Охлаждане по време на втвърдяване. Закаляване на стомана в различни среди

Режимът на охлаждане по време на втвърдяване трябва преди всичко да осигури необходимата дълбочина на втвърдяване. От друга страна, режимът на охлаждане трябва да бъде такъв, че да не се получава силно втвърдяване, водещо до изкривяване на продукта и образуване на пукнатини при втвърдяване.

Напреженията на охлаждане се състоят от термични и структурни напрежения. По време на втвърдяването винаги има температурна разлика в напречното сечение на продукта. Разликата в термичното свиване на външния и вътрешния слой по време на периода на охлаждане причинява появата на термични напрежения.

Мартензитната трансформация е свързана с увеличаване на обема с няколко процента.Повърхностните слоеве достигат мартензитната точка по-рано от сърцевината на продукта. Мартензитната трансформация и свързаното с нея увеличаване на обема не се случват едновременно в различни точки на сечението на продукта, което води до появата на структурни напрежения.

Общите напрежения на охлаждане се увеличават с повишаване на температурата на нагряване за охлаждане и с увеличаване на скоростта на охлаждане, тъй като и в двата случая температурната разлика в напречното сечение на продукта се увеличава. Увеличаването на температурната разлика води до увеличаване на термичните и структурните напрежения.

За стоманите е най-вероятно да възникнат напрежения на закаляване в температурния диапазон под мартензитната точка, когато се появят структурни напрежения и се образува крехка фаза, мартензит. Над мартензитната точка възникват само термични напрежения и стоманата е в аустенитно състояние, а аустенитът е пластичен.

Както показва C-диаграмата, е необходимо бързо охлаждане в областта на най-ниската стабилност на преохладения аустенит. За повечето стомани тази област е в диапазона 660–400°C. Над и под този температурен диапазон аустенитът е много по-устойчив на гниене, отколкото близо до извивката на C-кривата и продуктът може да се охлади относително бавно.

Бавното охлаждане е особено важно, като се започне от температури 300-400°C, при които се образува мартензит в повечето стомани. При бавно охлаждане над завоя на С-кривата намаляват само топлинните напрежения, докато в мартензитния диапазон намаляват както топлинните, така и структурните напрежения.

Най-често използваните охлаждащи среди са студена вода, 10% воден разтвор на NaOH или NaCl и масла.

Скорост на охлаждане на стоманата в различни среди

Таблицата показва скоростите на охлаждане на малки стоманени образци в два температурни диапазона за различни среди. Досега не е открита такава охлаждаща течност, която да се охлажда бързо в перлитния температурен диапазон и бавно в мартензитния.

Студена вода- най-евтиният и най-енергичен охладител. Охлажда се бързо както в перлитния, така и в мартензитния температурен диапазон. Високата охлаждаща способност на водата се дължи на ниската температура и огромната топлина на кипене, нисък вискозитет и относително висок топлинен капацитет.

Добавките на сол или алкали увеличават охлаждащия капацитет на водата в перлитния диапазон.

Основната липса на вода— висока скорост на охлаждане в мартензитния интервал.

Минералното масло се охлажда бавно в мартензитната област (това е основното му предимство), но също така бавно се охлажда в перлитната област (това е основният му недостатък). Поради това маслото се използва за закаляване на стомани с добра закаляемост.

Нагрятата вода не може да замени маслото, тъй като нагряването рязко намалява скоростта на охлаждане в перлитния диапазон, но почти не го променя в мартензитния диапазон.

"Теория на термичната обработка на метали",
И. И. Новиков

Тъй като няма такава среда за охлаждане, която да даде бързо охлаждане в температурния диапазон от 650-400 ° C и бавно охлаждане над и главно под този интервал, се използват различни методи за охлаждане, за да се осигури необходимия режим на охлаждане. Закаляване чрез вода в масло Закаляване чрез вода в масло (закаляване в две среди): 1 - нормален режим; ...

В много стомани мартензитният интервал (Mn - Mk) се простира до отрицателни температури (виж фигурата Температурна зависимост). В този случай закалената стомана съдържа остатъчен аустенит, който може допълнително да се превърне в мартензит чрез охлаждане на продукта до температури под стайната. По същество такова студено третиране (предложено през 1937 г. от А. П. Гуляев) продължава охлаждането на охлаждането, прекъснато при стайна ...

Много продукти трябва да имат висока повърхностна твърдост, висока якост на повърхностния слой и здрава сърцевина. Тази комбинация от свойства на повърхността и вътрешността на продукта се постига чрез повърхностно втвърдяване. За повърхностно закаляване на стоманен продукт е необходимо да се нагрее само повърхностния слой с определена дебелина над точката Ac3. Това нагряване трябва да се извърши бързо и интензивно, така че сърцевината, поради топлопроводимостта, също да не се затопли до ...

закалена стоманаТова е операция за топлинна обработка, при която стоманените части се нагряват до температура малко над критичната температура, поддържат се при тази температура и след това бързо се охлаждат във вода или масло.

Основен цел на втвърдяване- получаване на стомана с висока твърдост, якост, устойчивост на износване и други свойства. Качество на втвърдяванезависи от температурата и скоростта на нагряване, времето на задържане и скоростта на охлаждане.

Температурата на нагряване за закаляване на повечето стомани, включително легираните, се определя от положението на критичните точки A c1 и A c3. За въглеродни стомани температура на втвърдяванеможе лесно да се определи от диаграмата желязо-въглерод.

Бързорежещите, неръждаемите и други специални стомани се закаляват при по-високи температури на нагряване от въглеродните и нисколегираните структурни и инструментални стомани. Например, за неръждаема стомана клас 4X13, температурата за втвърдяване се приема равна на 1050 - 1100 ° C.

Скорост на нагряване

Втвърдяваща среда.

