Как закалялась сталь – закалка стали во всех нюансах

Еще древние мастера, работавшие в кузнях, замечали, как тепловое воздействие в разной степени влияет на металл, меняя его структуру и свойства. С помощью термообработки можно улучшить механические характеристики детали, сделать ее более долговечной и даже уменьшить вес за счет увеличения прочности! Термообработка позволяет даже изготавливать качественные детали из более дешевых сплавов, улучшая их характеристики до нужной отметки. Закалка стали – процесс термообработки, в результате которого сталь нагревается до критической температуры и быстро охлаждается. Цель такой обработки – повышение твердости и прочности детали с уменьшением ее пластичности.

Для каждого вида закалки металла существует отдельный режим, определяющий исход процесса. Нужно учесть температуру нагрева, вычислить точное время и скорость нагрева, продолжительность выдержки детали при максимальном значении температуры, скорость охлаждения. На атомном уровне при достижении критической температуры перестраивается атомная решетка. Для разных марок стали существует своя критическая температура, в зависимости от уровня содержания углерода и примесей. Закалка делает металл твердым, но в то же время хрупким. Поверхность изделия теряет углероды и покрывается окалиной, поэтому очень важно учитывать припуск для дальнейшей обработки, иначе деталь в процессе закалки можно испортить.

Охлаждение детали должно проходить быстро, чтобы атомная структура не преобразовалась в промежуточные. При этом слишком быстрое охлаждение может привести к растрескиванию стали или короблению. Во избежание брака скорость охлаждения при достижении порога в 200 °С замедляют. Углеродистая сталь и изделия из нее прогреваются в камерных печах. Печь для закалки прогревается в среднем на 800 °С, хотя некоторые марки стали закаляются и при более высоких температурных режимах (1250–1300 °С). Эти марки не подвержены растрескиванию, поэтому в предварительном подогреве они не нуждаются. Сложные детали, которые имеют резкие переходы или тонкие грани, предварительно подогревают в отдельных печах или соляных ваннах. Температура подогрева – до 500 °С.

Очень важно обеспечить равномерный нагрев всего изделия. Часто это сделать невозможно за один подход, поэтому могут быть проделаны две выдержки. Если прогреваются несколько изделий, время увеличивается, если одно – то уменьшается. Например, одну дисковую фрезу (24 мм) будут прогревать 10–13 минут, тогда как десяток таких изделий, помещенных в печь вместе, нужно выдержать все 15–18 минут.

Режимы закалки сталей

Существует несколько режимов закалки сталей. Каждый режим используется для обработки металла под конкретную отрасль производства. Все способы имеют свои достоинства и недостатки, и на текущий момент нет какого-либо универсального метода, лишенного слабых сторон. Поэтому рассмотрим все варианты. Первый подразумевает закалку углеродистой стали с применением одного охладителя. Это самый простой способ, так как не требует соблюдения каких-либо особых условий. Его недостатком является очень сильное закалочное напряжение, которое испытывает металл при обработке. Если неправильно рассчитать температурный режим, то закалка может привести к разрушению сплава.

Второй метод подразумевает охлаждение металла в двух разных средах. Сначала нагретую сталь кладут в воду, где охлаждают до 300 градусов по Цельсию, а затем переносят в масло, где она проходит окончательное охлаждение. Это позволяет значительно снизить напряжение, но метод имеет сложную реализацию, так как трудно рассчитать, когда именно необходимо менять среду охлаждения.

Ступенчатая закалка применяется для небольших предметов. Она делается в несколько этапов. На первом горячее изделие помещают в расплав солей или металлов, который имеет температуру на 50 градусов выше точки начала мартенситного превращения. А когда температуры сплава и среды уравняются, сталь переносят в воду, где она окончательно остывает. Этот метод дает очень хорошие результаты, но требует дополнительных затрат на создание технологических условий.

Изотермическая закалка также подразумевает использование в качестве охлаждающей среды не воды или масла, а расплава солей или щелочей. Но в отличие от предыдущего метода здесь материал проходит полный цикл охлаждения в расплаве. Твердость стали после закалки такого типа является наивысшей, так как аустенит переходит в состояние цементита. Это означает, что атомы углерода еще более глубоко внедряются в структуру железа, создавая очень прочные межмолекулярные связи.

Последний способ — закалка с самоотпуском. Он подразумевает, что нагретую деталь помещают в охлаждающую среду, но не дают ей полностью остыть. Изделие вынимают из охладителя, вследствие чего поверхность снова нагревается за счет сохраненной внутренней теплоты. Такой способ позволяет получать особый вид стали, который сочетает твердость на поверхности и вязкость внутри. Все перечисленные режимы закалки стали используются в равной мере в зависимости от необходимости.

Закалочные среды

При закалке для переохлаждения аустенита до температуры мартенситного превращения требуется быстрое охлаждение, но не во всём интервале температур, а только в пределах 650—400 °C, то есть в том интервале температур, в котором аустенит менее всего устойчив и быстрее всего превращается в ферритно-цементитную смесь. Выше 650 °C скорость превращения аустенита мала, и поэтому смесь при закалке можно охлаждать в этом интервале температур медленно, но, конечно, не настолько, чтобы началось выпадение феррита или превращение аустенита в перлит.

