Закалка стали это

Что такое закалка стали

Закалка представляет собой вид термической обработки, при котором сталь нагревают до температуры выше критической точки фазовых превращений, выдерживают при этой температуре определенное время, а затем быстро охлаждают в специальных средах. Основная цель процесса — изменение внутренней кристаллической структуры металла для получения требуемых механических свойств.

При нагреве стали происходит полиморфное превращение, когда кристаллическая решетка металла изменяется, а углерод равномерно распределяется в структуре, образуя аустенит. Быстрое охлаждение не позволяет аустениту вернуться к исходному состоянию, вместо этого формируется мартенсит — чрезвычайно твердая игольчатая структура, которая и обеспечивает высокую твердость закаленной стали.

Физическая сущность процесса

Критическая температура для большинства сталей составляет около 727°C. При достижении этой точки происходит распад цементита, а углерод начинает равномерно растворяться в железе. Если охлаждение происходит медленно, аустенит успевает распасться, и металл возвращается к исходной структуре. При быстром охлаждении формируется пересыщенный твердый раствор углерода в железе — мартенсит, обладающий высокой твердостью.

Температура закалки стали

Температурный режим — ключевой параметр успешной закалки. Он определяется химическим составом стали, прежде всего содержанием углерода и легирующих элементов. Правильный выбор температуры обеспечивает полное превращение структуры и достижение требуемых свойств.

Температурные режимы для разных типов сталей

Для конструкционных сталей типа 40Х оптимальная температура закалки составляет 860°C, для инструментальных высокоуглеродистых сталей — в диапазоне 760-800°C. Превышение оптимальной температуры приводит к росту зерна аустенита, что снижает вязкость и повышает хрупкость изделия.

Охлаждающие среды для закалки

Выбор охлаждающей среды критически важен для получения требуемой структуры и предотвращения дефектов. Скорость охлаждения должна быть достаточной для предотвращения распада аустенита, но не настолько высокой, чтобы вызвать растрескивание или деформацию изделия.

Вода как охлаждающая среда

Вода обеспечивает самое быстрое охлаждение среди распространенных закалочных сред. Оптимальная температура воды составляет 18-30°C. Этот метод применяется преимущественно для углеродистых сталей с простой геометрией. При охлаждении в воде скорость теплоотвода достигает максимальных значений в интервале 550-650°C, что идеально для предотвращения перлитного превращения.

Однако быстрое охлаждение создает высокие внутренние напряжения, что может привести к короблению и образованию трещин в деталях сложной формы. Для снижения этого риска используют 5-10% водные растворы солей или щелочей, которые обеспечивают более равномерное охлаждение.

Минеральное масло

Масляное охлаждение характеризуется меньшей скоростью теплоотвода по сравнению с водой. Это делает масло предпочтительной средой для закалки легированных сталей и деталей сложной конфигурации. Температура масляной ванны обычно поддерживается в диапазоне 50-80°C.

• Снижает риск образования трещин и коробления
• Обеспечивает более равномерное охлаждение по сечению детали
• Подходит для изделий с резкими переходами толщины
• Требует систему вентиляции из-за выделения паров

Охлаждение на воздухе

Воздушное охлаждение применяется для специальных марок быстрорежущих и высоколегированных сталей, которые обладают низкой критической скоростью закалки. Этот метод обеспечивает минимальные напряжения и деформации, но требует специального состава стали для образования мартенситной структуры.

Специальные охлаждающие среды

Расплавы солей с температурой 250-350°C используются для ступенчатой и изотермической закалки. Такие среды позволяют охладить деталь до температуры выше мартенситной точки, выдержать для выравнивания температуры по сечению, а затем провести окончательное охлаждение на воздухе. Это снижает внутренние напряжения и риск образования трещин.

Структурные превращения при закалке

Понимание структурных изменений, происходящих в стали при закалке, необходимо для правильного выбора режимов термообработки и прогнозирования свойств готового изделия.

Образование аустенита

При нагреве выше критических температур исходная структура стали (феррит и перлит) превращается в аустенит — высокотемпературную модификацию железа с гранецентрированной кубической решеткой. В этой структуре углерод может растворяться в значительных количествах, достигая 2% при температуре 1147°C.