Скоростта на охлаждане на стоманата зависи от втвърдяващата среда

Таблицата показва, че в 10% воден разтвор на натриев хидроксид или обикновена сол скоростта на охлаждане на стоманата в областта на трооститните трансформации (600-600 ° C) е два пъти по-висока от скоростта на охлаждане в прясна вода. В областта на мартензитните трансформации (300-200 ° C) солта и прясната вода охлаждат стоманата почти еднакво. Това предимство на водните солеви разтвори се използва в практиката на топлинна обработка. Термистите обаче най-често използват 5-10% разтвор на готварска сол, тъй като не корозира стоманата и не действа върху ръцете на работниците, като обезмасляване на сода каустик (каустик).

За закаляване на инструменти, изработени от стомани U10, U12, водните разтвори обикновено се нагряват до 30 ° C, за да се намали изкривяването на стоманените части.

За разлика от водата, способността за втвърдяване на маслото зависи малко от температурата, а скоростта на охлаждане в маслото е многократно по-малка, отколкото във водата. Следователно, за да се намали напрежението и да се избегне образуването на пукнатини при закаляване, минерално масло - шпиндел № 2 и 3 се използва за закаляване на легирани стомани с по-ниска топлопроводимост от въглеродните стомани.При липса на масло, гореща вода (80 ° C ) се препоръчва.

За да получите стабилни резултати по време на втвърдяване, е необходимо да използвате един вид масло, като периодично го сменяте или освежавате.

Трябва да се отбележи, че в процеса на охлаждане по време на охлаждане във вода около частите се образува топлинен проводник, след което скоростта на охлаждане на стоманата рязко намалява. В допълнение, парната риза влошава закаляването на стоманата, води до появата на меки петна по повърхността на закалените части, а понякога и до пукнатини. Поради това опитни термисти обикновено втвърдяват части в циркулираща вода, като ги движат непрекъснато във вертикална или хоризонтална посока.

Вътрешни напрежения.

По време на топлинна обработка, поради неедновременността на трансформациите и термичното разширение и свиване, възникват вътрешни напрежения в различни точки на детайла. Напреженията могат да надхвърлят не само границата на еластичност или границата на провлачване, но и устойчивостта на счупване. В последния случай вътрешните напрежения образуват пукнатини или дори разрушават частта.

Вътрешните напрежения могат да бъдат два вида - топлинни и структурни. Топлинните вътрешни напрежения възникват поради неравности, охлаждане на повърхността на частта и нейните вътрешни слоеве.

Ако частта има твърда секция, тогава при всяко охлаждане повърхността се охлажда по-бързо, а сърцевината - по-бавно. В резултат на това по време на охлаждане частта ще има различни температури и различни специфични обеми в различни точки по сечението. Тази температурна разлика ще бъде толкова по-голяма, колкото повече скоростта на охлаждане на повърхността се различава от скоростта на охлаждане в центъра на детайла.

Стоманите, легирани с хром, молибден, волфрам, имат по-ниска топлопроводимост от въглеродните стомани и по време на втвърдяване скоростта им на охлаждане на повърхността на частта и в центъра ще бъде много голяма.

За да се намали скоростта на охлаждане по време на закаляването и да се намалят напреженията в тях, такива части от легирана стомана се подлагат на бавно охлаждане само в маслена или въздушна струя.

Вътрешните структурни напрежения, подобно на термичните напрежения, възникват поради неедновременността на трансформациите по време на охлаждане на метала и поради различни структурни трансформации в различни точки на сечението на детайла.

Така че, когато високовъглеродната стомана се охлажда, нагрява над критичната точка, аустенитът се превръща в мартензит и тези трансформации са придружени от промяна в обема (образуването на мартензит винаги увеличава обема). Повърхностните слоеве, където трансформациите завършват рано, при охлаждане изпитват опънни напрежения от междинната зона, в която трансформациите продължават. С течение на времето трансформациите обхващат все по-дълбоки слоеве в детайли и достигат до сърцевината. Но тези трансформации в ядрото се предотвратяват от външните охладени слоеве. Следователно напрежението на натиск се увеличава в сърцевината, а от повърхността моментът на опън на най-голямата разлика в напрежението винаги е опасен, тъй като често причинява появата на пукнатини в метала. Установено е, че пукнатините не предизвикват напрежение на натиск, а напрежение на опън.

Величината на остатъчните напрежения се влияе от редица фактори. Най-важните от тях са: свойства на стоманата (закаляемост, температура на мартензитно преобразуване, коефициент на линейно разширение), охлаждаща среда и условия, както и формата и размерите на детайла.

Методи за закаляване.

Методите за закаляване означават методите за охлаждане на части в резервоар за закаляване и избора на охлаждане за закаляване за получаване на дадена метална структура. Колкото по-сложна е формата на частта, толкова по-сериозно трябва да подходите към избора на нейното охлаждане. Острите преходи в участъците на частите допринасят за различни методи на втвърдяване, концентрация на вътрешни напрежения. Следователно е необходимо да се избере такъв метод на втвърдяване, така че частите да се получат с добра твърдост, необходимата структура и без пукнатини.

Основните методи за закаляване на стоманата са: закаляване в един охладител, в две среди, струйно, самозакаляване, стъпаловидно и изотермично закаляване.

Втвърдяване в един охладител- най-простият и най-често срещаният начин. Детайлът, загрят до температурата на втвърдяване, се потапя в течността за втвърдяване, където остава до пълното му охлаждане. Този метод се използва за закаляване на прости детайли от въглеродни и легирани стомани. Частите от въглеродни стомани се охлаждат във вода (с изключение на части с диаметър не повече от 3-5 mm);и детайли от легирани стомани - в масло. Този метод може да се използва и за механизирано втвърдяване, когато частите се подават автоматично от устройството в течността за втвърдяване.

