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.

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 . 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 .

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.

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. Для заэвтектоидных сталей закалка от температур выше А1, но ниже Асm дает в структуре избыточный цементит, что повышает твердость и износоустойчивость стали. Нагрев выше температуры Аcm ведет к снижению твердости из-за растворения избыточного цементита и увеличения остаточного аустенита. 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

Наиболее распространенными закалочными средами являются вода различной температуры, полимерные растворы, растворы спиртов, масло, расплавленные соли. При закалке в этих средах различают несколько стадий охлаждения:

Пленочное охлаждение, когда на поверхности стали образуется «паровая рубашка»;

Пузырьковое кипение, наступающее при полном разрушении этой паровой рубашки;

Конвективный теплообмен.

Более подробно про стадии охлаждения при закалке можно прочитать в статье

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).

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 <1 мкм и шириной 5-10 мкм, а также из тонких частиц цементита. Структура верхнего бейнита отличается более высокой твердостью и прочностью, но пониженной пластичностью. Нижний бейнит имеет игольчатое мартенситоподобное строение, образуется в интервале 350-200 °С. Нижний бейнит состоит из тонких частиц ε-карбидов, расположенных в пластинках феррита. Бейнитное превращение никогда не идет до конца. В структуре всегда есть мартенсит и остаточный аустенит. Более предпочтительной, в плане эксплуатационных характеристик, является структура нижнего бейнита. Изделия с такой структурой используются в вагоностроении, в деталях испытывающих ударно-растягивающие напряжения. Технология закалки на бейнит требует специального закалочного оборудования. Дополнительные материалы по этой технологии можете найти в статье .

Обработка холодом (5) применяется для сталей, у которых температура конца мартенситного превращения Мк находится ниже комнатной температуры.

Обработке холодом подвергают быстрорежущие стали, цементованные детали, мерительные инструменты, и другие особо точные изделия. Подробнее про этот нестандартный способ термообработки можете прочитать в статье

Твердость стали после закалки зависит от твердости мартенсита, которая в свою очередь зависит от содержания углерода. С увеличением содержания углерода увеличивается и твердость после закалки стали. Графическая зависимость приведена на рисунке.

Закалка

термическая обработка материалов, заключающаяся в их нагреве и последующем быстром охлаждении с целью фиксации высокотемпературного состояния материала или предотвращения (подавления) нежелательных процессов, происходящих при его медленном охлаждении. З. возможна только для тех веществ, равновесное состояние которых при высокой температуре отличается от равновесного состояния при низкой температуре (например, кристаллической структурой). З. эффективна только в том случае, если реально достижимая скорость охлаждения достаточна для того, чтобы не успели развиться процессы, подавление которых является целью З. Структуры, возникающие в результате З., лишь относительно устойчивы, при нагреве они переходят в более устойчивое состояние. З. могут подвергаться в естественных условиях или в определённом технологическом процессе многие вещества, (металлы, их сплавы, стекло и пр.).

Закалка стали. Наиболее широкая группа материалов, подвергаемых З., - стали. В соответствии с диаграммой состояния (См. Диаграмма состояния) железо-углеродистых сплавов (рис. 1 ) термодинамически устойчивым состоянием стали при температурах, расположенных выше линии GSE диаграммы состояния, является Аустенит - раствор углерода в γ-железе (см. Железоуглеродистые сплавы); ниже линии PSK - смесь феррита (раствора углерода в α-железе) и цементита (карбида (См. Карбиды) железа Fe 3 C). При медленном охлаждении от температур, расположенных выше линии PSK, аустенит в соответствии с диаграммой состояния должен распадаться на феррит и цементит. Скорость этого превращения меняется с температурой и при достаточно низкой температуре становится настолько малой, что аустенит практически не распадается. При дальнейшем снижении температуры аустенит превращается в Мартенсит , появление которого в структуре стали приводит к резкому увеличению твёрдости, прочности, магнитного насыщения и к снижению пластичности. Цель З. стали - получение полностью мартенситной структуры (без продуктов распада аустенита), т. е. подавление при быстром охлаждении распада аустенита и сохранение его вплоть до температур, при которых начинается мартенситное превращение. Минимальная скорость охлаждения, достаточная для предотвращения распада аустенита, носит название критической скорости З. стали.

