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. Для других марок стали используется полная закалка. В этом случае температура нагрева увеличивается на 50 градусов. 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. В случае если все будет сделано правильно, пусть даже в домашних условиях, вы заметите существенные изменения в положительную сторону.

Термическая обработка сталей — одна из самых важных операций в машиностроении, от правильного проведения которой зависит качество выпускаемой продукции. Закалка и отпуск сталей являются одними из разнообразных видов термообработки металлов.

Тепловое воздействие на металл меняет его свойства и структуру. Это позволяет повысить механические свойства материала, долговечность и надежность изделий, а также уменьшить размеры и массу механизмов и машин. Кроме того, благодаря термообработке, для изготовления различных деталей можно применять более дешевые сплавы.

Как закалялась сталь

Термообработка стали заключается в тепловом воздействии на металл по определенным режимам ля изменения его структуры и свойств.

К операциям термообработки относятся:

• отжиг;
• нормализация;
• старение;
• закалка стали и отпуск стали (и пр.).

Термообработка стали: закалка отпуск — зависит от следующих факторов:

• температуры нагрева;
• времени (скорости) нагрева;
• продолжительности выдержки при заданной температуре;
• скорости охлаждения.

Закалка

Закалка стали — это процесс термообработки, суть которого заключается в нагреве стали до температуры выше критической с последующим быстрым охлаждением. В результате этой операции повышаются твердость и прочность стали, а пластичность снижается.

При нагреве и охлаждении сталей происходит перестройка атомной решетки. Критические значения температур у разных марок сталей неодинаковы: они зависят от содержания углерода и легирующих примесей, а также от скорости нагрева и охлаждения.

После закалки сталь становится хрупкой и твердой. Поверхностный слой изделий при нагреве в термических печах покрывается окалиной и обезуглероживается тем более, чем выше температура нагрева и время выдержки в печи. Если детали имеют малый припуск для дальнейшей обработки, то брак этот является неисправимым. Режимы закалки закалки стали зависят от ее состава и технических требований к изделию.

Охлаждать детали при закалке следует быстро, чтобы аустенит не успел превратиться в структуры промежуточные (сорбит или троостит). Необходимая скорость охлаждения обеспечивается посредством выбора охлаждающей среды. При этом чрезмерно быстрое охлаждение приводит к появлению трещин или короблению изделия. Чтобы этого избежать, в интервале температур от 300 до 200 градусов скорость охлаждения надо замедлять, применяя для этого комбинированные методы закалки. Большое значение для уменьшения коробления изделия имеет способ погружения детали в охлаждающую среду.

Нагрев металла

Все способы закалки стали состоят из:

• нагрева стали;
• последующей выдержки для достижения сквозного прогрева изделия и завершения структурных превращений;
• охлаждения с определенной скоростью.

Изделия из углеродистой стали нагревают в камерных печах. Предварительный подогрев в этом случае не требуется, так как эти марки сталей не подвергаются растрескиванию или короблению.

Сложные изделия (например, инструмент, имеющий выступающие тонкие грани или резкие переходы) предварительно подогревают:

• в соляных ваннах путем двух-или трехкратного погружения на 2 – 4 секунды;
• в отдельных печах до температуры 400 – 500 градусов по Цельсию.

Нагрев всех частей изделия должен протекать равномерно. Если это невозможно обеспечить за один прием (крупные поковки), то делаются две выдержки для сквозного прогрева.

Если в печь помещается только одна деталь, то время нагрева сокращается. Так, например, одна дисковая фреза толщиной 24 мм нагревается в течение 13 минут, а десять таких изделий – в течение 18 минут.

Защита изделия от окалины и обезуглероживания

Для изделий, поверхности которых после термообработки не шлифуются, выгорание углерода и образование окалины недопустимо. Защищают поверхности от подобного брака применением , подаваемых в полость электропечи. Разумеется, такой прием возможен только в специальных герметизированных печах. Источником подаваемого в зону нагрева газа служат генераторы защитного газа. Они могут работать на метане, аммиаке и других углеводородных газах.

