Закалка стали — температура, режимы, технология, твердость стали после закалки

Закалка — это процесс термической обработки, заключающийся в нагреве стали до температуры выше критической и последующем быстром охлаждении, со скоростью подавляющей распад аустенита на феррито-цементитную смесь и обеспечивающей структуру мартенсита.

Содержание

Какие металлы подлежат калению

Закалка металла — это термическая обработка, которой чаще всего подвергаются углеродистые и легированные стали с целью повышения их твердости и улучшения прочностных характеристик. Несколько реже встречается термообработка цветных металлов, в частности отпуск, отжиг и закалка меди, латуни и бронзы, а также сплавов алюминия и титана. Необходимо отметить, что закаливание этих соединений в отличие от углеродистых сталей не всегда приводит к их упрочнению, некоторые сплавы меди после этого, наоборот, становятся более пластичными и мягкими. Гораздо чаще изделия из цветных металлов подвергаются отпуску для снятия напряжения после отливки, штамповки, прокатки или волочения.

Свойства стали после закалки

После закалки увеличивается твердость и прочность стали, но при этом повышаются внутренние напряжения и возрастает хрупкость, провоцирующие разрушение материала при резких механических воздействиях. На поверхности изделия появляется толстый слой окалины, который необходимо учитывать при определении припусков на обработку.

Внимание! Некоторые изделия закаляются частично, например, это может быть только режущая кромка инструмента или холодного оружия. В этом случае на поверхности изделия можно наблюдать четкую границу, разделяющую закаленную и незакаленную части. Закаленную часть на клинках называют «хамон», что в переводе на современный язык металлургии означает «мартенсит».

Определение! Мартенсит – основная составляющая структуры стали после закалки. Вид этой микроструктуры – игольчатый или реечный.

Для уменьшения внутренних напряжений и роста пластичности осуществляют следующий этап термообработки – отпуск. При отпуске происходит некоторое снижение твердости и прочности.

Как избежать образования окалины и обезуглероживания при закалке

Многие детали из стали проходят закалку уже после того, как была выполнена их финишная обработка. В таких случаях недопустимо, чтобы поверхность деталей была обезуглерожена или на ней образовалась окалина. Существуют способы закалки изделий из стали, которые позволяют избежать таких проблем. Закалка, выполняемая в среде защитного газа, который нагнетается в полость нагревательной печи, может быть отнесена к наиболее передовому из таких способов. Следует иметь в виду, что используют такой метод лишь в том случае, если печь для нагрева полностью герметична.

На фото виден момент гидросбива на стане горячей прокатки — удаление окалины

Более простым способом, позволяющим избежать обезуглероживания поверхности металла при закалке, является применение чугунной стружки и отработанного карбюризатора. Для того чтобы защитить поверхность детали при нагревании, ее помещают в специальную емкость, в которую предварительно засыпаны эти компоненты. Для предотвращения попадания в такую емкость окружающего воздуха, который может вызвать процессы окисления, снаружи ее тщательно обмазывают глиной.

Если после закалки металла его охлаждают не в масле, а в соляной ванне, ее следует регулярно раскислять (не менее двух раз за смену), чтобы избежать обезуглероживания поверхности детали и появления на ней окисла. Для раскисления соляных ванн могут быть использованы борная кислота, бурая соль или древесный уголь. Последний обычно помещают в специальный стакан с крышкой, в стенках которого имеется множество отверстий. Опускать такой стакан в соляную ванну следует очень осторожно, так как в этот момент на ее поверхности вспыхивает пламя, которое затухает через некоторое время.

Существует простой способ, позволяющий проверить качество раскисления соляной ванны. Для этого в такой ванне нескольких минут (3–5) нагревают обычное лезвие из нержавеющей стали. После соляной ванны лезвие помещают в воду для охлаждения. Если после такой процедуры лезвие не гнется, а ломается, то раскисление ванны прошло успешно.

Объемная закалка толстостенных заготовок

Выбор температуры для закалки

Решение, при какой температуре производить закалку металла обусловлено химическим составом стали.

Закалка бывает двух видов:

• полная;
• неполная.

Руководствуясь диаграммой критических точек можно видеть, что доэвтектоидную сталь при процессе полного закаливания следует нагревать выше точки Ас3 на 30–50 градусов. В результате у стали будет структура однородного аустенита. Впоследствии под действием процесса охлаждения он превратится мартенсит.

Рисунок №1. Критические точки.

Неполное закаливание чаще применяется для инструментальной стали. Цель неполного закаливания — достигнуть температуры, при которой проходит процесс образования избыточных фаз. Нагревание стали происходит в температурном промежутке от Ас1 — Ас2. При этом в структуре мартенсита сохранится какое-то количество феррита, оставшегося после закаливания стали.

