При закалке для охлаждения легированной стали используют

При закалке для охлаждения легированной стали используют

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.

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.

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. Для заэвтектоидных сталей закалка от температур выше А1, но ниже Асm дает в структуре избыточный цементит, что повышает твердость и износоустойчивость стали.

Нагрев выше температуры Аcm ведет к снижению твердости из-за растворения избыточного цементита и увеличения остаточного аустенита. 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

Наиболее распространенными закалочными средами являются вода различной температуры, полимерные растворы, растворы спиртов, масло, расплавленные соли. При закалке в этих средах различают несколько стадий охлаждения:

— пленочное охлаждение, когда на поверхности стали образуется «паровая рубашка»;

— пузырьковое кипение, наступающее при полном разрушении этой паровой рубашки;

— конвективный теплообмен.

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.

химический состав стали от которого зависит положение с-кривой.

Как отпустить закаленную сталь в домашних условиях?

Технологии придания большей твердости металлам и сплавам совершенствовались в течение долгих веков. Современное оборудование позволяет проводить термическую обработку таким образом, чтобы значительно улучшать свойства изделий даже из недорогих материалов.

Закалка стали и сплавов

Закалка (мартенситное превращение) — основной способ придания большей твердости сталям. В этом процессе изделие нагревают до такой температуры, что железо меняет кристаллическую решетку и может дополнительно насытиться углеродом. После выдержки в течение определенного времени, сталь охлаждают.

Это нужно сделать с большой скоростью, чтобы не допустить образования промежуточных форм железа.В результате быстрого превращения получается перенасыщенный углеродом твердый раствор с искаженной кристаллической структурой. Оба эти фактора отвечают за его высокую твердость (до HRC 65) и хрупкость.

Большинство углеродистых и инструментальных сталей при закаливании нагревают до температуры от 800 до 900С, а вот быстрорежущие стали Р9 и Р18 калятся при 1200-1300С.

Микроструктура быстрорежущей стали Р6М5: а) литое состояние; б) после ковки и отжига;
в) после закалки; г) после отпуска. ×500.

Режимы закалки

Нагретое изделие опускают в охлаждающую среду, где оно остается до полного остывания Это самый простой по исполнению метод закалки, но его можно применять только для сталей с небольшим (до 0,8%) содержанием углерода либо для деталей простой формы. Эти ограничения связаны с термическими напряжениями, которые возникают при быстром охлаждении — детали сложной формы могут покоробиться или даже получить трещины.

При таком способе закалки изделие охлаждают до 250-300С в соляном растворе с выдержкой 2-3 минуты для снятия термических напряжений, а затем завершают охлаждение на воздухе. Это позволяет не допускать появления трещин или коробления деталей.

Минус этого метода в сравнительно небольшой скорости охлаждения, поэтому его применяют для мелких (до 10 мм в поперечнике) деталей из углеродистых или более крупных — из легированных сталей, для которых скорость закалки не столь критична.

Начинается быстрым охлаждением в воде и завершается медленным — в масле. Обычно такую закалку используют для изделий из инструментальных сталей. Основная сложность заключается в расчете времени охлаждения в первой среде.

• Поверхностная закалка (лазерная, токами высокой частоты)

Применяется для деталей, которые должны быть твердыми на поверхности, но иметь при этом вязкую сердцевину, например, зубья шестеренок. При поверхностной закалке внешний слой металла разогревается до закритических значений, а затем охлаждается либо в процессе теплоотвода (при лазерной закалке), либо жидкостью, циркулирующей в специальном контуре индуктора (при закалке током высокой частоты)

Отпуск

Закаленная сталь становится чрезмерно хрупкой, что является главным недостатком этого метода упрочнения. Для нормализации конструкционных свойств производят отпуск — нагрев до температуры ниже фазового превращения, выдержку и медленное охлаждение.

При отпуске происходит частичная «отмена» закалки, сталь становится чуть менее твердой, но более пластичной.

Различают низкий (150-200С, для инструмента и деталей с повышенной износостойкостью), средний (300-400С, для рессор) и высокий (550-650, для высоконагруженных деталей) отпуск.

Таблица температур закалки и отпуска сталей

Закалка и отпуск стали. Цвета каления и побежалости

Возможно, вам не раз приходилось слышать эти термины, когда речь шла о кованых ножах, да и вообще о сталях. Настало время разобраться, что же они означают.

Закалка, по своей сути – это нагрев готового изделия до определенной температуры с последующим охлаждением с определенной скоростью, а отпуск – это следующий за закалкой дополнительный нагрев до более низких температур с иных режимом охлаждения; каким именно, зависит от марки стали. Скорость регулируется т.н. «закалочной средой» – жидкостью, в которой клинок охлаждается с определенной скоростью: машинное масло, солевые растворы, поток воздуха с и т.п. Например, масло охлаждает со скоростью примерно в 6 раз меньшей, чем циркулирующая вода.