Механизм действия закалочных сред (вода, масло, водополимерная закалочная среда, а также охлаждение деталей в растворах солей) следующий. В момент погружения изделия в закалочную среду вокруг него образуется плёнка перегретого пара, охлаждение происходит через слой этой паровой рубашки, то есть относительно медленно. Когда температура поверхности достигает некоторого значения (определяемого составом закаливающей жидкости), при котором паровая рубашка разрывается, то жидкость начинает кипеть на поверхности детали, и охлаждение происходит быстро.

Первый этап относительно медленного кипения называется стадией плёночного кипения, второй этап быстрого охлаждения — стадией пузырькового кипения. Когда температура поверхности металла ниже температуры кипения жидкости, жидкость кипеть уже не может, и охлаждение замедлится. Этот этап носит название конвективного теплообмена.

Дефекты [ | ]

Дефекты, возникающие при закалке стали. [3]

  • Недостаточная твердость закаленной детали — следствие низкой температуры нагрева, малой выдержки при рабочей температуре или недостаточной скорости охлаждения. 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. Исправление дефекта: отжиг (нормализация) и последующая закалка с необходимой температурой.
  • 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 ис её 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. Во время нагрева и охлаждения стали наблюдаются объемные изменения, зависящие от температуры и структурных превращений (переход аустенита в мартенсит сопровождается увеличением объёма до 3 %). Разновременность превращения по объёму закаливаемой детали вследствие различных её размеров и скоростей охлаждения по сечению ведет к развитию сильных внутренних напряжений, которые служат причиной трещин и коробления деталей в процессе закалки.
Читайте также  Как подключить цифровую приставку к старому телевизору

Закалка стали на открытом огне

Закалить металл возможно и в домашних условиях. Для легкого и полезного процесса закаливания надо развести костер и приготовить две большие тары. В огне должно быть много раскаленных углей.

В одну емкость наливается дизельное или моторное масло, в другую – чистая вода, лучше из колодца. Следует предварительно подготовить инструмент, которым надо будет держать раскаленное до пределов изделие.

Желательно найти кузнечные клещи, но если их нет среди инструментов, можно вооружиться чем-нибудь другим, похожим на клещи.

Когда предварительные работы сделаны, металлические сверла или другие предметы кладут в самый центр пламени, то есть на горячие угли.

Угольки насыщенного белого цвета раскаленнее остальных. За процессом закалки важно смотреть – пламя должно быть малиновым, а не белым. Если огонь будет окрашен в последний цвет, то есть угроза перегрева и даже сгорания металла.

Необходимо, чтобы цвет распределялся по всей площади костра равномерным образом. На кромке изделия, которое подвергается закалке, не должны появляться черные пятна.

А если металл местами синеет, то это свидетельствует о том, что материал чересчур размягчился и стал излишне пластичен. Этого ни при каких обстоятельствах допускать нельзя.

Поэтому процесс требует повышенной внимательности, ведь можно перестараться и раскалить лезвие топора добела.

Когда металлическое оборудование прокалится в огне, его пора убирать из очага высокой температуры.

Раскаленный предмет нужно опускать в тару с маслом много раз с частотой в 3 секунды, пошагово увеличивая этот промежуток времени.

Медлить с этими действиями нельзя, нужно проделать операции по закалке металлической кромки скоро и резко.

При работе своими руками элемент стоит окунать в тару с жидкостью до того момента, как цвет лишится своей насыщенности и яркости.

Далее предмет погружают в ведро, куда налита вода, которую придется чуть-чуть взбалтывать.

На этом этапе не забывайте об осторожности, так масляные капельки на ноже или топоре могут вспыхнуть, очутившись в воде.

Как правильно и неправильно погружать разные детали, в том числе сверла и дисковые фрезы воду, отражает таблица:

Очень часто возникает необходимость закалить сверла. Тонкие длинные элементы не рекомендуется опускать в воду плашмя, иначе нижний слой металла, охлаждаемый первым, сожмется.

Сверла следует опускать в жидкость более толстым концом.

Если соблюдать все правила и предосторожности, то закалка своими руками не покажется сложной и опасной процедурой. Она принесет должный гарантированный эффект.

Но порой в домашних условиях приходится закалять стальное оборудование или расплавлять цветной металл. Для таких операций необходима крайне высокая температура, 700-900 градусов.

А разогреть металлические предметы до такого показателя способна только муфельная печь или электропечь. Муфельную печь можно сделать самому. Электропечь в домашних условиях сделать вряд ли получится.

Типы закаливания

Разные виды закалки отличаются по методу охлаждения. Чем более сложная форма у заготовки, тем ответственнее нужно отнестись к подбору охлаждающей среды. Изделия должны становиться твердыми, не иметь трещинок.