В практике термической обработки (См. Термическая обработка) металлов для получения металлов, в частности сталей, с определенными свойствами применяют различные виды З. В зависимости от условий нагрева различают З. полную и неполную. При полной З. быстрое охлаждение стали производят после нагрева её до температур, лежащих выше линии GSE. При этом сталь полностью переводится в аустенитное состояние. При неполной З. (главным образом инструментальных сталей) металл нагревают до температур выше линии PSK ; после охлаждения в структуре могут сохраняться нерастворившиеся при нагреве т. н. избыточные фазы (Феррит или Цементит и более сложные карбиды). В зависимости от условий охлаждения различают З. изотермическую, ступенчатую и др. При изотермической З. сталь нагревают до температур выше линии GSE (полная З.) или выше PSK (неполная З.), затем быстро охлаждают до температур ниже линии PSK и дают т. н. изотермическую выдержку, при которой происходит превращение аустенита в др. структуры (перлит, бейнит). В этом случае свойства окончательных продуктов определяются температурой изотермической выдержки: твёрдость и прочность материала возрастают по мере снижения температуры. При ступенчатой З. охлаждение с большой скоростью производят до температуры, несколько превышающей температуру мартенситного превращения, и дают выдержку, необходимую для выравнивания этой температуры по всей толщине изделия (ступень), а затем охлаждение ведут медленно до образования в структуре мартенсита. Внешние факторы, главным образом закалочная среда (вода, масло, расплавленная соль) и давление, также определяют результаты З.

Закалённая сталь отличается большой хрупкостью, поэтому после З. её обычно подвергают Отпуск у. При одной и той же твёрдости сталь, подвергнутая З. с последующим отпуском, более пластична (следовательно, более работоспособна), чем сталь, подвергнутая медленному охлаждению, при котором происходит распад аустенита на феррит и цементит. Это определяет чрезвычайно широкое использование З. стали в технике: применение её не только для получения стали с высокой твёрдостью, но и для получения (после соответствующего отпуска) стали со средней и низкой твёрдостью, но обладающей хорошими конструкционными свойствами.

Закалка стареющих сплавов. Если равновесная концентрация твёрдого раствора существенно изменяется при изменении температуры, то при охлаждении происходит выделение из него избытка одного из компонентов (см. Старение металлов). Этот процесс является диффузионным и может быть подавлен З. (рис. 2 ). Цель З. в этом случае - фиксирование пересыщенного твёрдого раствора при низкой, например комнатной, температуре. Старение сплава может происходить затем при комнатной или более высокой температуре. Сплав со структурой, возникающей при З. и старении, обладает высокими прочностными свойствами, большой коэрцитивной силой (магнитные сплавы). Т. н. дисперсионно-твердеющие сплавы, подвергающиеся З. с последующим старением, находят широкое применение, например дуралюмин - как конструкционный материал, нимоник - жаропрочный; альнико - для изготовления постоянных магнитов и др.

Закалка упорядочивающихся сплавов. Упорядочение сплавов приводит к изменению их физических и механических свойств, например к снижению пластичности. Если упорядочение нежелательно, то сплавы подвергают З., которая приводит к фиксации неупорядоченного состояния при низкой температуре. Это возможно, если скорость процессов, приводящих к упорядочению, не слишком велика.

Закалка чистых металлов и однофазных сплавов. Для изучения вакансий и их влияний на механические и физические свойства веществ применяют З. чистых металлов и однофазных сплавов. Цель З. в этом случае - фиксирование при низкой температуре концентрации вакансий, равновесной при высокой температуре. Последующий нагрев материалов до температур, при которых вакансии становятся подвижными, приводит к повышению сопротивления пластическому деформированию («закалочное упрочнение») и снижению внутреннего трения (См. Внутреннее трение). Изучая зависимость равновесной концентрации вакансий от температуры и скорость удаления зафиксированных при З. избыточных вакансий, можно найти энергию образования и энергию активации миграции вакансий, сумма которых (энергий) определяет энергию активации самодиффузии.

Закалка жидкости. З. может задерживать кристаллизацию жидкостей. Результат З. в этом случае - переход жидкости в стекловидное состояние. Скорость кристаллизации металлов слишком велика, поэтому получить их в стекловидном аморфном состоянии обычно не удаётся.

Закалка из жидкого состояния. Для некоторых систем, имеющих определенный вид диаграммы состояния, возможна З. из жидкого состояния. Такая З. позволяет устранить ликвацию (См. Ликвация), возникающую при кристаллизации с обычной скоростью охлаждения; получить пересыщенный твёрдый раствор, содержащий значительно большее количество второго компонента, чем это возможно по диаграмме состояния; получить метастабильные фазы, не возникающие при медленной кристаллизации и не фигурирующие на диаграмме состояния.

Лит.: Харди Г. К., Хилл Т. Дж., Процесс выделения, в сборнике: Успехи физики металлов, пер. с англ., т. 2, М., 1958; Курдюмов Г. В., Явления закалки и отпуска стали, М., 1960; Физическое металловедение, под ред. Р. Кана, пер. с англ., в. 1-3. М., 1967.

Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . 1969-1978 .

