Что такое закалка стали

Что такое 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.

  • Для изделий сложной формы применяют 50% раствор каустической соды, который нагревают до +60°C. При использовании такого состава для охлаждения сталь приобретает светлый оттенок. Пары каустической соды вредны для здоровья человека.
  • Для тонкостенных деталей, изготовленных из углеродистых и легированных сталей, применяются минеральные масла, обеспечивающие постоянную температуру охлаждения, не зависящую от температуры окружающей среды. Главное условие, которое необходимо соблюдать при охлаждении сталей после закалки, – отсутствие воды в минеральных маслах. Недостатки процесса: выделение вредных для человека паров, возможность возгорания масла, образование налета, постепенная потеря эффективности охлаждающего состава.
  • 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

    2.3.2.1 Общие положения

    Существует три принципиально различающихся между собой вида закалки:

    — закалка с полиморфным превращением;

    — закалка без полиморфного превращения;

    — закалка с оплавлением поверхности.

    Закалка с полиморфным превращением (закалка стали на мартенсит) на протяжении веков является основным способом упрочнения стали, а в настоящее время применяется и для закалки сплавов цветных металлов.

    Закалка без полиморфного превращения была открыта на рубеже 20-го века, и её промышленное использование началось одновременно с применением алюминиевых сплавов. Закалка без полиморфного превращения применима для сплавов, имеющих переменную в зависимости от температуры растворимость компонентов. В результате закалки образуется пересыщенный твердый раствор, но кристаллическая решетка остается неизменной.

    Закалка с оплавлением поверхности появилась в 70-х годах прошлого века, когда в промышленности начали использовать лазерный нагрев.

    Закалка стали – это термическая обработка, которая включает нагрев до температуры выше фазовых превращений, выдержку при этой температуре и быстрое охлаждение со скоростью, превышающей критическую (рис. 13).Закалкаявляется упрочняющей термической обработкой. Повышение твердости и прочности обеспечивается за счет получения структуры мартенсита. Закалка не является окончательной операцией, и после нее обязательно производится отпуск.

    Результаты закалки во многом зависят от правильного выбора температуры нагрева для закалки. Доэвтектоидные стали для закалки следует нагревать до температуры на 30-50°С выше Ас3. В этом случае сталь с исходной структурой перлит + феррит нагревается до аустенитного состояния и при охлаждении со скоростью больше критической получается мартенсит. Такая закалка называется полной.

    Неполная закалка осуществляется от температур, которые соответствуют межкритическому интервалу от АС1 до АС3, и используется только для листовой низколегированной стали для получения структуры феррита с небольшими участками мартенсита до 20%. Такая структура обеспечивает достаточно высокие механические свойства и, одновременно, способность к штамповке. Во всех других случаях неполная закалка доэвтектоидных сталей не используется, поскольку механические свойства получаются более низкими по сравнению с закалкой от температур выше АС3.

    Читайте также:  Осб плита чем обработать для наружного использования

    Заэвтектоидные стали нагревают для закалки на 15…20°С выше АС1. При этих температурах в стали наряду с аустенитом имеется цементит. Поэтому после закалки в структуре заэвтектоидных сталей присутствуют мартенсит с небольшим количеством остаточного аустенита и нерастворенные частицы цементита, имеющие высокую твердость. Интервал закалочных температур не должен превышать 15…20 о С, так как чрезмерное повышение температуры закалки вызывает интенсивный рост зерна, что приводит к снижению прочности и сопротивления хрупкому разрушению.

    Закалка заэвтектоидных сталей, по сути, является неполной. Если заэвтектоидную сталь нагревать для закалки выше Асm ,то ее структура будет состоять из крупноигольчатого мартенсита с повышенным содержанием остаточного аустенита, присутствие которого в структуре стали снижает ее твердость.

    Продолжительность нагрева и выдержки при закалочной температуре должна обеспечить прогревание изделий по сечению и завершение фазовых превращений, но исключить рост зерна и обезуглероживание поверхностных слоев детали. В большинстве случаев является приемлемым выбор продолжительности нагрева из расчета 1,5 мин на 1мм сечения для углеродистых сталей и 2 мин на 1мм сечения для легированных сталей. Продолжительность выдержки составляет одну треть от продолжительности нагрева.

    При определении технологических параметров процесса закалки необходимо учитывать закаливаемость и прокаливаемость стали.

    Закаливаемость – это способность стали повышатьв процессе закалки свою твердость. Закаливаемость зависит главным образом от содержания углерода в стали, повышается при увеличении его содержания и считается достаточной при 0,4%С и выше, когда твердость закаленной стали приближается к 60HRC (рис. 14).

