Какие стали подвергаются закалке

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

Свойства стали после закалки

После закалки увеличивается твердость и прочность стали, но при этом повышаются внутренние напряжения и возрастает хрупкость, провоцирующие разрушение материала при резких механических воздействиях. На поверхности изделия появляется толстый слой окалины, который необходимо учитывать при определении припусков на обработку.

Внимание! Некоторые изделия закаляются частично, например, это может быть только режущая кромка инструмента или холодного оружия. В этом случае на поверхности изделия можно наблюдать четкую границу, разделяющую закаленную и незакаленную части. Закаленную часть на клинках называют «хамон», что в переводе на современный язык металлургии означает «мартенсит».

Определение! Мартенсит – основная составляющая структуры стали после закалки. Вид этой микроструктуры – игольчатый или реечный.

Для уменьшения внутренних напряжений и роста пластичности осуществляют следующий этап термообработки – отпуск. При отпуске происходит некоторое снижение твердости и прочности.

Технология закалки

Режим закалки определяется температурой, временем выдержки, скоростью охлаждения, используемой охлаждающей средой.

Способы закалки стали:

• в одном охладителе – применяется при работе с деталями несложной конфигурации из углеродистых и легированных сталей;
• прерывистый в двух средах – востребован для обработки высокоуглеродистых марок, которые сначала остужают в быстро охлаждающей среде (воде), а затем в медленно охлаждающей (масле);
• струйчатый – обычно востребован при частичной закалке изделия, осуществляется в установках ТВЧ и индукторах обрызгиванием детали мощной струей воды;
• ступенчатый – процесс, при котором деталь остывает в закалочной среде, приобретая во всех точках сечения температуру закалочной ванны, окончательное охлаждение осуществляют медленно;
• изотермический – похож на предыдущий вид закалки стали, отличается от него временем пребывания в закалочной среде.

Типы охлаждающих сред

От правильного выбора охлаждающей среды во многом зависит конечный результат процесса.

Для поверхностной закалки и работы с изделиями простой конфигурации, предназначенными для дальнейшей обработки, применяется в основном вода. Она не должна содержать соли и примеси моющих средств, оптимальная температура +30°C.

Внимание! Использовать этот способ охлаждения для деталей сложной конфигурации не рекомендуется из-за риска появления трещин.

Внимание! Для работы с изделиями из углеродистых сталей со сложным химическим составом используют комбинированное охлаждение. Оно состоит из двух этапов. Первый – охлаждение детали в воде, второй, после +200°C, – в масляной ванне. Перемещение из одной охлаждающей среды в другую должно производиться очень быстро.

Какие стали можно закаливать?

Процедурам закалки и отпуска не подвергается прокат и изделия из него, изготовленные из малоуглеродистых сталей типа 10, 20, 25. Этот вид термообработки эффективен для углеродистых сталей (45, 50) и инструментальных, у которых в результате твердость увеличивается в три-четыре раза.

Таблица режимов закалки и областей применения для некоторых видов инструментальных сталей

Закалка металла – технология закалки стали

Закалка металла происходит при нагреве его выше температуры изменения кристаллической решетки (такая температура называется критической и для каждого металла и сплава она отличается). После нагрева металл быстро охлаждают, чаще всего в воде или масле.

Термическая обработка (закалка) бывает двух типов – без полиморфного превращения (цветные металлы) и с полиморфным превращением (стали). В процессе закалки металл становится более твердым, но одновременно уменьшается его пластичность и вязкость, особенно, если цикл «нагревание-охлаждение» повторять много раз. Чтобы снизить хрупкость и нормализовать вязкость и пластичность, после закалки с полиморфным превращением используют отпуск, который незначительно уменьшает прочность. Для цветных металлов (т.е. для закалки без полиморфного превращения) применяется так называемое «старение» металла.

По температуре нагрева различают два вида закалки – полная и неполная закалка металлов. Неполная закалка используется, как правило, для инструментальных сталей. В процессе полной закалки структура стали становится аустенитной (кристаллическая решетка гранецентрированная, в отличие от объемно-центрированной ферритной решетки).

