Закалка стали

Автор: Волков Семён

Дата публикации: 05 Апреля 2024

Содержание:

Процесс термической обработки стали, который преобразует структуру материала, называется закалкой. После того как технологический процесс завершен, металл становится более твердым и устойчивым. Однако стоит заметить, что не все виды стали можно подвергнуть нагреванию. 

Термический процесс закалки стали включает в себя такие этапы, как нагрев, выдержку и охлаждение. Этот метод направлен на усовершенствование механических свойств стали, других металлов и сплавов.

Закалка - это процесс термообработки, который включает в себя основные этапы: нагрев до заданной температуры, выдержку, а затем быстрое охлаждение. Эту процедуру часто комбинируют с еще одним видом термической обработки - отпуском. Применение этого подхода позволяет повысить механические свойства бюджетных сортов стали, цветных металлов и сплавов, благодаря чему стоимость конечных изделий и строительных конструкций уменьшается.

 

Прочность металла увеличивается при увеличении содержания углерода до 0,4% и более. Например, согласно ГОСТ, сталь ст35 содержит от 0,32 до 0,4% углерода, что делает возможным ее "отжиг", т.е. незначительное повышение жесткости.

Стали с маркировкой ст 45 и более относятся к закаливаемым. Тем не менее, также возможно производить закалку и для нержавеющей стали 3х13. Для взаимодействия с высоколегированной сталью требуется сложная процедура охлаждения на нескольких стадиях и процесс высокотемпературного отпуска, позволяющий предотвратить появление недостатков.

Температура и скорость нагрева различны для каждого типа стали, поскольку они обусловлены содержанием углерода в ней. Так, для стали марки ст45 обычно достаточно температуры в 650 градусов.0Для ст90ХФ превышает 8000С

Комплекс "закалка + отпуск" решает следующие ключевые задачи:

  • увеличение прочности;
  • Увеличение стойкости и устойчивости.
  • уменьшение гибкости до приемлемого уровня;
  • Применение голловых изделий вместо цельных может уменьшить вес металлоконструкций и сократить металлоемкость в процессе производства.

Этапы процесса закалки включают в себя следующие:

  • Повышение температуры до уровня, при котором происходит трансформация структурного состояния металла;
  • Технологическая карта предусматривает определенный период времени для выполнения операции.
  • Осуществляется охлаждение с таким темпом, который способствует созданию желаемой кристаллической структуры.

Акт отпуска следует сразу за закалкой и включает в себя подогрев металлических изделий до температур, которые находятся ниже уровня фазовых преобразований, а затем происходит энергичное понижение температуры. Приведенные обстоятельства серьезно влияют на конечный результат термического обработывания.

  • температура подогрева;
  • Темп увеличения температуры.
  • продолжительность удержания при температурах закаливания;
  • Средство охлаждения и темп уменьшения температуры.

Центральным параметром служит температура подогрева, от которой зависит процесс переконфигурации и создание нового структурного замка. По мере профондности воздействия можно разделить закалку на объемную и поверхностную. В области машиностроения чаще всего применяется объемная закалка, в результате которой разница между твердостью поверхности и внутренней части является незначительной. Поверхностная термическая обработка требуется для компонентов, у которых критическая важность имеет высокая твердость внешнего слоя и упругая внутренняя часть.

Закалка не применяется ко всем видам сталей. Сорта, где уровень углерода не превышает 0,4%, в процессе закалки практически не увеличивают свою твердость, отсюда и неприменимость данного метода к ним. Больше всего метод закалки используют для обработки инструментальных сталей.

Таблица, демонстрирующая корректные режимы твердофазного упрочнения и отпуска для специфических видов инструментальной стали.

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

Давайте более детально изучим воздействие закалки на характеристики стали. После завершения технологического процесса структура заготовок изменяется, что напрямую влияет на их свойства.

  1. Материал становится более твердым и устойчивым.
  2. Размер зерна сокращается.
  3. Уменьшается гибкость и пластичность металлического материала.
  4. Увеличивается уязвимость
  5. Повышается устойчивость обрабатываемых деталей к истиранию.
  6. Коэффициент сопротивления при изломе уменьшается.

Металлическую основу, прошедшую закалку, можно без проблем привести до отличного состояния. Чистую сталь не применяют для шлифовки, так как она следует непосредственно за твердым кругом.

"

Форма охлаждается со сталью внутри.

Процесс закалки сталей включает в себя полиморфное превращение, в отличие от закалки цветных металлов и сплавов, где данное превращение отсутствует.

