Закалка стали – способы, температура, правила

Термообработка металла – это обязательный процесс в металлургии. Благодаря правильно проведенной термической обработке стали можно добиться улучшения тех или иных механических характеристик изделия.

На эту тему можно говорить довольно долго. Давайте разберемся с вами, что же представляет собой закалка стали, для чего она нужна и какова технология.

На первый взгляд все это может показаться крайне сложным, однако если разобраться более подробно, это не так.

Немного общих сведений

Закалка представляет собой процесс изменения кристаллической решетки стали и ее сплавов путем достижения критической температуры, которая для каждого материала своя. Как правило, при достижении необходимого температурного порога следует резкое охлаждение. В качестве охлаждающей жидкости может выступать вода или масло, но об этом более подробно мы поговорим немного позже.

Стоит заметить, что для инструментальных сталей чаще применяется неполная закалка. Суть ее заключается в том, что достигается температура, при которой образуются избыточные фазы.

Цветные металлы подвергаются термообработке без полиморфного превращения, а сталь – с полиморфным превращением.

Снятие закалки

Отпуск – технологический процесс охлаждения изделия, суть которого заключается в получении более пластичного и менее хрупкого материала. При этом прочность стараются сохранить на прежнем уровне. Для этого изделие помещают в печь с температурой от 150 до 650 градусов, где она постепенно остывает. Существует три вида отпуска:

• Низкотемпературный – придает обрабатываемому изделию высокую износостойкость, однако такая сталь хуже воспринимает динамические нагрузки. Процесс протекает под температурой 260 градусов. Низкотемпературному отпуску подвергаются изделия из низколегированных и углеродистых сталей (режущие и измерительные инструменты).
• Среднетемпературный – протекает при температуре от 350 до 500 градусов. Чаще всего используется отпуск пружин, рессор, штампов и т. п. Такое изделие будет обладать хорошей упругостью и выносливостью.
• Высокотемпературный отпуск протекает при температуре 500-680 градусов. После окончания процесса изделие будет обладать высокой прочностью и пластичностью. Высокотемпературный отпуск подходит для дальнейшего изготовления деталей, воспринимающих большие нагрузки (зубчатое колесо, вал и т.п.).

Закалка стали в домашних условиях

Если у вас появилась необходимость повысить прочность домашнего инструмента, то вовсе не обязательно бежать к кузнецу, ведь можно обойтись собственными силами. Для этого вам понадобится минимум оборудования и знаний. В качестве примера давайте возьмем топор.

Если изделие было изготовлено еще в СССР, то можете быть уверены в том, что оно сделано на совесть. Однако современные топоры качеством не блещут. Заминание или выкрашивание свидетельствует о том, что технология закалки не была соблюдена.

Но ничто нам не мешает все сделать самостоятельно.

Для этого разжигаем костер с углями. Последние должны быть как можно белей. Это говорит об их высокой температуре. Предварительно подготовьте две емкости. Одну наполните маслом, можно обычной отработкой машинного, вторую чистой холодной водой. Когда кромка станет малинового цвета, топор нужно доставать.

Для удержания можно использовать кузнечные клещи или что-то в этом роде. Быстро окунаете топор в масло и держите три секунды, затем на столько же достаете и опять окунаете. Так нужно делать до потери яркого цвета. После окунаете топор в воду, не забывайте ее помешивать. На этом закалка стали в домашних условиях закончена.

А сейчас пойдем дальше.

Подробно о нагреве металла

Весь процесс закалки условно можно разделить на три этапа:

• нагрев стали;
• выдержка – необходима для завершения всех структурных превращений и сквозного прогрева;
• охлаждение (скорость регулируется).

Если говорить об изделиях, изготовленных из углеродистых сталей, то их закалка осуществляется в камерных печах. При этом не требуется предварительный подогрев, что обусловлено устойчивостью материала к короблению и растрескиванию. Сложные изделия, к примеру резкие переходы и тонкие грани, требуют предварительного подогрева. Это делают:

• в соляных печах с 3-хкратным погружением на 3-4 секунды;
• в отдельных печах при температуре 400-500 градусов по Цельсию.

Нужно понимать, что технология подразумевает равномерный нагрев. Если за один подход это обеспечить нельзя, то необходима выдержка для сквозного прогрева. Чем больше изделий находится в печи, тем дольше необходимо их греть. К примеру, одна дисковая фреза диаметром 2,4 см требует выдержки 13 минут, а десяток таких же изделий, необходимо нагревать уже 18 минут.

Способы закалки стали

В настоящее время активно используется:

• Закалка в одном охладителе. Суть ее заключается в том, что изделие помещается в закалочную жидкость, где оно и находится до полного своего охлаждения. Такую закалку можно реализовать в домашних условиях.
• Закалка в двух средах – метод подходит для обработки углеродистых сталей. Суть метода заключается в том, что деталь сначала погружается в воду (быстро охлаждающая среда), а затем в масло.
• Струйчатая – суть метода в том, что обрабатываемая деталь обрызгивается струей воды. Такой способ закалки используют тогда, когда необходимо закалить только часть детали. Кроме того, не образуется паровая рубашка, что увеличивает эффективность.
• Ступенчатая – охлаждение стали осуществляется в закалочной среде при температуре выше мартенситной. После этого идет выдержка. На этом этапе деталь должна иметь одинаковую температуру во всех сечениях, которая должна соответствовать температуре закалочной ванны.

