какие виды дефектов могут возникнуть при закалке стали

Дефекты закаленной стали

При закалке могут иметь место следующие дефекты:

Недостаточная твердость закаленного изделия

Такой вид брака может появляться в результате неправильно выбранной температуры закалки или недостаточно интенсивного охлаждения.

Например, при закалке доэвтектоидных сталей недостаточная твердость может получиться в результате того, что температура закалки была ниже А_С3 и в структуре стали сохранился феррит.

Кроме того, в доэвтектоидной стали пониженная твердость может быть результатом перегрева. Образование при этом крупноигольчатой структуры мартенсита, помимо пониженной твердости, вызывает понижение ударной вязкости.

В заэвтектоидных сталях недостаточная твердость закаленного изделия может также являться результатом перегрева и образования крупноигольчатого мартенсита.

Перегрев и недогрев исправляются повторной закалкой. Иногда перед повторной закалкой деталей сложной формы дают отжиг для устранения внутренних напряжений.

Образование мягких пятен

Этот вид брака может быть результатом неравномерного охлаждения, соприкосновения деталей друг с другом в процессе охлаждения, наличия жировых пятен на поверхности изделия и неоднородности структуры (скопления феррита).

Исправляется он повторной закалкой. Неоднородность структуры устраняется предварительной нормализацией.

Окисление и обезуглероживание

Этот вид брака термической обработкой неисправим. Если позволяет припуск на механическую обработку, то окисленный и обезуглероженный слой удаляют шлифовкой.

Для предотвращения этого вида брака нагрев изделий рекомендуется проводить в печах с нейтральной атмосферой либо в жидких средах.

Пережог

Явление пережога наступает при весьма высоких температурах нагрева, близких к температуре плавления.

В этом случае имеет место проникновение кислорода внутрь металла и образование окислов, располагающихся по границам зерен, или даже оплавление металла по границам зерен, что нарушает сплошность металла, и металл становится не пригодным для применения.

Такой брак неисправим.

Закалочные трещины

Закалочные трещины могут являться результатом слишком быстрого и неравномерного нагрева, либо слишком быстрого охлаждения, либо наличия на детали резких переходов сечений, где возникают большие внутренние напряжения, приводящие к растрескиванию изделия.

Закалочные трещины могут получиться и в том случае, если после закалки деталь сразу не подвергли отпуску для снятия внутренних напряжений (особенно это важно для углеродистых инструментальных сталей).

Для устранения растрескивания деталей при закалке необходимо обеспечить равномерный и более медленный нагрев (ввести предварительный подогрев детали), использовать закалку с одстуживанием, в двух средах или ступенчатую, отпускать изделия непосредственно после закалки и т.д.

Деформация и коробление

Деформация и коробление, т.е. изменение размеров изделия и искажение его формы, происходят в связи с тем, что структуры имеют различный удельный объем.

Это следует учитывать при назначении допуска на шлифовку. Удельный объем мартенсита больше, чем удельный объем перлита.

Источник

Учебные материалы

К основным дефектам, которые могут возникнуть при закалке стали, относятся:

Трещины возникают при закалке в тех случаях, когда внутренние растягивающие напряжения 1 рода превышают сопротивление стали отрыву. Трещины образуются при температурах ниже точки Мн, чаще после охлаждения. Склонность к образованию трещин возрастает с увеличением в стали содержания углерода. Кроме того, трещины образуются в изделии из-за концентраторов напряжений (резкое изменение формы сечения — местные углубления, выступы отверстия и т.д.). Трещины — неустранимый дефект.

Деформации (изменение размеров и формы изделий) происходят в результате термических и структурных напряжений под действием неоднородных объемных изменений, вызванных неравномерным охлаждением и фазовыми превращениями. Тонкие длинные изделия охлаждаются в зажатом состоянии (в штампах, прессах, приспособлениях).

Недостаточная твердость закаленной зоны объясняется недогревом или недостаточно интенсивным охлаждением. Необходимо перемешивать, чтобы снять паровую рубашку с детали, или применять вместо простой воды водные растворы солей или щелочей.

