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

Термообработка металла – это обязательный процесс в металлургии. Благодаря правильно проведенной термической обработке стали можно добиться улучшения тех или иных механических характеристик изделия.

На эту тему можно говорить довольно долго. Давайте разберемся с вами, что же представляет собой закалка стали, для чего она нужна и какова технология.

На первый взгляд все это может показаться крайне сложным, однако если разобраться более подробно, это не так.

Немного общих сведений

Закалка представляет собой процесс изменения кристаллической решетки стали и ее сплавов путем достижения критической температуры, которая для каждого материала своя. Как правило, при достижении необходимого температурного порога следует резкое охлаждение. В качестве охлаждающей жидкости может выступать вода или масло, но об этом более подробно мы поговорим немного позже.

Стоит заметить, что для инструментальных сталей чаще применяется неполная закалка. Суть ее заключается в том, что достигается температура, при которой образуются избыточные фазы.

Цветные металлы подвергаются термообработке без полиморфного превращения, а сталь – с полиморфным превращением.

Снятие закалки

Отпуск – технологический процесс охлаждения изделия, суть которого заключается в получении более пластичного и менее хрупкого материала. При этом прочность стараются сохранить на прежнем уровне. Для этого изделие помещают в печь с температурой от 150 до 650 градусов, где она постепенно остывает. Существует три вида отпуска:

• Низкотемпературный – придает обрабатываемому изделию высокую износостойкость, однако такая сталь хуже воспринимает динамические нагрузки. Процесс протекает под температурой 260 градусов. Низкотемпературному отпуску подвергаются изделия из низколегированных и углеродистых сталей (режущие и измерительные инструменты).
• Среднетемпературный – протекает при температуре от 350 до 500 градусов. Чаще всего используется отпуск пружин, рессор, штампов и т. п. Такое изделие будет обладать хорошей упругостью и выносливостью.
• Высокотемпературный отпуск протекает при температуре 500-680 градусов. После окончания процесса изделие будет обладать высокой прочностью и пластичностью. Высокотемпературный отпуск подходит для дальнейшего изготовления деталей, воспринимающих большие нагрузки (зубчатое колесо, вал и т.п.).

Закалка стали в домашних условиях

Если у вас появилась необходимость повысить прочность домашнего инструмента, то вовсе не обязательно бежать к кузнецу, ведь можно обойтись собственными силами. Для этого вам понадобится минимум оборудования и знаний. В качестве примера давайте возьмем топор.

Если изделие было изготовлено еще в СССР, то можете быть уверены в том, что оно сделано на совесть. Однако современные топоры качеством не блещут. Заминание или выкрашивание свидетельствует о том, что технология закалки не была соблюдена.

Но ничто нам не мешает все сделать самостоятельно.

Для этого разжигаем костер с углями. Последние должны быть как можно белей. Это говорит об их высокой температуре. Предварительно подготовьте две емкости. Одну наполните маслом, можно обычной отработкой машинного, вторую чистой холодной водой. Когда кромка станет малинового цвета, топор нужно доставать.

Для удержания можно использовать кузнечные клещи или что-то в этом роде. Быстро окунаете топор в масло и держите три секунды, затем на столько же достаете и опять окунаете. Так нужно делать до потери яркого цвета. После окунаете топор в воду, не забывайте ее помешивать. На этом закалка стали в домашних условиях закончена.

А сейчас пойдем дальше.

Подробно о нагреве металла

Весь процесс закалки условно можно разделить на три этапа:

• нагрев стали;
• выдержка – необходима для завершения всех структурных превращений и сквозного прогрева;
• охлаждение (скорость регулируется).

Если говорить об изделиях, изготовленных из углеродистых сталей, то их закалка осуществляется в камерных печах. При этом не требуется предварительный подогрев, что обусловлено устойчивостью материала к короблению и растрескиванию. Сложные изделия, к примеру резкие переходы и тонкие грани, требуют предварительного подогрева. Это делают:

• в соляных печах с 3-хкратным погружением на 3-4 секунды;
• в отдельных печах при температуре 400-500 градусов по Цельсию.

Нужно понимать, что технология подразумевает равномерный нагрев. Если за один подход это обеспечить нельзя, то необходима выдержка для сквозного прогрева. Чем больше изделий находится в печи, тем дольше необходимо их греть. К примеру, одна дисковая фреза диаметром 2,4 см требует выдержки 13 минут, а десяток таких же изделий, необходимо нагревать уже 18 минут.

Способы закалки стали

В настоящее время активно используется:

• Закалка в одном охладителе. Суть ее заключается в том, что изделие помещается в закалочную жидкость, где оно и находится до полного своего охлаждения. Такую закалку можно реализовать в домашних условиях.
• Закалка в двух средах – метод подходит для обработки углеродистых сталей. Суть метода заключается в том, что деталь сначала погружается в воду (быстро охлаждающая среда), а затем в масло.
• Струйчатая – суть метода в том, что обрабатываемая деталь обрызгивается струей воды. Такой способ закалки используют тогда, когда необходимо закалить только часть детали. Кроме того, не образуется паровая рубашка, что увеличивает эффективность.
• Ступенчатая – охлаждение стали осуществляется в закалочной среде при температуре выше мартенситной. После этого идет выдержка. На этом этапе деталь должна иметь одинаковую температуру во всех сечениях, которая должна соответствовать температуре закалочной ванны.

Защита изделия от внешних воздействий

Довольно часто возникает необходимость защиты деталей от таких вредных воздействий, как окалина и потеря углерода.

Для этого чаще всего используют специальные газы, которые подают в печь, где находится обрабатываемая деталь. Конечно, это возможно только при полной герметизации печи.