Защита изделия от внешних воздействий

Довольно часто возникает необходимость защиты деталей от таких вредных воздействий, как окалина и потеря углерода.

Для этого чаще всего используют специальные газы, которые подают в печь, где находится обрабатываемая деталь. Конечно, это возможно только при полной герметизации печи.

В большинстве случаев источником газа является специальный генератор, который работает на углеводородных газах (метан, аммиак и др.).

В любом случае полная закалка стали должна проходить под защитой. Если газ подвести не получается, то имеет смысл использовать герметичную тару. В качестве герметика используется глина, которая не дает проходить воздуху внутрь. Перед этим желательно осыпать деталь чугунной стружкой.

Соляные ванны

Полная или поверхностная закалка стали должна проходить в соляных ваннах. Они защищают обрабатываемое изделие от окисления, однако не от обезуглероживания. По этой простой причине они подвергаются раскислению бурой или кровяной солью несколько раз за 8-12 часов.

Соляные ванны, функционирующие при температуре 760-1000 градусов, эффективно раскисляются древесным углем. Для этого необходимо стакан, имеющий много отверстий, заполнить просушенным древесным углем. Затем стакан закрывают крышкой во избежание всплытия угля и опускают на дно соляной ванной. С течением времени количество языков пламени постепенно уменьшается.

По сути, чем больше таких раскислений приходится на одно изделие, тем лучше будет защита от обезуглероживания.

Необходимо периодически проверять степень раскисления. Для этого берут обычное стальное лезвие и кладут его на 5-7 минут в ванну. Если оно будет ломаться, а не гнуться, то ванна считается достаточно раскисленной. Стоит заметить, что некоторые виды закалки стали не нуждаются в выполнении подобных мероприятий.

Охлаждающие жидкости

Несложно догадаться, что в качестве основной жидкости для охлаждения стальных изделий используют воду. При этом, добавляя соль или мыло, можно изменять скорость охлаждения детали.

Были зарегистрированы случаи, когда закалочный бак использовался не по назначению, скажем для мытья рук.

Количество попавшего мыла было достаточно для того, чтобы процесс охлаждения прошел не так, и изделие не получило требуемых свойств.

Чтобы деталь охлаждалась равномерно по всей поверхности, температура в баке не должна быть меньше 20 и выше 30 градусов. Кроме того, нельзя использовать проточную воду.

Есть существенные недостатки такого охлаждения, которые заключаются в растрескивании и короблении изделия.

Поэтому водяное охлаждение чаще всего используют для несложных неответственных деталей и инструментов, или имеющих цементированное покрытие. Под водяным охлаждением проходит закалка углеродистой стали.

Охлаждение конструкционной и легированной стали

Конструкционная сталь более качественная, а большая часть изделий имеет сложную конфигурацию.

Для охлаждения используют 50% раствор каустической соды, которую предварительно разогревают до температуры 50-60 градусов.

После закалки в таком растворе детали будут иметь светлый цвет, что говорит о том, что технология была соблюдена. Важно не перегреть раствор каустической соды выше 60 градусов.

Легированная сталь закаляется в минеральном масле. Это же касается и очень тонких изделий из углеродистой стали, например кромок режущих инструментов. Ключевой особенностью данного метода является то, что скорость охлаждения не зависит от температуры масла. Так, процесс будет протекать одинаково как при 20, так и при 120 градусах.

О температуре отпуска

Структура стали после закалки может несколько отличаться, в зависимости от выбранной температуры отпуска. Но нужно понимать, что температура должна выбираться в зависимости от марки стали.

К примеру, если нужно получить изделие твердостью 60 HRC, то отпуск проводят при температуре не выше 200 градусов. В этом случае замечается небольшое снижение твердости и уменьшение внутренних напряжений.

А вот быстрорежущая сталь должна отпускаться при температуре не ниже 540 градусов. При этом можно говорить о существенном увеличении твердости изделия.

Заключение

Температура закалки стали никогда не должна превышать 1 300 градусов, что считается критическим порогом. Цвет изделия при достижении этой точки будет белый, а нормальный – обычно красный или малиновый. Минимальная температура закалки стальных деталей 550 градусов. При этом изделие будет ярко-красного цвета.

Кстати, стоит заметить, что закалка нержавеющей стали проходит под температурой в 1050-1080 градусов в воде. Механические свойства изделия по окончании процесса характеризуются тем, что несколько понижается прочность и твердость, но значительно увеличивается пластичность и вязкость.

На этом можно заканчивать разговор на данную тему. Как вы видите, для получения необходимых механических свойств, важно соблюдать технологию, ведь малейшие отклонения приводят к нежелательным результатам.

Источник: https://www.syl.ru/article/166872/new_zakalka-stali-temperatura-vidyi-i-sposobyi

Закалка стали

Закалкой  называется операция термической обработки, состоя­щая из нагрева до температур выше верхней критической точки AC3  для доэвтектоидной стали и выше нижней критической точки АС1

 для заэвтектоидной стали и выдержки при данной температуре с последующим быстрым охлаждением (в воде, масле, водных раство­рах солей и пр.).