При изготовлении некоторых изделий закалке подвергается не весь металл, а только часть его. Например только режущая кромка, как это происходит при закалке катан (японских мечей). При этом граница между закаленным и незакаленным металлом (хамон) видна невооруженным глазом.

Технология закалки стали требует быстрого охлаждения в пределах от 650 до 400° С. Длительность нагрева при закалке зависит от вида нагревательного устройства. Опытные данные показывают, что на закалку 1 мм сечения в электрической печи затрачивается от 90 секунд до 2 минут, тогда как в пламенной печи – 1 минута, а в соляной ванне – 30 секунд. Меньше всего времени уходит на закалку в свинцовой ванне ( от 6 секунд).

При погружении раскаленного изделия в закалочную среду образуется плёнка пара, через которую и происходит относительно медленное остывание (стадия пленочного кипения). В зависимости от того, какая жидкость используется для закаливания, температура достигает значения, при котором паровая пленка рвется и жидкость закипает на поверхности металла. Охлаждение значительно ускоряется. Этот процесс носит название пузырькового кипения. Когда металл уже достаточно охлаждается и жидкость уже не кипит, процесс охлаждения начинается замедляться. Происходит так называемый конвективный теплообмен.

Закалка металла, в зависимости от используемых охладителей, подразделяется на:
• закалку в одном охладителе. Нагретую деталь из углеродистой или легированной стали погружают в закалочную жидкость, до полного охлаждения закаливаемого металла;
• прерывистую закалку, которая производится в двух средах. Сначала деталь быстро оостужают в первичной среде (например воде), а затем в медленно охлаждающей жидкости (масло). Такой способ применим для изделий из высокоуглеродистых сталей;
• струйчатую закалку, при которой деталь обрызгивают струей воды. Паровая пленка при этом не образуется и, как правило, этот способ используют для закалки части изделия. Струйчатая закалка обеспечивает более глубокую степень прокаливаемости, чем обычная закалка в воде. Используется при закаливании индукторов на установках ТВЧ;
• ступенчатую закалку производят в закалочной среде, которая имеет температуру выше мартенситной точки для данной марки стали. При охлаждении и последующей выдержке в этой среде закаливаемый металл должен приобрести температуру закалочной ванны во всех точках сечения. После этого следует окончательное медленное охлаждение, в процессе которого и происходит непосредственно закалка;
• изотермическая закалка. Деталь выдерживают в закалочной среде до тех пор, пока не произойдет изотермическое превращение кристаллической решетки с образованием аустенита.

Скорость охлаждения зависит от размеров и формы закаливаемого изделия, теплопроводности стали и вида охлаждающей среды. При выборе последней нужно учитывать закаливаемость стали, которая в немалой степени зависит от легирующего состава и содержания углерода. Если углерода меньше 20%, то сталь нельзя подвергать закалке.

Высокие внутренние напряжения, которые могут возникнуть при больших скоростях охлаждения, приводят к деформации и повреждению структуры изделия. Внутренние напряжения возникают по двум причинам – разница температуры по сечению во время охлаждения и неодновременное протекание процесса фазовых превращений в различных участках закаливаемого изделия.

Охлаждающими средами могут служить различные жидкости (вода, растворы солей, щелочей), технические масла и даже расплавленный свинец. Вода слишком быстро охлаждает, поэтому высока вероятность возникновения внутренних напряжений. Минеральные масла дороги и легко воспламеняются. Одним из лучших охладителей является 8-12% раствор обычной пищевой соли (NaCl – хлорид натрия), или каустической соды (она же гидроксид натрия или едкий натр – NaOH).

Закаливаемость и прокаливаемость. Объясните, какая сталь после закалки тверже – Сталь 50 или У10 и почему?

Закаливаемость стали. Под закаливаемостью понимают способность стали приобретать высокую твердость после закалки. Такая способность зависит главным образом от содержания углерода в стали: чем больше углерода, тем выше твердость. Объясняется это тем, что с повышением содержания углерода увеличивается число атомов, насильственно удерживаемых при закалке в атомной решетке железа. Иными словами, увеличивается степень пересыщения твердого раствора углерода в железе. В результате возрастают внутренние напряжения, что, в свою очередь, способствует увеличению числа дислокаций и возникновению блочной структуры.