Стальная закалка с полиморфным преобразованием

Когда температура углеродистых сталей превышает определенный показатель, происходят различные фазовые изменения, приводящие к модификации кристаллической решетки. При достижении критических температур, которые определяются процентным содержанием углерода, карбид железа распадается, формируя раствор углерода в железе, который получил название аустенита. В случае плавного охлаждения, аустенит постепенно разрушается, и кристаллическая решетка возвращается в первоначальное состояние. Если же процесс охлаждения углеродистых сталей происходит с высокой скоростью, то в соответствии с режимом закалки в них могут формироваться разнообразные фазовые состояния, наиболее прочным из которых является мартенсит.

Чтобы добиться мартенситной структуры, доэвтектоидные стали (с содержанием углерода не более 0,8%) подвергают нагреванию до температур, превышающих точку Ас3 на 30-50°C. Для же сталей с заэвтектоидным составом, данная температура должна быть на 30-50°C выше точки Ас.1Данный метод закалки применяется для укрепления металлорежущего оборудования и других изделий, которые подвергаются трению во время работы, например, валы, шестерни, втулки и обоймы. Когда нагрев происходит до относительно низких температур, в структуре доэвтектоидных сталей присутствует не только мартенсит, но и мягкий феррит. Это уменьшает твердость металла и ослабляет его механические свойства после отпуска. Такой вид закалки стали имеет название неполной и часто считается бракованным. Однако, в некоторых случаях его можно использовать для предотвращения образования трещин.

Термообработка без полиморфного перехода

Процесс закалки без полиморфного преобразования применяется к цветным металлам и сплавам, которые обладают ограниченным способом растворения вторичных фаз при обычных температурных условиях и отсутствием полиморфных преобразований при высоких температурах. В случае, когда температура достигает значения выше линии солидус (линия, где присутствует только твердая фаза), происходит полное растворение вторичных фаз. Если же охлаждение происходит достаточно быстро, дополнительные фазы не выделяются, так как на это требуется некоторое время. После такого вида термической обработки, цветной сплав переходит в состояние термодинамической нестабильности, что постепенно приводит к его распаду с выделением вторичной фазы. Этот процесс, проходящий под влиянием естественных условий, называется естественным старением, а при нагреве - искусственным старением. В результате старения формируется равновесная структура. При этом характеристики материала во многом определяются выбранным режимом процесса.

Термическая обработка цветных металлов и сплавов часто не ведет к усилению их прочности, в то время как в случае с углеродистыми сталями это обычно происходит. Например, медные сплавы после подобного процесса становятся часто более гибкими и эластичными. Обычно для таких материалов используется метод отпуска, который помогает снять напряжение после процессов литья, прокатывания, штампования, ковки или прессования.

Метод закалки определяется исходя из химической структуры стали и желаемых характеристик.

Процесс закаливания с использованием однородной среды охлаждения.

Скоростной показатель охлаждения стали, подвергнутой закалке, определяется типом среды, где процедура выполнена. Наивысшей скорости можно добиться при использовании воды для охлаждения. Этот метод применяется для охлаждения сталей с средним содержанием углерода, низколегированных сталей и отдельных видов сталей, устойчивых к коррозии. Если же содержание углерода превышает 0,5% C и происходит высокое легирование, использование воды как охлаждающей среды не рекомендуется, так как это может привести к образованию трещин или полному уничтожению соответствующих сплавов.

Закалка с перерывами в двух различных охлаждающих средах

Процедура ступенчатой закалки обычно используется для компонентов, произведенных из сложно легированных стали. Большие детали после нагревания на протяжении нескольких минут погружают в воду, затем они охлаждаются в масле до +320...300°C, после которого открывается доступ воздуха. В процессе охлаждения в масле до нормальных температур, прочность изделия значительно уменьшается.

Термостатическое обслуживание

Процесс закалки высокоуглеродистых типов металла представляет собой сложную последовательность действий, включающую нормализацию, а затем нагрев до температуры, необходимой для закалки. Нагретые элементы затем погружают в ванну с селитрой, температура которой должна составлять от +320 до +350 градусов по Цельсию, где они подвергаются выдержке.

Яркая ТО

Процесс термической обработки, который используется для сталей с высоким содержанием легирующих элементов, подразумевает их подогрев в атмосфере инертных газов или в вакууме. Этот метод позволяет получить светлую поверхность металла. Светлая закалка часто применяется при массовом изготовлении стандартных изделий.

