Типы и способы закалки
Закалка – это способ термической обработки металла, который заключается в его нагреве выше критической точки с последующим охлаждением.
Материал, который подвергается закалке приобретает большую твердость, но при этом становится более хрупким, менее пластичным и менее вязким. Чтобы снизить хрупкость и увеличить пластичность после закалки с полиморфным превращением используется отпуск. В случае закалки без полиморфного превращения применяется старение. В таких изделиях, как японские катаны, закалке подвергается только режущая кромка меча. Закаленными слоями считаются только те, в которых содержится минимум 50 % мартенсита.
Типы закалки классифицируются по двум признакам:
- По полиморфному превращению. Согласно данному признаку закалка может быть с полиморфным превращением (сталь) и без полиморфного превращения (цветные металлы).
- По температуре нагрева. Согласно данному признаку закалка может быть полная и неполная. При полном нагреве материал нагревается на 30 - 50 градусов выше, чем линия GS эвтектоидной и доэвтектоидной стали, заэвтектоидная линия PSK в данном случае сталь приобретает структуру чистого аустенита и структуру аустенит + цементит. При неполной закалке нагрев осуществляется выше линии PSK, что способствует образованию избыточных фаз по окончании закалки. Такой вид закалки используется, как правило, для инструментальных сталей.
Существуют следующие способы закалки:
- Индукционная закалка - закалка токами высокой частоты.
- Закалка в одном охладителе, которая подразумевает погружение нагретой до определенной температуры деталь в закалочную жидкость, где она остается до полного охлаждения.
- Лазерная закалка. Данный вид закалки основан на локальном нагреве участка поверхности под действием излучения и ее последующим охлаждением со сверхкритической скоростью.
- Прерывистая закалка в двух средах, которая используется при закалке высокоуглеродистых сталей. Деталь сначала охлаждается в быстро охлаждающей среде, а затем в медленно охлаждающей.
- Изотермическая закалка, при которой сталь выдерживается в закалочной среде столько времени, сколько необходимо для изотермического превращения аустенита.
- Струйчатая закалка. Данный вид закалки заключается в обрызгивании детали струей воды.
- Ступенчатая закалка, при которой деталь охлаждается в среде, температура которой выше мартенситной точки.
В результате неправильной закалки может возникать ряд дефектов. Самыми распространенными дефектами, которые возникают в результате закалки, являются: пережог (образование окислов), перегрев (образование крупнозернистой структуры, что увеличивает хрупкость стали), недостаточная твердость, обезуглероживание и окисление, коробление и появление трещин.
Прокаливаемость и закаливаемость стали
Закаливаемость стали – это способность стали увеличивать твердость при закалке.
Закаливаемость стали измеряется в единицах твердости и характеризует твердость правильно закаленной стали. Чем больше в стали содержится углерода, тем выше искажения решетки мартенсита и выше твердость. Легирующие составляющие стали практически никак не влияют ее закаливаемость.
Прокаливаемость стали представляет собой ее способность получать закаленный слой определенной глубины. Скорость охлаждения снижается от поверхности детали к ее центру, поэтому в случае большой толщины детали может оказаться, что в ее сердцевине скорость охлаждения меньше критической, как показано на рисунке ниже. В данном случае на мартенсит закалится только поверхностный слой, а сердцевина останется незакаленной и будет обладать мягкой ферритно-перлитной структурой.
Рисунок 1. Температура закалки. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Прокаливаемость является расстоянием от поверхности до того места, где в структуре присутствуют 50 % мартенсита и 50 % троостита. Твердость зоны троостита (полумартенситная зона) зависит от содержания в стали углерода (рисунок ниже).
Рисунок 2. Прокаливаемость. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Критический диаметр – это максимальный диаметр прутка в виде цилиндра, который прокаливается насквозь в определенной охлаждающей среде.
Прокаливаемость стали выражается в миллиметрах и зависит от состава стали - величина критической скорости закалки. Если увеличивается содержание углерода и легирующих элементов в стали, то критическая скорость закалки уменьшается, глубина прокаливаемости становится больше. Чем выше прокаливаемость стали, тем выше ее качество. При охлаждении в воде углеродистая сталь имеет максимальный критический диаметр около 10-15 миллиметров. Прокаливаемость зависит от содержания в стали легирующих элементов, которые затрудняют диффузионный распад аустенита, что способствует уменьшению критической скорости охлаждения в процессе закалки.
Прокаливаемость и закаливаемость сталей определяются опытным путем. Чтобы определить прокаливаемость используют метод торцевой закалки. Стандартный цилиндрический образец из стали сначала подвергается нагреву в печи, а затем переносится в специальную установку, в которой образец охлаждается струей воды под напором с торца. После полного охлаждения производится замер твердости от торца и строится кривая прокаливаемости. Величина прокаливаемости определяется по расстоянию торца до полумартенситной зоны (как показано на рисунке ниже), твердость которой заранее известна по экспериментальным данным и определяется, как правило, содержанием углерода.
Рисунок 3. Прокаливаемость. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Критический диаметр образцов простой формы, например, шара, параллелепипеда, цилиндра, может быть определен при помощи специальной номограммы, которая представлена на рисунке ниже.
Рисунок 4. Номограмма. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
В данном случае исходная физическая характеристика - расстояние до полумартенситной зоны, которая получается в результате торцевой закалки. Оно откладывается по шкале вверху нанограммы. После этого от данной точки опускается перпендикуляр до линии идеального охлаждения, потом из нее проводится горизонтальная линия до пересечения с линией охлаждения на воздухе, в масле или в воде. Из полученных в результате этого точек опускаются перпендикуляры до шкал тел определенной формы, которые располагаются внизу номограммы.
Закаливаемости и прокаливаемости стали уделяется большое внимание при производстве различных марок стали. Высокий уровень данных характеристик значительной увеличивает надежность, устойчивость, износостойкость стальных элементов различных конструкций и деталей высокотехнологичного оборудования, что существенно увеличивается их максимальный срок эксплуатации.