Чтобы перейти к конкретным цифрам, нужно понять, зачем вообще нужны эти два процесса.

Что улучшает правильная закалка стали

Если спросить среднестатистического человека, который не имеет отношения к ковке ножей, на вопрос «Что дает закалка?» он первым делом скажет о прочности. В целом, он будет прав, хотя из нескольких качеств, которые улучшает закалка, лидировать будет все-таки твердость. Но обо всем по порядку.

• Твердость клинковых сталей, как правило, измеряется по шкале Роквелла (HRC); европейские ножи чуть не дотягивают до показателя в 60 HRC, азиатские чуть переваливают за эту отметку. Если мы будем царапать друг о друга два одинаковых сплава различной твердости, следы останутся на том, что мягче; таким образом, твердость дает нам понятие о том, как хорошо сплав сопротивляется механическим повреждениям.
• Прочность обычно подразумевает стойкость стали к разрушению (на изгиб, на удар и т.д.) – для ножа это важно, когда мы, к примеру, проверяем его «на изгиб». Если сталь сыровата, то клинок после сгибания частично останется деформированным. Правда, если сталь перекалена, будет еще хуже – клинок сломается; поэтому при закалке важно соблюдать золотую середину.
• Упругость. Это как раз то, о чем мы говорили чуть выше – способность возвращать исходную форму после снятия нагрузки. Если закалка сделана по всем правилам, с этим показателем все будет в порядке: при изгибе примерно на 10 градусов (а для тонких кухонных ножей и до 30) клинок вернет изначальную форму.
• Износостойкость. Правильный режим закалки улучшает все показатели, которые входят в это понятие: способность сопротивляться механическому и абразивному износу, способность держать заточку и стойкость к ударным нагрузкам.

Главное в погоне за всеми этими качествами – достичь закалкой такого компромисса всех вышеуказанных свойств, чтобы нож и резал хорошо, и был прочен.

Как делают закалку и отпуск

После того, как заготовке клинка придали необходимую форму, ее закаляют. Конечно, все очень индивидуально для разных марок сталей, для конкретных изделий, но в среднем мастера называют температурой нагрева под закалку около 700–800 градусов Цельсия. Оптимальный цвет изделия в таком случае будет алым или вишневым.

Если краснота уходит, уступая место оранжевым и желтым оттенкам, температура, скорее всего, перевалила за отметку 1 100 градусов – это для большинства сталей уже многовато.

Белый цвет говорит о том, что температура достигла как минимум 1 300 градусов, и для закалки она не подходит – при ней произойдет перекал; в этом случае вернуть стали прочность будет невозможно.

Именно эти цвета и называются цветами каления. Мы встретимся с ними еще раз – когда будем рассматривать отпуск.

Цвета каления показывают нам температуру, которой достигла заготовка. Их не следует путать с цветами побежалости – оттенками окислов

Когда клинок закален, он приобретает высокую твердость, но теряет при этом в прочности. Теперь прочность необходимо вернуть: этой цели и служит отпуск.

Отпуск, как мы помним, это повторное нагревание до более низких температур с последующим охлаждением; добавим к этому, что между повторными нагреваниями следует и полное остывание клинка – естественным путем или же путем охлаждения его в солевом растворе или масле. Температуру нагрева для отпуска выбираем следующим образом.

• Высокотемпературный отпуск, скорее всего, нам не нужен – он делается для деталей, которые подвергаются не столько деформациям, сколько ударным нагрузкам, а это явно не относится к ножам. Тем не менее, скажем о нем, что его температурные границы – это 500–680 градусов.
• Среднетемпературный отпуск – это прогрев до 350–500 градусов; это тоже много, подойдет разве что для метательных ножей.
• Низкотемпературный отпуск – то, что нужно. Прогрев здесь идет до 250 градусов. Конечно, нож не будет таким стойким к боковым ударным нагрузкам, но ведь это нам и не нужно: мы уже достигли необходимой твердости при закалке, а сейчас нас интересует прочность. При такой температуре она получится в самый раз.

Нужную температуру снова покажут цвета каления: оптимальным в данном случае (для ножа) будет светло-желтый цвет.

Термическая обработка стали: нагревы и охлаждения

Операции термической обработки стали, основой которых является нагрев до некоторой температуры и выдержка при ней были рассмотрены ранее. К ним относятся: отпуск, обработка на твердый раствор и отжиг.

Далее рассмотрим операции термической обработки стали, которые включают как нагрев, так и регламентируемое охлаждение с различной интенсивностью – от охлаждения на спокойном воздухе до резкого охлаждения водой.

