Закалка стали: особенности процесса

СОДЕРЖАНИЕ

• Металлы, подлежащие закалке
• Свойства стали после закалки
• Классификация закалки стали
• Закаливание в одной среде
• Ступенчатая закалка
• Изотермическая закалка
• Закалка с самоотпуском
• Светлая закалка
• Оборудование для закалки сталей
• Температура для закалки стали
• Технология закалки стали
• Скорость разогрева металла
• Скорость остывания
• Охлаждающие жидкости
• Влияние скорости охлаждения на конечный результат
• Дефекты при закаливании стали

Металлы, подлежащие закалке

Закалкой металла называют такую его термическую обработку, при которой после нагревания до температуры не менее 723 °C изделие охлаждают (быстро или медленно). Закалке чаще всего подвергают углеродистые или же легированные сорта стали с целью увеличения твердости, а также улучшения некоторых прочностных характеристик. Иногда закалке подвергают и цветные металлы. В качестве примера можно привести такие процессы:

• отпуск, отжиг и закалка меди;
• закалка латуни;
• закалка бронзы;
• закалка сплавов алюминия;
• закалка титана.

Однако цветные металлы после закалки обретают свойства, отличные от тех, которые после данной процедуры демонстрирует сталь. Сплавы меди, к примеру, обретают мягкость и пластичность. А процедуру отпуска здесь обычно применяют для того, чтобы снять остаточные напряжения после отливки, штамповки, прокатки или волочения деталей, выплавленных из цветных металлов и сплавов.

Свойства стали после закалки

Процесс закалки стали основан на том, что металл при нагревании испытывает ряд фазовых переходов, при которых происходит изменение его структуры, а именно состава, формы и элементов кристаллической решетки.

Когда достигается температура 723 °C, в твердом металле начинает распадаться цементит (иначе это вещество называют карбидом железа – FeC). При этом раствор углерода, аустенит, равномерно распределяется внутри железного массива. Такое состояние углеродистого металла является для процедуры закалки базовым.

Далее сталь начинают охлаждать. Если эта процедура происходит медленно, аустенит распадается и сталь возвращается в исходное состояние. Если же охлаждать быстро, аустенит не успеет измениться, и при определенной интенсивности снижения температуры на определенных ее пороговых значениях будут сформированы новые кристаллические решетки и химические соединения, которые придадут металлу другие физические свойства, а также полезные эксплуатационные характеристики.

Опытным путем для каждого типа закалки были найдены различные виды сталей с соответствующим рядом свойств и технических характеристик. Также выделяют основные фазовые состояния металла:

• перлит;
• сорбит;
• мартенсит.

Читайте также: «Уровень качества сварного шва: методы контроля»

Наибольшей твердостью обладает сталь, закалка которой производилась до состояния мартенсита. Такой технологической процедуре подвергают металл, из которого в дальнейшем производят:

• режущий инструмент для станков;
• упрочняют поверхности деталей, подвергающихся трению в процессе эксплуатации (валы, шестерни, втулки и обоймы).

Закалка на троостит придает стали свойства упругости и твердости одновременно. Такая термообработка применяется к ударному инструменту, а также к рессорам и пружинным амортизаторам.

Упругость, вязкость и стойкость к износу придается металлу с помощью закалки до состояния сорбита. Этот тип закалки используется при производстве:

• рельсов;
• деталей и элементов, испытывающих постоянное динамическое напряжение.

Указанные выше фазовые состояния присущи всем маркам углеродистых сталей при закалке, однако каждый отдельный сорт металла имеет свои температурные диапазоны и скорости охлаждения.

Классификация закалки стали

Классификация процессов закалки сталей производится по признаку источника нагрева, а также способа охлаждения металла. Основным нагревателем здесь является классическая муфельная печь, где изделия любых размеров можно раскалить до нужной температуры равномерно.

Если же требуется поточная термическая обработка большого количества деталей, в этом случае нагрев осуществляется с помощью токов высокой частоты. Такая закалка называется индукционной.

