Зачем нужна и как проводится закалка стали. Какие стали подвергаются закалке?

Этот метод используется при производстве инструментальной стали. Суть этого метода заключается в вытягивании стального изделия из охлаждающей среды до полного охлаждения. После этого процесса тепловая энергия сохраняется в толще металла. Эта энергия фактически используется для дальнейшего упрочнения.

Закалка стальных деталей

Закалка — это широко используемая технология термической обработки стальных изделий. По сути, он включает в себя нагрев металла до тех пор, пока его температура не достигнет критического значения, при котором изменяется кристаллическая структура или фаза растворения начинает растворяться в матрице, сформированной при низких температурах. Затем металл резко охлаждается. Это придает стали игольчатую микроструктуру, называемую мартенситом. Это явление повышает твердость и износостойкость сплава.

Наиболее важными критериями для классификации процессов закалки на типы являются температура нагрева и скорость процесса. Существуют также различия в таких параметрах, как:

временной интервал выдержки при определенных температурных показателях;
скорость процедуры охлаждения.

В целом, существует два типа закалки по критерию «температура нагрева». Давайте кратко рассмотрим их.

Закалка полная

Сталь, закаленная осаждением, упрочняется путем полной возрастной закалки. Его нагревают так, чтобы конечная температура превышала критическую точку Ac3 на 30°-50°. В этот момент феррито-цементитная смесь полностью превращается в аустенит. Дальнейшее охлаждение приводит к образованию преимущественно мартенситной микроструктуры.

Закаливание неполное

Неполная закалка обычно используется для инструментальных сталей. Цель этого вида термообработки — нагреть заготовку до тех пор, пока не начнут образовываться избыточные фазы. В этом случае необходимо поддерживать данный температурный диапазон:

Т – температура нагрева;
Ac1, Ac2 – критические точки. В первой (+727°С) начинается перекристаллизация – перлит трансформируется в аустенит. Во второй(+768°С) α-Fе переходит в β-Fе и сталь утрачивает магнитные свойства.

При соблюдении этого диапазона температур в структуре мартенсита после закалки стали останется определенное количество феррита.

Неполная возрастная закалка заэвтектоидного сплава лучше всего достигается при нагреве изделия до температуры на 20°C-30°C выше, чем Ac1. В этом случае при нагревании и охлаждении не происходит трансформации цементита. Это приводит к увеличению твердости мартенсита. Напротив, если температура нагрева выходит за пределы указанного выше диапазона, это свойство может ухудшиться.

Особенности охлаждения

Известно, что аустенит наименее стабилен при 550°C≤650°C. Мартенситная структура формируется при ускоренном охлаждении сплава до того, как температура войдет в этот диапазон. Когда температура опускается ниже +240°C, медленное охлаждение приводит к мартенситному превращению. Такое инженерное решение означает, что напряжения, возникающие в металлическом корпусе, успевают выровняться. Это делается без снижения твердости образующегося мартенсита.

Успешная термообработка требует правильного выбора закалочной среды. Наиболее часто используемыми средствами являются:

минеральное закалочное масло;
водный раствор поваренной соли (NаСl+Н₂О) либо едкого натра (NаОН);
собственно, вода.

Закалку стали с легирующими добавками лучше всего проводить с маслом. Для углеродистых сплавов рекомендуется закалка водой.

Характеристики стали

В контексте данной темы сталь имеет две важные характеристики.

Закаливаемость

Эта характеристика указывает на степень, в которой сталь может стать твердой после процесса закалки. Существуют сплавы, свойства которых при такой термообработке существенно не изменяются, т.е. твердость остается на недостаточном уровне. Такой металл называется «нереактивным к закалке».

