7. Способы закалки

В зависимости от состава стали, формы и размеров детали и требуемых в термически обработанной детали свойств выбирают оптимальный способ закалки, наиболее просто осуществимый и одновременно обеспечивающий нужные свойства.

Рассмотрим существующие способы охлаждения уже нагретой под закалку детали, их преимущества, недостатки и условия применения.

Чем сложнее форма термически обрабатываемой детали, тем тщательнее следует выбирать условия охлаждения, потому что чем сложнее деталь, чем больше различие в сечениях детали, тем большие внутренние напряжения возникают в ней при охлаждении.

Чем больше углерода содержит сталь, тем больше объемные изменения при превращении, тем при более низкой температуре происходит превращение аустенита в мартенсит, тем больше опасность возникновения деформаций, трещин, напряжений и других закалочных пороков, тем тщательнее следует выбирать условия закалочного охлаждения для такой стали.

Основные способы закалки:

1. Закалка в одном охладителе (рис. 243, кривая 1) — наиболее простой способ. Нагретую до определенных температур деталь

пофужают в закалочную жидкость, где она остается до полного охлаждения. Этот способ применяют при закалке несложных деталей из углеродистых и легированных сталей. При этом для углеродистых сталей диаметром боле 2—5 мм закалочной средой служит вода, а для меньших размеров и для многих легированных сталей закалочной средой является масло. Этот способ применяют и при механизированной закалке, когда детали из печи автоматически поступают в закалочную жидкость. Для более сложных деталей следует применять другие способы закалки.

Для уменьшения внутренних напряжений деталь иногда не сразу погружают в закалочную жидкость, а некоторое время охлаждают на воздухе, «подстуживают». Такой способ закалки называется закалкой с подстуживанием.

2. Прерывистая закалка, или закалка в двух средах (рис. 243, кривая 2). Деталь охлаждают сначала в быстро охлаждающей среде, а затем в медленно охлаждающей. Обычно первое охлаждение проводят в воде, а затем деталь переносят в масло, или охлаждают на воздухе. В мартенситном интервале сталь охлаждается медленно, что способствует уменьшению внутренних напряжений.

Этот способ применяют при закалке инструмента из высоколегированных сталей. Применяя этот способ, трудно установить и определить время пребывания деталей в первой жидкости, тем более что это время очень мало и исчисляется секундами. Этот способ требует от термиста достаточной квалификации.

3. Струйчатая закалка заключается в обрызгивании детали интенсивной струей воды и обычно ее применяют тогда, когда требуется закалить часть детали. При этом способе не образуется паровая рубашка, что обеспечивает более глубокую прокаливаемость, чем простая закалка в воде.

4. Закалка с самоотпуском. При обычном отпуске, когда вся деталь нагревается до одинаковой температуры, она, пройдя одинаковые условия закалки и отпуска, обладает во всех точках (при сквозной прокаливаемости) одинаковыми твердостью и вязкостью. Для ударного инструмента (зубила, кузнечный инструмент и т. д.) такое распределение твердости нецелесообразно. Инструмент обладает высокой стойкостью тогда, когда твердость постепенно и равномерно понижается от рабочей (режущей) части к центру и к хвостовой (крепежной) части инструмента.

Такое распределение твердости может быть достигнуто, если опускать инструмент по цветам побежалости, хотя в этом случае приходится удовлетворяться менее точным контролем температур отпуска.

Появление цветов побежалости при отпуске в интервале 200— 300 °С объясняется тем, что при этих температурах на чистой (полированной, шлифованной) металлической поверхности возникают тонкие слои окислов. Цвет слоя окисла зависит от его толщины; уже за короткое время пребывания стали при 220 °С она покрывается слоем толщиной 0,04 мкм. Этот слой придает поверхности стали светло-желтый цвет.