В большинстве случаев источником газа является специальный генератор, который работает на углеводородных газах (метан, аммиак и др.).

В любом случае полная закалка стали должна проходить под защитой. Если газ подвести не получается, то имеет смысл использовать герметичную тару. В качестве герметика используется глина, которая не дает проходить воздуху внутрь. Перед этим желательно осыпать деталь чугунной стружкой.

Соляные ванны

Полная или поверхностная закалка стали должна проходить в соляных ваннах. Они защищают обрабатываемое изделие от окисления, однако не от обезуглероживания. По этой простой причине они подвергаются раскислению бурой или кровяной солью несколько раз за 8-12 часов.

Соляные ванны, функционирующие при температуре 760-1000 градусов, эффективно раскисляются древесным углем. Для этого необходимо стакан, имеющий много отверстий, заполнить просушенным древесным углем. Затем стакан закрывают крышкой во избежание всплытия угля и опускают на дно соляной ванной. С течением времени количество языков пламени постепенно уменьшается.

По сути, чем больше таких раскислений приходится на одно изделие, тем лучше будет защита от обезуглероживания.

Необходимо периодически проверять степень раскисления. Для этого берут обычное стальное лезвие и кладут его на 5-7 минут в ванну. Если оно будет ломаться, а не гнуться, то ванна считается достаточно раскисленной. Стоит заметить, что некоторые виды закалки стали не нуждаются в выполнении подобных мероприятий.

Охлаждающие жидкости

Несложно догадаться, что в качестве основной жидкости для охлаждения стальных изделий используют воду. При этом, добавляя соль или мыло, можно изменять скорость охлаждения детали.

Были зарегистрированы случаи, когда закалочный бак использовался не по назначению, скажем для мытья рук.

Количество попавшего мыла было достаточно для того, чтобы процесс охлаждения прошел не так, и изделие не получило требуемых свойств.

Чтобы деталь охлаждалась равномерно по всей поверхности, температура в баке не должна быть меньше 20 и выше 30 градусов. Кроме того, нельзя использовать проточную воду.

Есть существенные недостатки такого охлаждения, которые заключаются в растрескивании и короблении изделия.

Поэтому водяное охлаждение чаще всего используют для несложных неответственных деталей и инструментов, или имеющих цементированное покрытие. Под водяным охлаждением проходит закалка углеродистой стали.

Охлаждение конструкционной и легированной стали

Конструкционная сталь более качественная, а большая часть изделий имеет сложную конфигурацию.

Для охлаждения используют 50% раствор каустической соды, которую предварительно разогревают до температуры 50-60 градусов.

После закалки в таком растворе детали будут иметь светлый цвет, что говорит о том, что технология была соблюдена. Важно не перегреть раствор каустической соды выше 60 градусов.

Легированная сталь закаляется в минеральном масле. Это же касается и очень тонких изделий из углеродистой стали, например кромок режущих инструментов. Ключевой особенностью данного метода является то, что скорость охлаждения не зависит от температуры масла. Так, процесс будет протекать одинаково как при 20, так и при 120 градусах.

О температуре отпуска

Структура стали после закалки может несколько отличаться, в зависимости от выбранной температуры отпуска. Но нужно понимать, что температура должна выбираться в зависимости от марки стали.

К примеру, если нужно получить изделие твердостью 60 HRC, то отпуск проводят при температуре не выше 200 градусов. В этом случае замечается небольшое снижение твердости и уменьшение внутренних напряжений.

А вот быстрорежущая сталь должна отпускаться при температуре не ниже 540 градусов. При этом можно говорить о существенном увеличении твердости изделия.

Заключение

Температура закалки стали никогда не должна превышать 1 300 градусов, что считается критическим порогом. Цвет изделия при достижении этой точки будет белый, а нормальный – обычно красный или малиновый. Минимальная температура закалки стальных деталей 550 градусов. При этом изделие будет ярко-красного цвета.

Кстати, стоит заметить, что закалка нержавеющей стали проходит под температурой в 1050-1080 градусов в воде. Механические свойства изделия по окончании процесса характеризуются тем, что несколько понижается прочность и твердость, но значительно увеличивается пластичность и вязкость.

На этом можно заканчивать разговор на данную тему. Как вы видите, для получения необходимых механических свойств, важно соблюдать технологию, ведь малейшие отклонения приводят к нежелательным результатам.

Источник: https://www.syl.ru/article/166872/new_zakalka-stali-temperatura-vidyi-i-sposobyi

Закалка сталей

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

Мартенсит и мартенситное превращение в сталях

Мартенсит — это пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе (α-Fe). Что такое аустенит, цементит, феррит и перлит читаем здесь. При нагреве эвтектоидной стали (0,8 % углерода) выше точки А1, исходная структура перлит превратится в аустенит. При этом в аустените растворится весь углерод, который имеется в стали, т. е. 0,8 %.

Быстрое охлаждение со сверхкритической скоростью (см. рисунок ниже), например в воде (600 °С/сек), препятствует диффузии углерода из аустенита, но кристаллическая ГЦК решетка аустенита перестроится в тетрагональную решетку мартенсита. Данный процесс называется мартенситным превращением.

Он характеризуется сдвиговым характером перестройки кристаллической решетки при такой скорости охлаждения, при которой диффузионные процессы становятся невозможны. Продуктом мартенситного превращения является мартенсит с искаженной тетрагональной решеткой.

Степень тетрагональности зависит от содержания углерода в стали: чем его больше, тем больше степень тетрагональности. Мартенсит — это твердая и хрупкая структура стали. Находится в виде пластин, под микроскопом выглядит, как иглы.

