Закалка стали

Закалка — термическая обработка, заключается в нагревании стали до температуры выше критической (Ас₃ — для доэвтектоидной и Ас₁ — для заэвтектоидной сталей) или температуры растворения избыточных фаз, выдержке и последующем охлаждении со скоростью, превышающей критическую. Закалка стали не является окончательной операцией термической обработки. Чтобы уменьшить хрупкость и напряжения, вызванные закалкой, и получить требуемые механические свойства, сталь после закалки обязательно подвергают отпуску.

Какие металлы подлежат калению

Закалка металла — это термическая обработка, которой чаще всего подвергаются углеродистые и легированные стали с целью повышения их твердости и улучшения прочностных характеристик. Несколько реже встречается термообработка цветных металлов, в частности отпуск, отжиг и закалка меди, латуни и бронзы, а также сплавов алюминия и титана. Необходимо отметить, что закаливание этих соединений в отличие от углеродистых сталей не всегда приводит к их упрочнению, некоторые сплавы меди после этого, наоборот, становятся более пластичными и мягкими. Гораздо чаще изделия из цветных металлов подвергаются отпуску для снятия напряжения после отливки, штамповки, прокатки или волочения.

Свойства стали после закалки

Углеродистая сталь в процессе нагрева проходит через ряд фазовых изменений своей структуры, при которых меняется ее состав, а также форма и элементов кристаллической решетки. При критической температуре 723 °C в еще твердом металле начинается распад цементита (карбида железа) и формирование равномерного раствора углерода в железе, который называется аустенит. Это состояние углеродистой стали является исходным для закалки. При медленном охлаждении аустенит распадается, и металл возвращается в исходное состояние. Если же сталь охлаждать быстро, то аустенит не успевает изменяться, и при определенной скорости охлаждения и пороговых температурах формируются кристаллические решетки и химические составы, придающие ей различные эксплуатационные свойства. Этот процесс называется закалкой, и каждому его виду соответствует определенная структура уже закаленной стали, обладающей определенными техническими характеристиками. Основные фазовые состояния, имеющие значения при закалке, — это перлит, сорбит, троостит и мартенсит (см. рис. ниже). Самая высокая твердость у стали, закаленной до состояния мартенсита. Таким способом производят закаливание режущего инструмента, а также осуществляют упрочнение поверхностей деталей, подвергающихся в процессе работы трению (втулки, обоймы, валы, шестерни и пр.). После выполнения закалки на троостит сталь становится одновременно твердой и упругой. Этой вид термообработки применяют к ударному инструменту, а также рессорам и пружинным амортизаторам. Для получения таких свойств стали, как стойкость к износу, упругость и вязкость, используют закалку до состояния сорбита. Такая термообработка используется для рельсов и других конструктивных элементов, работающих под постоянной динамической нагрузкой. Перечисленные фазовые состояния свойственны всем углеродистым сталям, но каждая их марка характеризуется своими температурными диапазонами и скоростями охлаждения.

Классификация каления стали

Виды закалки сталей классифицируют по типу источника нагрева и способу охлаждения металла. Основным оборудованием для нагрева деталей перед закаливанием по-прежнему являются муфельные печи, в которых можно равномерно разогревать металлические изделия любых размеров. Высокую скорость нагрева при поточной обработке изделий обеспечивает закалка с применением токов высокой частоты (индукционная закалка сталей) (см. фото ниже). Для закаливания верхних слоев стальных изделий применяют довольно недорогую и эффективную газопламенную закалку, главный недостаток которой — невозможность точно задать глубину прогрева. Этих недостатков лишена лазерная закалка, но ее возможности ограничены небольшой мощностью источника излучения. Способы охлаждения закаливаемой детали обычно классифицируют по виду охлаждающей среды, а также совокупностям и циклам рабочих операций. Некоторые из них включают процедуры отпуска, а для других, таких как разные виды изотермической закалки, он не нужен.

Закаливание в одной среде

При таком способе закалки нагретое до заданной температуры изделие из стали помещают в жидкость, где она остается до полного остывания. В качестве закалочной среды для углеродистых сталей используют воду, а для легированных — минеральное масло. Недостаток этого метода заключается в том, что после такого закаливания в металле сохраняются значительные напряжения, поэтому в ряде случаев может потребоваться дополнительная термообработка (отпуск).

Ступенчатая закалка

Ступенчатое закаливание проходит в два этапа. На первом изделие помещается в среду с температурой, превышающей на несколько десятков градусов точку начала возникновения мартенсита. После того, как температура выравнивается по всему объему металла, деталь медленно охлаждается, в результате чего в нем равномерно формируется мартенситная структура.