За високовъглеродни стомани този метод на втвърдяване е неприемлив, тъй като по време на процеса на втвърдяване се създават големи вътрешни напрежения. Високовъглеродните стомани се закаляват с охлаждане, т.е. нагрятата част се държи на въздух известно време преди охлаждане. Това намалява вътрешните напрежения в частите и ги предпазва от напукване.

закаляванев две среди, или прекъснато втвърдяване, е метод, при който детайлът първо се охлажда в една охлаждаща бързо охлаждаща среда - вода, а след това се прехвърля в бавно охлаждаща среда - масло . Използва се за закаляване на инструменти от високовъглеродна стомана.

Недостатъкът на периодичното втвърдяване е, че е трудно да се определи времето на престой на частта в първия охладител, тъй като е много малко (1 секунда за всеки 5-6 ммдиаметър или дебелина на детайла). Прекомерното излагане на вода води до повишено изкривяване и появата на пукнатини.

Използването на периодично закаляване изисква висококвалифициран и опитен термист.

набраздензакаляванесе извършва чрез охлаждане на загрятите до температурата на втвърдяване части с водна струя. Този метод се използва за закаляване на вътрешни повърхности, заглавни матрици, матрици и други инструменти за щамповане, при които работната повърхност трябва да има мартензитна структура.

При струйното закаляване не се образува парна риза, което осигурява по-дълбока закаляване, отколкото при обикновеното закаляване във вода. Скоростта на охлаждане в този случай зависи от температурата, налягането на водата, диаметъра и броя на отворите в спринклера и от ъгъла, образуван от водната струя с охлажданата повърхност на детайла.

закаляванесамостоятелна почивка- това е метод, състоящ се в това, че частите се държат в охлаждаща среда до пълното им охлаждане, т.е. в определен момент охлаждането се спира, за да се запази топлината, необходима за самотемпериране в сърцевината на част. Тази точка се установява емпирично, така че качеството на термичната обработка до голяма степен ще зависи от уменията на термиста.

Контролът върху температурата на темпериране при този метод на втвърдяване се извършва от нюансиращите цветове, които се появяват върху светлата повърхност на детайла. Появата на нюансиращи цветове при температура 200-300 ° C се обяснява с образуването на тънък оксиден филм върху стоманената повърхност, чийто цвят зависи от неговата дебелина. Например, за кратък период от време при 220°C стоманата се покрива с оксиден слой с дебелина 400-450 ангстрьома, което придава на повърхността светложълт цвят.

Закаляването със самозакаляване се използва само за закаляване на ударни инструменти - длета, шипове, сърцевини и др., тъй като за такъв инструмент твърдостта трябва да намалява равномерно и постепенно (от работната част до опашката).

стъпилзакаляване- това е метод, при който нагретите части се охлаждат в бавно охлаждаща охлаждаща среда (например разтопена сол, горещо масло), която има температура за тази стомана над мартензитната точка M n.При кратко задържане в гореща среда (масло) температурата се изравнява и това става преди да започне мартензитното преобразуване. Това е последвано от окончателно, обикновено бавно охлаждане, по време на което детайлът се закалява.

Стъпаловидно втвърдяване спомага за намаляване на вътрешните напрежения поради ниската скорост на охлаждане. В резултат на това се намалява деформацията на частите и почти напълно се елиминира възможността от втвърдяване на пукнатини.

Стъпаловидно закаляване се използва широко в масовото производство, особено при производството на инструменти. Позволява ви да редактирате и изправяте части в горещо състояние, тъй като по време на трансформацията стоманата има голяма пластичност.

За поетапно закаляване е най-добре да се използват дълбоко закалени въглеродни и легирани стомани от класове 9XC, KhG, KhVG и др.

Изотермичензакаляване- това е метод, състоящ се в нагряване на частите до предварително определена температура и охлаждане в изотермична среда до 220-350 ° C, което е малко по-високо от температурата на началото на мартензитната трансформация.

Излагането на части в среда за закаляване по време на такова закаляване трябва да бъде достатъчно за пълното превръщане на аустенита в игловиден троостит. Това е последвано от въздушно охлаждане. При изотермично закаляване експозицията при стъпаловидна температура е много по-дълга, отколкото при стъпаловидно закаляване.

Средите за закаляване при изотермично втвърдяване са същите като при стъпаловидно втвърдяване. След изотермично закаляване стоманата придобива висока твърдост и по-висока якост.

Изотермичното втвърдяване изисква достатъчно висока и равномерна скорост на охлаждане, което се постига чрез използване на вани с интензивно смесена охлаждаща среда.

Изотермичното закаляване се използва при топлинна обработка, когато е необходимо да се получат детайли с максимална якост, достатъчна пластичност и якост. Най-целесъобразно е да се използва изотермично закаляване за тези стомани, които имат малка аустенитна стабилност в областта на изотермично накисване.

Дефекти, които възникват по време на втвърдяване.В процеса на закаляване при охлаждане на стоманата възникват вътрешни напрежения в резултат на структурни трансформации и промени в обема на метала. Тези напрежения водят до следните дефекти: напукване, деформация и изкривяване, промяна на обема на стоманата, обезвъглеродяване и окисление, меки петна, ниска твърдост и прегряване.

закаляванепукнатини- това е непоправим брак, който се образува в процеса на топлинна обработка. В големи части, като матрици и матрици за коване, могат да възникнат пукнатини при охлаждане дори когато са охладени в масло. Поради това е целесъобразно такива части да се охлаждат до 150-200 ° C с бързо последващо темпериране.

Пукнатини възникват, когато нагряването е неправилно (прегряване), скоростта на охлаждане е висока и химическият състав на стоманата е непоследователен.

Пукнатини при закаляване се появяват и при неправилно проектиране на части, резки преходи, груби следи, останали след обработка, остри ъгли, тънки стени и др.

Пукнатини при закаляване се образуват най-често, когато охлаждането или нагряването е твърде рязко в резултат на вътрешни напрежения, възникващи в частите. Това често се наблюдава при закаляване на легирани стомани. Следователно частите от тези стомани се нагряват по-бавно, отколкото от въглеродни стомани, и по-равномерно.