Обезуглероживание и окисление поверхности происходит при нагреве в пламенных или электрических печах без контролируемой атмосферы. В этом случае увеличиваются припуски на механическую обработку деталей. Желательно применять искусственную атмосферу в печах или нагрев осуществлять в соляных ваннах.

Повышенная хрупкость — дефект закалки от слишком высоких температур (более высоких, чем требуется), при которых произошел значительный рост зерен аустенита. Дефект обнаруживается механическими испытаниями по излому. Устраняется повторной закалкой от нормальных температур.

Уважаемые студенты!
Специалисты нашего сайта готовы оказать помощь в учёбе по разным предметам:
✔ Решение задач
✔ Выполнение учебных работ
✔ Помощь на экзаменах

Источник

Дефекты, возникающие при термической обработке и их устранение

Неправильно проведенная закалка стали приводит к дефектам (браку изделия). Наиболее распространенные из них:

В этой небольшой статье мы детально рассмотрим каждый из этих потенциальных дефектов закаленной стали.

Недостаточная твердость

Недостаточная твердость закаленного изделия появляется в результате неправильно выбранной температуры закалки или недостаточно интенсивного охлаждения. Скажем, при закалке доэвтектоидных сталей недостаточная твердость может получиться в результате того, что температура закалки была ниже А_С3 и в структуре стали сохранился феррит.

Кроме того, в доэвтектоидной стали пониженная твердость может быть результатом перегрева. Образование при этом крупноигольчатой структуры мартенсита, помимо пониженной твердости, вызывает понижение ударной вязкости.

В заэвтектоидных сталях недостаточная твердость закаленного изделия может также являться результатом перегрева и образования крупноигольчатого мартенсита.

Образование мягких пятен

Образование мягких пятен может являться результатом неравномерного охлаждения, соприкосновения деталей друг с другом в процессе охлаждения, наличия жировых пятен на поверхности изделия и неоднородности структуры.

Исправляется такой брак повторной закалкой изделия. Неоднородность структуры устраняется предварительной его нормализацией.

Окисление и обезуглероживание

Такой брак термической обработки неисправим, но если позволяет припуск на механическую обработку, то окисленный и обезуглероженный слой удаляют шлифовкой.

Для предотвращения этого вида брака нагрев изделий рекомендуется проводить в печах с нейтральной атмосферой либо в жидких средах.

Пережог

Пережог наступает при весьма высоких температурах нагрева, близких к температуре плавления, поэтому имеет место проникновение кислорода внутрь металла и образование окислов, располагающихся по границам зерен, или даже оплавление металла по границам зерен. Это нарушает сплошность металла, и, как результат, он становится не пригодным для применения. Такой брак термической обработки также неисправим.

Закалочные трещины

Закалочные трещины могут являться результатом слишком быстрого и неравномерного нагрева, либо слишком быстрого охлаждения, либо наличия на детали резких переходов сечений, где возникают большие внутренние напряжения, приводящие к растрескиванию.

Они могут получиться и в том случае, если после закалки деталь сразу не подвергли отпуску для снятия внутренних напряжений.

Для устранения растрескивания деталей при закалке необходимо обеспечить равномерный и более медленный нагрев, использовать закалку с одстуживанием (в двух средах или ступенчатую), отпускать изделия непосредственно после закалки и т.д.

Деформация и коробление

Такие дефекты закаленной стали происходят в связи с тем, что структуры имеют различный удельный объем. Это следует учитывать при назначении допуска на шлифовку. Например, удельный объем мартенсита больше, чем удельный объем перлита. Также форма различных деталей под влиянием структурных напряжений изменяется иначе, чем под влиянием термических напряжений.

Тела простой формы после деформации и правильное положение положение деталей при погружении их в закалочный бак

Для предотвращения деформаций и коробления необходимо обеспечить медленное охлаждение в интервале мартенситного превращения путем ступенчатой и изотермической закалок, закалки.

Источник

Особенности закалки стали

Термообработка металла изменяет его характеристики. Закалка стали делает ее тверже, прочнее. В отдельных случаях термообработку проводят для измельчения зерна, выравнивания структуры. Простую технологию нагрева и быстрого охлаждения для мелких деталей можно осуществить в домашних условиях. Необходимо знать марку стали и ее температуру нагрева для закалки.

