Какие стали не подвергаются закалке

Организовывать металлообрабатывающее или машиностроительное производство, не выяснив все, что нужно знать о закалке стали, о режимах и структуре закаленной стали, весьма опрометчиво. Ряду людей будет интересно выяснить, как закалять ее в домашних условиях. Также придется разобраться с температурой и видами закалки, с закаливаемостью сталей 20, 45 и других марок.

Несмотря на важность этого метода обработки, он может быть применен не ко всем сплавам железа с углеродом. Возможность такой манипуляции специалисты называют закаливаемостью.

Установлено, что закалить и отпустить можно только такой металл (прокат), который содержит мало углерода. Сталь 20, а также сплав 10 и 25 не подвергают закаливанию.

А вот углеродистый металл вполне может быть обработан таким образом.

Речь идет про сталь:

• 40;
• 9ХС;
• 40Х;
• 13Х;
• ХВГ;
• 45;
• Х12МФ;
• М51.

Правильное закаливание обеспечивает такие характеристики металла, как:

• повышенная твердость на поверхности;
• наращивание суммарной прочности;
• минимизация пластичности до оправданных техническими требованиями показателей;
• сокращение массы металлургической продукции при поддержании исходной прочности и твердости.

В процессе обработки изменяется структура закаливаемой стали. При этом происходит ряд фазовых изменений. При критической температуре, равной 723 градусам, металл еще тверд, но в нем уже разворачивается распад цементита. Вместо него появляется постепенно аустенит. Если дальше металл охлаждать плавно, то аустенит распадается, и эффект от закаливания, по сути, пропадает.

Но вот при быстром остужении распад не происходит, и сталь приобретает те самые характеристики, которые так нужны заказчикам. Закаливаемая до мартенситного состояния сталь оказывается наиболее тверда.

Это позволяет использовать готовый продукт в режущих инструментах. Закалка на троостит позволяет сбалансировать твердость и упругостные показатели, что ценно в ударном инструменте и пружинных амортизаторах.

Если сталь закалена до сорбитного состояния, то она окажется:

• упругой;
• вязкой;
• стойко переносящей изнашивающие воздействия.

Такой способ внешне прост. Деталь прогревают строго до заданной температуры. Затем ее погружают в жидкость и держат там, пока она не достигнет полного охлаждения.

Углеродистую и малолегированную сталь принято остужать в технической воде. Легированный металл традиционно закаливают в масле. Технологи стремятся к одинаковой прочности заготовки по всей поверхности.

Это достигается за счет относительного движения конструкции в той среде, куда она помещена.

При механизированной закладке такое перемещение обеспечивается путем циркуляции. При ручной обработке передвигать придется заготовку. Темп перемещения и другие нюансы манипуляции подбираются таким образом, чтобы материал не подвергался короблению.

Описываемая методика ценна для легированной стали, остужаемой начиная с высокой температуры.

В этом случае металл также прогревают до закалочной температуры. Но дальше уже начинаются отличия — охлаждение ведется в относительно горячей среде, при 180-250 градусах чаще всего.

Стремятся при этом, чтобы прогрев был немного сильнее, чем нужно для мартенситного превращения. В такой ситуации разогрев поверхности детали и охладительного вещества быстро выравнивается.

Если охлаждение продолжается, появляется уже мартенсит.

Превращение идет по всей массе заготовок синхронно. Как результат, опасность появления напряжений сводится к минимуму. Последующее остужение можно производить уже даже просто на воздухе.

Минусом ступенчатой методики оказывается ее заведомая неприменимость для крупных конструкций. Для них потребовалась бы слишком долгая выдержка, что создает опасность нежелательных структурных изменений.

Методически такой подход мало отличается от ступенчатого закаливания. Цель — добиться распада аустенита и формирования нижнего бейнита.

Углеродистые стали закаливают изотермически не слишком часто, потому что такой подход дает мало преимуществ в сравнении с иными вариантами. А вот для легированного металла – это возможность достичь сбалансированного уровня прочности и вязкости.

Предел выносливости у стали окажется в итоге выше, чем при обработке по мартенситному сценарию.

Однако массовое использование изотермической закалки задерживается по нескольким причинам:

• необходимость использовать дорогостоящее оборудование;
• повышенная длительность и трудоемкость манипуляций (то есть рост издержек производства);
• необходимость применения высокотоксичных закаливающих сред — впрочем, эта проблема отчасти решается вертикальными элеваторными печами с интенсивным проветриванием закалочной емкости.

После прогрева при таком подходе конструкции помещают в охладительную среду. Там их надо держать до неполного охлаждения. Когда заготовка вынута, наружные слои вновь начинают повышать температуру.

