Зачем нужна и как проводится закалка стали

Зачем нужна и как проводится закалка стали?

Закалкой называют вид термической обработки металлов, который заключается в нагреве выше критической температуры с последующим резким охлаждением (обычно) в жидких средах. Критической называют температуру, при которой происходит изменение типа кристаллической решетки, то есть осуществляется полиморфное превращение. Она определяется она по диаграмме «железо-углерод». фото

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.

Способы, применяемые для охлаждения

При быстром охлаждении закалённая сталь приобретает внутреннее напряжение, которое со временем приводит к тому, что детали, изготовленные из нее, начинают коробиться, и в них могут появиться трещины. Эти отрицательные качества сталь может получить, если её охлаждать в воде. Лучше для охлаждения использовать масло. Однако для некоторых деталей, при изготовлении которых применялась углеродистая сталь, использование масла не подходит, так как процесс охлаждения недостаточно быстр. В этом случае лучше использовать закаливание в двух средах, с самоотпуском или иной способ.

От того, каким способом деталь погружают в среду для закаливания, зависит внутреннее напряжение в металле. Основные правила, которых необходимо придерживаться при охлаждении, следующие:

• если по своей конфигурации деталь имеет тонкую и толстую части, то тогда охлаждают сначала толстую часть;
• чтобы детали длинной и вытянутой формы не покоробились, опускать их в закалочную среду необходимо вертикально;
• если нужно закалить только часть изделия, применяется местная закалка, но в среду для охлаждения погружают всю деталь.

Способы повехностной закалки стали

Существует 4 основных метода поверхностной закалки: с индукционным нагревом при помощи высокочастотного тока, с электроконтактным нагревом, с нагревом при помощи газопламенных горелок и закалку при помощи использования электролитического раствора. Для обработки мелких деталей зачастую используют последний метод.

Для средних изделий применяются первые два, а для крупногабаритных элементов лучше всего подходит нагрев при помощи газовых горелок. Для охлаждения используют те же жидкости, что и при полной закалке. В редких случаях, для особо крупных конструкций применяются газовые холодильные установки. И последний вид обработки называется неполной закалкой стали. Он подразумевает медленное охлаждение нагретого материала, в результате чего часть атомов углерода успевают покинуть молекулярную сетку железа и вернуться к нормальному состоянию.

Таким образом, образуется частично закаленный металл. Такой тип обработки применяется, когда необходимо специально оставить в структуре материала слабые места. Этот подход используется в автомобильной промышленности для создания так называемой контролируемой деформации при аварии. Он разработан специально для уменьшения травматизма пассажиров и снижения количества смертельных случаев.

Дефекты, которые возникают при закаливании

Когда осуществляется закалка и отпуск изделия, внутри его возникают напряжения. Образуются трещинки, деталь деформируется, коробится, обезуглероживается, окисляется, появляются мягкие пятна.

• Трещинки. Этот брак нельзя исправить, он образуется при термообработке. В больших изделиях, к примеру, в матрицах и штампах для ковки, трещинки могут возникать даже при закаливании в масляной жидкости. Ввиду этого подобные изделия нужно остужать до ста пятидесяти градусов с резким отпуском.
  Трещинки возникают при ошибках разогрева, а также тогда, когда скорость охлаждения при закалке слишком высокая. Обычно они появляются в уголках заготовок, выглядят дугообразно либо извилисто.
• Деформирование, коробление. Возникают из-за того, что преобразования структуры, объема проходят неравномерно, внутри детали появляются напряжения при остывании. Ввиду этого при опускании изделия в среду закалки нужно принимать во внимание его форму, величину. К примеру, заготовки, которые имеют толстые/тонкие элементы, опускают в среду закаливания сначала той частью, которая толще.

В крупносерийном производстве для каждого изделия производятся особые приспособления. Цена их разработки окупается. Такие изделия, как колеса с зубцами, диски, плиты проходят закаливание в прессовочных/штамповочных устройствах. Это позволяет избежать коробления.

• Обезуглероживание. Этот процесс, по определению, заключается в том, что из металла уходит большая часть углерода. Деталь может обезуглеродиться при нагревании в электропечах, жидкостях (соляных ваннах). Это значительный дефект, сильно снижающий прочность изделия. Обнаружить его сложно. Обычно для этого применяется микрошлиф.
• Мягкие пятна. Представляют собой области заготовки, имеющие сниженную твердость. Дефект может быть обусловлен наличием окалины, грязи, обезуглероживанием, паровой рубашкой. От него избавляются струйчатым закаливанием в соленой воде.
• Недостаточная твердость. Обычно дефект проявляется при обработке инструмента, может быть обусловлен медленным охлаждением в закаливающей среде, малой температурой. Для его исправления изделие отпускают при температуре шестьсот градусов, после чего нормально закаливают.
• Перегревание. Структура перегретой детали крупнозерниста, изломана. Из-за этого механические характеристики металла невысоки. Для того чтобы измельчить зерна и подготовить заготовку к новому закаливанию, металл отжигают.
• Недогрев. При данном дефекте структура металла заключает в себе мартенситные и ферритные зерна. Они располагают малой твердостью. Дефект устраняется отжигом металла с повторным закаливанием.