Данные об изменении цвета поверхности в зависимости от толщины слоя и температуры следующие:

Отпуск по цветам побежалости проводят двумя способами. Можно охладить в воде при закалке только рабочую часть инструмента и, вынув ее из воды, дождаться определенного ее нагрева (определяемого по цвету побежалости) теплом той части инструмента, которая не погружалась в воду. Это и будет закалка с самоотпуском. Можно поступить несколько иначе: закалить всю деталь, затем отпустить в соляной или свинцовой ванне при высокой температуре только нерабочую часть и, используя теплопроводность, разогреть и рабочую часть инструмента. Заданная степень разогрева и в этом случае определится по цвету побежалости. Нагрев прерывают немедленным охлаждением всей детали в воде.

Твердость рабочей части определится при данном содержании углерода в стали цветом отпуска. Синий цвет отпуска (побежалости) характеризует более низкую твердость, чем фиолетовый; фиолетовый — более низкую, чем оранжевый, и т. д. Старый способ закалки с самоотпуском находит сейчас широкое применение в механизированном поточном производстве. В этом случае точно задаются все условия закалки, что позволяет сохранять внутри изделий определенный запас тепла, необходимый для последующего самоотпуска закаленных слоев.

5. Ступенчатая закалка (рис. 243, кривая 3). Как уже указывалось, при прерывистой закалке в тот момент, когда деталь переносят из воды в масло, более тонкие части ее сечения охладились больше, т. е. до более низких температур. Кроме того, трудно отрегулировать процесс и обеспечить постоянное, определенное и притом очень короткое время пребывания детали в воде.

Способ ступенчатой закалки лишен этих недостатков. Деталь охлаждается в закалочной среде, имеющей температуру выше мартенситной точки для данной стали. При охлаждении и выдержке в этой среде закаливаемая деталь должна приобрести во всех точках сечения температуру закалочной ванны. Затем следует окончательное, обычно медленное, охлаждение, во время которого и происходит формирование структуры, т. е. превращение аустенита в мартенсит. Разбивка охлаждения на две ступени уменьшает внутренние напряжения I рода, поэтому уменьшается и закалочная деформация.

При ступенчатой закалке, а также при закалке в двух средах длинномерных и плоских изделий (преимущественно инструмента) производится так называемая правка или рихтовка, т. е. устранение коробления, вызванного термическими напряжениями при первом быстром охлаждении. Но здесь надо точно выбрать температуру деформирования. Она должна лежать между точками и когда деформация легко осуществляется в связи с образованием мартенсита (используя так называемую мартенситную сверхпластичность) (см. с. 64).

Применение ступенчатой закалки ограничено предельным размером сечения детали. Горячие, а следовательно, сравнительно медленно охлаждающие среды не позволяют достигнуть критической скорости закалки для более или менее крупных

сечений. Поэтому ступенчатая закалка для углеродистой стали применима лишь для деталей диаметром не более 10—12 мм, а для легированных сталей до 20—30 мм.

В качестве закаливающей среды применяют расплавленные соли (селитры, щелочи, см. табл. 27).

В зависимости от температуры «ступеньки» поданным, приведенным в табл. 27, выбирают ту или иную соль или смесь солей.

Добавка 3-5 % воды в расплав, состоящий из щелочей или селитр, значительно увеличивает скорость охлаждения при закалке.

6. Изотермическая закалка (рис. 243, кривая 4). В отличие от ступенчатой при изотермической закалке необходимо выдерживать сталь в закалочной среде столько времени, чтобы успело закончиться изотермическое превращение аустенита.

Обычно температура изотермического распада аустенита лежит в интервале 250-350 °С. В результате изотермической закалки с распадом аустенита в этом районе температур сталь обладает меньшей твердостью, чем при любых способах закалки, но обычно повышенной вязкостью. Образующая структура — бейнит.

Продолжительность выдержки в закалочной среде определяется временем превращения аустенита при данной температуре (ее находят по диаграмме изотермического распада аустенита для данной стали).