Необходимое тепло поступает из внутренней части детали. Такой режим и называют самоотпуском.

К нему прибегают, если надо обеспечить одновременно повышенную твердость поверхностного слоя и значительную вязкость сердцевинной области.

Подобное сочетание свойств крайне ценно для молотков, зубил и иных инструментов, которые совершают ударную обработку.

Закалка с самоотпуском успешно проводится даже в условиях современного поточного производства. Нередко она сочетается с местной термообработкой.

Длительностью самоотпуска выступает промежуток, разделяющий остановку закалочного понижения температуры и начало повторного охлаждения.

Техническая литература такой термин не употребляет, но знать, что это за метод, очень важно. Суть состоит в том, что закаливание обычного металла сопровождается потемнением.

А вот легированные стали в вакуумной или инертной среде при этом расцветку не меняют. Очевидно, что такие методы защиты металла весьма дороги и трудоемки.

К ним прибегают только при массовом выпуске однородных изделий, когда работает эффект масштаба и издержки размазываются по всем экземплярам.

Для работы используют вертикальные печи. Нагрев заготовки проходит в индукторе. Оттуда она перемещается в ванну со специальными солями или селитрой. Весь объем установки должен быть полностью герметичен. Откачка воздуха проводится после завершения каждого цикла.

Поверхностная закалка, как следует уже из названия, призвана упрочнить наружные слои металла. Для этой цели используют ТВЧ (токи высокой частоты), производящие эффект индукционного нагрева.

Чаще к подобной методике прибегают при обработке углеродистых сталей. Температура должна быть более высокой, чем при традиционной объемной методике закаливания.

В некоторых случаях прибегают к газопламенному или даже лазерному разогреву сплава – они позволяют, соответственно, уменьшать издержки и повышать точность манипуляций.

О некоторых его разновидностях — вертикальных печах — речь уже заходила. Однако требуются порой и другие приспособления, технические системы. Кроме печей, обязательно понадобится специальная закалочная ванна.

Она оснащается таким образом, чтобы можно было постоянно контролировать тепловые режимы и точно оценивать их соблюдение.

Конструктивная схема ванн практически не отличается у разных фирм, по большей части разница касается только габаритов.

Функциональный отсек ванны преимущественно выполняется в прямоугольной форме, но также могут встретиться и цилиндрические модели. Толщина варьируется с учетом планируемой наивысшей продолжительности обработки.

Важную роль играет вентиляционный контур, без которого было бы невозможно удаление токсичных веществ. Благодаря теплообменнику исключается хаотическое изменение температуры жидкости для закаливания и поддерживается стабильный ход всего процесса.

Теплообменник может принудительно обдуваться вентилятором, однако иногда отвод теплоты от него ведут при помощи циркуляции, поддерживаемой компрессором.

Закалка токами высокой частоты подразумевает использование продвинутой индукционной машины. Индуктор представляет собой катушку, обвиваемую медной трубкой. Геометрия индуктора определяется только конфигурацией и габаритами детали. Предусматривается вращение заготовки в центрах, что требует наличия как зажимов, так и двигателя, и контролирующего процесс механизма.

Разумеется, независимо от способа закалки придется постоянно вести термометрию удаленными средствами наблюдения.

Выбор режимов и степени нагрева во многом индивидуален — но это не означает, что все требования можно игнорировать. Чаще всего подразумевается первоначальный прогрев стали до аустенитного состояния.

Чтобы гарантированно, несмотря на вероятные примеси, произвести соответствующее превращение, нужен нагрев на 30-50 градусов выше расчетной точки. Перегрев существенно более Ac3 также нецелесообразен, потому что разрастание аустенитных зерен ведет к хрупкости материала.

Инструментальные углеродистые стали доводить до аустенитной фазы не имеет смысла и даже вредно.

Легированный металл закаливают опять же учитывая критические точки. Однако большое количество улучшающих компонентов сильно затруднит отбор наилучшего рабочего режима. Если легированная сталь содержит много карбидов, ее надо прогревать существенно выше критических точек, иногда до 1000 градусов и более.

Только при расплавлении карбидов и переходе заключенных в них легирующих добавок в аустенит можно получить хороший результат. Температура при неполной закалке составляет такую величину, при которой сохраняется избыточный цементит.

Этот режим показан для заэвтектоидных сталей, но может использоваться и для других сплавов.

Технология в этом случае существенно не отличается от той, что практикуется на больших заводах. Точно так же надо разогреть металл, а затем охладить.

Но ограниченное оборудование, даже в продвинутых домашних мастерских, не позволяет воспроизвести промышленные методики точь-в-точь. Процесс в любом случае должен происходить равномерно и плавно.