Если в углеродистой стали содержание углерода будет меньше 0,3% (сталь 20, Ст3), то такая сталь уже не закалится. Для того чтобы понять это, следует вспомнить, что образование мартенситной структуры связано с перестройкой атомной решетки железа из гранецентрированной в объемно-центрированную. Температура, при которой происходит такая перестройка, зависит от содержания углерода. Роль углерода сводится к тому, что атомы его, находясь в решетке железа, как бы препятствуют перегруппировке атомов, которая необходима для перестройки решетки. Чем больше содержание углерода, тем ниже будет температура, при которой произойдет перестройка, т. е. образуется мартенситная структура. Зависимость температуры мартенситного превращения от содержания углерода в стали была показана на рис. 16. Как можно видеть, при содержании углерода 0,2% мартенситное превращение должно происходить при сравнительно высокой температуре — примерно 350—400°С. При такой температуре углерод еще сохраняет достаточно высокую подвижность и при перестройке решетки выходит из состояния твердого раствора, образуя химическое соединение — цементит. Пересыщение твердого раствора получается совсем незначительным, и потому структура закалки — мартенсит — не образуется.

Важнейшими характеристиками стали, подвергаемой закалке, является ее закаливаемость и прокаливаемость. Эти характеристики не следует смешивать.

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

Чтобы определить закаливаемость той или иной стали, надо измерить твердость поверхности стального изделия после закалки. Чем выше эта твердость, тем лучше закаливаемость стали. Закаливаемость стали зависит в основном от содержания в ней углерода. Это объясняется тем, что твердость мартенсита зависит от степени искажения его кристаллической решетки. Чем меньше в мартенсите углерода, тем меньше будет искажена его кристаллическая решетка и, следовательно, тем ниже будет твердость стали.

При дальнейшем повышении содержания углерода в мартенсите его твердость существенно не меняется. Стали, содержащие менее 0,25% углерода, имеют низкую закаливаемость и поэтому закалке обычно не подвергаются. Все углеродистые стали, содержащие более 0,3% углерода, обладают хорошей закаливаемостью. При закалке массивных изделий важно знать не только закаливаемость стали, но и ее прокаливаемость, т. е. глубину проникновения закалки. Очевидно, что при закалке изделия различные его слои охлаждаются неодинаково. Поверхностный слой, который непосредственно соприкасается с закалочной жидкостью, будет охлаждаться с большей скоростью, чем нижележащие слои. Наименьшая скорость охлаждения будет в центре изделия. Чем больше сечение изделия и чем оно толще, тем значительнее будет разница в скорости охлаждения поверхности и нижележащих слоев. Пунктирная кривая схематично показывает распределение скорости охлаждения при закалке в различных слоях изделия.

Из предыдущего известно, что структура мартенсита получается в том случае, если охлаждение стали производится со скоростью большей, чем критическая скорость закалки. В тех же слоях, где фактическая скорость охлаждения меньше критической, структура будет состоять из троостита, сорбита или перлита, в зависимости от толщины изделия. Если критическая скорость закалки (dKPHti) равна величине, горизонтальной пунктирной линией, то изделие насквозь не прокалится.

Глубина закалки в этом случае будет равна заштрихованному слою, так как остальные слои изделия фактически охлаждаются со скоростью меньшей, чем критическая скорость закалки. Чтобы изделие получило сквозную закалку, надо изготовить его из стали, у которой критическая скорость закалки равна или меньше величины, сплошной линией (dKPhti). Следовательно, чем выше критическая скорость закалки стали, тем ниже ее прокаливаемость. Как известно, величина критической скорости закалки зависит от химического состава стали.