Пукнатините при втвърдяване обикновено се намират в ъглите на частите и имат дъгообразен или извит вид.

Във фабричната практика често се срещат повърхностни пукнатини, които обикновено са разположени под формата на непрекъсната или начупена решетка. Такива пукнатини възникват при повърхностно закаляване при нагряване с високочестотни токове или закаляване с газов пламък, когато охлаждането се извършва с твърде студена вода, както и при прегряване на метала.

Повърхностни пукнатини могат да възникнат не само при топлинна обработка, но и при шлайфане на закалени детайли, ако те са били неправилно темперирани.

Равномерното темпериране след закаляване и правилните условия на смилане напълно елиминират появата на пукнатини.

За да се избегне напукване, всички области (части) на частите, върху които обикновено се появяват пукнатини, се увиват с азбестово въже и се покриват с огнеупорна глина. Стриктното спазване на технологичните условия на закаляване може да намали броя на дефектните части до минимум.

Деформацияи изкривяванечасти възникват в резултат на неравномерни структурни и свързани с тях обемни трансформации и възникване на вътрешни напрежения по време на охлаждане.

При закаляване на стоманата изкривяването в много случаи настъпва без значителни обемни промени в резултат на неравномерно нагряване и охлаждане на частите. Ако например част с малко напречно сечение и голяма дължина се нагрява само от едната страна, тогава тя се огъва, докато нагрятата страна се удължава поради термично разширение и става изпъкнала, а противоположната страна става вдлъбната. При едностранно охлаждане по време на процеса на охлаждане (особено във вода), бързо охладената страна на детайла ще стане вдлъбната поради термична компресия, а обратната страна ще стане изпъкнала. Поради това е необходимо частите да се нагряват и охлаждат равномерно по време на втвърдяване.

Особено голямо влияние върху деформацията оказва методът на охлаждане. Следователно, когато частите и инструментите се потапят във втвърдяваща среда, трябва да се вземат предвид тяхната форма и размери. Например, части с дебели и тънки части първо се потапят в втвърдяващата среда с дебела част, дългите аксиални части (оловни винтове, пръти, протяжки, свредла, кранове и др.) са в строго вертикално положение, а тънките плоски части (дискове, фрези, плочи и др.) - с ръб.

Правилно подбраните и произведени крепежни елементи са от голямо значение за намаляване на деформациите и изкривяването на детайлите.

При карбуризиране и нитрокарбюризиране на зъбни колела, шлицови и пиньонни ролки, бутални щифтове, кръстове и други части с проста и сложна конфигурация се използват специални и универсални устройства.

За циментиране на пружинните щифтове се използват устройства с отвори.

Пиньонните щифтове обикновено са химически топлинно обработени в универсални приспособления.

При масовото производство се правят специални приспособления за всяка част. Разходите за тяхното производство бързо се изплащат. При масово производство, когато се обработват големи партиди от различни части, е по-икономично да имате универсални приспособления.

Устройствата са изработени отляти и заварени от топлоустойчива сплав Kh18N25S2.

Много части - зъбни колела, дискове, плочи се закаляват в специални преси в печати, за да се избегне изкривяване.

Обезвъглеродяваневъзниква главно при нагряване в електрически пещи и течни среди (солни бани). Обезвъглеродяването на инструмента е най-сериозният дефект по време на закаляването, тъй като намалява живота на инструмента няколко пъти. На готовия инструмент обаче е трудно да се забележи такъв дефект.

При детайлите, изработени от конструкционни стомани, окисляването и обезвъглеродяването могат лесно да бъдат открити по време на производството на микросекция.

Мекпетна- това са зони на повърхността на детайл или инструмент с намалена твърдост. Причините за такъв дефект могат да бъдат наличието на котлен камък и замърсяване по повърхността на частите, причинени от контакта на частите една с друга по време на охлаждане в охлаждащата среда, зони с декарбуризирана повърхност или недостатъчно бързо движение на частите в охлаждащата среда (парна риза). Меките петна се елиминират напълно чрез струйно втвърдяване и в подсолена вода.

нискотвърдостнай-често се наблюдава при закаляване на инструмента. Причините за ниската твърдост са недостатъчно бързо охлаждане в закаляващата среда, ниска температура на закаляване, както и кратко време на задържане при нагряване за закаляване. За да се коригира този дефект, частите или инструментите първо се подлагат на високо темпериране при температура 600-625 ° C и след това на нормално втвърдяване.

Прегряванекогато се закалява, причинява едрозърнеста структура с брилянтна фрактура и следователно влошава механичните свойства на стоманата. За да се усъвършенства зърното и да се подготви структурата за повторно втвърдяване, прегрятата стомана трябва да се закали.

Подгряванеполучена, ако температурата на втвърдяване е под критичната точка A C3- за хипоевтектоидни стомани и А с- заевтектоидни стомани.

При преохлаждане структурата на закалената стомана се състои от мартензитни и феритни зърна, за които е известно, че имат ниска твърдост.

Недостатъчното нагряване може да се коригира чрез отгряване, последвано от нормално втвърдяване.

Бързорежещите, неръждаемите и други специални стомани се закаляват при по-високи температури на нагряване от въглеродните и нисколегираните структурни и инструментални стомани. Например, за неръждаема стомана клас 4X13, температурата за втвърдяване се приема равна на 1050 - 1100 ° C.

Бързорежещата стомана P18 се закалява при температура 1260 - 1280 ° C (за инструмент с диаметър 10 - 15 mm - свредла, райбери и др.) И 1280 - 1300 ° C (за инструмент с проста форма - фрези). Такава висока температура на нагряване за закаляване на бързорежеща стомана е необходима, за да се разтворят по-пълно излишните карбиди и да се прехвърлят повече в твърд разтвор на хром, волфрам, ванадий и други легиращи елементи, които изграждат стоманата.