Иногда бывает нужно закалить только поверхность детали, не меняя физические свойства металла внутри. В таких случаях практикуют экономичную, но при этом эффективную газоплазменную закалку. Ее главным недостатком является невозможность контроля глубины прокаливания – приходится действовать, что называется, на глазок.

Чтобы решить указанную выше проблему, используют самый передовой способ закаливания – лазерный. Однако его мощность сильно ограничена мощностью лазерного генератора.

А вот способы охлаждения подразделяют по типу охлаждающей среды и циклам рабочих операций. Кое-какие из них подразумевают не только саму закалку, но и последующий отпуск стали, однако для изотермической закалки, к примеру, отпуск не нужен вообще (об этом далее).

Читайте также: «Сварка нержавейки электродом»

Перечислим режимы закалки стали:

Закаливание в одной среде

Здесь изделие, нагретое до заданной температуры, помещается в жидкость до полного остывания. Если закаливается объект из углеродистых сортов стали, в качестве жидкости используют воду; если из легированных сталей – минеральное масло. Минусом данной технологии является тот факт, что в детали после закалки остается большое количество очагов напряжения. Для того чтобы снять их, применяют отпуск (термообработку после закалки стали).

Ступенчатая закалка

Она производится в 2 этапа:

• Металлическое изделие нагревается до температуры, которая на несколько десятков градусов превышает точку начала возникновения мартенсита. При этом температура должна быть равномерна по всей детали.
• Затем происходит ее медленное охлаждение. Итог – по всему массиву металла формируется мартенситная структура.

Изотермическая закалка

Здесь закаливаемое изделие выдерживается в среде выше точки образования мартенсита дольше, чем при ступенчатой закалке. Аустенит в массиве металла превращается в бейнит (разновидность троостита), что придает стали одновременно и вязкость, и повышенные прочностные характеристики. Но главное – изотермическая закалка не оставляет в изделии никаких остаточных напряжений.

Закалка с самоотпуском

Если нужно получить изделие с поверхностным слоем высокой твердости, но при этом с достаточно вязкой серединой (как, например, при производстве тонких кинжалов – стилетов), применяется метод закалки с самоотпуском.

Его особенность заключается в том, что остывающее после нагрева металлическое изделие достается из ванны, будучи не полностью охлажденным. В этом случае внешние слои металла уже достаточно холодные, а вот внутренний массив концентрирует в себе еще много тепла, чтобы снова прогреть все изделие целиком до температуры отпуска. То есть повторный нагрев осуществляется только за счет накопленной в металле энергии, поэтому этот способ и называется закалкой с самоотпуском.

Светлая закалка

Обычно во время термообработки стальная деталь покрывается окалиной (Fe3O4). Но если нам нужно получить закаленное изделие и при этом добиться, чтобы у него была чистая поверхность без результатов окисления, используют технологию светлой закалки стали. Сталь нагревается либо в вакуумной печи, либо в азотной или аргоновой газовой среде (лишенной кислорода), а после этого охлаждение происходит в щадящих (неокисляющих) жидкостях.

Читайте также: «Дуговая сварка в защитном газе: суть процесса»

Таким способом проходят термическую обработку металлические изделия, которые не могут быть подвержены дальнейшей шлифовке, а кроме того, те детали, для которых содержание углерода в поверхностном слое является весьма критичным параметром.

Оборудование для закалки сталей

Термическая обработка изделий из сталей и сплавов производится на оборудовании, состоящем из 2 основных групп: 

• нагревающих установок (печей);
• закалочных ванн.

Первые могут быть представлены:

• классическими муфельными термопечами;
• индукционными печами;
• установками для нагрева металла в расплавах;
• газоплазменными установками;
• аппаратами лазерной закалки.

Первые 3 вида печей способны прогревать весь массив металлического изделия до требуемых температур. А вот 2 последние нагревают только поверхностные слои. Для светлой закалки также широко используются печи, осуществляющие нагрев металла в вакууме или же в среде инертного газа.