На поверхности нельзя допускать появления черных или синих пятен. Чтобы сделать все правильно, используют термопечи. Иногда их заменяют на электропечи или даже на открытый огонь. Струйное закаливание проводится, если надо работать точечно.

Время выдержки при погружении предмета в масляную ванну не превышает 3 секунд, но эту процедуру проводят многократно и быстро. Судить о температуре образца приходится по окраске поверхности или по степени побежалости.

Открытое пламя — как костра, так и горелки — позволяет прогреть лишь относительно небольшие металлические изделия. Минус открытого огня состоит еще и в опасности обезуглероживания поверхности. Наддувать кузнечный горн возможно мощным промышленным феном. Простые временные печи для такой работы создают из шамотных кирпичей.

Закалочные жидкости помещают в емкости подходящей величины, изготавливаемые из несгораемых веществ. Держать заготовки помогут щипцы либо крючья подходящей величины. Охлаждение металла в домашних условиях возможно при помощи воды и воздуха, водных растворов и минерального масла.

Если какое-то изделие состоит из частей с разной целевой твердостью, прибегают к последовательному остужению в двух средах.

Конкретные параметры и режимы подбирают сообразно параметрам определенного сплава. Изготовив импровизированную камеру, можно будет повысить температуру до 1200 градусов, что гарантирует обработку легированного металла.

Иногда закаливаемая сталь приобретает слишком низкую твердость. Это бывает связано с чрезмерно низкой температурой или с несоблюдением временных рамок процедуры. Проблема также часто обуславливается малыми темпами охлаждения. Источником сложностей может стать и чрезмерный нагрев образца (выше допустимых температур). Из-за роста зерен в перегретой детали металл становится несообразно хрупок.

О пережоге говорят, когда сталь нагрели практически до температуры плавления. Чтобы компенсировать такую опасность, нужно использовать атмосферу, не имеющую окислительных свойств. Также вероятны:

• окисление;
• обезуглероживание;
• коробление;
• растрескивание.

Закалка стали

Закалкой  называется операция термической обработки, состоя­щая из нагрева до температур выше верхней критической точки AC3  для доэвтектоидной стали и выше нижней критической точки АС1

 для заэвтектоидной стали и выдержки при данной температуре с последующим быстрым охлаждением (в воде, масле, водных раство­рах солей и пр.).

• В результате закалки сталь получает структуру мартенсита и благодаря этому становится твердой.
• Закалка повышает прочность конструкционных сталей, придает твердость и износостойкость инструментальным сталям.
• Режимы закалки определяются скоростью и температурой на­грева, длительностью выдержки при этой температуре и особенно скоростью охлаждения.
• Выбор температуры закалки.

Температура нагрева стали для закалки зависит в основном от химического состава стали. При за­калке доэвтектоидных сталей нагрев следует вести до температуры на 30 — 50° выше точки АС3 .

В этом случае сталь имеет структуру однородного аустенита, который при последующем охлаж­дении со скоростью, превышающей критическую скорость закалки, превращается в мартенсит. Такая закалка называется   полной.

При нагреве доэвтектоидной стали до температур AC1 — АC3 в структуре мартенсита сохраняется некоторое количество оставше­гося после закалки феррита, снижающего твердость закаленной ста­ли. Такая закалка называется неполной.

Для заэвтектоидной ста­ли наилучшая температура закалки — на 20—30° выше АС1 , т. е. неполная закалка. В этом случае сохранение цементита при нагреве и охлаждении будет способствовать повышению твердости, так как твердость цементита больше твердости мартенсита.

Нагревать заэвтектоидную сталь до температуры выше Аст не следует, так как твердость получается меньшей, чем при закалке с температуры выше АС1,за счет растворения цементита и увеличения количества остаточного аустенита.

Кроме того, при охлаждении с более высоких температур могут возникнуть большие внутренние напря­жения.

Скорость охлаждения.

Для получения структуры мартенсита требуется переохладить аустенит путем быстрого охлаждения ста­ли,находящейся при температуре наименьшей устойчивости аусте­нита, т. е.при 650—550° С.

В зоне температур мартенситного превращения, т. е,ниже 240°С, наоборот, выгоднее применять замедленное охлаждение, так как образующиеся структурные напряжения успевают выравняться, а твердость образовавшегося мартенсита практически не снижается.

Правильный выбор закалочной среды имеет большое значение для успешного проведения термической обработки.

Наиболее распространенные закалочные среды —вода, 5—10%-ный водный раствор едкого натра или поваренной соли и минераль­ное масло. Для закалки углеродистых сталей можно рекомендовать воду с температурой 18° С; а для закалки большинства легирован­ных сталей — масло.