Температура закалки для большинства сталей определяется положением критических точек А1 и А3. На практике температуру закалки сталей определяют при помощи марочников сталей. Как выбрать температуру закалки стали с учетом точек Ас1 и Ас3 читаем по ссылке.

Микроструктура стали после закалки

Для большинства сталей после закалки характерна структура мартенсита и остаточного аустенита, причем количество последнего зависит от содержания углерода и качественного и количественного содержания легирующих элементов. Для конструкционных сталей среднего легирования количество остаточного аустенита может быть в пределах 3-5%. В инструментальных сталях это количество может достигать 20-30%.

Вообще, структура стали после закалки определяется конечными требованиями к механическим свойствам изделия. Наряду с мартенситом, после закалки в структуре может присутствовать феррит или цементит (в случае неполной закалки). При изотермической закалке стали ее структура может состоять из бейнита. Структура, конечные свойства и способы закалки стали рассмотрены ниже.

Частичная закалка стали

Частичной называется закалка, при которой скорости охлаждения не хватает для образования мартенсита и она оказывается ниже критической. Такая скорость охлаждения обозначена синей линией на рисунке. При частичной закалке как-бы происходит задевание «носа» С-кривой стали. При этом в структуре стали наряду с мартенситом будет присутствовать троостит в виде черных островковых включений.

• 
• Микроструктура стали с частичной закалкой выглядит примерно следующим образом
• 
• Частичная закалка является браком, который устраняется полной перекристаллизацией стали, например при нормализации или при повторном нагреве под закалку.

Неполная закалка сталей

Закалка от температур, лежащих в пределах между А1 и А3 (неполная закалка), сохраняет в структуре доэвтектоидных сталей наряду с мартенситом часть феррита, который снижает твердость в закаленном состоянии и ухудшает механические свойства после отпуска.

Это понятно, так как твердость феррита составляет 80НВ, а твердость мартенсита зависит от содержания углерода и может составлять более 60HRC. Поэтому данные стали обычно нагревают до температур на 30–50 °С выше А3 (полная закалка). В теории, неполная закалка сталей не допустима и является браком.

На практике, в ряде случаев для избежания закалочных трещин, неполная закалка может использоваться. Очень часто это касается закалки токами высокой частоты. При такой закалке необходимо учитывать ее целесообразность: тип производства, годовую программу, тип ответственности изделия, экономическое обоснование.

При этом происходит рост зерна аустенита, что также негативно сказывается на механических характеристиках стали.

Таким образом, оптимальной закалкой для доэвтектоидных сталей является закалка от температуры на 30–50 °С выше А3, а для заэвтектоидных – на 30–50 °С выше А1.

Скорость охлаждения также влияет на результат закалки. Оптимальной охлаждающей является среда, которая быстро охлаждает деталь в интервале температур минимальной устойчивости переохлажденного аустенита (в интервале носа с-кривой) и замедленно в интервале температур мартенситного превращения.

Стадии охлаждения при закалке

1. Наиболее распространенными закалочными средами являются вода различной температуры, полимерные растворы, растворы спиртов, масло, расплавленные соли.

   При закалке в этих средах различают несколько стадий охлаждения:

2. — пленочное охлаждение, когда на поверхности стали образуется «паровая рубашка»;
3. — пузырьковое кипение, наступающее при полном разрушении этой паровой рубашки;
4. — конвективный теплообмен.

5. Более подробно про стадии охлаждения при закалке можно прочитать в статье «Характеристики закалочных масел» 

Кроме жидких закалочных сред используется охлаждение в потоке газа разного давления. Это может быть азот (N2), гелий (Не) и даже воздух.

Такие закалочные среды часто используются при вакуумной термообработке. Здесь нужно учитывать факт возможности получения мартенситной структуры — закаливаемость стали в определенной среде, т. е. химический состав стали от которого зависит положение с-кривой.

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

Источник: https://HeatTreatment.ru/zakalka-stalej

Как осуществляется закалка и отпуск стали

Закалка и отпуск стали проводятся с целью придания сплаву максимальной твердости, прочности и упругости.

Обработанный металл обладают лучшими свойствами, чем обыкновенный материал, лучше переносит работу в неблагоприятных условиях и в агрессивных средах.

Основной способ закалки состоит в нагревании стали до определенной температуры и поддержании достигнутого уровня в течение установленного времени, а затем резком охлаждении материала. Это позволяет подготовить металл к последующей эксплуатации.

Структура стали после закалки приобретает аустенитный вид. Это означает, что атомы углерода внедряются в кристаллическую решетку железа, что придает сплаву максимальную устойчивость связей и, как следствие, повышенную прочность на износ.

Такой способ обработки является одним из самых дешевых методов продления эксплуатационного цикла использования стальных изделий.

Он не требует применения дорогостоящих материалов, которые внедряют в сплав для улучшения физических и химических свойств.

Закалка стали производится на том же оборудовании, что и выплавка, поэтому нет необходимости в покупке новых производственных линий или открытии дополнительных заводов. Этот метод был открыт человечеством еще в древние времена.

Кузнецы, изготавливая различные изделия, нагревали их при помощи простейших плавильных печей, а затем резко опускали в емкость с холодной водой. Это делало продукцию намного прочнее.

Современные виды закалки стали сделали огромный скачок в плане технологий, но суть осталась прежней.

Режимы закалки сталей

Существует несколько режимов закалки сталей. Каждый режим используется для обработки металла под конкретную отрасль производства. Все способы имеют свои достоинства и недостатки, и на текущий момент нет какого-либо универсального метода, лишенного слабых сторон. Поэтому рассмотрим все варианты.

Первый подразумевает закалку углеродистой стали с применением одного охладителя. Это самый простой способ, так как не требует соблюдения каких-либо особых условий. Его недостатком является очень сильное закалочное напряжение, которое испытывает металл при обработке.