Читайте также: «Контактная сварка»

Закалочные ванны – это стальные емкости различных объемов, предназначенные для различных жидкостей. Кроме того, они дополнительно комплектуются специальными графитовыми тиглями и печами для расплавов солей. В качестве закалочных сред чаще всего используют:

• воду;
• минеральные масла;
• водополимерные смеси.

В основе металлических расплавов (в которых также производится охлаждение предварительно нагретого изделия) чаще всего используют свинец и олово, а в качестве солевых – расплавы солей натрия, калия и бария. Закалочные ванны оснащаются системами нагрева и охлаждения жидких сред до нужных температур, а кроме того, укомплектовываются мешалками для обеспечения равномерности температуры жидкой среды в ванне и предотвращения возникновения паровой рубашки при закалке.

Температура для закалки стали

В зависимости от процентного содержания углерода и легирующих добавок (по массе) в металле требуется обеспечить тот или иной уровень температуры нагрева при закалке. Общая зависимость такова: чем меньше углерода, тем сильнее нужно нагревать. Например, закалку стали марки 45 нужно проводить при температуре гораздо ниже, чем Ст3.

Если имеет место недогрев металла, то в нем не сформируется нужная структура кристаллической решетки. А если его существенно перегреть, произойдет обезуглероживание – поверхностный слой будет чрезмерно окислен, изменится форма структурных элементов, а внутри изделия появится большое количество внутренних напряжений. В следующей таблице представлены температуры закалки стали, а также ее отжига и отпуска по различным маркам (как углеродистой, так и легированной стали):

В таблице представлены температуры закалки стали на различных этапах. Для того чтобы иметь возможность точно определять температуру накаливания в промышленности, обычно используют контактные и бесконтактные пирометры. Передовыми средствами измерения температуры являются инфракрасные приборы (стали весьма распространены в последнее десятилетие). Они позволяют определять температуру дистанционно и в любой точке нагреваемого изделия.

Технология закалки стали

Закалка металлических заготовок – это сложный технологический процесс, который весьма требователен к точности соблюдения последовательности действий и различным нюансам. Перечислим некоторые из них.

Скорость разогрева металла

Конечно, выгоднее всего нагревать изделие до номинальной температуры как можно скорее, так как при этом будет потрачено меньше энергии. Но быстрый нагрев неизбежно приведет к перепаду температур между поверхностью и внутренним массивом металла (особенно если деталь габаритная). Как следствие, может появиться деформация, а также возникнут трещины.

Поэтому процесс нагрева всегда медленный – он рассчитывается по эмпирическим формулам с привлечением некоторых табличных значений. За эту процедуру на предприятии отвечает специальный сотрудник – технолог-термист.

Скорость остывания

Когда металл разогревается выше критической точки, от скорости его остывания зависит то, какова будет структура стали после закалки. Пример: если изделие быстро остудить в воде с температурой 20 °С, то на выходе будем иметь углеродистую мартенситную сталь. А вот если охлаждать в ванне с горячей водой или же в масле, то получится троостит.

Читайте также: «Сварка медных проводов: разбираемся в технологии»

Любой марке стали присущи собственные режимы закалки для получения того или иного фазового состояния. А кроме того, на это еще влияет размер и форма детали (поэтому здесь, как нигде, требуется участие в процессе закалки опытного металлурга). На предприятиях для каждого изделия разрабатываются специальные операционные карты, описывающие маршрутные технологии производства, однако опытного специалиста не заменят даже весьма продвинутые управляющие компьютерные программы.

Охлаждающие жидкости

По большей части сталь после нагревания детали погружают в воду. Это экономически выгодно, к тому же с помощью добавок солей или простого глицерина можно регулировать плотность среды, а следовательно, и скорость остывания. Чтобы закаливаемая поверхность обладала гомогенной твердостью, температура охлаждающей жидкости должна находиться в диапазоне от 20 до 30 °С. И абсолютно неправильно охлаждать раскаленное металлическое изделие в проточной воде.