• В результате закалки сталь получает структуру мартенсита и благодаря этому становится твердой.
• Закалка повышает прочность конструкционных сталей, придает твердость и износостойкость инструментальным сталям.
• Режимы закалки определяются скоростью и температурой на­грева, длительностью выдержки при этой температуре и особенно скоростью охлаждения.
• Выбор температуры закалки.

Температура нагрева стали для закалки зависит в основном от химического состава стали. При за­калке доэвтектоидных сталей нагрев следует вести до температуры на 30 — 50° выше точки АС3 .

В этом случае сталь имеет структуру однородного аустенита, который при последующем охлаж­дении со скоростью, превышающей критическую скорость закалки, превращается в мартенсит. Такая закалка называется   полной.

При нагреве доэвтектоидной стали до температур AC1 — АC3 в структуре мартенсита сохраняется некоторое количество оставше­гося после закалки феррита, снижающего твердость закаленной ста­ли. Такая закалка называется неполной.

Для заэвтектоидной ста­ли наилучшая температура закалки — на 20—30° выше АС1 , т. е. неполная закалка. В этом случае сохранение цементита при нагреве и охлаждении будет способствовать повышению твердости, так как твердость цементита больше твердости мартенсита.

Нагревать заэвтектоидную сталь до температуры выше Аст не следует, так как твердость получается меньшей, чем при закалке с температуры выше АС1,за счет растворения цементита и увеличения количества остаточного аустенита.

Кроме того, при охлаждении с более высоких температур могут возникнуть большие внутренние напря­жения.

Скорость охлаждения.

Для получения структуры мартенсита требуется переохладить аустенит путем быстрого охлаждения ста­ли,находящейся при температуре наименьшей устойчивости аусте­нита, т. е.при 650—550° С.

Правильный выбор закалочной среды имеет большое значение для успешного проведения термической обработки.

Наиболее распространенные закалочные среды —вода, 5—10%-ный водный раствор едкого натра или поваренной соли и минераль­ное масло. Для закалки углеродистых сталей можно рекомендовать воду с температурой 18° С; а для закалки большинства легирован­ных сталей — масло.

Закаливаемость и прокаливаемость стали.

При закалке стали важно знать еезакаливаемость и прокаливаемость. Эти характерис­тикине следует смешивать.

Закаливаемость показывает способность стали к повы­шению твердости при закалке. Некоторые стали обладают плохой закаливаемостью, т. е.имеют недостаточную твердость после за­калки. О таких сталях говорят, что они «не принимают» закалку.

Закаливаемость стали зависит восновном от содержания в ней углерода. Это объясняется тем, что твердость мартенсита зависит отстепени искажения его кристаллической решетки. Чем меньше вмартенсите углерода, тем меньше будет искажена его кристалли­ческая решетка и, следовательно, тем ниже будет твердость стали.

Стали, содержащие менее 0,3% углерода, имеют низкую зака­ливаемость и поэтому, как правило, закалке не подвергаются.

Прокаливаемость стали характеризуется ееспособ­ностью закаливаться на определенную глубину.

При закалке по­верхность детали охлаждается быстрее, так как она непосредствен­носоприкасается с охлаждающей жидкостью, отнимающей тепло.

Сердцевина детали охлаждается гораздо медленнее, тепло из цент­ральной части детали передается через массу металла к поверх­ности итолько на поверхности поглощается охлаждающей жидкостью.

Например, сталь с крупным при­родным зерном аустенита (крупнозернистая), которая имеет низ­кую критическую скорость закалки, прокаливается на большую глу­бину, чем сталь с мелким природным зерном аустенита (мелкозернистая), имеющая высокую критическую скорость закалки.

Поэто­му крупнозернистую сталь применяют для изготовления деталей, которые должны иметь глубокую или сквозную прокаливаемость, амелкозернистую — для деталей с твердой поверхностной закален­ной   коркой и вязкой незакаленной сердцевиной.

1. На глубину прокаливаемости влияют также исходная структура закаливаемой стали, температура нагрева под закалку и закалочная среда.
2. Прокаливаемость     стали можно определить по излому, по микроструктуре и по твер­дости.
3. Виды закалки стали.
4. Су­ществует несколько способов закалки, применяемых в за­висимости от состава стали, характера обрабатываемой де­тали, твердости, которую не­обходимо получить, и усло­вий охлаждения.

Закалка в  одной  среде схематично показана на рис. 1 в виде кривой 1.

Такую закалку проще выполнять, но ее можно применять не для каждой стали и не для любых деталей, так как быстрое охлаждение деталей переменного сечения в боль­шом интервале температур способствует возникновению температур­ной неравномерности и больших внутренних напряжений, что может вызвать коробление детали, а иногда и растрескивание (если вели­чина внутренних напряжений превзойдет предел прочности).

Чем больше углерода в стали, тем больше объемные изменения и структурные напряжения, тем больше опасность возникновения трещин.