Для закаливания заэвтектоидной стали лучше придерживаться температуры на 20–30 градусов больше Ас1 — неполная закалка. Из-за этого при нагревании и охлаждении будет сохраняться цементит, что повышает твердость мартенсита. При закалке не следует нагревать заэвтектоидную сталь свыше положенной температуры. Это может сказаться на твердости.

Какой бывает закалка металла

О том, что воздействие высокой температуры на металл может изменить его структуру и свойства, знали еще древние кузнецы и активно использовали это на практике. В дальнейшем уже научно было установлено, что закалка изделий, изготовленных из стали, предполагающая нагрев и последующее охлаждение металла, позволяет значительно улучшать механические характеристики готовых изделий, значительно увеличивать срок их службы и даже в итоге уменьшать их вес за счет увеличения прочности детали. Что примечательно, закалка деталей из недорогих сортов стали позволяет придать им требуемые характеристики и успешно использовать вместо более дорогостоящих сплавов.

Смысл процесса, который называется закалка изделий из стальных сплавов, заключается в нагреве металла до критической температуры и его последующем охлаждении. Основная цель, которая преследуется такой технологией термообработки, заключается в повышении твердости и прочности металла с одновременным уменьшением его пластичности.

Существуют различные виды закалки и последующего отпуска, отличающиеся режимами проведения, которые и определяют конечный результат. К режимам закалки относятся температура нагрева, время и скорость его выполнения, время выдержки детали в нагретом до заданной температуры состоянии, скорость, с которой осуществляется охлаждение.

Наиболее важным параметром при закалке металлов является температура нагрева, при достижении которой происходит перестройка атомной решетки. Естественно, что для сталей разных сортов значение критической температуры отличается, что зависит, в первую очередь, от уровня содержания в их составе углерода и различных примесей.

После выполнения закалки повышается как твердость, так и хрупкость стали, а на ее поверхности, потерявшей значительное количество углерода, появляется слой окалины. Толщину этого слоя обязательно следует учитывать для расчета припуска на дальнейшую обработку детали.

Диаграмма состояний железо-углерод

При выполнении закалки изделий из стальных сплавов, очень важно обеспечить заданную скорость охлаждения детали, в противном случае, уже перестроенная атомная структура металла может перейти в промежуточное состояние. Между тем, слишком быстрое охлаждение тоже нежелательно, так как оно может привести к появлению на детали трещин или к ее деформации. Для того, чтобы избежать образования таких дефектов, скорость охлаждения после падения температуры нагретого металла до 200 градусов Цельсия, несколько замедляют.

Для нагрева деталей, изготовленных из углеродистых сталей, используют камерные печи, которые могут прогреваться до 800 градусов Цельсия. Для закалки отдельных марок стали критическая температура может составлять 1250–1300 градусов Цельсия, поэтому детали из них нагреваются в печах другого типа. Удобство закалки сталей таких марок заключается в том, что изделия из них не подвержены растрескиванию при охлаждении, что исключает необходимость в их предварительном прогреве.

Очень ответственно следует подходить к закалке деталей сложной конфигурации, имеющих тонкие грани и резкие переходы. Чтобы исключить растрескивание и коробление таких деталей в процессе нагрева, его следует проводить в два этапа. На первом этапе такую деталь предварительно прогревают до 500 градусов Цельсия и лишь затем доводят температуру до критического значения.

Нагрев стали при закалке токами высокой частоты

Для качественной закалки сталей важно обеспечить не только уровень нагрева, но и его равномерность. Если деталь отличается массивностью или сложной конфигурацией, обеспечить равномерность ее нагрева можно только в несколько подходов. В таких случаях нагревание производится с двумя выдержками, которые необходимы для того, чтобы достигнутая температура равномерно распределилась по всему объему детали. Увеличивается суммарное время нагревания и в том случае, если в печь одновременно помещаются сразу несколько деталей.

Охлаждение стали при закалке

Основу большинства охлаждающих жидкостей, используемых при закалке изделий из сталей, составляет вода. При этом важно, чтобы такая вода не содержала в своем составе примесей солей и моющих средств, которые могут значительно повлиять на скорость охлаждения. Емкость, в которой содержится вода для закалки изделий из металла, не рекомендуется использовать в других целях. Важно также учитывать и то, что для охлаждения металла в процессе закалки, нельзя использовать проточную воду. Оптимальной для охлаждающей жидкости считается температура в 30 градусов Цельсия.

Закалка изделий из стали с использованием для их охлаждения обычной воды, имеет ряд существенных недостатков. Самый главный из них — это растрескивание и коробление деталей после их охлаждения. Как правило, таким способом охлаждения пользуются, когда выполняется цементирование металла, поверхностная закалка стали или термическая обработка деталей простой конфигурации, которые в дальнейшем будут подвергаться финишной обработке.