Металлургия объясняет высокую твердость углеродистого мартенсита деформацией его кристаллических ячеек. Этот фактор затрудняет пластическую деформацию материала. Степень твердости увеличивается с увеличением количества углерода. В цифровом выражении это выглядит следующим образом: Значение этого параметра, который определяется по методу Роквелла с помощью содержания углерода (С) в стали, находится на определенном уровне:

Однако дальнейшее увеличение содержания углерода в сплаве не приводит к значительному увеличению значения твердости. Это показано на графике. В нем используются следующие символы:

поз. «1» – температура разогрева превышает точку Ac3;
поз. «2» – температура разогрева изделия составляет 770°С, что выше только точки Ac1;
поз. «3» – показатель твердости мартенсита.

Сплавы с содержанием углерода менее 0,3% обычно не подвергаются закалке из-за низкого значения твердости.

Прокаливаемость

Эта характеристика является показателем глубины твердости стали. Во время этого процесса сердцевина заготовки охлаждается медленнее, чем поверхность. Это происходит благодаря прямому контакту внешнего слоя с теплоносителем, который поглощает тепловую энергию. Это не относится к центральной части. Тепло передается через толщу металла к поверхности, где поглощается той же охлаждающей жидкостью.

Закаливаемость — это свойство, которое возникает в результате критической скорости закалки. Этот термин относится к самой низкой скорости недозамораживания среди всех структурных превращений из аустенита в мартенсит. Глубина закалки обратно пропорциональна этому параметру. Другими словами, чем ниже скорость вышеуказанного процесса, тем глубже закалка металла. Это проявляется в сплавах с крупными и мелкими зернами. Первые затвердевают более глубоко, чем вторые, поскольку имеют более низкую критическую скорость.

Свойства стали после закалки

После закалки твердость и прочность стали увеличиваются, но внутренние напряжения и хрупкость возрастают, так что материал может разрушиться при сильном механическом напряжении. На поверхности заготовки образуется толстый слой соли, который необходимо учитывать при определении припуска на обработку.

Осторожно. Некоторые заготовки закаливаются лишь частично, например, режущая кромка инструмента или острого оружия. В этом случае на поверхности заготовки имеется четкая граница, отделяющая закаленную часть от незакаленной. Закаленная часть лезвий называется «хамон», что на современном металлургическом языке означает «мартенсит».

Определение. Мартенсит является основным компонентом структуры стали после закалки. Природа этой микроструктуры игольчатая или решетчатая.

Чтобы уменьшить внутренние напряжения и повысить пластичность, следующим этапом процесса термообработки является закалка. При закалке наблюдается некоторое снижение твердости и прочности.

Флизелиновые обои: преимущества и недостатки. Обои флизелиновые что это.

Технология закалки

Закалка определяется температурой, временем выдержки, скоростью охлаждения и используемой охлаждающей средой.

Способы закалки стали:

в одном охладителе – применяется при работе с деталями несложной конфигурации из углеродистых и легированных сталей;
прерывистый в двух средах – востребован для обработки высокоуглеродистых марок, которые сначала остужают в быстро охлаждающей среде (воде), а затем в медленно охлаждающей (масле);
струйчатый – обычно востребован при частичной закалке изделия, осуществляется в установках ТВЧ и индукторах обрызгиванием детали мощной струей воды;
ступенчатый – процесс, при котором деталь остывает в закалочной среде, приобретая во всех точках сечения температуру закалочной ванны, окончательное охлаждение осуществляют медленно;
изотермический – похож на предыдущий вид закалки стали, отличается от него временем пребывания в закалочной среде.

Типы охлаждающих сред

Конечный результат процесса во многом зависит от выбора охлаждающей среды.

Внимание: Этот метод охлаждения не следует использовать для деталей сложной формы из-за риска образования трещин.

Предупреждение. Комбинированное охлаждение подходит для углеродистых сталей со сложной химической структурой. Комбинированный процесс охлаждения состоит из двух фаз. Первый процесс охлаждения заключается в охлаждении в воде, а второй, после +200°C, — в охлаждении в масляной ванне. Переход от одной охлаждающей среды к другой должен быть очень быстрым.

Какие стали можно закаливать?