Что такое закаливаемость? Это свойство металла, характеризующее его способность к закалке. Для каждого вида металла нужно подбирать оптимальный закалочный метод. При его выборе необходимо принимать во внимание также тип изделия. Ни в коем случае нельзя допускать превышения критической скорости закалки. Это может привести к возникновению разнообразных дефектов, которые придется устранять. Также нужно охлаждать деталь достаточное количество времени.

Если вы интересуетесь покупкой металлического сейфа, то в компании ООО «НПО Промет» вы сможете найти сейфы, металлическую и производственную мебель, автоматические системы хранения и электронные замки любого класса взломостойкости. Чтобы ознакомиться со всем ассортиментом достаточно перейти на сайт. Гармоничное сочетание многолетнего опыта и инновационных технологий позволяют создавать надежную и безопасную продукцию.

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.

Изделия можно отпускать на цвет побежалости, нагревая их на электроплитах, в печах, даже в горячем песке. Окисная пленка, которая появляется в результате нагрева, приобретает различные цвета побежалости, зависящие от температуры. Прежде чем приступать к отпуску на один из цветов побежалости, надо очистить поверхность изделия от окалины, нагара масла и т. д.

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.

Перед тем, как начать каление, нам необходимо убедиться, что материал приобретённого нами инструмента не термообработан. Делаем проверку с помощью обыкновенного паяльника. Нагреваем инструмент и проводим им по интересующей нас металлической поверхности. Если паяльник прилипает к металлу, то значит ни о какой его термообработке не может быть и речи. Плавное прохождение паяльника по поверхности стали или отскакивание от неё говорят о том, что проверяемый нами предмет либо хорошо термообработан либо обработан слишком сильно. При отсутствии термообработки делаем её самостоятельно.

Термическая обработка металла графитом хороша тогда, когда нужно закалить не весь предмет, а только его часть. У ножа — это кромка. Последовательность процесса термообработки ножа в домашних условиях:

• острие ножа проверяем на твёрдость при помощи надфиля. Если металл легко стачивается, а надфиль издаёт глухой звук, значит нож не термообработан;
• для данного процесса понадобится графит, который можно добыть из круглых батареек, взять стержни простого карандаша или воспользоваться графитовыми щётками генератора;
• добытый графит превращаем в порошок;
• в качестве источника питания используем сварочный аппарат постоянного тока. Выставляем на минимум;
• делаем подложку из оцинкованного листа. На неё насыпаем графитовый порошок;
• к подложке подсоединяем «плюс» сварочного прибора, а ручке ножа — «минус»;
• далее лезвием ножа аккуратно водим по графиту так, чтобы оно не касалось подложки. А ещё следим, чтобы графит не воспламенился, иначе ножик наш будет испорчен;
• при движении лезвия по графиту последний будет выдавать искры. Как только увидим, что остриё ножика нагрелось, процесс прекращаем. Приблизительное время закалки — не более 5 минут;
• даём ножу остыть естественным путём, затем берём надфиль и проверяем твёрдость. Если звук, издаваемый надфилем при контакте с ножом звонкий, а остриё не поддаётся затачиванию, значит твёрдость лезвия высокая.

Процесс закалки на производстве провести намного легче, чем дома. При необходимости можно попробовать закалить нужный предмет или инструмент «топорными» способами с применением подручных средств.

Используемая литература и источники:

• Поверхностные явления в металлах и сплавах / В.К. Семенченко. — М.: Гостехиздат
• Сверхбыстрая закалка жидких сплавов. — Москва: Машиностроение
• Статья на Википедии

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.

• У7 – У10;
• 65 Г.

• О1;
• 1095.

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.

Дефекты при закаливании стали

1. Недостаточная твердость. Возникает если была низкая температура нагрева, малая выдержка при рабочей температуре или имело место недостаточная скорость охлаждения. Можно исправить: применить более энергичную среду; сделать отжиг, а затем закалить.
2. Перегрев. Происходит если стальная деталь нагревается до температуры, превышающей допустимую. При перегреве образуется крупнозернистая структура, что приводит к хрупкости детали. Можно исправить: с помощью отжига и закалки при нужной температуре.
3. Пережог. При нагреве стальной детали до высокой температуры, близкой к температуре плавления (1200–1300 градусов) в окислительной атмосфере. Внутрь стальных изделий проникает кислород, по границам зерен формируются окислы. Такая сталь не исправляется.
4. Окисление и обезуглероживание. В этом случае на поверхности стальных деталей образуются окалины (окислы), а в поверхностных слоях стали выгорает углерод. Этот брак исправить невозможно. Для предупреждения брака следует пользоваться печами с защитной атмосферой.
5. Коробление и трещины. Возникают из-за внутренних напряжений. Трещины — это неисправимый брак. Коробление можно удалить при помощи рихтовки или правки.