Прокаливаемость стали. Под прокаливаемостью понимают глубину проникновения закаленной зоны, т. е. свойство стали закаливаться на определенную глубину от поверхности. Если, например, сверло диаметром 50 мм, изготовленное из инструментальной углеродистой стали, закалить в воде, а затем замерить твердость его в поперечном сечении, то окажется, что во внутренней зоне, расположенной вдоль оси сверла (сердцевине), твердость будет почти такой же, как до закалки, в то время как в наружной зоне, расположенной у поверхности, твердость резко повысится. Проверив затем микроструктуру, можно будет убедиться, что в сердцевине она будет перлитного типа, а у поверхности — мартенситного. Несквозная закалка объясняется неравномерным охлаждением детали при закалке: поверхность всегда охлаждается быстрее, чем сердцевина. Неравномерность охлаждения вызывается различными условиями теплоотвода у поверхности и в сердцевине. При погружении раскаленной детали в закалочную среду поверхность, соприкасаясь с холодной жидкостью, охлаждается с большой скоростью, в то время как отвод теплоты от сердцевины затруднен толщей горячего металла, и потому она охлаждается медленно. В результате скорость охлаждения поверхности оказывается выше критической, и поверхность закаливается, а скорость охлаждения сердцевины получается ниже критической, и последняя не закаливается. Очевидно, можно представить себе, что на некоторой глубине от поверхности Н (рис. 19) скорость охлаждения будет равна критической. Тогда ясно, что слои металла, расположенные на большей глубине, не закалятся, а слои, расположенные на меньшей глубине, т. е. ближе к поверхности, закалятся.

Рис. 19. Скорость охлаждения при закалке на поверхности (v1), в промежуточном слое (v2) и в центре (v3): v1>v2>v3

Глубина проникновения закаленной зоны, т. е. прокаливаемость, зависит главным образом от химического состава стали. С повышением содержания углерода до 0,8% прокаливаемость стали повышается. Дальнейшее повышение его содержания несколько снижает прокаливаемость.

За исключением кобальта все легирующие элементы, растворенные в аустените, затрудняют его распад и, следовательно, уменьшают критическую скорость закалки. В результате увеличивается прокаливаемость.

Для улучшения прокаливаемости в сталь вводят марганец, хром, никель, молибден и др. элементы. Особенно эффективно действует комплексное легирование, при котором полезное влияние отдельных элементов на прокаливаемость взаимно усиливается. Например, для стали с 0,4% С и 3,5% Ni критическая скорость закалки равна 150°С/с, а добавка 0,75% Мо снижает эту скорость до 4°С/с.

Те легирующие элементы, которые с углеродом могут давать химические соединения в виде карбидов (вольфрам, ванадий, титан и др.), повышают прокаливаемость только в том случае, если они при температуре закалки оказываются растворенными в аустените. Если же они будут оставаться в составе карбидов, то прокаливаемость снижается. В связи с этим с целью наиболее полного растворения карбидов и повышения благодаря этому прокаливаемости иногда значительно увеличивают температуру нагрева при закалке.

Из всего сказанного о влиянии легирующих элементов на прокаливаемость стали следуют два очень важных вывода:

1) при использовании легированных сталей можно получить сквозную прокаливаемость в деталях большого сечения, которые невозможно закалить насквозь при изготовлении их из углеродистой стали;

2) применение легированной стали вместо углеродистой позволяет снизить скорость охлаждения, необходимую для закалки, и использовать в качестве охладителя взамен воды — масло. В результате снижаются закалочные напряжения, уменьшается коробление и опасность образования трещин.

Наряду с химическим составом на прокаливаемость оказывают влияние и некоторые другие факторы: однородность аустенита, отсутствие в нем карбидов и иных примесей и включений, величина зерна и др. Чем однороднее аустенит и больше размер его зерен, тем выше будет прокаливаемость.

Дата добавления: 2015-03-19 ; просмотров: 5894 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Закалка стали, температура закалки и её виды

Для придания металлам определённых качеств, например, прочности, их подвергают специальной термической обработке, которая называется закалка. Во время этого процесса металл подвергают нагреву при очень высоких температурах, при этом доводят сталь до критической точки, а затем быстро охлаждают. Для быстрого охлаждения стали могут применяться в качестве охладителя сжатый воздух, водяной туман, жидкая полимерная закалочная среда.

