Наиболее широко применяемым методом является обычная закалка для закалки в одной среде. Однако недостатком этого метода является то, что скорость охлаждения в области мартенситного превращения будет очень высокой.
Она будет незначительно отличаться от скорости на верхней зоне переохлажденного аустенита малой устойчивости, поэтому при этом способе могут возникать трещины, коробление и другие дефекты. Чтобы избежать этих дефектов и получить требуемые свойства, обычно применяют другие методы упрочнения, которые будут кратко описаны.
Различные методы закалки:
1. Закалка в двух средах.
2. Закалка с самоотпуском.
3. Ступенчатая закалка или матричный отпуск.
5. Изотермическая закалка или отпуск.
Способ # 1. Закалка в двух средах:
Упрочненные этим способом изделия сначала закаливают в воде до температуры от 300° до 400°С, а затем быстро переводят в менее интенсивную закалочную среду (например, масло или воздух), где выдерживают до полного охлаждения. Целью перевода на вторую закалку является снижение внутренних напряжений, связанных с аустенитно-мартенситным превращением.
Закалку сначала в воду, а затем в масло нецелесообразно, так как это может привести к частичному распаду аустенита в его зоне наименьшей устойчивости (500-600°С) и развитию высоких остаточных напряжений вследствие быстрого охлаждения. в области мартенситного превращения.
Закалка в двух средах широко применяется при термической обработке инструмента из углеродистой стали (метчиков, плашек, фрез и т. д.) формы, неблагоприятной в отношении растрескивания и коробления.
Способ # 2. Закалка с самоотпуском:
Здесь изделие выдерживается в закалочной среде до полного остывания, но извлекается для сохранения некоторого количества тепла в сердечнике, за счет которого происходит отпуск (самотпуск). Момент, когда тушение необходимо прервать, можно установить опытным путем. Часто в сердечнике остается больше тепла, чем требуется для отпуска, и при достижении температуры отпуска изделие снова погружают в закалочную жидкость.
Эта закалка применяется для зубил, кувалд, ручных молотков, кернеров и других инструментов, требующих высокой твердости поверхности в сочетании с прочным сердечником.
Способ # 3. Ступенчатая закалка или отпуск:
После нагрева стали до температуры закалки ее закаливают в среде с температурой от 150° до 300°С. Изделие выдерживают до температуры среды, затем охлаждают до комнатной температуры на воздухе, а иногда и в масле.
Время выдержки в закалочной ванне должно быть достаточным для достижения однородной температуры по всему сечению, но достаточно длительным, чтобы вызвать аустенитный распад. Аустенит превращается в мартенсит в течение последующего периода охлаждения до комнатной температуры. Эта обработка обеспечит структуру мартенсита и остаточного аустенита в закаленной стали.
Маршевая закалка имеет следующие преимущества перед обычной закалкой:
(i) Происходят меньшие объемные изменения из-за присутствия большого количества остаточного аустенита и возможности самоотпуска мартенсита.
(ii) Меньшее коробление, поскольку преобразования происходят одновременно во всех частях изделия. (iii) Меньшая опасность появления в изделии трещин от закалки.
С другой стороны, чрезвычайно низкая стабильность аустенита в этом диапазоне от 500 до 600°С требует скорости охлаждения от 200 до 500°С в секунду в этом диапазоне для получения переохлаждения. В то же время охлаждение в горячих средах происходит значительно медленнее, чем в воде или масле при комнатной температуре.
Поэтому аустенит в углеродистой стали может охлаждаться через зону от 600° до 500°С без распада только в тонких изделиях (толщиной до 5.8 мм). Такие изделия целесообразно упрочнять этим способом. Изделия из легированной стали, закаленные таким способом, могут быть значительно толще.
Способ № 4. Изотермическая закалка или аустенизация:
Он выполняется в основном таким же образом, как и мартенситный отпуск, но с более длительным временем выдержки при обеих температурах (выше мартенситной точки), чтобы обеспечить достаточно полный распад аустенита (обычно с круглым трооститом или бейнитом).
Опыт показал, что аустенитный отпуск многих марок сталей обеспечивает существенное повышение конструкционной прочности, т. е. прочности сложных образцов. По сравнению с обычной закалкой с последующим отпуском при температуре от 250 до 400 °С аустильный отпуск снижает чувствительность надреза и чувствительность к внецентренной нагрузке и повышает пластичность в надрезе в 1.5-2 раза.
Однако следует отметить, что закалка с закалкой в горячей среде подходит не для всех марок стали и изделий всех размеров. Неправильная процедура может существенно снизить механические свойства.