Процессы закалки и отпуска не применимы к прокату из низкоуглеродистых сталей, таких как 10, 20, 25. Этот вид термообработки подходит для углеродистых сталей (45, 50) и инструментальных сталей, твердость которых при этом повышается в три-четыре раза.

Таблица типов закалки и применения для конкретных инструментальных сталей

Для какого инструмента он используется?

Температура закалки, °C

Охлаждающая среда для закаливания

Среда закалки Среда закалки Среда закалки

Молотки, кувалды, плотницкие инструменты

Классификация каления стали

Существуют различные типы отверждения, в зависимости от типа источника нагрева и метода охлаждения. Наиболее важным оборудованием для нагрева деталей перед закалкой являются маховые печи, которые могут равномерно нагревать металлические изделия любых размеров. Высокая скорость нагрева при поточном производстве достигается путем закалки токами высокой частоты (индукционная закалка сталей) (см. рисунок ниже). Газопламенная закалка, которая является достаточно недорогой и эффективной, используется для закалки верхних слоев стальных изделий, основным недостатком которой является невозможность точной регулировки глубины нагрева. Эти недостатки преодолевает лазерная закалка, но ее производительность ограничена низкой мощностью источника излучения. Процессы охлаждения закаленных заготовок обычно различают в зависимости от типа охлаждающей среды, а также суммарных и циклических процессов. Некоторые из них включают операции закалки, другие, например, различные виды изотермической закалки, этого не требуют.

Закаливание в одной среде

При этом виде закалки стальное изделие, нагретое до определенной температуры, помещают в жидкость, в которой оно остается до охлаждения. В качестве закалочной среды используется вода для углеродистых сталей и минеральное масло для легированных сталей. Недостатком этого метода является то, что после такой закалки в металле остаются значительные напряжения и может потребоваться дальнейшая термическая обработка (закалка).

Ступенчатая закалка

Закалка происходит в два этапа. Первый этап происходит, когда заготовка помещается в среду с температурой на несколько десятков градусов выше начальной точки мартенсита. После выравнивания температуры по всему металлу заготовка медленно охлаждается, и в металле формируется равномерная мартенситная структура.

Изотермическая закалка

При изотермической закалке заготовка также находится в закалочной ванне при температуре выше точки мартенсита, но немного выше. В результате аустенит превращается в байянит, разновидность троозита. Эта сталь сочетает в себе высокую прочность с пластичностью и вязкостью. Кроме того, после изотермической закалки снимаются остаточные напряжения в заготовке.

Закалка с самоотпуском

Этот вид термообработки используется для закалки ударных инструментов, которые должны иметь твердый поверхностный слой и вязкую сердцевину. Особенность заключается в том, что заготовка еще не выходит из закалочного горшка полностью охлажденной. В этом случае внутренняя часть еще содержит достаточно тепла, чтобы нагреть весь объем металла до температуры закалки. Поскольку повторное нагревание изделия происходит за счет внутренней тепловой энергии без внешнего воздействия, этот тип термообработки называется самозакаливанием.

Светлая закалка

Легкая закалка используется для стальных изделий, которые не нужно окислять во время термической обработки. При такой обработке сталь нагревается в вакуумных печах (см. фото ниже) или в среде инертного газа (азот, аргон и т.д.) и охлаждается в неокисляющих жидкостях или расплавах. Этот процесс используется для закалки изделий, не требующих дальнейшего шлифования, и для деталей, критичных с точки зрения содержания углерода в их поверхностном слое.

