Термична обработка на стоманите. Закаляване

На термична обработка се подлагат оформени вече машинни части или полуфабрикати с цел да се измени тяхната структура и свойства в желано направление, като естествено се запази формата им. Наблюдават се няколко вида термообработване: закаляване, отвръщане, отгряване, нормализация. Провеждат се чрез нагряване до различни температури, задържане на температурите и охлаждане с различна скорост. Горната граница на загряване на термообработката както на стоманата, така и на другите сплави е солидус-линията, за да бъдат нагрявани областите, които не съдържат стопилка L. И понеже става дума за стомана, разглежданията в желязо-въглеродната диаграма се ограничават до нейния долен ляв ъгъл, наречен „стоманен ъгъл”.

При разглеждане на диаграмата на железовъглеродните сплави се установява, че аустенитът е устойчив нас линията GSE. При температури, по ниски от линията GS се отделя ферит, а под линията ES – вторичен циментит. При температура 723°C останалият аустенит се превръща в перлит. Тези превръщания на стоманата се получават само при бавно охлаждане. При увеличени скорости на охлаждане се получават различни неравновесни структури на стоманата: перлитна, сорбитна, трооститна и мартензитна.

ЗАКАЛЯВАНЕ

Специфично за този термичен процес е нагряване на стоманата до определена температура в аустентитната област, задържане на тази температура до извършване на фазови промени и бързо охлаждане с цел фиксиране на високо температурна структура. Целта на закаляването е преустройването на мекия и пластичен аустенит в нова по-твърда структура – мартензит.

Стомани с въглеродно съдържание под 0,3% не се подлагат на закаляване, защото това няма да доведе до значително увеличаване на механичните свойства.

Практика на закаляването

За да се закали една стомана, трябва най-напред да се загрее до определена (присъща и) температура с опеределена (икономична) скорост, а след това да се охлади с надкритична скорост. Бързото загряване съкращава общото време на провеждане на термообработка, което е свързано с икономии както на съоръжения, така и на енергия (електрическа енергия или гориво). Скоростта на загряването трябва да е съобразена с топлопроводимостта на загреваемия предмет. Не бива да се получава голяма разлика между температурата на повърхността и сърцевата част, както и прегряване на предмета. Важно е да се постигне загряването на цялото тяло, а не само на повърхността му. Понякога се налага цялостното загряване на предмет в по-студена пещ да бъде последвано от преместване на предмета в друга пещ с по-висока температура. Нагряването на стоманата се извършва в пещи, солни вани или в разтопено олово.

Температурата на загряване за закаляване зависи от въглеродното съдържание на стоманата. Ако загреем една подевтектоидна стомана до температура между линиите GSP нейната структура ще бъде аустенит+ферит. След закаляване ще получим структура мартензит+ферит.

Ако обаче нагряването се извърши над линията GS след закаляване ще се получи чист мартензит, към което се стремим, тъй като феритът е мек.

При надевтектоидната стомана нещата стоят по друг начин. При нагряване под линията SE се получава аустенит+вторичен цементит, а след закаляване – мартензит+вторичен циментит. Над линията при нагряване се достига до аустентитната област и след закаляването се наблюдава чист мартензит, но не и по голяма твърдост, по простата причина, че циментитът е по твърд от мартензита. От друга страна, ако се извърши закаляване на надевтектоидна стомана от температура лежаща над SE, опасността от получаване на дефекти вследствие на вътрешни напрежения е по голяма. Температурите, при които трябва да се загряват за закаляване различно богати на С въглеродни стомани, трябва да лежат с оглед на добро загряване на цялото сечение на предмета и цялостно фазово превръщане от 30 до около 50°С над линиите GSK.

При по-високи температури се наблюдава нарастване на кристалите на аустенита и в следствие на това по-груб мартензит. Лоши резултати се получават и при продължително нагряване, макар и до невисоки температури.

След нагряването на стоманата както вече беше споменато е нужно определено време, докато бъде извършено цялостно фазово превръщане и хомогенизиране в аустенита.

Идва ред и на охлаждането. Както вече знаем при бавно охлаждане се получава перлит. Интересни тук са резултатите при увеличаване скоростта на охлаждане на загрятата стомана.