 

Рис. 1.   Кривые охлаждения   для различных способов закалки

Заэвтектоидные стали закаливают в одной среде, если детали имеют простую форму (шарики, ролики и т. д.). Если детали слож­ной формы, применяют либо закалку в двух средах, либо ступенча­тую закалку.

Закалку в двух средах (кривая 2)применяют для инструмента из высокоуглеродистой стали (метчики, плашки, фре­зы). Сущность способа состоит в том, что деталь вначале замачива­ют в воде, быстро охлаждая ее до 300—400° С, а затем переносят в масло, где оставляют до полного охлаждения.

Ступенчатую закалку (кривая 3) выполняют путем быстрого охлаждения деталей в соляной ванне, температура кото­рой намного выше температуры начала мартенситного превращения (240—250° С).

Выдержка при этой температуре должна обеспечить выравнивание температур по всему сечению детали.

Затем детали охлаждают до комнатной температуры в масле или на спокойном воздухе, устраняя тем самым термические внутренние напряжения.

Ступенчатая закалка уменьшает внутренние напряжения, ко­робление и возможность образования трещин.

Недостаток этого вида закалки в том, что горячие следы не мо­гут обеспечить большую скорость охлаждения при температуре 400—600° С. В связи с этим ступенчатую закалку можно применять для деталей из углеродистой стали небольшого сечения (до 8—10 мм). Для легированных сталей, имеющих небольшую критическую ско­рость закалки, ступенчатая закалка применима к деталям большого сечения (до 30 мм).

Изотермическую  закалку (кривая 4)проводят так же, как ступенчатую, но с более длительной выдержкой при темпера­туре горячей ванны (250—300° С), чтобы обеспечить полный распад аустенита. Выдержка, необходимая для полного распада аустенита, определяется по точкам а и b и по S-образной кривой (см. рис. 1).

В результате такой закалки сталь приобретает структуру игольча­того троостита с твердостью HRC45 55 и с сохранением необхо­димой пластичности. После изотермической закалки охлаждать сталь можно с любой скоростью.

В качестве охлаждающей среды ис­пользуют расплавленные соли: 55% KNO3 + 45% NaNO2 (темпе­ратура плавления 137° С) и 55% KNO3 + 45% NaNO3 (температура плавления 218° С), допускающие перегрев до необходимой темпера­туры.

• Изотермическая закалка имеет следующие преимущества перед обычной:
• минимальное коробление стали и отсутствие трещин; большая вязкость стали.
• В настоящее время широко используют ступенчатую и изотерми­ческую светлую закалки.

Светлую  закалку стальных деталей проводят в специ­ально оборудованных печах с защитной средой. На некоторых инст­рументальных заводах для получения чистой и светлой поверхности закаленного инструмента применяют ступенчатую закалку с ох­лаждением в расплавленной едкой щелочи.

Перед закалкой инстру­мент нагревают в соляной ванне из хлористого натрия при темпера­туре на 30—50° С выше точки АС1 и охлаждают при 180—200° С в ванне, состоящей из смеси 75% едкого калия и 25% едкого натра сдобавлением 6—8% воды (от веса всей соли).

Смесь имеет тем­пературу плавления около 145° С и, благодаря тому что в ней находится вода, обладает очень высокой закаливающей способ­ностью.

При  ступенчатой  закалке стали с переохлажде­нием аустенита в расплавленной едкой щелочи с последующим окон­чательным охлаждением на воздухе детали приобретают чистую светлую поверхность серебристо-белого цвета; в этом случае отпа­дает необходимость в пескоструйной очистке деталей и достаточна промывка их в горячей воде.

Закалка  с  самоотпуском широко применяется в инструментальном производстве.

Проконтролировать отпуск можно по цветам побежалости (см. рис. 2), появляющимся на зачищенной поверхности стали при 220—330° С.

 

Рис. 2. Цвета побежалости при отпуске

Закалку ссамоотпуском применяют для зубил, кувалд, слесарных молотков, кернеров и другого инструмента, требующего высокой твердости на поверхности и сохранения вязкой сердцевины.

Способы охлаждения при закалке.

Быстрое охлаждение стальных деталей при закалке является причиной возникновения в них боль­ших внутренних напряжений. Эти напряжения иногда приводят к короблению деталей, а в наиболее тяжелых случаях — к трещинам.

Особенно большие и опасные внутренние напряжения возни­кают при охлаждении в воде. Поэтому там, где можно, следует ох­лаждать детали в масле.

Однако в большинстве случаев для деталей из углеродистой стали это невозможно, так как скорость охлаждения в масле значительно меньше критической скорости, необходи­мой для превращения аустенита в мартенсит.

Следовательно, мно­гие детали из углеродистых сталей рекомендуется закаливать с ох­лаждением в воде, но при этом уменьшать неизбежно возникающие внутренние напряжения. Для этого пользуются некоторыми из описанных способов закалки, в частности, закалкой в двух средах, закалкой с самоотпуском и т. д.

Внутренние напряжения зависят также от способа погружения деталей в закалочную среду. Необходимо придерживаться следую­щих основных правил:

детали, имеющие толстую и тонкую части, погружать в закалоч­ную среду сначала толстой частью;

детали, имеющие длинную вытянутую форму (метчики, сверла развертки), погружать в строго вертикальном положении, иначе они покоробятся (рис. 3).