Это сложный вид обработки металла, так как при этом металл становится не только прочным, но и не таким вязким и эластичным, как до обработки. Чтобы металлическое изделие после закалки получило необходимые качества, применяют различные виды закалки. Каким бы способом ни производилась закаливание, необходимо соблюдать определённые меры безопасности.

1. Если деталь нужно опустить в масляную ванну, делать это только с помощью щипцов с длинными ручками.
2. Маски для лица использовать только с закалёнными стёклами.
3. Перчатки для работы должны иметь огнеупорные свойства.
4. Для изготовления одежды должна применяться огнеупорная ткань.

Способы закалки стали

Есть несколько видов закалки, выбор которых зависит от того, какой состав имеет металл, какой характер у обрабатываемой детали, насколько необходимо увеличить прочность материала и при каких условиях будет происходить охлаждение. Способы, при которых происходит обработка металла, также можно разделить на несколько подвидов.

Использование одной среды

Способ достаточно прост, но он подходит не для каждой марки стали и не для всех деталей. В данном случае используется быстрое охлаждение с большим интервалом температур. В процессе обработки возникает температурная неравномерность и большое внутреннее напряжение в материале, что может привести к деформации изделия и даже к его разрушению. Материал, который имеет большое содержание углерода в своём составе, не подходит для такой обработки.

Закалка металла в несколько ступеней

При этом методе сталь после нагрева до нужной температуры погружают в соляную ванну. Это помогает выровнять ее температуру. После этого деталь охлаждают до обычной температуры с использованием масла или воздуха. При этом способе снимается внутреннее напряжение и повышаются механические качества изделия. Такой способ подходит для обработки небольших деталей.

Изотермическая

Такой вид обработки производится почти так же, как и ступенчатая закалка, но при этом изделие выдерживают в соляной ванне более длительное время. При применении изотермической закалки на качества детали скорость охлаждения не влияет. Преимущества такого вида закаливания в том, что сталь практически не коробится и полностью отсутствуют трещины. Металл становится более вязким.

Светлая

Для этой процедуры используют специальные печи, которые имеют защитную среду. Перед тем как заложить инструмент в такую печь, его подвергают нагреву в соляной ванне, которая содержит хлористый натрий, а затем охлаждают в ванне, содержащей смесь едкого калия и едкого натрия с небольшим добавлением воды.

Закаливание с самоотпуском

Такой способ подходит для инструментального производства. Суть такого метода в том, что нагретые детали извлекают из среды для охлаждения до того, как они полностью остынут. Таким образом удаётся сохранить немного тепла в сердцевине детали. Именно это тепло даёт возможность производить отпуск изделия. Только когда он произведён, изделие полностью охлаждают при помощи специальной жидкости. Такая термическая обработка применяется для стали, которая идёт на изготовление инструментов, требующих высокой прочности при эксплуатации.

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.

Дефекты, возникающие при закалке металла

Если во время термообработки стали были нарушены технологические нормы, изделия могу иметь недостаточную твёрдость. Это происходит при недостаточно высокой температуре при нагреве и малой выдержке, а также если скорость охлаждения была недостаточной. Это можно исправить отжигом и повторной закалкой или применить более энергичную закалочную среду.

Иногда закалённая сталь получается с крупнозернистой структурой, что влечёт за собой повышенную хрупкость. Это является следствием перегрева изделия. Необходимо произвести отжиг и провести новую закалку при необходимой температуре. Если хрупкость появилась после пережога, исправить такой дефект невозможно.

Если после закалки деталь покоробило и появились трещины, значит, металл имеет высокое внутреннее напряжение. Такие дефекты появляются из-за неравномерного изменения объёма закаливаемой детали, если она имеет неодинаковые размеры и при этом нарушается режим охлаждения. Трещины исправить невозможно, а коробление можно устранить правкой или рихтовкой. Иногда на обрабатываемом изделии после закалки появляется окалина. Исправить такой брак невозможно. Этого можно избежать, если нагревать детали в печах, которые имеют защитную атмосферу.