Влияние скорости охлаждения на конечный результат

Процесс остывания стали при закалке должен протекать настолько медленно, чтобы аустенит не распался на феррит и карбид железа. А этот процесс начинается, когда температура падает ниже 650 °C. Далее снижать температуру нужно медленнее, чтобы максимально уменьшить внутренние напряженности.

Читайте также: «Технология сварки сталей»

Если металл охладить быстро и в холодной воде, получится мартенсит, обладающий максимальной твердостью, но при этом довольно хрупкий. Если же температуру понизить на 200-300 °C и сделать это быстро, аустенит прекращает распадаться, а последующее неторопливое охлаждение создаст в структуре металла фазовые состояния с меньшей твердостью, зато с большей износостойкостью и лучшими прочностными характеристиками.

Дефекты при закаливании стали

Перечислим основные дефекты, которые возникают при закалке:

• возникновение трещин;
• появление деформаций (коробление);
• недостаточная твердость;
• обезуглероживание (и окисление) поверхности изделия;
• появление повышенной хрупкости.

Трещины, как правило, возникают из-за слишком быстрого нагрева или же остывания, когда внутреннее растягивающее напряжение первого рода превышает сопротивление металла разрыву. Образование трещин происходит, когда температура падает ниже точки Мн (чаще всего, это бывает после окончания процедуры охлаждения и закалки стали в целом).

Чем больше в массиве железа углерода, тем больше вероятность возникновения трещин. Также трещины образуются из-за большого количества очагов напряжения, которые буквально разрывают слои металла. Трещины – это неустранимый дефект, поэтому желательно:

• закалку проводить при как можно меньших температурах;
• осуществлять неспешное охлаждение в мартенситном интервале температур (то есть применять ступенчатую и изотермическую закалку);
• сразу же после закалки выполнить отпуск.

Искажение размеров закаленного изделия вследствие термического воздействия называется деформацией при закалке. Структурные напряжения здесь настолько сильны, что способны изменить форму детали.

Происходит это главным образом из-за неравномерности температур по всему объему металла, в результате чего различные его участки испытывают разные фазовые переходы, да еще и в разное время. В связи с угрозой деформации тонкие и длинные изделия остужают после закалки, зажимая в штампах или прессах.

Недостаток твердости закаленной зоны, как правило, проявляется из-за недогрева заготовки, а также вследствие недостаточно интенсивного охлаждения. Охладитель (жидкость в ванне) следует непрерывно перемешивать, чтобы обеспечить равномерность температуры по всей поверхности охлаждаемого изделия, а также снять паровую рубашку. Как вариант, можно вместо воды использовать растворы солей или щелочей.

Окисление поверхностных слоев, а также их обезуглероживание случается во время нагрева в печах, где нет контроля состава атмосферы. Для решения данной проблемы, как правило, увеличивают припуски на механическую обработку.

Читайте также: «Шлифовка металла»

Охрупчивание – это дефект закалки стали, когда она прогревалась при слишком высоких температурах. В результате происходит запредельный рост зерен аустенита. Данный вид дефектов обычно обнаруживают после проведения механических испытаний на излом. Чтобы от него избавиться, нужно повторить закалку, но теперь уже с выдерживанием температурных режимов.

С древних времен люди старались придать железу требуемые эксплуатационные характеристики с помощью проведения термической обработки. На сегодняшний день технология термической закалки стали претерпела не много изменений – это по-прежнему нагрев металла с последующим его охлаждением в разных средах.

От выбранной температуры нагрева зависят те свойства, которые мы хотим получить от стали, а допущенные ошибки (как связанные с выбором температурного режима, так и скорости охлаждения) приведут к излишней мягкости поверхностного слоя либо хрупкости всего изделия в целом.

Закалка металла – это многофакторная процедура, и для того, чтобы получить нужный результат, необходимы экспертные знания (в идеале – присутствие опытного металлурга).