Если защитная атмосфера отсутствует, то изделия перед нагревом упаковывают в тару и засыпают отработанным карбюризатором, стружкой (термисту следует знать, что древесный уголь не защищает инструментальные стали от обезуглероживания). Чтобы в тару не попадал воздух, ее обмазывают глиной.

Соляные ванны при нагреве не дают металлу окисляться, но от обезуглероживания не защищают. Поэтому на производстве их раскисляют не менее двух раз в смену бурой, кровяной солью или борной кислотой. Соляные ванны, работающие на температурах 760 – 1000 градусов Цельсия, весьма эффективно раскисляются древесным углем. Для этого стакан, имеющий множество отверстий по всей поверхности, наполняют просушенным углем древесным, закрывают крышкой (чтобы уголь не всплыл) и после подогрева опускают на дно соляной ванны. Сначала появляется значительное количество языков пламени, затем оно уменьшается. Если в течение смены таким способом трижды раскислять ванну, то нагреваемые изделия будут полностью защищены от обезуглероживания.

Степень раскисления соляных ванн проверяется очень просто: обычное лезвие, нагретое в ванне в течение 5 – 7 минут в качественно раскисленной ванне и закаленное в воде, будет ломаться, а не гнуться.

Охлаждающие жидкости

Основной охлаждающей жидкостью для стали является вода. Если в воду добавить небольшое количество солей или мыла, то скорость охлаждения изменится. Поэтому ни в коем случае нельзя использовать закалочный бак для посторонних целей (например, для мытья рук). Для достижения одинаковой твердости на закаленной поверхности необходимо поддерживать температуру охлаждающей жидкости 20 – 30 градусов. Не следует часто менять воду в баке. Совершенно недопустимо охлаждать изделие в проточной воде.

Недостатком водяной закалки является образование трещин и коробления. Поэтому таким методом закаливают изделия только несложной формы или цементированные.

• При закалке изделий сложной конфигурации из конструкционной стали применяется пятидесятипроцентный раствор соды каустической (холодный или подогретый до 50 – 60 градусов). Детали, нагретые в соляной ванне и закаленные в этом растворе, получаются светлыми. Нельзя допускать, чтобы температура раствора превышала 60 градусов.

Режимы

Пары, образующиеся при закалке в растворе каустика, вредны для человека, поэтому закалочную ванну обязательно оборудуют вытяжной вентиляцией.

• Закалку легированной стали производят в минеральных маслах. Кстати, тонкие изделия из углеродистой стали также проводят в масле. Главное преимущество масляных ванн заключается в том, что скорость охлаждения не зависит от температуры масла: при температуре 20 градусов и 150 градусов изделие будет охлаждаться с одинаковой скоростью.

Следует остерегаться попадания воды в масляную ванну, так как это может привести к растрескиванию изделия. Что интересно: в масле, разогретом до температуры выше 100 градусов, попадание воды не приводит к появлению трещин в металле.

Недостатком масляной ванны является:

1. выделение вредных газов при закалке;
2. образование налета на изделии;
3. склонность масла к воспламеняемости;
4. постепенное ухудшение закаливающей способности.

• Стали с устойчивым аустенитом (например, Х12М) можно охлаждать воздухом, который подают компрессором или вентилятором. При этом важно не допускать попадания в воздухопровод воды: это может привести к образованию трещин на изделии.
• Ступенчатая закалка выполняется в горячем масле, расплавленных щелочах, солях легкоплавких.
• Прерывистая закалка сталей в двух охлаждающих средах применяется для обработки сложных деталей, изготовленных из углеродистых сталей. Сначала их охлаждают в воде до температуры 250 – 200 градусов, а затем в масле. Изделие выдерживается в воде не более 1 – 2 секунд на каждые 5 – 6 мм толщины. Если время выдержки в воде увеличить, то на изделии неизбежно появятся трещины. Перенос детали из воды в масло следует выполнять очень быстро.

