УбХФ, 15ХМ, 2GXr, 20ХМ, ЗОХМ, 40ХМ, 12ХНЗ, 20ХНЗ, 37ХНЗ, 12Х2Н2, 20Х2Н2, 12Х2Н4, 38Х2МЮА, 20ХНМ, 40ХНМ, 20Х2Н2М, ЗОХНЗМ и других марок рекомендуется медленное охлаждение со скоростью 15-50° С/ч до температуры 600° С и далее на воздухе. Чем крупнее поковка, тем медленнее должно быть охлаждение при отжиге во избежание возникновения значительных остаточных напряжений. Не следует охлаждать слишком медленно, так как это приводит к образованию крупных скоплений феррита и ухудшению свойств стали после последующей закалки.

При высоком содержании углерода в легированном аустените максимальная скорость его превращения обычно соответствует области перлитного превращения. Перлитному превращению может предшествовать выделение избыточных карбидов. Такая кинетика изотермического превращения переохлажденного аустенита характерна для многих инструментальных сталей, например 9Х, 9ХФ, ХГ, ХВГ, Х12, Х12М, Р12, Р18 и др. Эти стали сравнительно легко отжигаются как при обычном медленном охлаждении от аустенитного состояния, так и при изотермическом режиме. Скорость охлаждения при их отжиге составляет 30° С/ч до температуры 680-700° С и далее на воздухе. Для получения структуры зернистого перлита в этих сталях скорость охлаждения должна быть меньше. В этом случае охлаждение в области температур перлитного превращения должно обеспечить не только распад аустенита на фер-рито-карбидную смесь, но и достаточную степень коагуляции карбидных частиц. Коагуляция карбидов происходит при охлаждении до 620-650° С, и поэтому последующее охлаждение мало влияет на структуру. Однако во избежание появления высоких остаточных напряжений медленное охлаждение проводят до 550-600° С.

Ускорение охлаждения при нормализации приводит к распаду аустенита при ббльших степенях переохлаждения, что увеличивает дисперсность феррито-карбидной смеси и повышает количество структуры эвтектоид-ного типа. Это, естественно, увеличивает прочность и твердость нормализованной стали по сравнению с отожженной. Особенно значительно возрастает твердость ле-гированцых Сталей при нормализации в том случае, когда во время охлаждения на воздухе образуется мартенсит. В этих сталях при необходимости полной перекристаллизации проводят нормализацию с последующим высоким отпуском. В некоторых низкоуглеродистых высоколегированных сталях, например 18Х2Н4ВА, 18Х2Н4МА, 25Х2Н4М, 35ХН4М, устойчивость аустенита в области температур перлитного превращения столь велика, что экспериментально не обнаруживается. В этих сталях происходят только промежуточное и мартенсит-ное превращения. Поэтому отжиг сталей этого типа невозможен. В данном случае для исправления структуры применяют нормализацию (закалку на воздухе) с последующим высоким отпуском при 660° С для снижения твердости.

Охлаждение при закалке

Структура закаленной стали - мартен-сит, поэтому Скорость охлаждения при закалке должна быть выше критической, т. е. больше минимальной скорости охлаждения, при которой подавляются диффузионное перлитное и промежуточное превращения и аустенит переохлаждается до мартенситной точки Мп (см. рис. УП.З, а). Критическая скорость закалки, естественно, тем ниже, чем больше устойчивость переохлажденного аустенита. Устойчивость аустенита зависит от его химического состава: все легирующие элементы, кроме кобальта, повышают устойчивость переохлажденного аустенита, особенно в области перлитного превращения. Устойчивость переохлажденного аустенита тем выще, чем крупнее его зерно и чем однороднее его состав.

Неравномерное распределение концентрации углерода и легирующих элементов в аустените и наличие нерастворимых частиц (карбидов, нитридов и др.) снижают устойчивость аустенита и увеличивают критическую скорость закалки. Чем меньше критическая скорость закалки, тем медленнее может быть охлаждение изделий при закалке для получения структуры мартенсита.

Ступенчатую закалку следует применять для уменьшения деформации инструмента (см. рис. УП.З, б, кривая 4), После ступенчатой закалки сталь имеет структуру мартенсита или мартенсита q карбидами (в за-эвтектоидных сталях).

Часто конструкционные стали для улучшения свойств и уменьшения деформации изделий подвергают изотермической за* калке (см. рис. УП.З, в, кривая 6) с выдержкой в нижней зоне температур промежуточного превращения. Структура этих сталей, полученная в результате изотермической закалки, состоит из нижнего бейнита и некоторого количества (10-20%) остаточного аустенита. Такая структура обеспечивает высокую прочность и сопротивление хрупкому разрушению, а также резко уменьшает чувствительность деталей к надрезу. При изотермической выдержке в верхнем интервале промежуточного превращения сохраняется большое количество нерас-павшгося аустенита, который при последующем охлаждении превращается в мартенсит. В результате после охлаждения сталь будет состоять из верхнего бейнита, неот-пущенного мартенсита и остаточного аустенита. Такой структуре соответствуют низкие механические свойства.

