Влияние температуры закалки на структуру и свойства стали

Закалка доэвтектоидных и заэвтектоидкых сталей

До сих пор, говоря о закалке, мы имели в виду эвтектоидную сталь, содержащую 0,8-0,9% С, причем неоднократно замечали, что углерод оказывает существенное влияние на результаты. Рассмотрим теперь, как сказывается влияние углерода на закалку в сталях доэвтектоидного и заэвтектоидного состава.

Прежде всего в этих сталях, по сравнению с эвтектоидной, должно сказываться их положение по диаграмме состояний: наличие вторых превращений, кроме эвтектоидного, в точках А3 и Аст.

В связи с этим в доэвтектоидных и заэвтектоидных сталях может быть закалка двоякого вида: полная и неполная.

Полной закалкой называют такую, которая производится, исходя из состояния сплошного аустенита, когда нагрев стали для закалки осуществляется выше верхних критических точек.

Если же нагреть сталь ниже указанных точек, но выше точки Aclt то будем находиться в области, где, кроме аустенита, находятся избыточные фазы — феррит (Ф) или цементит (Ц).

Очевидно, при закалке, т. е. последующем быстром охлаждении, аустенитные участки переохладятся и перейдут в соответствующие закаленные участки, а Ф и Ц останутся неизмененными (равновесными) участками. Такая закалка называется неполной. Присутствие равновесных избыточных фаз, наряду с закаленными участками, должно изменять результаты закалки. Поэтому для выяснения влияния углерода на закалку сперва будем исходить из полной закалки стали.

Читать также: Золото в радиодеталях список

Сравнивая результаты полной закалки сталей с различным содержанием углерода, можно установить, что процесс распадения аустенита и образования соответствующих переходных состояний (мартенсита, троостита и сорбита) идет аналогично эвтектоидной стали, но в зависимости от содержания углерода наблюдаются следующие отклонения.

Относительно кривых изотермического распадения установлено, что изменения содержания углерода как в доэвтектоидную сторону, так и в заэвтектоидную смещают С-образные кривые влево (ближе к начальной ординате), по сравнению с кривыми эвтектоидной стали .

Это значит, что эвтектоидная сталь наиболее устойчива, а уменьшение и увеличение содержания углерода против 0,83% вызывает ускорение как начала распадения переохлажденного аустенита, так и завершения превращения.

Что же касается температурных пределов расположения минимума устойчивости (перегиба на С-образных кривых в верхней части), то существенного отличия от эвтектоидной стали здесь не наблюдается, и ход С-образных кривых в общем у всех аналогичен. Различие в виде кривых изотермического превращения между эвтектоидной и внеэвтектоидными сталями сказывается еще и в том, что, кроме кривой перлитного превращения, в них присутствует еще ветвь, отвечающая верхним превращениям: выделению избыточного феррита (в точках Агъ) или цементита (Arcm).

Приведены кривые изотермического превращения доэвтектоидной стали и здесь видна ветвь, соответствующая точкам выделения избыточного феррита Лг3; эти точки по мере ускорения охлаждения получаются все ниже-ближе к точкам Агх — до совпадения с последними близ С-образной кривой. Это значит, что при больших скоростях закалки (близких к критической и выше) оба превращения сливаются в одно и дают закаленные структуры без присутствия избыточных фаз.

Различие в связи с содержанием углерода особенно сказывается в нижней части диаграммы, на положении горизонтали точки М, определяющей начало образования мартенсита (и ограничивающей распространение С-образных кривых). Выше было замечено, что как верхняя, так и нижняя границы области мартенситного превращения зависят от состава стали и, особенно, от содержания углерода. Приведены кривые зависимости точек начала (М) и конца (Мк) 1 мартенситного превращения от содержания углерода в стали; здесь видно, что углерод резко понижает эти точки, причем

Из этих же кривых видно, что для малоуглеродистых, весьма мягких сталей точки мартенситного превращения расположены так высоко, что если мартенсит и образуется в них на момент, то остаться таковым не может и должен перейти в более устойчивые стадии распадения. Поэтому закалка таких сталей на мартенсит практически неосуществима.