Обработка с помощью термического воздействия и последующего самостоятельного охлаждения.

Интенсивное охлаждение приводит к сохранению теплоты внутри элемента, которое при последующем выбросе облегчает давление внутри формирования элемента. Такой процесс должен быть поручен квалифицированным экспертам, способным точно просчитать срок пребывания изделия во внешней охлаждающей среде.

Струйная

Интенсивный поток воды используется для охлаждения. Этот метод обычно используется, когда требуется закалить конкретные элементы изделий.

Основные характеристики, принимаемые во внимание во время закалки стали: температурный режим и скорость охлаждения. Эти параметры выбираются в зависимости от отметки стали, используемой при изготовлении заготовок. Используется информация о содержании углерода и легирующих элементов.

Давайте более подробно займемся изучением различных методик обработки стали, известных как закалка.

  1. Одно и то же вещество используется для охлаждения в одной обстановке. Максимальная твердость достигается при погружении детали в воду. Однако, при уровне углерода, превышающем 0,5%, металл становится треснутым. Виды высоколегированной стали повышают твердость даже при охлаждении воздухом.
  2. Процесс ступенчатой закалки стали разработан для увеличения упругости сложных по структуре разновидностей стали. В начале предмет погружают в воду на некоторое время, после чего закалка ведется дальше в масле на стадии преобразования при температуре 300-320 градусов.0При закалке крупных элементов исключительно в масле, внутренняя температура может замедлить процесс охлаждения и уменьшить твердость материала.
  3. Изотермическая закалка стали применяется при обработке заготовок для изготовления зубил, пружин, топоров и других инструментов. Во время быстрого охлаждения инструментальная сталь накапливает значительные напряжения. Именно поэтому применяется метод высокотемпературного отпуска. Сначала деталь подвергается нормализации, затем нагревается для проведения закалки, а в заключение погружается в емкость с селитрой, нагретой до 350 градусов.0С
  4. В процессе самоотпуска, детали при закалке накапливают тепло внутри, которое постепенно освобождается, устраняя возникшие напряжения. Технологический процесс контролирует эксперт, имеющий точное представление о допустимой сократительности пребывания материала в охлаждающей среде.
  5. Технический термин "Светлая" не существует. Данное название зачастую используется при описании процесса прокалки стали при применении инертных газов или вакуума, в результате которого металл не темнеет. Этот процесс является одним из самых высокоценных методов увеличения прочности деталей.

Процесс термообработки стали включает в себя две ключевые стадии - нагревание и охлаждение. Для каждого вида материала и дизайна изделия определяются наилучшие параметры температурного режима и скорости нагревания, а также продолжительности охлаждения и его метода.

С точки зрения экономики, темп нагрева должен быть наивысшим, чтобы использовать минимальный объем энергии. Однако быстрый нагрев не благоприятно сказывается на поверхности и внутренней части стали. Исходя из этого, важно достичь идеального равновесия между затратностью процедуры, скоростью и температурными условиями.

Подогрев и устойчивость

При закаливании стали ее нагреваемость определяется её химическим составом. Обычно, наблюдается следующая закономерность: если уровень углерода в составе низкий, температура для нагрева должна быть выше. Уменьшение температуры нагрева может привести к тому, что требуемая структура не сформируется. Вот что происходит в случае перегрева:

  • обезуглероживание;
  • оксидация поверхностного слоя;
  • рост внутреннего стресса;
  • Модификация структурных компонентов.

Чтобы обеспечить равномерный подогрев изделий сложной конструкции, их сначала помещают в соляные ванны два-три раза по несколько минут или через короткий промежуток времени в печи с температурой +400…500°C. Длительность этого процесса зависит от размеров и количества изделий в печи. Обязательно учитывается, чтобы каждая часть изделия подогревалась одинаково.

График температурных режимов для закалки сталей разных сортов.

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

Используют пирометры для определения температуры нагрева - это могут быть приборы контактного и бесконтактного типа, а также инфракрасные устройства.

Охлаждение

Применение воды, чистой либо с добавлением солей или щелочных растворов, это распространенный способ охлаждения. Для легированных сталей применяют системы обдува или охлаждения с помощью минеральных масел. В изотермических и ступенчатых процессах охлаждают при помощи расплавов солей, щелочей и металлов. Возможно их чередование в процессе.

Отпуск

Отпуск проводится в масляных, щелочных или селитровых ваннах, печах с принудительной циркуляцией воздуха, горячем песке, в соответствии с необходимой температурой.

