Что такое закаливаемость и прокаливаемость

Что такое закаливаемость и прокаливаемость

Название работы: Определение прокалываемости стали

Категория: Лабораторная работа

Предметная область: Производство и промышленные технологии

Описание: Ознакомиться с методикой определения прокаливаемости. Выяснить влияние химического состава сталей и размеров деталей на прокаливаемость. Неоднородный аустенит. Нерастворенные частицы (карбиды, оксиды, интерметаллические соединения).

Дата добавления: 2013-01-06

Размер файла: 162.5 KB

Работу скачали: 51 чел.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4.

Определение прокаливаемости стали

Цель работы . Ознакомиться с методикой определения прокаливаемости. Выяснить влияние химического состава сталей и размеров деталей на прокаливаемость.

Прокаливаемостью называется способность стали получать при закалке структуру мартенсита или троостит-мартенсита, а следовательно, и высокую твердость на ту или иную глубину по сечению детали. Толщина закаленного поверхностного слоя зависит как от характера закалочной среды, так и от природы стали.

Необходимо помнить, что при охлаждении стали ниже эвтектоидной температуры ( A c 1 ). ay стенит становится неустойчивым и претерпевает превращения, характер которых зависит от скорости охлаждения. Если действительная скорость охлаждения стали будет превышать верхнюю критическую скорость закалки (рис.1), то сталь получит мартенситную структуру. Более медленное охлаждение, но со скоростью больше нижней критической приводит к образованию троостито — мартенситной структуры, а еще более медленное охлаждение приводит к переходу всего аустенита в феррито — цементитную смесь.

При закалке стального изделия скорость охлаждения по его сечению резко неоднородна и распределяется по сечению так, как показано на рисунке 1. Если действительная скорость охлаждения на некоторой глубине окажется меньше нижней критической, то изделие прокалится только на некоторую глубину. В этом случае в сердцевине произойдет распад аустенита с образованием пластинчатой феррито — карбидной структуры (троостита, сорбита или перлита). За глубину закаленного слоя условно принимают расстояние от поверхности до полумартенситной зоны (50 % мартенсита + 50 % троостита).

Диаметр заготовки, в центре которой после закалки в данной охлаждающей среде образуется полумартенситная структура, называют критическим диаметром. Величина критического диаметра определяет размер сечения изделия, прокаливающегося насквозь, то есть получающего высокую твердость, а после отпуска — и высокие механические свойства по всему сечению. Заготовки, диаметр которых меньше Дк, будут прокаливаться насквозь, а заготовки, диаметр которых больше Дк, насквозь прокаливаться не будут.

Прокаливаемость тем выше, чем меньше критическая скорость закалки, то есть чем выше устойчивость переохлажденного аустенита и чем правее на диаграмме изотермического распада аустенита расположены С — кривые. Поэтому все факторы, уменьшающие величину критической скорости закалки (повышающие устойчивость переохлажденного аустенита) увеличивают прокаливаемость. Основные факторы, влияющие на величину критической скорости закалки:

— Состав аустенита. Все элементы, растворимые в аустените (за исключением кобальта), замедляют превращение, то есть сдвигают С — кривые вправо;

— Нерастворенные частицы (карбиды, оксиды, интерметаллические соединения). Эти частицы ускоряет распад аустенита, так как являются дополнительными центрами перекристаллизации;

— Неоднородный аустенит быстрее превращается в перлит, так как скорость превращения определяется в этом случае менее насыщенной честью твердого раствора, а чем меньше в аустените углерода, тем левее расположены С — кривые;

— Размер зерна аустенита. Увеличение размера зерна замедляет превращение, так как центры перекристаллизации образуются преимущественно по границам зерен, а чем крупнее зерно, тем меньше суммарная протяженность границ.

Действительная скорость охлаждения зависит от того, в каком охладителе производится закалка. Например, масло охлаждает медленнее, чем вода. Следовательно, Дк.м.<Дк.в. Чтобы не ставить прокаливаемость в зависимость от способа охлаждения вводят понятие идеальный критический диаметр. Это диаметр максимального сечения, прокаливающегося насквозь в идеальной жидкости, отнимающей тепло с бесконечно большой скоростью.

Критический диаметр — важная и удобная величина при назначении марки стали на изделие. Если нужно, чтобы изделие при термической обработке прокаливалось насквозь, следует выбрать такую сталь, чтобы Дк<Дизд.

Для определения прокаливаемости применяют следующие методы: по излому, измерение твердости по сечению закаленного бруска, метод торцевой закалки.

По излому прокаливаемость определяется на образце сечением 20 — 20 мм из инструментальной стали с низкой прокаливаемостью. Закаленному слою соответствует фарфоровидная часть излома.

Измерением твердости определяют прокаливаемость на дисках, вырезанных из закаленного бруска длиной не менее четырех диаметров.

