы, соли, щелочи и их смеси. К этой же группе следует отнести воздух и гелий, также не меняющие своего агрегатного состояния.
В зависимости от охлаждающей способности сред их делят на три группы:
1. Сильнодействующие охладители: растворы в воде 5% NaOH, 2% K4Fe(CN)6*3H2O1 10-15% NaOH и вода при 15-30° С, в особенности при интенсивном движении, жидкий азот, гелий.
2. Среднедействующие охладители: расплавленные соли, щелочи и металлы, растительные и минеральные масла, мазут, водные растворы силикатов натрия, горячие водные растворы солей и т.п.
3. Слабодействующие охладители: струн сухого воздуха и паровоздушных смесей, вода при 80-90° С, мыльная вода и др.
Охлаждающая способность охладителя зависит от его скрытой теплоты испарения, теплоемкости, теплопроводности и вязкости. На скорость охлаждения в рассматриваемом охладителе влияют количество охладителя и гидродинамический режим его движения.
При погружении изделия с высокой температурой в охлаждающую среду с низкой температурой кипения наблюдаются следующие процессы. В первоначальный момент из-за повышенного парообразования все изделие покрывается паровой пленкой, которая устойчиво держится на поверхности металла. Она - плохой проводник тепла, и поэтому охлаждение на этой стадии, называемой стадией пленочного кипения, замедленно.
По мере понижения температуры изделия количество выделяющегося тепла становится недостаточным поддержания па поверхности сплошной паровой пленки Разрушение паровой пленки приводит к тому, что поверхность изделия начинает соприкасаться с охлаждающей жидкостью. При этом интенсивно образуются пузырьки пара, а интенсивность охлаждения резко возрастает, так как на образование пузырьков пара, быстро отрывающихся от поверхности, расходуется большое количество тепла, и температура металла быстро снижается до температуры кипения охлаждающем среды. Соответствующий период охлаждения носит название пузырькового кипения
При последующем охлаждении парообразование практически не наблюдается, и тепло передается конвекцией от поверхности изделия к охлаждающей среде. Интенсивность теплообмена в третьем периоде невелика, и соответственно малы скорости охлаждения.
Требования к идеальной охлаждающей среде при закалке состоят в том, что она должна обеспечивать охлаждение со скоростями выше критических в некоторой области температур. При более низких температурах скорость охлаждения не должна быть высокой, так как это приводит к возникновению больших остаточных напряжений и короблению изделий. Так, например, при закалке алюминиевых сплавов необходимы высокие скорости охлаждения при температурах 500-300° С для фиксации пересыщенного твердого раствора. Oxлаждение же в интервале температур 200-20° С желательно проводить со значительно меньшей интенсивностью для уменьшения остаточных напряжений.
Охлаждение в воде. Для оценки охлаждающей способности сред по экспериментальным данным строят зависимости коэффициентов теплоотдачи α от температуры поверхности изделия Как уже отмечалось ранее, охлаждающая способность зависит и от условии движения жидкости относительно поверхности изделия.
На рис. 1 приведены значения коэффициентов теплоотдачи для спокойной и циркулирующей воды. Видно, что в зависимости от температуры коэффициенты теплоотдачи изменяются пи кривым с максимумом. При высоких температурах коэффициенты α имеют небольшие значения, что соответствует пленочному режиму кипения. По мере развития пузырькового кипения коэффициенты α резко возрастают, а затем снижаются при таких температурах поверхности при переходе к конвективному теплообмену.