Синонимы :

Антонимы :

Смотреть что такое "Закалка" в других словарях:

Закаливание, закал, закваска, закаленность, выносливость, стойкость Словарь русских синонимов. закалка см. выносливость Словарь синонимов русского языка. Практический справочник. М.: Русский язык. З. Е. Алекса … Словарь синонимов

ЗАКАЛКА, закалки, мн. нет, жен. (разг.). То же, что закал в 1 знач. Закалка стали. Кинжал был сделан из стали особой закалки. Он получил в детстве хорошую закалку. Толковый словарь Ушакова. Д.Н. Ушаков. 1935 1940 … Толковый словарь Ушакова

- (Hardening) один из видов термической обработки стали и некоторых сплавов (напр. латуни) путем нагрева их выше критической точки с последующим быстрым охлаждением. З. большинства сталей сильно увеличивает их твердость и хрупкость, у иных (напр.… … Морской словарь

Термическая обработка материалов, заключающаяся в нагреве и последующем быстром охлаждении с целью фиксации высокотемпературного состояния материала или предотвращения (подавления) нежелательных процессов, происходящих при медленном охлаждении … Большой Энциклопедический словарь

ЗАКАЛКА, и, жен. 1. см. закалить, ся. 2. Физическая или нравственная стойкость, выносливость. Зимнее купание для закалки. Нравственная з. Толковый словарь Ожегова. С.И. Ожегов, Н.Ю. Шведова. 1949 1992 … Толковый словарь Ожегова

Термическая обработка стали, увеличивающая ее твердость путем нагрева и быстрого охлаждения в воде, масле, расплавленном свинце, соляном растворе или другой жидкости, отчего она становится твердой и хрупкой. З. подвергается сталь с содержанием… … Технический железнодорожный словарь

закалка - Термическая обработка некоторых материалов, заключающаяся в их нагреве и последующем быстром охлаждении с целью фиксации высокотемпературной структуры материала при нормальной температуре, что приводит к увеличению твердости [Терминологический… … Справочник технического переводчика

ЗАКАЛКА - один из видов (см.) изделий из стали и некоторых сплавов (напр. латуни, бронзы и др.) путём нагрева и затем быстрого охлаждения с целью фиксации высокотемпературного состояния материала или предотвращения (подавления) нежелательных процессов,… … Большая политехническая энциклопедия

Вид термической обработки изделий из металлов и сплавов, заключающийся в их нагреве выше критической температуры (температуры изменения типа кристаллической решетки, т.е. полиморфного превращения), с последующим быстрым охлаждением, как правило,… … Википедия

Quenching Закалка. Быстрое охлаждение металлов (часто сталей) от достаточно высокой температуры. Обычно производится в воде, масле, растворах полимеров или солей иногда на воздухе. См. также Brine quenching Закалка в солевом растворе, Caustic… … Словарь металлургических терминов

Закалка - термическая обработка изделий (полуфабрикатов) из металлов или сплавов нагрев их выше температуры фазовых превращений, выдержка и последующее быстрое охлаждение для получения неравновесной структуры. Температуру… … Энциклопедический словарь по металлургии

Закалка — распространенный процесс термической обработки стальных деталей. Она осуществляется путем нагрева деталей выше критической точки Ас 3 (доэвтектоидной стали) или Ас 1 (заэвтектоидной стали) на 30—50° С, выдержки при этой температуре и быстрого охлаждения. Основная цель закалки стали — получение высокой твердости, износостойкости и физико-механических свойств.

Резкое увеличение твердости и прочности в процессе закалки происходит из-за фазовых превращений структуры в процессе нагрева и охлаждения и образования неравновесных твердых структур—мартенсита, троостита и сорбита.

Качество закалки зависит от правильного выбора режима закалки (температуры нагрева, времени выдержки и скорости охлаждения). Температура нагрева под закалку зависит от химического состава стали. Для углеродистых сталей ее выбирают, пользуясь диаграммой состояния сплавов.

Нагрев деталей должен быть достаточно медленным, чтобы не возникли напряжения и трещины. Время нагрева зависит от химического состава стали, от формы и размеров деталей. Если нагрев производится в соляных ваннах, то скорость нагрева рекомендуется 0,5 мин на 1 мм сечения, если деталь нагревают в электрических печах, то время нагрева рекомендуется 15—20 мин на 1 мм сечения образца. Время выдержки должно быть достаточным, чтобы весь процесс превращения перлита в аустенит завершился полностью. Продолжительность выдержки обычно рекомендуют 25% общего времени нагрева.

Охлаждение детали является наиболее ответственным этапом операции. Скорость охлаждения должна быть такой, чтобы обеспечить получение нужной структуры —мартенсита, троостита или сорбита, т. е. обеспечить необходимые механические свойства обрабатываемой детали.

Критической скоростью закалки называется скорость охлаждения, обеспечивающая получение структуры —мартенсит или мартенсит и остаточный аустенит.

При скорости охлаждения меньше критической в структуре закаленной стали, наряду с мартенситом, будет находиться троостит, а при дальнейшем уменьшении скорости получаются структуры троостита или сорбита без мартенсита. Для получения структуры мартенсита требуется переохладить аустенит до температуры начала мартенситного превращения данной стали путем быстрого охлаждения стали (температура наименьшей устойчивости аустенита 550— 650° С).

В зоне температур мартенситного превращения, т. е. ниже 300° С, наоборот, выгоднее применять замедленное охлаждение, так как структурные напряжения успевают выравниваться, а твердость образовавшегося мартенсита при выдержке ниже точки М к практически не снижается.

