Закалочную среду выбирают с учетом химического состава стали. Нужно иметь в виду, что единой универсальной среды для закалки стали нет, поэтому пользоваться следует различными средами. В качестве закалочных сред используют также 5-10%-ный раствор едкого натра или поваренной соли, при этом скорость охлаждения стали в два раза больше.

Способы закалки. Основными способами закалки являются: закалка в одном охладителе, в двух средах, ступенчатая, с подстуживанием, самоотпуском и изометрическая.

Закалка в одном охладителе состоит в погружении нагретых изделий в жидкость (вода для углеродистых сталей, масло для легированных), где оставляют их до полного охлаждения. Такой способ закалки применяется для закалки изделий простой формы.

Недостаток его заключается в том, что в результате большой разницы в температурах нагретого металла и охлаждающей среды в деталях возникают большие внутренние напряжения, называемые термическими, которые вызывают трещины и коробления и другие дефекты.

Закалка в двух средах, или прерывистая закалка, состоит в следующем. Нагретые детали сначала быстро охлаждают в воде до температуры 300-400⁰С, а затем быстро переносят для полного охлаждения в масло. Такую закалку применяют обычно для высокоуглеродистых инструментальных сталей. Недостаток прерывистой закалки состоит в том, что трудно установить время пребывания детали в первой среде, так как оно очень мало (1 сек на каждые 5-6 мм сечения детали). Излишняя выдержка в воде вызывает коробление и появление трещин.

Ступенчатая закалка, предложенная русским ученым-металлургом Д.К.Черновым, заключается в том, что нагретые детали сначала охлаждают в расплавленной соли или в масле (температура которых должна быть 240-250⁰С), выдерживают в этой среде, а затем переносят для окончательного охлаждения на воздух.

Ступенчатую закалку широко применяют в массовом производстве, особенно при изготовлении инструмента с небольшим сечением, требующего высокой твердости. Этот способ дает закалку с минимальными внутренними напряжениями, а следовательно, уменьшает опасность коробления и образования трещин.

Наиболее хорошо поддаются ступенчатой закалке глубоко прокаливающиеся углеродистые и легированные стали 9ХС, ХГ, ХВГ и др.

Закалка с подстуживанием применяется для уменьшения разницы в температурах металла и закалочной среды, если нагрев детали проведен до температуры, значительно превышающей температуру закалки данной стали.

Нагретую деталь перед погружением в закалочную среду выдерживают (подстуживают) некоторое время на воздухе. При подстуживании необходимо, чтобы температура детали не опускалась ниже точки А_r3 для конструкционных сталей и ниже точки А_r1 для инструментальных. Цель этого способа закалки – уменьшение внутренних напряжений и коробления деталей, особенно цементованных.

Закалка самоотпуском состоит в том, что нагретую деталь выдерживают в охлаждающей среде не до полного охлаждения; иногда в закалочную среду погружают только часть детали, для которой требуется высокая твердость. В некоторый момент охлаждение прерывают, чтобы сохранить в сердцевине детали тепло, за счет которого осуществляется отпуск. Этот момент устанавливается опытным путем, качество закалки в этом случае зависит от мастерства термиста. Контроль за температурой отпуска при этом способе закалки осуществляется по так называемым цветам побежалости, возникающим на поверхности детали при температуре 220-330⁰С. Закалку с самоотпуском применяют только для обработки ударного инструмента – зубил, бородков, кернеров и др., так как у такого инструмента твердость должна равномерно и постепенно понижаться от рабочей части к хвостовой.

Изотермическая закалка – наиболее прогрессивный способ закалки, его применяют в том случае, когда нужно изготовить деталь с максимальной прочностью, достаточной пластичностью и вязкостью. Сталь, нагретую на 20-30⁰С выше линии GSK (точка А_с3), быстро охлаждают в соляной ванне, имеющей температуру 250-300⁰С, выдерживают в этой горячей среде (изотермическая выдержка), а затем деталь охлаждают на воздухе.

Этот способ закалки позволяет снизить термические напряжения, так как после изотермической выдержки структурные изменения в стали уже не происходят. Изотермическую закалку применяют для пружин, рессор, болтов, труб и других изделий из легированных сталей 6ХС, 9ХС, ХВГ и др.