Отпуск при низкой температуре, которая составляет от +150 до +200 градусов Цельсия, используется для снятия внутренних напряжений, увеличения пластичности и вязкости, не снижая при этом твердости. Такой вид отпуска необходим для измерительных и металлообрабатывающих инструментов, а также других деталей, которые должны совмещать в себе твердость и устойчивость к износу.

Процесс отпуска для сталей с высокой скоростью резания проводят при температурном диапазоне от +550 до +580 °C. Этот этап также можно обозначить как вторичное упрочнение, так как он способствует увеличению твердости материала.

 

Основная задача закалки стали заключается в увеличении её прочности и твердости. В ходе процесса охлаждения критически важно предотвратить образование дефектов. Именно для этого применяются различные материалы, которые реализуют функции охладительной среды.

  1. При проведении процедуры поверхностной закалки или обработке деталей непр complicated "конфигурации, используют воду, предварительно очищенную от солей и моющих средств. Затем эту воду подогревают до температуры 30 градусов.0Чтобы избежать образования трещин как внутри, так и на поверхности, не стоит полностью остужать сложные детали в воде.
  2. Продукты с комплексной структурой обрабатываются 50% смесью химического вещества - каустической соды, прогретой до 60 градусов.0Подчеркиваемые пары представляют угрозу для человека.
  3. Элементы с тонкими стенками, изготовленные из углеродных или сплавленных сталей, нуждаются в комбинированном охлаждении. Первоначально это происходит в воде, а затем в минеральных маслах. Это может быть вредно для здоровья, поэтому необходимо использовать индивидуальные защитные средства.

"

Процесс остывания стали после термической обработки определяется на основе химической структуры металла и желаемого свойства готового изделия. Вариантами могут служить:

  • вода;
  • строя воздушная, либо струйная, либо струя из инертного газа.
  • минмасло;
  • смеси на водно-полимерной основе;
  • Соли бария, натрия и калия в расплавленном состоянии.
  • Расплавы из металла, такие как свинец или олово.

Дефекты могут появляться в процессе закалки, под действием физических и химических факторов, а также из-за отклонений от установленных технологическим процессом параметров.

Примером выступает ситуация, когда нерегулярное охлаждение или нагрев становятся причиной появления внутренних разломов и непостоянства в составе.

Окисление стали происходит при проникновении кислорода в верхний слой металлического материала, что способствует образованию окислов.

Процесс обезуглероживания металла происходит при выгорании углерода в печи. Это явление происходит при излишнем присутствии кислорода.

Существуют такие виды недостатков, исправить которые невозможно. Способ сражаться с ними заключается в аккуратном контроле за герметичностью печей или применении инертных газов, вакуума в процессе закалки.

Технологический процесс прогрева, обработки, охлаждения и отпуска стали проводят в строгом соответствии с инструкциями, созданными квалифицированными экспертами. Появление различных дефектов может быть вызвано нарушением установленного технологического процесса и/или неравномерностью структуры работы. Следующие из них:

  • Нестандартный процесс нагрева и/или охлаждения может вызывать искажения и формирование трещин, а также приводит к неоднородности в составе и физических свойствах.
  • Окисление металла, иначе называемое "пережогом", происходит вследствие проникновения молекул кислорода в металлическую плоскость. Этот процесс влечет за собой образование оксидов, которые влияют и преобразуют операционные свойства поверхностного слоя. Подобная неисправность является результатом сгорания углерода в составе стали, что вызывается превышением содержания кислорода в печи.
  • Попытка охлаждения в масляной ванне с водой является нарушением технологического процесса и может привести к образованию трещин на детали.

Все упомянутые ранее недостатки невозможно исправить.

Аппаратура подразделяется на две главные категории – устройства для нагрева и емкости для охлаждения. В сегодняшних производственных компаниях для достижения температур закалки применяются:

  • термические муфельные печи;
  • аппаратура для индукционного подогрева;
  • аппараты для нагревания в расплавленном состоянии;
  • устройства для лазерного нагревания;
  • Устройства, работающие на газоплазменной основе.

Три начальных вида установок требуются для проведения объемного отжига, в то время как последующие три предназначены для поверхностной обработки.

Оборудование для закалки представляет собой конструкции из стали, графитовые тигли и печи, где хранятся расплавленные металлы или соли. Ванны для закалки жидкостей оснащены системами подогрева и охлаждения. В их дизайне могут быть интегрированы специальные устройства для перемешивания жидкостей и устранения паровой формации.