Закаливаемость и прокаливаемость стали.

При закалке стали важно знать еезакаливаемость и прокаливаемость. Эти характерис­тикине следует смешивать.

Закаливаемость показывает способность стали к повы­шению твердости при закалке. Некоторые стали обладают плохой закаливаемостью, т. е.имеют недостаточную твердость после за­калки. О таких сталях говорят, что они «не принимают» закалку.

Закаливаемость стали зависит восновном от содержания в ней углерода. Это объясняется тем, что твердость мартенсита зависит отстепени искажения его кристаллической решетки. Чем меньше вмартенсите углерода, тем меньше будет искажена его кристалли­ческая решетка и, следовательно, тем ниже будет твердость стали.

Стали, содержащие менее 0,3% углерода, имеют низкую зака­ливаемость и поэтому, как правило, закалке не подвергаются.

Прокаливаемость стали характеризуется ееспособ­ностью закаливаться на определенную глубину.

При закалке по­верхность детали охлаждается быстрее, так как она непосредствен­носоприкасается с охлаждающей жидкостью, отнимающей тепло.

Сердцевина детали охлаждается гораздо медленнее, тепло из цент­ральной части детали передается через массу металла к поверх­ности итолько на поверхности поглощается охлаждающей жидкостью.

Прокаливаемость стали зависит от критической скорости за­калки: чем ниже критическая скорость, тем на большую глубину прокаливаются стальные детали.

Например, сталь с крупным при­родным зерном аустенита (крупнозернистая), которая имеет низ­кую критическую скорость закалки, прокаливается на большую глу­бину, чем сталь с мелким природным зерном аустенита (мелкозернистая), имеющая высокую критическую скорость закалки.

Поэто­му крупнозернистую сталь применяют для изготовления деталей, которые должны иметь глубокую или сквозную прокаливаемость, амелкозернистую — для деталей с твердой поверхностной закален­ной   коркой и вязкой незакаленной сердцевиной.

1. На глубину прокаливаемости влияют также исходная структура закаливаемой стали, температура нагрева под закалку и закалочная среда.
2. Прокаливаемость     стали можно определить по излому, по микроструктуре и по твер­дости.
3. Виды закалки стали.
4. Су­ществует несколько способов закалки, применяемых в за­висимости от состава стали, характера обрабатываемой де­тали, твердости, которую не­обходимо получить, и усло­вий охлаждения.

Закалка в  одной  среде схематично показана на рис. 1 в виде кривой 1.

Такую закалку проще выполнять, но ее можно применять не для каждой стали и не для любых деталей, так как быстрое охлаждение деталей переменного сечения в боль­шом интервале температур способствует возникновению температур­ной неравномерности и больших внутренних напряжений, что может вызвать коробление детали, а иногда и растрескивание (если вели­чина внутренних напряжений превзойдет предел прочности).

Чем больше углерода в стали, тем больше объемные изменения и структурные напряжения, тем больше опасность возникновения трещин.

 

Рис. 1.   Кривые охлаждения   для различных способов закалки

Заэвтектоидные стали закаливают в одной среде, если детали имеют простую форму (шарики, ролики и т. д.). Если детали слож­ной формы, применяют либо закалку в двух средах, либо ступенча­тую закалку.

Закалку в двух средах (кривая 2)применяют для инструмента из высокоуглеродистой стали (метчики, плашки, фре­зы). Сущность способа состоит в том, что деталь вначале замачива­ют в воде, быстро охлаждая ее до 300—400° С, а затем переносят в масло, где оставляют до полного охлаждения.

Ступенчатую закалку (кривая 3) выполняют путем быстрого охлаждения деталей в соляной ванне, температура кото­рой намного выше температуры начала мартенситного превращения (240—250° С).

Выдержка при этой температуре должна обеспечить выравнивание температур по всему сечению детали.

Затем детали охлаждают до комнатной температуры в масле или на спокойном воздухе, устраняя тем самым термические внутренние напряжения.

Ступенчатая закалка уменьшает внутренние напряжения, ко­робление и возможность образования трещин.

Недостаток этого вида закалки в том, что горячие следы не мо­гут обеспечить большую скорость охлаждения при температуре 400—600° С. В связи с этим ступенчатую закалку можно применять для деталей из углеродистой стали небольшого сечения (до 8—10 мм). Для легированных сталей, имеющих небольшую критическую ско­рость закалки, ступенчатая закалка применима к деталям большого сечения (до 30 мм).