Для успешного проведения термической обработки правильный выбор закалочный среды имеет большое значение.

Для закалки среднеуглеродистых сталей можно рекомендовать воду с температурой 18° С, а для большинства остальных сталей — масло.

Способность стали закаливаться на определенную глубину называется прокаливаемостью. За глубину закалки принимают расстояние от поверхности закаленной детали до слоя с полумартенентной структурой (50% мартенсита и 50% троостита).

При охлаждении в процессе закалки в стали возникают внутренние напряжения —термические и структурные. Термические напряжения возникают в результате неравномерного охлаждения, а структурные напряжения — при превращении аустенита в мартенсит, что сопровождается значительным увеличением объема. В результате создания таких напряжений при закалке может возникать брак следующих видов: трещины, коробление, бочкообразность, изменение объема. Дефектами закалки являются также мягкие пятна, пониженные твердость и прочность стали, обезуглероживание, окисление, перегрев, пережог и др.

Правильное погружение деталей в закалочную среду помогает избежать образования некоторых дефектов (поводки, коробления,трещин и др.).

Рис. 33.

При погружении деталей можно руководствоваться следующими положениями (рис. 33);:

а) длинные детали (сверла, развертки, протяжки) погружать в строго вертикальном положении;

б) детали, имеющие вогнутую поверхность, погружать в закалочную среду вогнутой поверхностью вверх, так как в противном случае образуется паровой мешок и в этом месте деталь не закалится;

в) детали, имеющие толстую и тонкие части, погружать в закалочную среду толстой частью;

г) тонкие и плоские детали погружать узкой стороной.

В зависимости от толщины закаленного слоя в деталях различают объемную и поверхностную закалку. В зависимости от скорости охлаждения различают закалку ступеньчатую и изотермическую, а в зависимости от метода нагрева —закалку с нагревом в печах, токами высокой частоты, газовым пламенем и в электрических печах. Объемная закалка (полная) с непрерывным охлаждением применяется для углеродистых сталей (охлаждение в воде) и для легированных сталей (охлаждение в масле). Этот способ заключается в том, что нагретую деталь погружают в закалочную среду и держат до полного охлаждения. Недостатком этого способа является возникновение больших термических напряжений из-за резкой разности температур нагретой детали и охлаждающей среды.

Ступенчатая закалка производится путем быстрого охлаждения последовательно в двух различных охлаждающих средах. Первой охлаждающей средой являются расплавленные соли или масло с температурой на 20—30° С выше температуры начала мартенситного превращения (точка М н) для данной стали. В горячей среде деталям дают кратковременную выдержку. Выдержка в расплавленных солях или масле должна обеспечить выравнивание температуры по сечению детали, но не вызывать распада аустенита. Второй охлаждающей средой является воздух. При этом аустенит переходит в мартенсит. Достоинством такого способа закалки является уменьшение термических напряжений, а следовательно, трещин, поводки и коробления, а также хорошее сочетание высокой вязкости с прочностью. Ступенчатую закалку применяют для мелких деталей (сечением 8—10 мм) из углеродистой стали и для деталей (сечением до 30 мм) из легированной стали.

Изотермическая закалка так же, как и ступенчатая, производится в двух охлаждающих средах. Температура горячей среды (соляные, селитровые или щелочные ванны) различна: она зависит от химического состава стали, но всегда (на 20—100° С) выше точки мартенситного превращения для данной стали.

Время выдержки должно быть достаточным для полного превращения аустенита в игольчатый троостит. Окончательное охлаждение до комнатной температуры производится на воздухе.

Изотермическая закалка широко применяется для деталей из высоколегированных сталей. После изотермической закалки сталь приобретает высокие прочностные свойства, т. е. сочетание высокой вязкости с прочностью.

Светлая закалка стальных деталей при любой разновидности процесса закалки производится в специально оборудованных печах с применением защитных сред или в ваннах с расплавленными слоями. Ванны для нагрева деталей под закалку обычно делают из хлористого натрия при температуре на 30—50° С выше температуры точки
Ас 1 _ 3 .

Охлаждение деталей производят при температуре 180—200° С в ванне, состоящей из 75% едкого кали и 25% едкого натра, с добавлением 6—8% воды (от веса всей соли). Такая смесь обладает очень высокой закаливающей способностью.

После светлой закалки поверхности детали приобретают светлый серебристо-белый цвет. В этом случае отпадает необходимость в пескоструйной очистке деталей и достаточна промывка их в горячей воде.

Закалка с самоотпуском имеет широкое применение в инструментальном производстве. Процесс состоит в том, что детали выдерживаются в охлаждающей среде не до полного охлаждения, а в определенный момент извлекаются из нее с целью сохранения в сердцевине детали некоторого количества тепла, за счет которого производится последующий отпуск.