Несмотря на очевидные преимущества, изотермическая и ступенчатая закалки до настоящего времени применяются ограниченно. Это связано с малой охлаждающей способностью расплавов солей и щелочей и отсутствием эффективного способа охлаждения самого расплава. Особенно остро эти недостатки проявляются при изотермической закалке крупногабаритных деталей. Тепло, вносимое закаливаемыми изделиями, приводит к недопустимому повышению температуры ванны.

Оригинальный способ охлаждения расплавов солей и щелочей при ступенчатой и

изотермической закалке предложен и внедрен на Горьковском металлургическом заводе. До закалки или в процессе закалки при помощи специального устройства непосредственно в расплав через зеркало ванны вводят воду, перемешивая при этом расплав сжатым воздухом или механической мешалкой. Такой способ охлаждения расплава Ьозволяет при соответствующей регулировке количества подаваемой воды и соответствующем объеме ванны в процессе закалки даже большой массы металла сохранить температуру расплава постоянной. Кроме того, этот способ дает возможность быстро снижать температуру расплава, что бывает необходимо при переходе на другой режим закалки. В таких ваннах достигаются условия, позволяющие осуществлять быстрое охлаждение в интервале температур перлитного превращения и обеспечивать постоянную температуру при распаде аустенита

Прокаливаемость

Важной характеристикой стали является прокаливаемость. Под прокаливаемостью стали понимают глубину проникновения закаленной зоны. Если действительная скорость охлаждения в сердцевине изделия равна критической скорости закалюй или превышает ее, то у стали структура мартенсита обеспечивается по всему сечению и, значит, отмечается сквозная прокаливаемость. Если в сердцевине изделия критическая скорость не будет достигнута, то изделие прокалится лишь на некоторую глубину. В этом случае в сердцевине произойдет диффузионный распад аустенита с образованием структур троостита, сорбита или даже перлита, что приведет к снижению прочности. Чем ниже критическая скорость закалки, тем выше прокаливаемость стали. Объективная характеристика прокаливаемости стали -критический диаметр, под которым понимают наибольшее сечение цилиндра из данной стали которое в результате закалки получает так называемую полумартенситную троосто-мартенситную) структуру в сердцевине.

Прокаливаемость разных плавок стали одной и той же марки может колебаться в некоторых пределах в зависимости от действительного содержания элементов, от величины зерна и т. д. Поэтому для характеристики марки стали строят не кривую, а полосу прокаливаемости.

Не всегда следует стремиться к сквозной прокаливаемости, так как с повьппением концентрации легирующих элементов, увеличивающих устойчивость переохлажденного аустенита, как правило (исключение составляет легирование стали никелем и молибденом), растет склонность к хрупкому разрушению. Следовательно, для изготовления изделий нужно выбирать сталь, обеспечивающую оптимальную прокаливаемость.

Закалочные среды

К закалочным средам предъявляют следующие основные требования: получение заданных физико-механических свойств изделий при закалке и последующем отпуске; высокая охлаждающая способность закалочной среды в интервале температур 650-

550° С (интервал наименьшей устойчивости аустенита) и пониженная охлаждающая способность при температурах ниже 300° С (в интервале мартенситного превращения); отсутствие повреждения (разъедания) поверхности закаливаемых изделий; недефицитность и сравнительно невысокая стоимость закалочной среды, а также полная растворимость закалочных сред в процессе промывки изделий после закалки. Ниже приведены перечень и состав [% (по массе)] применяемых закалочных сред:

Вода и водные растворы

Вода

Водяной душ Водоструйная среда Водо-воздушная среда Водный раствор едких щелочей:

5% NaOH и КОН

10 7о NaOH и КОН

50% NaOH и КОН Водный раствор глицерина:

20%-ный

40%-ный

60%-ный

40% глицерина-Ь 20% КОН Технический глицерин Водный раствор NaCl:

10%-ный

25%-ный

Водный раствор марганцевокислого калия 5-7%-ный

Водный раствор поливинилового спирта Масла

Л (велосит) Т (вазелин) Соляровое

Индустриальное 12 (веретенное 2) Индустриальное 20 (веретенное 3) Индустриальное 30 (машинное Л) Индустриальное 45 (машинное С) Индустриальное выщелоченное 45В Индустриальное 50 (машинное СУ) Цилиндровое легкое 11 Цилиндровое легкое 24 (вискозин) Цилиндровое тяжелое 38 Цилиндровое тяжелое 52 (вапор) Трансформаторное Сурепное