Время выдержки при температуре закалки должно быть достаточным для полного растворения карбидов и гомогенизации аустенита. Недостаточная выдержка приводит к неполному превращению и снижению твердости после закалки.

Мартенситное превращение

При быстром охлаждении ниже температуры начала мартенситного превращения аустенит не успевает распасться диффузионным путем. Вместо этого происходит бездиффузионное превращение, при котором атомы углерода остаются в решетке железа, искажая ее и создавая тетрагональную структуру — мартенсит.

Остаточный аустенит

В закаленной стали всегда присутствует некоторое количество остаточного аустенита — структуры, которая не успела превратиться в мартенсит. Его количество увеличивается с ростом содержания углерода и легирующих элементов. В инструментальных сталях содержание остаточного аустенита может достигать 20-30%, что снижает твердость, но повышает вязкость.

Виды закалки стали

Существует несколько разновидностей закалки, различающихся по способу охлаждения, глубине упрочнения и технологическим особенностям. Выбор конкретного метода зависит от химического состава стали, формы изделия и требуемых свойств.

Полная и неполная закалка

Полная закалка применяется для доэвтектоидных и эвтектоидных сталей. Нагрев производится на 30-50°C выше температуры Ac3, что обеспечивает полное превращение исходной структуры в аустенит. После охлаждения получается мартенсит с небольшим количеством остаточного аустенита.

Неполная закалка используется для заэвтектоидных инструментальных сталей. Нагрев до температуры выше Ac1, но ниже Ac3 приводит к частичному превращению структуры. В результате после охлаждения в структуре присутствуют мартенсит и вторичный цементит, что обеспечивает высокую твердость и износостойкость.

Закалка в одной среде

Наиболее распространенный способ, при котором нагретую деталь погружают в охлаждающую среду до полного остывания. Метод прост в реализации и применяется для изделий несложной формы. Основной недостаток — высокие внутренние напряжения, требующие последующего отпуска для их снятия.

Прерывистая закалка в двух средах

Технология предполагает первоначальное охлаждение в быстроохлаждающей среде (воде) до температуры 300-400°C, а затем окончательное охлаждение в масле. Этот метод широко применяется для закалки высокоуглеродистых инструментальных сталей, так как позволяет сочетать высокую скорость охлаждения в критическом интервале температур с умеренным охлаждением в мартенситной области.

Ступенчатая закалка

Деталь быстро охлаждают в соляной ванне с температурой 250-300°C, что выше точки начала мартенситного превращения. Выдерживают до выравнивания температуры по всему сечению, затем охлаждают на воздухе. Преимущество метода — значительное снижение внутренних напряжений и коробления при сохранении высокой твердости.

Изотермическая закалка

Похожа на ступенчатую, но время выдержки в горячей среде больше — достаточное для полного изотермического превращения аустенита в бейнит. Бейнитная структура обеспечивает оптимальное сочетание прочности, твердости и вязкости. Метод особенно эффективен для рессорно-пружинных сталей и не требует последующего отпуска.

Поверхностная закалка

Применяется когда необходима высокая твердость поверхности при сохранении вязкой сердцевины. Нагрев осуществляется токами высокой частоты, газовым пламенем или лазером на глубину от нескольких миллиметров до 2-3 см. Метод широко используется для зубчатых колес, валов, направляющих.

Закаливаемость стали

Закаливаемость — способность стали повышать твердость в результате закалки. Этот параметр определяется в первую очередь содержанием углерода. Чем больше углерода в стали, тем выше ее закаливаемость и тем большей твердости можно достичь после термообработки.

Прокаливаемость — другое важное свойство, характеризующее глубину закаленного слоя. Она зависит от химического состава стали, размера деталей и интенсивности охлаждения. Легирующие элементы значительно повышают прокаливаемость, позволяя получить сквозную закалку массивных изделий.

Факторы, влияющие на закаливаемость

• Содержание углерода — основной фактор, определяющий максимальную твердость
• Легирующие элементы (хром, никель, молибден) повышают прокаливаемость
• Размер зерна аустенита — мелкозернистая структура обеспечивает лучшие свойства
• Температура нагрева — перегрев снижает качество закалки
• Скорость охлаждения — должна превышать критическую для данной стали

Дефекты при закалке

Неправильный выбор режимов закалки или нарушение технологии может привести к образованию различных дефектов, снижающих качество и эксплуатационные характеристики изделий. Знание причин возникновения дефектов позволяет их предотвратить или исправить.