§ 21. ЗАКАЛКА И ОТПУСК

Закалка. Это процесс термической обработки, при которой сталь нагревают до оптимальной температуры, выдерживают при этой температуре и затем быстро охлаждают с целью получения неравновесной структуры. В результате закалки повышается прочность и твердость и понижается пластичность конструкционных и инструментальных сталей и сплавов. Качество закалки зависит от температуры и скорости нагрева, времени выдержки и охлаждения. Основными параметрами закалки являются температура нагрева и скорость охлаждения.
Температуру нагрева для закалки определяют по положению критических точек Ac 1 и Ас 3 . Доэвтектоидные углеродистые стали при закалке нагревают на 30-50°С выше верхней критической точки Ас 3 , а заэвтектоидные - на 30-50°С выше точки Ас 1 (рис. 41).

Рис. 41. Интервалы температур нагрева стали при закалке

Скорость нагрева и время выдержки зависят от химического состава стали, размеров, массы и конфигурации закаливаемых деталей, типа нагревательных печей и нагревательной среды. Чем больше размеры и сложнее конфигурация закаливаемых деталей, тем медленнее происходит нагрев. Детали из высокоуглеродистых и легированных сталей, имеющих пониженную теплопроводность, нагревают медленно и с более длительной выдержкой при нагреве по сравнению с деталями из низкоуглеродистых сталей. Это делается для того, чтобы уменьшить деформацию деталей при нагреве.
Скорость нагрева и продолжительность выдержки определяют экспериментально или по технологическим картам, в которых указывают температуру, время нагрева для каждого вида деталей или инструмента. Ориентировочно время нагрева в электрических печах принимают 1,5-2 мин на 1 мм сечения изделия.
Оборудованием для нагрева стали служат нагревательные термические печи и печи-ванны, которые подразделяют на электрические и топливные, обогреваемые за счет сгорания топлива (газа, мазута, угля и др.).
Средой, в которой нагревают сталь, являются в печах - газовая среда (воздух, продукты сгорания топлива), нейтральный газ; в печах-ваннах - минеральные масла, расплавленные соли и металлы.
При нагреве в электрических печах в среде атмосферного воздуха, а также в печах с газовой средой сталь, взаимодействуя со средой, окисляется и на ее поверхности образуется окалина. Кроме того, происходит обезуглероживание - частичное выгорание углерода в поверхностных слоях стали, что снижает прочностные свойства материала после закалки. Наиболее благоприятен нагрев в печах с нейтральной или защитной атмосферой, обеспечивающей предохранение деталей от окисления.
Нагрев стали до требуемой температуры и выдерживание при этой температуре необходимо проводить как можно быстрее. Чем меньше сталь будет находиться в условиях высоких температур, тем выше ее свойства после закалки. Однако время нагрева должно быть достаточным, чтобы сталь равномерно прогревалась по всему объему и получила аустенитную структуру. Поэтому наиболее эффективным по скорости нагрева и предупреждению окисления стали является нагрев в печах-ваннах, наполненных расплавленным металлом (свинец) или расплавленными солями: NaOH, ВаСl 2 или 50% КСl+50% NaC0 3 . Нагрев в печах-ваннах с использованием расплавленного металла или солей происходит в 4-5 раз быстрее, чем в печах с газовой средой.
В качестве закалочных сред используют воду, водные растворы солей, щелочей, масло и расплавленные соли, имеющие различную охлаждающую способность. Если принять охлаждающую способность воды при 20°С за единицу, то охлаждающая способность масла будет равна 0,17-0,44, расплавленного свинца (при 335°С) - 0,05, воздуха - 0,03. При нагреве воды с 20 до 99°С охлаждающая способность ее изменяется от 1 до 0,07. В зоне перлитных превращений (650°С) вода охлаждает в 5-6 раз быстрее, чем масло. Воду применяют в основном для охлаждения углеродистых сталей. В масле охлаждают легированные стали.
Закалочные среды (вода, масло) действуют следующим образом. На первом этапе, в момент погружения изделия в закалочную среду, вокруг изделия образуется пленка перегретого пара (паровая рубашка). Через слой паровой рубашки охлаждение изделия происходит относительно медленно. Это этап пленочного кипения. Затем паровая рубашка разрывается и охлаждающая жидкость начинает кипеть на поверхности изделия. Это этап пузырчатого кипения. На этом втором этапе охлаждение изделия происходит быстро. Когда температура поверхности изделия станет ниже температуры кипения жидкости, жидкость не кипит и охлаждение изделия замедлится. Это третий этап - этап конвективного теплообмена. Чем шире интервал этапа пузырчатого кипения, тем интенсивнее охлаждает сталь закалочная жидкость.
Закалка в одной среде – наиболее простой и распространенный способ (рис. 42, кривая а). Деталь или инструмент, нагретые до температуры закалки, погружают в закалочную жидкость (вода, масло и т. д.), в которой она находится до полного охлаждения.
Этот способ используют при ручной и механизированной закалке, когда детали автоматически поступают из печи после нагрева в закалочную жидкость, в воду или масло. Недостатком этого способа закалки является то. что деталь охлаждается по сечению неравномерно и в ней возникают большие термические напряжения.