Нормализация стали

Нормализацией стали называют обработку стали на твердый раствор при температуре не менее, чем на 55 ºС выше верхней критической температуры с  последующим охлаждением на воздухе. Температура нормализации зависит от содержания углерода в стали как это показано на рисунке. Целью нормализации обычно является улучшить зеренную структуру и, кроме того, немного упрочнить сталь.

Рисунок – Упрощенная диаграмма железо-углерод.
Заштрихованная полоса – интервал нагрева стали для нормализации и закалки

При нормализации изделия располагают так, чтобы при охлаждении садки после нагрева воздух мог свободно циркулировать вокруг каждого изделия. Если потоки воздуха вокруг нагретых изделий затруднены, то операция термической обработки будет ближе к отжигу, чем к нормализации.  Ускоренное охлаждение вентиляторами или сжатым воздухом может дать результат больше похожий на закалку.

Некоторые изделия после нормализации подвергают отпуску, чтобы получить небольшое дополнительное умягчение стали, а также дополнительное снижение остаточных напряжений.

Однородная нормализованная структура обычно хорошо обрабатывается резанием.

Закалка стали

Чтобы получить более высокую прочность и твердость, чем при нормализации, необходимо применять такую скорость охлаждения стали от температуры аустенитизации, которая обеспечивала бы превращение аустенита в бейнит и мартенсит, а не в феррито-перлитную смесь. Такую операцию называют закалкой. Закалка заключается в аустенитизации  стали при температурах, показанных на рисунке 1, а затем достаточно быстром охлаждении для того, чтобы феррит и перлит не успели образоваться.

Закалочные среды

Максимально достижимая твердость закаленной стали твердость зависит практически только от содержания углерода. Она достигается путем охлаждения со скоростью равной или выше критической скорости охлаждения для данного сплава. В качестве закалочной среды применяют воду, соляные растворы, масло, водо-полимерные растворы и, в некоторых случаях, инертные газы.

Закалка стали в воде и масле

Обычно при закалке стали применяют воду и солевые растворы. Там где это возможно применяется более дешевая вода. Однако закалка, например, высокоуглеродистых сталей, требует применения масла. При закалке стальных изделий сложной формы для минимизации коробления и растрескивания также часто применяют масло. Охлаждение сталей маслом почти всегда медленнее, чем водой.

Закалка стали в растворах органических полимеров

Некоторые органические полимеры при добавлении в воду дают ей закалочные свойства, схожие с теми, которыми обладает масло. Основное преимущество этих растворов заключается в том, что они отнимают тепло более медленно, чем вода, но без опасности возгорания, которая характерна для масла.

Недостатком полимерных растворов является то, что они требуют строгого контроля концентрации, температуры и  перемешивания для достижения стабильных результатов закалки.

Степень жесткости закалки в соляных ваннах может изменяться в широких пределах и зависит от типа полимера, его концентрации, температуры ванны и интенсивности перемешивания раствора в ходе закалки.

Прерванная закалка стали

В некоторых случаях требуется закаливать сталь в воде или солевом растворе для получения высокой поверхностной твердости изделия. Однако охлаждение водой или солевым раствором до полной закалки стали может привести к короблению изделия или образованию закалочных трещин.

Если нет необходимости упрочнять сталь по всему поперечному сечению, то часто применяют так называемую прерванную закалку. По-английски ее еще называют «slack quenching», слабая или ослабленная закалка.

Прерванная закалка обычно включает закалку в воде в течение определенного времени, а затем изделие переносят в масляную ванну для завершения превращения.

Закалка углеродистых и низколегированных сталей всегда сопровождается отпуском.

Отпуск закаленной стали

Отпуском называется процесс нагрева закаленной стали до температуры ниже нижней критической температуры с последующим охлаждением до комнатной температуры.

Целью отпуска является снизить внутренние напряжения и уменьшить твердость и тем самым получить более высокую пластичность, чем в случае закаленных изделий без отпуска.

Отпуск немного модифицирует структуру мартенсита и это изменение используют для «регулировки» прочности, твердости, вязкости и других механических свойств до заданных величин.

Углеродистые и низколегированные стали отпускают в температурном интервале от 175 до 700 °С. Длительность выдержки может различаться от 30 минут до нескольких часов.

Более длинное время отпуска при данной температуре или более высокая температура при данной выдержке увеличивает степень умягчения стали.

При одной и той же температуре мартенсит снижает свою прочность и твердость более значительно, чем перлит, а скорость изменения свойств стали при отпуске зависит от ее химического состава.

