Скидка на подшипники из наличия!
Новое поступление товара в 2026 году!
Закалочная среда — это охлаждающая жидкость или расплав, в который погружают нагретую до аустенитного состояния деталь, чтобы зафиксировать неравновесную структуру мартенсита. Вопрос «из чего состоит закалочная среда» на практике сводится к выбору между четырьмя базовыми группами: вода и водные растворы солей и щелочей, минеральные масла, водополимерные (синтетические) среды и расплавы солей. Каждая группа отличается характером теплоотвода в двух ключевых температурных интервалах, и именно от этого зависят прокаливаемость, твёрдость, уровень остаточных напряжений и склонность детали к короблению и трещинам.
Ниже разобрано, какие компоненты образуют закалочную среду, чем отличается их охлаждающая способность, как среда влияет на дефекты закалки и по какому принципу её подбирают под конкретную марку стали. Термины приведены по действующей терминологии термической обработки.
Закалка обеспечивает получение структуры мартенсита в заданном сечении изделия и не должна вызывать закалочных дефектов — трещин, коробления и высоких растягивающих остаточных напряжений в поверхностных слоях. Чтобы аустенит не успел распасться на мягкие продукты (перлит, сорбит, троостит), охлаждение в области наименьшей устойчивости переохлаждённого аустенита должно идти со скоростью выше критической скорости закалки. Ниже точки начала мартенситного превращения, напротив, желательно замедленное охлаждение.
Идеальная среда быстро охлаждает в интервале 650–550 °C и медленно — в интервале 300–200 °C. Ни вода, ни масло полностью этому требованию не отвечают, поэтому среду всегда подбирают компромиссно.
При погружении раскалённой детали в воду, водный раствор или масло теплоотвод проходит три последовательные стадии. Именно их соотношение определяет реальную скорость охлаждения металла.
Чем раньше разрушается паровая рубашка и чем шире температурный диапазон пузырькового кипения, тем выше и равномернее охлаждающая способность среды. На управлении этими стадиями построены все способы регулирования закалки — от добавок в воду до применения полимеров.
С точки зрения механизма теплообмена охлаждающие среды делят на две группы: среды с изменением агрегатного состояния в процессе охлаждения (вода, водные растворы, масла) и среды без изменения агрегатного состояния (воздух, расплавы солей и металлов). На практике в термических цехах применяют четыре основные группы жидких сред; отдельно стоят газовые и водовоздушные среды.
Вода — самый дешёвый и энергичный охладитель с высокой теплоёмкостью и большой теплотой парообразования. Её главный недостаток — высокая скорость охлаждения сохраняется и в мартенситном интервале, что провоцирует закалочные напряжения и трещины. Воду и водные растворы применяют для деталей простой формы из углеродистых сталей.
Растворение в воде солей и щелочей (NaCl, NaOH, а также соды) повышает её охлаждающую способность: добавки разрушают паровую плёнку почти мгновенно, и охлаждение протекает преимущественно в стадии пузырькового кипения — более энергично и равномерно. Наиболее высокой и равномерной охлаждающей способностью отличаются холодные 8–12 %-ные водные растворы NaCl и NaOH.
Температуру воды при закалке поддерживают в пределах примерно 18–25 °C. При нагреве воды выше 25 °C и загрязнении её маслом охлаждающая способность в интервале 550–650 °C резко падает, что ведёт к мягким пятнам на поверхности инструмента; слишком холодная вода усиливает структурные напряжения.
Для легированных сталей с высокой устойчивостью переохлаждённого аустенита применяют минеральное (нефтяное) масло. Его ключевое преимущество — малая скорость охлаждения в мартенситном интервале, что снижает риск дефектов, и постоянство закаливающей способности в широком диапазоне температур ванны (примерно 20–150 °C). Недостатки — повышенная воспламеняемость, недостаточная стабильность и низкая охлаждающая способность в перлитном интервале.
В качестве базовых закалочных сред исторически используются индустриальные масла общего назначения (марок И-12А, И-20А и др.), нормируемые по ГОСТ 20799. Максимум теплосъёма у масел сдвинут в сторону более низких температур поверхности по сравнению с холодной водой, что и объясняет их «мягкий» характер охлаждения.
Водные растворы полимеров занимают промежуточное положение между водой и маслом и позволяют плавно регулировать скорость охлаждения концентрацией и составом раствора. Распространены среды на основе полиалкиленгликолей (PAG), обладающих обратной (инверсной) растворимостью: полимер полностью растворим в холодной воде, но при контакте с горячим металлом выпадает из раствора и образует на поверхности теплоизолирующую плёнку, замедляющую охлаждение в нужном диапазоне; при дальнейшем остывании плёнка вновь растворяется.