Кроме углерода, на положение мартенситных точек оказывают существенное влияние и прочие легирующие примеси, о чем подробнее сказано.

Доэвтектоидная сталь

При закалке, как правило, стремятся получить структуру мартенсита, которая обеспечивает максимальную твердость стали. Структуру сорбита или троостита более целесообразно получать путем отпуска закаленной стали. Закалка является наиболее сложным видом термической обработки, так как она протекает при очень больших скоростях охлаждения, что связано с образованием значительных внутренних напряжений в металле.

Поэтому даже небольшие отклонения от установленных режимов обработки приводят к браку в изделии. Существенное влияние на результаты закалки оказывают температура нагрева и скорость охлаждения изделия. Температура нагрева стали при закалке. При закалке стали режим нагрева имеет решающее значение. Чтобы закалить сталь, необходимо нагреть ее до определенной температуры. Так, например; если углеродистую сталь при закалке нагреть ниже критической температуры Aci, то твердость ее по сравнению с исходным состоянием мало изменится, и в структуре такой стали мартенсита не будет. Это объясняется тем, что сталь была недостаточно нагрета. Структуру мартенсита можно получить только в результате превращения аустенита. В рассмотренной выше стали при нагреве не был получен аустенит, поэтому при охлаждении и не произошло образования мартенсита.

Следовательно, чтобы закалить сталь, она должна быть нагрета выше критической температуры Ась Температура нагрева стали при закалке определяется прежде всего содержанием в ней углерода. Доэвтектоидные стали при закалке нагревают до температуры на 40 — 50° выше критической температуры Асз-При таком нагреве сталь получит структуру аустенита, который при последующем быстром охлаждении превратится в мартенсит.

Такая закалка называется полной закалкой. Заэвтектоидные стали при закалке нагревают до температуры на 40 — 50° выше критической температуры Aci, т. е. до 760 — 780°. При этой температуре структура стали будет состоять из аустенита и цементита. В результате быстрого охлаждения стали аустенит перейдет в мартенсит, а цементит сохранится в структуре закаленной стали, так как он не претерпевает превращений при охлаждении.

Следовательно, после закалки сталь будет иметь структуру мартенсита и цементита. Такая закалка называется неполной. Почему же неполная закалка рекомендуется для заэвтектоидной стали и недопустима для доэвтектоидной? Если доэвтектоидную сталь подвергнуть неполной закалке, т. е. нагреть выше температуры Aci но ниже Асз, то в ее структуре наряду с аустенитом будет и феррит. После закалки структура такой стали будет состоять из мартенсита и мягкого феррита. Наличие в закаленной стали феррита понижает не только ее твердость и прочность, но и пластические свойства. Заэвтектоидная сталь после неполной закалки имеет в своей структуре твердый цементит, который не только не снижает твердость, а, наоборот, даже улучшает износостойкость стали. Полная же закалка заэвтектоидной стали, т. е. нагрев ее до температуры выше Аст опасна и не нужна.

Твердость стали при этом не увеличивается, но зато создаются благоприятные условия для перегрева, образования закалочных трещин и обезуглероживания стали. Нагрев изделий при закалке может производиться в тех же печах, что и при отжиге. Мелкие детали могут нагреваться в соляных ваннах.

Время выдержки стальных изделий при температуре закалки должно быть достаточным для того, чтобы обеспечить образование однородного аустенита по всему сечению изделия. Чем больше толщина и вес изделия, тем продолжительнее должна быть выдержка. Однако чрезмерно большая выдержка может привести к росту зерен аустенита. Для изделий из углеродистой стали выдержка при температуре закалки устанавливается примерно в следующих пределах: при толщине 25 — 50 мм — 30 мин., 50 — 75 мм — 45 мин., 75-100 мм — 60 мин.

1. Поверхностная закалка

Поверхностная закалка является одним из способов увеличения твердости поверхностных слоев изделия. Одновременно повышаются сопротивление истиранию, предел выносливости и т. п. Общим Для всех способов поверхностной закалки является нагрев поверхностного слоя детали до температуры закалки с последующим быстрым охлаждением. Эти способы различаются методами нагрева изделий. Толщина закаленного слоя при поверхностной закалке определяется глубиной нагрева, прокаливаемость играет второстепенную роль или вообще не имеет значения.