Скорост на нагряване. Нагряването на стоманата се определя не само от допустимата, но и от възможната скорост на нагряване. Допустимата скорост трябва да бъде такава, че нагряването да не предизвиква големи напрежения, водещи до образуване на пукнатини в частите.

Скоростта на нагряване зависи от формата на частите, вида на нагревателните пещи и нагряващата среда. Например, топката се нагрява три пъти, а цилиндърът - два пъти по-бавно от плочата. С увеличаване на скоростта на нагряване се увеличава и производителността на отоплителните пещи и агрегати.

Скоростта на нагряване също зависи от местоположението на частите в пещта. Ако частите са плътно опаковани една към друга и предотвратяват необходимия достъп на топлина, тогава ще отнеме повече време за загряването им.

Термистите обикновено използват диаграми на процеса, за да изчислят времето за нагряване на частите.

Технологичната карта включва списък на всички операции за обработка на детайл или група детайли, като се посочват подробни данни за тези операции (температура, време на задържане, охлаждаща среда и температура, както и използваните устройства).

Средно време за нагряване на части от въглеродни стомани за закаляване в различни среди.

Време за нагряване на части за закаляване в различни среди

За извършване на всеки процес на термична термична обработка е необходимо не само да се нагрее металът до определена температура, но и да се поддържа при тази температура до пълни структурни трансформации (разтваряне на карбиди, хомогенизиране на аустенит) и пълно нагряване на частите . Така общото време на престой на частите в нагряващата среда се състои от времето за нагряване и времето на задържане.

Втвърдяваща среда.За охлаждане на стоманени части по време на закаляване обикновено се използват различни охлаждащи среди: вода, водни разтвори на соли, разтопени соли, минерални масла и др. Средите за охлаждане се различават рязко една от друга по своите физически свойства, т.е. те отнемат топлина с различна интензивност от частите загрява се за втвърдяване.

Най-добрата охлаждаща среда е тази, която бързо охлажда стоманата в температурния диапазон от 650-500 ° C (областта на най-ниската стабилност на аустенита) и бавно под 300-200 ° C (областта на мартензитна трансформация). Все още обаче няма унифицирана, универсална охлаждаща среда, поради което на практика се използват различни среди.

Един от най-разпространените методи за термична обработка на метали е закаляването на стоманата. Именно с помощта на закаляването се формират необходимите характеристики на готовия продукт, а неправилното му изпълнение може да доведе до прекомерна мекота на метала (невтвърдяване) или до неговата прекомерна крехкост (прегряване). В нашата статия ще говорим за това какво е правилното втвърдяване и какво трябва да се направи, за да го постигнете.

Какво е закаляване на метала

Фактът, че въздействието на висока температура върху метала може да промени неговата структура и свойства, е бил известен от древните ковачи и активно го е използвал на практика. По-късно беше научно установено, че закаляването на продуктите от стомана, което включва нагряване и последващо охлаждане на метала, може значително да подобри механичните характеристики на готовите продукти, значително да увеличи експлоатационния им живот и дори в крайна сметка да намали теглото им чрез увеличаване на якостта на частта. Забележително е, че втвърдяването на части, изработени от евтини стоманени марки, позволява да им се дадат необходимите характеристики и успешно да се използват вместо по-скъпи сплави.

Смисълът на процеса, който се нарича втвърдяване на продукти от стоманени сплави, е металът да се нагрее до критична температура и след това да се охлади. Основната цел, преследвана от тази технология за термична обработка, е да се увеличи твърдостта и здравината на метала, като същевременно се намали пластичността му.

Има различни видове закаляване и последващо темпериране, които се различават по начините на провеждане, които определят крайния резултат. Режимите на втвърдяване включват температурата на нагряване, времето и скоростта на нейното изпълнение, времето за задържане на детайла в състояние, нагрято до определената температура, и скоростта, с която се извършва охлаждане.

Най-важният параметър при е температурата на нагряване, при достигането на която атомната решетка се пренарежда. Естествено, за стомани от различни степени стойността на критичната температура е различна, което зависи преди всичко от нивото на съдържание на въглерод в техния състав и различни примеси.

След втвърдяване както твърдостта, така и крехкостта на стоманата се увеличават и на нейната повърхност се появява слой от мащаб, който е загубил значително количество въглерод. Дебелината на този слой трябва да се вземе предвид, за да се изчисли допустимото количество за по-нататъшна обработка на детайла.

При извършване на закаляване на продукти от стоманени сплави е много важно да се осигури дадена скорост на охлаждане на детайла, в противен случай вече преустроената атомна структура на метала може да премине в междинно състояние. Междувременно твърде бързото охлаждане също е нежелателно, тъй като може да доведе до появата на пукнатини върху частта или до нейната деформация. За да се избегне образуването на такива дефекти, скоростта на охлаждане, след като температурата на нагрятия метал падне до 200 градуса по Целзий, се забавя до известна степен.

За нагряване на части от въглеродни стомани се използват камерни пещи, които могат да се нагреят до 800 градуса по Целзий. За закаляване на отделни марки стомана критичната температура може да бъде 1250-1300 градуса по Целзий, така че частите от тях се нагряват в пещи от различен тип. Удобството на закаляването на стомани от такива степени се крие във факта, че продуктите, произведени от тях, не са подложени на напукване по време на охлаждане, което елиминира необходимостта от тяхното предварително нагряване.

Втвърдяването на части със сложна конфигурация с тънки ръбове и остри преходи трябва да се подхожда много отговорно. За да се избегне напукване и изкривяване на такива части по време на нагряване, то трябва да се извърши на два етапа. На първия етап такава част се загрява предварително до 500 градуса по Целзий и едва след това температурата се довежда до критична стойност.

