Процесс закалки стали и применение классификации

Закалка — это процесс термообработки, при котором заготовка нагревается до определенной критической температуры, а затем выборочно охлаждается для получения мартенсита высокой-твердости или вязкого нижнего бейнита с последующим отпуском.

Закалка повышает износостойкость и прочность деталей, а также их усталостную долговечность.

 

 

Принципы закалки и основная схема процесса

 

Сталь и другие материалы при нагревании претерпевают фазовые превращения, а аустенитизирующее фазовое превращение является необходимым условием закалки.

Обычно доэвтектоидную сталь закаливают до температуры на 20–30 градусов выше Ac3, а заэвтектоидную сталь закаливают до температуры на 20–30 градусов выше Ac1.

При закалке крайне важно избегать чрезмерного нагрева. Время выдержки следует определять исходя из размера заготовки и модели печи, чтобы обеспечить равномерное микроструктурное преобразование.

Ключевым процессом при закалке является охлаждение. Идеальная кривая охлаждения позволяет избежать перлитной области носика, главным образом, чтобы предотвратить образование не-мартенситных структур. Скорость охлаждения также необходимо контролировать, чтобы уменьшить внутренние напряжения и деформации детали.

Примечание. Ac1 и Ac3 представляют собой температуру, при которой начинает образовываться аустенит, и температуру, при которой доэвтектоидная сталь полностью аустенизируется при нагреве соответственно. Это критические ориентиры для определения процесса отжига.

 

Основные методы процесса закалки и основные рекомендации по эксплуатации

 

1. Одинарная-жидкостная закалка

Закалка одной-жидкостью – это самый простой и простой метод закалки. В основном он используется для деталей простой, симметричной формы и минимальной вариации поперечного сечения-, таких как валы и штифты.

Для однократной-закалки в жидкости необходимо выбирать соответствующую охлаждающую жидкость в зависимости от материала и толщины заготовки. Низко-углеродистые и низко-легированные стали обычно закаливают водой или рассолом, тогда как высоко-легированные стали и небольшие детали-формы можно закаливать маслом или раствором полимера.

Во время закалки убедитесь, что заготовка равномерно погружена в среду и что среда правильно перемешивается, чтобы паровая пленка не препятствовала охлаждению.

Однократная-жидкостная закалка обеспечивает высокую-стабильность качества и подходит для крупномасштабного-производства, однако рекомендуется соблюдать осторожность в отношении риска деформации и растрескивания, вызванных слишком быстрым охлаждением.

 

2. Две-жидкостные закалки

Двух-жидкостная закалка сочетает в себе преимущества быстрого и медленного охлаждения. Сначала первую среду, такую ​​как вода или соленая вода, быстро пропускают через наиболее нестабильную аустенитную область материала. Как только температура материала приближается к температуре мартенситного превращения, материал быстро переносится во вторую среду, например масло, для завершения мартенситного превращения.

Закалка в две-жидкости особенно распространена для заготовок среднего-–-большого размера, изготовленных из высоко-углеродистой стали и средне---высоколегированных сталей, таких как формы и заготовки зубчатых колес.

Ключом к этой операции является точный контроль времени пребывания заготовки в первой среде. Обычно используется время закалки 1 секунда на 3-5 мм эффективной толщины заготовки, хотя это также можно определить, наблюдая за исчезновением пузырьков на поверхности заготовки.

Переход от первой среды ко второй среде должен быть быстрым и непрерывным, чтобы избежать повышения температуры, которое могло бы вызвать разложение структуры материала.

Двух-закалка значительно снижает термические и структурные напряжения, что делает ее эффективным методом контроля деформации и предотвращения растрескивания.

 

3. Шаг закалки

Ступенчатая закалка требует нагрева заготовки до аустенизации, а затем закалки ее в горячую ванну немного выше точки Ms, например, в нитратной или щелочной ванне, для выдержки. Как только температура по всему поперечному сечению-заготовки станет одинаковой, заготовку вынимают и охлаждают на воздухе-.

Ступенчатая закалка часто используется для инструментов и деталей сложной формы и высоких требований к точности, таких как метчики, небольшие шестерни и прецизионные валы.