Рис. 42. Схема различных способов закалки:
а - закалка в одной среде, б - закалка в двух средах, в - ступенчатая закалка, г - изотермическая закалка

При закалке в двух средах , или прерывистой закалке (рис. 42, кривая б), деталь, нагретую до заданной температуры, сначала погружают в быстро охлаждающую среду - воду, а затем переносят деталь в медленно охлаждающую среду - масло. Такую закалку применяют для обработки инструмента, изготовленного из высокоуглеродистой стали. При этом способе закалки трудно определить точное время пребывания детали в каждой из сред.
Ступенчатая закалка (рис. 42, кривая в) заключается в том, что нагретые детали сначала охлаждают до температуры несколько выше мартенситной точки М н в горячем масле или расплавленной соли, а затем после короткой изотермической выдержки, необходимой для выравнивания температуры по всему сечению изделия, охлаждают на воздухе. Длительность изотермической выдержки по времени должна быть меньше времени устойчивости аустенита при этой температуре. На второй стадии охлаждения сталь закаливается. При таком виде закалки уменьшаются термические напряжения, коробление и предотвращается образование трещин.
Изотермическая закалка (рис. 42, кривая г) выполняется так же, как и ступенчатая, но выдержка в закалочной среде более продолжительная. При такой выдержке происходит изотермический распад аустенита с образованием бейнита. В качестве закалочной среды используют расплавленные соли или щелочи (20% NaOH и 80% КОН) с добавками 5-10% воды для увеличения скорости охлаждения. Изотермической закалке подвергают детали и инструмент из легированных сталей марок 6ХС, 9ХС, ХВГ и др.
Закалку с подстуживанием применяют для уменьшения разницы в температурах металла и закалочной среды, если деталь нагрета до температуры, значительно превышающей температуру закалки данной стали. Нагретую деталь перед погружением в закалочную среду выдерживают (подстуживают) на спокойном воздухе. Этот способ закалки обеспечивает уменьшение внутренних напряжений и предотвращает коробление деталей, особенно деталей, подвергнутых цементации
Закалка с самоотпуском состоит в том, что нагретую деталь. рабочей частью погружают в закалочную среду и выдерживают в ней не до полного охлаждения. За счет тепла нерабочей части детали, которая не погружалась в закалочную жидкость, рабочая часть детали или инструмента нагревается. Температуру отпуска при этом способе закалки определяют по цветам побежалости, возникающим на поверхности детали при температурах 220-300°С.
Закалку с самоотпуском применяют для обработки зубил, кернеров, бородков и других ударных инструментов, у которых твердость должна плавно понижаться от рабочей части к нерабочей.
Закалка с обработкой холодом заключается в продолжении охлаждения закаленной стали до температур ниже комнатной, но в интервале начала (М н) и окончания (М к) мартенситного превращения (см. рис. 38), для дополнительного более полного превращения остаточного аустенита в мартенсит и повышения твердости. Высокоуглеродистые и легированные стали после закалки при комнатной температуре содержат до 12% остаточного аустенита, а быстрорежущие - более.35%. В результате обработки холодом повышается твердость и стабилизируются размеры деталей. Наиболее распространенной охлаждающей средой служит смесь ацетона и твердой углекислоты (-78°С).
Закаливаемость - это способность стали приобретать максимально высокую твердость после закалки. Закаливаемость зависит главным образом от содержания углерода в стали: чем больше углерода, тем выше твердость. Это объясняется тем, что с повышением содержания углерода увеличивается число атомов углерода, удерживаемых в атомной решетке железа при закалке, т. е. увеличивается степень пересыщения твердого раствора углерода в железе.
Углеродистые стали с содержанием углерода менее 0,3% (сталь 20, СтЗ) не способны принимать закалку, так как не происходит образования мартенситной структуры. Образование мартенситной структуры связано с перестройкой атомной решетки железа из гранецентрированной в объемно-центрированную. Температура, при которой происходит такая перестройка, зависит от содержания углерода (см. рис. 38). Чем больше содержание углерода, тем ниже температура образования мартенситной структуры.
При выборе охлаждающей среды для того или иного способа закалки необходимо учитывать закаливаемость и прокаливаемость данной стали.
Прокаливаемость - это глубина проникновения закаленной зоны, т. е. способность стали закаливаться на определенную глубину. За глубину закаленной зоны принимают расстояние от поверхности до слоя, где в структуре будет примерно одинаковое количество мартенсита и троостита. Прокаливаемость зависит от химического состава стали, размеров деталей и условий охлаждения. С увеличением содержания углерода до 0,8% прокаливаемость стали увеличивается. При дальнейшем увеличении углерода прокаливаемость несколько снижается. Увеличению прокаливаемости также способствует укрупнение зерен аустенита при нагреве под закалку. Нерастворимые частицы, неоднородность аустенита и другие факторы, которые уменьшают устойчивость переохлажденного аустенита, уменьшают прокаливаемость. Все легирующие элементы, за исключением кобальта, увеличивают прокаливаемость. При комплексном легировании полезное влияние отдельных элементов на прокаливаемость взаимно усиливается.
При закалке скорость охлаждения по сечению изделия распределяется неравномерно. У поверхности она максимальная, в центре - минимальная, т. е. скорость охлаждения уменьшается по некоторому закону от поверхности изделия к его центру. Характеристикой прокаливаемости является критический диаметр, т. е. диаметр максимального сечения, которое прокаливается полностью в данной охлаждающей среде.
Отпуск - процесс термической обработки, состоящий в нагреве закаленной стали до температуры ниже критической точки Ас 1), выдержке при этой температуре и последующем охлаждении (обычно на воздухе). Цель отпуска - получение более устойчивого структурного состояния, устранение или уменьшение напряжений, повышение вязкости и пластичности, а также понижение твердости и уменьшение хрупкости закаленной стали (рис. 43). Правильное выполнение отпуска в значительной степени определяет качество закаленной детали. Температура отпуска варьируется в широких пределах - от 150 до 700°С в зависимости от его цели. Различают низкий, средний и высокий отпуск.
Низкий отпуск характеризуется нагревом в интервале 150-250°С, выдержкой при этой температуре и последующим охлаждением на воздухе. Он выполняется с целью получения структуры мартенсита отпуска и для частичного снятия внутренних напряжений в закаленной стали с целью повышения вязкости без заметного снижения твердости. Низкий отпуск применяют для инструментальных сталей, после цементации и т. д.
Средний отпуск производится при температурах 300-500°С для получения структуры троостита отпуска. Твердость сталей заметно понижается, вязкость увеличивается. Этот отпуск применяют для пружин, рессор, а также инструмента, который должен иметь значительную прочность и упругость при достаточной вязкости.