Кривые зависимости коэффициентов теплоотдачи α от температуры поверхности не дают однозначного представления о скоростях охлаждения при различных температурах, так как количество отводимого от изделия тепла пропорционально α и перепаду температур tп-tводы. Скорость охлаждения для «тонких» в термическом смысле тел определяется формулой

где с и ρ - удельная теплоемкость и плотность металла соответственно; V - объем охлаждаемого тела
Из уравнения (I) следует, что для оценки охлаждающей способности среды можно использовать параметр k=α(tп-tводы), который при заданных физических свойствах металла и размерах изделия однозначно определяет скорости охлаждения. На рис. 2 приведены зависимости параметра k от температуры поверхности построенные по данным рис. 1.
Как видно из данных рис. 2. скорости охлаждения изделий в воде в зависимости от температуры охлаждаемой поверхности также изменяются по кривой с максимумом. При температуре воды 20°С этот максимум находится в области температур поверхности 200-300°С. С повышением температуры воды скорости охлаждения снижаются, а максимум смещается в область более низких температур поверхности. Следует отметить, что в области температур поверхности 100-200°С скорости охлаждения при применении воды с повышенной температурой больше, чем для воды с температурой 20°С. Повышение скоростей охлаждения в области низких температур приводит к увеличению остаточных напряжении, и поэтому перегрев воды в закалочных баках ограничивается температурами 25-45° С. Циркуляция воды повышает скорости охлаждения в области высоких температур.

Охлаждение в водных растворах и эмульсиях. Исследования показали, что даже незначительное количество примесей существенно изменяет охлаждающую способность воды. Установлено, что это связано с влиянием примесей на устойчивость паровой пленки на поверхности охлаждаемого изделия. При этом растворимые примеси уменьшают, а нерастворимые, наоборот, увеличивают стабильность паровой пленки. Это свойство воды было использовано для разработки закалочных сред с высокой и пониженной охлаждающей способностью.
Повышение охлаждающей способности воды достигается растворением в ней кислот, щелочей и солей. Такие хорошо растворимые соединения, как KCl, NaCl, CaCl2, Na2CO3, К2CO3, Na2SO4, H2SO4, NaOH, КОН, снижают устойчивость паровой пленки и повышают температуру перехода от пленочного режима кипения к пузырьковому.
Наоборот, присадка нерастворимых и слаборастворимых веществ, образующих в воде эмульсию (масла, жиры, нефтепродукты, мыла и др.), увеличивает стабильность паровой пленки и понижает температуру смены режимов кипения. Охлаждающая способность воды с присадкой этих веществ в области высоких температур существенно понижается.
В практике термической обработки широкое применение нашли водные растворы 5-15% NaCl Они обладают большей по сравнению с водой охлаждающей способностью при повышенных температурах, а при температурах ниже 200-250° С охлаждают примерно с тон же скоростью, что и вода.
Меньшее применение нашли растворы щелочей, которые по охлаждающей способности аналогичны растворам NaCl Растворы кислот не используют в качестве закалочных сред из-за их агрессивности и выделения при закалке вредных паров. Суспензии и эмульсии характеризуются пониженной скоростью охлаждения при высоких и средних температурах, а при низких - охлаждают так же, как чистая вода.
На рис. 3 приведены значения коэффициентов теплоотдачи в зависимости от температуры поверхности для различных растворов и эмульсий позволяющие по лучить количественные характеристики их охлаждающей способности.

В последнее время в качестве закалочных сред начинают применять водные растворы полимерок, обеспечивающие пониженную скорость охлаждения при закалке и соответственно меньшее коробление. В зарубежной практике используют водные растворы полиалкиленгликоля, а в нашей стране водное растворы полиэтиленгликоля. При температурах выше 70-77° С эти вещества нерастворимы в воде, и поэтому при закалочном охлаждении молекулы полимере в покрывают поверхность изделия тонкой пленкой, которая замедляет охлаждение. При достаточно низких температурах полимерная пленка переходит в водный раствор и затормаживающее действие пленки устраняется Поэтому при закалке в водных растворах полимеров нет того колоссального различия в скоростях охлаждения в интервале высоких, средних и низких температур, которое свойственно воде.
Вязкость раствора, в значительной мере определяющая его охлаждающую способность, зависит от концентрации полимера. Так, изменение концентрации полиэтиленгликоля от 30 до 70% увеличивает кинематическую вязкость раствора почти в 30 раз, что позволяет осуществлять резкую закалку в растворах малой концентрации и закалку с умеренной скоростью охлаждения в растворах высокой концентрации (рис. 4).

