Процес на закаляване на стомана и приложения за класификация

Закаляването е процес на термична обработка, при който детайлът се нагрява до определена критична температура, след което селективно се охлажда, за да се получи мартензит с висока{0}}твърдост или жилав долен бейнит, последвано от темпериране.

Закаляването подобрява устойчивостта на износване и здравината на частите, както и тяхната устойчивост на умора.

 

 

Принципи на охлаждане и основен процес

 

Стоманата и другите материали претърпяват фазови трансформации при нагряване, а фазовата трансформация на аустенизацията е предпоставка за охлаждане.

Обикновено хипоевтектоидната стомана се охлажда до температура с 20 до 30 градуса над Ac3, докато хиперевтектоидната стомана се охлажда до температура с 20 до 30 градуса над Ac1.

При закаляването е от решаващо значение да се избягва прекомерното нагряване. Времето на задържане трябва да се определи въз основа на размера на детайла и модела на пещта, за да се осигури равномерна микроструктурна трансформация.

Основният процес при охлаждането е охлаждането. Идеалната крива на охлаждане избягва областта на перлитния нос, главно за да предотврати образуването на не-мартензитни структури. Скоростта на охлаждане също трябва да се контролира, за да се намали вътрешното напрежение и деформация в детайла.

Забележка: Ac1 и Ac3 представляват съответно температурата, при която аустенитът започва да се образува, и температурата, при която хипоевтектоидната стомана напълно аустенизира при нагряване. Това са критични референтни точки за определяне на процеса на отгряване.

 

Основни методи за охлаждане и ключови оперативни насоки

 

1. Единично-закаляване с течност

Закаляването с една- течност е най-основният и прост метод за охлаждане. Използва се предимно за части с прости, симетрични форми и минимални-вариации на напречното сечение, като валове и щифтове.

За единично-течно охлаждане подходящата охлаждаща течност трябва да бъде избрана въз основа на материала и дебелината на детайла. Ниско{2}}въглеродните и ниско-легираните стомани обикновено се охлаждат с вода или солев разтвор, докато високо-легираните стомани и малките детайли със сложна-форма могат да се охлаждат с масло или полимерен разтвор.

По време на закаляването се уверете, че детайлът е равномерно потопен в средата и че средата е правилно разклатена, за да предотвратите възпрепятстване на парния филм на охлаждането.

Единично-течно закаляване предлага високо-качествена стабилност и е подходящо-за широкомащабно производство, но се препоръчва повишено внимание по отношение на риска от деформация и напукване, причинени от прекалено бързо охлаждане.

 

2. Две-течни охлаждания

Дву{0}}течното охлаждане съчетава предимствата на бързото и бавното охлаждане. Първо, първата среда, като вода или солена вода, преминава бързо през най-нестабилната аустенитна област на материала. След като температурата на материала се доближи до температурата на мартензитната трансформация, материалът бързо се прехвърля във втора среда, като масло, за да завърши мартензитната трансформация.

Дву{0}}закаляването с течност е особено обичайно за средни-до-големи детайли, изработени от високо-въглеродна стомана и средно-до-легирани стомани, като форми и заготовки за зъбни колела.

Ключът към тази операция е точното контролиране на времето на престой на детайла в първата среда. Обикновено се използва време за охлаждане от 1 секунда на 3-5 mm ефективна дебелина на детайла, въпреки че това може да се определи и чрез наблюдение на изчезването на мехурчетата върху повърхността на детайла.

Прехвърлянето от първата среда към втората среда трябва да бъде бързо и непрекъснато, за да се избегне повишаване на температурата, което може да причини разлагане на структурата на материала.

Дву{0}}течното закаляване значително намалява термичните и структурните напрежения, което го прави ефективен метод за контролиране на деформацията и предотвратяване на напукване.

 

3. Стъпка на закаляване

Етапното охлаждане изисква нагряване на детайла до аустенизиране, след което охлаждането му в гореща баня малко над точката Ms, като например нитратна баня или алкална баня, за задържане. След като температурата стане еднаква в напречното-сечение на детайла, детайлът се отстранява и-охлажда с въздух.

Стъпаловидно закаляване често се използва за инструменти и части със сложни форми и високи изисквания за точност, като метчици, малки зъбни колела и прецизни валове.