Отпускная хрупкость стали

Некоторые легированные стали при отпуске при температуре ниже 595 °С могут страдать к отпускному охрупчиванию. Для таких сталей нахождения в интервале температур отпускной хрупкости стараются избежать или проходить его с высокой скоростью.

Особенности закалки различных видов стали – способы, температура, прочие нюансы

Одним из наиболее распространенных способов термообработки металлов является закалка стали.

Именно при помощи закаливания формируются требуемые характеристики готового изделия, а ее неправильное выполнение может привести к излишней мягкости металла (непрокаливание) или к его чрезмерной хрупкости (перекаливание). В нашей статье речь пойдет о том, что такое правильная закалка и что нужно сделать, чтобы ее выполнить.

Какой бывает закалка металла

О том, что воздействие высокой температуры на металл может изменить его структуру и свойства, знали еще древние кузнецы и активно использовали это на практике.

В дальнейшем уже научно было установлено, что закалка изделий, изготовленных из стали, предполагающая нагрев и последующее охлаждение металла, позволяет значительно улучшать механические характеристики готовых изделий, значительно увеличивать срок их службы и даже в итоге уменьшать их вес за счет увеличения прочности детали.

Что примечательно, закалка деталей из недорогих сортов стали позволяет придать им требуемые характеристики и успешно использовать вместо более дорогостоящих сплавов.

Существуют различные виды закалки и последующего отпуска, отличающиеся режимами проведения, которые и определяют конечный результат. К режимам закалки относятся температура нагрева, время и скорость его выполнения, время выдержки детали в нагретом до заданной температуры состоянии, скорость, с которой осуществляется охлаждение.

Наиболее важным параметром при закалке металлов является температура нагрева, при достижении которой происходит перестройка атомной решетки. Естественно, что для сталей разных сортов значение критической температуры отличается, что зависит, в первую очередь, от уровня содержания в их составе углерода и различных примесей.

После выполнения закалки повышается как твердость, так и хрупкость стали, а на ее поверхности, потерявшей значительное количество углерода, появляется слой окалины. Толщину этого слоя обязательно следует учитывать для расчета припуска на дальнейшую обработку детали.

Диаграмма состояний железо-углерод

При выполнении закалки изделий из стальных сплавов, очень важно обеспечить заданную скорость охлаждения детали, в противном случае, уже перестроенная атомная структура металла может перейти в промежуточное состояние.

Между тем, слишком быстрое охлаждение тоже нежелательно, так как оно может привести к появлению на детали трещин или к ее деформации.

Для того, чтобы избежать образования таких дефектов, скорость охлаждения после падения температуры нагретого металла до 200 градусов Цельсия, несколько замедляют.

Для нагрева деталей, изготовленных из углеродистых сталей, используют камерные печи, которые могут прогреваться до 800 градусов Цельсия.

Для закалки отдельных марок стали критическая температура может составлять 1250–1300 градусов Цельсия, поэтому детали из них нагреваются в печах другого типа.

Удобство закалки сталей таких марок заключается в том, что изделия из них не подвержены растрескиванию при охлаждении, что исключает необходимость в их предварительном прогреве.

Очень ответственно следует подходить к закалке деталей сложной конфигурации, имеющих тонкие грани и резкие переходы. Чтобы исключить растрескивание и коробление таких деталей в процессе нагрева, его следует проводить в два этапа. На первом этапе такую деталь предварительно прогревают до 500 градусов Цельсия и лишь затем доводят температуру до критического значения.

Нагрев стали при закалке токами высокой частоты

В таких случаях нагревание производится с двумя выдержками, которые необходимы для того, чтобы достигнутая температура равномерно распределилась по всему объему детали.

Увеличивается суммарное время нагревания и в том случае, если в печь одновременно помещаются сразу несколько деталей.

Как избежать образования окалины и обезуглероживания при закалке

Многие детали из стали проходят закалку уже после того, как была выполнена их финишная обработка. В таких случаях недопустимо, чтобы поверхность деталей была обезуглерожена или на ней образовалась окалина.

Существуют способы закалки изделий из стали, которые позволяют избежать таких проблем. Закалка, выполняемая в среде защитного газа, который нагнетается в полость нагревательной печи, может быть отнесена к наиболее передовому из таких способов.

Следует иметь в виду, что используют такой метод лишь в том случае, если печь для нагрева полностью герметична.

На фото виден момент гидросбива на стане горячей прокатки — удаление окалины

Более простым способом, позволяющим избежать обезуглероживания поверхности металла при закалке, является применение чугунной стружки и отработанного карбюризатора.

Для того чтобы защитить поверхность детали при нагревании, ее помещают в специальную емкость, в которую предварительно засыпаны эти компоненты.

Для предотвращения попадания в такую емкость окружающего воздуха, который может вызвать процессы окисления, снаружи ее тщательно обмазывают глиной.

