производство и поставка оборудования для механических испытаний, неразрушающего контроля, химического анализа и визуального контроля, диагностического оборудования, приборов визуального контроля, систем контроля доступа персонала, элементов систем умного производства. Испытательная лаборатория. Сервисный центр

Глава 5.3 / 5.3.4. Дефекты закалки

При термической обработке часто возникают деформации и коробление. Деформациями принято называть изменение размеров детали при сохранении ее формы, а короблением — изменение формы детали (ее может изогнуть, завернуть пропеллером и т.д.). В ряде случаев наблюдается возникновение трещин или даже полное разрушение заготовок на несколько частей.

Деформация и коробление наиболее характерны для закалки, при проведении которой выполняется быстрое охлаждение. Поэтому ниже остановимся именно на этой операции термической обработки.

Причиной возникновения указанных дефектов являются закалочные напряжения. В процессе закалки в изделии без приложения внешних сил возникают закалочные напряжения; они остаются после закалки, поэтому их часто называют остаточными. Закалочные напряжения разделяются на термические (тепловые) и структурные (фазовые) напряжения.

Термические напряжения возникают вследствие неравномерного охлаждения поверхности и сердцевины. Перепад температур по сечению приводит к неравномерному тепловому сжатию различных слоев изделия. Термические напряжения появляются в основном при охлаждении в процессе закалки, сопровождающемся уменьшением объема. Уменьшению объема поверхностных слоев слабо препятствует еще не остывшая пластичная сердцевина. При охлаждении же сердцевины уменьшению объема будут препятствовать ранее остывшие малопластичные поверхностные слои. Таким образом, даже после окончания охлаждения, когда по всему объему установилась одинаковая температура, деталь испытывает воздействие остаточных напряжений: в одних участках — сжатия, в других — растяжения. Чем выше температура закалки и больше скорость охлаждения, тем больший перепад температур возникает по сечению изделия и, следовательно, больше величина термических напряжений. Уменьшение термических напряжений достигается снижением скорости охлаждения.

Структурные напряжения появляются в результате мартенситного превращения, протекающего с увеличением объема. Объем мартенсита больше, чем объем исходной структуры — феррита и цементита. Чем выше содержание углерода в стали и соответственно в мартенсите, тем больше объемные изменения и выше уровень структурных напряжений.

Величина закалочных напряжений σзак может:

  • быть меньше предела текучести σзак < σ0 2, при этом деформации не происходит;
  • превосходить предел текучести, но быть меньше предела прочности σт < σзак < σв этом случае произойдет коробление (деформация) детали;
  • превосходить предел прочности σзак > σв, при этом появятся трещины или деталь полностью разрушится на части.

Таким образом, уменьшение закалочных деформаций является важной задачей, особенно при изготовлении деталей малой жесткости, к которым относятся длинные и тонкие детали с большим (10 и более) отношением длины к наиболее характерному диаметру или толщине поперечного сечения. Закалочные деформации могут появляться также в деталях сложной формы с резкими изменениями размера сечения по длине. Склонны к деформациям и появлению трещин детали с концентраторами напряжений, т.е. имеющие различные выступы, выточки, острые кромки.

Склонность к деформациям при закалке зависит от состава стали. Меньше деформируются легированные, а не углеродистые стали. Легированные стали имеют более низкую критическую скорость охлаждения, поэтому изготавливаемые из них детали охлаждают при закалке медленно в масле или даже на воздухе (последнее возможно для сталей с высоким уровнем легирования), а не в воде, как углеродистые. Кроме того, после закалки в их структуре сохраняется остаточный аустенит; его объем меньше, чем у феррита, что позволяет компенсировать прирост объема, вызванного мартенситным превращением. Другими словами, в этом случае наличие остаточного аустенита полезно.

При механической обработке деталей, склонных к деформациям при закалке, необходимо проведение стабилизирующей термической обработки, которая заключается в нагреве ниже температуры Ас1 с последующей изотермической выдержкой. Эти операции называют по-разному: отпуск, старение или низкотемпературный отжиг.