Оборудование для термообработки сталей

Основные машины, используемые для закалки стали и цветных металлов, состоят из двух основных групп: Нагреватели заготовок и закалочные ванны. Отопительное оборудование включает в себя следующие виды оборудования:

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

Первые три типа могут нагревать весь объем изделия до нужной температуры, в то время как последние нагревают только поверхностный слой металла. Кроме того, широко производятся и используются печи для закалки металлов, в которых нагрев происходит в вакууме или под инертным газом. SEARCH Индукционный Нагреватель на AliExpress от 7 506 руб → Закалочные ванны представлены стальными резервуарами-охладителями для различных жидкостей, а также специальными графитовыми тиглями и печами для плавления солей или металлов. В качестве закалочных жидкостей обычно используются минеральное масло, вода и смеси воды с полимерами. Свинец или олово обычно используются для расплавов металлов, а соединения натрия, калия и бария — для расплавов солей. Ванны для отверждения жидких сред имеют системы для нагрева и охлаждения жидкой ванны до нужной температуры, а также мешалки для равномерного распределения жидкости и разрушения паровой рубашки.

Плюсы и минусы, разновидности силиконовых шлангов для полива сада и огорода, советы по выбору. Какую температуру выдерживает силиконовый шланг?

Температура для закалки

Нормальная температура нагрева стали в процессе закалки напрямую зависит от массовой доли углерода и легирующих добавок. В целом, чем ниже содержание углерода, тем выше температура закалки. Недогрев не дает изделию достаточно времени для формирования необходимой структуры, а сильный перегрев приводит к обезуглероживанию, окислению поверхностного слоя, изменению формы и размеров структурных элементов и увеличению внутренних напряжений. В таблице ниже приведены температуры закалки, отжига и отпуска для некоторых углеродистых и легированных сталей.

Марка стали	Температура, °C
закалки	отжига	отпуска
15Г	800	780	200
65Г	815	790	400
15Х, 20Х	800	870	400
30Х, 35Х	850	880	450
40Х, 45Х	840	860	400
50Х	830	830	400
50Г2	805	830	200
40ХГ	870	880	550
ОХ13	1050	860	750
3Х13	1050	880	450
35ХГС	870	860	500
30ХГСА	900	860	210
У7, У7А	800	780	170
Р9, Р12	1250	860	580
Р9Ф5, Р9К5	1250	860	590
Р18Ф2	1300	900	590
ШХ15	845	780	400
9ХС	860	730	170
Р18К5Ф2	1280	860	580
1Х14Н18Б2БРГ	1150	860	750
4Х14Н1482М	1200	860	750

Определение температуры отжига в промышленном производстве осуществляется с помощью контактных и бесконтактных пирометров. В последние десятилетия инфракрасные пирометры стали наиболее широко используемым средством измерения температуры в любой точке поверхности нагреваемого компонента. Кроме того, по цветовым диаграммам можно определить приблизительную температуру нагрева стали.

Виды

В одной среде

Этот метод на первый взгляд прост. Компонент нагревается до определенной температуры. Затем его погружают в жидкость и оставляют там до полного охлаждения. Углеродистая и низколегированная сталь обычно закаливается в технической воде. Легированный металл традиционно закаливают в масле. Технологи добиваются равномерной прочности по всей поверхности заготовки. Это достигается за счет относительного перемещения конструкции в среде, в которой она находится.

При механическом позиционировании это движение достигается за счет циркуляции. При ручном перемещении необходимо перемещать заготовку. Скорость перемещения и другие детали обработки выбираются таким образом, чтобы материал не деформировался.

Описанная методика подходит для легированной стали, охлаждаемой высокими температурами.

Ступенчатая

В этом случае металл также нагревается до температуры закалки. Тогда разница очевидна: охлаждение происходит в относительно горячей среде, обычно при температуре 180-250 градусов Цельсия. Предпринимается попытка установить нагрев выше, чем требуется для мартенситного превращения. В такой ситуации нагрев поверхности детали и охлаждающей жидкости быстро уравновешивают друг друга. Если охлаждение продолжается, образуется мартенсит.

Преобразование происходит синхронно по всей массе детали. Это минимизирует риск возникновения стрессов. Последующее охлаждение может происходить даже на открытом воздухе. Недостатком пошагового метода является то, что он, как правило, не подходит для больших структур. Это потребует очень длительного времени экспозиции, что несет риск нежелательных структурных изменений.