Трещины

Самый опасный дефект закалки. Трещины возникают из-за чрезмерных внутренних напряжений, которые превышают предел прочности материала. Причины образования трещин включают слишком быстрое охлаждение, особенно деталей сложной формы, неравномерный нагрев, наличие концентраторов напряжений. Дефект неисправим, изделие подлежит браковке.

Деформация и коробление

Изменение геометрии детали после закалки связано с неравномерным охлаждением различных участков изделия. Толстые сечения остывают медленнее тонких, что вызывает неодинаковые объемные изменения и, как следствие, коробление. Дефект частично исправляется правкой в горячем состоянии или механической обработкой.

Мягкие пятна

Участки с пониженной твердостью образуются при недостаточной скорости охлаждения отдельных зон детали. Причины — образование паровой рубашки при охлаждении в воде, недостаточная циркуляция охлаждающей среды, загрязнение поверхности. Для устранения требуется повторная закалка после тщательной очистки поверхности.

Обезуглероживание

Потеря углерода с поверхностных слоев при нагреве в окислительной атмосфере. Обезуглероженный слой не закаливается и имеет низкую твердость. Предотвращается нагревом в защитной атмосфере, использованием защитных покрытий или сокращением времени выдержки при высокой температуре.

Окисление и образование окалины

При нагреве на воздухе на поверхности стали образуется слой окислов. Окалина ухудшает качество поверхности и требует последующего удаления. Для минимизации окисления применяют контролируемые атмосферы или соляные ванны.

Перегрев и пережог

Перегрев происходит при превышении оптимальной температуры закалки. Приводит к росту зерна аустенита, образованию грубой мартенситной структуры и снижению вязкости. Исправляется повторной термообработкой с правильным температурным режимом.

Пережог — необратимый дефект, возникающий при нагреве до температур, близких к температуре плавления. Кислород проникает по границам зерен, образуя окислы. Металл становится хрупким и не подлежит исправлению.

Отпуск после закалки

Закаленная сталь обладает высокой твердостью, но при этом очень хрупкая и содержит значительные внутренние напряжения. Для снятия напряжений, повышения пластичности и вязкости обязательно проводится отпуск — нагрев до температуры ниже критической с последующим медленным охлаждением.

Различают три вида отпуска в зависимости от температурного интервала. Низкий отпуск при 150-250°C снижает внутренние напряжения при сохранении высокой твердости. Средний отпуск при 350-500°C обеспечивает оптимальное сочетание прочности и упругости. Высокий отпуск при 500-680°C значительно повышает вязкость при некотором снижении твердости и прочности.

Применение закалки стали

Закалка широко применяется в различных отраслях промышленности для улучшения эксплуатационных характеристик стальных изделий и продления срока их службы.

Инструментальное производство

Режущий инструмент — резцы, фрезы, сверла, метчики — изготавливают из инструментальных сталей с последующей закалкой до твердости 60-65 HRC. Это обеспечивает высокую износостойкость режущих кромок и способность сохранять остроту при работе.

Измерительный инструмент — штангенциркули, микрометры, калибры — также подвергается закалке для предотвращения износа измерительных поверхностей и сохранения точности размеров.

Машиностроение

Детали, работающие в условиях трения и высоких нагрузок, требуют поверхностной закалки. Зубчатые колеса закаливают токами высокой частоты на глубину 2-4 мм, что обеспечивает твердость поверхности 56-62 HRC при вязкой сердцевине. Валы, оси, шпиндели подвергаются закалке шеек и посадочных мест для повышения износостойкости.

Автомобильная промышленность

Коленчатые валы, распределительные валы, поршневые пальцы, детали трансмиссии закаливаются для обеспечения длительного срока службы в условиях циклических нагрузок. Применяется как объемная, так и поверхностная закалка в зависимости от требований к конкретной детали.

Строительство и металлоконструкции

Элементы несущих конструкций из высокопрочных сталей подвергаются термообработке для достижения требуемого уровня прочности и пластичности. Крепежные элементы — болты, гайки высоких классов прочности — также проходят закалку с отпуском.