При закалке алюминиевых сплавов в растворах полиэтиленгликоля с концентрацией выше 50% коробление может быть уменьшено на 85 95%. При этом существенно не снижаются механические свойства и коррозионная стойкость сплавов Наиболее целесообразно использовать эти среды в условиях машиностроительных заводов, где часто возникает необходимость проведения повторных закалок.
Охлаждение в маслах. В настоящее время для закалки применяют исключительно дистиллятные минеральные масла. Температуры кипения масел на 150-300° С выше, чем воды. Максимально допустимую температуру перегрева масел выбирают на 25-30° С ниже температуры вспышки. По сравнению с водой масла характеризуются значительно более низкой охлаждающей способностью особенно на стадии конвективного теплообмена. Скорости охлаждения в масле при повышенных температурах в 5-8 раз меньше, чем при охлаждении в воде.
Охлаждающая способность масел слабо зависит от их циркуляции и температуры, в тех пределах, которые встречаются на практике (25-65° С).
Для проведения закалочных операций в практике термообработки применяют масла с пониженной, нормальной, повышенной и высокой вязкостью. Чаще всего используют масла марок 20 и 20В, имеющие нормальную вязкость.
Масла пониженной вязкости обладают более высокой охлаждающей способностью по сравнению с маслами повышенной и высокой вязкости и имеют низкую температуру вспышки. Масла повышенной и высоком вязкости имеют высокую температуру вспышки, что позволяет подогревать их до 160-200° С для снижения вязкости. Их используют для изотермической и ступенчатой закалки.
Недостаток минеральных масел - их старение, приводящее к загустеванию и потере охлаждающей способности. Состаренное масло подвергают регенерации, состоящей из отстаивания, фильтрации от загрязнений и добавки некоторого количества свежего масла.
Закалка в расплавленном свинце, солях и щелочах. Для ступенчатой и изотермической закалки используют охлаждающие среды, которые при проведении термообработки не меняют своего агрегатного состояния К ним относятся расплавленные свинец, азотнокислые соли и щелочи.
Расплавленный свинец удовлетворяет предъявляемым с теплотехнической точки зрения требованиям, но дефицитен, а испарения его вредны для обслуживающего персонала. Поэтому свинец заменяют другими средами.
Расплавленные соли и щелочи и их смеси имею ряд преимуществ перед свинцом. Во-первых, они легко отмываются с поверхности изделий. Поверхность после закалки в щелочах не окислена, что позволяет обожгись без операции очистки деталей после термической обработки. Во-вторых, использование соляных и щелочных ванн позволяет осуществить внутренний электрический обогрев, легко автоматизировать регулирование температуры и просто решать проблемы перемешивания расплава. Исследования показывают, что охлаждающая способность соляных и щелочных сред несколько нише, чем у свинца. Однако при работе со щелочными средами следует принимать меры предосторожности против ожогов от брызг.
Составы смесей, рекомендуемых в качестве закалочных сред, приведены в табл. 3.

Охлаждающая способность расплавленных сред зависит от вязкости: чем ниже вязкость, тем выше охлаждающая способность. С увеличением температуры расплава и соответствующим уменьшением вязкости коэффициенты теплоотдачи возрастают, достигают максимума, а затем падают (рис. 5).
Добавки воды сильно влияют на охлаждающую способность солей и щелочей. Вода повышает жидко-текучесть и увеличивает охлаждающую способность расплавленной среды. С этой целью в расплавы солей вводят 2-10%, а в расплавы щелочей 8-15% воды.