Если неправильно рассчитать температурный режим, то закалка может привести к разрушению сплава.

Ступенчатая закалка применяется для небольших предметов. Она делается в несколько этапов.

На первом горячее изделие помещают в расплав солей или металлов, который имеет температуру на 50 градусов выше точки начала мартенситного превращения.

А когда температуры сплава и среды уравняются, сталь переносят в воду, где она окончательно остывает. Этот метод дает очень хорошие результаты, но требует дополнительных затрат на создание технологических условий.

Изотермическая закалка также подразумевает использование в качестве охлаждающей среды не воды или масла, а расплава солей или щелочей. Но в отличие от предыдущего метода здесь материал проходит полный цикл охлаждения в расплаве.

Твердость стали после закалки такого типа является наивысшей, так как аустенит переходит в состояние цементита.

Это означает, что атомы углерода еще более глубоко внедряются в структуру железа, создавая очень прочные межмолекулярные связи.

Последний способ — закалка с самоотпуском. Он подразумевает, что нагретую деталь помещают в охлаждающую среду, но не дают ей полностью остыть.

Изделие вынимают из охладителя, вследствие чего поверхность снова нагревается за счет сохраненной внутренней теплоты. Такой способ позволяет получать особый вид стали, который сочетает твердость на поверхности и вязкость внутри.

Все перечисленные режимы закалки стали используются в равной мере в зависимости от необходимости.

Частичная закалка стали

Также существуют методы частичной закалки одного изделия, когда определенная часть должна быть тверже остального металла. В частности такой обработке подвергается лезвие катаны и многих других режущих инструментов.

Для правильной закалки очень важным условием является соблюдение правильного температурного режима на всех технологических этапах.

Его выбор зависит от марки обрабатываемой стали и процентном соотношении различных примесей в сплаве.

Температура закалки стали должна быть на 30-50 градусов выше точки мартенситного превращения.

Такой уровень позволяет достичь оптимальной активности атомов углерода, которые начинают перемещаться и внедряться в железо на межмолекулярном уровне.

Быстрое охлаждение используется, чтобы сохранить этот эффект, так как при постепенной потере температуры углерод постепенно возвращается в исходное состояние и закалка не сохраняется.

Кроме перечисленных режимов существуют также отдельные виды обработки. Один из них — это поверхностная закалка стали. Она подразумевает обработку лишь верхних слоев металла без манипуляций с внутренним строением. Технология абсолютно идентична полной закалке, но необходимость нагрева лишь поверхностного слоя заставляет корректировать способы.

Способы повехностной закалки стали

Существует 4 основных метода поверхностной закалки: с индукционным нагревом при помощи высокочастотного тока, с электроконтактным нагревом, с нагревом при помощи газопламенных горелок и закалку при помощи использования электролитического раствора. Для обработки мелких деталей зачастую используют последний метод.

Для средних изделий применяются первые два, а для крупногабаритных элементов лучше всего подходит нагрев при помощи газовых горелок. Для охлаждения используют те же жидкости, что и при полной закалке.

В редких случаях, для особо крупных конструкций применяются газовые холодильные установки. И последний вид обработки называется неполной закалкой стали.

Он подразумевает медленное охлаждение нагретого материала, в результате чего часть атомов углерода успевают покинуть молекулярную сетку железа и вернуться к нормальному состоянию.

Таким образом, образуется частично закаленный металл. Такой тип обработки применяется, когда необходимо специально оставить в структуре материала слабые места. Этот подход используется в автомобильной промышленности для создания так называемой контролируемой деформации при аварии. Он разработан специально для уменьшения травматизма пассажиров и снижения количества смертельных случаев.

Источник: https://promplace.ru/obrabotka-metallov-staty/zakalka-stali-1515.htm

Закалка стали 45

Слово «термообработка» для обывателей не ново. Все прекрасно понимают, для чего она необходима. Повышение прочности стали.

Но почему так происходит? Какие процессы протекают в металле в этот момент? Большинство пожимает плечами.

Если Вы хотите понять, что такое термообработка, узнать в чем разница между отжигом и отпуском, и почему закалка стали 45 производится в масле, а не в воде, то тогда эта статья для Вас.

Общие сведения о термической обработке

Термообработка – это последовательность процессов нагревания, выдержки и охлаждения, направленных на изменение сталью механических свойств.

Улучшения свойств металла происходит за счет трансформации внутренней структуры. После осуществления термической обработки сталь может находиться в 2-х состояниях: устойчивом и неустойчивом.

Устойчивое состояние характеризуется полным завершением всех протекающих процессов в стали. Неустойчивое, соответственно, наоборот, когда на сталь еще воздействуют факторы, мешающие стабилизации внутренних напряжений. Ярким примером является химическая неоднородность закаленной стали.

Для большего понимания процессов, происходящих в стали во время термообработки, введем несколько понятий о структуре металла. Под этим понимается размер внутренних зерен и их положение относительно друг друга. Каждой структуре соответствует определенная температура и определенное содержание углерода.

Основные их виды и свойства, которыми они обладают:

• Феррит – твердый раствор железа с углеродом и небольшой долей других химических элементов. Ферромагнитен. Ферритная сталь обладает высокой тепло- и электропроводимостью. Пластична. Твердость порядка 70-140 единиц по шкале Бринелля.
• Цементит – неустойчивое соединение углерода с железом. Очень тверд и хрупок (НВ 790-810). Не поддается намагничиванию.
• Перлит – фазовый раствор феррита и цементита. На его механические свойства в первую очередь оказывает влияние расстояние между фазами. Чем они ближе, тем сталь прочнее. Твердость находится в пределах 160-230 НВ, при относительном удлинении 9-12%.
• Мартенсит – перенасыщенная физико-химическая смесь углерода и железа. Значение его механических характеристик зависит от количества углерода в составе. Мартенситная сталь с концентрацией 0,2% С обладает твердостью около 35 HRC. При 0,6% твердость составляет 60 HRC.
• Аустенит – твердый раствор углерода в железе. Аустенитная сталь парамагнитна и пластична. Относительное удлинение составляет 42%.