Метод торцевой закалки согласно ГОСТ 5657-69 является основным. Прокаливаемость определяют на стандартных образцах. Образец нагревают до температуры закалки стали данной марки. Время прогрева образца до температуры закалки составляет 30 — 50 минут. Выдержка образца при температуре закалки после нагрева — 30 минут. При нагреве торец образца, подлежащий охлаждению водой, должен быть предохранен от окисления и обезуглероживания. Если нагрев производят в печи без контролируемой атмосферы, то образец помещают в стальной цилиндрический стакан с крышкой. Торцом, предназначенным для охлаждения, образец ставят на графитовую пластину или на слой отработанного графита. Время с момента извлечения образца из печи до начала охлаждения не должно превышать 5 секунд. Образец должен находиться под струей воды до полного охлаждения (не менее 10 минут). Температура воды должна быть в пределах от 5 до 25°С. Закалка образца производится в специальной установке, состоящей из держателя образца и сопла. Установка должна соответствовать следующим основным требованиям:

а) образец должен устанавливаться вертикально: торцовой поверхностью над соплом. Оси образца и сопла должны совпадать;

б) диаметр сопла, высота свободной струи воды над соплом и расстояние от струи до торца должны соответствовать значениям, указанным в ГОСТе;

в) высота струи в процессе охлаждения образца должна быть постоянной;

г) вода должна касаться только торца образца, не омывая его цилиндрической поверхности.

Для замера твердости по всей длине закаленного образца сошлифовывают две диаметрально противоположные площадки.

Для построения кривой прокаливаемости стали на сошлифованных площадках производят замер твердости по Роквеллу — HRC ). Замер твердости начинают на расстоянии 1,5 мм от закаленного торца в осевом направлении. Первые 16 замеров от торца образца производят с интервалом 1,5 мм, а затем — через 3 мм. По этим данным строят график зависимости твердости от расстояния до торца (рис. 2). Взяв из таблицы значение твердости полумартенситной зоны, соответствующее содержанию углерода в исследуемой стали, определяют расстояние (рис. 2) до полумартенснтной зоны. Определив это расстояние, можно по номограмме (рис.3,) найти критический диаметр цилиндирической детали (с различным, отношением высоты к диаметру), шара или параллелепипеда для различных условий охлаждения.

В верхней части номограммы(рис. 3) даны две шкалы I и 2, характеризующие расстояние от охлажденного торца образца. Для определения наибольшего диаметра (называемого критическим) детали, прокаливающейся полностью с образованием мартенситной структуры, используют шкалу I , а для определения наибольшего диаметра для полумартенситной зоны (50 % мартенсита и 50 % троостита) — шкалу П. Схема пользования номограммой приведена на рисунке 3. На шкале I или соответственно шкале П находят расстояние от торца до конца мартенситной или полумартенситной зоны, найденное экспериментально для данной стали, Из этой точки опускают перпендикуляр до пересечения с линией по номограммы (точка I на рис.3), указывающей идеальное охлаждение. Из этой точки проводят горизонтальную линию влево до пересечения с линией номограммы (точка 2), соответствующей нужной в искомом случав среде охлаждения (вода, масло, воздух). Затем из точки 2 опускают перпендикуляр на шкалу «размер, мм» (в нижней части номограммы). В точке пересечения читается ответ — наибольший диаметр образца, прокаливающегося полностью в выбранной закалочной жидкости.

Прокаливаемость стали

3. По известным значениям АТ_т, D, содержанию углерода в стали и размеру зерна аустенита определяем верхнюю критическую скорость закалки (номограмма на рис. 164).

С помощью номограммы рис. 164 могут быть решены многие практические задачи металловедения и термической обработки, в частности, можно определить влияние легирующих элементов на верхнюю критическую скорость закалки и критические скорости закалки легированной стали промышленных марок.

Вычисленные результаты можно сравнивать с полученными прямым опытом и, таким образом, решение задачи будет экспериментальным опробованием справедливости полученных количественных выводов.

Влияние ряда легирующих элементов (Мп, Ni, Со, Сг и Si) на критическую скорость закалки изучено. Некоторые результаты этого исследования были использованы в качестве контрольных для сравнения с расчетными данными, полученными с помощью описанного выше метода. Так как результаты экспериментального исследования получены в период, когда не была известна роль действительного размера зерна аустенита, и этих данных нет в работе, то, исходя из температурных условий нагрева при определении критической скорости и высокой чистоты стали, расчет проводился для двух случаев крупного зерна 1-го и 2-го баллов. Результаты расчета по номограммам в сопоставлении с экспериментальными данными приведены в табл. 6.

Данные, приведенные в последних графах таблицы показывают удовлетворительное совпадение результатов расчета и эксперимента.

2. СКОРОСТЬ ОХЛАЖДЕНИЯ ПРИ ЗАКАЛКЕ И ПРОКАЛИВАЕМОСТЬ СТАЛИ

Явление охлаждения тел детально исследовано в ряде работ. Для тел простой геометрической формы температурное поле может быть рассчитано аналитически.

Уравнение температурного поля может быть решено при известном значении коэффициента температуропроводности а и коэффициента теплоотдачи а.

В частном случае закалки стали существенно охлаждение в верхней области температур (900—500°), когда сталь находится в аустенитном состоянии. В результате анализа экспериментальных данных установлено, что теплопроводность и теплоемкость С_р аустенита практически неизменны, независимо от степени легирования. Расчет показал, что коэффициент температуропроводности для аустенита любого состава в интервале 500—900° есть величина приблизительно постоянная и равная 0,044 см 2 /сек.

Это позволяет распространить частные закономерности охлаждения аустенита, экспериментально найденные для углеродистой или любой легированной стали, на общий случай охлаждения различно легированной стали при закалке.

Вторая величина — коэффициент теплоотдачи а — зависит прежде всего от формы и размеров тела, а также от температуры и скорости циркуляции среды, состояния поверхности металла, содержания в охладителе примесей и газов. При условии сохранения постоянства всех этих факторов а при закалке изменяется с понижением температуры охлаждаемого тела. Это можно было бы обойти, если принять для расчета среднее эффективное значение а для данной области температур и, таким образом, использовать коэффициент теплоотдачи для количественной характеристики охлаждающей способности среды.