Меняя концентрацию, для деталей из разных марок стали подбирают скорость охлаждения, обеспечивающую нужную прокаливаемость и твёрдость при пониженной, по сравнению с чистой водой, склонности к трещинам и короблению. Дополнительное преимущество — негорючесть в сравнении с масляными ваннами.
Горячие среды — расплавы солей (например, селитр) и высокотемпературные масла — применяют для ступенчатой и изотермической закалки. Деталь охлаждают в ванне, температура которой выше мартенситной точки, выдерживают, а затем доохлаждают на воздухе.
Для крупногабаритных изделий и при индукционном нагреве используют струйное (душевое) охлаждение, а также водовоздушные смеси, подаваемые через форсунки. Охлаждающую способность такой смеси регулируют расходом воды, интенсивностью подачи и расстоянием форсунок до поверхности, что делает её гибким инструментом для поковок, рельсов и других массивных деталей.
Охлаждающую способность удобно оценивать по относительной интенсивности охлаждения в интервале пузырькового кипения (за единицу принята холодная вода) и по абсолютной скорости охлаждения в характерных температурных интервалах.
Из таблицы виден основной недостаток нагретой воды: при 80 °C её интенсивность падает впятеро относительно холодной. Соли и щёлочи, наоборот, расширяют интервал энергичного охлаждения до 650 °C, а масло даёт умеренный и «поздний» теплосъём, безопасный для мартенситного интервала.
v = (T₁ − T₂) / Δτ
T₁, T₂
Δτ
600 °C/с
150 °C/с
Δτ = 100 / 600 ≈ 0,17 с
0,67 с
Дефекты закалки возникают из-за напряжений двух видов. Термические напряжения появляются из-за разности скоростей охлаждения поверхности и сердцевины. Структурные (фазовые) напряжения — из-за увеличения объёма при превращении аустенита в мартенсит, которое в разных точках сечения проходит не одновременно.
Высокая скорость охлаждения в мартенситном интервале (Мн–Мк) наиболее опасна: она резко повышает уровень остаточных напряжений и может привести к трещинам. Отсюда практическое правило — среда должна энергично забирать тепло в перлитном интервале и мягко работать в мартенситном.
Слишком медленное охлаждение в мартенситном интервале тоже нежелательно: возможен частичный отпуск мартенсита и стабилизация повышенного количества остаточного аустенита, что снижает твёрдость. Режим всегда балансируют между риском трещин и недобором твёрдости.
Для сложных деталей из углеродистых сталей применяют закалку в двух средах: сначала в воде — до температуры порядка 250–200 °C, затем быстро переносят в масло, где мартенситное превращение проходит при мягком охлаждении. Так удаётся подавить распад аустенита в перлитном интервале и одновременно снизить напряжения в мартенситном.
Отправная точка выбора — критическая скорость закалки, минимально необходимая скорость охлаждения для получения мартенситной структуры. Она определяется химическим составом стали: чем выше содержание углерода и степень легирования, тем ниже критическая скорость и тем «мягче» может быть среда.
Из одной из четырёх базовых основ: вода и водные растворы солей и щелочей (NaCl, NaOH, сода), минеральное закалочное масло, водополимерный раствор (часто на основе полиалкиленгликолей) или расплав солей для горячих ванн. Выбор основы задаёт скорость охлаждения в перлитном и мартенситном интервалах.
Вода охлаждает энергично и в перлитном, и в мартенситном интервалах (порядка 600 °C/с), что подходит углеродистым сталям, но повышает риск трещин. Масло охлаждает медленнее (порядка 150 °C/с) и мягко в мартенситном интервале, поэтому его применяют для легированных сталей.
Растворённые NaCl и NaOH разрушают паровую плёнку на поверхности детали, смещая охлаждение в энергичную стадию пузырькового кипения. Холодные 8–12 %-ные растворы дают наиболее высокую и равномерную охлаждающую способность.
Полимеры с обратной растворимостью при контакте с горячим металлом выпадают из раствора и образуют теплоизолирующую плёнку, замедляющую охлаждение, а при остывании вновь растворяются. Меняя концентрацию, скорость охлаждения регулируют между уровнями воды и масла.
Из-за термических напряжений (разная скорость охлаждения поверхности и сердцевины) и структурных напряжений (объёмное расширение при образовании мартенсита). Особенно опасна высокая скорость охлаждения в мартенситном интервале — её снижают выбором более мягкой среды или прерывистой закалкой.
Универсального ответа нет: среду подбирают по критической скорости закалки стали и форме изделия. Для углеродистых инструментальных сталей чаще применяют воду или водные растворы, для легированных — масло или водополимерные среды, а для минимального коробления — ступенчатую или изотермическую закалку в расплавах солей.
Да, расплавы солей используют как горячие среды для ступенчатой и изотермической закалки. Ванну держат выше мартенситной точки; при изотермической закалке — на 50–150 °C выше Мн до превращения аустенита в бейнит, что даёт минимальные напряжения и коробление.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.