Если после закалки металла его охлаждают не в масле, а в соляной ванне, ее следует регулярно раскислять (не менее двух раз за смену), чтобы избежать обезуглероживания поверхности детали и появления на ней окисла.

Опускать такой стакан в соляную ванну следует очень осторожно, так как в этот момент на ее поверхности вспыхивает пламя, которое затухает через некоторое время.

Существует простой способ, позволяющий проверить качество раскисления соляной ванны. Для этого в такой ванне нескольких минут (3–5) нагревают обычное лезвие из нержавеющей стали. После соляной ванны лезвие помещают в воду для охлаждения. Если после такой процедуры лезвие не гнется, а ломается, то раскисление ванны прошло успешно.

Объемная закалка толстостенных заготовок

Охлаждение стали при закалке

Основу большинства охлаждающих жидкостей, используемых при закалке изделий из сталей, составляет вода. При этом важно, чтобы такая вода не содержала в своем составе примесей солей и моющих средств, которые могут значительно повлиять на скорость охлаждения.

Емкость, в которой содержится вода для закалки изделий из металла, не рекомендуется использовать в других целях. Важно также учитывать и то, что для охлаждения металла в процессе закалки, нельзя использовать проточную воду.

Оптимальной для охлаждающей жидкости считается температура в 30 градусов Цельсия.

Закалка изделий из стали с использованием для их охлаждения обычной воды, имеет ряд существенных недостатков. Самый главный из них — это растрескивание и коробление деталей после их охлаждения.

Как правило, таким способом охлаждения пользуются, когда выполняется цементирование металла, поверхностная закалка стали или термическая обработка деталей простой конфигурации, которые в дальнейшем будут подвергаться финишной обработке.

Для изделий сложной формы, изготовленных из конструкционных сталей, применяют другой тип охлаждающей жидкости – 50%-й раствор каустической соды, нагретый до температуры 60 градусов Цельсия. После охлаждения в таком растворе закаленная сталь приобретает светлый оттенок.

Очень важно при работе с каустической содой соблюдать технику безопасности, обязательно использовать вытяжку, размещаемую над ванной. При опускании раскаленной детали в раствор образуются пары, очень вредные для здоровья человека.

Закалка стали в муфельной печи

Лучшей охлаждающей жидкостью для тонкостенных деталей из углеродистых сталей и изделий, выполненных из легированных сплавов, являются минеральные масла, которые обеспечивают постоянную (изотермическую) температуру охлаждения, вне зависимости от условий окружающей среды.

Главное, чего следует избегать при использовании такой технической жидкости, — это попадания в нее воды, что может привести к растрескиванию деталей в процессе их охлаждения.

Однако, если в такую охлаждающую жидкость все же попала вода, ее можно легко удалить из нее, нагрев масло до температуры, превышающей температуру кипения воды.

У закалки стали с использованием масла в качестве охлаждающей жидкости есть ряд существенных недостатков, о которых обязательно стоит знать.

У масляной ванны есть и такое свойство: после ее использования на детали остается налет, а сама охлаждающая жидкость со временем теряет свою эффективность.

Все эти факторы следует учитывать при выполнении закалки металлов в масляной среде и принимать следующие меры безопасности:

• погружать детали в масляную ванну при помощи щипцов с длинными ручками;
• все работы выполнять в специальной маске из закаленного стекла и в перчатках, изготовленных из толстой ткани с огнеупорными свойствами или из грубой кожи;
• надежно защищать плечи, шею, грудь рабочей одеждой, изготовленной из толстой огнеупорной ткани.

Охлаждение в масляной ванне

Для закалки сталей отдельных марок охлаждение осуществляют при помощи потока воздуха, создаваемого специальным компрессором. Очень важно, чтобы охлаждающий воздух был совершенно сухим, так как содержащаяся в нем влага может вызвать растрескивание поверхности металла.

Существуют способы закалки стали, при которых используют комбинированное охлаждение. К ним обращаются для охлаждения деталей из углеродистых сталей, имеющих сложный химический состав.

Суть таких способов закалки заключается в том, что сначала нагретую деталь помещают в воду, где за короткое время (несколько секунд) ее температура снижается до 200 градусов, дальнейшее охлаждение детали проводят уже в масляной ванне, куда ее следует переместить очень оперативно.

Выполнение закалки и отпуска стальных деталей в домашних условиях

Термическая обработка металлических изделий, в том числе поверхностная закалка стали, не только увеличивает твердость и прочность сплава, но и значительно повышает внутренние напряжения в его структуре. Чтобы снять эти напряжения, способные в процессе эксплуатации детали привести к ее поломке, необходимо отпустить изделие из стали.