Однако то обстоятельство, что коэффициент а в очень большой степени зависит, при всех прочих равных условиях, от размера охлаждаемого тела, изменяясь в зависимости от размера в несколько раз, даже при сохранении постоянной формы, приводит к тому, что охлаждающая способность определенной среды не может быть охарактеризована постоянным значением величины коэффициента теплоотдачи а. Таким образом, кривые, построенные для постоянного значения а, не характеризуют охлаждение в определенной среде. Отсюда следует вывод о том, что расчет Гроссмана, Азимова и Урбана, характеризующий каждую охлаждающую среду определенным значением коэффициента принципиально неверен.

Так, для охлаждения в спокойной воде H, по данным Гроссмана, равно 1. Для этого же случая охлаждения Н изменяется от 0,995 до 0,56 и 0,28 1 /см при увеличении диаметра шара от 2,64 до 4,26 и 7,00 см. Поэтому кривые номограмм Гроссмана, построенные для постоянных значений Н, не имеют реального физического смысла, не характеризуют определенную охлаждающую среду и заведомо должны приводить к неверным результатам.

На самом деле отпуск и закалка стальных изделий и проката крайне важны при использовании металла во многих отраслях промышленности и не только. Например, как одиночные виды спорта (бокс, борьба, бодибилдинг и т.д.) так и массовые (футбол, волейбол, хоккей, бейсбол) невозможны без применения металлоизделий, которые должны иметь высокие прочностные характеристики, но при этом быть максимально легкими, что и достигается методами температурной обработки. Таким образом рассматриваемые технологии вносят немалый вклад в отдых людей, которые потом смотрят спортивные состязания и даже делают ставки на футбол, хоккей и другие игры.

В связи с этим был предложен метод расчета скорости охлаждения при закалке и прокаливаемости стали и построена номограмма, показанная на рис. 165. Охлаждающая способность среды принята по данным работ.

Для определения прокаливаемости стали необходимо получить данные о размерах стального тела, в центре которого реальная скорость охлаждения в данных условиях будет равна критической скорости закалки. Таким образом, заданной является критическая скорость закалки. Рассмотрим конкретный пример определения размеров цилиндра из углеродистой эвтектоидной стали с отношением длины к диаметру L : D = 1 после закалки с 780° в воде (20°). Критическая скорость закалки равна 160 град/сек. Закалку проводят с целью получения структуры мартенсита по всему сечению.

Отыскиваем на оси скоростей охлаждения точку, соответствующую скорости 160 град/сек. и проводим от нее горизонтальную линию до пересечения с кривой «вода 20°». От точки пересечения опускаем вертикаль до шкалы: цилиндр L 😀 = 1 и на этой шкале читаем ответ — 18,1 мм. Следовательно, при закалке с 875° в данных условиях прокаливается насквозь стальной цилиндр диаметром и длиной

18 мм. Однако была задана температура закалки, равная 780°. Для введения поправки необходимо использовать правую часть номограммы. В этом случае реальный критический диаметр определяют следующим образом. Горизонтальную линию от деления v_Kp = 160 град/сек проводят до пересечения с вертикальной линией, соответствующей 780° (температура закалки). От точки пересечения следует подняться по кривой до главной оси температур и оттуда по горизонтали дойти до пересечения с кривой «вода 20°». Опустив из точки пересечения перпендикуляр на шкалу «цилиндр L: D = — 1,0», мы читаем ответ: 15,2 мм. Следовательно, стальной цилиндр из углеродистой эвтектоидной стали с отношением L 😀 = 1, закаленный в спокойной воде 20° с 780°, прокалится насквозь в сечении не более 15,2 мм.

Закалим тело той же формы в масле. Для этого необходимо после нахождения точки на главной оси температур получить пересечения горизонтали, идущей от этой точки, с кривыми для масла и затем опуститься по вертикали до той же шкалы: «цилиндр L:D = 1». При этом окажется, что сквозная закалка будет иметь место при, диаметре (равном длине) 3,5—8,0 мм (в зависимости от типа охлаждающего масла).

Иногда необходимо иметь после закалки полумартенситную структуру в сердцевине. В этом случае для расчета размера стальных тел могут быть использованы шкалы: «торцовая проба на прокаливаемость». Размеры цилиндра, прокаливающегося насквозь с получением 50% мартенсита и 50% троостита в сердцевине, определяются следующим образом.

От точки у_кр = 160 град/сек нужно провести горизонталь до пересечения с линией для температуры закалки 780° и подняться по кривой до главной оси температур. От полученной точки провести горизонталь до пересечения с линией идеального охлаждения и подняться по вертикали до шкалы I (мартенсит). В наших условиях расстояние от торца по шкале I равно 5 мм.

Найти по шкале II (50% троостита и 50% мартенсита) точку 5 мм и опустить перпендикуляр до кривой идеального охлаждения. От точки пересечения провести горизонталь до линии «вода 20°» и «масло», откуда опустить вертикаль до шкалы «цилиндр L : D = 1», Закалка в данных условиях приводит к получению полумартенситной структуры в центре цилиндров диаметром 34 мм (в воде) и 10—21 мм (в маслах).

