Закалка стали

Издревле кузнецы знали для чего нужна закалка стали — для упрочнения металлических изделий. Закаливание — это тепловая обработка, которая включает нагрев металла, выдержку и охлаждение. Технология направлена на улучшение показателей механических характеристик, что ведет к снижению себестоимости готовых изделий и конструкций.

Какие стали подвергаются калению

Термообработке чаще остальных металлов подвергаются стали. Но не все марки подходят для каления. Упрочнение материала в процессе закаливающей обработки связано с кристаллической структурой и химическим составом, где большую роль играет углерод и легирующие элементы. Достаточное количество углерода создает пересыщенный твердый раствор для формирования мартенсита.

Поэтому, если марка содержит менее 0,4% углерода, структура стали после закалки остается неизменной. Закалочную технологию целесообразно применять для легированных и углеродистых сталей.

Как изменяются свойства стали при закалке

В процессе нагрева сталь подвергается ряду структурных преобразований — меняется ее состав и форма элементов кристаллической решетки. 723° C — температура, при которой в еще твердом металле запускается процесс распада карбида железа с последующим формированием раствора углерода в железе. Это исходное состояние металла для закалки.

Если охлаждать медленно, то структура материала вернется в исходное состояние. При быстром охлаждении закаливание стали ведет к:

• повышению показателей твердости поверхностного слоя;
• упрочнению;
• уменьшению пластичности и как следствие — повышению сопротивления на изгиб;
• снижению массы изделия с сохранением необходимой твердости и прочности.

Какие изменения свойств происходят при закалке сталей определяется требованиями к механическим характеристикам изделия. Самая высокая твердость у стали, закаленной до мартенсита.

Мартенситные стали

Изменение внутренней структуры стали ведет к изменению физических и химических характеристик. Преобразования, происходящие в следствие нагрева металла, вызывают равномерное распределение атомов углерода в пределах кристаллической решетки. Процесс приводит к образованию нескольких фаз металла. Ключевыми фазами являются аустенит и мартенсит.

Аустенит

Кристаллическая решетка аустенита имеет форму куба с центрированными гранями. Материал образуется при температуре 910-1401 градусов Цельсия, отличается высокой плотностью.

Мартенсит

Это перенасыщенный раствор железа и углерода, полученный при закалке аустенита. Материал имеет тетрагональную решетку, которая наделяет его твердостью 1000 HV. Мартенсит отличается большим удельным объемом. К мартенситным относятся высоколегированные стали, устройство которых после закалки представлено мартенситом.

Мартенситные стали устойчивы к:

• воздействию кислотных или щелочных растворов;
• коррозии;
• воздействию водорода.

Металл наделен способностью к самозакаливанию, по прочности превосходит другие марки, но могут возникнуть трудности в обработке. Прочный и твердый мартенсит образуется в результате высокоскоростной закалки.

Когда нет необходимости закаливать деталь целиком, проводят частичную закалку, например, режущей кромки инструмента. В этом случае на поверхности проявляется четкая граница между закаленной и незакаленной частями.

Как проводится закалка стали

Основные этапы закаливания стали — нагрев, выдержка и охлаждение. После чего проводится отпуск, суть которого — нагревание метала до показателей ниже линии фазовых превращений с последующим плавным понижением температуры. Это ведет к снятию напряжения и корректировке твердости. Технология требует соблюдения требований к нагреву и охлаждению изделий, в первую очередь внимание обращают на скорость процессов.

В ходе изготовления изделия могут проходить несколько раз закаливание разной глубины обработки:

• поверхностной;
• объемной.

В результате объемной деталь приобретает одинаковую твердость внутри и снаружи. Поверхностная закалка необходима изделиям, которые должны быть твердыми снаружи и пластичными внутри. У каждой марки своя температура аустенита.

Температура закалки стали

Для процесса закалка стали температура нагрева — наиболее значимый показатель. От него зависит как будет проходить перестройка атомной решетки. Назначить правильный режим помогает таблица закалки стали — чем выше содержание углерода и легирующих добавок, тем выше температура нагрева. К примеру температура закалки стали 45, при которой материал помещается в емкость с охлаждающей жидкостью — 820-860 °C. Превышение рекомендуемых показателей приведет к увеличению зерна мартенсита, а значит — ухудшению вязкости.