В зависимости от требуемой температуры отпуск производится:

• в масляных ваннах;
• в селитровых ваннах;
• в печах с принудительной воздушной циркуляцией;
• в ваннах с расплавленной щелочью.

Температура отпуска зависит от марки стали и требуемой твердости изделия, например, инструмент, для которого необходима твердость HRC 59 – 60, следует отпускать при температуре 150 – 200 градусов. В этом случае внутренние напряжения уменьшаются, а твердость снижается незначительно.

Быстрорежущая сталь отпускается при температуре 540 – 580 градусов. Такой отпуск называют вторичным отвердением, так как в результате твердость изделия повышается.

Изделия можно отпускать на цвет побежалости, нагревая их на электроплитах, в печах, даже в горячем песке. Окисная пленка, которая появляется в результате нагрева, приобретает различные цвета побежалости, зависящие от температуры. Прежде чем приступать к отпуску на один из цветов побежалости, надо очистить поверхность изделия от окалины, нагара масла и т. д.

Обычно после отпуска металл охлаждают на воздухе. Но хромоникелевые стали следует охлаждать в воде или масле, так как медленное охлаждение этих марок приводит к отпускной хрупкости.

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:

• полная;
• неполная.

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

Рисунок №1. Критические точки .

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

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

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 .

Заэвтектоидные стали, имеющие простую форму, лучше закаливать в одной среде. Для закалки более сложных форм применяется закалка в двух средах или ступенчатая закалка.

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:

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

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.

Закалка стали – один из наиболее важных процессов в термообработке металла, от которого напрямую зависит качество продукции. Плохая закалка может привести к излишней мягкости металла, перекаленная деталь, в свою очередь, становится очень хрупкой. Разберемся, от чего зависит правильная закалка.

1

Еще древние мастера, работавшие в кузнях, замечали, как тепловое воздействие в разной степени влияет на металл, меняя его структуру и свойства. С помощью термообработки можно улучшить механические характеристики детали, сделать ее более долговечной и даже уменьшить вес за счет увеличения прочности! Термообработка позволяет даже изготавливать качественные детали из более дешевых сплавов, улучшая их характеристики до нужной отметки. Закалка стали – процесс термообработки, в результате которого сталь нагревается до критической температуры и быстро охлаждается. Цель такой обработки – повышение твердости и прочности детали с уменьшением ее пластичности.

Для каждого вида закалки металла существует отдельный режим, определяющий исход процесса. Нужно учесть температуру нагрева, вычислить точное время и скорость нагрева, продолжительность выдержки детали при максимальном значении температуры, скорость охлаждения. На атомном уровне при достижении критической температуры перестраивается атомная решетка. Для разных марок стали существует своя критическая температура, в зависимости от уровня содержания углерода и примесей. Закалка делает металл твердым, но в то же время хрупким. Поверхность изделия теряет углероды и покрывается окалиной, поэтому очень важно учитывать припуск для дальнейшей обработки, иначе деталь в процессе закалки можно испортить.

Охлаждение детали должно проходить быстро, чтобы атомная структура не преобразовалась в промежуточные. При этом слишком быстрое охлаждение может привести к растрескиванию стали или короблению. Во избежание брака скорость охлаждения при достижении порога в 200 °С замедляют. Углеродистая сталь и изделия из нее прогреваются в камерных печах. Печь для закалки прогревается в среднем на 800 °С, хотя некоторые марки стали закаляются и при более высоких температурных режимах (1250–1300 °С). Эти марки не подвержены растрескиванию, поэтому в предварительном подогреве они не нуждаются. Сложные детали, которые имеют резкие переходы или тонкие грани, предварительно подогревают в отдельных печах или соляных ваннах. Температура подогрева – до 500 °С.

Очень важно обеспечить равномерный нагрев всего изделия. Часто это сделать невозможно за один подход, поэтому могут быть проделаны две выдержки. Если прогреваются несколько изделий, время увеличивается, если одно – то уменьшается. Например, одну дисковую фрезу (24 мм) будут прогревать 10–13 минут, тогда как десяток таких изделий, помещенных в печь вместе, нужно выдержать все 15–18 минут.

