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.

Закалка стали

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.

Смысл процесса, который называется закалка изделий из стальных сплавов, заключается в нагреве металла до критической температуры и его последующем охлаждении. Основная цель, которая преследуется такой технологией термообработки, заключается в повышении твердости и прочности металла с одновременным уменьшением его пластичности.

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

Для качественной закалки сталей важно обеспечить не только уровень нагрева, но и его равномерность. Если деталь отличается массивностью или сложной конфигурацией, обеспечить равномерность ее нагрева можно только в несколько подходов. 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.

Отпуск и старение металла

При помощи закалки стали повышается хрупкость изделия и его твердость. Отпуск металла – это еще одна необходимая процедура, в ходе которой он становится более пластичным, но при этом его прочность и твердость немного снижаются. Отпуск проводят постепенно и при более низком температурном режиме.

Отпуск – это разновидность термической обработки, которая применяется для изделий, закаленных до критической точки, в процессе которой происходит изменение структуры стали. Как происходит данный процесс: металл выдерживается в нагретом состоянии определенный промежуток времени, а затем медленно остывает на открытом воздухе. Отпуск осуществляют для сокращения внутреннего напряжения, увеличения пластичности металла и предотвращение его хрупкости.

Если проводить закалку стали без изменения его кристаллической решетки, то вы сможете предотвратить хрупкость металла, однако также получите проблемы с его твердостью. Повысить твердость изделия можно при помощи еще одного процесса термической обработки – старения металла, в ходе которого происходит распад пересыщенного твердого раствора.

С помощью старения достигается необходимая твердость и прочность закаленного металла. Старение бывает трех видов:

• естественным – вид термообработки, который происходит при выдержке в естественных условиях; в ходе естественного старения автоматически происходит повышение прочности металла и снижение его пластичности;
• термическим – это старение, которое невозможно без воздействия высоких температур; в данном случае может произойти перестаривание, когда характеристики металла достигают своего пика, а затем начинают постепенно снижаться;
• деформационным – данный тип старения подразумевает пластическую деформацию закаленного сплава, который имеет структуру перенасыщенного твердого раствора.

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. Для раскисления соляных ванн могут быть использованы борная кислота, бурая соль или древесный уголь. Последний обычно помещают в специальный стакан с крышкой, в стенках которого имеется множество отверстий. 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

Выбор охлаждающей среды

От выбора охлаждающей среды зависит будущее качество вашей детали:

• в качестве охлаждающей среды для простых деталей из углеродистой стали применяется обычная вода;
• для изделий сложной формы применяют каустическую соду в соотношении 1:1, готовый раствор нагревают до 50-60 градусов;
• к деталям с тонкими стенками из любых видов стали в качестве охлаждающей среды выбирают масло.

Сталь с углеродом, которая имеет сложный состав, остужают в двух видах охладителей – сначала в воде, а затем в масляной ванне. Перемещать изделия из одной среды в другую нужно с максимальной скоростью.

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. При контакте масла с раскаленной деталью выделяются пары, вредные для человеческого здоровья, кроме того, масло в этот момент может загореться. 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.

Объемная термообработка

Вы можете заказать услуги по объемной термообработке по телефону,

Термообработка закаливанием по глубине воздействия на изделие подразделяется на поверхностную и объемную (полную). Объемная закалка необходима в тех случаях, когда необходимо изменить структуру не только поверхностных слоев, но и всего металла, из которого изготовлено изделие.

Закалка стали осуществляется при нагревании до температуры, превышающей на 30-50°С температуру заэвтекоидной стали, последующей выдержки при данной температуре и охлаждения. Цель этой процедуры – получение повышенной износостойкости, улучшение физико-механических свойств, в частности, твердости. Твердость увеличивается в результате трансформации структуры в неравновесные твердые:

• мартенсит,
• сорбит,
• троостит.

Качество объемной термообработки путем закалки находится в зависимости от верного выбора режима, то есть температуры нагрева, длительности выдержки и скорости охлаждения. Температуру закалки, например, для углеродистых сталей, выбирают с использованием диаграммы состояния сплавов.

Чтобы противодействовать возникновению напряжений и трещин, нагрев производят постепенно, медленно. Время нагрева выбирают в зависимости от таких факторов, как химический состав марки стали, размеров и формы изделия. Для нагревания в соляных ваннах рекомендовано выбирать скорость в полминуты на 1 мм сечения, а для нагревания в электропечи – порядка 20 минут на 1 мм сечения. Длительность выдержки, необходимой для окончательного превращения перлита в аустенит должна соотноситься ко всему времени нагрева как 1 к 4. Критическая скорость закалки – это величина скорости охлаждения, при которой в итоге получается либо мартенситная структура стали, либо мартенситная с остаточной аустенитной. Для закалки большинства сталей применяется в качестве среды охлаждения масло, а для среднеуглеродистых лучше использовать воду с температурой 18°С.

По скорости охлаждения закалку подразделяют на изотермическую и ступенчатую. Для термообработки используются токи высокой частоты, нагрев в печах, газопламенное нагревание. Объемную закалку с непрерывным охлаждением используют для легированных и углеродистых сталей, причем в первом случае охлаждение осуществляют в масле, а во втором – в воде. Ступенчатая закалка позволяет снять напряжения, возникающие в процессе охлаждения. Этот метод основан на последовательном погружении нагретой детали сначала в масло, подогретое до определенных температур, а затем, после непродолжительной выдержки, происходит охлаждение на воздухе.

В процессе закалки в стали возникают структурные и термические напряжения. Возникновение термических напряжений связано с неравномерным охлаждением, а структурных – с увеличением в объеме за счет превращения одних структур (аустенитных) в другие. Неверно выбранный режим закалки приводит к короблению, возникновению участков с меньшей твердостью, окисление, трещины и т.д.