За висококачествено закаляване на стоманите е важно да се осигури не само нивото на нагряване, но и неговата равномерност. Ако детайлът е масивен или има сложна конфигурация, е възможно да се осигури равномерното му нагряване само в няколко подхода. В такива случаи нагряването се извършва с две закъснения, които са необходими, за да може достигнатата температура да се разпредели равномерно по целия обем на детайла. Общото време за нагряване също се увеличава, ако няколко части се поставят в пещта едновременно.

Как да се избегне образуването на котлен камък и обезвъглеродяване по време на втвърдяване

Много стоманени части се закаляват, след като са завършени. В такива случаи е недопустимо повърхността на частите да бъде обезвъглеродена или върху нея да се образува нагар. Има начини за закаляване на стоманени продукти, които избягват подобни проблеми. Втвърдяването, извършено в защитен газ, който се инжектира в кухината на нагревателната пещ, може да се припише на най-напредналите от тези методи. Трябва да се има предвид, че този метод се използва само ако отоплителната пещ е напълно запечатана.

На снимката е моментът на декалциране на цеха за горещо валцуване - декалциране

По-лесен начин за избягване на обезвъглеродяване на металната повърхност по време на закаляването е използването на чугунени стружки и отработен карбуратор. За да се предпази повърхността на детайла при нагряване, той се поставя в специален контейнер, в който тези компоненти са предварително напълнени. За да се предотврати навлизането на околния въздух в такъв контейнер, което може да причини окислителни процеси, той е внимателно покрит с глина отвън.

Ако след втвърдяване металът се охлажда не в масло, а в солена баня, той трябва редовно да се дезоксидира (поне два пъти на смяна), за да се избегне обезвъглеродяване на повърхността на детайла и появата на оксид върху него . Борна киселина, кафява сол или въглен могат да се използват за дезоксидиране на солени бани. Последният обикновено се поставя в специална чаша с капак, в стените на която има много дупки. Необходимо е много внимателно да спуснете такава чаша в солена баня, тъй като в този момент на повърхността й пламва пламък, който след известно време избледнява.

Има лесен начин да проверите качеството на обезкисляването на солната баня. За да направите това, обикновено острие от неръждаема стомана се нагрява в такава баня за няколко минути (3–5). След солената баня острието се поставя във вода, за да се охлади. Ако след такава процедура острието не се огъне, а се счупи, тогава дезоксидацията на ваната е била успешна.

Охлаждане на стоманата по време на закаляване

Основата на повечето охлаждащи течности, използвани при закаляване на стоманени продукти, е водата. В същото време е важно такава вода да не съдържа примеси от соли и детергенти, което може значително да повлияе на скоростта на охлаждане. Контейнер, който съдържа вода за втвърдяване на метални изделия, не се препоръчва да се използва за други цели. Също така е важно да се вземе предвид факта, че течаща вода не може да се използва за охлаждане на метала по време на процеса на закаляване. Оптималната температура на охлаждащата течност е 30 градуса по Целзий.

Закаляването на стоманени продукти с обикновена вода за охлаждане има редица съществени недостатъци. Най-важният от тях е напукване и изкривяване на частите след охлаждането им. По правило този метод на охлаждане се използва при циментиране на метал, повърхностно втвърдяване на стомана или термична обработка на части с проста конфигурация, които по-късно ще бъдат подложени на довършителни работи.

За продукти със сложна форма, изработени от конструкционни стомани, се използва различен тип охлаждаща течност - 50% разтвор на сода каустик, загрята до температура 60 градуса по Целзий. След охлаждане в такъв разтвор закалената стомана придобива лек нюанс.

Много е важно да спазвате предпазните мерки при работа със сода каустик, не забравяйте да използвате качулка, поставена над ваната. Когато гореща част се спусне в разтвора, се образуват пари, които са много вредни за човешкото здраве.

Най-добрият охладител за тънкостенни въглеродни стомани и сплави са минералните масла, които осигуряват постоянна (изотермична) температура на охлаждане, независимо от условията на околната среда. Основното нещо, което трябва да се избягва при използване на такава техническа течност, е навлизането на вода в нея, което може да доведе до напукване на части по време на охлаждането им. Въпреки това, ако водата попадне в такава охлаждаща течност, тя може лесно да бъде отстранена от нея чрез нагряване на маслото до температура над точката на кипене на водата.

Закаляването на стомана с използване на масло като охлаждаща течност има редица значителни недостатъци, за които определено трябва да сте наясно. Когато маслото влезе в контакт с гореща част, се отделят изпарения, които са вредни за човешкото здраве, освен това маслото в този момент може да се запали. Маслената баня също има такова свойство: след употребата й върху частта остава плака, а самата охлаждаща течност губи своята ефективност с течение на времето.

Всички тези фактори трябва да се вземат предвид при закаляване на метали в маслена среда и да се вземат следните мерки за безопасност:

• потопете частите в маслена баня с помощта на клещи с дълги дръжки;
• извършвайте цялата работа в специална маска от закалено стъкло и ръкавици от дебел плат с огнеупорни свойства или груба кожа;
• надеждно защитавайте раменете, шията, гърдите с работно облекло, изработено от плътна огнеупорна тъкан.

За закаляване на стомани от определени класове охлаждането се извършва с помощта на въздушен поток, създаден от специален компресор. Много е важно охлаждащият въздух да е напълно сух, тъй като съдържащата се в него влага може да причини напукване на металната повърхност.

Има методи за закаляване на стоманата, които използват комбинирано охлаждане. Използват се за охлаждане на детайли от въглеродни стомани със сложен химичен състав. Същността на тези методи на закаляване е, че първо нагрятата част се поставя във вода, където за кратко време (няколко секунди) температурата й пада до 200 градуса, по-нататъшното охлаждане на частта се извършва в маслена баня, където трябва да бъде се движеше много бързо.