Закалка токами высокой частоты

(закалка ТВЧ). Использование ТВЧ для нагрева металлов впервые предложил В. П. Вологдин в 1923 г. Закалку стали с нагревом ТВЧ начали применять с 1935 г. Теоретические основы термической обработки с нагревом ТВЧ были разработаны в последующие годы И. Н. Кидиным, Н. В. Гевелингом, М. Г. Лозинским. Чем больше частота тока, тем тоньше получается закаленный слой. Обычно в практике применяют машинные генераторы с частотой 500-15 000 Гц и ламповые генераторы с частотой более 106 Гц (глубина закалки при таких частотах получается до 2 мм). Индукторы изготавливают из медных трубок, внутри которых непрерывно циркулирует вода, благодаря чему они сами не нагреваются. Форма индукторов соответствует внешней форме изделия, при этом необходимо соблюдать постоянное расстояние между индуктором и поверхностью изделия. Каждая установка имеет комплект индукторов. Нагрев детали ТВЧ происходит за 3-5 с. После нагрева в индукторе деталь быстро перемещается в специальное охлаждающее устройство — спрейр, через отверстия которого на нагретую поверхность разбрызгивается закалочная жидкость (иногда нагретые детали сбрасываются в закалочные баки). Высокая скорость нагрева смещает фазовые превращения в область более высоких температур. Кроме того, вследствие непродолжительных выдержек диффузия углерода не успевает произойти и в образовавшемся аустените наблюдается неоднородность его распределения. Чтобы ускорить диффузионные процессы, повышают температуру нагрева. Поэтому температура закалки при нагреве ТВЧ для одной и той же стали должна быть выше, чем при обычном нагреве. При правильном режиме получается мелкоигольчатый или бесструктурный мартенсит, имеющий меньшую хрупкость и повышенную прочность. Твердость повышается на 2-3 единицы по сравнению с обычной закалкой, а также повышаются износостойкость и предел выносливости, который может увеличиться в 1,5-2 раза. Поскольку при нагреве ТВЧ сердцевина изделия нагревается ниже Ас1, перед закалкой для улучшения свойств его подвергают нормализации. Наиболее целесообразно использовать этот метод для нагрева изделий из углеродистых сталей, содержащих более 0,40% С. Для легированных сталей нагрев ТВЧ, как правило, редко применяют, так как одно из их преимуществ — глубокая прокаливаемость легированных сталей — при таком методе не используется.

Преимущества метода ТВЧ

— высокая производительность, отсутствие обезуглероживания и окисления поверхности детали, возможность регулирования и контроля режима термической обработки, а также полной автоматизации всего процесса. Закалочные агрегаты можно устанавливать непосредственно в поточной линии механического цеха. Поэтому закалку ТВЧ применяют для деталей массового производства (пальцы, валики, шестерни и др.). Чтобы избежать возможного хрупкого разрушения зубьев шестерен, их изготавливают из специальных углеродистых сталей пониженной прокаливаемости 55ПП (0,55% С), содержащих меньше марганца (<=0,2%) и кремния (0,1 — 0,3%). При нагреве зубья шестерен нагреваются насквозь, но закаливается только поверхностный слой толщиной 1-2мм. Нагрев ТВЧ позволяет проводить закалку отдельных участков деталей — шейки коленчатых валов, кулачков распределительных валов, головки рельс и т. д. Недостатком является высокая стоимость индукционных установок и индукторов (для каждой детали своя индуктор), поэтому этот метод экономически целесообразно использовать только при массовом производстве однотипных деталей простой формы.

Пламенную поверхностную закалку

применяют главным образом для закалки изделий с большой поверхностью, при индивидуальном производстве и ремонте, иногда для закалки стальных и чугунных прокатных валков. Нагрев изделий осуществляется пламенем газовых или кислородно-ацетиленовых горелок. При нагреве изделий с большой поверхностью горелки с охлаждающим устройством перемещаются вдоль изделия или изделие движется, а нагревательное устройство неподвижно. Толщина закаленного слоя при этом способе нагрева получается равной 2-4 мм. К недостаткам метода следует отнести сложность регулирования температуры нагрева, а отсюда возможность сильного перегрева.