Изотермическую  закалку (кривая 4)проводят так же, как ступенчатую, но с более длительной выдержкой при темпера­туре горячей ванны (250—300° С), чтобы обеспечить полный распад аустенита. Выдержка, необходимая для полного распада аустенита, определяется по точкам а и b и по S-образной кривой (см. рис. 1).

В результате такой закалки сталь приобретает структуру игольча­того троостита с твердостью HRC45 55 и с сохранением необхо­димой пластичности. После изотермической закалки охлаждать сталь можно с любой скоростью.

В качестве охлаждающей среды ис­пользуют расплавленные соли: 55% KNO3 + 45% NaNO2 (темпе­ратура плавления 137° С) и 55% KNO3 + 45% NaNO3 (температура плавления 218° С), допускающие перегрев до необходимой темпера­туры.

• Изотермическая закалка имеет следующие преимущества перед обычной:
• минимальное коробление стали и отсутствие трещин; большая вязкость стали.
• В настоящее время широко используют ступенчатую и изотерми­ческую светлую закалки.

Светлую  закалку стальных деталей проводят в специ­ально оборудованных печах с защитной средой. На некоторых инст­рументальных заводах для получения чистой и светлой поверхности закаленного инструмента применяют ступенчатую закалку с ох­лаждением в расплавленной едкой щелочи.

Перед закалкой инстру­мент нагревают в соляной ванне из хлористого натрия при темпера­туре на 30—50° С выше точки АС1 и охлаждают при 180—200° С в ванне, состоящей из смеси 75% едкого калия и 25% едкого натра сдобавлением 6—8% воды (от веса всей соли).

Смесь имеет тем­пературу плавления около 145° С и, благодаря тому что в ней находится вода, обладает очень высокой закаливающей способ­ностью.

При  ступенчатой  закалке стали с переохлажде­нием аустенита в расплавленной едкой щелочи с последующим окон­чательным охлаждением на воздухе детали приобретают чистую светлую поверхность серебристо-белого цвета; в этом случае отпа­дает необходимость в пескоструйной очистке деталей и достаточна промывка их в горячей воде.

Закалка  с  самоотпуском широко применяется в инструментальном производстве.

Сущность ее состоит в том, что детали не выдерживают в охлаждающей среде до полного охлажде­ния, а в определенный момент извлекают из нее, чтобы сохранить в сердцевине изделия некоторое количество тепла, за счет которого производится последующий отпуск. После достижения требуемой температуры отпуска за счет внутреннего тепла деталь окончатель­но охлаждают в закалочной жидкости.

Проконтролировать отпуск можно по цветам побежалости (см. рис. 2), появляющимся на зачищенной поверхности стали при 220—330° С.

 

Рис. 2. Цвета побежалости при отпуске

Закалку ссамоотпуском применяют для зубил, кувалд, слесарных молотков, кернеров и другого инструмента, требующего высокой твердости на поверхности и сохранения вязкой сердцевины.

Способы охлаждения при закалке.

Быстрое охлаждение стальных деталей при закалке является причиной возникновения в них боль­ших внутренних напряжений. Эти напряжения иногда приводят к короблению деталей, а в наиболее тяжелых случаях — к трещинам.

Особенно большие и опасные внутренние напряжения возни­кают при охлаждении в воде. Поэтому там, где можно, следует ох­лаждать детали в масле.

Однако в большинстве случаев для деталей из углеродистой стали это невозможно, так как скорость охлаждения в масле значительно меньше критической скорости, необходи­мой для превращения аустенита в мартенсит.

Следовательно, мно­гие детали из углеродистых сталей рекомендуется закаливать с ох­лаждением в воде, но при этом уменьшать неизбежно возникающие внутренние напряжения. Для этого пользуются некоторыми из описанных способов закалки, в частности, закалкой в двух средах, закалкой с самоотпуском и т. д.

Внутренние напряжения зависят также от способа погружения деталей в закалочную среду. Необходимо придерживаться следую­щих основных правил:

детали, имеющие толстую и тонкую части, погружать в закалоч­ную среду сначала толстой частью;

детали, имеющие длинную вытянутую форму (метчики, сверла развертки), погружать в строго вертикальном положении, иначе они покоробятся (рис. 3).

 

Рис. 3. Правильное погружение деталей и инструментов в за­каливающую среду

Иногда по условиям работы должна быть закалена не вся деталь, а лишь часть ее. В этом случае применяют местную закалку: деталь нагревают не полностью, а в закалочную среду погружают целиком. В этом случае закаливается только нагретая часть детали.

Местный нагрев мелких деталей производят в соляной ванне, погружая в нее только ту часть детали, которую требуется закалить; так закаливают, например, центры токарных станков. Можно по­ступать и так: нагреть деталь полностью, а охладить в закалочной среде только ту часть, которая должна быть закалена.