2

Изделия из стали могут закаливаться уже после финишной обработки, поэтому выгорание углерода и образование слоя окалины в таких случаях неприемлемо. В таком случае поверхность изделия оберегают с помощью специальных защитных газов, которые подаются в полость электропечи во время закаливания. Таким приемом возможно воспользоваться только в случае использования загерметизированных печей и достижения стабильной температуры закалки стали, иначе это становится небезопасным, поскольку генераторы защитного газа работают на углеводородных источниках, таких как метан и аммиак.

От обезуглероживания древесный уголь не защищает, а вот чугунная стружка и отработанный карбюризатор с этой задачей справятся. Применяют их в тех случаях, когда нет возможности создать защитную атмосферу. Изделия упаковывают в тару с этими компонентами и обмазывают глиной, чтобы внутрь не попадал воздух. Если металл закаляют в соляных ваннах, то ванны следует во избежание обезуглероживания раскислять не менее двух раз в течение рабочей смены борной кислотой или бурой солью, также помогает древесный уголь. В последнем случае материалом заполняют так называемый стакан, в стенках которого множество отверстий. Стакан закрывают крышкой и опускают на дно соляной ванны. При этом появляется большое количество пламени, но со временем оно затухает. В течение смены достаточно трижды раскислять ванну таким способом, чтобы избежать обезуглероживания изделий.

Удачный итог раскисления соляной ванны проверить достаточно просто. Для этого в ванну на 5–7 минут погружают обычное лезвие, после чего закаляют в воде. Если оно ломается, а не гнется под механическим воздействием, то соляную ванную удалось качественно раскислить.

3

В качестве основы для охлаждающих жидкостей используют воду. Это должна быть чистая вода без примесей соли или мыла, поскольку даже их небольшое содержание может изменить скорость охлаждения. Закалочный бак недопустимо использовать в посторонних целях, как недопустимо и охлаждать изделие под проточной водой. Оптимальной температурой охлаждающей жидкости считается 30 °С.

Водяная закалка имеет ряд недостатков. Главный минус – образование трещин и коробление металла, поэтому таким способом пользуются только при изготовлении цементированных изделий или изделий несложной формы, которые будут проходить финишную обработку.

Изделия более сложной формы из конструкционной стали охлаждаются в растворе каустической соды (50 %), который подогревают до 60 °С.

Детали, закаленные в таком растворе, имеют характерный светлый оттенок. Закалочная ванна на основе каустической соды обязательно должна быть оборудована вытяжкой, поскольку пары, образующиеся при контакте раскаленного металла и каустика, вредны для человеческого организма.

Минеральные масла – наиболее подходящая охлаждающая среда для изделий из легированной стали, как и для тонких изделий из углеродистой стали. Преимущество таких ванн состоит в том, что независимо от температуры среды скорость охлаждения не меняется. Что при температуре 30 °С, что при температуре 100 °С она будет одинакова. Главное, не допустить попадания воды в такую среду, поскольку эту приводит к растрескиванию поверхности изделия. Избежать этого можно, нагрев масло до температуры выше температуры кипения воды. Однако при использовании масляной ванны следует помнить и о недостатках данного способа. В частности, при закалке выделяются вредные газы, на изделии образуется налет, а сама среда имеет склонность к возгоранию. К тому же, со временем масло теряет закаливающие способности. Конечно же, при работе важно не забывать о безопасности – для погружения детали в охлаждающий раствор используют специальные щипцы с очень длинными ручками, руки защищают перчатки из очень толстой огнеупорной ткани или кожи, а лицо закрывает маска из закаленного стекла. Плечи, шею и грудь скрывают за кожанной или толстотканной одеждой.