    Прокаливаемость характеризует глубину закаленного слоя при данных условиях закалки. За глубину закаленного слоя условно принимают расстояние от поверхности до полумартенситной зоны (50% мартенсита и 50% троостита). Диаметр заготовки, в центре которой после закалки в данной охлаждающей среде образуется полумартенситная структура, называется критическим диаметром ( Дкр). Прокаливаемость возрастает по мере повышения стойкости переохлажденного аустенита и, соответственно, снижения критической скорости закалки.

    1 – твердость мартенсита; 2 –заэвтектоидная сталь после закалки от температуры АС1 + 20 о С; 3 -твердость заэвтектоидной стали после закалки от температуры АСМ + (20…30 о С)

    Рисунок 14 — Влияние температуры закалки на твердость за эвтектоидной стали

    2.3.2.2 Способы закалки

    Охлаждение при закалке должно обеспечить получение структуры мартенсита в пределах заданного сечения детали при отсутствии образования трещин и деформаций.

    Идеальным охлаждением считается такое, при котором обеспечивается высокая скорость охлаждения при температурах наименьшей устойчивости переохлажденного аустенита для предупреждения его диффузионного превращения и медленное охлаждение в интервале мартенситного превращения с целью уменьшения закалочных напряжений (рис. 15).

    1 – закалка в воде; 2 – ступенчатая закалка;3 – идеальное

    охлаждение; 4 – закалка в масле;5 – изотермическая закалка;

    Vкрит.— критическая скорость закалки

    Рисунок 15 – Кривые охлаждения, соответствующие различным видам закалки

    Напряжения при закалке стали возникают в результате неравномерного охлаждения поверхности и центральных зон детали, а также из-за увеличения объема при мартенситном превращении и неодновременности протекания его по сечению детали. В первом случае напряжения классифицируются как тепловые, а во втором – как структурные.

    В начале охлаждения поверхностные слои вследствие уменьшения объема сжимаются, чему противодействуют еще неохлажденные внутренние слои. Это вызывает образование в поверхностных слоях напряжений растяжения, а во внутренних – напряжений сжатия. По мере дальнейшего охлаждения напряжения начнут уменьшаться, и в некоторый момент произойдет смена знака напряжений на поверхности и в центре. После окончательного охлаждения на поверхности образуются остаточные напряжения сжатия, а в сердцевине – напряжения растяжения. Появление остаточных напряжений является результатом того, что напряжения вызывают не только упругую, но и неодновременную и неодинаковую пластическую деформацию слоев по сечению детали.

    Структурные напряжения образуются по обратной схеме. В начале охлаждения в результате мартенситного превращения поверхностные слои расширяются, чему противодействуют внутренние слои, еще не испытавшие структурных преобразований. Это приводит к образованию на поверхности сжимающих напряжений, а в центре – растягивающих. По мере дальнейшего охлаждения знак напряжений на поверхности и в центральных зонах изменяется, и после окончательного остывания на поверхности будут остаточные напряжения растяжения, а в сердцевине – напряжения сжатия.

    При закалке одновременно возникают как тепловые, так и структурные напряжения и в зависимости от их соотношения могут образовываться различные эпюры суммарных напряжений. Наиболее опасными являются растягивающие напряжения на поверхности, которые способствуют образованию трещин и снижают сопротивление усталостному разрушению стали.

    Растягивающие напряжения возникают, в основном, за счет появления структурных напряжений, величина которых тем больше, чем выше температура закалки и интенсивнее охлаждение в интервале мартенситного превращения Мн…Мк,. Для уменьшения структурных напряжений необходимо снижать скорость охлаждения ниже температуры начала мартенситного превращения.

    В качестве закалочных сред для углеродистых сталей, имеющих высокую критическую скорость закалки, применяются вода и различные водные растворы, а для легированных сталей, имеющих небольшую критическую скорость охлаждения, — масло, водовоздушные смеси и т. п.

    Вода, как закалочная среда, имеет большую скорость охлаждения в перлитном интервале, но при этом и высокую скорость охлаждения при температурах образования мартенсита, что может приводить к образованию трещин и деформации закаливаемых изделий (рис.15). Кроме этого, охлаждающая способность воды резко снижается при повышении её температуры.

    Читайте также:  Бетономешалка зубр бс 120 600 отзывы

    При закалке в масле охлаждение в мартенситном интервале осуществляется с невысокой скоростью, но в интервале перлитного превращения интенсивность охлаждения часто оказывается недостаточной для его подавления (рис. 15).

    Таким образом, в настоящее время нет закалочной среды, которая бы обеспечивала идеальное охлаждение, и поэтому разработаны различные способы закалки, использование которых позволяет снизить уровень возникающих напряжений при обеспечении необходимого структурообразования.