После закалки в расплавам щелочей изделия необходимо тщательно промывать и пассивировать для предотвращения коррозии
Охлаждение на воздухе. При охлаждении на воздухе тепло передается излучением и конвекцией и коэффициент теплоотдачи α складывается из конвективной αк и лучистой αл составляющих.
При охлаждении в спокойной воздушной среде для определения αк используют следующие формулы:

где Δr=tп-tвозд - разность средней температуры поверхности изделия и температуры воздуха; l - характерный размер, м, принимается для шара и горизонтального цилиндра (трубы) равным их диаметру; для вертикального цилиндра и вертикальной пластины - высоте охлаждаемого участка, для горизонтальной плиты - ее наименьшей длине.
Для плиты, обращенной поверхностью теплообмена вверх, значения αк увеличиваются на 30%, а для плиты, обращенной поверхностью теплообмена вниз, уменьшаются на 30% по сравнению с вычисленными по формулам (2) и (3).
Значения коэффициентов В, А1, и А2 определяются в зависимости от средней температуры t=1/2(tп+tвозд) и приведены в табл. 4.

Интенсивность конвективного теплообмене при вынужденном движении воздуха или газа зависит от скорости движения газа, его физических свойств и геометрии нагреваемых или охлаждаемых изделий.
Для вынужденного движения поверхности αк определяется по формулам Юргеса:
а) при скорости движения воздуха w0≤4,65 м/c:
для полированной поверхности

при прокатанной поверхности

для шероховатой поверхности

б) при скорости движения газов w0≥4,65 м/с:
для полированной поверхности

для прокатанной поверхности

для шероховатой поверхности

Здесь W0 - приведенная (0°С; 0,1 мПа) скорость движения воздуха. Если известна скорость движения w при температуре t, то

При проведении термической обработки часто требуется охлаждение с регламентированной скоростью. Поэтому возникает необходимость расчета процессов охлаждения, которое может проводиться в любой из описанных выше сред.
Расчет процессов охлаждения в различных условиях в принципе ничем не отличается от расчета процессов нагрева. Просто в формулах, приведенных в литературе по теплопередаче, вместо температуры печи t1, необходимо подставить значение температуры охлаждающей среди Для расчета охлаждения массивных тел, например, можно использовать графики Д. В Будрина и т.п.

Закалка стали

Закалкой стали называется операция термической обработки, заключающаяся в нагреве её по крайней мере выше критической точки Ac1(T.e. до аустенито-ферритного, аустенитного или аустенито-цементитного), выдержке и последующем охлаждении в различных средах с целью получения при комнатной температуре неустойчивых продуктов распада аустенита, а следовательно, повышения твёрдости и прочности.

Для углеродистых сталей точка Ас1 соответствует линии на диаграмме «железо-цементит» и составляет 727°С, В связи с тем, что нагрев ниже этой температуры не приводит к изменению исходной отожженной структуры стали, последующее охлаждение с любой скоростью так же не изменяет ни структуры, ни свойств стали. Следовательно такая операция не является закалкой.

В большинстве случаев основная цель закалки - повышение твёрдости и прочности - достигается превращением аустенита в одну из самых прочных структур - мартенсит. Его образование требует быстрого охлаждения с температуры закалки.

Выбор температуры закалки.

В зависимости от температуры нагрева закалка может быть полной и неполной.

В случае, если нагрев производится выше линии GSE диаграммы (точки асз и Аcm), то полученная при этом однофазная структура аустенита при охлаждении со скоростью больше некоторой критической превращается в чистый мартенсит. Такую закалку называют полной.

При неполной закалке нагрев стали осуществляется выше линии РSК(точка Ac1), но ниже линии GSE. При этом в доэвтектоидных сталях образуется структура аустенит + феррит, а в заэвтектоидных - аустенит + цементит. В таком случае даже охлаждение с очень высокой скоростью не может обеспечить чисто мартенситной структуры, так как избыточные фазы (феррит или цементит) сохраняются в структуре без изменений, В результате в доэвтектоидных сталях получается структура мартенсит + феррит, а в заэвтектоидных – мартенсит + цементит.

Твёрдость мартенсита, представляющего собой пересыщенный твёрдый раствор углерода в -железе, зависит от содержания в нём углерода (рис 1). В среднеуглеродистых и высокоуглеродистых сталях она составляет 55…65 НRС или 550…680НВ.