В случае тел другой формы достаточно переместиться по вертикали от найденной точки на шкале «цилиндр L 😀 = 1» к любой другой шкале. Например, если при этом реальный критический диаметр равен 34 мм, то сквозная закалка цилиндра L : D = 0,5 произойдет при диаметре 45 мм (длина 22,5 мм); L : D — 0,25 — диаметр 66 мм (длина 16 мм), L : D = 0,10 — диаметр 130 мм (длина 13 мм)-, шар при этом прокаливается при диаметре 34 мм и т. д.

Автор: Администрация

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

Этапы термообработки стали.

Термообработкой стали называется совокупность этапов нагрева, выдержки и охлаждения твёрдых металлических сплавов. В результате в металле происходят изменения внутреннего строения и структуры, что в свою очередь приводит к получению заданных свойств стали. Твердость металла после термообработки измеряется по шкале Роквелла, подробно описанной в нашей статье «Методы определения твердости».

Процесс термической обработки стали включает в себя нагрев заготовки до требуемой температуры с определенной скоростью, выдержки при этой температуре в течении требуемого времени и охлаждение с заданной скоростью. В рамках этих процессов, можно выделить такие этапы, как: отжиг, нормализация, закалка, отпуск, обработка холодом. При изготовлении ножей из кованной стали термообработка занимает большее количество этапов: ковка, отжиг, шлифовка, повторный отжиг, правка остаточных искривлений, закалка, отпуск. В данной статье мы коснемся общих понятий процесса термообработки стали, выпущенной промышленным методом, когда заготовка клинка вырезается из уже готовой полосы металла.

Отжиг применяется для заготовок из углеродистой и легированной стали с целью снижения твердости или уменьшения внутренних напряжений. Отжиг также готовит структуру к последующей термообработке и улучшению неоднородности. Технологически отжиг представляет из себя медленное охлаждение раскаленной заготовки. Может применятся и так называемый изотермический отжиг при 760 ºС с быстрым охлаждением до 635 ºС, нахождением заготовки при этой температуре в течении 4-6 часов и дальнейшим охлаждением на воздухе.

2. Нормализация

Нормализация отличается от полного отжига способом охлаждения, которой после выдержки заготовки при температуре процесса производится на воздухе. При этом изменяется структура стали, она приобретает более высокую твердость и мелкозернистую структуру, чем при отжиге. Нормализация стали представляет собой нагрев до температур, на 50 °C выше точки завершения превращения избыточного цементита в аустенит. Нагревание ведется до полной перекристаллизации. Охлаждение производится в воздушной среде, чаще всего просто на месте термообработки. В результате сталь приобретает мелкозернистую, однородную структуру. Характеристики твердости и прочности стали после нормализации увеличиваются 10-15 %, чем после отжига. В так называемых заэвтектоидных инструментальных сталях, с содержанием углерода более 0,8% (именно такие стали в основном применяются в ножах), разрушается цементитная сетка, окружающая перлитные зерна. Это снижает хрупкость стали, подготавливает ее к закалке.

3. Закалка стали — это этап термообработки, который заключается в нагреве стали выше критической температуры с последующим резким охлаждением в жидких средах. Критической в данном случае будет температура, при которой произойдет изменение типа кристаллической решетки, то есть осуществится полиморфное превращение. Технологически закалка представляет собой форсированное охлаждение раскаленной стали. Она уменьшает структуру зерна, повышает твердость, прочность, износоустойчивость. Закалка состоит из нагрева стали до температуры выше или в интервале превращений, выдержки при этой температуре и последующего охлаждения обычно с большой скоростью (в водных растворах солей гидроксида натрия или хлорида натрия в воде, масле, в расплавленных солях, на воздухе). В процессе закалки сталь нагревается до высокой температуры порядка 750–1150 °C с последующим резким охлаждением, чтобы произошедшие фазовые превращения не успели вернуться к исходному состоянию.

Закалка делится на несколько видов:

1) Ступенчатая закалка

В некоторых случаях, для небольших заготовок, применяют закалку ступенчатым методом. Изделия нагревают, а затем помещают в щелочной расплав (от 3500 до 4000 С). Заготовку выдерживают определённый период времени, достаточный для выравнивания температуры внутри изделия. Легированные стали охлаждают в масле, нелегированные в воде. Данный способ обеспечивает необходимую твердость, а вероятность появления трещин и напряжений будет резко сокращаться.

2) Изотермическая закалка

Изотермическая закалка проходит в режиме ступенчатой, но при этом металл выдерживается в щелочи до тех пор, пока полностью не освободится от напряжений. После изометрической закалки не требуется проводить отпуск. Метод пригоден для обработки сложных деталей, подверженных деформациям и трещинам.

3) Закалка в одном охладителе

Закалка в одном охладителе применяется при работе с заготовками из углеродистых и легированных сталей. Обычно это достаточно «простые» ножевые стали, не требующие сложной обрабоки.

4) Прерывистая закалка в двух средах

Прерывистая закалка в двух средах применяется для обработки высокоуглеродистых сталей, при котором первоначально происходит быстрое охлаждение в воде, а затем медленное охлаждение в масле.

5) Струйчатая закалка

Струйчатая закалка– метод применяется при частичной (зонной) закалке изделия, реализуется в установках ТВЧ (установка нагрева токами высокой частоты) и индукторах обрызгиванием детали мощной струей воды.

Закалка является критически важным этапом термообработки. При нарушении технологии закалки могут возникнуть следующие дефекты:

1) Недостаточная твердость закаленной детали, в следствии низкой температуры нагрева, малой выдержки при рабочей температуре или недостаточной скорости охлаждения.