Рис. 43. Влияние температуры отпуска на механичесуие свойства стали 40

Высокий отпуск выполняется при температурах 500-650°С. В процессе высокого отпуска мартенсит распадается с образованием структуры сорбита отпуска. Эта структура обеспечивает лучшее сочетание прочности и пластичности стали. В сорбите отпуска цементит приобретает зернистую форму в отличие от сорбита, полученного после нормализации, в котором цементит имеет пластинчатое строение. Благодаря этому существенно повышается ударная вязкость при одинаковой или даже более высокой твердости, по сравнению с нормализованной сталью. Применяется этот вид отпуска для деталей из конструкционных сталей, работающих при ударных нагрузках.
Закалку стали с последующим высоким отпуском называют улучшением . Конструкционные стали 35, 45, 40Х в результате улучшения получают более высокие механические свойства.
Отпуск закаленных деталей проводят непосредственно после закалки, так как возникшие в них внутренние напряжения могут вызвать образование трещин.
Недогрев, ведущий к недоотпуску, получается при заниженных температурах отпуска или недостаточном времени выдержки. Недоотпущенная сталь сохраняет хрупкость. Устраняют этот дефект повторным, дополнительным отпуском. Сущность старения заключается в изменении растворимости углерода и азота в α-Fe, оно может быть связано также с выделением из твердого раствора частиц нитрида.
Различают искусственное и естественное старение. Отпуск, выполняемый при невысоком нагреве, называют искусственным старением . Процесс искусственного старения состоит в том, что закаленные детали нагревают до 120-150°С и выдерживают при этой температуре в течение 18-35 ч. Искусственное старение осуществляют в масляных ваннах с автоматическим регулированием температуры. При старении закаленных деталей и инструмента стабилизируются размеры, а твердость и структура стали практически не изменяются.
Отпуск, если он происходит при комнатной температуре, называют естественным старением . При естественном старении детали и инструмент выдерживают при комнатной температуре три и более месяцев, так как процесс, вызывающий изменение размеров детали, протекает значительно медленнее, чем при искусственном старении.

Закалка стали – один из наиболее важных процессов в термообработке металла, от которого напрямую зависит качество продукции. Плохая закалка может привести к излишней мягкости металла, перекаленная деталь, в свою очередь, становится очень хрупкой. Разберемся, от чего зависит правильная закалка.

1

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.

2

Изделия из стали могут закаливаться уже после финишной обработки, поэтому выгорание углерода и образование слоя окалины в таких случаях неприемлемо. В таком случае поверхность изделия оберегают с помощью специальных защитных газов, которые подаются в полость электропечи во время закаливания. Таким приемом возможно воспользоваться только в случае использования загерметизированных печей и достижения стабильной температуры закалки стали, иначе это становится небезопасным, поскольку генераторы защитного газа работают на углеводородных источниках, таких как метан и аммиак.