Расплавы солей обычно используются в качестве среды при закалке и закалке. Чем ниже температура соляной ванны, тем выше скорость охлаждения, которую она обеспечивает. Поскольку охлаждение в расплавленной соли достигается только за счет проводимости, то охлаждающая способность в значительной степени увеличивается за счет перемешивания.
Сталь окисляется при нагревании в хлоридах. Тонкая пленка хлоридов, покрывающая изделие, предохраняет его от окисления при переносе в закалочную ванну. В момент погружения в расплавленную едкую щелочь пленка отрывается (или растворяется) и обнажает поверхность металла. Однако контакт с едкой щелочью не приводит к заметному окислению стальных деталей.
Процесс аустенизации коммерчески используется для тонких стальных профилей для получения изделий без трещин и с хорошей ударной вязкостью.
Результирующая микроструктура полностью закаленной стали должна состоять из мартенсита. На практике очень трудно получить полностью мартенситную структуру путем упрочняющей обработки. Некоторое количество аустенита обычно присутствует в закаленной стали. Этот аустенит, существующий вместе с мартенситом, называется остаточным аустенитом.
Наличие остаточного аустенита сильно снижает механические свойства, и такие стали не достигают максимальной твердости даже после охлаждения со скоростями, превышающими критическую скорость охлаждения. Количество остаточного аустенита во многом зависит от химического состава ст. Для простых углеродистых сталей количество остаточного аустенита увеличивается с увеличением содержания углерода.
Проблема остаточного аустенита более сложна в легированных сталях. Большинство легирующих элементов увеличивают содержание остаточного аустенита.
В закаленных сталях, содержащих остаточный аустенит, прочность можно повысить с помощью процесса, известного как обработка при отрицательных температурах или обработка холодом. При такой обработке остаточный аустенит превращается в мартенсит. Это преобразование остаточного аустенита в мартенсит приводит к повышению твердости, износостойкости и стабильности размеров стали.
а. Процесс заключается в охлаждении стали до минусовой температуры, которая должна быть ниже Мf температура стали. Температура плавления большинства сталей лежит в пределах от -30°С до -70°С. При этом в стали развиваются значительные внутренние напряжения, поэтому отпуск проводят сразу после обработки. Эта обработка также способствует отпуску мастенсита, который образуется в результате распада остаточного аустенита во время обработки при отрицательных температурах.
б. После закалки в первую очередь должна быть проведена минусовая обработка. Для охлаждения стали до минусовой температуры можно использовать механические холодильные установки, сухой лед и некоторые сжиженные газы, например жидкий азот.
в. Эта обработка используется для высокоуглеродистых и высоколегированных сталей, используемых для изготовления инструментов, подшипников, измерительных приборов и компонентов, требующих высокой ударной и усталостной прочности в сочетании с размерной стабильностью, цементируемых сталей.
Специальная термическая обработка катанки из среднеуглеродистой, высокоуглеродистой и низколегированной стали называется патентированием.
Процесс заключается в нагреве материала значительно выше температуры аустенизации для обеспечения образования однородного аустенита. После выдержки в течение достаточного времени при этой температуре сталь закаливают в ванне, поддерживаемой при постоянной температуре. Для данной стали температура закалочной ванны поддерживается вблизи носовой части кривой ТТТ.
Это приводит к превращению аустенита в мелкозернистый перлит. После завершения преобразования сталь охлаждают либо на воздухе, либо распыляя воду. Свинцовые ванны или солевые ванны обычно используются для закалки стали.
Процесс в основном используется для проволоки, канатов и пружин.
Патентованная термическая обработка не используется для низкоуглеродистых сталей, поскольку они могут подвергаться интенсивной вытяжке в отожженном состоянии.
Поверхностная закалка стали (цементация)
Изображение предоставлено: Shutterstock/PHOTOCREO Михал Беднарек
Поверхностное упрочнение (цементация)
Во многих областях применения требуется высокая твердость или прочность, в первую очередь на поверхности, а сложные эксплуатационные нагрузки часто требуют не только твердой, износостойкой поверхности, но также прочности и ударной вязкости сердцевины, чтобы противостоять ударным нагрузкам.
Для достижения этих различных свойств используются два основных процесса: 1) Химический состав поверхности изменяется до или после закалки и отпуска; используемые процессы включают науглероживание, азотирование, цианирование и карбонитрирование; и 2) в процессе нагрева и закалки упрочняется только поверхностный слой; наиболее распространенными процессами, используемыми для поверхностной закалки, являются закалка пламенем и индукционная закалка.