В процессе эксплуатации необходимо строго контролировать колебания температуры ванны, обычно в пределах плюс-минус десять градусов Цельсия. Время выдержки рассчитывается на основе наибольшего сечения-, которое обычно оценивается в пять миллиметров в минуту.

Ступенчатая закалка эффективно снижает термические напряжения, позволяя мартенситному превращению протекать постепенно при охлаждении на воздухе. Это приводит к низкому напряжению микроструктуры и минимальной деформации. Однако из-за ограниченной охлаждающей способности расплавленных солей он пригоден только для заготовок эффективной толщиной не более 20 мм.

 

4. Изотермическая закалка.

Изотермическая закалка предполагает полную закалку детали, нагретой до температуры аустенизации, в горячую ванну в зоне бейнитного превращения. Длительная выдержка позволяет аустениту полностью превратиться в нижний бейнит с последующим охлаждением на воздухе. Закалка в основном используется для деталей, требующих высокой прочности, ударной вязкости и стабильности размеров, таких как подшипники и прецизионные формы. Изотермическая температура и продолжительность определяются на основе кривой ТТТ стали, при этом температура обычно составляет от 250 до 400 градусов.

После аустификации материал становится бейнитом, демонстрируя превосходную прочность и вязкость, с небольшой тенденцией к деформации или растрескиванию. Однако аустенитная закалка имеет длительный производственный цикл, высокую стоимость и ограничивается заготовками меньшего-поперечного сечения.

 

Общие проблемы и контроль качества

 

Закалка часто приводит к таким дефектам, как недостаточная твердость, мягкие пятна, деформация, растрескивание, окисление и обезуглероживание.

Недостаточная твердость обычно возникает из-за нагрева при слишком низкой температуре или недостаточного охлаждения. Другая причина – обезуглероживание поверхности заготовки.

Мягкие пятна обычно возникают из-за загрязненной закалочной среды или наличия оксидной окалины на поверхности заготовки. Деформация и растрескивание могут быть вызваны чрезмерным термическим или структурным напряжением.

Поэтому контроль качества при закалке требует комплексного контроля процесса, особенно точного контроля температуры на этапе нагрева. На этапе охлаждения температура, концентрация и скорость циркуляции среды должны поддерживаться стабильными. Отпуск необходим сразу после закалки для устранения остаточных напряжений в деталях.

При массовом производстве следует проводить регулярные выборочные проверки металлографической структуры и градиента твердости. Неразрушающий контроль можно использовать на критически важных деталях для обнаружения трещин.

 

Совместимость материалов и выбор процесса

 

Различия в составе материалов приводят к различной прокаливаемости, температурам начала мартенситного превращения и критическим скоростям охлаждения. Поэтому конкретный процесс закалки необходимо выбирать исходя из характеристик материала.

Низко-углеродистая и низко-конструкционная сталь имеют относительно низкую прокаливаемость и обычно закаливаются водой или двумя-жидкими закалками для улучшения поверхностной твердости и износостойкости деталей.

Средне-углеродистая закаленная и отпущенная сталь требует тщательной закалки сердечника, поэтому во избежание деформации и растрескивания обычно используется закалка в масле или быстрая закалка в масле.

Высоко-инструментальная сталь склонна к перегреву, что увеличивает вероятность деформации. Поэтому можно использовать ступенчатую закалку или закалку в щелочной ванне при низкой-температуре.

Высоколегированные штамповые стали, такие как H13, обладают превосходной прокаливаемостью, поэтому их можно подвергать закалке в газе или закалке в высоко-соляной ванне, чтобы минимизировать деформацию.

Науглероженные заготовки требуют особенно высокой прочности сердцевины, поэтому для них требуются относительно низкие температуры, либо прямая закалка, либо закалка в соляной ванне.

Нержавеющая сталь и быстрорежущая-сталь требуют предварительного нагрева и закалки в соляной ванне, чтобы предотвратить растрескивание и выделение карбидов.

Закалка — сложный и ответственный процесс, поэтому соответствующий метод закалки необходимо выбирать с учетом свойств материала, формы детали и условий эксплуатации.

Закалка требует строгого контроля процессов нагрева и охлаждения для достижения желаемой микроструктуры и свойств, обеспечивая при этом стабильное и надежное качество продукции.