Закаляване и темпериране на стоманени детайли у дома

Термичната обработка на метални изделия, включително повърхностното закаляване на стоманата, не само повишава твърдостта и якостта на сплавта, но също така значително увеличава вътрешните напрежения в нейната структура. За да се премахнат тези напрежения, които могат да доведат до счупване на частта по време на работа, е необходимо да се освободи стоманеният продукт.

Трябва да се има предвид, че такава технологична операция води до известно намаляване на твърдостта на стоманата, но увеличава нейната пластичност. За извършване на темпериране, чиято същност е постепенно да се намали температурата на нагрятата част и да се поддържа при определена температура, се използват пещи, солни и маслени бани.

Температурите, при които се извършва темперирането, са различни за различните марки стомана. И така, закаляването на високоскоростни сплави се извършва при температура от 540 градуса по Целзий, а за стомани с твърдост HRC 59-60 са достатъчни 150 градуса. Характерно е, че при закаляване на бързорежещи сплави тяхната твърдост дори се увеличава, а във втория случай нивото й намалява, но индексът на пластичност се увеличава значително.

Закаляването и темперирането на стоманени продукти, включително неръждаеми марки, е напълно приемливо (и освен това често се практикува) у дома, ако е необходимо. В такива случаи за нагряване на стоманени продукти могат да се използват електрически печки, фурни и дори горещ пясък. Температурите, до които стоманените продукти трябва да се нагряват в такива случаи, могат да бъдат избрани от специални таблици. Преди закаляване или темпериране на стоманени продукти те трябва да бъдат добре почистени, повърхността им трябва да бъде без замърсявания, следи от масло и ръжда.

След почистване стоманеният продукт трябва да се нагрее, така че да е равномерно нажежен. За да се загрее до такова състояние, е необходимо да се извърши нагряване в няколко подхода. След достигане на необходимото състояние, продуктът за нагряване трябва да се охлади в масло и веднага след това да се постави във фурна, предварително загрята до 200 градуса по Целзий. След това трябва постепенно да намалите температурата във фурната, като я доведете до 80 градуса по Целзий.

Този процес обикновено отнема един час. По-нататъшното охлаждане трябва да се извършва на открито, с изключение само на продукти, изработени от хром-никелови стомани, за намаляване на температурата на които се използват маслени бани. Това се дължи на факта, че стоманите от такива класове по време на бавно охлаждане могат да придобият така наречената крехкост при темпериране.

(гласове: 5 , среден рейтинг: 4,20 от 5)

Термичната обработка на стоманите е една от най-важните операции в машиностроенето, от правилното й изпълнение зависи качеството на продуктите. Закаляването и отвръщането на стоманите са един от различните видове термична обработка на метали.

Термичното въздействие върху метала променя неговите свойства и структура. Това дава възможност да се подобрят механичните свойства на материала, издръжливостта и надеждността на продуктите, както и да се намалят размерите и теглото на механизмите и машините. В допълнение, поради топлинна обработка, по-евтини сплави могат да се използват за производството на различни части.

Тъй като стоманата беше закалена

Термичната обработка на стоманата се състои в термично въздействие върху метала в определени режими, за да се променят неговата структура и свойства.

Операциите за термична обработка включват:

• отгряване;
• нормализиране;
• стареене;
• закаляване на стомана и отвръщане на стомана (и др.).

Термична обработка на стомана: закаляване, темпериране - зависи от следните фактори:

• температура на нагряване;
• време (скорост) на нагряване;
• време на задържане при дадена температура;
• скорост на охлаждане.

закаляване

Закаляването на стоманата е процес на топлинна обработка, чиято същност е нагряване на стоманата до температура над критичната температура, последвано от бързо охлаждане. В резултат на тази операция твърдостта и якостта на стоманата се увеличават, а пластичността намалява.

Когато стоманите се нагряват и охлаждат, атомната решетка се пренарежда. Критичните температури за различните марки стомана не са еднакви: те зависят от съдържанието на въглерод и легиращи примеси, както и от скоростта на нагряване и охлаждане.

След закаляване стоманата става крехка и твърда. Повърхностният слой на продуктите при нагряване в термични пещи се покрива с нагар и обезвъглеродява толкова повече, колкото по-висока е температурата на нагряване и времето на задържане в пещта. Ако частите имат малка надбавка за допълнителна обработка, тогава този брак е непоправим. Режимите на закаляване на закаляването на стоманата зависят от неговия състав и техническите изисквания към продукта.

По време на втвърдяването частите трябва да се охлаждат бързо, така че аустенитът да няма време да се превърне в междинни структури (сорбит или троостит). Необходимата скорост на охлаждане се осигурява от избора на охлаждаща среда. В този случай прекалено бързото охлаждане води до появата на пукнатини или изкривяване на продукта. За да се избегне това, в температурния диапазон от 300 до 200 градуса скоростта на охлаждане трябва да се забави, като за това се използват комбинирани методи на втвърдяване. От голямо значение за намаляване на изкривяването на продукта е методът на потапяне на детайла в охлаждаща среда.

Метално отопление

Всички методи за закаляване на стоманата се състоят от:

• стоманено отопление;
• последващо излагане да се постигне чрез нагряване на продукта и завършване на структурни трансформации;
• охлаждане с определена скорост.

Продуктите от въглеродна стомана се нагряват в камерни пещи. В този случай не се изисква предварително загряване, тъй като тези марки стомана не са подложени на напукване или изкривяване.

Сложните продукти (например инструмент, който има изпъкнали тънки ръбове или остри преходи) се загряват предварително:

• в солени вани чрез двукратно или трикратно потапяне за 2 - 4 секунди;
• в отделни пещи до температура 400 - 500 градуса по Целзий.

Нагряването на всички части на продукта трябва да протича равномерно. Ако това не може да се осигури наведнъж (големи изковки), тогава се правят две експонации за сквозно нагряване.

Ако във фурната се постави само една част, времето за нагряване се намалява. Така например една дискова резачка с дебелина 24 mm се загрява за 13 минути, а десет такива продукта - за 18 минути.