Изотермическая закалка

При изотермическом закаливании изделие также выдерживается в закалочной ванне при температуре, превышающей точку мартенсита, но несколько дольше. В результате этого аустенит трансформируется в бейнит — одну из разновидностей троостита. Такая сталь сочетает в себе повышенную прочность с пластичностью и вязкостью. Кроме того, после изотермической закалки в изделии снижаются остаточные напряжения.

Закалка с самоотпуском

Этот вид термообработки используется для закаливания ударного инструмента, который должен обладать твердым поверхностным слоем и вязкой серединой. Его особенность заключается в том, что изделие извлекается из закалочной емкости при неполном охлаждении. В этом случае его внутренняя часть еще содержит достаточное количество тепла, чтобы прогреть весь объем металла до температуры отпуска. Так как повторный нагрев изделия осуществляется без внешнего воздействия за счет внутренней тепловой энергии, такой вид термической обработки называют закалкой с самоотпуском.

Светлая закалка

Светлая закалка применяется для стальных изделий, поверхности которых при термообработке не должны подвергаться окислению. При такой термообработке сталь нагревается в вакуумных печах (см. фото ниже) или в инертных газовых средах (азот, аргон и пр.), а охлаждается в неокисляющих жидкостях или расплавах. Этим способом закаливают изделия, которые не должны подвергаться дальнейшей шлифовке, а также детали, критичные к содержанию углерода в поверхностном слое.

Оборудование для термообработки сталей

Основное оборудование, на котором проводится термическая обработка изделий из сталей и цветных металлов, состоит из двух основных групп: установок для нагрева заготовок и закалочных ванн. Нагревательные устройства включают в себя следующие виды оборудования:

• муфельные термопечи;
• устройства индукционного нагрева;
• установки для нагрева в расплавах;
• газоплазменные установки;
• аппараты лазерной закалки.

Первые три вида могут выполнять прогрев всего объема изделия до требуемой температуры, а последние — только поверхностного слоя металла. Кроме того, выпускаются и широко используются печи для закалки металлов, в которых нагрев осуществляется в вакууме или в среде инертного газа. Закалочные ванны представлены стальными емкостями-охладителями для различных жидкостей, а также специальными тиглями из графита и печами для расплавов солей или металлов. В качестве закалочных жидкостей чаще всего используют минеральное масло, воду и водополимерные смеси. Для расплавов металлов обычно применяют свинец или олово, а для расплавов солей — соединения натрия, калия и бария. Закалочные ванны для жидких сред имеют системы нагрева и охлаждения рабочей жидкости до требуемой температуры, а также мешалки для равномерного распределения жидкости и разрушения паровой рубашки.

Видео оборудования

Температура для закалки

Нормативная температура нагрева стали при ее закалке напрямую зависит от массовой доли углерода и легирующих добавок. В целом наблюдается следующая зависимость: чем меньше содержание углерода, тем выше температура закалки. При недогреве изделия не успевает сформироваться требуемая структура, а при значительном перегреве происходит обезуглероживание, окисление поверхностного слоя, изменение формы и размера структурных элементов, а также рост внутреннего напряжения. В таблице ниже приведены температуры закалки, отжига и отпуска некоторых марок углеродистых и легированных сталей. Марка стали Температура, С закалки отжига отпуска

Определение температуры нагрева в промышленном производстве осуществляется посредством контактных и бесконтактных пирометров. В последние десятилетия широкое распространение получили инфракрасные приборы, позволяющие дистанционно замерять температуру в любой точки поверхности нагретой детали. Кроме того, приблизительную температуру разогрева стали можно определить по цветовым таблицам.

Технология каления металла

Технология закалки сталей требует соблюдения ряда требований к процессам нагрева и охлаждения закаливаемых деталей. В первую очередь это относится к скорости разогрева и охлаждения металла. Экономические показатели термического процесса требуют максимально быстрого повышения температуры до номинальной, т. к. при этом расходуется меньше энергии. Однако скоростной нагрев приводит к большому перепаду температур между поверхностным слоем и сердцевиной изделия, что может привести к его деформации и возникновению трещин. Поэтому прогрев на всю глубину детали до полного ее разогрева должен проходить плавно, а его время определяется технологом-термистом с помощью эмпирических формул и табличных значений. От скорости и температурных параметров охлаждения стали, разогретой выше критической точки, напрямую зависит процесс формирования структуры и состава закаленного металла. К примеру, при быстром охлаждении в воде с комнатной температурой можно получить углеродистую сталь с мартенситной структурой, а при охлаждении в масле или горячей воде получается троостит. Каждой марке стали соответствуют свои характеристики и температурные режимы закалки, которые, помимо прочего, зависят от размера и формы детали. Поэтому на производстве термическая обработка деталей проводится в соответствии с маршрутной технологией и операционными картами, разрабатываемыми для каждого изделия.

Фото оборудования