Необходимость такой обработки вызвана возникновением в заготовке остаточных напряжений при обработке резанием. Как правило, они заметно ниже предела текучести, однако представляют опасность, потому что при нагреве под закалку эти напряжения могут превысить предел текучести, значения которого снижаются при повышении температуры. При этом заготовка деформируется еще до охлаждения. В практике такую обработку чаще всего проводят после черновой механической обработки, выполняемой с большими глубинами резания, что вызывает появление остаточных напряжений. Стабилизирующий отпуск тем эффективнее, чем выше его температура.

Рекомендации по выбору режимов приведены в табл. 5.1.

Термическая обработка. Величину деформаций возможно заметно снизить замедленным охлаждением в интервале температур мартенситного превращения. При фазовых превращениях пластичность стали резко возрастает (примерно в 20 раз при превращении аустенита в мартенсит), поэтому термические напряжения, возникающие при быстром охлаждении вызывают значительное коробление детали. Эта задача решается применением различных технологий закалки (рис. 5.20).

Рис. 5.20. Кривые охлаждения при различных видах закалки:

а — закалка в одном охладителе; 6 — закалка в двух средах; в — ступенчатая закалка; г — изотермическая закалка

Закалка в одном охладителе (линия а) получила наиболее широкое применение. Нагретую до определенной температуры деталь погружают в закалочную среду, где она остается до полного охлаждения. Такая технология не позволяет понизить скорость охлаждения в интервале температур Мн—Мк. Этот способ применяют для деталей простой формы.

С целью уменьшения закалочных напряжений детали иногда перед погружением в закалочную жидкость некоторое время охлаждают на воздухе, подстуживают, чтобы уменьшить разницу температур детали и среды-охладителя. Такой способ закалки называется закалкой с подстуживанием. При подстуживании необходимо, чтобы температура детали не опускалась ниже точки Аr3 для доэвтектоидных сталей и ниже точки Аr1 для заэвтектоидных сталей (см. подразд. 4.3.1).

При закалке в двух средах (линия 6) нагретую деталь сначала быстро охлаждают в воде ниже температуры минимальной устойчивости переохлажденного аустенита, чтобы предотвратить начало его распада. После этого деталь переносят в другую среду (масло, селитру или на воздух), тогда в интервале температур Мн — Мк она охлаждается медленно. Этот способ применяется при закалке высокоуглеродистых сталей и требует от термиста высокой квалификации, так как трудно установить время выдержки детали в воде. Обычно оно очень мало (3...4 с).

При ступенчатой закалке (линия в) нагретую деталь охлаждают в закалочной среде, имеющей температуру несколько выше точки Мн (обычно 230...250°С), и выдерживают в ней до выравнивания температуры по всему сечению с целью снизить термические напряжения при последующем охлаждении. Выдержка не должна быть очень длительной, чтобы не вызвать превращения аустенита в бейнит. Затем следует окончательное охлаждение на воздухе, во время которого происходит превращение аустенита в мартенсит. При необходимости правку (рихтовку) деталей осуществляют именно в этот момент, используя повышенную пластичность стали при превращении аустенита в мартенсит. В процессе ступенчатой закалки значительно уменьшаются объемные изменения, коробление и опасность возникновения трещин. Практически она применяется для легированных сталей.

Изотермическая закалка (линия г) выполняется так же, как и ступенчатая, но с большей выдержкой в закалочной среде, чтобы образовалась структура нижнего бейнита. Необходимое время изотермической выдержки определяют по диаграмме изотермического превращения аустенита. В основном изотермической закалке подвергают легированные стали. Отпуск после изотермической закалки не производится.

В качестве охлаждающих сред при ступенчатой и изотермической закалках применяют расплавленные соли (например, 55% KN03 и 45% NaNО2) или щелочи (20% NaOH и 80 % КОН).

Добавление 0,5... 1,0 % воды в расплав щелочей и солей увеличивает скорость охлаждения.

Деформации уменьшаются при закалке с самоотпуском. По этой технологии в воду погружают не всю нагретую деталь, а только ее рабочую часть и вынимают после кратковременной выдержки. За счет тепла той части детали, которую не погружали в воду, рабочая часть изделия нагревается. Необходимую температуру нагрева определяют по цветам побежалости и при ее превышении деталь вновь охлаждают в воде.