Авиационное МС-20

Расплавы солей и щелочей Селитра натриевая (100% NaNOa) Селитра калиевая (100% KNO3) Селитра калиевая+селитра натриевая (50% KNO3+50% NaNOs) Едкий натр (100% NaOH) Едкое кали (100% КОН) Едкий натр+селитра калиевая (70% KNO3+30% NaOH)

Едкий натр--поваренная соль (60% NaOH+40% NaCl) Карналлит (КСЬМдСЬ-бНаО)

Расплавленные металлы

Свинец (100%) Олово (100%)

Свинец+олово (37% РЬ+63% Sn) Ртуть (100%)

Воздушные среды Воздух спокойный Воздух под давлением

способность воды; 5-7%-ный водный раствор марганцевокислого калия уменьшает скорость охлаждения в интервале температур мартенситного превращения (дает сред-, нюю скорость охлаждения между чистой водой и маслом). Некоторые сведения о закаливающей способности воды и водных растворов представлены в табл. VII.14--

Водные растворы щелочей, солей и глицерина все шире применяют в термических цехах, так как они обеспечивают интенсивное охлаждение в перлитном интервале температур и замедленное и равномерное охлаждение в интервале температур мартенситного превращения.

Масла. Основным достоинством масел как закалочных жидкостей является небольшая скорость охлаждения в мартенсит-ном интервале температур, что уменьшает опасность возникновения закалочных дефектов и приводит к постоянству закаливающей способности в широком интервале температур среды (20-150° С). Охлаждающая способность закалочных масел зависит от их вязкости (температуры). Повышение температуры закалочного масла уменьшает вязкость и тем самым увеличивает охлаждающую способность. Для индустриальных масел 12, 20 и 20В, широко применяемых для закалки деталей, наилучшая охлаждающая способность обеспечивается в интервале температур 40-80° С. Основные свойства закалочных масел приведены в табл. VII. 17. ~В процессе длительной работы масла становятся непригодными для закалки. Изменение свойств закалочных масел обусловливается процессами окисления при контакте масла с нагретой металлической поверхностью изделий. Оксиды металлов, имеющиеся

Таблица VI1.14

Скорость охлаждения стали в различных закалочных средах

Закалочная среда

Скорость охлаждения, °С/с, в интервале температур, С

Закалочная среда

Скорость. охлаждений, °С/с, в интервале температур, С

Дистиллированная вода . , . Вода при гемпературе, °С:

18..........

28 .

55......... .

74..........

Вода, насыщенная углекислотой ........., .

Водные растворы 10%-ные при 18° С:

едкого натра , поваренной соли ды .... серной кислоты

600 500 100 30

1200 1100 800 750

270 270 270 200

300 300 270 300

Водный раствор марганцевокислого калия 5%-ный . . .

Глицерин ........

Эмульсия масла в воде . . .

Мыльная вода......

Минеральное машинное масло Трансформаторное масло . . Сплав 75% олова и 25% кадмия (температура расплава

1750.........

Медные плиты......

Железные плиты ......

Воздух: спокойный . . . . . . .

под давлением......

450 135 70 30 150 120

450 60 35

100 175 200 200 30 25

50 30 15

Псевдоожижженный кипящий слой

Металлические плиты

Чаще других для закалки используют кипящие жидкости - воду, водные растворы солей и щелочей, масло. При закалке в этих средах различают три периода: 1) период пленочного кипения, когда скорость охлаждения сравнительно невелика; 2) период пузырькового кипения, наступающий при полном разрушении паровой пленки (рубашки), которое наблюдается при охлаждении поверхности до температуры ниже критической - в этот период происходит быстрый отвод тепла; 3) период конвективного теплообмена, который отвечает температурам ниже температуры кипения охлаждающей жидкости - теплоотвод в этот период происходит с наименьшей скоростью.

Вода и водные растворы. Вода является дешевым и широко распространенным охладителем, применяемым при закалке изделий. Обладая достаточно высокой скоростью охлаждения, в интервале температур перлитного превращения (650-550° С) вода позволяет получать необходимую твердость и прокаливаемость крупногабаритных изделий. Однако большая скорость охлаждения в интервале температур мартенситного превращения вызывает возникновение значительных напряжений в закаливаемых изделиях и, как следствие, деформации и трещи-нообразование.

Примеси в воде по-разному влияют на охлаждающую способность. Добавка поваренной соли и едких щелочей в количестве 5-10% заметно повышает охлаждающую