2) Перегрев, связаный с нагревом изделия до температуры, значительно превышающей необходимую температуру нагрева под закалку. Перегрев сопровождается образованием крупнозернистой структуры, в результате чего повышается хрупкость стали.

3) Пережог возникает при нагреве стали до весьма высоких температур, близких к температуре плавления (1200—1300° С) в окислительной атмосфере. Кислород проникает внутрь стали, и по границам зерен образуются окислы. После этого сталь приобретает высокую хрупкость и становится не пригодной к использованию под большими нагрузками, в первую очередь поперечными.

4) Окисление и обезуглероживание стали характеризуются образованием окалины (окислов) на поверхности деталей и выгоранием углерода в поверхностных слоях. Такая сталь может стать полностью непригодной к эксплуатации на клинке ножа.

5) На поверхности заготовки могут образовываться коробления и трещины, что бывает связано с возникновением внутренних напряжений. Во время нагрева и охлаждения стали происходят объемные изменения, зависящие от температуры и структурных превращений. Естественно, такие изменения приводят к полной непригодности заготовки.

Таким образом именно нарушения технологии на этапе закалки могут приводить к излишней хрупкости клинка, обычно называемой «перекалом», или же наоборот недостаточная твердость — «недокал». А также к скрытым внутренним напряжениям, из-за которых клинки ломаются под нагрузкой. Для улучшения рабочих качеств стали после закалки применяется так называемый «отпуск».

Отпуском стали называется процесс термообработки предварительно закаленной стали, способствующий повышению равновесия ее структуры. Отпуск применяется после закалки стальных заготовок, при этом повышаются вязкие свойства, уменьшается хрупкость и внутреннее напряжение.

Отпуск производится немедленно после закалки, путем нагрева стали до температуры 150–550 °C (в зависимости от марки стали) и охлаждения в воздушной среде, либо в воде или масле. Высокоуглеродистые стали отпускают в воде, при этом происходит достаточно быстрое охлаждение. Если оно будет замедленным, это может привести к «недокалу», сталь не приобретет необходимых прочностных свойств. Легированные нержавеющие стали отпускают в масле, в котором процесс охлаждения происходит медленней. К таким сталям, в частности, относятся современные порошки S30V, S35VN, Elmax, и т.п. Чаще всего отпуск таких сталей происходит при температурах от 175 до 220 градусов. Использование масла в данном случае обязательно, так как при увеличении скорости охлаждения, легированная сталь может растрескаться и станет не пригодной к использованию. Также большую роль в охлаждении играет и разновидность масла, в частности степень его плотности и текучести. Для некоторых марок высоколегированных сталей вместо масла применяется охлаждение воздушной струей после предварительного нагрева до 1050–1100 °C.

Очень важным фактором качественного отпуска является траектория движения и угол погружения клинка в охлаждающую среду. Нарушение технологии может привести к искривлению клинка. Важную роль здесь играет качественный отжиг, который и необходим для снятия внутренних напряжений, приводящих к искривлениям клинка.

Чаще всего для ножевых изделий используется низкотемпературный отпуск (до 2500 С). Он позволяет добиться повышения прочности и вязкости при сохранении твердости сплава (HRC остается в пределах от 58 до 63).

Для определения температуры при отпуске изделия, используется визуальное наблюдение цветов побежалости. В частности, ослепительно бело-голубой цвет заготовки, соответствует температуре порядка 1600 °С, желто-белый – 1200 °С, ярко-красный – 500 °С и т.п. Цвета побежалости одинаково проявляются и на сырой, и на закаленной стали.

5) Криообработка

Достаточно часто последним этапом термообработки клинков ножей становится криогенная обработка. Криообработка — это процесс обработки металлических заготовок при сверхнизких температурах (ниже −153°С (-243,4 °F)). Она производится в целях снятия остаточных напряжений и повышения износостойкости деталей. Она также способствует увеличению твёрдости, износостойкости, прочности и пластичности металлов. В среднем улучшение этих характеристик происходит в пределах 20 %, но такие показатели относятся в основном к хорошим легированным сталям, в том числе и порошковым быстрорезам. Среди них может быть качественная американская D2, а также ELMAX, VANADIS 10, K340. Специальное оборудование для проведения криогенной обработки называется «криогенный процессор». Он представляет собой низкотемпературную камеру, оснащенную системой управления процессом криогенной обработки. Общий цикл обработки в современных криопроцессорах происходит в течение трех суток: 24 часа происходит промораживание до минимальной температуры, 24 часа идёт выдержка заготовки при этой температуре и 24 часа происходит нагрев до изначальной температуры. В некоторых криопроцессорах существует технологическая возможность для нагнетания температуры до 200 градусов по Цельсию и это дает возможность производить отпуск металла.

Термообработка стали на клинке является одним из важнейших факторов, отвечающих за рабочие качества ножа и его эффективность в работе. Только при максимальной точности технологических процессов возможно получить максимальное качество закаленной стали. В свою очередь качество термической обработки сильно влияет на заточку ножа. Любые проблемы, возникавшие в этом процессе, обязательно проявят себя при заточке и не позволят качественно заточить нож. Только на ножах с отличной «термичкой» мы можем достичь максимального уровня остроты.