Появление цветов побежалости объясняется возникновением на чистой (полированной, шлифованной) поверхности тонких слоев оксидов железа. Цвет слоя определяется толщиной оксида, зависящей от температуры: светло-желтый — 220 °С; желтый — 230 °С; темно-желтый — 240 °С; коричневый — 255 °С; коричнево-красный — 265 °С; фиолетовый — 285 °С; темно- и светло-синий — 295...310 °С; серый — 330 °С.

При нагреве и охлаждении детали должны располагаться так, чтобы не произошла деформация под действием собственного веса: длинномерные детали следует нагревать в подвешенном вертикальном положении; детали типа втулок с точным центровым отверстием — с установкой на торец, чтобы предотвратить эллипсность посадочного отверстия.

Рихтовку деталей наиболее целесообразно проводить в условиях, когда сталь обладает максимальной пластичностью — во время превращения аустенита в мартенсит. Такая технология реализуется при закалочном охлаждении деталей в штампах, под плитами. Однако это возможно только для плоских деталей.

Рихтовку длинномерных деталей осуществляют изгибом на гибочных прессах. При этом деформация правки должна быть больше прогиба, возникшего при закалке (гиб с перегибом). Это необходимо для компенсации упругой деформации, возникающей после снятия нагрузки.

Снижение закалочных напряжений достигается последующим отпуском, другими словами, нагревом закаленных заготовок ниже критической точки Ас1, т.е. ниже 727 "С (см. подразд. 5.4).

Окисление и обезуглероживание поверхности происходят при нагреве в пламенных или электрических печах с обычной атмосферой. Это требует увеличения припуска на шлифование, что удорожает и усложняет технологию изготовления деталей. Для устранения этих дефектов следует применять защитную атмосферу.

Перегрев или увеличение времени выдержки вызывает укрупнение зерна аустенита, следовательно, получения после закалки крупноигольчатого мартенсита. Это приводит к хрупкости стали, а при закалке возрастает вероятность образования трещин.

Недостаточная твердость закаленной стали может быть вызвана недогревом или недостаточно интенсивным охлаждением. В результате недогрева (низкая температура закалки, слишком короткая выдержка) твердость понижается вследствие неполного растворения углерода в мартенсите. При низкой скорости охлаждения структура состоит из продуктов перлитного типа (сорбита, троостита), имеющих пониженную твердость по сравнению с мартенситом.

Для устранения дефекта необходимо соблюдение технологии закалки.

Образование мягких пятен (пятнистая твердость) характерно для углеродистых сталей, охлаждаемых при закалке в воде. Это вызвано образованием паровой рубашки при кипении воды. От участков контакта детали и пузырьков пара отвод теплоты замедляется, потому что теплопроводность пара значительно меньше, чем воды. Мартенсит при этом не образуется из-за пониженной скорости охлаждения. Кроме того, пятнистая твердость может появиться при наличии окалины, в местах захвата закалочными клещами и т.д.

Для предотвращения этого дефекта необходимо подводить закалочную жидкость к деталям под давлением или энергично перемещать деталь в закалочной жидкости, сбивая паровую рубашку; удалять окалину перед закалкой; использовать закалочные клещи с острыми губками, которые не препятствуют охлаждению детали в месте захвата.

С 2011 года научно-производственное предприятие «УКРИНТЕХ» успешно работает и развивается в области контроля качества материалов и изделий.

Контакты

ООО НПП "Укринтех":
г. Харьков, ул.Ковтуна, д.50, корпус "А-5"

Для почты:
а/я 2304, Харьков-1, 61001, Украина

ООО НПП "Укринтех"
+38 (050) 499-09-89; +38 (067) 560-89-39
+38 (067) 575-45-10; +38 (057) 768-09-02

"ЦНИ Лаборатория"
+38 (098) 262-48-92

Компания

Производство и поставка
испытательного оборудования, оборудования для металлографии, приборов НК и др.

Сервисный центр
Ремонт, сервисное обслуживание и модернизация оборудования.

Центр независимых исследований
Аккредитованная испытательная лаборатория.