Следует иметь в виду, что такая технологическая операция приводит к некоторому снижению твердости стали, но увеличивает ее пластичность. Для выполнения отпуска, суть которого состоит в постепенном уменьшении температуры нагретой детали и ее выдерживании при определенном температурном режиме, используются печи, соляные и масляные ванны.

Закалка и отпуск стали в домашних условиях

Температуры, при которых выполняется отпуск, отличаются для различных сортов стали.

Так, отпуск быстрорежущих сплавов проводится при температуре 540 градусов Цельсия, а для сталей с твердостью на уровне HRC 59-60 достаточно и 150 градусов.

Что характерно, при отпуске быстрорежущих сплавов их твердость даже возрастает, а во втором случае ее уровень понижается, но значительно повышается показатель пластичности.

Закалка и отпуск изделий из стали, в том числе и нержавеющих сортов, вполне допустима (и, более того, часто практикуется) и в домашних условиях, если в этом возникла необходимость.

В таких случаях для нагрева изделий из стали можно использовать электроплиты, духовки и даже раскаленный песок. Температуры, до которых следует нагревать стальные изделия в таких случаях, можно подобрать по специальным таблицам.

Перед закалкой или отпуском стальных изделий, их необходимо тщательно очистить, на их поверхности не должно содержаться грязи, следов масла и ржавчины.

После того, как требуемое состояние достигнуто, нагреваемое изделие следует охладить в масле, а затем сразу поместить в духовку, предварительно разогретую до 200 градусов Цельсия.

Затем необходимо постепенно снизить температуру в духовке, доведя ее до отметки в 80 градусов Цельсия.

Данный процесс занимает обычно час. Дальнейшее охлаждение следует проводить на открытом воздухе, исключение составляют лишь изделия из хромоникелевых сталей, для снижения температуры которых используются масляные ванны. Обусловлено это тем, что стали таких марок при медленном охлаждении могут приобрести так называемую отпускную хрупкость.

Полная закалка доэвтектоидной стали

Конструкционные стали подвергают закалке и отпуску для повышения прочности и твердости, получения высокой пластичности, вязкости и высокой износостойкости, а инструментальные – для повышения твердости и износостойкости.

Верхний предел температур нагрева для заэвтектоидных сталей ограничивается, так как приводит к росту зерна, что снижает прочность и сопротивление хрупкому разрушению.

Основными параметрами являются температура нагрева и скорость охлаждения. Продолжительность нагрева зависит от нагревательного устройства, по опытным данным на 1 мм сечения затрачивается: в электрической печи – 1,5…2 мин.; в пламенной печи – 1 мин.; в соляной ванне – 0,5 мин.; в свинцовой ванне – 0,1…0,15 мин.

По температуре нагрева различают виды закалки:

– полная, с температурой нагрева на 30…50 o С выше критической температуры А3

.

Применяют её для доэвтектоидных сталей. Изменения структуры стали при нагреве и охлаждении происходят по схеме:

.

Неполная закалка доэвтектоидных сталей недопустима, так как в структуре остается мягкий феррит. Изменения структуры стали при нагреве и охлаждении происходят по схеме:

– неполная с температурой нагрева на 30…50 o С выше критической температуры А1

Применяется для заэвтектоидных сталей. Изменения структуры стали при нагреве и охлаждении происходят по схеме:

.

После охлаждения в структуре остается вторичный цементит, который повышает твердость и износостойкость режущего инструмента.

После полной закалки заэвтектоидных сталей получают дефектную структуру грубоигольчатого мартенсита.

Заэвтектоидные стали перед закалкой обязательно подвергают отжигу – сфероидизации, чтобы цементит имел зернистую форму.

Охлаждение при закалке.

Для получения требуемой структуры изделия охлаждают с различной скоростью, которая в большой степени определяется охлаждающей средой, формой изделия и теплопроводностью стали.

Внутренние напряжения, уравновешиваемые в пределах макроскопических частей тела, называются напряжениями I рода. Они ответственны за искажение формы (коробление) и образование трещин при термообработке. Причинами возникновения напряжений являются:

· различие температуры по сечению изделия при охлаждении;

· разновременное протекание фазовых превращений в разных участках изделия.

Для предупреждения образования трещин необходимо избегать растягивающих напряжений в поверхностных слоях изделия. На характер распределения напряжений при закалке, помимо режима охлаждения, оказывает влияние и температура нагрева под закалку. Перегрев содействует образованию закалочных трещин, увеличивает деформации.

Режим охлаждения должен также обеспечить необходимую глубину закаленного слоя.