Патентирование стали состоит в нагреве деталей до температуры 800-900⁰С, выдержке и охлаждении в ваннах с расплавленным свинцом (500 - 600⁰С) и последующей обработке давлением. После патентирования сталь приобретает высокую прочность, обладает высокой упругостью и хорошей пластичностью.

При обычном охлаждении закаливаемых деталей необходимо соблюдать следующие правила:

- количество охлаждающей жидкости должно быть достаточным, чтобы температура ее мало изменялась во время охлаждения закаливаемых деталей;

- перед погружением нагретой детали охлаждающую среду (воду, масло) необходимо тщательно перемешать для выравнивания температуры;

- для удаления образующейся вокруг погружаемой в жидкость детали паровой рубашки, препятствующей свежему притоку воздуха, обрабатываемую деталь следует перемещать в вертикальном и горизонтальном направлениях;

- тонкие длинные детали во избежание коробления нельзя охлаждать, опуская в жидкость плашмя, так как нижние слои металла, охлаждаясь первыми, сжимаются. Детали с неодинаковым сечением следует погружать более толстой частью вниз.

Приемы погружения деталей при закалке показаны на рис.16.2. На образование трещин оказывает влияние форма углов у детали. Поэтому углы, особенно острые, необходимо закруглять и тщательно обрабатывать.

Угольник с прямым углом после закалки образует трещины, если не просверлить во внутреннем углу отверстия и не сделать подрезки. Зубья шлицевого валика охлаждаются быстрее сердцевины и уменьшаются в объеме быстрее, чем стержень. Поэтому в углах зубьев создаются сильные напряжения, вызывающие трещины.

Часто требуется, чтобы деталь машины имела очень твердую износостойкую поверхность, но чтобы ее сердцевина при этом оставалась вязкой, прочной, хорошо переносила удары и знакопеременные нагрузки. К таким деталям относятся зубчатые колеса, шейки коленчатых валов и другие стальные тяжелые детали.

Из существующих способов поверхностной закалки наибольшее промышленное применение имеют: пламенная закалка, закалка токами высокой частоты (ТВЧ), а также закалка в электролитах.

Пламенная закалка. Поверхность стального или чугунного изделия подвергается нагреву ацетиленокислородным пламенем до температуры, превышающей на 50-60⁰С верхнюю критическую точку А_с3 с последующим быстрым охлаждением водяным душем (струя воды).

Сущность процесса пламенной закалки состоит в том, что тепло, проводимое газовым пламенем от горелки к закаливаемой детали, концентрируется на ее поверхности и значительно превышает количество тепла, распространяемого в глубь металла. В результате этого поверхность детали сначала быстро нагревается до температуры закалки, затем охлаждается, а сердцевина остается незакаленной и после охлаждения не изменяет свою структуру и твердость.

Для пламенной закалки поверхности применяются разнообразные устройства – от простых ручных до сложных автоматов. Обычная кислородно-ацетиленовая горелка непригодна, поэтому применяют щелевые или форсуночные горелки, состоящие из большого количество сопел, или же горелки, имеющие смесительную камеру и несколько отверстий. В горелках сжигают ацетилен или светильный газ, оба газа применяют с кислородом.

Охлаждающим средством служит вода. Если закаливаемая деталь не слишком тонка или не имеет сложной конфигурации, то нет опасности образования трещин, поскольку одновременно закаливаются обычно небольшие поверхности.

Качество пламенной закалки поверхности зависит, прежде всего, от температуры пламени и от того, насколько правильно охлаждение струей воды. Глубина и температура нагрева регулируются скоростью перемещения горелки и расстоянием горелки от изделия.

Н

Расстояние от пламени горелки до поверхности изделия зависит от мощности горелки и обычно составляет 8-15 мм. Охлаждается нагретый слой изделия водой из трубки 2, следующей за горелкой с такой же скоростью. Глубина закаленного слоя 3 равна 2,5-4,5 мм.

З

1 - горелка, 2 - трубка с водой, 3 - закаленный слой

Недостатком ацетиленокислородной закалки является трудность регулирования температуры нагрева и глубины закаленного слоя, возможность перегрева поверхностного слоя.