    Наиболее распространенным способом закалки является закалка в одном охладителе, при котором деталь погружают в закалочную среду, где она остается до полного охлаждения. С целью уменьшения внутренних напряжений детали перед погружением в закалочную жидкость некоторое время охлаждают на воздухе. Такой способ называется закалкой с подстуживанием. При этом необходимо, чтобы температура детали не опускалась ниже Аr3 для доэвтектоидных сталей и ниже Аr1 – для заэвтектоидных.

    При закалке в двух средах деталь сначала охлаждают в воде до температуры несколько выше Мн, а затем для окончательного охлаждения переносят в среду с меньшей охлаждающей способностью, при этом уменьшаются внутренние напряжения, связанные с превращением аустенита в мартенсит.

    При ступенчатой закалке деталь после нагрева охлаждается в закалочной среде, имеющей температуру несколько выше точки Мн, и выдерживается в ней до выравнивания температуры по всему сечению, но при этом не должно произойти превращение аустенита в бейнит. После этого следует окончательное охлаждение на воздухе, во время которого происходит превращение аустенита в мартенсит. Проведение ступенчатой закалки позволяет уменьшить деформации, коробление и опасность возникновения трещин.

    Изотермическая закалка выполняется так же, как и ступенчатая, но выдержка при температуре несколько выше Мн увеличивается для завершения превращений аустенита в бейнит. Данный способ закалки применяется для легированных сталей и последующий отпуск не производится. В качестве охлаждающих сред при ступенчатой и изотермической закалках применяют расплавленные соли (55% KNO и 45%NaNO3) илищелочи (20%NaOH и 80%KOH).

    Закалка с самоотпуском применяется в основном для ударного инструмента (зубила, кузнечный инструмент и т. д.), когда для обеспечения высокой стойкости инструмента требуется, чтобы твердость постепенно и равномерно снижалась от рабочей к хвостовой части. Такое распределение твердости возможно, если при закалке нагретую деталь рабочей частью погружают в воду и вынимают после кратковременной выдержки. За счет тепла хвостовой части детали её рабочая часть нагревается и отпускается. Температуру нагрева определяют по цветам побежалости, появление которых объясняется возникновением на шлифованной поверхности тонких слоев окислов. Цвет слоя зависит от его толщины, которая определяется температурой. При температуре 220 о С поверхность приобретает светло-желтый цвет, при 230 о С — желтый, при 240 о С — темно-желтый, при 250 о С — оранжевый, при 260 о С — коричневый, при 270 о С — красный, при 280 о С — фиолетовый, при 300 о С — синий, при 320 о С — серый. Этот давно известный способ сейчас становится все более востребованным, что объясняется стремлением к энергосберегающим технологиям и открывающимися возможностями предварительного моделирования закалочного процесса и его выполнения в автоматическом режиме.

    2.3.2.3 Обработка холодом

    Если температура конца мартенситного превращения ниже 0 о С, то после закалки в структуре стали содержится остаточный аустенит. Наличие остаточного аустенита снижает твердость стали, а его последующий распад приводит к изменению форм и размеров. Чем ниже температура конца мартенситного превращения, тем больше остаточного аустенита в структуре закаленной стали.

    С целью уменьшения количества остаточного аустенита сталь после закалки охлаждают до отрицательных температур. Такой технологический процесс называется обработкой холодом, в результате чего возобновляется мартенситное превращение. Температурный режим обработки холодом определяется температурой конца мартенситного превращения. Поскольку превращение происходит только при охлаждении в области мартенситного превращения. Более глубокое охлаждение нецелесообразно, поскольку не вызовет дополнительного превращения.

    После закалки стали выдержка при комнатной температуре приводит к стабилизации аустенита и при последующей обработке холодом не весь остаточный аустенит будет превращаться в мартенсит. Поэтому обработку холодом рекомендуется проводить немедленно после закалки.

    Обработка холодом целесообразна для углеродистых сталей с содержанием углерода свыше 0,6% и применяется для стабилизации размеров калибров, колец шарикоподшипников и других особо точных изделий, для получения максимальной твердости инструмента и цементованных деталей, а также для повышения магнитных характеристик стальных магнитов.

    Отпуск

    Отпуском называется термическая операция, включающая нагрев до температуры ниже АС1, выдержку при заданной температуре и последующее охлаждение с заданной скоростью и обеспечивающая более равновесное состояние металла.

    При отпуске происходит уменьшение внутренних напряжений и тем более значительное, чем выше температура отпуска. Повышение скорости охлаждения с температуры отпуска приводит к увеличению остаточных напряжений. Например, при охлаждении в воде после отпуска (применяется для устранения отпускной хрупкости) уровень возникающих напряжений может быть на порядок выше по сравнению с охлаждением той же детали на воздухе.

