4.7.2.2 Охлаждающие среды при закалке

При закалке, с одной стороны, надо охлаждать ускоренно, чтобы обеспечить критическую скорость охлаждения. С другой стороны, при ускоренном охлаждении возникают значительные термические, а также структурные напряжения. Термические напряжения возникают в зонах перепада температур в детали при ускоренном охлаждении: горячая часть детали имеет значительно больший объем, чем холодная, в месте сопряжения этих частей возникают значительные напряжения.

Структурные напряжения связаны с превращением аустенита в мартенсит, который имеет больший объем. Структурные напряжения неизбежны при закалке на мартенсит, но при ускоренном охлаждении они становятся особенно высокими из-за неодновременного прохождения мартенситного превращения в различных частях детали.

Как показывает С-диаграмма, быстрое охлаждение при закалке необходимо только в районе наименьшей устойчивости переохлажденного аустенита (~ 650-400⁰С). Выше и ниже охлаждение можно вести медленно. В связи с этим, можно изобразить идеальную кривую охлаждения (рис. 8.4) при закалке. Охлаждение по такой кривой обеспечивает качественную закалку без трещин и коробления. Медленное охлаждение особенно важно проводить, начиная с температур 300-200⁰С, ниже которых в большинстве сталей образуется мартенсит, хрупкая структура, где под действием внутренних напряжений наиболее вероятно образование трещин. Верхний температурный интервал на кривой охлаждения часто проводят на воздухе (делают подстуживание). Вторую и третью температурную зону обычно проходят в охлаждающей жидкости. В табл. 8.1 приведены скорости охлаждения небольших стальных образцов во II и III температурной зоне в различных охлаждающих средах. Холодная вода – дешевый и очень энергичный охладитель, но быстрое охлаждение в третьей зоне крайне нежелательно. Это главный недостаток воды как охлаждающей жидкости. Нагретая вода не улучшает, а теряет свою охлаждающую способность. Минеральное масло медленно охлаждает в мартенситном интервале (это его основной недостаток). Минеральное масло применяют, в основном, для легированных сталей, которые имеют низкую критическую скорость охлаждения.

В связи с тем, что нелегированная сталь имеет высокую критическую скорость, детали приходится закаливать в воде. Если деталь имеет сложную конфигурацию и значительное сечение, ее закаливать в воду нельзя, т.к это приводит к браку (трещины, коробление). Поэтому детали сложной конфигурации и больших сечений делают из легированных сталей, закаливаемых в масле.

В настоящее время разрабатываются новые охлаждающие среды, охлаждающую способность которых можно регулировать в широких пределах (водно-воздушные смеси, растворы полимеров и т.д.).

Инструментальные нелегированные стали охлаждают сначала в воде (где проходит II зона), а затем перебрасывают в масло (где проходит III зона).

Таблица 4.1

Скорость охлаждения стали в различных средах

Рис. 4.11 Твердость стали после закалки в зависимости от содержания углерода