Феррит одна из самых мягких и малопрочных фаз в сталях. Его твёрдость не превышает 80...100 НВ. Цементит же - весьма твёрдая фаза (около 1000 HV или более 700 НВ). Следовательно присутствие избыточного феррита в структуре закалённой стали резко снижает её твёрдость, в то время как цементит способствует получению более высокой твёрдости.

Рис. 1 Зависимость твёрдости мартенсита от содержания углерода в стали.

Таким образом, для доэвтектоидных сталей целесообразно производить полную закалку на чистый мартенсит, а для заэвтектоидных - неполную, которая кроме мартенсита сохраняет в структуре некоторое количество цементита. Для эвтектоидной стали возможна только полная закалка.

Следует иметь в виду, что нагрев стали при закалке до температур, значительно превышающих критические точки Ac3 и Аcm, вообще не желателен, так как может привести к сильному обезуглероживанию и окислению поверхности деталей, укрупнению зерна аустенита и увеличению внутренних напряжений. В итоге после закалки с таких температур твёрдость поверхности оказывается заниженной, наблюдается повышенная деформация детали, получающийся мартенсит имеет грубое строение и обладает повышенной хрупкостью.

Всё это позволяет придти к выводу, что в зависимости от состава стали её нагрев под закалку целесообразно осуществлять до температур, лежащих на 30... 50 0С выше линии GSK (рис 2)

Рис. 2. Оптимальный интервал температур нагрева под закажу углеродистых сталей.

Скорость охлаждения при закалке

Структура и свойства закаленной стали в большей степени зависят не только от температуры нагрева, но и от скорости охлаждения. Получение закалочных структур обусловлено переохлаждением аустенита ниже линии PSK, где его состояние является неустойчивым. Увеличивая скорость охлаждения, можно обеспечивать его переохлаждение до весьма низких температур и превратить в различные структуры с разными свойствами. Превращение переохлажденного аустенита может идти как при непрерывном охлаждении, так и изотермически, в процессе выдержки при температурах ниже точки Ar1 (т.е. ниже линии PSK).

Влияние степени переохлаждения на устойчивость аустенита и скорость его превращения в различные продукты представляют графически в виде диаграмм в координатах «температура-время». В качестве примера рассмотрим такую диаграмму для стали эвтектоидного состава (рис 3). Изотермический распад переохлажденного аустенита в этой стали происходит в интервале температур от Ar1 (727 °С) до Мн (250 °С), где Мн -температура начало мартенситного превращения. Мартенситное превращение в большинстве сталей может идти только при непрерывном охлаждении.

Рис.3 Диаграмма распада аустенита для стали эвтектоидного состава.

На диаграмме (см. рис 3) нанесены две линии, имеющие форму буквы «С», так называемые «С-кривые». Одна из них (левая) указывает время начало распада переохлажденного аустенита при разных температурах, другая (правая) - время окончания распада, В области, расположенной левее линии начала распада, существует переохлажденный аустенит. Между С-кривыми имеется как аустенит, так и продукты его распада. Наконец, правее линии конца распада существуют только продукты превращения.

Превращение переохлажденного аустенита при температурах от Ar1 до 550 0С называют перлитным. Если аустенит переохлажден до температур 550...Mн, - его превращение называется промежуточным.

В результате перлитного превращения образуются пластинчатые структуры перлитного типа, представляющие собой феррито-цементитные смеси различной дисперсности. С увеличением степени переохлаждения в соответствии с общими законами кристаллизации возрастает число центров. Уменьшается размер образующихся кристаллов, т.е. возрастает дисперсность феррито-цементитной смеси. Так если превращение происходит при температурах, лежащих в интервале Ar1...650°C, образуется грубая феррито-цементитная смесь, которую называют собственно перлитом. Структура перлита является стабильной, т.е. неизменяемой с течением времени при комнатной температуре.