Некоторые стали охлаждают потоком воздуха, который подается компрессором. Главное – не допустить попадания влаги в поток, иначе это может вызвать образование трещин. Существует и ступенчатая закалка, которая выполняется поэтапно: сначала деталь нагревается в горячем масле, затем в расплавленных солях. Еще один вид закалки – прерывистая, – используется для охлаждения сложных углеродистых сталей и деталей, производимых из этого материала. Сначала раскаленную сталь погружают в воду пока деталь не охладится до 200 °С. Длится это всего несколько секунд, если передержать изделие, оно покроется трещинами. Из воды в масло деталь стараются перенести как можно быстрее.

4

Отпуск стали – обязательное мероприятие для снятия внутренних напряжений металла. В результате несколько ухудшается твердость, но повышается пластичность. Отпуск проводится как в печах, так и в масляных и щелочных ваннах. Суть отпуска – в постепенном уменьшении температурного режима и выдерживании детали в определенной температурной среде.

Для разных марок стали существуют свои температурные режимы. Например, быстрорежущая сталь отпускается при 540 °С, тогда как изделия с твердостью HRC 59–60 отпускаются всего при 150 °С. В первом случае твердость даже повышается, во втором незначительно понижается, но изделие приобретает существенную пластичность.

Закалять и проводить отпуск можно и в домашних условиях. Для этого вполне достаточно подручных средств – электроплит, печей. Температура закалки стали не обязательно должна достигать нескольких сот градусов – даже горячий песок способен уменьшить внутреннее давление металла. Изделие перед закалкой обязательно следует очистить от посторонних материалов, например, масла или грязи. Затем нагреть докрасна, проследив, чтобы деталь нагрелась равномерно. Прогревать деталь нужно в несколько подходов, а затем охладить ее в масле и поместить в духовку, где довести температуру воздуха до 200 °С, а затем постепенно уменьшать ее до 80 °С. Длится такая процедура около часа. Охлаждают сталь как правило на воздухе, однако хромоникелевые марки следует охлаждать в масляных ваннах, поскольку они при длительном охлаждении приобретают хрупкость.

§ 21. ЗАКАЛКА И ОТПУСК

Закалка. Это процесс термической обработки, при которой сталь нагревают до оптимальной температуры, выдерживают при этой температуре и затем быстро охлаждают с целью получения неравновесной структуры. В результате закалки повышается прочность и твердость и понижается пластичность конструкционных и инструментальных сталей и сплавов. Качество закалки зависит от температуры и скорости нагрева, времени выдержки и охлаждения. Основными параметрами закалки являются температура нагрева и скорость охлаждения.
Температуру нагрева для закалки определяют по положению критических точек Ac 1 и Ас 3 . Доэвтектоидные углеродистые стали при закалке нагревают на 30-50°С выше верхней критической точки Ас 3 , а заэвтектоидные - на 30-50°С выше точки Ас 1 (рис. 41).