Изотермическая

Методологически этот подход не имеет существенных отличий от пошагового отверждения. Цель — добиться распада аустенита и образования более низкого байенита. Углеродистые стали не часто закаливают изотермической обработкой, поскольку она не дает особых преимуществ по сравнению с другими процессами. Однако для легированных сталей это способ достижения сбалансированного уровня прочности и вязкости. Предел прочности стали будет выше, чем в мартенситном случае.

Однако массовое применение 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.

С самоотпуском

После нагрева с помощью этого процесса структуры помещаются в закалочную среду. Там они должны храниться до полного охлаждения. Когда деталь удаляется, температура внешних слоев снова начинает повышаться. Необходимое тепло поступает изнутри компонента. Эта функция называется самообменом. Он используется в тех случаях, когда необходимо одновременно повысить твердость поверхностного слоя и прочность основной зоны.

Необходимое оборудование

Мы уже говорили о некоторых его разновидностях — вертикальных печах. Однако иногда требуется другое оборудование и технические системы. В дополнение к печам требуется специальная закалочная ванна. Он оборудован таким образом, что можно постоянно контролировать тепловые условия и точно оценивать их соблюдение. Дизайн ванн разных компаний мало отличается друг от друга, в основном из-за разных размеров.

Функциональное пространство ванны преимущественно прямоугольное, но встречаются и цилиндрические модели. Толщина варьируется в зависимости от предполагаемого максимального времени лечения. Контур аэрации играет важную роль, поскольку без него токсичные вещества не удалялись бы. Теплообменник устраняет хаотичные колебания температуры полимеризационной жидкости и поддерживает стабильность всего процесса. Теплообменник может принудительно вентилироваться вентилятором, но иногда отвод тепла осуществляется за счет циркуляции с помощью компрессора.

Для ВЧ-отверждения используется современная индукционная машина. Катушка представляет собой виток, намотанный вокруг медной трубки. Геометрия катушки определяется только конфигурацией и размером детали. Заготовка вращается на шипах, что требует как зажимного механизма, так и двигателя для управления процессом.

Независимо от метода отверждения, термометрия, конечно же, должна постоянно контролироваться дистанционно.

Температура

Выбор режима работы и уровня нагрева очень индивидуален — но это не значит, что все требования можно игнорировать. В большинстве случаев сталь сначала нагревают до аустенитного состояния. Чтобы обеспечить соответствующее преобразование, несмотря на возможные примеси, нагрев должен быть на 30-50 градусов выше расчетной точки. Перегрев выше Ac3 также нецелесообразен, так как рост аустенитных зерен сделает материал хрупким. Непрактично и даже вредно нагревать углеродистые стали в аустенитной фазе.

Как выкрутить сорванный винт или шуруп. Как открутить сорванный винт.

Сплав снова подвергается закалке с учетом критических точек. Однако при большом количестве компонентов отделки очень сложно выбрать оптимальный режим. Если легированная сталь содержит много карбидов, ее необходимо нагревать намного выше критических точек, иногда до 1000 градусов и более. Только когда карбиды расплавятся и содержащиеся в них легирующие добавки перейдут в аустенит, можно добиться хороших результатов. Температура, при которой происходит неполное затвердевание, — это значение, при котором сохраняется избыток цементита. Этот метод подходит для эвтектоидных сталей, но может быть использован и для других сплавов.

Задачи упрочнения

Все инструменты и детали машин, изготовленные из тяжелой углеродистой стали, и почти все детали машин, изготовленные из легированных сталей, подвергаются закалке и отпуску.