Сам процесс термообработки включает в себя:

• Закалка.
• Отжиг.
• Нормализация.
• Отпуск.

Отжиг

Процесс отжига состоит из нагревания, выдержки и медленного охлаждения в печной среде.

Существует две его основные разновидности:

• Отжиг первого рода, при котором структура в сталях не претерпевает изменений.
• Отжиг второго рода, сопровождающийся трансформациями структурных зон.

Каждая из представленных видов термообработки имеет определенное назначение.

Отжиг первого рода выполняет следующие технологические задачи:

• Выравнивание химсостава стали. При обработке металла давлением ликвация становится причиной образования изломов и микротрещин. Для уменьшения их вероятности появления сталь нагревают до 1250 ºС и выдерживают ее при такой температуре на протяжении 8-15 ч.
• Увеличение обрабатываемости стали давлением. Термообработка проходит при 670 ºС с выдержкой 40-120 мин. Отжиг увеличивает зерна феррита, что положительно влияет на пластичность.
• Уменьшение остаточных напряжений, возникших после технологической обработки сталей: резание, сварка и прочее. Для этого сталь выдерживают при 500-620 ºС на протяжении двух часов.

Отжиг второго рода измельчает зерна стали и способствует образованию структуры феррит+перлит. Как результат, происходит увеличение механических свойств. Температура нагрева для стали 45 составляет 780-830 ºС.

Отжиг второго рода считается подготовительной термообработкой. Его проводят перед операциями резания для повышения обрабатываемости металла.

Нормализация

Это процесс нагревания стали и последующее охлаждение на воздухе, в результате которого происходит измельчение крупнозернистой структуры.

Если сравнивать с отжигом, то нормализация дает в среднем на 10% выше показатель вязкости и прочности. Причина этого кроется в охлаждении на воздухе, которое способствует разложению аустенитных фаз в нижней зоне температур. Как следствие, наблюдается увеличение перлита, что и является причиной повышения механических свойств.

Нормализация — альтернатива закалке и высокому отпуску. Конечно, на выходе механические свойства получаются ниже, но и сама нормализация менее трудоемка. К тому же, по сравнению с закалкой она вызывает меньшие тепловые деформации детали.

Отпуск

Это термообработка, которая всегда проводится на заключительном этапе. Она включает в себя нагревание закалённой стали до температурной точки трансформации перлита в аустенит и дальнейшее ее охлаждение. С его помощью механические характеристики сталей доводятся до требуемых значений.

Помимо этого, в задачу отпуска входит снятие напряжений, оставшихся после закалки.

Отпуск подразделяется на 3 типа по температуре нагрева:

• Низкий отпуск. Проводится при 230-260 ºС. Способствует упрочнению с одновременным снижением внутренней напряженности. Закаленная сталь 45 после низкого отпуска обладает твердостью 55-60 HRC.
• Средний отпуск. Температура нагревания 340-550 ºС. Позволяет достичь наиболее высокого значения упругих свойств. Из-за этого в основном применяется при изготовлении пружин. Твердость находится на уровне 45-52 HRC.
• Высокий отпуск. Выполняется при 550 ºС. Снимает внутренние напряжения после закаливания.

Механические свойства уменьшаются, но значение их при этом не меньше, чем после нормализации и отжига. Также происходит увеличение ударной вязкости. Самой оптимальной термообработкой с точки зрения соотношения вязкости и прочности считается закалить сталь, а после провести высокий отпуск.

Закалка

Представляет собой процесс нагрева  до температуры на 20-40 ºС выше точки растворения феррита в аустените и последующее быстрое охлаждение в воде или масле.

Образование значительных внутренних напряжений при закалке не позволяет ей быть окончательной термообработкой. Обычно за ней следует отпуск или нормализация.

В результате нагрева сталь получает аустенитную структуру, которая, охлаждаясь, переходит в мелкоигольчатый мартенсит.

Закалка стали 45 осуществляется при 840-860 ºС.

• Если сталь закалить, не достигнув значения требуемой температуры, то в результате останутся ферритные зоны, чье присутствие значительно снижает прочность металла.
• Если сталь 45 закалить при температуре выше 1000 ºС, это спровоцирует увеличение зерна мартенсита, что влечет за собой ухудшение вязкости и повышение риска образования трещин.
• Нагрев сталей под закалку осуществляется в электропечах периодического или непрерывного действия.
• Время нагрева зависит от:

• Химсостава стали.
• Формы и габаритов деталей.

Чем больше размеры и содержание углерода, тем большее количество времени необходимо для нагрева стали.

После нагревания стали идет ее выдержка при заданной температуре. Это необходимо для выравнивания неоднородности аустенита.

При сильном перегреве сталь начинает вступать в реакцию с печными газами. Это может повести за собой процессы окисления и обезуглероживания.

Окисление – химический процесс взаимодействия кислорода с железом. Оно отрицательно сказывается на свойствах стали, является причиной снижения качества поверхности и окалин.

Обезуглероживание возникает как следствие химической реакции углерода с водородом и кислородом. Как следствие, образуя такие соединения как угарный газ и метан. Полученные газы уносят вместе с собой с поверхности стали молекулы углерода, вызывая тем самым резкое снижение прочности.