Оптимальный режим охлаждения: максимальная скорость охлаждения в интервале температур А1 – MН, для предотвращения распада переохлажденного аустенита в области перлитного превращения, и минимальная скорость охлаждения в интервале температур мартенситного превращения MН – MК, с целью снижения остаточных напряжений и возможности образования трещин. Очень медленное охлаждение может привести к частичному отпуску мартенсита и увеличению количества аустенита остаточного, а следовательно к снижению твердости.

В качестве охлаждающих сред при закалке используют воду при различных температурах, технические масла, растворы солей и щелочей, расплавленные металлы.

Читать также:  Как вырезать кафельную плитку

Вода имеет существенный недостаток: высокая скорость охлаждения в интервале мартенситного превращения приводит к образованию закалочных дефектов. С повышением температуры воды ухудшается ее закалочная способность.

Наиболее высокой и равномерной охлаждающей способностью отличаются холодные 8…12 %-ные водные растворы NaCl и NaOH. Они мгновенно разрушают паровую рубашку и охлаждение происходит более равномерно и на стадии пузырькового кипения.

Увеличения охлаждающей способности достигают при использовании струйного или душевого охлаждения, например, при поверхностной закалке.

Для легированных сталей с высокой устойчивостью аустенита используют минеральное масло (нефтяное).

Обеспечивающее небольшую скорость охлаждения в интервале температур мартенситного превращения и постоянство закаливающей способности.

При выборе охлаждающей среды необходимо учитывать закаливаемость и прокаливаемость стали.

Закаливаемость – способность стали приобретать высокую твердость при закалке.

Закаливаемость определяется содержанием углерода. Стали с содержанием углерода менее0,20 % не закаливаются.

Прокаливаемость – способность получать закаленный слой с мартенситной и троосто-мартенситной структурой, обладающей высокой твердостью, на определенную глубину.

За глубину закаленной зоны принимают расстояние от поверхности до середины слоя, где в структуре одинаковые объемы мартенсита и троостита.

Чем меньше критическая скорость закалки, тем выше прокаливаемость. Укрупнение зерен повышает прокаливаемость.

Если скорость охлаждения в сердцевине изделия превышает критическую то сталь имеет сквозную прокаливаемость.

Нерастворимые частицы и неоднородность аустенита уменьшают прокаливаемость.

Характеристикой прокаливаемости является критический диаметр.

Критический диаметр – максимальное сечение, прокаливающееся в данном охладителе на глубину, равную радиусу изделия.

С введением в сталь легирующих элементов закаливаемость и прокаливаемость увеличиваются (особенно молибден и бор, кобальт – наоборот).

В большинстве случаев при закалке желательно получить структуру наивысшей твердости, т.е. мартенсит, при последующем отпуске которого можно понизить твердость и повысить пластичность стали.

Ас3+ (30—50 °С). Такая температура обеспечивает получение при нагреве мелкозернистого аустенита и соответственно после охлаждения — мелкокристаллического мартенсита. Недогрев до температуры Ас3 приводит к сохранению в структуре кристаллов феррита, что при некотором уменьшении прочности обеспечивает повышенную пластичность закаленной стали (рис. 3.3).

Рис. 3.3.Оптимальные температуры нагрева под закалку для сталей:

а — доэвтектоидных, заэвтектоидных; б — высоколегированных ледебуритных

Заэвтектоидные стали подвергают неполной закалке. Оптимальная температура нагрева углеродистых и низколегированных сталей — температура Ас1 + (30—50 °С).

После закалки заэвтектоидная сталь приобретает структуру, состоящую из мартенсита и цементита. Кристаллы цементита тверже кристаллов мартенсита, поэтому при неполной закалке заэвтектоидные стали имеют более высокую твердость, чем при полной закалке. Высоколегированные инструментальные стали ледебуритного класса (рис. 3.

3) для повышения теплостойкости нагревают при закалке до очень высоких температур (область 1), близких к эвтектической. При этом происходит распад всех вторичных карбидов, аустенит обогащается не только углеродом, но и легирующими элементами, содержащимися в карбидах.

В результате получается высоколегированный, а следовательно, и теплостойкий мартенсит.

Читать также:  Пила дружба заточка цепи

Для получения мартенситной структуры необходимо переохладить аустенит до температуры мартенситного превращения, при этом скорость охлаждения должна превышать критическую скорость )кр.

Продолжительность нагрева. Скорость нагрева и время выдержки при температуре нагрева для закалки зависят от химического состава стали и размеров обрабатываемых деталей. Чем больше размеры и сложнее конфигурация закаливаемых деталей или инструмента, тем медленнее происходит нагрев.

Чем больше в стали углерода, легирующих элементов, тем менее она теплопроводна. Нагревают детали из высокоуглеродистых и легированных сталей медленно, равномерно и с повышенной выдержкой нагрева.