У высокоуглеродистой и легированной стали при быстром нагреве образуются трещины. Нагревание в несколько этапов выравнивает температуру по всей глубине, кристаллическая решетка претерпевает структурные изменения, преобразуясь в другие виды внутреннего строения.

Отпуск

Низкий

Для этого типа характерен нагрев не выше 250° C, выдержка при этих температурах, остывание на воздухе. Способствует упрочнению и снижению внутреннего напряжения. Применяется для инструментальных сталей. При низком отпуске у стали 45 твердость после закалки 55-60 HRC.

Средний

Температура 300-500° C, позволяет достичь высоких показателей упругости при среднем отпуске. Подходит для инструмента, который должен обладать хорошей вязкостью, прочностью и упругостью, включая рессоры и пружины.

Высокий

Снимает внутреннее напряжение, выполняется при 500-650° C, формируя структуру с идеальной комбинацией прочности и пластичности. Проводится для изделий, изготовленных из конструкционных сталей 35, 45, 40Х, которые предназначены для использования при ударных нагрузках.

Обработка холодом (-80° C и ниже) основывается на том, что остаточный аустенит при низких температурах распадается из-за внутренних напряжений. Метод применим к режущим и измерительным инструментам. Охладителем служит жидкий азот, кислород и др.

Способы охлаждения

Вода

Процедура охлаждения также оказывает воздействие на структуру металла. Раньше для охлаждения сталей использовалась просто вода с оптимальной температурой 30° C. Вода подходит изделиям несложной формы, поверхностной закалки.

50% –й раствор каустической соды

Идеальная среда для охлаждения изделий сложной конфигурации. Раствор нагревается до 60° C. После охлаждения сталь получает светлый оттенок. Смесь выделяет вредные для человека токсичные вещества.

Минеральные масла

Обеспечивают неизменную температуру охлаждения, которая не зависит от окружающей среды. Подходящий вариант для деталей с тонкими стенками. Важно следить, чтобы не было воды в составе масла.

Для деталей сложного состава практикуется комбинированное охлаждение. Где первый этап — охлаждение в воде, второй — в минеральном масле. Перемещение проводится в быстром темпе.

Виды закалки стали

С полиморфным превращением

Под воздействием высокой температуры образуется аустенит — раствор углерода в железе, который при охлаждении с высокой скоростью преобразуется в разные фазовые состояния. Применим для закалки металлорежущего инструмента, шестеренок, обойм, втулок.

Без полиморфного превращения

Это тепловая обработка при более низких температурах, при которых фиксируется состояние сплава, присущее ему при высоких температурах. Применима к сплавам, в которых:

• одна фаза растворяется в другой, в результате чего образуется пресыщенный твердый раствор;
• фазовые преобразования происходят в твердом состоянии.

Способы закалки стали

С охлаждением в одной среде

Скорость охлаждения стали зависит от среды, самая высокая достигается в воде. Способ подходит для среднеуглеродистых и низколегированных сталей, а также некоторых марок с устойчивостью к коррозии. При содержании углерода 0,5% и больше сплавы подвержены образованию трещин и разрушению.

Ступенчатая закалка

Для охлаждения используется две среды. Подходящий вариант для сложнолегированных сталей. Крупные детали вначале окунают в воду, выдерживают несколько минут, далее охлаждают в масле до 300-320° C. Дальнейшее охлаждение проходит на воздухе. В результате прерывистой закалки равномерно формируется мартенситная структура.

Изотермическая

Металл выдерживается в закалочной ванне при температуре превышающей точку мартенсита. В результате чего аустенит преобразуется в бейнит — разновидность троостита (фаза однородной части сплава). Полученная сталь сочетает прочность, пластичность и вязкость. После закалки снижаются изотермические напряжения.

Закалка с самоотпуском

Особенность закалки — деталь изымается из емкости в состоянии неполного охлаждения. Изделие повторно нагревается, благодаря теплу во внутренней части. Используется для обработки ударного инструмента.

Светлая

Данный способ подразумевает использование вакуумных печей или инертных газовых сред, что наделяет металл светлой поверхностью. Охлаждаются детали в неокисляющихся жидкостях. Подходит изделиям, которые не подвергаются шлифовке.