Защитой стали от окисления и обезуглероживания служит осуществление нагревания в вакууме или расплавленной соли.

В качестве закалочных сред применяется вода или масло.

Вода обладает большой скоростью охлаждения, но она резко падает при увеличении температуры. Также недостатком воды является возникновение значительных напряжений и, соответственно, коробление деталей.

Разная сталь имеет разную закаливаемость, т.е. способность увеличивать прочность посредством закалки. Как правило, чем выше концентрация углерода, тем выше закалочные свойства.

Закалка ТВЧ

Если сталь закалить таким образом, то она будет лучше справляться с переменной и ударной нагрузкой. Закалка ТВЧ считается разновидностью поверхностной закалки, основная задача которой получение более прочного наружного слоя, сохраняя при этом вязкость сердцевины. 

Нагрев под закалку ТВЧ осуществляют в индукционных печах, используя ток высокой частоты. Принцип данной термообработки заключается в неравномерном нагреве сечения изделия. Плотность тока на наружней части стали значительно выше в сравнении с сердцевиной. Основная часть тепла приходится на поверхность, соответственно, именно в этой зоне и происходит упрочнение.

Охлаждение осуществляется непосредственно в печи специальными распрыскивающими устройствами. После закалки обычно требуется отпуск для выравнивания тепловых напряжений.

Структура стали в результате всех этих операций получается неоднородной. Верхний закалённый слой полностью состоит из мартенсита, а нетронутая сердцевина из феррита. Прочность глубинного слоя повышается предварительным проведением нормализации.

Преимущества закалки ТВЧ:

• Повышенная производительность.
• Сталь изолирована от влияния окисления и обезуглероживания.
• Возможность регулировать толщину закаленного слоя. Чем частота токов выше, тем глубина закалки меньше.
• Автоматизация процесса.

Источник: https://prompriem.ru/stati/zakalka-stali-45.html

Закалка стали: описание процесса термообработки, температуры и виды закалки, способы охлаждения и дефекты

Без термообработки в работе с металлами не обойтись. Оттого насколько правильно была проведена термическая обработка зависят качественные характеристики металлического изделия. Его прочность и долговечность в службе. В этой статье вы сможете узнать как правильно проводить термообработку (закалку) стальных изделий

Закалка стали

Закаливание является операцией по термической обработке металла. Она состоит из нагревания металла до критической температуры, при которой изменяется кристаллическая решетка материала, либо до температуры, при которой происходит растворение фазы в матрице, существующей при низкой температуре.

Важно понимать:

• После достижения критической температуры металл подвергается резкому охлаждению.
• После закаливания сталь приобретает структуру мартенсита (по имени Адольфа Мартенса) и поэтому обретает твердость.
• Благодаря закаливанию прочность стали повышается. Металл становится еще тверже и более износостойким.
• Следует различать обычную закалку материала и закалку для получения избытка вакансий.

Режимы закалки различаются по скорости протекания процесса и температуре нагревания. А также имеются различия по длительности выдержки при данном температурном режиме и скорости охлаждения.

Выбор температуры для закалки

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

Закалка бывает двух видов:

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.

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.

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.

Характеристики стали: закаливаемость и прокаливаемость

Не следует смешивать важные характеристики стали — закаливаемость и прокаливавемость.

Закаливаемость

Эта характеристика говорит о способности стали к обретению твердости после закаливания. Существуют виды стали, которые плохо поддаются закалке и после процесса термообработки сталь становится недостаточно твердой. Про такой материал говорят — «не принял закалку».

Способность к твердости у мартенсита связана со степенью искаженности его кристаллической решетки. Меньшее содержание углерода в мартенсите способствует меньшим искажениям в кристаллической решетки, а, значит, твердость стали будет ниже. Если в стали содержится углерода менее 0.3%, то у такого сплава закаливаемость низкая, и обычно такие сплавы не подвергаются закалке.

Прокаливаемость

Эта характеристика может сказать о том, насколько глубоко сталь закалилась. При закаливании поверхность стальной детали остывает быстрее нежели сердцевина.

Это происходит потому что поверхность находится в непосредственном контакте с жидкостью для охлаждения, которая отнимает тепло.

А центральная часть стальной детали отдает свое тепло через толщу металла и поверхность, где ее и поглощает охлаждающая жидкость.

На прокаливаемость влияет критическая скорость закаливания — чем она (скорость) ниже, тем глубже прокаливается сталь. К примеру, крупнозернистая сталь, у которой небольшая критическая скорость закалки, прокаливается глубже, чем мелкозернистая сталь, у которой высокая критическая скорость закалки.

Глубина прокаливаемости зависит от исходной структуры закаливаемого сплава, температуры нагрева и закалочной среды. Прокаливаемость стали определяется по излому, микроструктуре и твердости.

Виды закалки стали

Способов закаливания металла существует множество. Их выбор обусловлен составом стали, характером изделия, необходимой твердостью и условиями охлаждения. Часто используется ступенчатая, изотермическая и светлая закалка.

Закаливание в одной среде

Обратившись к графику кривых охлаждения для различных способов закалки, можно видеть, что закалке в одной среде соответствует кривая 1. Выполнять такое закаливание просто.

Однако, подойдет она не для каждой стальной детали. Из-за быстрого понижения температуры у стали переменного сечения в температурном интервале возникает температурная неравномерность и большое внутреннее напряжение.

От этого стальная деталь может покоробиться и растрескаться.

Рисунок №2. Кривые охлаждения.

Большое содержание углерода в стальных деталях может вызвать объемные изменения структурных напряжений, а это, в свою очередь, грозит появлением трещин.