Полная закалка делится на такие разновидности:

1. В одном охладителе. Самый легкий и популярный метод. Заготовку, разогретую до температуры закаливания, опускают в охлаждающую среду. Она располагается там, пока полностью не остынет. Данный метод применяют при закаливании простых изделий, которые изготовлены из углеродистой/легированной стали. Заготовки из углеродистой стали остужаются в воде (кроме изделий радиусом менее 2 миллиметров), из легированной – в масляной жидкости. Этот метод можно использовать при осуществлении механизированной закалки металлов.

2. В 2 средах (прерывистая). Метод, при котором изделие остужают в воде, а потом опускают в другую охлаждающую среду для закалки (масляная жидкость). Способ используется при обработке инструмента, произведенного из металла с большим содержанием углерода.
Минус подобного метода состоит в том, что непросто определить продолжительность нахождения изделия в воде. Если передержать деталь в воде, она покоробится, на ней появятся трещинки. Специалист, использующий подобные способы закалки, должен быть опытным и высококвалифицированным.

3. Струйчатая. Заготовки, для которых достигнута температура закалки, остужаются водной струей. Подобный используется при обработке внутренних участков, штампов высадки, матриц, иного штамповочного инструмента, у которого рабочая часть должна располагать мартенситной структурой.

Если использовать такие способы закалки, паровая рубашка не формируется. Детали прокаливаются глубже, чем при обыкновенном закаливании в воде. Быстрота остывания зависит от температурного уровня, водного напора, радиуса и числа отверстий в брызгале, угла, который образует струя с заготовкой.

4. С самоотпуском. Метод заключается в том, что изделия держат в охладителе не до полного остывания. В некоторый момент охлаждение останавливают, чтобы обеспечить сохранение в середине заготовки тепла, нужного для самоотпуска. Данный момент определяется опытным путем. Качество термообработки прямо зависимо от квалификации рабочего.

Закалка и отпуск контролируются по цветам побежалости, которые возникают на светлой части заготовки. Возникновение цветов побежалости при 200-300 градусах обусловлено появлением на изделии оксидной пленки небольшой толщины.

Такие способы закалки используют для обработки ударного инструментария (зубила, бородки, керны). У данных приспособлений твердость должна снижаться равномерным и постепенным образом.

5. Ступенчатая. Разогретые заготовки остужают в медленно охлаждающейся среде (плавленая соль, горячая масляная жидкость). За время небольшой выдержки происходит выравнивание температурного уровня. После этого выполняется финальное охлаждение.

Ступенчатая полная закалка позволяет уменьшить напряжения внутри детали. Ее часто используют в промышленности, в особенности при производстве инструмента. Она дает возможность осуществлять правку и рихтовку раскаленных изделий.

6. Изотермическая. Такая полная закалка заключается в том, что изделие нагревается до нужного температурного уровня и охлаждается в изотермической среде до 230-340 градусов. Выдержки заготовок в среде закаливания должно быть достаточно, чтобы аустенит полностью превратился в троостит. После превращения закаленное изделие остужается на воздухе.

Такой вид закаливания применяют тогда, когда цель закалки – сделать изделие максимально прочным, пластичным и вязким.

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
  • Закалка стали
  • Закалочные среды
  • Закалка стали в воде и масле
  • Закалка стали в растворах органических полимеров
  • Прерванная закалка стали
  • Отпуск закаленной стали
  • Отпускная хрупкость стали

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

Читайте также  Подключение телефонной розетки legrand

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.

Микроструктура , которая возникает при нормализации, является смесью феррита и перлита, обычно с низкими остаточными напряжениями и почти без коробления. 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.

Термообработка разных марок стали – основные операции

Каждый из видов термической обработки стали представляет собой сложный производственный комплекс. Среди различных процессов базовыми являются:

Отжиг

Закалка

Отпуск

Первого рода – рекристаллизационный, гомогенизацонный, изотермический

В одном охладителе

Второго рода – диффузионный, полный, неполный, светлый, сфероидизирующий

Муфельные печи позволяют осуществлять термообработку металла предельно четко. Благодаря современному оборудованию легко выставлять и поддерживать температуру необходимое количество времени

Что используют для охлаждения нержавейки дома?

В домашних условиях для охлаждения после закалки металла используют:

  1. Воду. Она быстро справляется с функцией охладителя металла. Не рекомендуется помещать в воду металл, в котором большое процентное содержание углерода. Изделие может деформироваться. Данная среда подходит для нержавейки с низким содержанием углерода.
  2. Если человек хочет равномерно охладить изделие после закаливания, то ему потребуется минеральное масло. Оно позволяет металлу медленно остывать и не вызывает деформации. Данный способ отлично подходит для легированной стали.
  3. Хлорид натрия или гидроксид, представленные в водном растворе. Концентрация вещества не должна превышать 10 процентов. Металлическое изделие будет равномерно охлаждаться. Искомый метод применяют по отношению к стали с высоким содержанием углерода.
  4. Различные полимерные растворы. К ним можно отнести моющие средства. Метод хорош тем, что не вызывает деформации материала. На изделии не будет дефектов.