Рис. 41. Интервалы температур нагрева стали при закалке

Скорость нагрева и время выдержки зависят от химического состава стали, размеров, массы и конфигурации закаливаемых деталей, типа нагревательных печей и нагревательной среды. Чем больше размеры и сложнее конфигурация закаливаемых деталей, тем медленнее происходит нагрев. Детали из высокоуглеродистых и легированных сталей, имеющих пониженную теплопроводность, нагревают медленно и с более длительной выдержкой при нагреве по сравнению с деталями из низкоуглеродистых сталей. Это делается для того, чтобы уменьшить деформацию деталей при нагреве.
Скорость нагрева и продолжительность выдержки определяют экспериментально или по технологическим картам, в которых указывают температуру, время нагрева для каждого вида деталей или инструмента. Ориентировочно время нагрева в электрических печах принимают 1,5-2 мин на 1 мм сечения изделия.
Оборудованием для нагрева стали служат нагревательные термические печи и печи-ванны, которые подразделяют на электрические и топливные, обогреваемые за счет сгорания топлива (газа, мазута, угля и др.).
Средой, в которой нагревают сталь, являются в печах - газовая среда (воздух, продукты сгорания топлива), нейтральный газ; в печах-ваннах - минеральные масла, расплавленные соли и металлы.
При нагреве в электрических печах в среде атмосферного воздуха, а также в печах с газовой средой сталь, взаимодействуя со средой, окисляется и на ее поверхности образуется окалина. Кроме того, происходит обезуглероживание - частичное выгорание углерода в поверхностных слоях стали, что снижает прочностные свойства материала после закалки. Наиболее благоприятен нагрев в печах с нейтральной или защитной атмосферой, обеспечивающей предохранение деталей от окисления.
Нагрев стали до требуемой температуры и выдерживание при этой температуре необходимо проводить как можно быстрее. Чем меньше сталь будет находиться в условиях высоких температур, тем выше ее свойства после закалки. Однако время нагрева должно быть достаточным, чтобы сталь равномерно прогревалась по всему объему и получила аустенитную структуру. Поэтому наиболее эффективным по скорости нагрева и предупреждению окисления стали является нагрев в печах-ваннах, наполненных расплавленным металлом (свинец) или расплавленными солями: NaOH, ВаСl 2 или 50% КСl+50% NaC0 3 . Нагрев в печах-ваннах с использованием расплавленного металла или солей происходит в 4-5 раз быстрее, чем в печах с газовой средой.
В качестве закалочных сред используют воду, водные растворы солей, щелочей, масло и расплавленные соли, имеющие различную охлаждающую способность. Если принять охлаждающую способность воды при 20°С за единицу, то охлаждающая способность масла будет равна 0,17-0,44, расплавленного свинца (при 335°С) - 0,05, воздуха - 0,03. При нагреве воды с 20 до 99°С охлаждающая способность ее изменяется от 1 до 0,07. В зоне перлитных превращений (650°С) вода охлаждает в 5-6 раз быстрее, чем масло. Воду применяют в основном для охлаждения углеродистых сталей. В масле охлаждают легированные стали.
Закалочные среды (вода, масло) действуют следующим образом. На первом этапе, в момент погружения изделия в закалочную среду, вокруг изделия образуется пленка перегретого пара (паровая рубашка). Через слой паровой рубашки охлаждение изделия происходит относительно медленно. Это этап пленочного кипения. Затем паровая рубашка разрывается и охлаждающая жидкость начинает кипеть на поверхности изделия. Это этап пузырчатого кипения. На этом втором этапе охлаждение изделия происходит быстро. Когда температура поверхности изделия станет ниже температуры кипения жидкости, жидкость не кипит и охлаждение изделия замедлится. Это третий этап - этап конвективного теплообмена. Чем шире интервал этапа пузырчатого кипения, тем интенсивнее охлаждает сталь закалочная жидкость.
Закалка в одной среде – наиболее простой и распространенный способ (рис. 42, кривая а). Деталь или инструмент, нагретые до температуры закалки, погружают в закалочную жидкость (вода, масло и т. д.), в которой она находится до полного охлаждения.
Этот способ используют при ручной и механизированной закалке, когда детали автоматически поступают из печи после нагрева в закалочную жидкость, в воду или масло. Недостатком этого способа закалки является то. что деталь охлаждается по сечению неравномерно и в ней возникают большие термические напряжения.

Рис. 42. Схема различных способов закалки:
а - закалка в одной среде, б - закалка в двух средах, в - ступенчатая закалка, г - изотермическая закалка