Закаливание в двух средах (на рисунке №2 это кривая 2) применяется для инструментов, изготовленных из высокоуглеродистой стали. Сам метод состоит в том, что сталь вначале охлаждается в воде до 300-400 градусов, после чего ее переносят в масляную среду, где она прибывает пока полностью не охладится.

Ступенчатая закалка

При ступенчатом закаливании (кривая 3) стальная деталь помещается вначале в соляную ванну.

Температура самой ванны должна быть выше температуры, при которой происходит мартенситное превращение (240–250 градусов). После соляной ванны сталь перемешают в масло, либо на воздух.

Используя ступенчатою закалку можно не бояться, что деталь покоробится или в ней образуются трещины.

Недостаток такой закалки заключает в том, что ее можно применять лишь для заготовок из углеродистой стали с небольшим сечением (8–10 мм). Ступенчатая закалка может применяться для деталей из легированной стали с большим сечением (до 30 мм).

Изотермическая закалка

Изотермическому закаливанию на графике соответствует кривая 4. Закаливание проводится аналогично ступенчатой закалке. Однако, в горячей ванне сталь выдерживается дольше.

Это делается так, чтобы вызвать полный распад аустенита. На схеме выдержка показывается на S-образной линии точками a и b. Сталь, прошедшая изотермическую закалку, может охлаждаться с любой скоростью.

Средой охлаждения могут служить расплавленные соли.

Преимущества изотермического закаливания:

• сталь почти не поддается короблению;
• не появляются трещины;
• вязкость.

Светлая закалка

Для проведения такого закаливания требуется специально оборудованная печь, снабженная защитной средой. На производстве, чтобы получить чистую и светлую поверхность у закаленной стали следует использовать ступенчатую закалку. После нее сплав охлаждается в расплавленной едкой щелочи.

Перед процессом закалки стальная деталь нагревается в соляной ванне из хлористого натрия с температурой на 30–50 градусов выше точки Ас1 (см «Схему критических точек»). Охлаждение детали проходит в ванне при 180–200 градусов.

Охлаждающей средой служит смесь состоящая из 75% смесь едкого калия, 25% едкого натрия, в которую добавляется 6–8% воды (от веса соли).

Закалка с самоотпуском

Применяется при производстве инструментальной стали. Основная идея закалки заключается в изъятии стальной детали из охлаждающей среды до момента ее полного охлаждения. Изъятие происходит в определенный момент. В сердцевине стальной детали сохраняется определенное количество тепла. За его счет и производится последующий отпуск. После того как за счет внутреннего тепла стальное изделие достигнет нужной температуры для отпуска, сталь помещают в закалочную жидкость, для окончательного охлаждения.

• Р исунок №3 — Т аблица побежалости.
• Отпуск контролируется по цветам побежалости (см рисунок №3), которая формируется на гладкой поверхности металла при 220–330 градусах.
• При помощи закалки самоотпуском изготавливаются кувалды, зубила, слесарные молотки и другие инструменты, от которых требуется высокая твердость на поверхности с сохранением внутренней вязкости.

Способы охлаждения при закаливании

При быстром охлаждении стальных изделий при закалке существует угроза возникновений больших внутренних напряжений, что приводит к короблению материала, а иногда и трещинам. Для того чтобы этого избежать там, где возможно, стальные детали лучше охлаждать в масле. Углеродистую сталь, для которой такое охлаждение невозможно, лучше охлаждать в воде.

Кроме среды охлаждения на внутренне напряжение изделий из стали влияет, каким образом они погружаются в охлаждающую среду. А именно:

• изделия, имеющие толстую и тонкую часть, лучше погружать в закалочную жидкость сначала объемистой частью;
• если изделие имеет вытянутую форму (сверла, метчики), нужно погружать строго вертикально, в противном случае они могут покоробиться.

Иногда требуется закалить не всю деталь, а только ее часть. Тогда применяется местная закалка. Изделие нагревается не полностью, зато в закалочную жидкость погружают всю деталь.

Дефекты при закаливании стали

1. Недостаточная твердость. Возникает если была низкая температура нагрева, малая выдержка при рабочей температуре или имело место недостаточная скорость охлаждения. Можно исправить: применить более энергичную среду; сделать отжиг, а затем закалить.
2. Перегрев. Происходит если стальная деталь нагревается до температуры, превышающей допустимую. При перегреве образуется крупнозернистая структура, что приводит к хрупкости детали. Можно исправить: с помощью отжига и закалки при нужной температуре.
3. Пережог. При нагреве стальной детали до высокой температуры, близкой к температуре плавления (1200–1300 градусов) в окислительной атмосфере. Внутрь стальных изделий проникает кислород, по границам зерен формируются окислы. Такая сталь не исправляется.
4. Окисление и обезуглероживание. В этом случае на поверхности стальных деталей образуются окалины (окислы), а в поверхностных слоях стали выгорает углерод. Этот брак исправить невозможно. Для предупреждения брака следует пользоваться печами с защитной атмосферой.
5. Коробление и трещины. Возникают из-за внутренних напряжений. Трещины — это неисправимый брак. Коробление можно удалить при помощи рихтовки или правки.

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.