1. Дефекты, возникающие при закалке стали.
2. Недостаточ­ная твердость закаленной детали — следствие низкой тем­пературы нагрева, малой выдержки при рабочей температуре или недостаточной скорости охлаждения.
3.  Исправление де­фекта: нормализация или отжиг с последующей закалкой; при­менение более энергичной закалочной среды.

Перегрев связан с нагревом изделия до температуры, значительно превышающей необходимую температуру нагрева под закалку. Перегрев сопровождается образованием крупнозернистой структуры, в результате чего повышается хрупкость стали.

И справление  дефекта: отжиг (нормализация) и последущая закалка с необходимой температуры.

Пережог возникает при нагреве стали до весьма высоких температур, близких к температуре плавления (1200—1300° С) в окислительной атмосфере. Кислород проникает внутрь стали, и по границам зерен образуются окислы. Такая сталь хрупка и исправить ее невозможно.

Окисление и  обезуглероживание стали ха­рактеризуются образованием окалины (окислов) на поверхности дета­лей и выгоранием углерода в поверхностных слоях.

Этот вид брака термической обработкой неисправим. Если позволяет припуск на механическую обработку, окисленный и обезуглероженный слой нужно удалить шлифованием.

Чтобы предупредить этот вид брака, детали рекомендуется нагревать в печах с защитной атмосфе­рой.

Коробление и трещины — следствия внутренних напряжений.

Во время нагрева и охлаждения стали наблюдаются объемные изменения, зависящие от температуры и структурных пре­вращений (переход аустенита в мартенсит сопровождается увеличе­нием объема до 3%).

Разновременность превращения по объему за­каливаемой детали вследствие различных ее размеров и скоростей охлаждения по сечению ведет к развитию сильных внутренних нап­ряжений, которые служат причиной трещин и коробления деталей в процессе закалки.

Образование трещин обычно наблюдается при температурах ниже 75—100° С, когда мартенситное превращение охватывает значительную часть объема стали.

Чтобы предупредить образова­ние трещин, при конструировании деталей необходимо избегать резких выступов, заостренных углов, резких переходов от тонких сечений к толстым; следует также медленно охлаждать сталь в зоне образования мартенсита (закалка в масле, в двух средах, ступенча­тая закалка). Трещины являются неисправимым браком, коробле­ние же можно устранить последующей рихтовкой или правкой.

Источник: Остапенко Н.Н.,Крапивницкий Н.Н. Технология металлов. М. Высшая школа,1970г.

Закалка стали — температура, скорость и режимы закалки, свойства и структура закаленной стали

Закалка – вид термической обработки, состоящий из основных операций – нагрева до определенной температуры, выдержки, быстрого охлаждения.

Он применяется в сочетании с другой разновидностью термообработки – отпуском.

Эта технология позволяет улучшить механические характеристики недорогих марок стали, цветных металлов и сплавов, за счет чего снижается себестоимость получаемых изделий и конструкций.

Общие сведения о технологии закалки стали

Основные цели, решаемые комплексом закалка + отпуск:

• повышение твердости;
• повышение прочностных характеристик;
• снижение пластичности до допустимой величины;
• возможность использования пустотелых изделий вместо полнотелых, что позволяет снизить массу металлоизделия и металлоемкость производственного процесса.

Основные этапы закалки:

• нагрев до температур, при которых осуществляется изменение структурного состояния металла;
• выдержка, установленная в технологической карте;
• охлаждение со скоростью, обеспечивающей формирование заданной кристаллической структуры.

После закалки проводят отпуск, который заключается в нагреве металла до температур, лежащих ниже линии фазовых превращений, с дальнейшим медленным понижением температуры. На результат термообработки влияют:

• температура нагрева;
• скорость роста температуры;
• период выдержки при закалочных температурах;
• охлаждающая среда и скорость снижения температуры.

Ключевым параметром является температура нагрева, от которой зависит перестройка и формирование новой структурной решетки. По глубине действия закалку разделяют на объемную и поверхностную.

В машиностроении обычно используется объемная закалка, после которой твердость поверхности и сердцевины отличается незначительно.

Поверхностная термообработка востребована для деталей, для которых важна высокая твердость поверхности и вязкая сердцевина.

Какие стали подвергают закалке

Не все марки сталей могут подвергаться закалке. Марки с содержанием углерода ниже 0,4% практически не изменяют твердость при закалочных температурах, поэтому этот способ для них не применяется. Закалочную технологию чаще всего применяют для инструментальных сталей.