Закалка стали

Что такое закалка металла?

Один из видов термообработки — закалка металла. Она состоит из нескольких этапов, выполняемых в определенной последовательности:

В процессе изготовления сложные детали могут проходить несколько закалок разного вида.

По глубине обработки закалка делится на два вида:

В основном в машиностроении применяется объемная термообработка, когда деталь прогревается на всю глубину. В результате резкого охлаждения, после завершения термообработки твердость внутри и снаружи отличается всего на несколько единиц.

Поверхностная закалка применяется для деталей, которые должны быть твердые сверху и пластичные внутри. Индуктор прогревает сталь на глубину 3–20 мм и сразу за ним расположен спрейер, поливающий горячий металл водой.

Сталь нагревается до состояния аустенита. Для каждой марки своя температура, определяемая по таблице состояния сплавов железо-углерод. При резком охлаждении углерод остается внутри зерна, не выходит в межкристаллическое пространство. Превращение структуры не успевает происходить, и внутреннее строение содержит перлит и феррит. Зерно становится мельче, сам металл тверже.

Какие стали можно закаливать?

При нагреве и быстром охлаждении внутренние изменения структуры происходят во всех сталях. Твердость повышается только при содержании углерода более 0,4%. Ст 35 по ГОСТ имеет его 0,32 – 0,4%, значит может «подкалиться» — незначительно изменить твердость, если углерод расположен по верхнему пределу.

Закаливаемыми считаются стали, начиная от СТ45 и выше по содержанию углерода. В то же время закалка нержавеющей стали с низким содержанием углерода типа 3Х13 возможна. Хром и некоторые другие легирующие элементы заменяют его в кристаллической решетке и повышают прокаливаемость металла.

Высоколегированные углеродистые стали содержат вещества, ускоряющие процесс охлаждения и повышающие способность стали к закалке. Для них требуется сложная ступенчатая система охлаждения и высокотемпературный отпуск.

Температура и скорость нагрева

Температура нагрева под закалку повышается с содержанием в стали углерода и легирующих веществ. Для Ст45 она, например, 630–650⁰, Ст 90ХФ — более 800⁰.

Высокоуглеродистые и высоколегированные стали при быстром нагреве могут «потрещать» — образовать на поверхности и внутри мелкие трещины. Их нагревают в несколько этапов. При температурах 300⁰ и 600⁰ делают выдержку. Кроме выравнивания температуры по всей глубине, происходит структурное изменение кристаллической решетки и переход к другим видам внутреннего строения.

Свойства стали после закалки

После закалки деталей происходят структурные изменения, влияющие на технические характеристики металла:

На поверхности каленой детали легко получить высокий класс чистоты. Сырая сталь не шлифуется, тянется за кругом.

Виды закалки стали

Основные параметры для закалки стали: температура нагрева и скорость охлаждения. Они полностью зависят от марки стали — содержания углерода и легирующих веществ.

Закаливание в одной среде

При закаливании стали среда определяет скорость охлаждения. Наибольшая твердость получается при окунании детали в воду. Так можно калить среднеуглеродистые низколегированные стали и некоторые нержавейки.

Если металл содержит более 0,5% углерода и легирующие элементы, то при охлаждении в воде деталь потрещит — покроется трещинами или полностью разрушится.

Высоколегированные стали повышают свою твердость даже при охлаждении на воздухе.

При закалке на воде легированная сталь подогревается до 40–60⁰. Холодная жидкость будет отскакивать от горячей поверхности, образуя паровую рубашку. Скорость охлаждения значительно снизится.

Ступенчатая закалка

Закалка сложных по составу сталей может производиться в несколько этапов. Для ускорения охлаждения крупных деталей из высоколегированных сталей, их сначала окунают в воду. Время пребывания детали определяется несколькими минутами. После этого закалка продолжается в масле.

Вода быстро охлаждает металл на поверхности. После этого деталь окунается в масло и остывает до критической температуры структурных преобразований 300–320⁰. Дальнейшее охлаждение проводится на воздухе.

Если калить массивные детали только в масле, температура изнутри затормозит остывание и значительно снизит твердость.