Закалка стали

Для придания стали определенных эксплуатационных качеств на протяжении многих десятилетий проводится термообработка. Сегодня, как и несколько столетий назад, закалка стали предусматривает нагрев металла и его последующее охлаждение в определенной среде. Температура нагрева стали под закалку должна быть выбрана в соответствии с составом металла и механическими свойствами, которые нужно получить. Допущенные ошибки при выборе режимов закалки приведут к повышению хрупкости структуры или мягкости поверхностного слоя. Именно поэтому рассмотрим способы закалки стали, особенности применяемых технологий, а также многие другие моменты.

Какой бывает закалка метала?

Для чего нужна закалка стали знали еще древние кузнецы. Правильно выбранная температура закалки стали позволяет изменять основные эксплуатационные характеристики материала, так как происходит преобразование структуры.

Закалка – термообработка стали, которая сегодня проводится для улучшения механических качеств металла. Процесс основан на перестроении атомной решетки за счет воздействия высокой температуры с последующим охлаждением.

Технология закалки стали позволяет придать недорогим сортам металла более высокие эксплуатационные качества. За счет этого снижается стоимость изготавливаемых изделий, повышается прибыльность налаженного производства.

Основные цели, которые преследуются при проведении закалки:

1. Повышение твердости поверхностного слоя.
2. Увеличение показателя прочности.
3. Уменьшение пластичности до требуемого значения, что существенно повышает сопротивление на изгиб.
4. Уменьшение веса изделий при сохранении прочности и твердости

Существуют самые различные методы закалки стали с последующим отпуском, которые существенно отличаются друг от друга. Наиболее важными режимами нагрева можно назвать:

1. Температуру нагрева.
2. Время, требующееся для нагрева.
3. Время выдержки металла при заданной температуре.
4. Скорость охлаждения.

Изменение свойств стали при закалке может проходить в зависимости от всех вышеприведенных показателей, но наиболее значимым называют температуру нагрева. От нее зависит то, как будет происходить перестроение атомной решетки. К примеру, время выдержки при закалке стали выбирается в соответствии с тем, какой прочностью и твердостью должно обладать зубчатое колесо для обеспечения длительной эксплуатации в условиях повышенного износа.

Цвета закалки стали

При рассмотрении того, какие стали подвергаются закалке стоит учитывать, что температура нагрева зависит от уровня содержания углерода и различных примесей. Единицы закалки стали представлены максимальной температурой, а также временем выдержки.

При рассмотрении данного процесса изменения основных эксплуатационных свойств следует учитывать нижеприведенные моменты:

1. Закалка направлена на повышение твердости. Однако с увеличением твердости металл становится и более хрупким.
2. На поверхности может образовываться слой окалины, так как потеря углерода и других примесей у поверхностных слоев больше, чем в середине. Толщина данного слоя учитывается при расчета припуска, максимальных размеров будущих деталей.

Выполняется закалка углеродистой стали с учетом того, с какой скоростью будет проходить охлаждение. При несоблюдении разработанных технологий может возникнуть ситуация, когда перестроенная атомная решетка перейдет в промежуточное состояние. Это существенно ухудшит основные качества материала. К примеру, охлаждение со слишком большой скоростью становится причиной образования трещин и различных дефектов, которые не позволяют использовать заготовку в дальнейшем.

Процесс закалки сталей предусматривает применение камерных печей, которые могут нагревать среду до температуры 800 градусов Цельсия и поддерживать ее на протяжении длительного периода. Это позволяет продлить время закалки стали и повысить качество получаемых заготовок. Некоторые стали под закалку пригодны только при условии нагрева среды до температуры 1300 градусов Цельсия, для чего проводится установка иных печей.

Отдельная технология разрабатывается для случая, когда заготовка имеет тонкие стены и грани. Представлена она поэтапным нагревом.

Полную закалку используют обычно для сталей и деталей, которые не подвержены растрескиванию или короблению.

Зачастую технология поэтапного нагрева предусматривает достижение температуры 500 градусов Цельсия на первом этапе, после чего выдерживается определенный промежуток времени для обеспечения равномерности нагрева и проводится повышение температуры до критического значения. Холодная закалка стали не приводит к перестроению всей атомной сетки, что определяет только несущественное увеличение эксплуатационных характеристик.

Как ранее было отмечено, есть различные виды закалки стали, но всегда нужно обеспечить равномерность нагрева. В ином случае перестроение атомной решетки будет проходить так, что могут появиться серьезные дефекты.

Методы предотвращения образования окалины и критического снижения концентрации углерода

Назначение закалки стали проводится с учетом того, какими качествами должна обладать деталь. Процесс перестроения атомной сетки связан с большими рисками появления различных дефектов, что учитывается на этапе разработки технологического процесса.

Даже наиболее распространенные методы, к примеру, закалка стали в воде, характерно появления окалины или существенного повышения хрупкости структуры при снижении концентрации углерода. В некоторых случаях закалка стали проводится уже после финишной обработки, что не позволяет устранить даже мелкие дефекты. Именно поэтому были разработаны технологии, которые снижают вероятность появления окалины или трещин. Примером можно назвать технологию, когда закалка стали проходит в среде защитного газа. Однако сложные способы закалки стали существенно повышают стоимость проведения процедуры, так как газовая среда достигается при установке печей с высокой степенью герметичности.