При закалке в двух средах , или прерывистой закалке (рис. 42, кривая б), деталь, нагретую до заданной температуры, сначала погружают в быстро охлаждающую среду - воду, а затем переносят деталь в медленно охлаждающую среду - масло. Такую закалку применяют для обработки инструмента, изготовленного из высокоуглеродистой стали. При этом способе закалки трудно определить точное время пребывания детали в каждой из сред.
Ступенчатая закалка (рис. 42, кривая в) заключается в том, что нагретые детали сначала охлаждают до температуры несколько выше мартенситной точки М н в горячем масле или расплавленной соли, а затем после короткой изотермической выдержки, необходимой для выравнивания температуры по всему сечению изделия, охлаждают на воздухе. Длительность изотермической выдержки по времени должна быть меньше времени устойчивости аустенита при этой температуре. На второй стадии охлаждения сталь закаливается. При таком виде закалки уменьшаются термические напряжения, коробление и предотвращается образование трещин.
Изотермическая закалка (рис. 42, кривая г) выполняется так же, как и ступенчатая, но выдержка в закалочной среде более продолжительная. При такой выдержке происходит изотермический распад аустенита с образованием бейнита. В качестве закалочной среды используют расплавленные соли или щелочи (20% NaOH и 80% КОН) с добавками 5-10% воды для увеличения скорости охлаждения. Изотермической закалке подвергают детали и инструмент из легированных сталей марок 6ХС, 9ХС, ХВГ и др.
Закалку с подстуживанием применяют для уменьшения разницы в температурах металла и закалочной среды, если деталь нагрета до температуры, значительно превышающей температуру закалки данной стали. Нагретую деталь перед погружением в закалочную среду выдерживают (подстуживают) на спокойном воздухе. Этот способ закалки обеспечивает уменьшение внутренних напряжений и предотвращает коробление деталей, особенно деталей, подвергнутых цементации
Закалка с самоотпуском состоит в том, что нагретую деталь. рабочей частью погружают в закалочную среду и выдерживают в ней не до полного охлаждения. За счет тепла нерабочей части детали, которая не погружалась в закалочную жидкость, рабочая часть детали или инструмента нагревается. Температуру отпуска при этом способе закалки определяют по цветам побежалости, возникающим на поверхности детали при температурах 220-300°С.
Закалку с самоотпуском применяют для обработки зубил, кернеров, бородков и других ударных инструментов, у которых твердость должна плавно понижаться от рабочей части к нерабочей.
Закалка с обработкой холодом заключается в продолжении охлаждения закаленной стали до температур ниже комнатной, но в интервале начала (М н) и окончания (М к) мартенситного превращения (см. рис. 38), для дополнительного более полного превращения остаточного аустенита в мартенсит и повышения твердости. Высокоуглеродистые и легированные стали после закалки при комнатной температуре содержат до 12% остаточного аустенита, а быстрорежущие - более.35%. В результате обработки холодом повышается твердость и стабилизируются размеры деталей. Наиболее распространенной охлаждающей средой служит смесь ацетона и твердой углекислоты (-78°С).
Закаливаемость - это способность стали приобретать максимально высокую твердость после закалки. Закаливаемость зависит главным образом от содержания углерода в стали: чем больше углерода, тем выше твердость. Это объясняется тем, что с повышением содержания углерода увеличивается число атомов углерода, удерживаемых в атомной решетке железа при закалке, т. е. увеличивается степень пересыщения твердого раствора углерода в железе.
Углеродистые стали с содержанием углерода менее 0,3% (сталь 20, СтЗ) не способны принимать закалку, так как не происходит образования мартенситной структуры. Образование мартенситной структуры связано с перестройкой атомной решетки железа из гранецентрированной в объемно-центрированную. Температура, при которой происходит такая перестройка, зависит от содержания углерода (см. рис. 38). Чем больше содержание углерода, тем ниже температура образования мартенситной структуры.
При выборе охлаждающей среды для того или иного способа закалки необходимо учитывать закаливаемость и прокаливаемость данной стали.
Прокаливаемость - это глубина проникновения закаленной зоны, т. е. способность стали закаливаться на определенную глубину. За глубину закаленной зоны принимают расстояние от поверхности до слоя, где в структуре будет примерно одинаковое количество мартенсита и троостита. Прокаливаемость зависит от химического состава стали, размеров деталей и условий охлаждения. С увеличением содержания углерода до 0,8% прокаливаемость стали увеличивается. При дальнейшем увеличении углерода прокаливаемость несколько снижается. Увеличению прокаливаемости также способствует укрупнение зерен аустенита при нагреве под закалку. Нерастворимые частицы, неоднородность аустенита и другие факторы, которые уменьшают устойчивость переохлажденного аустенита, уменьшают прокаливаемость. Все легирующие элементы, за исключением кобальта, увеличивают прокаливаемость. При комплексном легировании полезное влияние отдельных элементов на прокаливаемость взаимно усиливается.
При закалке скорость охлаждения по сечению изделия распределяется неравномерно. У поверхности она максимальная, в центре - минимальная, т. е. скорость охлаждения уменьшается по некоторому закону от поверхности изделия к его центру. Характеристикой прокаливаемости является критический диаметр, т. е. диаметр максимального сечения, которое прокаливается полностью в данной охлаждающей среде.
Отпуск - процесс термической обработки, состоящий в нагреве закаленной стали до температуры ниже критической точки Ас 1), выдержке при этой температуре и последующем охлаждении (обычно на воздухе). Цель отпуска - получение более устойчивого структурного состояния, устранение или уменьшение напряжений, повышение вязкости и пластичности, а также понижение твердости и уменьшение хрупкости закаленной стали (рис. 43). Правильное выполнение отпуска в значительной степени определяет качество закаленной детали. Температура отпуска варьируется в широких пределах - от 150 до 700°С в зависимости от его цели. Различают низкий, средний и высокий отпуск.
Низкий отпуск характеризуется нагревом в интервале 150-250°С, выдержкой при этой температуре и последующим охлаждением на воздухе. Он выполняется с целью получения структуры мартенсита отпуска и для частичного снятия внутренних напряжений в закаленной стали с целью повышения вязкости без заметного снижения твердости. Низкий отпуск применяют для инструментальных сталей, после цементации и т. д.
Средний отпуск производится при температурах 300-500°С для получения структуры троостита отпуска. Твердость сталей заметно понижается, вязкость увеличивается. Этот отпуск применяют для пружин, рессор, а также инструмента, который должен иметь значительную прочность и упругость при достаточной вязкости.