Изотермическая закалка

Закалить металл с высоким содержанием углерода сложно, особенно изделия из инструментальной стали — топоры, пружины, зубила. При быстром охлаждении в нем образуются сильные напряжения. Высокотемпературный отпуск снимает часть твердости. Закалка производится поэтапно:

После закалки в селитровой ванне отпуск не нужен. Напряжения снимаются во время медленного остывания.

Изотермическая закалка

Светлая закалка

Технического термина «светлая закалка» не существует. Когда производится закалка легированных сталей, включая нагрев, в вакууме или инертных газах, металл не темнеет. Закалка в среде защитных газов дорогостоящая и требует специального оборудования отдельно на каждый тип деталей. Она применяется только при массовом изготовлении однотипной продукции.

В вертикальной печи деталь нагревается, проходя через индуктор, и сразу же опускается ниже — в соляную или селитровую ванну. Оборудование должно быть герметично. После каждого цикла с него откачивается воздух.

Закалка с самоотпуском

При быстром охлаждении в процессе закалки стали внутри детали остается тепло, которое постепенно выходит и отпускает материал — снимает напряжения. Делать самоотпуск могут только специалисты, которые знают, насколько можно сократить время пребывания детали в охлаждающей жидкости.

Самоотпуск можно производить дома, если нужно незначительно увеличить твердость крепежа или мелких деталей. Необходимо уложить их на теплоизолирующий материал и сверху накрыть асбестом.

Способы охлаждения при закаливании

Широко используемые в промышленности способы охлаждения металла при закалке на воду и в масле. Самый древний состав для закалки мечей и других тонкостенных предметов — соляной раствор. Закалку производили кузнецы, используя нагрев под ковку и тепло, выделяемое деформацией.

Красные сабли, мечи, ножи опускали в мочу рыжих парней. В Европе их просто вонзали в тела живых рабов. Коллоидный состав, содержащий соли и кислоты, позволял с оптимальной скоростью охладить сталь и не создавать лишних напряжений и поводки.

В настоящее время используют различные солевые натриевые растворы, селитру и даже пластиковую стружку.

Как закалить сталь в домашних условиях

Решение о том, как калить металл, принимается исходя из нескольких параметров:

Не все способы термообработки доступны любителям. Следует выбирать наиболее простые. Чаще всего в домашних условиях приходится закаливать нержавейку при изготовлении ножей и другого домашнего режущего инструмента.

Температура закалки хромсодержащих сталей 900–1100⁰C. Проверять нагрев следует визуально. Металл должен иметь светло оранжевый – темно желтый цвет, равномерный по всей поверхности.

Окунать тонкую нержавейку можно в горячую воду, поднимая на воздух и вновь опуская. Чем выше содержание углерода, тем больше времени сталь проводит на воздухе. Один цикл длится примерно 5 секунд.

Простые свариваемые стали греют до вишневого цвета и охлаждают в воде. Среднелегированные материалы должны перед окунанием в воду иметь красный цвет. После 10–30 секунд перекладываются в масло, затем укладываются в печь.

При закалке получают максимальную твердость, которую дает сталь при данной технологии. Затем высокотемпературным отпуском понижают ее до требуемой.

Оборудование

Нагрев металла производится различными способами. Нужно только помнить, что температура горения дерева не может обеспечить нагрев металла.

Если требуется улучшить качество 1 детали, достаточно развести костер. Его надо по периметру обложить кирпичами и после укладки заготовки частично закрыть сверху, оставив щели для доступа воздуха. Лучше жечь уголь.

Отдельный участок и небольшую по размерам деталь греют газовой и керосиновой горелкой, постоянно водя пламенем и прогревая со всех сторон.

Изготовление муфельной печи требует много времени и ресурсов. Ее целесообразно строить при постоянном использовании.

Охлаждающая жидкость может находиться в ведре и любой другой емкости, которая обеспечит полное погружение детали с толщиной масла в 5 наибольших сечений детали:

Деталь необходимо медленно двигать в охлаждающей жидкости. В противном случае образуется паровая рубашка.