При повишаване на скоростта аустенитът се превръща в сорбит при температура 600-650°С. Сорбитът сам по себе си представлява фин перлит, а твърдостта на перлита расте с увеличаване на финността му. При още по-бързо охлаждане при температура от около 550°С се наблюдава разпадането му до троостит – още по-фин перлит, респективно по-твърд. От тази разлика в структурното състочние следват различни свойства. Например твърдостта по Роквел (HRC) на перлита е 20, на сорбита – 30, а на троостита – 40. Въпреки това рязка граница между гореспоменатите структури няма. Колкото по голяма е скоростта на охлаждане, толкова по голяма е степента на преохлаждане на стоманата.

Когато охлаждането се извърши много бързо, разтвореният в аустенита въглерод не успява да се отдели. Настъпва бездифузионна промяна на аустенита в α-Fe, като цялото количество въглерод остава в него. Така се получава преситен α-твърд разтвор – мартензит. Останалите въглеродни атоми деформират кристалната решетка и тя се превръща от кубична в тетрагонална.

На тази диаграма са изобразени началните и крайните температури на превръщане в зависимост от количеството С.

Мартензитното превръщане протича в температурен интервал, заключен между линиите Мн и Мк. Те не зависят от скоростта на охлаждането, а само от състава на стоманата.

Минималната скорост, с която трябва да се охлади загрятата до аустентитната област стомана, за да се закали на мартензит се нарича критична скорост.

Възможни охлаждащи среди са: вода, разтвори на соли (остри охладители), минерални масла (меки охладители). Може да се извърши в един или в два охладителя чрез последователно прехвърляне, например от вода в масло. По-бавното охлаждане може да намали вътрешните напрежения и деформации, които се получават в резултат на неедновременното понижаване на температурите и протичането на фазовите превръщания в различните части на един предмет.

НАЧИНИ НА ЗАКАЛЯВАНЕ

Повърхностно закаляване – при него повърхностният слой на предмета се загрява бързо и след това се охлажда бързо като по този начин сърцевата част на предмета остава студена и незакалена. Дебелината на закаления слой се определя от дълбочината, на която при бързото загряване е проникнало перлит-аустенитното превръщане.

Автогенно закаляване – повърхността се загрява бързо с помощта на автогенна горелка и се охлажда с водна струя. Закаляват се само пластове, чиято температура при бързото загряване е превишила критичната точка. По дълбоките слоеве остават незакалени.

Индукционно закаляване – топлината се образува в самия закаляем пласт на предмета. Там се възбуждат токове на Фуко, тъй като закаляващата част се поставя в променливо електромагнитно поле, създадено около специален индуктор, по който тече ток с висока честота.

Степенно закаляване – детайлите се поставят в солна вана с температура малко над точката Мн от С-диаграмата на съответната стомана. Задържат се определено време, без да се пресича С-кривата след което се охлаждат на въздух. Мартензитното превръщане протича едновременно в целия обем и при възможно най-бавно охлаждане – на въздух.

Изотермично закаляване – сходно е със степенното закаляване, разликата е само във времето на задържане. Получава се цялостно превръщане на аустенита в бейнит, увеличава се ударната жилавост, но се намалява твърдостта с около 5-6 HRC

Обемно закаляване – след закаляване предмета има еднакви механични свойства по цялото сечение.

Прокаляемост на стоманата

Детайлите, които закаляваме понякога имат големи размери и охлаждането по цялото им сечение не става равномерно (с еднаква скорост). Повърхността се закалява по-бързо, а вътрешните пластове по-бавно. пред вид на това на определена дълбочина скоростта на охлаждане намалява до такава степен, че не може да се получи мартензитна структура. “Прокаляемост на стоманите” е дълбочината, до която е проникнала закалката. Мери се с разстоянието от повърхността на пробата до зоната, в която се констатира структура 50% мартензит и 50% троостит. Това съотношение гарантира все още голяма твърдост. За да се определи прокаляемостта е необходимо да се установи на каква дълбочина структурата е полумартензитна. Колкото по-голям е диаметърът на цилиндричната проба, толкова по-мека сърцевина се получава след закаляването. Максималният диаметър на цилиндрична проба от дадена стомана, сърцевата част на която след закаляването показва получаване на мартензитна структура, се нарича критичен диаметър. С увеличаването му пробата количество на троостита расте и твърдостта пада. Тя е изключително важна при закаляването на дебели части. Прокаляемостта зависи от състава на стоманите. При въглеродни стомани тя е около 20мм. Чрез прибавяне на сплавящи елементи като хром, манган и други, прокаляемостта се увеличава.

Реферат от Помагало

Advertisements