 

Рис. 3. Правильное погружение деталей и инструментов в за­каливающую среду

Иногда по условиям работы должна быть закалена не вся деталь, а лишь часть ее. В этом случае применяют местную закалку: деталь нагревают не полностью, а в закалочную среду погружают целиком. В этом случае закаливается только нагретая часть детали.

Местный нагрев мелких деталей производят в соляной ванне, погружая в нее только ту часть детали, которую требуется закалить; так закаливают, например, центры токарных станков. Можно по­ступать и так: нагреть деталь полностью, а охладить в закалочной среде только ту часть, которая должна быть закалена.

1. Дефекты, возникающие при закалке стали.
2. Недостаточ­ная твердость закаленной детали — следствие низкой тем­пературы нагрева, малой выдержки при рабочей температуре или недостаточной скорости охлаждения.
3.  Исправление де­фекта: нормализация или отжиг с последующей закалкой; при­менение более энергичной закалочной среды.

Перегрев связан с нагревом изделия до температуры, значительно превышающей необходимую температуру нагрева под закалку. Перегрев сопровождается образованием крупнозернистой структуры, в результате чего повышается хрупкость стали.

И справление  дефекта: отжиг (нормализация) и последущая закалка с необходимой температуры.

Пережог возникает при нагреве стали до весьма высоких температур, близких к температуре плавления (1200—1300° С) в окислительной атмосфере. Кислород проникает внутрь стали, и по границам зерен образуются окислы. Такая сталь хрупка и исправить ее невозможно.

Окисление и  обезуглероживание стали ха­рактеризуются образованием окалины (окислов) на поверхности дета­лей и выгоранием углерода в поверхностных слоях.

Этот вид брака термической обработкой неисправим. Если позволяет припуск на механическую обработку, окисленный и обезуглероженный слой нужно удалить шлифованием.

Чтобы предупредить этот вид брака, детали рекомендуется нагревать в печах с защитной атмосфе­рой.

Коробление и трещины — следствия внутренних напряжений.

Разновременность превращения по объему за­каливаемой детали вследствие различных ее размеров и скоростей охлаждения по сечению ведет к развитию сильных внутренних нап­ряжений, которые служат причиной трещин и коробления деталей в процессе закалки.

Образование трещин обычно наблюдается при температурах ниже 75—100° С, когда мартенситное превращение охватывает значительную часть объема стали.

Чтобы предупредить образова­ние трещин, при конструировании деталей необходимо избегать резких выступов, заостренных углов, резких переходов от тонких сечений к толстым; следует также медленно охлаждать сталь в зоне образования мартенсита (закалка в масле, в двух средах, ступенча­тая закалка). Трещины являются неисправимым браком, коробле­ние же можно устранить последующей рихтовкой или правкой.

Источник: Остапенко Н.Н.,Крапивницкий Н.Н. Технология металлов. М. Высшая школа,1970г.

Источник: https://markmet.ru/tehnologiya_metallov/zakalka-stali

Закалка сталей

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.

Содержание

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.

Степень тетрагональности зависит от содержания углерода в стали: чем его больше, тем больше степень тетрагональности. Мартенсит — это твердая и хрупкая структура стали. Находится в виде пластин, под микроскопом выглядит, как иглы.

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.

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

1. Наиболее распространенными закалочными средами являются вода различной температуры, полимерные растворы, растворы спиртов, масло, расплавленные соли.

   При закалке в этих средах различают несколько стадий охлаждения:

2. — пленочное охлаждение, когда на поверхности стали образуется «паровая рубашка»;
3. — пузырьковое кипение, наступающее при полном разрушении этой паровой рубашки;
4. — конвективный теплообмен.

5. 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.

Такие закалочные среды часто используются при вакуумной термообработке. Здесь нужно учитывать факт возможности получения мартенситной структуры — закаливаемость стали в определенной среде, т. е. химический состав стали от которого зависит положение с-кривой.

Факторы, влияющие на положение с-кривых:

— Углерод. Увеличение содержания углерода до 0,8% увеличивает устойчивость переохлажденного аустенита, соответственно с-кривая сдвигается вправо. При увеличении содержания углерода более 0,8%, с-кривая сдвигается влево;

— Легирующие элементы. Все легирующие элементы в разной степени увеличивают устойчивость аустенита. Это не касается кобальта, он уменьшает устойчивость переохлажденного аустенита;

• — Размер зерна и его гомогенность. Чем больше зерно и чем оно однороднее структура, тем выше устойчивость аустенита;
• — Увеличение степени искажения кристаллической решетки снижает устойчивость переохлажденного аустенита.
• Температура влияет на положение с-кривых через все указанные факторы.

Способы закалки сталей

На практике применяются различные способы охлаждения в зависимости от размеров деталей, их химического состава и требуемой структуры (схема ниже).

Схема: Скорости охлаждения при разных способах закалки сталей

Непрерывная закалка стали

Непрерывная закалка (1) – способ охлаждения деталей в одной среде. Деталь после нагрева помещают в закалочную среду и оставляют в ней до полного охлаждения. Данная технология самая распространенная, широко применяется в условиях массового производства. Подходит практически для всех типов конструкционных сталей.