Самостоятельное изготовление камеры для закаливания металла

Наипростейшее подобие муфельной печи делается из огнеупорного кирпича, шамотной глины и асбеста:

Высыхать все материалы должны при комнатной температуре. На это уйдет несколько дней. Затем можно укладывать деталь на изоляционный материал и греть.

Дефекты при закаливании стали

При закаливании стали возникают 2 группы дефектов:

Первые связаны с неравномерной, пятнистой закалкой и несоответствием полученной твердости требованиям в чертеже. Вызваны такие дефекты в основном неправильным охлаждением или некачественно проведенной термообработкой.

К неисправимым относятся сколы, трещины, полное разрушение деталей. Причина чаще всего заключается в некачественном металле.

Закалка значительно изменяет структуру и эксплуатационные качества металла. Делать ее самостоятельно можно на простых деталях. Необходимо точно знать марку стали, температуру ее закалки и охлаждающую среду.

Источник

Дефекты, возникающие при закалке

Неправильно проведенная закалка может вызвать различные де-фекты. Наиболее распространенные из них: недостаточная твердость, мягкие пятна, повышенная хрупкость, обезуглероживание и окисле-ние поверхности и, наконец, коробление, деформации и трещины.

Закалочные трещины являются результатом резкого охлаждения или нагрева вследствие возникающих при этом внутренних напряже-ний – как термических, так и структурных. Трещины – неисправимый брак. Для предупреждения их образования рекомендуется избегать при конструировании деталей резких переходов от толстых сечений к тонким, острых углов, резких выступов; обеспечивать медленное охлаждение в области мартенситного превращения.

Предотвращение деформации (изменение объема) и коробления (изменение внешней формы) обеспечивается медленным охлаждением

в интервале мартенситного превращения. В этом случае необходимо применять ступенчатую и изотермическую закалки. Уменьшение ко-робления достигается также правильным способом погружения детали

в охлаждающую жидкость, например, длинные стержневые детали необходимо охлаждать в вертикальном положении.

Повышенная хрупкость получается в том случае, если сталь была нагрета до температуры, намного выше критической или при опти-мальной температуре была дана очень большая выдержка.

При перегреве происходит рост зерна аустенита, а после закалки образуется крупноигольчатый мартенсит, который характеризуется чрезмерной хрупкостью. Устраняют дефект отжигом и последующей закалкой с соблюдением заданного режима.

Недостаточная твердость закаленной детали объясняется недо-гревом (низкая температура в печи, недостаточная выдержка при правильной температуре в печи) или недостаточно интенсивным охлаждением. В первом случае мартенсит не обладает достаточной твердостью (не содержит достаточно углерода); во втором – не пе-реохлаждается до мартенситного превращения, и структура полно-стью или частично состоит из продуктов перлитного распада аусте-нита (троостит, сорбит). Повышение температуры печи или увели-чение выдержи в первом случае устраняет пониженную твердость закаленных деталей. Во втором случае следует применять более ин-тенсивное охлаждение, т.е. во время закалки энергично перемещать деталь в закалочной жидкости или применять вместо простой воды соленую или подкисленную.

При наличии на поверхности детали окалины или загрязнения, соприкосновении деталей друг с другом в процессе охлаждения, не-равномерном охлаждении, неоднородной структуре стали (полосча-тость, скопления феррита), загрязнении стали неметаллическими включениями в некоторых зонах детали вместо мартенсита образуется троостит или сорбит и твердость детали получается неравномерной

(возникают мягкие пятна). Избежать этого дефекта можно путем вы­бора правильного способа охлаждения, проведения предварительной термической обработки и т. д.

Деформация, коробление и трещины являются следствием внутренних напряжений, причину возникновения которых мы рас­смотрели раньше.

Рис. 21. Правильная (а) и неправильная (б) конструкции деталей

Повышение температуры печи или увеличение выдержки в пер­вом случае устраняет пониженную твердость закаленных деталей. Во втором случае следует применять более интенсивное охлаждение, т. е. во время закалки энергично перемещать деталь в закалочной жидко­сти или применять вместо простой воды соленую или подкисленную.

Образование мягких пятен также является следствием недоста­точного прогрева или недостаточного интенсивного охлаждения. Ме­тоды устранения такие же, как указаны выше.