Рис. 43. Влияние температуры отпуска на механичесуие свойства стали 40

Высокий отпуск выполняется при температурах 500-650°С. В процессе высокого отпуска мартенсит распадается с образованием структуры сорбита отпуска. Эта структура обеспечивает лучшее сочетание прочности и пластичности стали. В сорбите отпуска цементит приобретает зернистую форму в отличие от сорбита, полученного после нормализации, в котором цементит имеет пластинчатое строение. Благодаря этому существенно повышается ударная вязкость при одинаковой или даже более высокой твердости, по сравнению с нормализованной сталью. Применяется этот вид отпуска для деталей из конструкционных сталей, работающих при ударных нагрузках.
Закалку стали с последующим высоким отпуском называют улучшением . Конструкционные стали 35, 45, 40Х в результате улучшения получают более высокие механические свойства.
Отпуск закаленных деталей проводят непосредственно после закалки, так как возникшие в них внутренние напряжения могут вызвать образование трещин.
Недогрев, ведущий к недоотпуску, получается при заниженных температурах отпуска или недостаточном времени выдержки. Недоотпущенная сталь сохраняет хрупкость. Устраняют этот дефект повторным, дополнительным отпуском. Сущность старения заключается в изменении растворимости углерода и азота в α-Fe, оно может быть связано также с выделением из твердого раствора частиц нитрида.
Различают искусственное и естественное старение. Отпуск, выполняемый при невысоком нагреве, называют искусственным старением . Процесс искусственного старения состоит в том, что закаленные детали нагревают до 120-150°С и выдерживают при этой температуре в течение 18-35 ч. Искусственное старение осуществляют в масляных ваннах с автоматическим регулированием температуры. При старении закаленных деталей и инструмента стабилизируются размеры, а твердость и структура стали практически не изменяются.
Отпуск, если он происходит при комнатной температуре, называют естественным старением . При естественном старении детали и инструмент выдерживают при комнатной температуре три и более месяцев, так как процесс, вызывающий изменение размеров детали, протекает значительно медленнее, чем при искусственном старении.