Для изделий сложной формы, изготовленных из конструкционных сталей, применяют другой тип охлаждающей жидкости – 50%-й раствор каустической соды, нагретый до температуры 60 градусов Цельсия. После охлаждения в таком растворе закаленная сталь приобретает светлый оттенок.

Очень важно при работе с каустической содой соблюдать технику безопасности, обязательно использовать вытяжку, размещаемую над ванной. При опускании раскаленной детали в раствор образуются пары, очень вредные для здоровья человека.

Закалка стали в муфельной печи

Лучшей охлаждающей жидкостью для тонкостенных деталей из углеродистых сталей и изделий, выполненных из легированных сплавов, являются минеральные масла, которые обеспечивают постоянную (изотермическую) температуру охлаждения, вне зависимости от условий окружающей среды. Главное, чего следует избегать при использовании такой технической жидкости, — это попадания в нее воды, что может привести к растрескиванию деталей в процессе их охлаждения. Однако, если в такую охлаждающую жидкость все же попала вода, ее можно легко удалить из нее, нагрев масло до температуры, превышающей температуру кипения воды.

У закалки стали с использованием масла в качестве охлаждающей жидкости есть ряд существенных недостатков, о которых обязательно стоит знать. При контакте масла с раскаленной деталью выделяются пары, вредные для человеческого здоровья, кроме того, масло в этот момент может загореться. У масляной ванны есть и такое свойство: после ее использования на детали остается налет, а сама охлаждающая жидкость со временем теряет свою эффективность.

Все эти факторы следует учитывать при выполнении закалки металлов в масляной среде и принимать следующие меры безопасности:

• погружать детали в масляную ванну при помощи щипцов с длинными ручками;
• все работы выполнять в специальной маске из закаленного стекла и в перчатках, изготовленных из толстой ткани с огнеупорными свойствами или из грубой кожи;
• надежно защищать плечи, шею, грудь рабочей одеждой, изготовленной из толстой огнеупорной ткани.

Охлаждение в масляной ванне

Для закалки сталей отдельных марок охлаждение осуществляют при помощи потока воздуха, создаваемого специальным компрессором. Очень важно, чтобы охлаждающий воздух был совершенно сухим, так как содержащаяся в нем влага может вызвать растрескивание поверхности металла.

Существуют способы закалки стали, при которых используют комбинированное охлаждение. К ним обращаются для охлаждения деталей из углеродистых сталей, имеющих сложный химический состав. Суть таких способов закалки заключается в том, что сначала нагретую деталь помещают в воду, где за короткое время (несколько секунд) ее температура снижается до 200 градусов, дальнейшее охлаждение детали проводят уже в масляной ванне, куда ее следует переместить очень оперативно.

Скорость охлаждения

Структура мартенсита получается при быстром охлаждении аустенита в тот момент, когда температура стали способствует наименьшей устойчивости аустенита (около 650-550 градусов).

При переходе в зону температур, в которой происходит мартенситное превращение (ниже 240 градусов) применяется замедленное охлаждение. В результате успевают выравнится образующиеся структурные напряжения в то время, как твердость образовавшегося мартенсита не снижается.

Для проведения успешной термической обработки очень важно правильно выбрать среду закаливания. Часто в качестве закалочной среды могут применяться:

• вода;
• раствор едкого натрия (5–10 %) или поваренной соли;
• минеральное масло.

Для закаливания углеродистой стали лучше использовать воду, температура которой 18 градусов. Для закалки легированной стали подойдет масло.

Оборудование для термообработки сталей

Основное оборудование, на котором проводится термическая обработка изделий из сталей и цветных металлов, состоит из двух основных групп: установок для нагрева заготовок и закалочных ванн. Нагревательные устройства включают в себя следующие виды оборудования:

• муфельные термопечи;
• устройства индукционного нагрева;
• установки для нагрева в расплавах;
• газоплазменные установки;
• аппараты лазерной закалки.

Первые три вида могут выполнять прогрев всего объема изделия до требуемой температуры, а последние — только поверхностного слоя металла. Кроме того, выпускаются и широко используются печи для закалки металлов, в которых нагрев осуществляется в вакууме или в среде инертного газа.

Закалочные ванны представлены стальными емкостями-охладителями для различных жидкостей, а также специальными тиглями из графита и печами для расплавов солей или металлов. В качестве закалочных жидкостей чаще всего используют минеральное масло, воду и водополимерные смеси. Для расплавов металлов обычно применяют свинец или олово, а для расплавов солей — соединения натрия, калия и бария. Закалочные ванны для жидких сред имеют системы нагрева и охлаждения рабочей жидкости до требуемой температуры, а также мешалки для равномерного распределения жидкости и разрушения паровой рубашки.