Нагрев изделий перед закалкой в расплавленных металлах или солях также

является одним из способов поверхностной закалки. Этот способ применяют при закалке мелких деталей простой геометрической формы, изготовляемых в небольших количествах.

Дефекты закалки. Коробление, закалочные трещины, изменение формы изделия

— эти дефекты являются следствием возникновения внутренних напряжений I рода. Один из способов уменьшения образования этих дефектов — медленное охлаждение деталей в области температур мартенситного превращения.

Неполная закалка

— после закалки получается недостаточная твердость. Этот дефект образуется либо в результате недогрева перед закалкой (например, при нагреве доэвтектоидной стали ниже Ас3), либо в результате охлаждения со скоростью, меньшей критической (см. рис. 124, скорость v7). Этот дефект устраняется повторной закалкой с правильным режимом.

Перегрев

— закалка с завышенной температуры. В результате получается крупноигольчатый мартенсит, изделия обладают повышенной хрупкостью.
Мягкие пятна на поверхности детали
(т. е. участки с пониженной твердостью) — результат образования при закалке на поверхности детали паровой рубашки, уменьшающей скорость охлаждения. Дефект исправляется повторной закалкой.

Окисление и обезуглероживание поверхности изделия

— этот дефект возникает в результате взаимодействия печной атмосферы с поверхностными слоями детали при нагреве. Устраняется в результате проведения правильного режима термической обработки либо нагревом, проведенным в нейтральных атмосферах (азоте, аргоне и т. д.).

1. Виды неразъемных соединений

Неразъемные называются такие соединения, которые могут быть разнообразны лишь путем разрушения или недопустимых остаточных деформаций одного из элементов конструкции. К ним относят сварные, заклепочные, паяные, клеевые соединения.

1. Сварные соединения

Сварным соединением называется совокупность изделий, соединенных с помощью сварки.

Сварка – процесс получения неразъемного соединения деталей путем направления металла, образующего в местах соединения сварной шов. Сварным швом называется шов, затвердевший после расплавления материала. Наибольшее распространение получили газовая, дуговая и контактная сварки.

Обозначение стандартизованных способов сварки
Гост

Различают лицевую и оборотную стороны. За лицевую в одностороннем шве принимать сторону, с которой производится сварка; в двухстороннем шве с несимметричным скосом – сторону, с которой производится сварка основного шва; в двухстороннем шве с симметричным скосом – любую сторону.

В зависимости от взаимного положения сварных деталей различают следующие виды сварных соединений:

стыковые (С) – свариваемые детали соединяются по своим торцевым поверхностям; угловые (У) – свариваемые детали расположены под углом и соединяются по кромкам; тавровые (Т) – торец одной детали соединяется с боковой поверхностью другой; нахлесточные (Н)– боковые поверхности соединяемых деталей частично перекрывают друг друга.

По своей протяженности сварные швы могут быть:

• непрерывные по замкнутому контуру;
• по незамкнутому контуру;
• прерывистыми.

Прерывистые швы имеют равные по длине проваренные участки с равными промежутками между ними.

При двухсторонней сварке, если заваренные участки расположены друг против друга, такой шов называется цепным, если участки чередуются, то шов называется шахматным.

Структура обозначения стандартных швов следующая:

1. вспомогательные знаки (О – шов по замкнутой линии, ?–монтажный шов);
2. номер стандарта;
3. стандартное буквенно–цифровое обозначение шва;
4. стандартное условное обозначение способа сварки;
5. вспомогательный знак ?–треугольник размер катета шва;
6. размер шва в мм.;
7. вспомогательные знаки (таб);
8. обозначение шероховатости поверхности шва;
9. указание о контроле шва.

Швы сварных соединений могут выполнятся усиленными.

Усиление (выпуклость) шва определяется величиной q.

Некоторые типы швов характеризуются величиной К, называемой катетом шва. Знак ?, проставляемый перед размером катета.

Примеры условных обозначений сварных швов