Закалка в электролите. При этом способе, предложенном советским инженером И.З.Ясногородским, изделие помещают в электролит 4 (5%-ный раствор Na₂SO₃). Корпус 5 (рис.16.4) ванны является анодом, деталь 1 служит катодом. Постоянный ток поступает от генератора 3. При прохождении через электролит тока напряжением 220-380в и плотностью 3-4 а/см² выделяется водород, который осаждается на поверхности детали. Оседание пузырьков 2 водорода резко повышает электросопротивляемость изделия, и поверхность детали нагревается до 900-940⁰С. После этого ток выключают, а деталь закаливают в самом электролите или в закалочном баке.

Закалка в электролите проста, позволяет нагревать отдельные места детали, например, торца, дает возможность автоматизировать процесс. К недостаткам этого способа относятся трудность регулирования температуры, низкая производительность, ограниченное число деталей, поддающихся закалке, и необходимость предохранения их от коррозии.

Поверхностная закалка токами высокой частоты дает возможность в короткое время получить на изделии хорошо сопротивляющийся износу поверхностный слой при мягкой и вязкой сердцевине. Этот способ разработан В.П.Вологдиным. При закалке нагреваемое изделие помещают внутри медной спирали, по которой пропускается ток высокой частоты. Этот ток создает вокруг спирали сильное переменное магнитное поле, поэтому в стальном изделии индуктируются вторичные короткозамкнутые (вихревые) токи, которые сосредоточены только на поверхности изделия и нагревают его на определенную глубину. Чтобы спираль первичного тока не нагревалась, ее делают из медной трубки, через которую пропускают воду. Такие спирали называются индукторами.

Индукторы могут иметь несколько витков или один, охватывающий нагреваемое изделие. Форма индуктора должна соответствовать форме закаливаемого изделия.

Для получения тока высокой частоты применяются машинные и ламповые генераторы. Скорость и температура нагрева зависят от зазора между индуктором и нагреваемой деталью: чем меньше этот зазор, тем быстрее деталь нагревается до заданной температуры. Обычно зазор между индуктором и нагреваемой деталью составляют 2-5 мм.

В зависимости от формы, размеров закаливаемых деталей и предъявляемых к ним требований различают три способа высокочастотной закалки.

Для закалки небольших деталей применяют способ одновременной закалки (рис.16.5,а); вся поверхность закаливаемой детали находится в зоне действия индуктора и нагревается одновременно. Деталь в индукторе должна вращаться. После нагрева реле времени отключают индуктор от генератора и включается водяной душ, который одновременно охлаждает всю деталь.

Детали значительной длины закаливают непрерывно-последовательным способом (рис.16.5, б). Вал 1 вращается вокруг вертикальной оси и перемещается внутри индуктора 2 сверху вниз, последовательно проходя через зону нагрева и зону охлаждения закалочного устройства 3, к которому по шлангу 4 подается вода. Непрерывно-последовательную закалку стальных плит выполняют при помощи плоских индукторов (рис. 16.5, в).

Для закалки отдельных участков детали применяют способ последовательной закалки: поверхность нагревается и охлаждается по частям, например каждый зуб зубчатого колеса (рис.16.5, г).

Преимущества обработки деталей токами высокой частоты: высокая производительность и большая экономичность, более высокая твердость по сравнению с другими способами поверхностной закалки, возможность точного регулирования глубины закаленного слоя, отсутствие окалины и меньшее коробление закаленных деталей, возможность автоматизации процесса, улучшение условий труда рабочих и др.

Обработка холодом (при отрицательных температурах) является новым методом термической обработки, разработанным советскими учеными А.П.Гуляевым, С.С.Штейнбергом, Н.А. Минкевичем. Обработке холодом подвергают инструменты и детали, содержащие не менее 0,6% углерода. Обычно этот метод применяют для инструментов, изготовленных из стали Р18, деталей – из цементируемых сталей 18ХНВА и из других легированных сталей. Обработку холодом применяют с целью повышения красностойкости и твердости стали.

Обработку холодом проводят сразу после остывания закаленных изделий до комнатной температуры путем их погружения в среду, имеющую температуру ниже нуля. После выдержки изделия извлекают на воздух. Выдержку при обработке холодом определяют временем, необходимым для полного охлаждения всего изделия и выравнивания температур по сечению. Охлаждают изделие до отрицательных температур в смеси твердой углекислоты (сухой лед со спиртом, дающий охлаждение до –78⁰С) либо в жидком азоте (-196⁰С). Кроме того, применяют холодильные установки, позволяющие изменять температуру рабочей камеры в больших пределах.