Закалка в двух средах

Закалка в двух средах (скорость 2 на рисунке) осуществляется в разных закалочных средах, с разными температурами . Сначала деталь охлаждают в интервале температур например 890–400 °С например в воде, а потом переносят в другую охлаждающую среду – масло.

При этом мартенситное превращение будет происходить уже в масляной среде, что приведет к уменьшению поводок и короблений стали. Такой способ закалки используют при термообработке штампового инструмента. На практике часто используют противоположный технологический прием — сначала детали охлаждают в масле, а затем в воде.

При этом мартенситное превращение происходит в масле, а в воду детали перемещают для более быстрого остывания. Таким образом экономится время на осуществление технологии закалки.

Ступенчатая закалка

При ступенчатой закалке (скорость 3) изделие охлаждают в закалочной среде, имеющей температуру более высокую, чем температура мартенситного превращения. Таким образом получается некая изотермическая выдержка перед началом превращения аустенита в мартенсит. Это обеспечивает равномерное распределение температуры по всему сечению детали.

 Затем следует окончательное охлаждение, во время которого и происходит превращение мартенситное превращение. Этот способ дает закалку с минимальными внутренними напряжениями. Изотермическую выдержку можно сделать чуть ниже температуры Мн, уже после начала мартенситного превращения (скорость 6).

Такой способ более затруднителен с технологической точки зрения.

Изотермическая закалка сталей

Изотермическая закалка (скорость 4) делается для получения бейнитной структуры стали. Данная структура характеризуется отличным сочетание прочностных и пластических свойств.

При изотермической закалке детали охлаждают в ванне с расплавами солей, которые имеют температуру на 50–150 °С выше мартенситной точки Мн, выдерживают при этой температуре до конца превращения аустенита в бейнит, а затем охлаждают на воздухе.

При закалке на бейнит возможно получение двух разных структур:  верхнего и нижнего бейнита. Верхний бейнит имеет перистое строение. Он образуется в интервале 500-350°С и состоит из частиц феррита в форме реек толщиной

Источник: https://HeatTreatment.ru/zakalka-stalej

Технология закалки и отпуска стали

Термическая обработка сталей – одна из самых важных операций в машиностроении, от правильного проведения которой зависит качество выпускаемой продукции. Закалка и отпуск сталей являются одними из разнообразных видов термообработки металлов.

Тепловое воздействие на металл меняет его свойства и структуру. Это позволяет повысить механические свойства материала, долговечность и надежность изделий, а также уменьшить размеры и массу механизмов и машин. Кроме того, благодаря термообработке, для изготовления различных деталей можно применять более дешевые сплавы.

Также вам не помешает знать, как правильно варить полуавтоматом.

Как закалялась сталь

Термообработка стали заключается в тепловом воздействии на металл по определенным режимам ля изменения его структуры и свойств.

К операциям термообработки относятся:

• отжиг;
• нормализация;
• старение;
• закалка стали и отпуск стали (и пр.).

Термообработка стали: закалка отпуск – зависит от следующих факторов:

• температуры нагрева;
• времени (скорости) нагрева;
• продолжительности выдержки при заданной температуре;
• скорости охлаждения.

Закалка

Закалка стали – это процесс термообработки, суть которого заключается в нагреве стали до температуры выше критической с последующим быстрым охлаждением. В результате этой операции повышаются твердость и прочность стали, а пластичность снижается.

При нагреве и охлаждении сталей происходит перестройка атомной решетки. Критические значения температур у разных марок сталей неодинаковы: они зависят от содержания углерода и легирующих примесей, а также от скорости нагрева и охлаждения.

После закалки сталь становится хрупкой и твердой.

Поверхностный слой изделий при нагреве в термических печах покрывается окалиной и обезуглероживается тем более, чем выше температура нагрева и время выдержки в печи.

Если детали имеют малый припуск для дальнейшей обработки, то брак этот является неисправимым. Режимы закалки закалки стали зависят от ее состава и технических требований к изделию.

Охлаждать детали при закалке следует быстро, чтобы аустенит не успел превратиться в структуры промежуточные (сорбит или троостит). Необходимая скорость охлаждения обеспечивается посредством выбора охлаждающей среды.

При этом чрезмерно быстрое охлаждение приводит к появлению трещин или короблению изделия. Чтобы этого избежать, в интервале температур от 300 до 200 градусов скорость охлаждения надо замедлять, применяя для этого комбинированные методы закалки.

Большое значение для уменьшения коробления изделия имеет способ погружения детали в охлаждающую среду.

Нагрев металла

Все способы закалки стали состоят из:

• нагрева стали;
• последующей выдержки для достижения сквозного прогрева изделия и завершения структурных превращений;
• охлаждения с определенной скоростью.

Изделия из углеродистой стали нагревают в камерных печах. Предварительный подогрев в этом случае не требуется, так как эти марки сталей не подвергаются растрескиванию или короблению.

Сложные изделия (например, инструмент, имеющий выступающие тонкие грани или резкие переходы) предварительно подогревают:

• в соляных ваннах путем двух-или трехкратного погружения на 2 – 4 секунды;
• в отдельных печах до температуры 400 – 500 градусов по Цельсию.