Более простая технология, при которой проводится закалка углеродистой стали, предусматривает применение чугунной стружки или отработанного карбюризатора. В данном случае сталь под закалку помещают в емкость, заполненную рассматриваемыми материалами, после чего только проводится нагрев. Температура закалки несущественно корректируется с учетом созданной оболочки из стружки. Технология предусматривает обмазывание емкости снаружи глиной для того, чтобы избежать попадание кислорода, из-за чего начинается процесс окислений.

Температура нагрева стали при термообработке

Как ранее было отмечено, термообработка предусматривает и охлаждение сталей, для чего может использоваться не только водяная, но, к примеру, и соляная ванная. При использовании кислот в качестве охлаждающей жидкости одним из требований является периодическое раскисление сталей. Данный процесс позволяет исключить вероятность снижения показателя концентрации углерода в поверхностном слое. Чтобы провести процесс раскисления используется борная кислота или древесный уголь. Также не стоит забывать о том, что процесс раскисления сталей приводит к появлению пламя на заготовки во время ее опускания в ванную. Поэтому при закалке, закалкой сталей с применением соляных ванн следует соблюдать разработанную технику безопасности.

Рассматривая данные методы термической обработки с последующим охлаждением следует отметить, что они существенно повышают себестоимость заготовки. Однако сегодня охлаждение в воде или закалка при заполнении камеры кислородом не позволяют повысить показатели свойств стали без появления дефектов.

Закалка стали — технологический процесс

Процедура охлаждения

Рассматривая все виды закалки стали стоит учитывать, что не только температура нагрева оказывает сильное воздействие на структуру, но и время выдержки, а также процедура охлаждения. На протяжении многих лет для охлаждения сталей использовали обычную воду, в составе которой нет большого количества примесей. Стоит учитывать, что примеси в воде не позволяют провести полную закалку с соблюдением скорости охлаждения. Оптимальной температурой воды, используемой для охлаждения закалённой детали, считают показатель 30 градусов Цельсия. Однако стоит учитывать, что жидкость подвергается нагреву при опускании раскаленных заготовок. Холодная проточная вода не может использоваться при охлаждении.

Обычно используют воду при охлаждении для получения не ответственных деталей. Это связано с тем, что изменение атомной сетки в данном случае обычно приводят к короблению и появлению трещин. Закаливание с последующим охлаждением в воде проводят в нижеприведенных случаях:

1. При цементировании металла.
2. При поверхностной закалке.
3. При простой форме заготовки.

Детали после финишной обработки подобным образом не охлаждаются.

Для придания нужной твердости заготовкам сложной формы используют охлаждающую жидкость, состоящую из каустической соды, нагреваемой до температуры 60 градусов Цельсия. Стоит учитывать, что закаленное железо при использовании данной охлаждающей жидкости приобретает более светлый оттенок. Специалисты уделяют внимание важности соблюдения техники безопасности, так как могут выделяться токсичные вещества при нагреве рассматриваемых веществ.

Процесс закалки стали

Тонкостенные детали также подвергаются термической обработке. Закалочное воздействие с последующим неправильным охлаждением приведет к тому, что концентрация углерода снизиться до критических значений. Выходом из сложившейся ситуации становится использование минеральных масел в качестве охлаждающей среды. Используют их по причине того, что масло способствует равномерному охлаждению. Однако попадание воды в состав масла становится причиной появления трещин. Поэтому заготовки должны подвергаться охлаждению при использовании масла с соблюдением мер безопасности.

Рассматривая назначение минеральных масел в качестве охлаждающей жидкости следует учитывать и некоторые недостатки этого метода:

1. Соблюдая режимы нагрева можно создать ситуацию, когда раскаленная заготовка контактирует с маслом, что приводит к выделению вредных веществ.
2. В определенном интервале воздействия высокой температуры масло может загореться.
3. Подобный метод охлаждения позволяет выдержать требуемую твердость, измеряемую в определенных единицах, а также избежать появления трещин в структуре, но на поверхности остается налет, удаление которого также создает весьма большое количество проблем.
4. Само масло со временем теряет свои свойства, а его стоимость довольно велика.

Какие именно жидкости используют для охлаждения стали?

Вышеприведенная информация определяет то, что жидкость и режим охлаждения выбираются в зависимости от формы, размеров заготовки, а также того, насколько качественной должна быть поверхность после закалки. Комбинированным методом охлаждения называется процесс применения нескольких охлаждающих жидкостей. Примером можно назвать закалку детали сложной формы, когда сначала охлаждение проходит в воде, а потом масляной ванне. В этом случае учитывается то, до какой температуры на каком этапе охлаждается металл.

Что такое закаливаемость и прокаливаемость

Поверхностная закалка применяется с целью получения высокой твердости в поверхностном слое детали с сохранением вязкой сердцевины.

Основные параметры при закалке — температура нагрева и скорость охлаждения. Температуру нагрева для сталей определяют по диаграммам состояния, скорость охлаждения — по диаграммам изотермического распада аустенита.

Доэвтектоидные стали нагревают до температуры выше критической точки Ас3 на 30-50 °С. Если такие стали нагреть до температуры между критическими точками Ас1 и Ас3 и охладить, то в структуре закаленной стали, кроме мартенсита, будет присутствовать феррит, что существенно ухудшает свойства. Такая закалка называется неполной. Заэвтектоидные стали при закалке нагревают до температуры Ас1+ (40,60 °С). После охлаждения с таких температур получают структуру мартенсита с включением вторичного цементита, который повышает твердость и износостойкость режущего инструмента. Если заэвтектоидную сталь нагреть выше критической точки Аст, то после закалки получится дефектная структура грубоигольчатого мартенсита. Время нагрева зависит от размеров детали и теплопроводности стали, и его обычно определяют экспериментально. Для определения времени нагрева в справочниках приведены также полуэмпирические формулы. В таблице 1 приведены значения скорости охлаждения стали в различных средах.