Таблица правильных режимов закалки и отпуска для некоторых типов инструментальных сталей

Марка стали	Температура закалки стали	Среда охлаждения после закалочного нагрева	Температура отпуска	Среда охлаждения после отпуска
У7	800°C	вода	170°C	вода, масло
У7А	800°C	вода	170°C	вода, масло
У8, У8А	800°C	вода	170°C	вода, масло
У10, У10А	790°C	вода	180°C	вода, масло
У11, У12	780°C	вода	180°C	вода, масло
Р9	1250°C	масло	580°C	воздух в печи
Р18	1250°C	масло	580°C	воздух в печи
ШХ6	810°C	масло	200°C	воздух
ШХ15	845°C	масло	400°C	воздух
9ХС	860°C	масло	170°C	воздух

Виды закалки – с полиморфным превращением и без него

Закалка сталей протекает с полиморфным превращением, цветных металлов и сплавов – без них.

Закалка сталей с полиморфным превращением

В углеродистых сталях при повышении температур выше определенного уровня происходит ряд фазовых превращений, вызывающих изменения кристаллической решетки.

При критических температурах, значение которых зависит от процентного содержания углерода, происходит распад карбида железа и образование раствора углерода в железе, называемого аустенитом. При медленном остывании аустенит постепенно распадается, и кристаллическая решетка приобретает исходное состояние.

Если углеродистые стали охлаждать с высокой скоростью, то в зависимости от режима закалки в них образуются различные фазовые состояния, самый прочный из них – мартенсит.

Для получения мартенситной структуры доэвтектоидные стали(до 0,8% C) нагревают до температур, лежащих выше точки Ас3 на 30-50°C, для заэвтектоидных – на 30-50° выше Ас1.По такой технологии закаливают металлорежущий инструмент и упрочняют изделия, которые в процессе эксплуатации подвергаются трению: шестерни, валы, обоймы, втулки.

При нагреве до более низких температур в структуре доэвтектоидных сталей наряду с мартенситом сохраняется более мягкий феррит, снижающий твердость металла и ухудшающий его механические характеристики после отпуска. Такая закалка стали называется неполной и в большинстве случаев является браком.

Но она может использоваться в некоторых случаях во избежание появления трещин.

Закалка без полиморфного превращения

Закалка без полиморфного превращения протекает в цветных металлах и сплавах, имеющих ограниченную растворимость вторичных фаз при обычных температурах, в которых при высоких температурах не происходят полиморфные превращения.

При повышении температур выше линии солидус (это линия, ниже которой находится только твердая фаза) вторичные фазы полностью растворяются. При быстром охлаждении вторичные фазы не выделяются, поскольку для этого необходимо определенное время.

После такой термообработки цветной сплав является термодинамически неустойчивым, поэтому со временем он начинает распадаться с постепенным выделением вторичной фазы.

Такой процесс распада, происходящий в естественных условиях, называется естественным старением, а при нагреве – искусственным старением. В результате старения получают равновесную структуру. Характеристики материала зависят от выбранного режима процесса.

Закалка цветных металлов и сплавов, в отличие от углеродистых сталей, часто не приводит к повышению прочности. Сплавы на основе меди, например, после такой ТО часто становятся более пластичными. Для таких материалов обычно используют отпуск, благодаря которому снимаются напряжения после литья, прокатки, штамповки, ковки или прессования.

Способы закалки стали

Способ закалки выбирают в зависимости от химического состава стали и запланированных свойств.

Закаливание с охлаждением в одной среде

Скорость охлаждения стали после закалки зависит от среды, в которой оно проводится. Самую высокую скорость обеспечивает охлаждение в воде.

Такой способ используется для среднеуглеродистых низколегированных сталей и некоторых марок коррозионностойких сталей.

При содержании углерода более 0,5% C и высоком легировании воду в качестве охлаждающей среды не применяют, поскольку такие сплавы покрываются трещинами или полностью разрушаются.

Прерывистая закалка в двух охлаждающих средах

Ступенчатую закалку применяют для деталей, изготовленных из сложнолегированных сталей. Крупногабаритные детали после нагрева на несколько минут окунают в воду, а затем охлаждают в масле до +320…300°C, после чего оставляют на воздухе. При охлаждении в масле до комнатных температур твердость изделия значительно снижается.

Изотермическая ТО

Закалка высокоуглеродистых марок – сложный процесс, состоящий из нормализации с последующим нагревом до температуры закалки. Нагретые детали опускают в ванну с селитрой, нагретой до температур +320…+350°C, выдерживают.

Светлая ТО

Такая термообработка применяется для высоколегированных сталей и заключается в их нагреве в среде инертных газов или в вакууме, что обеспечивает светлую поверхность металла. Светлая закалка используется в серийном производстве типовых изделий.