Нагрев всех частей изделия должен протекать равномерно. Если это невозможно обеспечить за один прием (крупные поковки), то делаются две выдержки для сквозного прогрева.

Если в печь помещается только одна деталь, то время нагрева сокращается. Так, например, одна дисковая фреза толщиной 24 мм нагревается в течение 13 минут, а десять таких изделий – в течение 18 минут.

Защита изделия от окалины и обезуглероживания

Для изделий, поверхности которых после термообработки не шлифуются, выгорание углерода и образование окалины недопустимо.

Защищают поверхности от подобного брака применением защитных газов, подаваемых в полость электропечи. Разумеется, такой прием возможен только в специальных герметизированных печах.

Источником подаваемого в зону нагрева газа служат генераторы защитного газа. Они могут работать на метане, аммиаке и других углеводородных газах.

Если защитная атмосфера отсутствует, то изделия перед нагревом упаковывают в тару и засыпают отработанным карбюризатором, чугунной стружкой (термисту следует знать, что древесный уголь не защищает инструментальные стали от обезуглероживания). Чтобы в тару не попадал воздух, ее обмазывают глиной.

Для этого стакан, имеющий множество отверстий по всей поверхности, наполняют просушенным углем древесным, закрывают крышкой (чтобы уголь не всплыл) и после подогрева опускают на дно соляной ванны. Сначала появляется значительное количество языков пламени, затем оно уменьшается.

Если в течение смены таким способом трижды раскислять ванну, то нагреваемые изделия будут полностью защищены от обезуглероживания.

Степень раскисления соляных ванн проверяется очень просто: обычное лезвие, нагретое в ванне в течение 5 – 7 минут в качественно раскисленной ванне и закаленное в воде, будет ломаться, а не гнуться.

Охлаждающие жидкости

Основной охлаждающей жидкостью для стали является вода. Если в воду добавить небольшое количество солей или мыла, то скорость охлаждения изменится.

Поэтому ни в коем случае нельзя использовать закалочный бак для посторонних целей (например, для мытья рук). Для достижения одинаковой твердости на закаленной поверхности необходимо поддерживать температуру охлаждающей жидкости 20 – 30 градусов.

Не следует часто менять воду в баке. Совершенно недопустимо охлаждать изделие в проточной воде.

Недостатком водяной закалки является образование трещин и коробления. Поэтому таким методом закаливают изделия только несложной формы или цементированные.

• При закалке изделий сложной конфигурации из конструкционной стали применяется пятидесятипроцентный раствор соды каустической (холодный или подогретый до 50 – 60 градусов). Детали, нагретые в соляной ванне и закаленные в этом растворе, получаются светлыми. Нельзя допускать, чтобы температура раствора превышала 60 градусов.

Режимы

Пары, образующиеся при закалке в растворе каустика, вредны для человека, поэтому закалочную ванну обязательно оборудуют вытяжной вентиляцией.

• Закалку легированной стали производят в минеральных маслах. Кстати, тонкие изделия из углеродистой стали также проводят в масле. Главное преимущество масляных ванн заключается в том, что скорость охлаждения не зависит от температуры масла: при температуре 20 градусов и 150 градусов изделие будет охлаждаться с одинаковой скоростью.

Следует остерегаться попадания воды в масляную ванну, так как это может привести к растрескиванию изделия. Что интересно: в масле, разогретом до температуры выше 100 градусов, попадание воды не приводит к появлению трещин в металле.

Недостатком масляной ванны является:

1. выделение вредных газов при закалке;
2. образование налета на изделии;
3. склонность масла к воспламеняемости;
4. постепенное ухудшение закаливающей способности.

• Стали с устойчивым аустенитом (например, Х12М) можно охлаждать воздухом, который подают компрессором или вентилятором. При этом важно не допускать попадания в воздухопровод воды: это может привести к образованию трещин на изделии.
• Ступенчатая закалка выполняется в горячем масле, расплавленных щелочах, солях легкоплавких.
• Прерывистая закалка сталей в двух охлаждающих средах применяется для обработки сложных деталей, изготовленных из углеродистых сталей. Сначала их охлаждают в воде до температуры 250 – 200 градусов, а затем в масле. Изделие выдерживается в воде не более 1 – 2 секунд на каждые 5 – 6 мм толщины. Если время выдержки в воде увеличить, то на изделии неизбежно появятся трещины. Перенос детали из воды в масло следует выполнять очень быстро.

Процесс отпуска

Отпуску подвергаются все закаленные детали. Это делается для снятия внутренних напряжений. В результате отпуска несколько снижается твердость и повышается пластичность стали.

В зависимости от требуемой температуры отпуск производится :

• в масляных ваннах;
• в селитровых ваннах;
• в печах с принудительной воздушной циркуляцией;
• в ваннах с расплавленной щелочью.

Температура отпуска зависит от марки стали и требуемой твердости изделия, например, инструмент, для которого необходима твердость HRC 59 – 60, следует отпускать при температуре 150 – 200 градусов.

В этом случае внутренние напряжения уменьшаются, а твердость снижается незначительно.