Продолжительность выдержки при температуре закалки выбирают такой, чтобы полностью произошла гомогенизация образовавшегося аустенита.

Для получения нужной структуры детали охлаждают с различной скоростью, которая зависит от охлаждающей среды, формы изделия и теплопроводности стали. Режим охлаждения при закалке должен исключать по возможности возникновение больших остаточных закалочных напряжений, но в то же время он должен обеспечить необходимую глубину закаленного слоя. Охлаждающую способность различных сред (табл. 1) оценивают скоростью охлаждения в области температур наименьшей устойчивости переохлажденного аустенита (650-550 °С) и в области мартенситного превращения (300-200 °С). В последнем интервале желательно замедленное охлаждение, так как в этом случае уменьшаются и термические, и структурные напряжения. Выбирая охлаждающие среды, следует учитывать закаливаемость и прокаливаемость данной стали.

Закаливаемость — способность стали принимать закалку, т.е. приобретать при закалке детали высокую твердость. Закаливаемость определяется содержанием углерода в стали. Низкоуглеродистые стали (до 0,20% С) практически не закаливаются, так как при закалке их твердость не повышается. Под прокаливаемостью понимают глубину прокаливания закаленной зоны. За глубину прокаленной зоны принято считать расстояние от поверхности до слоя, где в структуре будут примерно одинаковые объемы мартенсита и троостита. Чем медленнее происходит превращение аустенита в перлит, т.е. чем больше устойчивость переохлажденного аустенита, чем меньше критическая скорость закалки, тем больше прокаливаемость.

На рис. 1 приведены схемы, показывающие изменение скорости охлаждения по сечению изделия. Укрупнение зерен аустенита при нагреве под закалку также способствует увеличению прокаливаемости. Факторы, которые уменьшают устойчивость переохлажденного аустенита (нерастворимые частицы, неоднородность аустенита и др.), уменьшают прокаливаемость. Характеристикой прокаливаемости является критический диаметр —максимальное сечение, прокаливающееся в данном охладителе на глубину, равную радиусу изделия.
В этом случае и на поверхности изделия, и в его центре скорость охлаждения больше критической (рис. 2). Изделия, имеющие размеры меньше критического диаметра, прокаливаются в данном охладителе насквозь. Зная критический диаметр, можно правильно выбрать сталь для деталей определенных размеров и назначения. Прокаливаемость каждой стали определяют экспериментально. Наиболее простой способ — стандартный метод торцовой закалки. Прокаливаемость углеродистых сталей находится в прямой зависимости от содержания углерода.

Различные способы термической обработки; V1 — изотермический отжиг; V2 — нормализация; Vкр — критическая скорость охлаждения; V3 — закалка в одной среде; V4 — закалка в двух средах; V5 — ступенчатая закалка; V6 — изотермическая закалка; V7 — неполная закалка.

Для сталей с 0,8 % С это примерно 5-6 мм. Легирующие элементы, увеличивая устойчивость переохлажденного аустенита, уменьшают критическую скорость Vкр закалки (исключение составляет кобальт). Поэтому некоторые легированные стали в результате охлаждения на воздухе приобретают структуру мартенсита. С уменьшением Vкр снижаются внутренние напряжения и вероятность появления брака. Однако понижение температуры мартенситного превращения способствует увеличению количества остаточного аустенита в стали после закалки.

С введением в сталь легирующих элементов закаливаемость и прокаливаемость возрастают. Особенно сильно увеличивают прокаливаемость молибден и бор (кобальт и в этом случае действует противоположно). Карбидообразующие элементы повышают прокаливаемость только в том случае, если они при нагреве растворились в аустените. В противном случае указанные элементы являются центрами распада аустенита и прокаливаемость будет даже ухудшаться. Температура нагрева легированных сталей под закалку по сравнению с углеродистыми сталями выше. Это объясняется, во-первых, тем, что большинство легирующих элементов повышает температуру критических точек Аc1 и Ac3. Во-вторых, диффузионные процессы в легированных сталях протекают значительно медленнее, так как легирующие элементы образуют твердые растворы замещения, а углерод — внедрения.

Поэтому температуру закалки обычно выбирают на 50-60 °С выше точки Ас3 этих сталей и увеличивают продолжительность выдержки при температуре закалки. Такой нагрев способствует также диссоциации карбидов и лучшей растворимости легирующих элементов в аустените. В результате закалки легированных сталей получают структуру легированного мартенсита, который содержит не только углерод, но и легирующие элементы. Это оказывает существенное влияние на превращения, протекающие при отпуске. Нагрев легированных сталей при закалке до более высоких температур не приводит к росту зерна, так как все легирующие элементы (кроме марганца и бора) уменьшают склонность к росту зерна. Элементы, образующие слабо диссоциирующие при нагреве карбиды, способствуют измельчению зерна аустенита.

Легированные стали обладают пониженной теплопроводностью, поэтому для уменьшения перепада температуры по сечению их следует нагревать медленно. Это уменьшает внутренние напряжения, которые могут вызвать коробление или образование трещин при нагреве. Вследствие низкой теплопроводности увеличивается и продолжительность выдержки при заданной температуре.