Все остальные структуры, образующиеся при более низких температурах, т.е. при переохлаждениях аустенита, относятся к метастабильным. Так при переохлаждении аустенита до температур 650...590°С он превращается в мелкую феррито-цементитную смесь, называемую сорбитом.

При ещё более низких температурах 590... 550 °С образуется тростит -весьма дисперсная феррито-цементитная смесь. Указанные деления перлитных структур в известной степени условно, так как дисперсность смесей монотонно возрастает с понижением температуры превращения. Одновременно с этим возрастают твёрдость и прочность сталей. Так твёрдость перлита в эвтектовдной стали составляет 180...22- НВ (8...19 HRC), сорбита - 250...350 НВ (25...38 НRС), тростита - 400...450 НВ (43...48HRC).

При переохлаждении аустенита до температур 550...МН он распадается с образованием бейнита. Это превращение называется промежуточным, так как в отличие от перлитного оно частично идет по так называемому мартенситному механизму, приводя к образованию смеси цементита и несколько пересыщенного углеродом феррита. Бейнитная структура отличается высокой твёрдостью 450...550 НВ.

Рис.4 Диаграмма распада аустенита для доэвтектоидной (а) и заэвтектоидной (б) сталей.

На диаграммах распада аустенита для доэвтектоидных и заэвтектоидных сталей (рис.4.) имеется дополнительная линия, показывающая время начала выделения из аустенита избыточных кристаллов феррита или цементита. Выделение этих избыточных структур происходит только при небольших переохлаждениях. При значительном переохлаждении аустенит превращается без предварительного выделения феррита или цементита, В этом случае содержание углерода в образовавшейся смеси отличается от эвтектоидного.

В случае непрерывного охлаждения аустенита с различной скоростью его превращение развивается не при постоянной температуре, а в некотором интервале температур. Для того, чтобы определить структуры, получающиеся при непрерывном охлаждении, нанесём на диаграмму распада аустенита кривые скорости охлаждения образцов углеродистой эвтектоидной стали (рис.5.).

Из этой диаграммы видно, что при очень малой скорости охлаждения V1 которая обеспечивается охлаждением вместе с печью (например, при отжиге), получается структура перлита. При скорости V2 (на воздухе) превращение идёт при несколько более низких температурах. Образуется структура перлит, но более дисперсный. Такая обработка называется нормализацией и широко применяется для малоуглеродистых сталей (иногда и для среднеуглеродистых) взамен отжига в качестве смягчающей.

Рис.5. Кривые распада аустенита при непрерывном охлаждении эвтектоидной стали.

При скорости V3 (охлаждение в масле) превращение аустенита идёт при таких температурах, которые обеспечивают получение сорбитной структуры, а иногда и троститной.

Если аустенит охлаждать с очень большой скоростью (V4), то он переохлаждается до весьма низкой температуры, обозначенной на диаграммах, как Мн. Ниже этой температуры происходит бездиффузионное мартенситное превращение, приводящее к образованию структуры мартенсита. Для углеродистых сталей такую скорость охлаждения обеспечивает, например, вода

В общем случае минимальная скорость охлаждения, при которой весь аустенит переохлаждается до температуры Мн и превращается в мартенсит, называется критической скоростью закалки. На рис.5, она обозначена, как Vкр и является касательной к С-кривой. Критическая скорость закалки - важнейшая технологическая характеристика стали. Она определяет выбор охлаждающих сред для получения мартенситной структуры.

Величина критической скорости закалки зависит от химического состава стали и некоторых других факторов. Так, например, у некоторых легированных сталей даже охлаждение на воздухе обеспечивает скорость больше критической.

При закалке на мартенсит необходимо учитывать, что эта структура имеет большой удельный объём и её образование сопровождается как заметным увеличением объёма закаливаемого изделия, так и резким увеличением внутренних напряжений, которые в свою очередь приводят к деформации или даже к образованию трещин. Всё это в сочетании с повышенной хрупкостью мартенсита требует проведения дополнительной термической обработки закалённых деталей - операции отпуска.