Науглероживание: углерод рассеивается на поверхности детали на контролируемую глубину путем нагрева детали в углеродистой среде. Результирующая глубина науглероживания, обычно называемая глубиной слоя, зависит от углеродного потенциала используемой среды, а также от времени и температуры обработки науглероживанием. Наиболее подходящими для науглероживания для повышения ударной вязкости стали стали с достаточно низким содержанием углерода, обычно ниже 0.3%. Диапазон температур науглероживания составляет от 1550 до 1750°F (от 843 до 954°C), при этом температура и время при температуре регулируются для получения различной глубины слоя. Выбор стали, прокаливаемость и тип закалки определяются размером сечения, желаемой твердостью сердцевины и эксплуатационными требованиями.
Наиболее часто используются три типа науглероживания:
- Жидкая цементация включает нагрев стали в расплавленном цианиде бария или цианиде натрия. Корпус поглощает некоторое количество азота в дополнение к углероду, что повышает твердость поверхности.
- Газовая цементация включает нагрев стали в газе с контролируемым содержанием углерода. При использовании уровень углерода в корпусе можно точно контролировать.
- Пакетное науглероживание, который включает в себя запечатывание стали и твердого углеродистого материала в газонепроницаемом контейнере с последующим нагревом этой комбинации.
При использовании любого из этих методов деталь может быть либо закалена после цикла науглероживания без повторного нагрева, либо охлаждена на воздухе с последующим повторным нагревом до температуры аустенизации перед закалкой. Глубина гильзы может варьироваться в зависимости от условий нагрузки при эксплуатации. Однако рабочие характеристики часто требуют, чтобы только отдельные области детали должны были быть закалены. Покрытие областей, не подлежащих покрытию, медным покрытием или слоем коммерческой пасты позволяет углероду проникать только в открытые области. Другой метод включает науглероживание всей детали, затем удаление корпуса в выбранных областях путем механической обработки перед закалкой.
Азотирование
Стальная часть нагревается до температуры 900-1150°F (от 482 до 621°C) в атмосфере газообразного аммиака и диссоциированного аммиака в течение длительного периода времени, который зависит от желаемой глубины корпуса. Тонкий, очень твердый корпус возникает в результате образования нитридов. В стали обязательно присутствие сильных нитридообразующих элементов (хрома и молибдена), и часто применяют специальные нестандартные марки, содержащие алюминий (сильный нитридообразователь). Основное преимущество этого процесса заключается в том, что перед азотированием детали можно подвергать закалке и отпуску, а затем механической обработке, поскольку во время азотирования возникает лишь небольшая деформация.
Цианирование
Этот процесс включает нагрев детали в ванне с цианистым натрием до температуры, немного превышающей диапазон превращения, с последующей закалкой для получения тонкого корпуса высокой твердости.
Карбонитрирование
Этот процесс аналогичен цианированию, за исключением того, что поглощение углерода и азота осуществляется путем нагрева детали в газовой атмосфере, содержащей углеводороды и аммиак. Температуры от 1425 до 1625°F (от 774 до 885°C) используются для закалки деталей, а более низкие температуры, от 1200 до 1450°F (от 649 до 788°C), могут использоваться там, где не требуется жидкостная закалка.
Закалка пламенем
Этот процесс включает в себя быстрый нагрев прямым высокотемпературным газовым пламенем, так что поверхностный слой детали нагревается выше диапазона превращения с последующим охлаждением со скоростью, вызывающей желаемое упрочнение. Стали для закалки пламенем обычно содержат 0.30-0.60% углерода, а прокаливаемость соответствует желаемой глубине слоя и используемой закалке. Закалку обычно распыляют на поверхность на небольшом расстоянии позади нагревательного пламени. Требуется немедленная закалка, которую можно провести в обычной печи или в процессе закалки пламенем, в зависимости от размера детали и стоимости.
Индукционная закалка
Этот процесс во многом подобен закалке пламенем, за исключением того, что нагрев вызывается высокочастотным электрическим током, проходящим через катушку или индуктор, окружающий деталь. Глубина нагрева зависит от частоты, скорости теплопроводности с поверхности и продолжительности цикла нагрева. Тушение обычно осуществляется водяной струей, подаваемой в нужное время через форсунки внутри или рядом с блоком индуктора или катушкой. Однако в некоторых случаях детали закаливают в масле, погружая их в ванну с маслом после того, как они достигнут температуры закалки.
Заключение
В этой статье описаны основные методы упрочнения поверхности стали. Узнайте больше о свойствах материалов из Справочника по машинному оборудованию, 30-е издание, которое опубликовано и доступно в Industrial Press на Amazon.
Чтобы найти источники поставок услуг по цементации, печей для цементации, покрытий для цементации или компаундов для цементации и отпуска, посетите платформу поиска поставщиков Thomas, где вы можете найти потенциальные источники поставок для более чем 70,000 XNUMX различных категорий продуктов и услуг.