Факторы, влияющие на положение с-кривых:

— Углерод. Увеличение содержания углерода до 0,8% увеличивает устойчивость переохлажденного аустенита, соответственно с-кривая сдвигается вправо. При увеличении содержания углерода более 0,8%, с-кривая сдвигается влево;

— Легирующие элементы. Все легирующие элементы в разной степени увеличивают устойчивость аустенита. Это не касается кобальта, он уменьшает устойчивость переохлажденного аустенита;

— Размер зерна и его гомогенность. Чем больше зерно и чем оно однороднее структура, тем выше устойчивость аустенита;

— Увеличение степени искажения кристаллической решетки снижает устойчивость переохлажденного аустенита.

Температура влияет на положение с-кривых через все указанные факторы.

Способы закалки сталей

На практике применяются различные способы охлаждения в зависимости от размеров деталей, их химического состава и требуемой структуры (схема ниже).

Схема: Скорости охлаждения при разных способах закалки сталей

Непрерывная закалка стали

Непрерывная закалка (1) – способ охлаждения деталей в одной среде. Деталь после нагрева помещают в закалочную среду и оставляют в ней до полного охлаждения. Данная технология самая распространенная, широко применяется в условиях массового производства. Подходит практически для всех типов конструкционных сталей.

Закалка в двух средах

Закалка в двух средах (скорость 2 на рисунке) осуществляется в разных закалочных средах, с разными температурами . Сначала деталь охлаждают в интервале температур например 890–400 °С например в воде, а потом переносят в другую охлаждающую среду – масло. При этом мартенситное превращение будет происходить уже в масляной среде, что приведет к уменьшению поводок и короблений стали. Такой способ закалки используют при термообработке штампового инструмента. На практике часто используют противоположный технологический прием — сначала детали охлаждают в масле, а затем в воде. При этом мартенситное превращение происходит в масле, а в воду детали перемещают для более быстрого остывания. Таким образом экономится время на осуществление технологии закалки.

Ступенчатая закалка

При ступенчатой закалке (скорость 3) изделие охлаждают в закалочной среде, имеющей температуру более высокую, чем температура мартенситного превращения. Таким образом получается некая изотермическая выдержка перед началом превращения аустенита в мартенсит. Это обеспечивает равномерное распределение температуры по всему сечению детали. Затем следует окончательное охлаждение, во время которого и происходит превращение мартенситное превращение. Этот способ дает закалку с минимальными внутренними напряжениями. Изотермическую выдержку можно сделать чуть ниже температуры Мн, уже после начала мартенситного превращения (скорость 6). Такой способ более затруднителен с технологической точки зрения.

Изотермическая закалка сталей

Изотермическая закалка (скорость 4) делается для получения бейнитной структуры стали. Данная структура характеризуется отличным сочетание прочностных и пластических свойств. При изотермической закалке детали охлаждают в ванне с расплавами солей, которые имеют температуру на 50–150 °С выше мартенситной точки Мн, выдерживают при этой температуре до конца превращения аустенита в бейнит, а затем охлаждают на воздухе.

При закалке на бейнит возможно получение двух разных структур:  верхнего и нижнего бейнита. Верхний бейнит имеет перистое строение. Он образуется в интервале 500-350°С и состоит из частиц феррита в форме реек толщиной <1 мкм и шириной 5-10 мкм, а также из тонких частиц цементита. Структура верхнего бейнита отличается более высокой твердостью и прочностью, но пониженной пластичностью. Нижний бейнит имеет игольчатое мартенситоподобное строение, образуется в интервале 350-200 °С. Нижний бейнит состоит из тонких частиц ε-карбидов, расположенных в пластинках феррита. Бейнитное превращение никогда не идет до конца. В структуре всегда есть мартенсит и остаточный аустенит. Более предпочтительной, в плане эксплуатационных характеристик, является структура нижнего бейнита. Изделия с такой структурой используются в вагоностроении, в деталях испытывающих ударно-растягивающие напряжения. Технология закалки на бейнит требует специального закалочного оборудования. Дополнительные материалы по этой технологии можете найти в статье «Технология закалки на бейнит».

Обработка холодом (5) применяется для сталей, у которых температура конца мартенситного превращения Мк находится ниже комнатной температуры.

Заключение

Самое важно при закалке металла это четкое соблюдение технологии. Любой отклонение в сторону приводит к нежелательным последствиям. Если делать все правильно, то даже в домашних условиях можно провести процесс закаливания стали.

Поделитесь в соц.сетях:

Оцените статью: (Пока оценок нет) Загрузка...