Защита на продукта срещу котлен камък и обезвъглеродяване

За продукти, чиито повърхности не са полирани след топлинна обработка, изгарянето на въглерода и образуването на мащаб са неприемливи. Повърхностите са защитени от такъв брак чрез приложението, подадено в кухината на електрическата пещ. Разбира се, такава техника е възможна само в специални запечатани пещи. Защитните газови генератори служат като източник на газ, доставян в отоплителната зона. Те могат да работят с метан, амоняк и други въглеводородни газове.

Ако няма защитна атмосфера, тогава продуктите се опаковат в контейнери преди нагряване и се покриват с отработен карбуризатор, стърготини (термистът трябва да е наясно, че въгленът не предпазва инструменталните стомани от обезвъглеродяване). За да се предотврати навлизането на въздух в контейнера, той е покрит с глина.

Солните бани, когато се нагряват, не позволяват на метала да се окислява, но не предпазва от обезвъглеродяване. Поради това в производството те се деоксидират най-малко два пъти на смяна с кафява, кръвна сол или борна киселина. Солените бани, работещи при температури от 760 - 1000 градуса по Целзий, се деоксидират много ефективно с въглен. За целта чаша с много дупки по цялата повърхност се пълни със сух въглен, затваря се с капак (така че въглищата да не изплуват) и след нагряване се спуска на дъното на солената баня. Първо се появява значителен брой пламъци, след което намалява. Ако банята се деоксидира по този начин три пъти по време на смяната, тогава нагрятите продукти ще бъдат напълно защитени от обезвъглеродяване.

Степента на дезоксидация на солните бани се проверява много просто: обикновено острие, нагрято във вана за 5 до 7 минути във висококачествена дезоксидирана вана и втвърдено във вода, ще се счупи, а не ще се огъне.

Охлаждащи течности

Основната охлаждаща течност за стоманата е водата. Ако към водата се добави малко количество сол или сапун, скоростта на охлаждане ще се промени. Следователно при никакви обстоятелства резервоарът за втвърдяване не трябва да се използва за други цели (например за измиване на ръцете). За да се постигне същата твърдост на закалена повърхност, е необходимо да се поддържа температура на охлаждащата течност от 20 - 30 градуса. Не сменяйте често водата в резервоара. Абсолютно неприемливо е да охлаждате продукта в течаща вода.

Недостатъкът на водното втвърдяване е образуването на пукнатини и деформация. Следователно, използвайки този метод, се втвърдяват само продукти с проста форма или циментирани.

• При втвърдяване на продукти със сложна конфигурация от конструкционна стомана се използва петдесет процента разтвор на сода каустик (студен или загрят до 50 - 60 градуса). Частите, нагрети в солена баня и втвърдени в този разтвор, са светли. Не позволявайте температурата на разтвора да надвишава 60 градуса.

Режими

Парите, генерирани по време на охлаждане в разтвор на каустик, са вредни за хората, така че банята за охлаждане трябва да бъде оборудвана с изпускателна вентилация.

• Легираната стомана се охлажда в минерални масла. Между другото, тънките продукти от въглеродна стомана също се произвеждат в масло. Основното предимство на маслените бани е, че скоростта на охлаждане не зависи от температурата на маслото: при температура от 20 градуса и 150 градуса продуктът ще се охлади със същата скорост.

Внимавайте да не навлиза вода в маслената баня, тъй като това може да доведе до напукване на продукта. Какво е интересно: в масло, загрято до температура над 100 градуса, проникването на вода не води до пукнатини в метала.

Недостатъкът на маслената баня е:

1. отделяне на вредни газове при втвърдяване;
2. образуването на плака върху продукта;
3. склонността на маслото към запалимост;
4. постепенно влошаване на способността за втвърдяване.

• Стоманите със стабилен аустенит (например X12M) могат да се охлаждат с въздух, подаван от компресор или вентилатор. В този случай е важно да се предотврати навлизането на вода във въздуховода: това може да доведе до образуване на пукнатини върху продукта.
• Етапното втвърдяване се извършва в горещо масло, разтопени основи, топими соли.
• Прекъснатото закаляване на стомани в две охлаждащи среди се използва за обработка на сложни детайли, изработени от въглеродни стомани. Първо се охлаждат във вода до температура 250 - 200 градуса, а след това в масло. Продуктът се държи във вода за не повече от 1 - 2 секунди на всеки 5 - 6 mm дебелина. Ако времето на излагане във вода се увеличи, тогава върху продукта неизбежно ще се появят пукнатини. Прехвърлянето на частта от вода към масло трябва да се извърши много бързо.

В зависимост от необходимата температура се извършва темпериране:

• в маслени бани;
• в вани със селитра;
• в пещи с принудителна циркулация на въздуха;
• в разтопени алкални бани.

Температурата на закаляване зависи от марката стомана и необходимата твърдост на продукта, например инструмент, който изисква твърдост HRC 59 - 60, трябва да бъде закален при температура 150 - 200 градуса. В този случай вътрешните напрежения намаляват и твърдостта леко намалява.

Бързорежещата стомана се темперира при температура 540 - 580 градуса. Това темпериране се нарича вторично втвърдяване, тъй като в резултат на това се увеличава твърдостта на продукта.

Продуктите могат да бъдат темперирани за цвета на нюанса чрез нагряване на електрически печки, във фурни, дори в горещ пясък. Оксидният филм, който се появява в резултат на нагряване, придобива различни нюанси в зависимост от температурата. Преди да пристъпите към темпериране на един от тониращите цветове, е необходимо да почистите повърхността на продукта от котлен камък, маслени отлагания и др.

Обикновено след закаляване металът се охлажда на въздух. Но хром-никеловите стомани трябва да се охлаждат във вода или масло, тъй като бавното охлаждане на тези степени води до крехкост при темпериране.