Основная цель закалки инструментальной стали – добиться высокой твердости. Режущие свойства инструмента прямо пропорциональны твердости металла.
Большинство деталей машин проходят закалку для достижения высокой износостойкости. Чем выше твердость, тем выше износостойкость и стойкость к истиранию. Например, шпиндели, шестерни, валы, кулачки и так далее.
Основной целью упрочнения деталей машин, изготовленных из конструкционных сталей перлитного класса, является достижение высокого предела текучести с хорошей вязкостью и пластичностью, чтобы допускать более высокие рабочие напряжения. Но более высокий предел текучести (и предел прочности) с хорошей ударной вязкостью и пластичностью достигается не в процессе закалки, а после высокотемпературного отпуска закаленных сталей.

Технология закалки стали обычно применяется к готовым изделиям, а не к сырью. Это делается по нескольким причинам. Во-первых, закалка целого блока стали неэкономична, так как большая часть стали удаляется в процессе обработки. Кроме того, сталь гораздо труднее обрабатывать после закалки, поскольку твердость металла затрудняет проникновение инструмента.

Микроструктура металла после упрочнения

Большинство сталей характеризуется мартенситной и сохраняющейся аустенитной структурой после закалки, а количество аустенита напрямую связано с количеством углерода и качественным и количественным присутствием легирующих элементов. Инструментальные стали содержат около 20-30 % сохранившегося аустенита; умеренно легированные конструкционные стали содержат от 3 до 5 %. Структура закаленных сталей определяется механическими и физическими требованиями к изделию. Вместе с мартенситом в структуре может присутствовать феррит или цементит. После изотермической закалки в структуре может присутствовать инденит. Методы закалки, структура стали и конечные свойства описаны ниже.

Стали при высоких температурах претерпевают различные фазовые превращения в своей структуре, включая изменения состава и кристаллической решетки. Температура закалки 723 градуса — это критическая температура для металла, при которой (еще в твердом состоянии) цементит распадается и равномерно образуется железоуглерод (аустенит); это начальное состояние для закалки.

При медленном охлаждении аустенит распадается, и металл возвращается к своей первоначальной структуре. При быстром охлаждении стали, которая была нагрета и выдержана при высоких температурах, аустенит не успевает измениться, поэтому при предельной температуре и определенной скорости охлаждения происходит процесс формирования кристаллической решетки и химического состава, который придает металлу желаемые свойства.

Существуют различные способы закалки стали:

Закаливание и отпуск

Закалка, также называемая мартенситным превращением, включает в себя нагрев стали выше критической температуры в области аустенита, выдержку при этой температуре и последующее быстрое охлаждение. Для доэвтектических сплавов (содержание углерода менее 0,9 %) температура нагрева на 30-50 ºC выше линии растворимости аустенита. Для заэвтектоидных сталей (содержание углерода выше 0,9 % C) температура выше заэвтектоидной. Закалка вызывает мартенситное превращение, которое значительно упрочняет сплав. Однако закаленная сталь очень хрупкая, поэтому ее закаливают для снятия внутренних напряжений и уменьшения хрупкости. Максимальная твердость достигается, когда скорость охлаждения достаточно высока, чтобы вызвать полное мартенситное превращение.

Изотермическое упрочнение

Изотермическая закалка — это процесс термической обработки, который придает стали структуру цианита. Она используется для повышения твердости, прочности и пластичности и уменьшения чрезмерных напряжений в детали. Детали нагреваются до температуры аустенитизации, затем относительно быстро охлаждаются до температуры выше температуры зарождения мартенсита (Ms) и выдерживаются там достаточно долго для достижения желаемой микроструктуры бианита. Изотермическая закалка в основном используется для средне- и высокоуглеродистых сталей в диапазоне твердости 35-55 HRC, когда требуется пластичность, с дополнительным преимуществом снижения удлинения. Этот процесс широко используется в автомобильной промышленности для изготовления тормозных суппортов и других деталей, где требуется максимальная пластичность.

Изотермическая закалка состоит из следующих процессов:

Нагрев до температуры в диапазоне аустенизации.
Охлаждение в ванне (раствор соли или масло) при постоянной температуре — обычно в диапазоне 260-370 ° C.
Выдержка в течение времени, достаточном для завершения превращения бейнита.
Остужение до комнатной температуры.