Термообработка с самоотпуском

При высокой скорости охлаждения внутри детали остается тепло, которое при постепенном выходе снимает напряжения внутренней структуры. Этот процесс можно доверить только специалистам, которые могут точно рассчитать время нахождения изделия в охлаждающей среде.

Струйная

Охлаждение осуществляют интенсивной струей воды. Такой процесс применяется при необходимости закаливания отдельных частей изделий.

Оборудование для проведения закалки

Оборудование разделяется на две основные группы – установки для нагрева и ванны для охлаждения. На современных предприятиях для получения закалочных температур используются:

• муфельные термические печи;
• оборудование для индукционного нагрева;
• установки для нагрева в расплавах;
• аппараты лазерного нагрева;
• газоплазменные устройства.

Первые три типа установок востребованы для осуществления объемной закалки, три последние – для поверхностного процесса.

Закалочное оборудование – это стальные емкости, графитовые тигли, печи, в которых содержатся расплавленные металлы или соли. Закалочные ванны для жидких сред оборудованы системами обогрева и охлаждения. В их конструкции могут быть предусмотрены специальные мешалки для перемешивания жидких сред и устранения паровой рубашки.

Охлаждающие среды

Условия охлаждения стали после закалки выбирают в зависимости от химического состава обрабатываемого металла и требуемых характеристик конечного продукта. Это могут быть:

• вода;
• воздушная или струя или струя инертного газа;
• минмасло;
• водополимерные смеси;
• расплавленные соли – бария, натрия, калия;
• металлические расплавы – свинцовые или оловянные.

Технология закалочного процесса

Нагрев и выдержка

Температура нагрева стали при закалке зависит от ее химического состава. В общем случае наблюдается закономерность – чем меньше процентное содержание углерода, тем выше должна быть температура нагрева. Понижение температуры нагрева приводит к тому, что нужная структура не успевает сформироваться. Последствия перегрева:

• обезуглероживание;
• окисление поверхности;
• увеличение внутреннего напряжения;
• изменение структурных составляющих.

Изделия сложных форм предварительно подогревают. Для этого их два-три раза опускают на несколько минут в соляные ванны или держат короткое время в печах, нагретых до температур +400…500°C. Период выдержки определяется габаритами изделия и их количеством в печи. Все части изделия должны прогреваться равномерно.

• Таблица температур закалки различных марок стали

• Марка	Температура, °C	Марка	Температура, °C
  15Г	800	50Г2	805
  65Г	815	40ХГ	870
  15Х, 20Х	800	3Х13	1050
  30Х, 35Х	850	35ХГС	870
  40Х, 45Х	840	30ХГСА	900
  50Х	830

• Температуру нагрева измеряют с помощью пирометров – контактных и бесконтактных, инфракрасных приборов.

Охлаждение

Для охлаждения используется вода – чистая или с растворенными в ней солями, щелочные растворы. Для легированных сталей используется обдув или охлаждение в минмаслах. В изотермических и ступенчатых процессах для охлаждения используются расплавы солей, щелочей и металлов. Такие среды могут чередоваться между собой.

Отпуск

В зависимости от необходимой температуры отпуск осуществляется в масляных, щелочных или селитровых ваннах, печах с принудительной циркуляцией воздушных потоков, горячем песке.

Низкий отпуск, проводимый при +150…+200°C,служит для устранения внутренних напряжений, некоторого повышения пластичности и вязкости без существенного ухудшения твердости. Низкий отпуск востребован для измерительного и металлообрабатывающего инструмента, других деталей, которые должны сочетать твердость и устойчивость к износу.

Для быстрорежущих сталей отпуск осуществляют при температурах +550…580°C. Такую процедуру называют вторичным отвердением, поскольку она приводит к дополнительному росту твердости.

Возможные дефекты после закалки

Нагрев, выдержку, охлаждение и отпуск стали осуществляют в соответствии с технологическими картами, разработанными специалистами. Нарушение разработанного и утвержденного техпроцесса и/или неоднородность структуры заготовки могут стать причиной появления различных дефектов. Среди них:

• Неравномерный нагрев и/или охлаждение. Приводят к деформациям и образованию трещин, неоднородному составу и неоднородным механическим характеристикам.
• Пережог. Возникает из-за проникновения кислородных молекул в металлическую поверхность. В результате образуются оксиды, изменяющие рабочие характеристики поверхностного слоя. Этот дефект возникает из-за выгорания из стали углерода, вызванного избыточным количеством кислорода в печи.
• Попадание в масляную охлаждающую ванну воды. Это нарушение техпроцесса приводит к появлению трещин на изделии.

Все перечисленные выше дефекты являются неисправимыми.