По време на работа температурните колебания във ваната трябва да бъдат стриктно контролирани, обикновено в диапазон от плюс или минус десет градуса по Целзий. Времето на задържане се изчислява въз основа на най-голямото напречно-сечение, което обикновено се оценява на пет милиметра в минута.

Етапното закаляване ефективно намалява термичните напрежения, позволявайки мартензитната трансформация да протича постепенно по време на въздушно охлаждане. Това води до ниско напрежение на микроструктурата и минимална деформация. Въпреки това, поради ограничения капацитет на охлаждане на разтопените соли, той е подходящ само за детайли с ефективна дебелина не повече от 20 mm.

 

4. Изотермично закаляване

Изотермичното закаляване включва пълно закаляване на детайл, нагрят до температурата на аустенизиране, в гореща баня в зоната на трансформация на бейнит. Продължителният период на задържане позволява на аустенита напълно да се трансформира в по-нисък бейнит, последвано от въздушно охлаждане. Austempering се използва предимно за части, изискващи висока якост, издръжливост и стабилност на размерите, като лагери и прецизни форми. Изотермичната температура и продължителността се определят въз основа на TTT кривата на стоманата, като температурите обикновено са между 250 и 400 градуса.

След аустемпериране материалът става бейнит, проявяващ отлична якост и издръжливост, с малка склонност към деформация или напукване. Аустемперирането обаче има дълъг производствен цикъл, високи разходи и е ограничено до детайли с по-малки напречни-сечения.

 

Често срещани проблеми и контрол на качеството

 

Закаляването често води до дефекти като недостатъчна твърдост, меки петна, деформация, напукване, окисление и обезвъглеродяване.

Недостатъчната твърдост обикновено се причинява от нагряване при твърде ниска температура или недостатъчно охлаждане. Друга причина е повърхностното обезвъглеродяване на детайла.

Меките петна обикновено се причиняват от замърсена среда за охлаждане или наличието на оксидна нагар по повърхността на детайла. Деформацията и напукването могат да бъдат причинени от прекомерно термично или структурно напрежение.

Следователно контролът на качеството по време на закаляването изисква цялостен мониторинг на процеса, особено прецизен контрол на температурата по време на фазата на нагряване. По време на фазата на охлаждане температурата, концентрацията и скоростта на циркулация на средата трябва да се поддържат стабилни. Закаляването е необходимо веднага след закаляването, за да се елиминират остатъчните напрежения в частите.

По време на масовото производство трябва да се извършват редовни проверки на място на металографската структура и градиента на твърдост. Безразрушителен тест може да се използва върху критични части за откриване на пукнатини.

 

Съвместимост на материалите и избор на процес

 

Разликите в състава между материалите водят до различна втвърдяемост, начални температури на мартензитна трансформация и критични скорости на охлаждане. Следователно трябва да се избере специфичен процес на охлаждане въз основа на характеристиките на материала.

Ниско-въглеродната стомана и ниско-легираната структурна стомана имат относително ниска закаляемост и обикновено се охлаждат с вода или дву-течно охлаждане, за да се подобри повърхностната твърдост и устойчивостта на износване на частите.

Средно-въглеродната закалена и темперирана стомана изисква осигуряване на цялостно закаляване на сърцевината, така че обикновено се използва закаляване с масло или бързо закаляване с масло, за да се избегнат деформации и напукване.

Високо{0}}въглеродната инструментална стомана е склонна към прегряване, което увеличава вероятността от деформация. Следователно може да се използва стъпаловидно закаляване или закаляване в алкална-вана с ниска температура.

Високо{0}}легираните стомани за матрици като H13 имат отлична закаляемост, така че могат да бъдат закалени с газ или закалени във високо-температурна солена баня, за да се сведе до минимум изкривяването.

Карбуризираните детайли изискват особено висока якост на сърцевината, така че те изискват относително ниски температури, или директно охлаждане, или втвърдяване в солена баня.

Неръждаемата стомана и бързорежещата-стомана изискват предварително нагряване и охлаждане в солена баня, за да се предотврати напукване и утаяване на карбид.

Закаляването е сложен и критичен процес, така че подходящият метод за охлаждане трябва да бъде избран въз основа на свойствата на материала, формата на детайла и работните условия.

Закаляването изисква строг контрол на процесите на нагряване и охлаждане, за да се постигне желаната микроструктура и свойства, като същевременно се гарантира постоянно и надеждно качество на продукта.