От обезуглероживания древесный уголь не защищает, а вот чугунная стружка и отработанный карбюризатор с этой задачей справятся. Применяют их в тех случаях, когда нет возможности создать защитную атмосферу. Изделия упаковывают в тару с этими компонентами и обмазывают глиной, чтобы внутрь не попадал воздух. Если металл закаляют в соляных ваннах, то ванны следует во избежание обезуглероживания раскислять не менее двух раз в течение рабочей смены борной кислотой или бурой солью, также помогает древесный уголь. В последнем случае материалом заполняют так называемый стакан, в стенках которого множество отверстий. Стакан закрывают крышкой и опускают на дно соляной ванны. При этом появляется большое количество пламени, но со временем оно затухает. В течение смены достаточно трижды раскислять ванну таким способом, чтобы избежать обезуглероживания изделий.

Удачный итог раскисления соляной ванны проверить достаточно просто. Для этого в ванну на 5–7 минут погружают обычное лезвие, после чего закаляют в воде. Если оно ломается, а не гнется под механическим воздействием, то соляную ванную удалось качественно раскислить.

3

В качестве основы для охлаждающих жидкостей используют воду. Это должна быть чистая вода без примесей соли или мыла, поскольку даже их небольшое содержание может изменить скорость охлаждения. Закалочный бак недопустимо использовать в посторонних целях, как недопустимо и охлаждать изделие под проточной водой. Оптимальной температурой охлаждающей жидкости считается 30 °С.

Водяная закалка имеет ряд недостатков. Главный минус – образование трещин и коробление металла, поэтому таким способом пользуются только при изготовлении цементированных изделий или изделий несложной формы, которые будут проходить финишную обработку.

Изделия более сложной формы из конструкционной стали охлаждаются в растворе каустической соды (50 %), который подогревают до 60 °С.

Детали, закаленные в таком растворе, имеют характерный светлый оттенок. Закалочная ванна на основе каустической соды обязательно должна быть оборудована вытяжкой, поскольку пары, образующиеся при контакте раскаленного металла и каустика, вредны для человеческого организма.

Минеральные масла – наиболее подходящая охлаждающая среда для изделий из легированной стали, как и для тонких изделий из углеродистой стали. Преимущество таких ванн состоит в том, что независимо от температуры среды скорость охлаждения не меняется. Что при температуре 30 °С, что при температуре 100 °С она будет одинакова. Главное, не допустить попадания воды в такую среду, поскольку эту приводит к растрескиванию поверхности изделия. Избежать этого можно, нагрев масло до температуры выше температуры кипения воды. Однако при использовании масляной ванны следует помнить и о недостатках данного способа. В частности, при закалке выделяются вредные газы, на изделии образуется налет, а сама среда имеет склонность к возгоранию. К тому же, со временем масло теряет закаливающие способности. Конечно же, при работе важно не забывать о безопасности – для погружения детали в охлаждающий раствор используют специальные щипцы с очень длинными ручками, руки защищают перчатки из очень толстой огнеупорной ткани или кожи, а лицо закрывает маска из закаленного стекла. Плечи, шею и грудь скрывают за кожанной или толстотканной одеждой.

Некоторые стали охлаждают потоком воздуха, который подается компрессором. Главное – не допустить попадания влаги в поток, иначе это может вызвать образование трещин. Существует и ступенчатая закалка, которая выполняется поэтапно: сначала деталь нагревается в горячем масле, затем в расплавленных солях. Еще один вид закалки – прерывистая, – используется для охлаждения сложных углеродистых сталей и деталей, производимых из этого материала. Сначала раскаленную сталь погружают в воду пока деталь не охладится до 200 °С. Длится это всего несколько секунд, если передержать изделие, оно покроется трещинами. Из воды в масло деталь стараются перенести как можно быстрее.

4

Отпуск стали – обязательное мероприятие для снятия внутренних напряжений металла. В результате несколько ухудшается твердость, но повышается пластичность. Отпуск проводится как в печах, так и в масляных и щелочных ваннах. Суть отпуска – в постепенном уменьшении температурного режима и выдерживании детали в определенной температурной среде.

Для разных марок стали существуют свои температурные режимы. Например, быстрорежущая сталь отпускается при 540 °С, тогда как изделия с твердостью HRC 59–60 отпускаются всего при 150 °С. В первом случае твердость даже повышается, во втором незначительно понижается, но изделие приобретает существенную пластичность.

Закалять и проводить отпуск можно и в домашних условиях. Для этого вполне достаточно подручных средств – электроплит, печей. Температура закалки стали не обязательно должна достигать нескольких сот градусов – даже горячий песок способен уменьшить внутреннее давление металла. Изделие перед закалкой обязательно следует очистить от посторонних материалов, например, масла или грязи. Затем нагреть докрасна, проследив, чтобы деталь нагрелась равномерно. Прогревать деталь нужно в несколько подходов, а затем охладить ее в масле и поместить в духовку, где довести температуру воздуха до 200 °С, а затем постепенно уменьшать ее до 80 °С. Длится такая процедура около часа. Охлаждают сталь как правило на воздухе, однако хромоникелевые марки следует охлаждать в масляных ваннах, поскольку они при длительном охлаждении приобретают хрупкость.

Справочники