• Николай Иванович Матвеев
• Распечатать

Источник: https://stanok.guru/metalloobrabotka/termoobrabotka-metalla/zakalka-stali-process-termoobrabotki.html

Продукция — Техмашхолдинг — группа компаний, официальный сайт

При сильном нагреве практически все материалы изменяют свои физические характеристики. В некоторых случаях нагрев проводится целенаправленно, так как подобным образом можно улучшить некоторые эксплуатационные качества, к примеру, твердость. Термическая обработка на протяжении многих лет используется для повышения твердости поверхности стали. Выполнять закалку следует с учетом особенностей металла, так как технология повышения твердости поверхности создается на основании состава материала. В некоторых случаях провести закалку можно в домашних условиях, но стоит учитывать, что сталь относиться к труднообрабатываемым материалам и для придания пластичности нужно проводить сильный нагрев до высоких температур при помощи определенного оборудования. В данном случае рассмотрим особенности нагрева стали 40Х для повышения пластичности и проведения закалки или отпуска.Круг из стали 40Х

Сталь 40Х

Как ранее было отмечено, для правильного проведения закалки и отпуска стали следует учитывать ее состав и многие другие особенности. Выбрать правильно режимы термической обработки можно с учетом следующей информации:

1. Рассматриваемая сталь относится к конструкционной легированной группе. Легированная группа характеризуется содержанием большого количества примесей, которые определяют изменение эксплуатационных качеств, в том числе твердости.
2. Используется в промышленности при создании валов, осей, штоков, оправок, реек, болтов, втулок, шестерней и других деталей.
3. Показатель твердости до проведения термической обработки HB 10-1 = 217 Мпа.
4. Температура критических точек определяет момент, при котором сталь 40Х начинает терять свои качества из-за термической обработки: c1= 743 , Ac3(Acm) = 815 , Ar3(Arcm) = 730, Ar1 = 693.
5. При температуре отпуска 200 °С HB = 552.

Расшифровка стали 40Х говорит о том, что в составе материала находится 0,40% углерода и 1,5% хрома.Скачать ГОСТ 4543-71 «Прокат из легированной конструкционной стали 40Х»

Процесс закалки

Процесс обработки высокой температурой стали 40Х и иного сплава называют закалкой. Стоит учитывать, что нагрев выполняется до определенной температуры, которая была определена путем многочисленных испытаний. Время выдержки, после которого проводится охлаждение, а также другие моменты можно узнать из специальных таблиц. Провести нагрев в домашних условиях достаточно сложно, так как в рассматриваемом случае нужно достигнуть температуры около 800 градусов Цельсия.

Химический состав стали 40ХРезультатом сильного нагрева и выдержки металла 40Х на протяжении определенного времени с последующим резким охлаждением в воде становится повышение твердости и уменьшение пластичности. При этом результат зависит от нижеприведенных показателей:

1. скорости нагрева металла 40Х;
2. времени выдержки;
3. от скорости охлаждения.

При проведении работы в домашних условиях следует учитывать температуру обработки и время охлаждения.Механические свойства стали 40Х в зависимости от температуры отпускаПри выборе метода разогрева поверхности следует обратить внимание на ТВЧ. Этот метод более популярен, чем обычная объемная обработка по причине достижения необходимой температуры за более короткое время.

В домашних условиях ТВЧ используется крайне редко. После проведения работы при использовании ТВЧ повышается эксплуатационная прочность детали, что связано с появлением поверхностных сжимающих напряжений.Провести закалку 40Х на примере изделия болта М24 можно следующим образом:

1. разогревается электропечь;
2. следует провести разогрев до 860 °C, для чего в некоторых случаях необходимо 40 минут;
3. время, необходимое для аустенизации, после которого проводится охлаждение, составляет 10-15 минут. Равномерный желтый цвет изделия – признак правильного прохождения процесса закалки 40Х;
4. завершающим этапом становится охлаждение в ванной с водой или другой жидкостью.

Определить самостоятельно момент, после которого следует охладить металл, в промышленных и домашних условиях невозможно. Именно поэтому по проведенным исследованиям было принято, что для нагрева металла в электропечах необходимо 1,5-2 минуты на один миллиметр, после чего структура может быть перегрета.

Определение твердости проводится по методу Роквелла. Улучшение, проведенное путем отпуска или закалки, можно измерить при помощи обозначения HRC. Стандартное обозначение HR, к которому проводится добавление буквы в соответствии с типом проведенного испытания. Обозначение HRC наиболее часто встречается, последняя буква означает использование алмазного конуса с углом 1200 при испытании.

Отпуск и нормализация

Отпуск проводится непосредственно сразу после завершения закалки, так как есть большая вероятность возникновения трещин в структуре. Разогревается изделие в этом случае до точки ниже критической, проводится выдерживание на протяжении определенного промежутка времени и выполняется охлаждение. Отпуск обеспечивает улучшение структуры, устраняет напряжение и повышает пластичность, устраняет хрупкость стали 40Х.

Механические свойства стали 40Х в зависимости от температуры отпускаРазличают три вида рассматриваемой термообработки:

1. Низкий отпуск определяет разогрев поверхности до 250 °С с выдержкой и охлаждение на воздухе. Применяется для снятия напряжений и незначительного повышения пластичности практически без потери твердости. В случае конструкционного сплава применяется крайне редко.
2. Средний отпуск позволяет нагревать изделие до 500 °С. В этом случае вязкость значительно повышается, а твердость снижается. Используют этот метод термообработки при получении пружин, рессор и некоторого инструмента.
3. Высокий позволяет раскаливать деталь до 600 °С. В этом случае происходит распад мартенсита с образованием сорбита. Подобная структура представлена лучшим сочетанием прочности и пластичности. Также повышается показатель ударной вязкости. Используют этот метод термообработки для получения деталей, применяемых при ударных нагрузках.

Еще одним видом распространенной термообработки является нормализация. Зачастую нормализация проводится путем разогрева металла до верхней критической точки с последующей выдержкой и охлаждением в обычной среде, к примеру, на открытом воздухе. Проводят нормализацию для придания мелкозернистой структуры, что приводит к повышению пластичности и ударной вязкости.

Источник: https://pellete.ru/stal/temperatura-zakalki-i-otpuska-stalej-tablica.html