Иногда мягкие пятна появляются из-за неоднородности исходной структуры, например скоплений феррита. В этих местах при нагреве до температуры закалки может сохраниться феррит или получиться аустенит с недостаточной концентрацией углерода. Естественно, что в этих местах даже при правильно проведенной закалке твердость не­достаточная. Предварительная термическая обработка (нормализа­ция), создающая более однородную структуру, устраняет этот дефект.

Окисление и обезуглероживание поверхности часто происходит при нагреве в пламенных или электрических печах без контролируе­мой атмосферы. Поэтому дают припуск на шлифование, что удорожа­ет и усложняет технологию изготовления термически обрабатывае­мых деталей. Контролируемая искусственная атмосфера в термиче­ских печах является радикальным способом устранения или уменьше­ния этого дефекта. Нагрев в солях также способствует уменьшению окисления и обезуглероживания.

Порядок выполнения работы

Для выполнения работы студентам предоставляются образцы раз­личных марок углеродистых сталей (сталь 40, У8, У10), печи для нагрева образцов и баки с охлаждающими средами.

— нарисовать часть диаграммы Fe-Fe₃C и указать на ней темпера­турные интервалы нагрева под закалку;

— замерить твердость образцов в исходном состоянии на приборе Бринелля;

— провести закалку образцов в воде с температурами нагрева 650°С, 750°С, 850°С;

— измерить твердость закаленных образцов на приборе Роквелла;

— по данным измерения твердости установить оптимальную темпера­туру нагрева под закалку, обеспечивающую наибольшую твердость;

— определить влияние скорости охлаждения на твердость термически обработанной стали. Нагрев образцов производить до установленной оп­тимальной температуры, образцы охлаждать в воде, масле и на воздухе;

— произвести закалку ударного инструмента (зубило) по способу закалки с самоотпуском и измерить твердость по Роквеллу рабочей части, в центре и в хвостовой части инструмента.

При составлении отчета необходимо дать краткое описание тео­ретических основ процесса закалки стали, характеристику строения и свойств полученных структур, привести экспериментальные и графи­ческие данные, результаты измерений занести в табл. 3.

Протокол исследования термической обработки стали

1. Что такое термическая обработка (ТО)?

2. Какие процессы называют термической обработкой?

3. Какие факторы влияют на результаты термической обработки?

4. Закалка стали и ее назначение.

5. Основные способы закалки.

6. Температура нагрева под закалку и ее влияние на структуру и свойства закаленной стали.

7. Негативные факторы нагрева. Методы борьбы с ними.

9. Неполная закалка.

10. Выбор режима закалки.

11. Выбор времени выдержки.

12. Критическая скорость закалки. Выбор охлаждающих сред.

13. Критическая скорость охлаждения.

14. Охлаждающие среды.

15. Обработка холодом.

16. Структура закаленной стали и причина ее высокой твердости.

17. Мартенсит. Условия получения, микроструктура, твердость.

18. Бейнит. Условия получения, микроструктура, твердость.

19. Троостит. Условия получения, микроструктура, твердость.

20. Сорбит. Условия получения, микроструктура, твердость.

21. Аустенит. Условия получения, микроструктура, твердость.

22. Факторы влияющие на устойчивость аустенита и критическую скорость закалки.

23. Дефекты при закалке.

24. Характеристика Стали 40. Содержание углерода, температура закалки, структура до и после закалки.

25. Характеристика Стали 50. Содержание углерода, температура закалки, структура до и после закалки.

26. Характеристика Стали 60. Содержание углерода, температура закалки, структура до и после закалки.

27. Характеристика Стали У7. Содержание углерода, температура закалки, структура до и после закалки.

28. Характеристика Стали У8. Содержание углерода, температура закалки, структура до и после закалки.

29. Характеристика Стали Сталь 85. Содержание углерода, темпе­ратура закалки, структура до и после закалки.

30. Характеристика Стали У10. Содержание углерода, температу-

ра закалки, структура до и после закалки.

31. Характеристика Стали У11. Содержание углерода, температу­ра закалки, структура до и после закалки.

32. Характеристика Стали У12. Содержание углерода, температу­ра закалки, структура до и после закалки.

Источник