Величина напряжений должна быть всегда ниже допустимой величины, в противном случае в изделии при нагреве могут образоваться трещины. Выдержка при термической обработке необходима для того, чтобы изделия полностью прогрелись после достижения заданной температуры и произошли структурные превращения в металле.

Время выдержки зависит в основном от структуры металла и равно 1 мин для углеродистых сталей и 1,5—2,0 мин для сталей, легированных на 1 мм диаметра.

Время нагрева определяют для каждого вида деталей или инструмента (табл. 3.1).

Охлаждающие среды после закалки. Для охлаждения стальных деталей при закалке в качестве закалочных сред применяют воду, водные растворы солей, расплавленные соли и минеральные масла.

Среднее время нагрева деталей из углеродистых сталей под закалку в различных средах

Температура нагрева, °С

Время нагрева (с) 1 мм диаметра или толщины деталей с сечением

Закалка доэвтектоидных и заэвтектоидкых сталей

До сих пор, говоря о закалке, мы имели в виду эвтектоидную сталь, содержащую 0,8-0,9% С, причем неоднократно замечали, что углерод оказывает существенное влияние на результаты. Рассмотрим теперь, как сказывается влияние углерода на закалку в сталях доэвтектоидного и заэвтектоидного состава.

Прежде всего в этих сталях, по сравнению с эвтектоидной, должно сказываться их положение по диаграмме состояний: наличие вторых превращений, кроме эвтектоидного, в точках А3 и Аст.

В связи с этим в доэвтектоидных и заэвтектоидных сталях может быть закалка двоякого вида: полная и неполная.

Полной закалкой называют такую, которая производится, исходя из состояния сплошного аустенита, когда нагрев стали для закалки осуществляется выше верхних критических точек.

Если же нагреть сталь ниже указанных точек, но выше точки Aclt то будем находиться в области, где, кроме аустенита, находятся избыточные фазы — феррит (Ф) или цементит (Ц).

Очевидно, при закалке, т. е. последующем быстром охлаждении, аустенитные участки переохладятся и перейдут в соответствующие закаленные участки, а Ф и Ц останутся неизмененными (равновесными) участками.

Такая закалка называется неполной. Присутствие равновесных избыточных фаз, наряду с закаленными участками, должно изменять результаты закалки.

Читать также:  Как точить цепь пилы напильником

Сравнивая результаты полной закалки сталей с различным содержанием углерода, можно установить, что процесс распадения аустенита и образования соответствующих переходных состояний (мартенсита, троостита и сорбита) идет аналогично эвтектоидной стали, но в зависимости от содержания углерода наблюдаются следующие отклонения.

Относительно кривых изотермического распадения установлено, что изменения содержания углерода как в доэвтектоидную сторону, так и в заэвтектоидную смещают С-образные кривые влево (ближе к начальной ординате), по сравнению с кривыми эвтектоидной стали .

Это значит, что эвтектоидная сталь наиболее устойчива, а уменьшение и увеличение содержания углерода против 0,83% вызывает ускорение как начала распадения переохлажденного аустенита, так и завершения превращения.

Что же касается температурных пределов расположения минимума устойчивости (перегиба на С-образных кривых в верхней части), то существенного отличия от эвтектоидной стали здесь не наблюдается, и ход С-образных кривых в общем у всех аналогичен.

Различие в виде кривых изотермического превращения между эвтектоидной и внеэвтектоидными сталями сказывается еще и в том, что, кроме кривой перлитного превращения, в них присутствует еще ветвь, отвечающая верхним превращениям: выделению избыточного феррита (в точках Агъ) или цементита (Arcm).

Приведены кривые изотермического превращения доэвтектоидной стали и здесь видна ветвь, соответствующая точкам выделения избыточного феррита Лг3; эти точки по мере ускорения охлаждения получаются все ниже-ближе к точкам Агх — до совпадения с последними близ С-образной кривой. Это значит, что при больших скоростях закалки (близких к критической и выше) оба превращения сливаются в одно и дают закаленные структуры без присутствия избыточных фаз.

Различие в связи с содержанием углерода особенно сказывается в нижней части диаграммы, на положении горизонтали точки М, определяющей начало образования мартенсита (и ограничивающей распространение С-образных кривых).

Выше было замечено, что как верхняя, так и нижняя границы области мартенситного превращения зависят от состава стали и, особенно, от содержания углерода.

Приведены кривые зависимости точек начала (М) и конца (Мк) 1 мартенситного превращения от содержания углерода в стали; здесь видно, что углерод резко понижает эти точки, причем

Кроме углерода, на положение мартенситных точек оказывают существенное влияние и прочие легирующие примеси, о чем подробнее сказано.