    С повышением температуры отпуска твердость и прочность понижаются, а пластичность и ударная вязкость повышаются.

    Зависимость твердости от температуры отпуска качественно имеет такой вид. С повышением температуры отпуска она снижается в результате увеличения карбидных частиц и обеднения углеродом a-твердого раствора. В высокоуглеродистых сталях при отпуске до 100°С имеет место повышение твердости на 1-2HRC в результате превращения тетрагонального мартенсита в отпущенный, а при отпуске при 200-250°С возможно некоторое повышение твердости в результате превращения остаточного аустенита в более твердый отпущенный мартенсит.

    Читайте также:  Как подключить музыку через usb

    Нагрев до 300 о С приводит к повышению пределов прочности и упругости, а при дальнейшем повышении температуры отпуска происходит их снижение.

    Пластические свойства увеличиваются с повышением температуры отпуска и наибольшая пластичность соответствуют отпуску при 600. 650 о С. Отпуск при более высоких температурах уже не повышает пластичность.

    Ударная вязкость у закаленной углеродистой стали сохраняется низкой вплоть до температуры отпуска » 400 о С, после чего начинается её интенсивное повышение до достижения максимума при 600 о С.

    Различают три вида отпуска: низкотемпературный, среднетемпературный и высокотемпературный.

    Низкотемпературный отпуск осуществляется в интервале температур 80…200 о С. В результате его проведения мартенсит закалки превращается в мартенсит отпуска, имеющий повышенную ударную вязкость и пластичность по сравнению с мартенситом закалки при практически той же твердости. Поэтому низкотемпературному отпуску подвергают режущий и измерительный инструменты из углеродистых и низколегированных сталей, а также детали после поверхностной закалки и цементации.

    Среднетемпературный отпуск проводят при температурах 350…500 о С, в результате чего образуется дисперсная феррито-цементитная смесь с зернистой формой цементитных частиц, называемая трооститом отпуска. Троостит обладает повышенными значениями предела текучести и твердостью до 450…500 НВ. Среднетемпературному отпуску подвергаются рессоры и пружины.

    Высокотемпературный отпуск производится при температурах 500…650 о С. Образующаяся структура, представляющая собой ферритную основу с коагулированными и сфероидизированными частицами цементита, называется сорбитом отпуска. Сорбит отпуска обладает высоким комплексом прочностных и пластических свойств, ударной вязкости и низкой переходной температурой хладноломкости.

    Термическая обработка, состоящая из закалки и высокотемпературного отпуска, называется улучшением.

    При проведении отпуска возможно проявление отпускной хрупкости, проявляющееся в снижении ударной вязкости. Различают два рода отпускной хрупкости (рис. 16).

    1 – быстрое охлаждение; 2 – медленное охлаждение

    Рисунок 16 – Изменение ударной вязкости стали в зависимости от температуры отпуска и последующей скорости

    Отпускная хрупкость первого рода проявляется при отпуске около 300 о С у всех сталей, независимо от их состава и скорости охлаждения после отпуска.

    Отпускная хрупкость второго рода обнаруживается после отпуска выше 500 о С и проявляется только при медленном охлаждении с температуры отпуска. Склонность к отпускной хрупкости второго рода проявляется у сталей, легированных марганцем, хромом, никелем при наличии в ней более 0,001% фосфора.

    Для сталей, склонных к отпускной хрупкости второго рода, следует предусматривать быстрое охлаждение после отпуска или применять стали, легированные молибденом, замедляющим её развитие. Но более эффективным является применение чистых сталей по фосфору, а также по примесям внедрения (кислороду, азоту, водороду) и цветным металлам.

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

    Смотреть что такое "Закалка" в других словарях:

    закалка — 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 — 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

    ЗАКАЛКА — (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

    ЗАКАЛКА — 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 — 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

    ЗАКАЛКА — 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

    Закалка — 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

    Закалка — 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 — [quenching, hardening] 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

    Ссылка на основную публикацию
    Что означает стиль лофт
    ReLend.ru » Стили » В чём фишка дизайна квартиры в стиле лофт и что это такое? В данной статье мы...
    Чем утеплить расширительный бак на чердаке
    В данной системе поддерживается атмосферное давление, так как она напрямую сообщается с атмосферой через расширительный бак открытого типа. Такой бак...
    Чем утеплять баню внутри из блока
    Полноценное утепление бани из блоков позволяет улучшить эксплуатационные возможности строения и снизить расходы, связанные с его обслуживанием. Благодаря расширению ассортимента...
    Что означает цветовая температура светодиодных ламп
    Цветовая температура является одной из основных характеристик светодиодных изделий, использующихся для освещения. Часто возникает вопрос, что же это такое и...
    Adblock detector