Быстрорежущая сталь отпускается при температуре 540 – 580 градусов. Такой отпуск называют вторичным отвердением, так как в результате твердость изделия повышается.

Обычно после отпуска металл охлаждают на воздухе. Но хромоникелевые стали следует охлаждать в воде или масле, так как медленное охлаждение этих марок приводит к отпускной хрупкости.

Источник: https://elsvarkin.ru/texnologiya/texnologiya-zakalki-i-otpuska-stali

Что такое закалка, отпуск стали и цвета 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.

После каждого этапа, на котором появляются продукты окисла (цвета побежалости), изделие следует охлаждать в соленой воде или масле. В чистой воде заготовку не следует охлаждать ни после закаливания, ни во время отпуска – из-за слишком высокой скорости охлаждения изделие может дать трещины.

Ни вода, ни масло полностью не соответствуют необходимым требованиям к закалке углеродной стали: быстрое охлаждение до 550 °С и более медленное с 300 °С до 200 °С. Поэтому воду используют в комбинации с маслом: сперва в воду, а потом в масло. Такой способ применяют на инструментальных сталях и именуют «в масло через воду».

А вот легированные стали можно закалять только в масле.

Цвета побежалости на клинке коллекционного ножа «Зомби»– неудаленные после отпуска окислы

Выбор стали для закалки

Для начала условно разделим все стали на высокоуглеродистые и легированные.

Все стали – это сплавы железа с углеродом и различными легирующими элементами; от того, преобладает ли в ней один углерод или в значительном количестве присутствуют и легирующие элементы, и будет зависеть название стали.

Нельзя сказать, что та или иная группа хуже или лучше поддается закалке; у них изначально очень разные характеристики и разные задачи, поэтому мы просто расскажем о закаливании тех и других сталей.

Закалка углеродистых сталей

С этой сталью, как и с изделиями из нее, накоплен огромный опыт работы. Сама по себе она требует меньших температур закалки, чем легированная различными элементами – у нее и без этого довольно высокие показатели твердости и прочности, которые так ценятся на рынке.

• Низкоуглеродистые стали закаливают при температурах от 727 до 950 °С.
• Средне- и высокоуглеродистые стали закаливают при температурах от 680 до 850 °С.

• Нужно помнить, что стали с совсем низким содержанием углерода закалке вообще не поддаются.
• Если мы желаем изготавливать и закалять в домашних условиях клинок из углеродистых сталей, нам подойдут следующие марки.
• Российские:
• Американские:
• Эти марки при правильной термообработке характеризуются большой прочностью и твердостью, хотя и низкой устойчивостью к коррозии.

Закалка легированных сталей

Помимо железа и углерода в таких сталях содержится значительное количество различных легирующих элементов, которые придают сплаву особые свойства, нужные в той или иной сфере.

• Хром превращает сталь в коррозионностойкую, если его содержание превышает 12–16 %.
• Молибден и никель повышают прочность стали и ее способность выдерживать высокие нагрузки.
• Ванадий улучшает износостойкость сплава и придает клинкам из него способность держать необычайно острую заточку.

Ввиду наличия в сплаве этих элементов сталь обладает худшей теплопроводностью, чем чистая углеродистая, поэтому: 1) для нагрева и охлаждения ей понадобится больше времени – если ускорять процесс искусственно, то по сплаву могут пойти трещины; 2) для закалки ей нужна большая температура – от 850 до 1 100 °С.

К сожалению, правильная термообработка сложнолегированных сталей достаточно трудна, так как для придания клинку высоких рабочих свойств нужны и точная температура, и специальное оборудование для глубокого охлаждения. Поэтому закалить их качественно «на глазок» не получится.

К наиболее распространенным маркам относятся следующие:

• 420;
• 440А;
• D2;
• ATS34;
• CPM S320V.

О последнем образце можно сказать, что он исключительно износостоек.

Закалка ножевой стали в домашних условиях

Для простых углеродистых сталей даже в кустарных условиях можно сделать удовлетворительную закалку, главное – вооружиться правильными знаниями.

В качестве исходников можно использовать отслужившие инструменты, рессоры и напильники; следите, чтобы на них не было ржавчины. Заготовка из новенького переплавленного металла, конечно, лучше, так как детали, которые долго служили, имеют такое качество, как усталость, что снижает их прочность.

Хотя для качественных материалов достаточно провести отжиг, который заключается в нагреве стали, выдержке при определенной температуре и последующем медленном охлаждении вместе с печью или в песке со скоростью два-три градуса в минуту.

И для отжига, и под нагрев детали под закалку можно использовать самодельный горн из ямы, обложенной кирпичами, из паяльной лампы и трубы. В идеале, конечно, пользоваться муфельной печью.

Проверить в домашних условиях, дошла ли закалка до нужной степени, просто: можно провести напильником по закаленному изделию – если закалка не прошла до конца, напильник просто прилипнет к ножу. Перекал проверятся в кустарных условиях сильным ударом заготовки по твердому предмету – камню или рельсу: перекаленный клинок разлетается при таком ударе на части.

Источник: https://www.tojiro.ru/clients/blog/kukhonnye-nozhi/zakalka-i-otpusk-stali-tsveta-kaleniya-i-pobezhalosti/